智能化变电站继电保护状态评估机制研究

顾乔根，吕　航，杨国生，王文焕，程　骁，李妍霏

（1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京211102；2.中国电力科学研究院，北京100192）

智能化变电站继电保护状态评估机制研究

顾乔根1，吕航1，杨国生2，王文焕2，程骁1，李妍霏2

（1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京211102；2.中国电力科学研究院，北京100192）

数字式继电保护的信息化技术使保护设备本身具有很强的自检功能，同时扫除了二次回路特征量的采集障碍。从继电保护装置和二次回路两方面研究了智能站继电保护状态评估问题，对保护装置的各项状态信息进行归纳、评分，从量化管理的角度给出检修意见。还从逻辑链路和物理链路两方面讨论了二次回路在线监测的技术。结合两方面内容，从实际应用出发探讨了智能站继电保护状态检修实施方案。

智能变电站；继电保护；状态评估；在线监测

状态检修以设备在线状态为依据，根据设备自身的需要进行检修，是智能化变电站的一个重要内容和目标。状态评估机制的合理建立是贯穿整个状态检修维护策略的核心内容。如何科学合理地建立二次继电保护设备健康评价机制，也是继电保护状态检修的难点［1-3］。文献［4］指出交、直流回路、控制回路等外回路的监测手段还比较缺乏，威胁保护动作的正确性，同时需进一步研究状态信息的分类与分析。文献［5］着重分析了装置寿命的影响机理，提出了延长使用寿命的对策。应该指出，继电保护的状态检修应包括但不限于设备本身的状态，还应考虑保护逻辑正确性及相关回路的正确性。从实际工程应用出发，设计智能站继电保护设备和二次回路的状态评估方法和评估体系，就智能站继电保护的状态评估技术进行探讨。

1　智能变电站继电保护的状态信息

智能变电站继电保护设备其强大的“自检”能力为状态检修技术提供了良好的基础。同时，由于二次设备之间的信息以数字信号的形式传输，具备完善的自动闭锁及告警机制，变电站内所有与保护相关的信息均在实时监测之下。因此，智能变电站可以对保护运行进行实时、全面的监测［6-10］。保护设备自身状态信息主要应考虑：设备运行环境、绝缘状况、装置硬件状态信息等。研究表明严酷的设备运行环境将加速装置元器件老化，增加故障率。过高的温度和湿度将劣化器件电气性能，导致设备功能失效。文中状态评估机制考虑包括设备运行的环境温湿度、装置内部工作温度（包括过程层光口温度、光强）、工作电压及包括屏内接线的保护装置绝缘情况。工作电压包括直流逆变电源状态、中央处理器/数字信号处理器（CPU/DSP）电源状态。

除个体设备自身状态外，评估继电保护性能还应环比考虑生产厂家批次产品的无故障时间、正确动作率等内容。这是因为状态评估的作用不仅限于发现被监测设备本身已出现的缺陷，同时对可能出现的风险进行预警。文中状态评估机制从设备自身统计、同型号统计、同批次统计三方面综合考虑保护设备性能。

智能变电站继电保护状态评估的另一重要任务为电气二次回路的状态监测。除了监测合并单元和智能终端的装置状态信息外，还应涵盖基于IEC 61850协议的光纤通信链路状态和基于智能站配置文本的逻辑链路状态［11，12］监测两部分内容。

2　继电保护装置状态评估

基于智能变电站的以上特点，结合传统变电站保护装置的评价标准，继电保护状态评估以量化的方式进行。根据评价内容的重要性分配分值，满分为100分。分值分配情况见表1。

表1智能变电站继电保护装置状态量评价

继电保护设备正常运行中，这些状态信息一般不会产生太大突变量，可以采用时间间隔较大的模式相对缓慢地输出数据。全站二次设备每2 h报送1次状态信息，变化量超过5%或分析状态有改变时主动报送1次。对于家族性无故障时间、正确动作率等不具备状态信息在线上送条件的参量，可采用离线统计置数方式录入并参与状态评估计算。结合上述数据特征，从在线数据、离线数据两方面综合分析。

3　继电保护状态信息的在线数据分析

3.1在线数据的获取

基于以太网的在线信息传输具有良好的实时性、准确性。变电站智能化之后，丰富了继电保护的状态信息来源。如新一代智能站继电保护装置的在线监测功能提供实时、准确的装置各项数据，包括：装置CPU/ DSP电源状态、内部工作温度、过程层光口工作温度、过程层光口的发送光强和接收光强等；变电站绝缘监测系统覆盖到二次设备时，可以实时获取设备绝缘情况；基于红外测温等技术的环境监测等。

在变电站无人值守的趋势下，实现状态信息的远方监控是今后的必然发展方向。

3.2在线信息的状态分析

3.2.1装置信息

表2给出了典型保护装置的状态量限值。装置状态评估除了以总得分作为评判依据外，出现单项状态不合格情况就应引起注意并安排检修。

不同种类状态数据服从的分布函数是多样的，但实际运行数据只需多个连续监测周期在合理区间内即可，因此可简化状态评分为图1所示的梯形曲线。

图1装置状态信息评分曲线

3.2.2运行环境评估

温度与湿度评分是多个连续监测周期内，按监测周期占总监测时间的比重作为权值计算，最终取温度、湿度得分的最小值作为运行环境评估的得分。环境湿度的评价，按照GB/T2423要求，分2个循环共24 h做环境检测，要求相对湿度不大于95%（如图2所示）。

3.2.3通道运行情况

通道运行情况主要监视高频收信通道异常情况以及装置自身原因引起的通信中断或对时异常、光纤通道的丢包率及误码率等，如图3所示。

4　离线数据的统计分析与辅助决策

对于继电保护状态检修而言，广泛收集系统内各厂家的系列保护装置运行信息并建立缺陷信息库，在监测平台内数据共享的基础上以离线数据的形式纳入状态检修评估体系，将大大拓宽状态检修的应用范围。同时，历史监测数据的离线统计分析进一步提升了在线检修的监测深度。这些内容也是在线检修区别于传统检修方式的重要特征之一。

图2一种典型环境湿度的评分曲线

图3一种典型通道运行情况的评分

4.1典型离线数据的统计分析

无故障运行时间是评估继电保护装置寿命的重要指标。在正常条件下，装置无故障时间及家族性无故障时间应与厂家提供数据接近。图4给出了一种典型的无故障时间分析曲线，预计无缺陷时间倍数=实际无故障时间/预计无故障时间。

传统的正确动作率统计方法以一定期限内被统计设备总动作次数和其中正确动作次数来定义：

RCO=（正确动作次数/总动作次数）×100% （1）

这种统计方式存在一定的局限性。例如，若此次统计周期内没有发生过区内故障，甚至是保护装置在本统计周期经受了多次区外故障的冲击而未误动。对于这类情况，RCO就难以准确反映保护装置的真实性能。因此，合理的统计方式应该兼有装置抗区内拒动和抗区外误动两方面内容。文中调整评估保护装置的正确动作率定义为：

RCO=（动作行为正确数/区内外总故障数）×100%（2）

特别的，如本评价周期内被监测装置出现误动或者拒动，则本次评估单装置正确动作率RCO得分取0。

4.2缺陷信息库与历史数据挖掘

缺陷信息库是建立在对设备状态长期跟踪记录基础上的。建立缺陷信息库后，可以方便电力企业对缺陷的定量统计分析，从而为设备的状态评估、家族性缺陷定义、设备选型和技术改造提供事实依据。

另一方面，当缺陷发生时，通过对历史监测数据的技术分析，并类比缺陷库内的相关记录，可以有效帮助消缺人员快速定位缺陷。例如，当发现批次性硬件问题时，将此批次性问题录入缺陷信息库可为电力企业安排检修计划提供参考。

4.3保护装置状态分类

根据智能变电站保护装置的状态评价量，计算出智能变电站保护装置的状态信息评价得分，根据各部件的评价结果按量化分值的大小分为“良好状态”、“正常状态”、“注意状态”、“异常状态”和“严重异常状态”5个状态。分值与检修方案见表3。

图4家族性无故障时间的评分曲线

5　智能变电站二次回路状态评估的技术路线

5.1物理链路的故障定位

智能站光纤链路的通道监视，一般由接收端智能电子设备（IED）完成。对于组网和点对点2种基本通信方式，都可以将通信等效为图5。

表3继电保护装置状态评分与检修建议

图5通信链路的一般等效

当智能站二次回路发生故障时，站内将有很多设备产生大量的告警报文。对于某一接收设备的告警报文分析故障来源是困难的，因为通信传输的过程常常涉及多个环节：装置、板卡、光纤、交换机等。二次回路的状态监测可以综合全站的链路情况，根据过程层通信拓扑结构来评估各环节的故障概率，从而形成故障定位。

通过配置建立基于各设备光纤链路物理端口的全站过程层网络拓扑，以及各设备断链异常信息与数据链路间的对应关系。二次物理回路在线监测系统运行过程中，通过解析告警事件，得到事件所属的信息组播源地址（MAC）、应用标识（APPID）以及路由表、虚端子拉线等拓扑信息，还得到异常的路径集合和端口集合，并按照如下推理进行故障定位。

（1）异常端口集合中，所有异常信息指向同一端口时，则表明该数据发送端口、数据传输光纤或接收端口（包括交换机端口和装置端口）出现了异常。

（2）接受方设备的所有异常信息指向同一发送设备或此发送设备的所有接受方均告警，则表明该数据发送设备出现了异常。

（3）当仅部分端口和路径异常时，可以根据统计路径集合和端口集合中异常个体出现的次数，排除保护设备或合并单元、智能终端出现异常的可能，并结合简单网络管理协议（SNMP），定位交换机的故障点（如光模块、光纤故障）。

根据推理得出的故障点概率大小，就可以对故障进行依次排查并检修。

目前，为实现二次回路物理链路在线监测功能，需配置全站过程层网络拓扑及各设备断链异常信息与数据链路间的对应关系，整体配置工作量较大。建议通过交换机模型化并纳入变电站配置描述（SCD）的配置管理，以自动建立全站过程层网络拓扑关系；通过完善设备模型规范建立设备站控层断链异常信息与过程层数据链路间的对应关系，这些工作将大大减少配置工作量，提高二次物理链路在线监测功能的实用化水平。

5.2逻辑链路的状态分析

常规的电气二次回路是由若干继电器和连接各个设备的电缆组成，点多、分散，要通过在线监测继电器触点的状况、回路接线的正确性等很难，也不经济。

智能站虚拟二次回路主要以虚端子表、装置逻辑联系图形式的体现。回路涵盖的信息包括：采样值（SV）输入和输出定义、通用面向对象的变电站事件（GOOSE）输入和输出定义、网络地址分配等。依据IEC 61850标准，过程层GOOSE和SV报文不仅传输通信数据，还包括配置数据，这两方面信息扫除了二次回路状态特征量的采集盲区，使逻辑链路通信的在线监测成为可能。

过程层装置间通过GOOSE、SV报文交互的应用信息可以用MAC地址、APPID来唯一标识，过程层装置间的交互关系通过SCD配置文件详细描述。SCD配置文本的信息包括：发送端GOOSE、SV控制块及其对应的数据集；GOOSE、SV发送块对应的MAC地址、APPID；接收端与发送端的虚回路连接情况。

对于保护装置而言，实例化配置文本CID记录了装置的虚回路连接信息。检索GOOSE输入（GOIN）、SV输入 （SVIN）为前缀的LN中的Input信息，提取iedName、ldInst、lnClass、lnInst、doName、daName、prefix等元素，可以构建过程层收发装置的拓扑结构以及信息虚回路表。

二次回路的逻辑链路监测，通过过程层网络周期地读取GOOSE和SV报文，重构报文中的虚回路配置信息，并与SCD配置信息进行一致性比较，发现异常时发出告警。如图6所示，二次回路的逻辑链路监测，为智能变电站二次回路构建流程补充了重要一环，实现了智能站二次回路配置信息的逻辑验证。

图6逻辑链路在线监测示意

6　结束语

数字式保护的实现技术使保护设备本身具有很强的自检功能。因此，作为装置本身的监测和诊断已具备实现的可能，保护装置检修决策的确定具有可靠的依据；同时智能站在线监测提供了二次回路状态诊断的技术路径。进一步地，在建立行业内保护状态数据的标准化模型方面、以及缺陷信息库的层次结构规范化等方面还有许多工作要做，同时需要研究智能站继电保护设备状态检修的经济性分析，进一步提高检修效率及质量。

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Research on Status Assessment Technology of Relay Protection in Smart Substation

GU Qiaogen1，LYU Hang1，YANG Guosheng2，WANG Wenhuan2，CHEN Xiao1，YANG Yanfei2
（1.Nanjing NARI-Relays Electric Co.Ltd.，Nanjing 211102，China；2.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China）

Information technology of digital relay protection makes protective devices themselves strong functions of self-checking.At the same time，it helps to remove obstacles in regards to collecting characteristic quantity of secondary circuit.In this paper，status assessment of relay protection in smart substation is discussed in two respects:protection device and secondary circuit.Then，status information of protection device is ranked and generalized.Thus，suggestions to maintenance are provided in terms of quantitative management.In addition，this paper discusses online monitoring technology of secondary circuit from the standpoint of logical and physical links，which are joint together for practical use.In the end，specific implementation related to status maintenance of relay protection in smart substation is subsequently explored.

smart substation；relay protection；status assessment；online monitoring

TM76

B

1009-0665（2016）01-0080-04

2015-09-02；

2015-10-15

顾乔根（1986），男，江苏南通人，工程师，从事电力系统继电保护研究工作；

吕航（1971），男，江苏金坛人，高级工程师，主要从事电力系统继电保护研究工作；

杨国生（1977），男，甘肃兰州人，高级工程师，主要从事电力系统继电保护研究工作；

王文焕（1984），男，山东菏泽人，工程师，从事电力系统继电保护研究工作；

程骁（1978），男，河南安阳人，工程师，从事电力系统继电保护研究及科技管理工作；

李妍霏（1988），女，山东莱芜人，助理工程师，从事电力系统继电保护研究工作。