在智能變電站條件下繼電保護(hù)及監(jiān)控系統(tǒng)研究

楊鳳敏

【摘 要】本文分析了智能變電站條件下繼電保護(hù)與監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)及必須解決的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，介紹了智能變電站的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、可靠性措施和構(gòu)建流程，展望了智能變電站保護(hù)與監(jiān)控系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】智能變電站；繼電保護(hù)；監(jiān)控系統(tǒng)

一、引言

在智能變電站條件下，作為變電站重要組成部分的繼電保護(hù)與監(jiān)控系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式也發(fā)生了歷史性的變革[1]。本文對(duì)智能變電站條件下繼電保護(hù)與監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、要解決的關(guān)鍵技術(shù)及智能變電站的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、可靠性措施、構(gòu)建流程等進(jìn)行了綜述，展望了智能變電站的保護(hù)與監(jiān)控系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展方向。

二、智能變電站保護(hù)與監(jiān)控的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（一）智能變電站繼電保護(hù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

常規(guī)變電站在保護(hù)裝置里實(shí)現(xiàn)電流電壓、開(kāi)關(guān)狀態(tài)的采集及跳閘信號(hào)的出口，跳合閘回路由位于間隔層的操作箱、敷設(shè)于電纜溝的二次電纜和位于開(kāi)關(guān)場(chǎng)的斷路器控制箱共同構(gòu)成。智能變電站將信號(hào)采集功能和跳合閘回路都集中到智能化的一次設(shè)備里實(shí)現(xiàn)，保護(hù)裝置則通過(guò)光纖通信獲取信息、發(fā)出跳令[2]。

（二）智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

常規(guī)變電站通過(guò)二次電纜實(shí)現(xiàn)一次、二次設(shè)備間的聯(lián)系，智能變電站則通過(guò)光纖通信實(shí)現(xiàn)過(guò)程層智能化一次設(shè)備和間隔層二次設(shè)備間的聯(lián)系。

三、智能變電站保護(hù)與監(jiān)控系統(tǒng)需的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

（一）不同廠家設(shè)備的互聯(lián)、互操作、互替換問(wèn)題

由于所有的保護(hù)、監(jiān)控功能都借助于網(wǎng)絡(luò)通信來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享的全站信息都必須標(biāo)準(zhǔn)化，使不同廠家提供的設(shè)備間能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)、互操作和互替換。IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)為上述要求的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)保障，它不僅在通信層面解決了不同廠家設(shè)備間的互聯(lián)、互操作、互替換問(wèn)題，而且還對(duì)智能變電站的建設(shè)和設(shè)備研發(fā)提出了完整的技術(shù)規(guī)范。因此，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是智能變電站技術(shù)的基礎(chǔ)，也是智能變電站建設(shè)的指導(dǎo)性文件[3]。

（二）智能組件與保護(hù)、測(cè)控裝置之間的高速通信同步問(wèn)題

微機(jī)保護(hù)裝置在動(dòng)作時(shí)，首先向出口繼電器控制電路發(fā)跳閘脈沖，經(jīng)過(guò)3～5ms延時(shí)后出口繼電器閉合，跳閘命令出口。把保護(hù)裝置的出口環(huán)節(jié)移至智能終端后，保護(hù)裝置的跳令必須保證在1ms內(nèi)安全可靠地送達(dá)智能終端。另外，微機(jī)保護(hù)裝置對(duì)開(kāi)關(guān)狀態(tài)也是0.833ms采樣一次并即采即用，這也就意味著保護(hù)裝置內(nèi)部開(kāi)關(guān)量的刷新周期為0.833ms。把保護(hù)裝置的狀態(tài)量采樣環(huán)節(jié)移至智能終端后，要保證開(kāi)關(guān)設(shè)備的任何狀態(tài)變位也必須在0.833ms內(nèi)可靠送達(dá)保護(hù)裝置[4]。

（三）智能組件的可靠性問(wèn)題

由于智能組件要安裝在一次設(shè)備附近，高頻電磁干擾非常嚴(yán)重，工作環(huán)境比較惡劣，高低溫落差很大，空氣中的濕度變化也很大，這些因素都會(huì)影響到智能組件的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。因此，在設(shè)計(jì)智能組件時(shí)必須把其能長(zhǎng)期在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定可靠工作作為一項(xiàng)重要指標(biāo)來(lái)考慮。

四、智能變電站繼電保護(hù)與監(jiān)控的可靠性措施

（一）高效、可靠的GOOSE信息發(fā)送機(jī)制

IEC61850采用發(fā)布/訂閱機(jī)制向接收設(shè)備分發(fā)GOOSE信息報(bào)文，為了實(shí)現(xiàn)GOOSE報(bào)文的實(shí)時(shí)傳輸，該機(jī)制設(shè)計(jì)了報(bào)文帶優(yōu)先級(jí)標(biāo)簽的無(wú)連接模式，并繞開(kāi)了以太網(wǎng)的TCP層和IP層直接通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)收到帶優(yōu)先級(jí)標(biāo)簽的報(bào)文時(shí)，將優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)以縮短轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)。無(wú)連接模式可以省去來(lái)回確認(rèn)的麻煩以提高發(fā)送效率，一幀報(bào)文放到網(wǎng)上所有訂閱者都能收到。支持IEEE802.1P協(xié)議的第二層交換機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高優(yōu)先級(jí)報(bào)文優(yōu)先傳遞的功能。

為了保證GOOSE 信息發(fā)送的可靠性。當(dāng)一個(gè)事件發(fā)生時(shí)，GOOSE立即用廣播方式發(fā)送一遍該信息，之后以時(shí)間間隔T1將該信息連續(xù)發(fā)送兩遍，以后再以時(shí)間間隔T2發(fā)第三遍，以時(shí)間間隔T3發(fā)第四遍，如此一直持續(xù)下去。當(dāng)時(shí)間間隔Ti≥T0 時(shí)就改用穩(wěn)定的時(shí)間間隔T0進(jìn)行持續(xù)循環(huán)發(fā)送，直到下次事件的發(fā)生。時(shí)間間隔Ti =2i×S，S=1ms（可根據(jù)需要調(diào)整），T0通常設(shè)定為5s（可根據(jù)需要調(diào)整）。以間隔T0 發(fā)送的報(bào)文相當(dāng)于GOOSE發(fā)送方的心跳報(bào)文，當(dāng)接收方持續(xù)在2T0的時(shí)間間隔內(nèi)沒(méi)有收到心跳報(bào)文時(shí)，就發(fā)GOOSE中斷告警信號(hào)。為了區(qū)分不同的事件，GOOSE 報(bào)文還設(shè)置了狀態(tài)號(hào)（stnum）和順序號(hào)（sqnum）兩個(gè)參數(shù)，當(dāng)新的事件發(fā)生時(shí)，狀態(tài)號(hào)自動(dòng)加1、順序號(hào)自動(dòng)清零，之后狀態(tài)號(hào)保持不變，每重發(fā)一次順序號(hào)自動(dòng)加1。Stnum和sqnum 分別占4個(gè)字節(jié)，最大值為 4294967295， 計(jì)滿后自動(dòng)從0開(kāi)始。

（二）開(kāi)關(guān)狀態(tài)變位時(shí)接收端的安全確認(rèn)機(jī)制

為了使接收端能夠安全可靠地確認(rèn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的變位，IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)為 GOOSE 數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了單幀接收和雙幀接收兩種機(jī)制，對(duì)于重要的GOOSE 信息（如跳閘命令）可采用雙幀接收機(jī)制以確?？煽啃?。在智能變電站系統(tǒng)中，智能終端通常使用雙幀接收機(jī)制，在新的事件發(fā)生后要收到兩幀GOOSE 數(shù)據(jù)相同的報(bào)文才更新數(shù)據(jù)，保護(hù)和測(cè)控裝置通常使用單幀接收機(jī)制， 只要收到變位報(bào)文就立刻更新數(shù)據(jù)。

（三）繼電保護(hù)應(yīng)對(duì)設(shè)備檢修的安全性措施

為了便于設(shè)備檢修，構(gòu)成智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置、合并單元、智能終端都設(shè)有置檢修壓板，當(dāng)設(shè)備檢修時(shí)，只要置檢修壓板置 1，裝置發(fā)出的SV或GOOSE報(bào)文中就帶有測(cè)試（test）標(biāo)志， 接收端通過(guò)報(bào)文的test 標(biāo)志就可以判斷出發(fā)送端已處于置檢修狀態(tài)。為了保證檢修的設(shè)備不影響正常狀態(tài)設(shè)備的運(yùn)行，提高設(shè)備檢修的靈活性和可靠性，接收方在處理SV或GOOSE 數(shù)據(jù)時(shí)要根據(jù)收、發(fā)雙方的運(yùn)行狀態(tài)分類(lèi)進(jìn)行處理，當(dāng)發(fā)送方和接收方置檢修狀態(tài)一致時(shí)，接收方對(duì)收到的SV 或GOOSE 數(shù)據(jù)可以進(jìn)行正常處理， 當(dāng)發(fā)送方和接收方置檢修狀態(tài)不一致時(shí)， 接收方對(duì)收到的SV或GOOSE 數(shù)據(jù)只作事件記錄和狀態(tài)顯示等另類(lèi)處理。

（四）SV網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)的數(shù)據(jù)過(guò)濾措施

在智能變電站繼電保護(hù)實(shí)施方案中， 跨間隔信號(hào)一般都采用SV網(wǎng)或GOOSE 網(wǎng)進(jìn)行傳輸。由于SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文都是采取發(fā)布/訂閱機(jī)制傳送的，因此如果對(duì)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)不作相應(yīng)處理的話，發(fā)送方只要發(fā)出SV或GOOSE報(bào)文，交換機(jī)就會(huì)在網(wǎng)上廣播該報(bào)文，網(wǎng)上所有設(shè)備不管它是否需要都能收到，這給不需要該報(bào)文的設(shè)備增加了沉重的數(shù)據(jù)接收和處理負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鹁W(wǎng)卡緩沖區(qū)溢出， 丟失有用報(bào)文，必須采取過(guò)濾措施，讓交換機(jī)只向需要該報(bào)文的設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的VLAN隔離和多播過(guò)濾就是為滿足上述需求而設(shè)計(jì)的，通過(guò)這兩項(xiàng)措施可以有效防止SV報(bào)文或GOOSE 報(bào)文的泛濫，減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，從根本上解決無(wú)用的SV或GOOSE報(bào)文對(duì)IED應(yīng)用程序的影響。

五、智能變電站繼電保護(hù)與監(jiān)控系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展

傳統(tǒng)的繼電保護(hù)都是面向間隔進(jìn)行設(shè)計(jì)和配置的，每個(gè)間隔都要配置一套或多套主后備保護(hù)，信息的獲取和處理都各自為政，不僅造成了設(shè)備的大量重復(fù)投資，而且還大大提高了設(shè)備的后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。智能變電站實(shí)現(xiàn)了全站信息的數(shù)字化和信息共享的標(biāo)準(zhǔn)化，為站域保護(hù)控制系統(tǒng)的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)性支持。智能變電站技術(shù)的推廣應(yīng)用給變電站二次系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、維護(hù)帶來(lái)了很大的方便，很多以前必須在現(xiàn)場(chǎng)做的工作都可以改在制造廠內(nèi)完成，標(biāo)準(zhǔn)配送式智能變電站將是未來(lái)的發(fā)展方向。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王麗華，江濤，盛曉紅，等.基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)功能建模分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化， 2007，31（2）：55-59.

[2]范建忠，馬千里.GOOSE通信與應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31（19）：85-90.