智能变电站继电保护可靠性评价

熊胜辉

（长园深瑞继保自动化有限公司，广东 深圳 518057）

0 引 言

继电保护装置的安全可靠性与电力系统的稳定运行息息相关。截至2018 年年底，电压等级在220 kV及以上的系统的保护设备数量达到182 172 台，同比增加10 044 台[1]。为保证众多二次设备正常运行，需要大量的运维人员。为分析、定位、处理变电站缺陷，变电检修人员需要多次往返变电站，处理效率较低。随着智能变电站二次设备状态监测系统的推广应用，继电保护运行状态信息在生命周期内可观可测[2-5]。基于智能变电站二次状态监测主站的继电保护信息、调度系统的设备运行信息以及故障录波器系统采集的数据，可实现继电保护设备及其辅助设备的在线状态监测运行评价。电力系统正常运行时，监测继电保护设备运行状态数据。电力系统发生故障时，分析保护动作数据，结合数据结果，最终实现对继电保护的可靠性评价。

1 评价系统架构

继电保护在线评价系统架构，如图1 所示。实时在线评价系统安装在调度中心安全Ⅱ区，通过Ⅱ区通信网络与智能变电站二次设备状态监测子站连接，实时获取管控范围内变电站的继电保护设备的信息，包括测量信息、告警信息以及保护动作信息等。同时，通过横向网络与电网调度系统中的能量管理系统（Energy Management System，EMS）进行通信，获取电网拓扑结构；通过定值整定系统，获取装置的定值信息；通过与录波器主站系统交互，获取变电站的录波数据。

图1 继电保护在线评价系统架构

继电保护实时在线评价系统功能组成如图2所示。评价系统包括4 个主要的功能模块，分别为二次状态监测模块、故障分析模块、电网拓扑图生成模块以及可靠性评价模块。

图2 在线评价系统功能

（1）二次状态监测模块。该模块能够实现2 大功能：一是定期与定值整定系统交互，获取保护设备定值的原始整定信息；二是与二次状态监测子站通信，读取保护装置的遥信、遥测、录波以及保护事件等数据。

（2）电网拓扑图生成模块。拓扑图生成模块主要从电网调度系统获取当前电网的拓扑结构图文件，生成供故障分析模块使用的数据。

（3）故障分析模块。故障分析模块可以和录波器主站进行通信，读取录波文件和录波配置文件等，同时结合二次状态监测模块中继电保护装置的录波数据和电力网络拓扑结构分析故障信息。

（4）可靠性评价模块。可靠性评价模块可以综合评价二次设备状态监测模块的正常运行数据和故障分析模块的保护数据，得出实时状态评价结果。它可以通过Web、短信以及微信等，将状态评价结果推送给运维人员。

2 运行状态监视

智能变电站中的继电保护及自动装置能够采集交流和开入量的数字信息，进而实现信息交互的数字化。这些数字信息的定义都包含在规范控制文件（Specification Control Document，SCD）中[6]。智能变电站中，二次设备状态监测系统的二次设备信息包括变电站设备运行工况的全景信息、单一设备运行工况信息以及二次设备的物理回路信息等。智能变电站的过程层配置了状态采集设备，在运行过程中支持对合并单元（Merging Unit，MU）和面向通用对象的变电站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）数据的监测与诊断。通过MU 和GOOSE 数据的监测和分析，实现其状态评价。

2.1 采样数据监测

MU 采集电流互感器的电流信号和电压互感器的电压信号，将电流与电压信号同步组合后，以数字信号的形式发送给保护装置、测控装置以及电度表等智能装置。因此，MU的质量直接影响继电保护的可靠性。一旦MU 出现故障，会导致多套保护装置出现不正确动作。

2.1.1 对数据报文的监测

MU 报文以《Communication Networks and Systems in Substations-Part 9-2：Specific Communication Service Mapping（SCSM）-Sampled values over ISO/IEC 8802-3》（IEC61850-9-2-2004）协议为基础进行传输。报文中含有数据的品质因数，长度为4 Bytes，包含16 bit 品质位，如Validity（有效性）、Overflow（溢出）、Failure（故障）以及BadReference（基准值出错）等。通过检测MU 报文，能够实时了解MU 设备的状态。通过分析一个区域内相同MU 设备的数据状态，可诊断MU 的状态。

2.1.2 同源数据比对

通过对同一电气量采集值的比对，实现对电气量采集正确性的监测。同源数据比对的方法多样。对于220 kV 系统，继电保护双重化配置。比对方式包括2 种：一是比对双重化配置的2 套保护同一电气量的采样值；二是比对间隔保护（线路或变压器间隔）与母差保护的采样值。对于110 kV 系统，单母线接线，可比对线路与母线保护采集数据的差异。

2.2 开入开出数据监测

智能站开入开出数据采用GOOSE 传输。GOOSE通信服务映射使用一种特殊的重传方案提升数据传输的可靠性。重传序列中的每个报文都带有允许生存时间参数，用于通知接收方等待下一次重传的最长时间。若在该时间间隔内没有收到新报文，则接收方认为关联丢失。

继电保护采集的开入量包括压板信号、断路器位置信号以及在运行过程中的一些联闭锁信号。对于不同的开入信号，需要做不同的处理来实现其状态评价。

2.2.1 压板信号

电力系统正常运行过程中，保护装置的压板信号一般不发生变化。压板信号发生改变时，保护装置的压板状态改变，并触发对应的GOOSE 报文。二次状态监测模块实时采集压板变位信息，当压板异常退出时，监测模块报异常告警。压板投入或退出时，只需人工核对装置是否正确采集压板状态信息。

2.2.2 断路器位置信号

断路器位置信号十分重要，一些保护和重合闸功能均需使用断路器位置信号。电力系统正常运行时，断路器位置信号不发生改变。电力系统发生故障时，继电保护动作且开关跳闸。断路器位置变化过程应该与继电保护的动作过程一致。当一次开关因检修而开断或闭合时，断路器位置信号应能正确反映开关的动作过程。通过这些过程来诊断动作回路的正确性。

2.2.3 联闭锁信号

联闭锁信号包括启动失灵和重合闸等。保护动作触发联闭锁信号时，工作人员需要校核联闭锁信号的正确性。联闭锁信号在运行过程中由SCD 管控，并且由过程层循环冗余码校验（Cyclical Redundancy Check，CRC）进行校核，从而保证配置文件不发生改变。即使在一个时间段未产生联闭锁信号，也能确保联闭锁信号的正确性。

2.3 其他监测信息

继电保护装置能实现自动巡视、定值管理、监视预警、故障定位、保护动作分析、SCD 配置在线管控以及防误操作等，从而更好地监测电力系统的运行状态信息。其中：自动巡视功能是指监测一定时间间隔内的全站通信记录、告警记录、变位记录、动作记录、状态信息（温度、电源电压和光功率）、保护投退、主变以及母线差流等信息，并将这些运行信息存贮在数据库，供工作人员查询、统计与分析；定值管理功能是指记录保护设备全生命周期内的定值和定值的变化过程；SCD 配置管控可确保继电保护设备的过程层配置与SCD文件一致，并在出现误改时发出告警信号；状态信息监视预警功能是指监视装置器件参数的变化过程，包括电源电压、光功率以及装置温度等。

3 录波数据分析

电力系统发生故障或出现扰动时，继电保护装置都会产生录波数据。录波数据根据保护是否动作又可分为事故录波和扰动录波。电力系统发生故障时，保护装置在一定的区域范围内都会产生录波。某故障分析的录波数据范围如图3 所示，其中故障发生在丹库2889 线上。

图3 某故障分析的录波数据范围

3.1 模拟量分析

通过分析模拟量，计算与判断录波文件中的模拟量信号，主要包括故障前和故障后一段时间内的电气量相量，并将计算结果作为后续判断的重点依据，同时比对不同保护装置采集的数据，提高采样的正确性。故障前的模拟量是波形第一个周波的数值，故障后的模拟量是继电保护装置启动后30 ms、40 ms、50 ms 后模拟量的值，其中相电压取最小值，相电流、零序电压以及零序电流取最大值。

计算的相量用于异常检测。为防止误报信息，在特定的情况下不进行模拟量判别。当2 套保护同一个通道的最大值都没有超过0.05 A 或者0.05 V 时，不进行通道对比；当2 套保护同一个通道至少有一个超过门槛值且相对误差超过10%时，发出告警信号。

3.2 定值灵敏度分析

首先，根据录波数据得到电压信号和电流信号的测量值，计算保护元件的测量值；其次，对比测量值和定值，分析当前保护内部各元件的动作情况；最后，判断是否存在动作行为不正确的异常情况。

定值灵敏度分析集成了保护的选相和测量算法。根据保护的动作行为进行判断，判据包括3 点：（1）相邻线的距离Ⅲ段是否可以满足动作条件和灵敏度要求；（2）相邻线的零序后备段是否可以满足动作条件和灵敏度要求；（3）中间文件的距离或者零序动作是否正确，是否出现Ⅱ段或Ⅲ段保护在Ⅰ段保护之前动作的情况。

3.3 开关量分析

通过分析开关量，检测录波文件开关量信号是否存在异常变位。一方面，检测开关量位置信号是否频繁抖动；另一方面，检测开关量状态和设定值是否不一致，主要用于判断压板是否出现异常。

3.4 采样回路分析

通过分析故障前的三相电压和三相电流的相序，检测是否发生相序接错的问题。比较三相电压或电流的有效值，观察是否存在差异过大的情况，从而判断是否出现失相等问题。

3.5 定值一致性分析

以整定系统的定值为基准，比较整定系统定值和录波文件中的定值的一致性。若不一致，则发出告警信息。

定值比较遵循以下几个基本原则。

（1）要求两者名字完全一致才能进行比较。

（2）通过配置文件，可以设置允许的误差范围，且设置后可以允许有一定的偏差。例如，线路全长正序阻抗的定值单一般有小数部分，设置误差范围后允许四舍五入。

（3）定值选择问题。定值单中有一次值和二次值，需要选择具体的数值与录波数据的数值进行比对。

（4）定值类型问题。定值单中的定值有整型和浮点型2 种，其中录波文件中的定值均为浮点型。比较过程中，需要将2 个数值转为同种类型再进行检测。

（5）定值单位问题。定值单中的定值和录波文件中的定值可能存在单位不一致的问题，需要确保在同种单位下进行定值检测。

（6）定值有效位数问题。由于定值单中的浮点型有效位数和录波文件中的定值有效位数可能不同，有时单纯的四舍五入可能会在检测中报错，需要以最大有效位数为准。

4 继电保护可靠性评价

继电保护设备可靠性评价包括运行状态监视数据评价和录波数据评价。基于状态监视数据的评价内容包括电气量采集、开入量采集、动作回路以及通信回路。评价的依据是设备的运行数据。实时记录继电保护的运行状态，并将生命周期内的数据存储于数据库，供查询和分析使用。基于录波数据的评价内容包括定值、保护灵敏度以及采样回路等。

继电保护设备可靠性评价的结果包括保护装置的型号、软件版本、报告形成日期、开入开出量评价结果、电气量采样评价结果以及录波数据评价结果等。

5 结 论

文章提出了一种继电保护实时在线评估技术，评估继电保护的健康状态。通过监测电力系统正常运行时继电保护的状态信息，评估设备的开入开出等回路的正确性。通过分析电力系统故障状态时的录波数据，评估继电保护设备软件功能逻辑的正确性，结合分析结果形成对继电保护的可靠性评价。