继电保护及相关回路动态监控及故障诊断技术研究与应用

张兆云，叶远波，栾庆武，倪辉，庞志军

（1.东莞理工学院，广东东莞 523808；2.安徽省电力调度控制中心，安徽合肥 230022；3.国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京 210003）

继电保护及相关回路动态监控及故障诊断技术研究与应用

张兆云1，叶远波2，栾庆武3，倪辉3，庞志军3

（1.东莞理工学院，广东东莞 523808；2.安徽省电力调度控制中心，安徽合肥 230022；3.国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京 210003）

研究了继电保护及相关回路动态监控及故障诊断系统架构，提出了基于该架构的状态采集单元、站端动态监控技术、二次回路故障诊断技术以及过程层和间隔层设备改造。基于该架构的成套系统已经在安徽某变电站成功投入运行。基于该架构的成套系统在安徽某500 kV变电站成功投入运行。运行结果表明，系统稳定可靠，数据记录完整。记录的数据有助于现场设备运行工况的分析。

智能变电站；继电保护；回路态监控

智能变电站以数字化二次回路代替了常规变电站的硬电缆连接，变电站站控层、间隔层以及过程层的通信网络报文已经成为变电站智能设备间信息交互和共享的主要方式[1-3]。智能设备和以通信网络为主的二次回路的健康状况将直接影响整个智能变电站系统的正常运行[4-5]。数字化二次回路传输通信报文，具备极强的检错能力，过程层各种协议在设计时也充分考虑了容错，偶尔的丢包对运行影响甚微，这原本是数字化二次回路的重要优点。但由于对以通信网络为主的二次回路缺乏有效的动态监测手段和评估策略，无法对各种异常进行分级和界定，检修没有依据，过度检修和维护不良都有发生[6-8]。为了解决这些问题，开展智能变电站继电保护及相关回路动态监控及故障诊断技术的研究势在必行[9-13]。

1 系统架构

继电保护及相关回路动态监控及故障诊断系统架构如图1所示。该系统包含如下部分：

1）满足二次回路状态监测系统要求的合并单元、智能终端、各类保护装置（母线保护、线路保护、变压器保护、辅助保护等）等二次设备。

2）间隔层状态采集装置。该装置通过过程层

网络获取二次设备在线监测信息和全站的各类报文。该装置具备网络记录、二次设备状态监测等功能。

图1 继电保护及相关回路动态监控与故障诊断系统架构Fig.1 The architecture of protection equipment’s on-line monitoring and diagnosis

3）站控层状态采集装置。主要采集站控层设备的继电保护及二次回路运行状态监测信息和交换设备的网管信息。

4）站端设置继电保护及二次回路运行状态动态监控系统。该系统完成全站的网络动态显示，集成故障诊断和评估，并将分析结果以遥信和遥测的方式通过站控层网络传递给变电站网关机。

5）该系统通过调度网络和调度端进行通信，在调度端展示各个变电站站端的运行状态以及故障诊断信息。

2 状态采集装置

二次回路运行状态信息的获取是实现继电保护及相关回路动态监控及故障诊断系统的基础，因而状态采集单元是该系统的核心设备。本文在既有网络分析仪和保信子站的基础上，研制继电保护及二次回路状态采集装置，实现对二次回路的全覆盖，为变电站端和调度端提供数据支撑[14-15]。

2.1 采集装置硬件结构

状态采集装置包含过程层状态采集装置和站控层状态采集装置。

过程层采集装置使用DNR-300系列网络记录设备，每台设备可以提供16个光口，处理400 Mbit数据流量。利用过程层采集装置能够记录全站的报文特点，实时记录全站的报文，根据记录的报文判断每个信息源的工作状态以及信息源到过程层采集装置的状态。

站控层采集装置使用保信子站作为基础进行研制，接收所有设备的MMS信息以及交换机的网管信息，解析其中的在线监测信息。站控层采集装置采用轮询的方式，依次询问全站二次设备的网络状况以及在线检测信息，并保存响应的信息。

站控层和过程层采集装置的数据（遥测、遥信数据以及网络分析仪分析的断链等信息）通过以太网传递给监测系统。

交换机是变电站中的重要设备，为了实现二次回路的在线监测，该系统增加对交换机的监控。采用SNMP服务（简单网络管理协议）将光交换设备的网管信息接入采集装置，获取光交换设备各个端口信息。

2.2 主要采集信号

二次回路运行状态信息包含站控层信息、间隔层监测信息、网络状况监测信息、过程层监测信息、交换机状态监测信息和时钟信息等部分。

1）站控层监测信息。主要包括监控系统主机和通信类设备（智能远动机、远动子站、保信子站）的CPU占有率、内存占用率、硬盘剩余空间、网络接口通断、电源工况和关键进程运行状态等。

2）间隔层监测信息。操作信息、动作信息、告警信息、测量信息（交流、直流、温度、电度、遥信、变压器档位、SOE等），这些信息应采用DL/T860建立自描述的数据模型，并通过DL/T 860规约将信息传送给二次设备状态监测模块。

3）网络状况监测信息。采集单元能够实时监控网络通信的状态。针对各种通信，建立链路通信状态监视。新增一条链路时，可以即时给出链路信息。当某个链路报文中断，即时产生一条链路断链告警。当发生断链的链路，重新接收到报文时，即时产生链路恢复告警。并可以按照报文的类别统计报文网络流量。

4）过程层监测信息。主要包括光功率监视、光强越限、通信链路监视和对时状态监视等。过程层的状态监测信息通过GOOSE发送给测控装置，测控装置通过MMS报文上送到站控层二次设备状态监测模块。

5）交换机状态监测信息。包括内存、Flash、EEPOM、RTC、MAC/PHY、数据流量统计、网口状态等。

6）时钟设备状态监测信息，主要是时钟工作状态和自检状态信息。如：外部时源信号状态、天线状态、守时功能状态、时间连续性状态等相关内容。

3 站端动态监控技术

利用最新的信息技术和数据库技术，在站端及调度端可视化的展示保护二次回路的运行状态以及网络状态。可视化监控利用图形化界面全面展示变电站继电保护及二次回路的运行状态信息、故障诊断信息以及状态检修结果等。

3.1 站端监控主要功能

站端监控主要功能包括：

1）继电保护及二次回路实时信息显示。

2）继电保护及二次回路故障诊断信息显示。

3）继电保护及二次回路评估结果显示。

4）继电保护及二次回路状态检修结果显示。

5）历史数据存储和显示技术。

苏穆武对苏婷婷说：你对他说，他父母拿一半，我们出一半！这样可以了吧？苏婷婷皱眉：爸，美国人不兴结婚买房，你们就别这样了好吗？苏穆武说：可你们不是在美国，是在中国！苏婷婷说：中国也不是所有人结婚都买房子呀！苏穆武耐着性子：我们是为你好，你想想，他们没钱也就罢了，有钱不买房，这不明摆着不把你这个中国媳妇放在眼里吗？苏婷婷反驳道：不是这样的，杰克很爱我。苏穆武问：不买房怎么证明他爱你？还有，连房子都没有，怎么证明他永远爱你？

动态监控技术实现了二次系统可视化，能图形化显示二次虚回路连接状态和装置检修状态，为检修提供可视化支撑；二次虚回路的连接可视化中IED装置命名采用调度正式命名；图形化显示的回路应包含交流回路、跳闸回路、合闸回路、失灵启动回路、联闭锁回路、相应软压板状态及回路功能描述等；同时系统可以根据全站SCD模型自动生成新增设备在线监测信息展示画面。

3.2 站端监控软件实现

站端软件采用基于QT进行开发，可以支持windows和Linux等跨平台操作，同时可以通过界面切换实现中文、英文等多语种显示。

图2是重要监测信息——保护装置内部温度的系统展示界面。

图2清晰地反映了低温试验时，保护装置内部的温度变化。现场运行的时候可以根据温度的变化判断出装置的运行状态。

图3为该系统的二次回路可视化展示的界面——站控层网络连接关系图，系统中通过线段的颜色区分链路的通断。

图2 低温试验时保护装置内部温度和电压展示Fig.2 The internal temperature and voltage of the protection device under Low temperature test

图3 系统可视化展示——站控层网络连接关系图Fig.3 Visualization-the diagram of the station level network connection

图4 过程层网络连接关系图Fig.4 Visualization-the diagram of the process level network connection

图5为该系统二次回路可视化展示界面——装置连接关系图。

图5 装置连接关系图Fig.5 Visualization-the diagram of the equipment’s connection

4 二次回路故障诊断技术

故障诊断主要包括二次回路故障快速定位以及二次设备故障预警。

二次回路故障快速定位是二次回路故障诊断的重要内容。在目前的智能变电站二次回路中，存在大量的光纤通道和光交换设备，当通道异常发生时，通过研制的故障诊断系统快速定位异常出现的环节是在保护装置、交换设备、还是具体的某段光纤，对于实现变电站的故障检修，具有减小二次系统故障时间，提高供电可靠性有重要的作用。根据获取的全站网络报文、二次设备状态监测数据、交换设备的网管信息，结合全站的网络架构、SCD配置、物理端口描述、控制块信息和交换机的设置，判断通道故障存在的具体位置。

点对点连接光纤回路的故障定位方法相对比较简单。通过比较发送端和接收端的光功率值、接收端的接收断链告警信息，以及状态采集设备的网络报文记录，即可初步判断回路故障是发生在发送光口、光纤链路或接收端口。

网络化过程层光纤回路的故障定位较为复杂。网络化过程层的光纤回路经过交换设备连接，其故障定位更多依赖于交换设备提供的端口信息和全站SCD配置、物理端口描述、控制块信息，其故障定位难度远大于点对点方式，特别是经过交换机级联的情况。在条件具备的情况下，采用SNMP服务（简单网络管理协议）或全端口镜像监视等技术获取光交换设备的端口信息，通过对光交换设备各个端口信息（如通信流量等）的分析来判断网络的运行情况，实现继电保护及二次回路监控的全覆盖，为状态检修提供数据支撑。其中基于SNMP服务的方法是指状态采集装置通过该协议获取交换设备的网管信息，进行分析诊断。而全端口镜像监视技术是通过交换设备端口镜像，监视变电站内所有交换设备的所有端口，通过比对某个回路中各个端口的报文记录和告警记录快速定位回路故障。

二次设备故障预警主要是利用状态检修策略实现对二次设备的告警。二次设备故障预警主要根据装置的硬件级告警信息、监测信息及其他巡检信息对装置硬件的运行状态进行评估，并可根据监测信息的统计变化趋势进行故障预警和展示。故障评估主要是利用当前和历史的运行信息，评估装置的运行工况，并给出是否需要进行检修的建议。

在继电保护状态检修可视化、多设备状态信息的基础上，检修人员根据系统对二次回路快速定位的结果，尽快处理相关异常状态，恢复系统正常运行；同时根据系统对二次回路的评估结果，完成部分异常设备的提前检修。

5 结语

必须指明的是，该系统的实现依赖过程层和间隔层二次设备提供了足够丰富的监测信息。改进并研制符合继电保护及二次回路运行状态监测要求的过程层和间隔层设备是实现该系统的关键之一。运行状态监测系统要求过程层和间隔层设备能够提供足够丰富的二次回路在线监测信息，至少需要包括：光纤链路断链信息、发送光功率、接收光功率、丢包率、丢包总数等。

本文首先研究了继电保护及相关回路动态监控及故障诊断系统架构，然后研究了基于该架构的状态采集单元、站端动态监控技术以及二次回路故障诊断技术。

2015年5月20日，基于该架构的成套系统在安徽某500 kV变电站成功投入运行。自投入运行以来，系统稳定可靠，数据记录完整。记录的数据有助于现场设备运行工况的分析。

[1]戴宪滨，邹婷.变电站二次回路的发展趋势[J].沈阳工程学院学报（自然科学版），2011，7（1）:47-49.

DAI Xianbin，ZOU Ting.Development tendency of secondary circuit in substation[J].Journal of Shenyang Institute of Engineering:natural Science，2011，7（1）:47-49（in Chinese）.

[2]殷晓刚，韩云，郑伟.浅谈智能高压电力设备与传统高压电力设备的差异[J].高压电器，2012，48（4）:75-79.YIN Xiaogang，HAN Yun，ZHENG Wei.Discussion on the differences between smart and traditional high-voltage power equipment[J].High Voltage Apparatus，2012，48（4）:75-79（in Chinese）.

[3]杨臻，赵燕茹.一种智能变电站一体化信息平台的设计方案研究[J].华北电力大学学报，2012，39（3）.YANG Zhen，ZHAO Yanru.Design and study of an integrative information platform for smart substation[J].Journal of North China Electric Power University，2012，39（3）（in Chinese）.

[4]安天瑜，王震宇，金学洙，等.电力系统风险研究现状[J].电网与清洁能源，2009，25（9）:4-10.AN Tianyu，WANG Zhenyu，KIM Haksu，et al.Research status on power system risk[J].Power System and Clean Energy，2009，25（9）:4-10（in Chinese）.

[5]朱俊杰，李旭东.500 kV线路事故跳闸事件的分析与建议[J].电力与能源，2013（1）:59-61.ZHU Junjie，LI Xudong.Analysis and recommendations of the 500 kV line trip event[J].Power&Energy，2013（1）: 59-61（in Chinese）.

[6]史光丽，翟清剑，马玉梅.蓄电池在线监测系统中多重报警方案的设计与实现[J].电力科学与工程，2010，26（2）:40-42.SHI Guangli，ZHAI Qingjian，MA Yumei.Design and implementation of multiple alarms of battery on-line monitoring system[J].Power Science and Engineering，2010，26（2）:40-42（in Chinese）.

[7]徐长宝，庄晨，蒋宏图.智能变电站二次设备状态监测技术研究[J].电力系统保护与控制，2015，43（7）:127-131.XU Changbao，ZHANG Chen，JIANG Hongtu.Technical research of secondary equipments’state monitoring in smart substation[J].Power System Protection and Control，2015，43（7）:127-131（in Chinese）.

[8]刘昱，许玉香，于峥，等.750 kV智能化变电站在线监测系统配置[J].电网与清洁能源，2010，26（2）:40-45.LIU Yu，XU Yuxiang，YU Zheng，et al.Deployment of the on-linemonitoringsystem in the 750 kV smart substation[J].Power System and Clean Energy，2010，26（2）:40-45（in Chinese）.

[9]文继锋，盛海华，周强，等.智能变电站继电保护在线监测系统设计与应用[J].江苏电机工程，2015，34（1）：21-24.WEN Jifeng，SHENG Haihua，ZHOU Qiang，et al.Design and application of relay protection on-line monitoring system in the intelligent substation[J].Jiangsu Electrical Engineering，2015，34（1）：21-24（in Chinese）.

[10]张巧霞，贾华伟，叶海明，等.智能变电站虚拟二次回路监视方案设计及应用[J].电力系统保护与控制，2015，43（10）:123-128.ZHANG Qiaoxi，JIA Huawei，YE Haiming，et al.Design and application of virtual secondary circuit monitoring in smart substation[J].Power System Protection and Control，2015，43（10）:123-128（in Chinese）.

[11]王俏文，丁坚勇，陶文伟，等.基于层次分析模型的二次设备状态检修方法[J].南方电网技术，2013，7（4）: 97-102.WANG Qiaowen，DING Jianyong，TAO Wenwei，et al.A condition-based maintenance method of secondary electrical equipments based on hierarchy model[J].Southern Power System Technology，2013，7（4）:97-102（in Chinese）.

[12]蓝海涛.智能变电站继电保护二次安全措施规范化的建议[J].智能电网，2014，2（1）:62-66.LAN Haitao.Recommendations for the standardization of relay protection secondary safety measures of smart substation[J].Smart Grid，2014，2（1）:62-66（in Chinese）.

[13]沈潇军，洪建光，蒋鸿城，等.信息设备状态检修研究与应用[J].电力信息与通信技术，2015（2）:43-48.SHEN Xiaojun，HONG Jianguang，JIANG Hongcheng，et al.Research and application of information equipment condition-based maintenance[J].Electric Power Information and Communication Technology，2015（2）：43-48（in Chinese）.

[14]周改云，张国平，马丽，等.基于阻抗分析和行波分析的配电网故障定位方法[J].电网与清洁能源，2015，31（9）:21-26.ZHOU Gaiyun，ZHANG Guoping，MA Li，et al.A fault location method in distribution networks based on impedance analysis and traveling wave analysis[J].Power System and Clean Energy，2015，31（9）:21-26（in Chinese）.

[15]潘庆庆.保护装置中小电流接地选线功能的分析[J].电网与清洁能源，2015，31（2）:56-58.PAN Qingqing.Analysis on the line selection function ofthe small current grounding in the protection device[J].Power System and Clean Energy，2015，31（2）:56-58（in Chinese）.

（编辑 董小兵）

Research on the Dynamic Monitoring and Fault Diagnosis Technology for Relay Protection and Secondary Circuits

ZHANG Zhaoyun1，YE Yuanbo2，LUAN Qingwu3，NI Hui3，PANG Zhijun3
（1.Dongguan University of Technology，Dongguan 523808，Guangdong，China；2.Anhui Electric Power Dispatching Control Center，Hefei 230022，Anhui，China；3.NARI Technology Development Co.，Ltd.，Nanjing 210003，Jiangsu，China）

This paper studies the dynamic monitoring and fault diagnosis system for the relay protection and its secondary circuit and proposes the architecture of the system.And based on the architecture，the state acquisition unit，the station dynamic monitoring technology， the second circuitfault diagnosis technology and the modification of the process level and bay level equipment are proposed and clarified.A complete set of system based on the architecture has been successfully put into operation in a 500 kV power substation in Anhui province，and operation results show that the system is stable and reliable，and the data record is complete.The recorded data is helpful to the analysis of the operating conditions of the field equipment.

smart substation；relay protection；dynamic monitoring

2016-07-22。

张兆云（1977—），男，博士，教授级高级工程师，从事电力系统自动化和数字化变电站的研究；

叶远波（1973—），男，硕士，高级工程师，长期从事电力系统继电保护运行和技术管理工作；

栾庆武（1982—），男，工程师，从事电力系统继电保护和数字化变电站的研究。

国家科技支撑计划（2012BAA15G00）；国家电网公司2014年度科技项目（2014-7-11）。

Project Supported by National Key Technology Support Program（2012BAA15G00）；Science and Technology Project of SGCC（2014-7-11）.

1674-3814（2016）09-0001-05

TM774

A