智能變電站二次系統(tǒng)在線監(jiān)測評估的研究

李 妍，車 勇，單 強，孫建龍,3，胡國偉，李 鵬，李建波，劉戰(zhàn)朋

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智能變電站二次系統(tǒng)在線監(jiān)測評估的研究

李 妍1，車 勇2，單 強2，孫建龍1,3，胡國偉1，李 鵬4，李建波4，劉戰(zhàn)朋4

(1.國網江蘇省電力公司經濟技術研究院， 江蘇 南京 210008；2.新疆電力公司, 新疆 烏魯木齊 830013；3.東南大學，江蘇 南京 210096; 4.南京五采智電電力科技有限公司，江蘇 南京 211106)

針對智能變電站二次系統(tǒng)的通信結構、運行環(huán)境、信息量等的變化，提出了二次系統(tǒng)在線監(jiān)測評估的體系架構。通過對其核心參數(shù)及運行狀態(tài)的監(jiān)測評估，對智能變電站安全隱患進行趨勢性判斷和損失性評估。圍繞二次系統(tǒng)保護測控、智能終端、合并單元、監(jiān)控系統(tǒng)、對時系統(tǒng)、交換機六大部分，從評估參量模型、評估子項模型和評估對象模型三個方面描述了完整的在線監(jiān)測評估模型，最后給出了在線監(jiān)測的評估流程。對智能變電站的二次系統(tǒng)進行在線監(jiān)測與狀態(tài)評估，為系統(tǒng)的維護檢修帶來很大的便利，為開展狀態(tài)檢修打下基礎，對提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行有重要作用。

智能變電站；二次系統(tǒng)；在線監(jiān)測評估；評估模型；評估流程

0 引言

智能變電站是由智能化一次設備(電子式互感器、智能化開關等)和網絡化二次設備分層(過程層、間隔層、站控層)構建，建立在IEC 61850標準和通信規(guī)范基礎上，能夠實現(xiàn)變電站內智能電氣設備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。在此基礎上實現(xiàn)變電站運行操作自動化、變電站信息共享化、變電站分區(qū)統(tǒng)一管理、利用計算機仿真技術實現(xiàn)智能化電網調度和控制的基礎單元[1]。

智能變電站中虛端子概念的引入以及信息采集傳輸?shù)娜珨?shù)字化，使得許多以前可見的物理實體被數(shù)字化描述的模型替代，所以必須由依靠人工監(jiān)測轉向自動化的在線監(jiān)測。二次系統(tǒng)中通信網絡問題、配置參數(shù)問題以及數(shù)據(jù)品質問題等已經上升到影響變電站安全運行的核心要素，大量的虛擬信息需要通過在線監(jiān)測評估技術進行分析整理。國內外智能變電站二次系統(tǒng)生產廠家、電力公司的運行人員以及科研機構都開始關注變電站二次系統(tǒng)的在線監(jiān)測評估問題[2-5]。

目前在線監(jiān)測評估大部分是針對一次系統(tǒng)展開的，對二次系統(tǒng)在線監(jiān)測評估還很不完善，特別是針對智能變電站二次系統(tǒng)在線監(jiān)測評估建模及評估流程的研究還極少。本文深入分析智能變電站二次系統(tǒng)的特點，不僅給出了智能變電站二次系統(tǒng)在線監(jiān)測評估架構，而且提出了完整的二次系統(tǒng)在線監(jiān)測評估模型和評估流程，并基于一定的評估規(guī)則，給出二次系統(tǒng)各個評估對象的狀態(tài)等級和健康程度。

1 在線監(jiān)測評估架構

早期建設的智能變電站二次系統(tǒng)，主要采用三層兩網的架構(三層即分過程層、間隔層、站控層；兩網即站控層網和間隔層網)。近年來為了提高變電站數(shù)據(jù)信息的互聯(lián)互通能力，將站控層網和間隔層網進行了合一，形成了基于全網數(shù)據(jù)信息共享的新一代智能變電站二次系統(tǒng)架構。

很明顯，新一代智能變電站二次系統(tǒng)對數(shù)據(jù)通信的實時性、可靠性等更加依賴。二次系統(tǒng)任一通信節(jié)點的故障、數(shù)據(jù)品質的變化都有可能給變電站的運行帶來極大的風險。因此必須通過核心參數(shù)及運行狀態(tài)的監(jiān)測評估，對智能變電站安全隱患進行趨勢判斷和損失性評估。

圖1給出了智能變電站二次系統(tǒng)在線監(jiān)測評估架構。通過對智能變電站SCD文件的讀取和通信報文的在線監(jiān)測，獲取變電站的特征模型和運行狀態(tài)。整個二次系統(tǒng)在線監(jiān)測評估過程，即將智能變電站二次系統(tǒng)典型設備作為評估對象，構建了包括參量評估、子項評估及對象評估在內完整的評估體系，最后采用量化的指標來衡量評估對象的狀態(tài)，給出設備的狀態(tài)等級和健康程度，指導電力公司運維人員進行二次系統(tǒng)相應設備的檢修。

圖1智能變電站二次系統(tǒng)在線監(jiān)測評估架構

2 在線監(jiān)測評估模型[6-14]

智能變電站二次系統(tǒng)在線監(jiān)測評估需要構建評估模型，圍繞智能變電站保護測控裝置、智能終端、合并單元、監(jiān)控系統(tǒng)、對時系統(tǒng)、交換機6大類，構建滿足不同評估顆粒度的評估模型，即評估參量模型、評估子項模型和評估對象模型。

2.1 評估參量模型

對于評估參量建模，若評估對象依托的設備已存在ICD文件，則評估參量直接在此ICD文件中建模，不應再新建不同的ICD文件；若評估對象依托的設備沒有ICD文件，如對時系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、網絡系統(tǒng)、交換機等，可建立新的ICD文件，評估參量模型建立在新的ICD文件下；對于評估參量建模，新擴展的邏輯節(jié)點不宜擴展新的邏輯設備，宜在LD0、MEAS、PROT等邏輯設備下管理。

2.1.1保護測控、智能終端和合并單元的評估參量模型

保護測控采集的評估參量，若符合IEC61850-7-4[15]或Q/GDW1396[16]，可直接引用標準的邏輯節(jié)點，若評估參量已在ICD中建模，不用重復建模，例如保護測量、保護告警、保護動作、開入量等；對于新擴展的評估參量，例如溫度、電平、光強、端口信息等，可在站內ICD文件基礎上增加此類評估參量的邏輯節(jié)點或數(shù)據(jù)對象，新擴展的評估參量可寄宿在標準的邏輯節(jié)點下直接擴展數(shù)據(jù)對象，若新增的評估參量無可寄宿的標準邏輯節(jié)點，可擴展新的邏輯節(jié)點類。

2.1.2交換機的評估參量模型

交換機的評估參量模型需建立新的ICD文件，可參考Q/GDW1845-2012[17]附錄D。包含下列邏輯節(jié)點：端口統(tǒng)計信息邏輯節(jié)點APST、端口鄰居信息邏輯節(jié)點APNE、告警信息GGIO等。

2.1.3監(jiān)控系統(tǒng)的評估參量模型

監(jiān)控系統(tǒng)的評估參量模型需建立新的ICD文件，包含下列邏輯節(jié)點(新擴展邏輯節(jié)點)：服務器CPU負載、內存使用、磁盤余量、核心進程信息、down機時間、IED設備通信狀態(tài)、IED重連次數(shù)、召喚次數(shù)、數(shù)據(jù)召喚流量、服務器同步數(shù)據(jù)流量、數(shù)據(jù)庫容量、客戶端連接數(shù)。

2.1.4對時系統(tǒng)的評估參量模型

對時系統(tǒng)的評估參量模型需建立新的ICD文件，包含下列邏輯節(jié)點(新擴展邏輯節(jié)點)：GPS衛(wèi)星接收靈敏度、GPS衛(wèi)星接收顆數(shù)、GPS衛(wèi)星接收捕獲時間、GPS衛(wèi)星接收前沿準確度、北斗接收靈敏度、北斗衛(wèi)星捕獲時間、授時精度、對時光纖輸出信息、對時TTL輸出信息、對時空接點輸出信息、對時IRIG-B輸出信息、對時RS485差分輸出信息、對時RS232串口輸出信息、對時RJ45網絡輸出信息。

2.2 評估子項模型

總結分析了智能變電站二次系統(tǒng)的運行行為，梳理了18項核心評估子項，主要包括：采樣精度、運行環(huán)境、內部環(huán)境、自檢狀態(tài)、保護啟動、開入一致性、開入實時性、開出功能、整組動作時間、端口流量、無故障時間、正確動作、正確控制、站控層通信、過程層通信、端口功能、端口性能、對時接收、對時輸出。

以內部環(huán)境評估子項為例，這是一個用于評估服務器性能的評估模型。表1給出了內部環(huán)境評估項。

表1內部環(huán)境評估子項

Table 1 Internal environmental evaluation items

評估子項模型主要由公用邏輯節(jié)點信息、評估參量、定值以及評估結果組成。表中內部環(huán)境評估子項中公用邏輯節(jié)點信息包括模式、行為、健康狀態(tài)以及邏輯節(jié)點銘牌，可從SCD文件中讀取繼承；評估參量包括CPU負載、內存數(shù)據(jù)、硬盤數(shù)據(jù)、進程狀態(tài)以及數(shù)據(jù)庫容量，是評估設備內部運行性能的主要參數(shù)；定值中有一項預警門檻，是判別評估結果的重要依據(jù)，直接反映設備的狀態(tài)等級和健康程度。

2.3 評估對象模型

對于智能變電站二次系統(tǒng)典型設備的對象評估模型，則需要從多個評估子項的評估模型中進行引用和繼承，包括趨勢性評估和損失性評估內容。

以繼電保護評估對象為例，其評估子項包括運行環(huán)境、無故障時間、開入一致性、開入實時性、站控層通信、過程層通信、保護啟動、保護動作、正確動作以及自檢狀態(tài)信息等。其評估對象模型如表2。

表2繼電保護類評估對象模型

Table 2 Relay protection class evaluation object model

評估對象模型除了共用部分都需要引入二次系統(tǒng)設備管理邏輯節(jié)點和物理設備邏輯節(jié)點外，需要根據(jù)不同的評估內容，選擇不同的評估子項進行評估。還是以繼電保護評估對象為例，對于趨勢性評估，需要引用運行環(huán)境、采樣精度、無故障時間、開入一致性、開入實時性、站控層通信以及過程層通信評估子項模型，對于損失性評估，需要引用保護啟動、保護動作、正確動作、自檢狀態(tài)評估子項模型。

3 在線監(jiān)測評估流程[18]

智能變電站二次系統(tǒng)在線監(jiān)測評估流程包括模型和數(shù)據(jù)讀入(SCD配置文件導入及SV、GOOSE等報文在線監(jiān)測)，狀態(tài)評估過程及評估數(shù)據(jù)輸出三個階段。智能變電站二次系統(tǒng)在線監(jiān)測評估流程見圖2。評估流程分為以下7個步驟。

(1) 評估參量模型的建立或導入。若評估對象已有ICD文件，在此ICD文件基礎上增加評估參量的數(shù)據(jù)對象或者邏輯節(jié)點。若評估對象無ICD文件，新建ICD文件，僅需配置評估的評估參量模型。同時也可導入評估參量模型配置ICD文件，參數(shù)模型建立后，方可依據(jù)評估參量模型信息實時采集評估對象的評估參量。

圖2智能變電站在線監(jiān)測評估流程

(2) 評估子項模型的建立。評估參量數(shù)據(jù)對象和評估子項的評估結果數(shù)據(jù)對象共同組成一個評估子項對應的邏輯節(jié)點。若一個評估對象下有多個評估子項，可按照同樣的方法建立多個評估子項的邏輯節(jié)點。

(3) 評估對象模型的建立。各個評估子項的邏輯節(jié)點共同組成評估對象的ICD模型文件。評估對象模型下僅包含多個評估子項的邏輯節(jié)點。

(4) 評估參量的選擇。針對某一個評估子項，在評估子項模型中選擇一個或者多個評估參量。

(5) 評估子項的評估規(guī)則搭建。選擇評估參量后，搭建與或非、延時、取反、特征曲線、特征算法等邏輯。

(6) 評估對象的評估規(guī)則搭建。選擇評估子項的評估結果，按照一定的權重和比例分值，搭建評估對象的評估方法邏輯。

(7) 評估對象的評估結果的輸出。采用量化的指標來衡量評估對象的狀態(tài)，可指導用戶的狀態(tài)檢修。評估結果包括狀態(tài)等級和健康程度，狀態(tài)等級分為：“良好狀態(tài)”、“正常狀態(tài)”、“預警狀態(tài)”、“一般故障”和“嚴重故障”5個狀態(tài)。

4 結語

基于智能變電站二次系統(tǒng)在線監(jiān)測評估這一現(xiàn)實需求出發(fā)，對影響變電站二次系統(tǒng)的重要參數(shù)及運行狀態(tài)進行了分析，提出了開展智能變電站在線監(jiān)測評估的體系架構，構建了包括評估參量、評估子項及評估對象在內完整的評估模型，并給出了開展智能變電站二次系統(tǒng)在線監(jiān)測評估的具體流程，建立了較為完整的監(jiān)測評估理論體系。

智能變電站二次系統(tǒng)在線監(jiān)測評估的準確性對于提升智能變電站的運維能力具有重要意義。下一步需要結合更多的現(xiàn)場運維數(shù)據(jù)和案例，優(yōu)化二次系統(tǒng)在線監(jiān)測評估模型，形成在線監(jiān)測評估專家策略庫，使評估結果更加科學。

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(編輯 姜新麗)

Research on secondary system on-line monitoring and evaluation in smart substation

LI Yan1, CHE Yong2, SHAN Qiang2, SUN Jianlong1, 3, HU Guowei1, LI Peng4, LI Jianbo4, LIU Zhanpeng4

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Company Economic Research, Nanjing 210008, China; 2. Xinjiang Electric Power Company, Urumqi 830013, China; 3. Southeast University, Nanjing 210096, China;4. Five-C Smart Power Grid Technology Co.,Ltd., Nanjing 211106, China)

In view of the changes in communication structure, operating environment and quantity of information of the secondary system of smart substation, an online monitoring and assessing system structure of the secondary system is proposed. Such a system structure will make trend judgement and loss assessment of safety risks in smart substation through monitoring and evaluating its core parameters and operating conditions. Around 6 parts with protection and bay control unit, smart terminal, merging unit, HMI, time synchronization system and switch in the secondary system, the complete on-line monitoring and assessment model is described from three aspects— the evaluation parameter model, the evaluation sub-item model and the evaluation model, and finally the evaluation process of the on-line monitoring system is given. It can carry out the on-line monitoring and status assessment to the secondary system of the smart substation, bring great convenience for the maintenance and repair of the system and lay a foundation for performing the condition based maintenance and it also plays an important role in improving the safety and stable operation of the system.

smart substation; secondary system; on-line monitoring and evaluation; evaluation model; evaluation process

10.7667/PSPC151142

2015-07-03；

2015-10-21

李 妍(1981-)，女，碩士，高級工程師，研究方向為輸變電工程的建設和設計；E-mail: simple198136@126.com

車 勇(1965-)，男，碩士研究生，高級工程師，研究方向為電力工程建設管理與技術；

單 強(1971-)，男，碩士研究生，高級工程師，研究方向為電力工程建設管理與技術。