智能變電站繼電保護與數據傳輸及網絡結構技術探討

玉溪供電局 時 娟 雷亞蘭

智能變電站針對站內監控設備、保護設備、故障錄波設備、防誤操作設備、電量采集設備、直流設備，以及其他智能設備所產生的所有二次信息進行了綜合的分類；并依據IEC61850標準中信息描述的方法進行了信息的統一建模，做到了變電站信息源的唯一性、一致性、正確性。將原來變電站中數套二次系統[1]簡化為一套二次系統，集成了后臺監控、保信管理系統、防誤操作系統，以及其他智能設備管理系統等，將大大簡化變電站二次系統的配置，極大地降低了變電站的造價及維護、運行成本。

1 品質因數對保護的影響

1.1 SV 無效數據對站內繼電保護的影響

第一，保護電壓是無效數據：保護電壓顯示采樣值無效，現場處理方式與保護裝置報TV 斷線處理方式相似。第二，保護電流是無效數據：閉鎖保護裝置的差動保護、距離保護、零序過流保護、過負荷保護等保護功能。第三，啟動電流是無效數據：電壓+24V 開放啟動板的條件，切換到電流保護通道進行計算，啟動板在此情況下根據電流保護通道的計算結果自動判斷是否需要啟動。當啟動電流處于檢修狀態或啟動電流的數據值是無效數據時，應對保護板的程序不產生任何影響。第四，啟動電壓是無效數據：對保護不產生影響，僅用于與保護電壓進行相互比較，互校不一致閉鎖保護。第五，同期電壓是無效數據：當同期電壓與檢定重合閘方式無關聯時，不產生“同期電壓數據無效”的信息。當同期電壓是無效數據時，與同期電壓關聯的重合閘檢定方式進行閉鎖。第六，相電流任意側是無效數據：僅對本側過電流保護和差動保護進行閉鎖。第七，零序電流任意側是無效數據：僅對本側零序過流保護整定為外接零序的進行閉鎖。第八，間隙電流任意側是無效數據：僅對本側間隙零序過流保護進行閉鎖。第九，電壓任意側是無效數據：對本側零序過壓保護進行閉鎖，本側所有數據與電壓相關均自動判為不滿足條件，可通過其他側啟動復壓元件，退出方向過流保護。

第十，母線電壓是無效數據：母線電壓顯示的采樣值是無效的，保護裝置不閉鎖保護，且母線電壓開放。第十一，支路電流是無效數據：支路電流的采樣值是無效的，對相應保護裝置支路的失靈保護和差動保護進行閉鎖，不受影響保護裝置其他支路的失靈保護。第十二，母聯支路電流通道數據無效：顯示無效采樣值，閉鎖保護裝置的母聯保護，母線保護自動互聯。第十三，母線電壓是無效數據：母線電壓顯示采樣值無效，保護裝置的保護不閉鎖，母線電壓處于開放狀態。

1.2 SV 數據失步對繼電保護的影響

第一，電流電壓任一失步：PMU 電壓和MU電流任意一項失步，處理情況與保護裝置PT 斷線相似。第二，同期電壓失步：當同期電壓與重合閘方式無關時，不報送“同期電壓數據失步”信息。當同期電壓發生數據失步時，對重合閘檢定方式與同期電壓相關的保護進行閉鎖。第三，相電流任一側失步數據：保護裝置的差動保護閉鎖，如果采用和電流作為本側的后備保護電流，則閉鎖保護裝置的后備保護。第四，外接零序電流任意側失步數據：對保護裝置無影響。第五，間隙電流任意側失步數據：對保護裝置無影響。第六，電壓電流后備保護相對失步：保護裝置的方向元件不滿足條件。第七，母線電壓失步：保護裝置的保護不閉鎖，并且開放母線電壓。第八，支路電流失步：僅保護裝置的差動保護閉鎖。第九，母聯支路電流失步：母線自動互聯。

2 GOOSE

2.1 GOOSE 定義

即面向通用對象的事件，是IEC 61850中用于滿足綜自系統快速報文的機制，提供了利用組播服務向多個物理設備同時傳輸同一個通用事件信息。GOOSE 傳輸的數據類：布爾量，整型，浮點型，位串，時間。

2.2 GOOSE 發送機制

GOOSE 采用連續多次傳送的方式實現可靠傳輸：T1=2ms，T2=4ms，T3=8ms，T0=5s。GOOSE發送機制如圖1所示。

圖1 GOOSE 發送機制

當設備狀態發生變化時，智能電子裝置將會依據變化的報告，將二進制對象進行高速傳送，形成面向對象的通用事件報告，報告包含：設備狀態、啟動元件、輸出元件和繼電器等每一個雙點的實際、虛擬的命令。在第一次發生報告后，每間隔2、4、8…60000ms 依次重發。GOOSE 報告可以將跳閘信號進行高速傳輸，具備較高的成功率。GOOSE 服務可以在網絡數據鏈路層直接進行映射，重要信息可以確保優先傳送，采用廣播地址方式將信息進行多路發送。

3 智能變電站對時方式

3.1 IEEE1588[2]對時方式

該標準定義了四種報文消息：Sync、Followup、DelayReq 和DelayResponse，以測量時間和路徑延遲，也稱為延遲請求響應機制。

3.2 兩步法

兩步法中Sync 報文的發送時間是主時鐘發送報文的估計值，還需要使用跟隨報文發送真實的時間t1，若主時鐘以太網芯片硬件支持，Sync 報文也可直接發送真實時間t1。目前智能變電站中廣泛應用兩部時鐘。智能變電站兩步法對時方式如圖2所示。

圖2 智能變電站兩步法對時方式

3.3 延遲請求響應機制

在t1時刻，主時鐘向從時鐘發送同步報文：從時鐘接收到報文進行解析后，能夠得到主時鐘發送來的真實值，將解析后的真實值與自身的同步時間t2相減，可以得到：t2-t1=meanPathDelay+Offset。從時鐘在t3時刻發送DelayRequest 消息，主時鐘記錄消息到達時間t4，并發送消息DelayResp，該消息中含有t4時間戳：t4-t3=meanPathDelay-Offset，meanPathDelay=((t2-t1)+(t4-t3))/2，Offset=((t2-t1)-(t4-t3))/2。延遲請求機制如圖3所示。

圖3 延遲請求機制

4 智能變電站網絡結構

智能變電站采用三層（即站控層、間隔層、過程層）和兩網（即過程層網絡、站控層網絡）的拓撲結構。如圖4所示為智能站網絡結構。

圖4 智能站網絡結構

4.1 站控層網絡結構

站控層設備包括監控系統、通信設備、高精度對時設備等，可對站內設備實現監測、控制、信息交互等功能。站控層網絡用于MMS、GOOSE、SNTP 報文的傳遞。MMS 主要使用在間隔層、站控層的服務器端/客戶端的通信，傳輸帶時標信號、測量、文件、定值、控制等信息。GOOSE 主要使用在間隔間五防的聯鎖閉鎖信息。SNTP 主要使用在站控層設備間的對時功能。

4.2 過程層網絡結構

過程層：一般按電壓等級分別組網，220kV 及以上變電站雙重化星型，110kV 變電站推薦單星型，內橋或線變組可不組網。過程層主要包含斷路器、變壓器、電壓互感器、電流互感器、隔離開關、智能終端、合并單元等獨立的智能設備。合并單元：使電壓、電流的模擬量轉換成數字量的智能設備。GOOSE 網：GOOSE 主要使用在過程層設備與間隔層[3]設備之間、間隔層裝置各設備之間的信號快速傳遞。SV 網：傳遞電壓、電流二次值的數字量。過程層網絡：傳遞SV、GOOSE 報文，使用在過程層設備和間隔層設備之間、間隔層裝置各設備之間的信息傳遞。虛端子：用于描述SV、GOOSE 報文傳輸信號的總稱，用于對間隔層、過程層，以及相互之間關聯的二次信號，類似于傳統廠站屏柜上的端子。

5 結語

隨著社會的不斷進步，科學技術的不斷發展，智能變電站將迎來高速發展的黃金時期，采用光纖代替傳統電纜，不但能夠高度集成電子設備、降低能源耗費、改善環境，還具有更大的傳輸距離、更高擴展性；智能站在收集信息和對信息進行分析后，可以將分析后的信息在內部充分共享，并且能夠和電網內錯綜復雜的各系統體系相互間進行高效互動，保證電力系統能夠高效、安全、綠色運行。