智能變電站二次設備的新型在線監測系統的研究探討

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(國網溫州供電公司，浙江 溫州 325000)

1 引言

隨著智能電網建設的推進，國網公司明確提出對二次設備在線監測新的技術要求。二次設備在線監測系統監視保護裝置、測控裝置、故障錄波裝置、站域保護裝置、監控主機、數據通信網關機、數據服務器等設備的運行狀態，采集裝置的狀態監測數據，實現二次設備運行狀態信息的綜合展示和告警。

智能站監控系統的智能化程度不斷提高，對受控裝置本身關鍵信息的監視能力越來越強，為智能變電站二次設備在線監測及狀態檢修提供了良好的基礎，但是目前普遍存在監測過程不直觀、監測信息不全面、監測范圍比較小，一些重要的設備如各類交換機沒有納入到監測范圍等問題，且無法真正實現二次系統的可視化狀態檢修[1-2]。

本文主要闡述一種新型的智能變電站監控系統對包括信息源采集設備、數據網絡、繼電保護、測控裝置等智能設備進行數據積累和分析，為智能變電站的安全運行提供參考依據。

2 監測的內容

二次設備在線監視對象包括合并單元、智能終端、保護裝置、測控裝置、安穩控制裝置、監控主機、綜合應用服務器、數據服務器、故障錄波器、網絡交換機、輔助設備等，通過多種通信方式、多種通信協議接入不同廠家的保護裝置，而檢測量包括接入裝置的模擬量、開關量、定值信息、事件信息、故障數據、設備自檢信息、運行狀態信息、告警信息、對時狀態信息，不僅如此新型的監測系統應支持SNMP協議，實現對交換機網絡通信狀態、網絡實時流量、網絡實時負荷、網絡連接狀態等信息的實時采集和統計。因此總的來說，二次系統在線監測的監測內容應包括信息回路的在線監測與設備在線監測兩類。

3 監測的分級報警功能

隨著二次IED裝置的智能化程度不斷提高，對裝置本身關鍵信息的監視能力也越來越強。有別于傳統的變電站監測系統，新型的監測系統能綜合展示全站的二次設備當前運行狀態、網絡狀態、診斷結果、報警信息等，而且實現分類分級報警，如圖1所示，系統將全站信息進行合理歸類，主要監測參量可分為以下兩類：

(1)物理回路在線監測。根據模型文件和配置信息生成系統二次通信的物理鏈路模型與虛擬鏈路模型。其中物理鏈路由發送端口、交換機和接收端口組成，虛擬鏈路模型通過組播地址進行關聯，分析每個組播組的裝置、每個裝置接受的組播組等信息。系統根據交換機上送的端口信息與裝置上送的配置信息進行校驗，若匹配，則生成系統的物理鏈路模型；若存在差異，則立即報警。根據上述關聯信息，就可以通過IED 設備的斷鏈信息實現光纖鏈路或交換機設備故障點的快速定位。

(2)邏輯回路在線監測。二次設備邏輯回路主要指信息之間的關聯，即發送和接收[3-4]。通過比對過程層通信配置與SCD 文件的差異，能夠分析通信鏈路配置狀態；通過在線校對GOOSE和SV配置，能夠判斷發送和接收的配置是否匹配；通過驗證發送配置和SCD 集成配置的一致性，可以在邏輯上驗證過程層裝置的發送配置、接收配置與SCD 集成配置的一致性。

設備狀態是反映重要監測數據超出報警上下限區間的信息。有異常變化但仍能正常運行，需要按計劃檢查設備的運行情況。告警信息反映設備運行異常情況的報警信號，已經影響設備正常運行，是需要盡快處理的信息。如：互感器品質異常、SV數據丟幀等。

圖1 可視化監控

4 光纖回路在線監測

4.1 光纖回路在線監測基本原理

實現物理鏈路通信在線監測，需要首先明確智能變電站過程層設備的物理鏈路拓撲信息。無論采用組網通信方式，還是點對點通信方式，智能變電站繼電保護系統的過程層通信方式都可以等效如圖2所示。

圖2 光纖通信鏈路等效圖

光纖通信的鏈路包括以下環節(其中發送方和接收方對應物理設備，可以是保護裝置、合并單元、智能終端、智能合并單元或交換機)。

(1)發送方光纖接口；

(2)點對點光纖；

(3)接收方光纖接口。

對于過程層的設備，從設備損壞可能導致光纖網口通信異常的層次來說，包括以下三個層次：

(1)整個裝置：當裝置電源出現異常時，將導致裝置所有的光纖網絡口通信出現異常；

(2)接口插件：當裝置光纖接口插件出現異常時，將導致插件所有的光纖網絡口通信出現異常；

(3)光纖接口：當裝置單個光纖接口出現異常時，將導致該光纖接口通信出現異常。

從光纖通信監視的原理來看，光纖通信的監視功能是在接收方完成的，在光纖鏈路異常時，接收方將無法正常的接收數據，從而判斷光纖鏈路發生了異常，但是接收方實際上沒法直接判斷是鏈路的哪個參與環節出現了問題，即無法定位到發送方光纖接口、通信鏈路或者是接收方光纖接口發送了異常，同時需要注意，為了方便的實現光纖鏈路狀態監視，接收設備發出的鏈路異常報警需要有明確的物理概念。

實際應用過程中，過程層設備的光纖通信異常可能是由插件異常，或者是裝置異常引起，這樣在設備異常過程中，在整個變電站來看，將有很多設備產生對應的鏈路異常信號，二次回路在線監測的一個主要工作就是通過這些鏈路異常信號，進行鏈路異常的準確定位。

為了實現這個功能，需要定義兩個結構體來存儲光纖鏈路物理端口通信，光纖端口結構：

Struct

{

devce; //裝置編號

slot; //插件編號或模塊編號(交換機)

fiber; //光纖編號

} PORT

在《IEC 61850工程繼電保護應用模型》中，對IED物理端口描述進行了規范，因此很容易從設備模型中獲取端口相關信息。

光纖鏈路異常結構：

Struct

{

PORT source; //數據發送端口

PROT route1-N; //交換機交換端口

PORT destination; //數據接收端口

}

在線監測系統后臺裝置構造以上結構體信息，并實時接收到過程層設備的光纖鏈路異常信息，分析所有鏈路異常信息的發送端口和接收端口是否相同，并可作依據以下規則進行過程層鏈路異常定位：

當所有的光纖鏈路異常對應的發送端口(包括前向追溯的交換機交換端口)相同，則表明該數據發送端口或其對應的點對點光纖或接收端口出現了異常。

星型系統通信拓撲結構如圖3所示，數據接收方1…N都發出了針對數據發送方的光纖鏈路出錯，通過迭代方向追溯，就可以搜索出可能出錯的環節是數據發送方和交換機之間的鏈路可能出現了異常(紅色鏈路部分)。

圖3 星型通信拓撲結構圖

當所有的光纖鏈路異常對應的發送插件(包括前向追溯的交換機模塊)相同，則表明該數據發送插件出現了異常；而當所有的光纖鏈路異常對應的發送裝置(包括前向追溯的交換機)相同，則表明該數據發送設備出現了異常。

4.2 網絡狀態展示

通過界面直接查看網絡回路的狀況。如GOOSE通道、SV通道、品質信息的實時狀態數據，并將有異常狀態的回路醒目展示，使運行人員能簡潔快速地發現異常信息，如圖4所示。另外，可通過監測畫面直觀地觀察到物理鏈路的通信狀況，如網絡節點狀態、網絡擁塞、網絡流量以及網絡負載等信息。

圖4 網絡狀態監視示例

4.3 光纖回路在線監測可視化展示

采用GOOSE/SV“虛端子”二維表的表達形式，將多個裝置基于網絡傳輸的GOOSE/SV信息以虛端子的形式表達，使得多種信息(間隔、裝置、虛端子、邏輯傳輸關系)能夠通過二維表的方式簡單直觀在后臺展示，使得設計、施工、調試以及運維人員能夠直接閱讀智能裝置聯閉鎖的開入、開出。可通過在后以畫面上設計二維表光字牌表示光纖網絡狀態，見圖5測控間的光纖連接圖。

圖5 光纖網絡二維光字表

5 過程層GOOSE、SV通信狀態監視

在實際工程中，會出現過程層的通信配置和SCD文件不一致的現象，出現這種情況時需要及時準確的告警以提示運行人員。裝置對GOOSE和SV配置均可進行在線校對，并在發現發送配置和接收配置不匹配的時候發出告警信號。只要可以驗證發送的配置和SCD集成配置一致，就可以在邏輯上驗證過程層裝置的發送配置、接收配置與SCD集成配置的一致性。

新型監測系統能實現監測網絡信息合法性和報警、網絡節點合法性和報警、網絡流量和報警、網絡健康度和報警、網絡拓撲結構情況以及流量統計。通斷統計、數據重發統計和節點統計等，并將報警信號和統計信息上傳調度；在線收集站內繼電保護、自動化設備、數字式電能表及其他智能設備的信息，監視各智能裝置的工作狀態[5-6]。

對GOOSE信息的幀結構、組播地址與源地址匹配關系、 StNum和SqNum組合方式、幀時序、頻率進行監視，對異常信號、信號丟失、信號消失、信號恢復、信號連接不可靠、信號傳輸過程異常等異常情況進行告警和記錄，并將報警信號上傳調度。

對SV采樣值信息的幀結構、組播地址與源地址匹配關系、序號、幀時序、頻率、信號同步性進行監視，對異常信號、信號丟失、信號消失、信號恢復、信號連接不可靠等異常情況進行告警和記錄，并將報警信號上傳調度。

6 二次設備內部的溫度在線監視

當二次設備內部的溫度過高時(原因可能是內部短路或者元器件工作不正常)，容易導致二次設備元件的老化而損壞。在裝置內部裝設溫度傳感器，將溫度數據發送到二次設備在線監視系統，結合二次設備異常損壞情況下的溫度統計數據，形成決策系統，實現裝置內部溫度異常的提前預警，如圖6所示。

圖6 裝置二次信息監測圖

7 光纖接口光強在線監視

智能變電站二次設備的過程層信息交互都完全依賴于光纖接口進行數據通信，當這些光纖接口長期工作之后，其發送光強會逐步下降，最終導致通信無法正常進行而出錯，如果二次設備具備有這些光纖接口的光強監視功能，將光強數據發送到二次設備在線監視系統進行綜合匯總，并結合光纖接口通信出錯情況下的光強參數進行以前預警，變故障檢修為狀態檢修。

8 電源模塊在線監視

電源模塊的輸出本身是一個可監視的模擬量信號，二次設備可以對這個模擬量信號進行持續的監視，并在設定相應的閾值，在電源電平超過合理范圍的情況下，告警或者閉鎖保護裝置，同時，也可以將電源電平信息通過二次設備在線監視系統，通過同一類型裝置的電源插件損壞情況下的電源電平特征進行綜合匯總，形成決策系統，實現電源插件損壞前的提前預警，實現二次設備模塊的在線監測。

9 總結

綜上所述，本文在闡述在智能變電站在線監測的概念和必要性的基礎上，梳理二次系統在線監測的范圍和參量，提出新型監測系統的主要功能和實現方法。并著重敘述新型系統在分級告警、光纖回路告警、GOOSE和SV告警、溫度和光強告警等方面的具體理論和作用。該系統的研制對保證電力系統的安全經濟運行，在防止事故發生和擴大起到關鍵性的作用。

[1] 譚文恕.變電站通信網絡和系統協議IEC61850介紹[J].電網技術,2001,25(9):8-11.

[2] 周俊禮.電網監控系統信道在線檢測技術研究[J].電網技術,2007,30(2):327-329.

[3] 申屠剛.智能化變電站架構及標準化信息平臺研究[D].浙江:浙江大學,2010.

[4] 張之哲,李興源,程時杰.智能電網統一信息系統的框架、功能和實現[J].中國電機工程學報,2010,30(34):1-6.

[5] 魯東海,孫純軍,王曉虎.智能變電站中在線監測系統設計[J].電力自動化設備,2011,31(1):134-137.

[6] 王運璋.變電站綜合自動化現場技術與運行維護[M].北京:中國電力出版社,2005.