基于IEC61850的繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性的研究

文明　龍軍　周可

【摘 要】在電力系統(tǒng)中，繼電保護(hù)裝置是系統(tǒng)中必不可少的一部分，它針對(duì)電力系統(tǒng)的故障，促使整個(gè)系統(tǒng)能安全、正常的運(yùn)行，有很重要的保護(hù)作用。隨著現(xiàn)代化、數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，它基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，智能性、可靠性更好，已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入現(xiàn)代的變電站。

【關(guān)鍵詞】IEC61850；數(shù)字化變電站；繼電保護(hù)系統(tǒng)；可靠性

現(xiàn)代化的進(jìn)程極大地推動(dòng)了智能電網(wǎng)的建設(shè)，如今，電力系統(tǒng)對(duì)繼電保護(hù)的研發(fā)、可靠性等提出了更高的要求，因此，數(shù)字化變電站正在逐步取代傳統(tǒng)變電站。智能變電站的結(jié)構(gòu)、元件、技術(shù)等都與傳統(tǒng)變電站不同，智能化的繼電保護(hù)系統(tǒng)則是一種基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化系統(tǒng)，它既能保證繼保性能測(cè)試的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，也提高了工作人員的效率。

1 數(shù)字化變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

繼電保護(hù)系統(tǒng)主要是為了處理電力系統(tǒng)中的事故，一旦電力系統(tǒng)發(fā)生故障，繼保系統(tǒng)會(huì)收集事故狀態(tài)的信息，迅速判斷和處理故障，并在事后分析這些問(wèn)題。

與傳統(tǒng)變電站相比，智能變電站用光纖取代了電纜，以基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)文取代了傳統(tǒng)的模擬量輸入回路與開(kāi)關(guān)量輸入輸出回路。數(shù)字化變電站基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，建立起統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)通信平臺(tái)，使站內(nèi)智能化一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備的數(shù)字化通信得以實(shí)現(xiàn)，并保證智能化二次設(shè)備之間具有互操作性。在這種情況下，繼電保護(hù)系統(tǒng)配合變電站，也轉(zhuǎn)變成了數(shù)字化的系統(tǒng)。在數(shù)字化的智能變電站中，繼電保護(hù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，接收過(guò)程層設(shè)備發(fā)送的IEC61850-9-1（2）采樣數(shù)據(jù)包，然后依靠IEC GOOSE 進(jìn)行開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。[1]

2 智能變電站繼保測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和原理

為了研究基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，有關(guān)人員開(kāi)發(fā)了相關(guān)的測(cè)試系統(tǒng)。這種系統(tǒng)需要可以反映繼保裝置工作時(shí)的動(dòng)態(tài)變化的仿真軟件。在變電站中，繼保接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)都是間隔層與過(guò)程層的智能電子裝置IECs通信的內(nèi)容，因此，相關(guān)的測(cè)試系統(tǒng)必須具備相應(yīng)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信能力。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，測(cè)試用到的仿真軟件也必須能達(dá)到相應(yīng)數(shù)字仿真技術(shù)。

2.1 測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

有關(guān)人員在測(cè)試?yán)^電保護(hù)系統(tǒng)性能的時(shí)候，引入了具有自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化功能的監(jiān)測(cè)工具，實(shí)行在線的自動(dòng)化測(cè)試，以確保測(cè)試的實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確，并提高工作效率。這種測(cè)試系統(tǒng)不僅準(zhǔn)確度高、可以在線監(jiān)測(cè)，而且可以重復(fù)測(cè)試，使得測(cè)試工作可以被追溯；它的方法比較成熟，能夠同步檢測(cè)多種功能，覆蓋的范圍也可以被擴(kuò)展。此外，系統(tǒng)是由高級(jí)應(yīng)用軟件來(lái)自動(dòng)分析、生成測(cè)試的任務(wù)和數(shù)據(jù)結(jié)果報(bào)告，這樣就降低了人為因素的干擾作用。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)的原理

通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)有機(jī)互聯(lián)的數(shù)字式光電互感器合并器，繼保系統(tǒng)可以得到IEC設(shè)備進(jìn)行測(cè)控、保護(hù)、記錄事件等所需的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。繼保系統(tǒng)過(guò)程層中的數(shù)字式光電互感器可以把采集到的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的模型信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字式采樣值，并以光纖量的形式，傳輸?shù)街悄芎喜卧?，?jīng)匯總和同步處理，再把數(shù)據(jù)打包校驗(yàn)，集中發(fā)送到系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。智能合并單元輸出的數(shù)字式光纖量采樣值是符合IEC61850-9-1（2）通信規(guī)約的。在繼保測(cè)試系統(tǒng)中，通過(guò)測(cè)試儀對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)量的輸入接點(diǎn)，保護(hù)動(dòng)作信號(hào)會(huì)被輸入測(cè)試系統(tǒng)中，測(cè)試儀內(nèi)部有設(shè)置好的程序與判斷邏輯，可以對(duì)采樣數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并對(duì)輸出量的幅值、相位等參數(shù)加以改變，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)試分析[2]。

3 系統(tǒng)試驗(yàn)

3.1 搭建系統(tǒng)需要注意的問(wèn)題

搭建系統(tǒng)時(shí)，首先要確保系統(tǒng)可以模擬智能變電站中繼保設(shè)備的外部特征，軟件要有足夠的仿真效果并能處理數(shù)字信息，具備實(shí)時(shí)性，整體系統(tǒng)的軟硬件之間可以較好地相互配合。建模時(shí)，在建模軟件的幫助下，測(cè)試人員應(yīng)進(jìn)行一次系統(tǒng)建模，該過(guò)程根據(jù)需求，可以分為一次主接線建模及控制模塊建模，需要配置相應(yīng)的子系統(tǒng)，并建立操作面板，以方便控制一次系統(tǒng)中的潮流和設(shè)置故障。配置GOOSE信號(hào)時(shí)，也要配置相應(yīng)的文件。

建構(gòu)系統(tǒng)需要有適宜的網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)，通常采用的一種用于捕獲報(bào)文的相應(yīng)技術(shù)就是Winpcap編程。在Windows平臺(tái)下，它可以捕獲以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析，并進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送和統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)流量。這一編程在工作時(shí)有固定的流程，并可以在需要時(shí)設(shè)置過(guò)濾數(shù)據(jù)包的條件。

同時(shí)，系統(tǒng)要具有可以解析報(bào)文的語(yǔ)言（如C語(yǔ)言），可以根據(jù)IEC61850的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義、基本編碼規(guī)則等來(lái)解析報(bào)文編碼，以便進(jìn)行分析。此外，應(yīng)根據(jù)變電站的要求和實(shí)際情況來(lái)開(kāi)發(fā)保護(hù)主程序，并使之與人機(jī)交互界面有良好的兼容性，以便提高系統(tǒng)的可視化程度和可靠性。

3.2 系統(tǒng)試驗(yàn)

搭建好模型后，現(xiàn)在系統(tǒng)的專用PC機(jī)上導(dǎo)入描述變電站結(jié)構(gòu)及設(shè)備之間關(guān)系的文件，建立變電站系統(tǒng)的實(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。之后，導(dǎo)入保護(hù)裝置的配置文件，這一文件相當(dāng)于實(shí)際系統(tǒng)中的成套保護(hù)屏柜背面的端子排。有了這兩個(gè)文件，就可以盡可能地模擬出變電站的實(shí)際情況。

試驗(yàn)過(guò)程中，為了更好地檢驗(yàn)系統(tǒng)的性能，可以專門(mén)設(shè)置特定故障并進(jìn)行母聯(lián)開(kāi)關(guān)的失靈試驗(yàn)，由于系統(tǒng)中的支路運(yùn)行設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同，旨意在區(qū)間單一故障時(shí)不進(jìn)行倒閘操作，就可以更清楚地分析故障波形。在經(jīng)過(guò)相應(yīng)的設(shè)置后開(kāi)始試驗(yàn)，觀察和比較故障時(shí)的波形圖。同時(shí)，保護(hù)程序會(huì)編碼計(jì)算結(jié)果，形成信號(hào)，報(bào)文也會(huì)返回配置信息。最終，比較所有得到的圖形、圖表，試驗(yàn)人員發(fā)現(xiàn)各設(shè)備的動(dòng)作行為可以準(zhǔn)確的反映出故障特征和模塊之間的關(guān)系，具有較好的聯(lián)調(diào)聯(lián)式性能，也符合IEC61850的要求，可以在實(shí)際運(yùn)用中提高供電的效率和可靠性[3]。

4 系統(tǒng)的實(shí)際試用情況

事實(shí)上，500kV崇左變電站已經(jīng)開(kāi)始試用基于IEC61850的繼電保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)被接入了站內(nèi)所有的繼電保護(hù)裝置。變電站內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是總線型，各保護(hù)小室的繼電裝置是以以太網(wǎng)的形式接入同一交換機(jī)，并能通過(guò)光電轉(zhuǎn)化把數(shù)據(jù)傳送到總控樓機(jī)房，之后數(shù)據(jù)被恢復(fù)成網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，接入處理繼電保護(hù)信息的總交換機(jī)上，同時(shí)與遠(yuǎn)方控制中心、總調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)交換數(shù)據(jù)。

IEC61850規(guī)約的核心是不同廠家的系統(tǒng)、設(shè)備使用同樣的信息模型，以達(dá)到更好的兼容性。變電站內(nèi)，各小室設(shè)處理保護(hù)信息的子站屏、交換機(jī)及其他相應(yīng)裝置，采取模塊化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件。模塊各自獨(dú)立，但又聯(lián)合起來(lái)，構(gòu)成完整的故障處理平臺(tái)。軟件可以與站內(nèi)的MIS、自動(dòng)化等系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。系統(tǒng)軟件的功能主要有：拓?fù)淅L圖、故障分析、查詢故障信息、采集數(shù)據(jù)、子站通信服務(wù)、GPS對(duì)時(shí)、權(quán)限管理和數(shù)據(jù)庫(kù)管理維護(hù)。

整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程大致為：現(xiàn)有設(shè)備層的模塊采集信息，輸入間隔層，根據(jù)IEC61850規(guī)約進(jìn)行轉(zhuǎn)換。之后，轉(zhuǎn)換后的信息/數(shù)據(jù)進(jìn)入站控層，相應(yīng)的模塊進(jìn)行信息處理和存儲(chǔ)，最后向應(yīng)用層上傳信心，進(jìn)行在線監(jiān)控并顯示分析結(jié)果。

在實(shí)際的運(yùn)行中，盡管還有一些問(wèn)題和不足，系統(tǒng)與保護(hù)設(shè)備、錄波設(shè)備的接口良好，可以順利進(jìn)行查詢?cè)O(shè)備信息、召喚定值等功能，與遠(yuǎn)方控制中心和南方總調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)較好配合，共同實(shí)行對(duì)變電站的管理和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)故障的及時(shí)處理[4]。

5 結(jié)束語(yǔ)

在電力系統(tǒng)中，IEC61850的作用越發(fā)重要，并被逐漸推廣到實(shí)際，應(yīng)用與繼電保護(hù)系統(tǒng)，但I(xiàn)EC61850還處于初步開(kāi)發(fā)階段，盡管比傳統(tǒng)變電站更具優(yōu)勢(shì)，提高繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，但也存在問(wèn)題，因此，還需要繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試，充分發(fā)掘IEC61850的價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

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[4]賈筱瑩.基于IEC61850規(guī)約的500kV變電站繼電保護(hù)與故障信息處理系統(tǒng)[J].電力信息化，2010，04：55-57.

[責(zé)任編輯：王偉平]