基于變電站二次系統的在線監測設計優化

摘 要：隨著變電站智慧化、智能化水平的提升，二次系統的可靠性已經成為了影響變電站安全運行的決定性因素。現階段變電站二次系統在線監測存在功能不全、方案不統一以及主站端各成體系的問題。為滿足現場運行對二次系統在線監測的迫切需求，實現不同二次系統在線監測技術方案的統一，本文提出一種二次系統在線監測優化設計技術。通過對整體系統框架、信息采集方式展開介紹，并以3種常見電壓等級的工程實例方案進行論證，提出技術經濟相協調的二次系統在線監測應用實施建議。在電網運維方面，可有效優化和提升二次設備的管理水平；在電網安全方面，借助對二次系統的全面在線監測，可有效保障電網安全穩定運行，以應對新型電力系統下電網復雜運行狀態，實現新型數字智能電網建設。

關鍵詞：新型電力系統，智能變電站，二次系統，在線監測，工程實例

0 前 言

目前，我國智能變電站建設走在國際前列[1]，國家電網有限公司正研究解決智能變電站智能運維相關問題，并制定相關的技術標準[2]，加強電網二次系統管理及智能運維工作，推廣二次虛回路可視化[3]、自動校驗、智能診斷和檢修策略輔助決策技術[4]，提升現場工作效率和防誤水平，推廣繼電保護在線監視與智能診斷平臺[5]。

為智能變電站二次系統在線監測技術研究及實踐提供標準支持，NB/T 42088-2016《繼電保護信息系統子站技術規范》[6]、DL/T 1663-2016《智能變電站繼電保護在線監視和智能診斷技術導則》[7]、Q/GDW 10427-2017《變電站測控裝置技術規范》[8]、Q/GDW 11914-2018《電力監控系統網絡安全監測裝置技術規范》[9]、GB/T 40599-2021《繼電保護及安全自動裝置在線監視與分析技術規范》[10]等規范頒布實施。在標準規范中，對二次系統中繼電保護及安全自動裝置、過程層網絡設備在線監測做出了相關規定，且獨立設置了主站。網絡安全在線監測也有單獨的標準規定了其監測對象和主站設置等，且也獨立設置了網絡監測管理平臺。其他諸如自動化測控裝置僅提出要具備二次系統在線監測的功能，無具體的實施配置方案[11]。

同時，由于智能變電站相較于傳統變電站設備更加精密，結構更加復雜，因此，繼電保護系統存在著可靠性降低的問題[12-13]。然而，針對保護設備本身的狀態監測，在國網工程中仍處于試點應用，且配置的變電站數量均較少，由于采集的信息數量不全[14]，實際應用較少。而站內其他二次設備雖基本具備設備自檢的功能，重要信息均通過硬接點方式接入測控，進而上送至監控SCADA后臺，但對于設備自檢類的其他信息一般均未進行監測[15]。

從主站端看，目前變電站二次系統無論從功能上還是數據分布上都存在著系統相互獨立的情況，即每個二次系統都有獨立的監測主站或者系統，不同的業務部門都局限于當前的業務數據，對于整體廠站端來說數據較為獨立和分散。由于目前變電站的二次設備數據無法很好地融合，造成投資成本比較高，功能交叉重復或存在缺失，系統重復建設[16]。

因此，為解決變電站二次系統在線監測部分缺失、功能不全和方案不統一、主站端各成體系的問題[17-18]，滿足現場運行對二次系統在線監測的迫切需求，實現不同二次系統在線監測技術方案的統一，亟需開展二次系統在線監測優化設計技術，提出技術經濟相協調的二次系統在線監測應用實施建議。

1 整體技術架構

1.1 邏輯架構

二次系統在線監測采用主子站的方式，邏輯結構示意如圖1所示。

廠站端二次系統在線監測管理單元可獨立配置，也可采用軟件功能模塊方式嵌入綜合應用主機，實現錄波文件分析、智能設備狀態在線監視、網絡報文分析、二次系統可視化等高級應用功能。根據站端數據規模按需配置站控層和過程層采集單元的數量，具備記錄與分析站控層MMS、過程層SV/GOOSE報文、流量統計、報文異常告警及流量異常告警等功能。其中站控層采集單元用于采集分析繼電保護、安自、測控、監控主機、通信管理機、網安等設備間交互的數據；過程層采集單元用于采集智能終端、合并單元等智能設備數據。一次設備在線監測、消防、安防、動環等輔助設備直接接入（存量變電站可通過輔控系統主機間接接入）Ⅱ區站控層網絡，故障錄波裝置直接接入站控層網絡，實現與管理單元（或集成于綜合應用主機的管理單元模塊）通信[19]。

二次系統在線監測裝置的采集單元與管理單元通過內部通信進行數據交互，各廠站管理單元（或集成于綜合應用主機的管理單元模塊）通過Ⅱ區服務網關機將站端分析結果上傳至調度Ⅱ區二次設備在線監測主站，開展電網級別的數據分析處理應用。

1.2 網絡架構

集成優化后的二次系統在線監測系統由管理單元、站控層采集單元、過程層采集單元以及網絡設備組成。其網絡架構如圖2所示[15]。

二次系統在線監測部署在變電站自動化系統安全Ⅱ區[20]，繼電保護裝置、安全自動裝置、測控裝置、保測集成裝置、智能終端、合并單元等智能設備通過網絡交換機采用DL＼T 860標準規約與二次系統在線監測采集單元進行通信；同時繼電保護、安自、測控、保測集成裝置等Ⅰ區間隔層設備穿過防火墻利用站控層網絡與管理單元（或集成于綜合應用主機的管理單元模塊）實現雙向通信。

對于目前在建的智能變電站，繼電保護、安自、測控等Ⅰ區數據，以及一次設備在線監測、消防、安防、動環、故障錄波等Ⅱ區數據通過站控層網絡與管理單元（或集成于綜合應用主機的管理單元模塊）通信，實現數據的雙向同步。對于存量智能變電站，由于一次設備在線監測、消防、安防、動環子系統的數據未做DL＼T 860建模，無法與管理單元（或集成于綜合應用主機的管理單元模塊）直接通信，可將IED采用接入輔控系統主機，再由輔控系統主機轉發至管理單元（或集成于綜合應用主機的管理單元模塊）模式實現數據采集。

Ⅳ區的巡視主機穿過隔離裝置與管理單元（或集成于綜合應用主機的管理單元模塊）通信，實現巡視主機、無線輔助設備等數據雙向交互。

1.3 數據流

二次系統在線監測數據流如圖3所示。二次系統在線監測的站控層管理單元（或集成于綜合應用主機的管理單元模塊）穿過Ⅰ/Ⅱ區間防火墻與繼電保護、安自裝置、測控、保測集成裝置、時鐘同步等智能設備雙向通信，通過MMS報文實時采集監測信息、告警信息、運行信息、動作信息、診斷維護信息、授時信息等亦可發送數據召喚命令，查看保護定值、保護軟壓板、保護模擬量、保護錄波等保護信息數據。

二次系統在線監測的站控層采集單元穿過安全Ⅰ/Ⅱ區間防火墻，從Ⅰ區站控層中心交換機鏡像口實時監測站內繼電保護、安全自動裝置、測控裝置、保測集成裝置、監控主機、通信網關機等站控層MMS通信報文，以及與主站通信報文，實時監測各種狀態信息和控制指令。

二次系統在線監測的過程層采集單元直接從各電壓等級過程層中心交換機采集GOOSE/SV等通信報文數據，實時監測智能終端、合并單元等過程層設備的運行信息、告警信息、監測信息[21-22]。

二次系統在線監測的管理單元（或集成于綜合應用主機的管理單元模塊）與處于同一站控層網絡的一次設備在線監測、消防、安防、動環、故錄等Ⅱ區智能設備通信，同步輔助設備數據以及控制指令、錄波數據等，實時監測設備工作狀態。

二次系統在線監測的管理單元（或集成于綜合應用主機的管理單元模塊）通過正/反向隔離裝置與安全Ⅳ區巡視主機聯通，發送配置數據和視頻聯動指令，采集視頻巡視、巡視主機運行狀態等數據。

2 二次系統在線監測信息采集

二次系統在線監測包含保護設備、網絡報文、網絡安全以及其他二次設備的在線監測。系統信息采集范圍涵蓋合并單元、智能終端、保護裝置、測控裝置、安自裝置、過程層交換機、站控層交換機、網安裝置、故障錄波裝置、巡視主機及構成保護控制系統的二次聯接回路，同時包括輔控系統的信息。系統信息采集如圖4所示。

2.1 保護設備在線監測系統及功能實現

保護設備在線監測主要是通過采集保護及與之存在聯接關系的合并單元、智能終端、網絡交換機等裝置本體信息及裝置間交互信息，實現二次回路可視化、二次設備巡視、缺陷分析、故障診斷、可視化安措、模型維護等二次設備運行狀態監視與運維管理功能。

系統組成包含數據采集單元和數據管理單元兩個部分。數據采集單元接入站內過程層網絡，按照網段配置，用于采集SV、GOOSE報文和過程層交換機信息；數據管理單元按照全站配置，一方面接收數據采集單元的信息，另一方面接入變電站站控層網絡，采集保護設備的狀態監測信息、保護定值數據、保護錄波信息、中間節點信息，并對所采集的信息進行分析，實現二次設備在線監測的各個應用功能。

系統具備人機接口界面，可將統計分析結果在站端進行展示，同時也具備對外接口，可將告警和分析的結果信息通過DL/T860或DL/T476協議上送至遠方主站，也支持主站對站內二次設備文件的召喚功能?？蓪崿FSCD文件管理功能、保護設備運行狀態和物理連接可視化在線監視、設備運行巡視、缺陷智能診斷、保護動作分析以及保護設備安全措施在線監視與預警功能[23]。

2.2 網絡分析在線監測系統及功能實現

網絡分析在線監測主要是通過采集智能變電站中的SV、GOOSE和MMS報文，并對報文進行在線解析與記錄，實現網絡和報文的異常監視、網絡實時流量、模型一致性等功能。

系統組成包含數據采集單元和數據管理單元兩個部分。數據采集單元分別通過不同的獨立網口接入過程層網絡和站控層網絡，捕獲和在線解析SV、GOOSE和MMS報文，并將采集報文及分析結果上送至數據管理單元；數據管理單元與數據采集單元間通過以太網通信，負責匯集和存儲各個采集單元的解析結果[24]。

系統具備人機接口，可對報文內容和分析結果進行可視化展示，同時也具備對外接口，支持外部主機對報文記錄文件召喚功能?？蓪崿F網絡報文采集和記錄、網絡報文解析以及網絡及報文異常監視。

2.3 網絡安全在線監測系統及功能實現

網絡安全在線監測主要是通過采集被監測對象的網絡安全事件，對網絡及裝置進行安全核查、安全監視與告警、安全審計、安全分析等，實現對變電站監控系統的安全風險和安全事件的監視與在線管理。

變電站端的網絡安全監測通過配置網絡安全監測裝置來實現，網絡安全監測裝置接入站控層網絡，通過獲取主機、服務器、網關機、網絡安防設備、交換機等設備的日志并對日志進行分析獲取網絡安全相關的各類信息，及時發現網絡安全風險，實現網絡安全監測。

站端的網絡安全監測裝置同時可作為網絡安全管理平臺主站端的服務代理，支持對主站上送所采集的信息及分析結果?？蓪崿F網絡安全信息采集功能以及網絡安全分析功能。

2.4 其他二次設備在線監測系統

其他二次設備在線監測包括交直流電源在線監測、輔助設備在線監測、故障錄波器在線監測等。采用DL/T 860標準建模且直接接入站控層網絡的，可以采用網絡監測方式直接監測其運行狀態，當不具備上述條件時，可以采用硬接點方式將重要運行狀態信息接入公用測控裝置，經公用測控裝置轉發至二次系統在線監測系統。

3 技術經濟比較分析

目前，智能變電站中已經配置了少量的具備二次系統狀態監測功能的設備，包括智能變電站網絡報文分析裝置、繼電保護設備在線監視裝置、網絡安全在線監測裝置。

在目前的變電站中，網絡分析裝置的數據管理單元按全站配置，數據采集單元按網段配置，管理單元和采集單元均按AB網分別配置，以一個220kV變電站為例，需要配置2臺管理單元，4臺數據采集單元分別接入220kV、66kV的過程層網絡和站控層網絡，相應的投資概算為41萬元。在繼電保護設備在線監視方面，由于國網基建工程不配置獨立的保信子站，在對現有的保護與錄波器跨區接入模型進行改造，實現保護通過安全I區網關機、錄波器通過安全II區網關機分別向調度中心傳輸信息中，相應的投資概算為36萬元。對于網絡安全的在線監視，根據網絡安全管理的要求，目前僅在II區配置，I區監測信息透過I、II區間的防火墻傳輸至II區，由II區的網安裝置統一監測后上送至調度主站。相應的投資概算為14萬元。

設計優化后，不僅能整合現有的智能變電站網絡報文分析記錄裝置、繼電保護設備在線監視裝置，也實現了對智能變電站中的其他設備，包括網絡安全在線監測系統（遠期可集成于綜合應用主機）、一體化電源系統、時鐘同步系統、計量系統、相量采集系統、電能質量在線監測、輔助監控終端設備等的在線監測。

優化后，應根據變電站設計流量將負載均衡分配于各采集單元及其采集接口。全站應只配置一套裝置，一套裝置配置一個管理單元和若干采集單元。管理單元采用軟件功能模塊方式嵌入綜合應用主機，實現錄波文件分析、智能設備狀態在線監視、網絡報文分析、二次系統可視化等高級應用功能。根據站端數據規模按需配置站控層和過程層采集單元的數量，具備記錄與分析站控層MMS、過程層SV/GOOSE報文、流量統計、報文異常告警及流量異常告警等功能。相應的投資概算約為20～40萬元。

4 結 論

目前變電站在線監測范圍不夠全面，且設備與設備之間相互獨立，不能很好地融合，造成投資成本高，經濟效率低，系統重復建設?；谝陨蠁栴}，提出二次系統在線監測優化設計技術，可以解決變電站二次系統在線監測部分缺失、功能不全和方案不統一、主站端各成體系的問題，滿足現場運行對二次系統在線監測的迫切需求，減少二次設備數量，實現不同二次系統在線監測技術方案的統一。從電網運維角度，二次設備的數據采集更加全面，可為二次設備運行管理、功能評價等提供重要數據支撐，有利于優化和提升二次設備的管理水平。從電網安全角度，開展二次系統的全面在線監測實施方案，可有效保障電網安全穩定運行，有效應對新型電力系統下電網復雜運行狀態，是實現新型數字智能電網建設總體目標的必然趨勢，是適應新型電力系統運行管理新模式下的必要需求。

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