[科普中国]-智能变电站二次设备状态监测

背景

近年来，随着我国输变电技术的发展，电网规模在不断扩大，输变电电压等级在不断提高。这使得电力设备的数量和复杂性不断上升，设备的检修费用占电网运行总成本的比例日渐增大，继电保护设备的维护工作量急剧增加。为确保在这种设备数量多、设备复杂性高的情况下电网的稳定可靠运行，同时控制检修费用以降低成本，减少继保检验的工作量，电力设备的检修策略也从过去的定期检修向状态检修发展。

定期检修和状态检修都属于预防性检修。定期检修的缺点在于检修周期相对固定，不能根据设备的健康状况及时地进行检修，容易造成检修不足和检修过剩等问题。而状态检修是通过先进的状态监测手段获取设备工作时的各项状态参数，根据这些状态参数反映出的设备实际工作状况，识别故障的早期征兆，对故障部位、故障严重程度及发展趋势做出判断，从而确定设备的最佳维修时间的一种检修方式。

国家电网公司从2006年开始在各省市全面推行状态检修工作。主要完成的工作有:制定状态检修技术标准、完善状态监测诊断分析手段、状态检修准备工作评价验收、基层人员状态检修知识及技能培训。南方电网公司也于2010年发布了《输变电设备状态检修管理办法》以规范输变电设备的状态检修工作。目前，我国的状态检修工作正处于初级阶段，还存在着以下问题:部分人员对状态检修认识还不够充分;运行人员对设备状态的诊断、分析能力还有待提高;状态检修的重心集中在电力一次设备，二次设备的状态检修没有得到相应的重视。

状态检修的内涵包括:设备状态监测、设备故障诊断和检修决策。状态监测为状态检修提供基本数据支持;设备故障诊断是以状态监测为依据，综合设备历史信息，利用神经网络、专家系统等技术来判断设备的健康状况。检修决策则是综合考虑设备的故障严重程度、检修成本、潜在风险等因素，从而制定检修计划的过程1。

过去对传统变电站实行状态监测和状态检修的主要困难在于状态数据的采集。传统变电站中，不同厂商、不同设备使用的是不同的规范和协议，使得相互之间信息不能共享，形成了信息孤岛。通过IEC 61850标准及其抽象通信服务接口(Abstract CommunicationService Interface, ACSI)映射的GOOSE，MMS报文和SV报文完成设备之间的信息交换和互操作。设备间的信息互通以及网络分析仪的使用，给站内设备尤其是二次设备的状态监测带来了极大的便利，推动了二次设备状态监测技术在现场应用的发展2。

二次设备状态监测的概念在智能变电站的大力建设和IEC 61850标准深入推广应用的情况下，国内外对变电站一次设备的状态监测已做了充分的研究。随着一体化调度自动化系统的部署，需要实现一、二次系统的同步建模、采集与分析。虽然目前调度自动化系统对二次设备的在线监视与分析主要处理与解决的是继保设备、故障录波装置的相关信息，但是二次设备的状态检修是未来智能变电站及站内智能设备检修的重要部分。而作为状态检修基础的二次设备状态监测工作就势在必行，函待开展。对二次设备状态监测不同于一次设备状态监测一一通常需要单独安装监测设备来实现对主设备的监测;由于微机保护已十分成熟，二次设备通常具备较强的在线自检和通信功能，因此无需另外安装监测设备，使用设备自身集成的自检、通信功能即可完成状态监测的任务。在IEC 61850标准的统一规范下，综合考虑二次回路负载及安全性，对二次设备实行嵌入式状态监测是合理且妥当的3。

有文献提出了几种智能变电站中对继保装置进行监测的对象和指标，包括:继电保护装置的电流、电压等SV通道状态;直流逆变电源状态;遥信、遥控等GOOSE通道的状态;自检状态等。也有文献提出将二次设备电源系统、设备开入开出回路、互感器二次回路、设备系统绝缘、设备通信信道状态、设备工况、二次设备软件版本和校验码等信息作为二次设备状态监测的对象。有文献认为，由于智能变电站的发展，变电站主控室内的设备不断增加，大量运行于机柜内的设备在运行时产生较多的热量，进而导致设备的运行温度较高。较高的温度是不利于二次设备的稳定运行的，因此设备的温度也应该作为二次设备状态监测的一项内容。总而言之，二次设备状态监测的监测内容正向着全面化、全景化的方向发展3。

智能变电站二次设备状态监测需要借助先进、准确的传感器技术将设备的状态数据采集、上送以完成原始运行数据的采集;然后，需对原始数据进行处理和分析，判断设备当前的健康状况、预测可能发生的故障，并制定相应的措施。智能变电站的二次设备状态监测是一个较宽的概念，涵盖的内容较宽泛。需要指出的是，针对网络交换机的状态监测目前还处于探索实验阶段，各厂家生产的智能变电站专用交换机的设计理念不尽相同，也尚无相关标准对此进行标准化。

智能变电站的系统构成智能变电站技术导则给出了智能变电站的如下定义:采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基木要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基木功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站4。

智能变电站系统可分为站控层、间隔层和过程层，由站级总线和过程总线完成各层的信息交互，各层之间的联系均可采用光缆，或过程层采用光缆，站级总线采用电缆。导则强调对智能变电站高级应用功能的研究，强调互动，双网双保护的智能变电站分层结构如图所示。

站控层站控层包括自动化系统、站域系统、通信系统和对时系统等设备。站控层实现而向全站或一个以上的一次设备的测量和控制功能，完成数据采集和监视控制、操作闭锁以及同步相量采集、电能量采集、保护信息管理等相关功能。

间隔层间隔层设备一般指继电保护装置、测控装置和故障录波等二次设备，实现使用一个间隔的数据并且作用于该间隔一次设备的功能。间隔层通过光纤与过程层通信。

过程层过程层包含由一次设备和智能组件构成的智能设备、合并单元和智能终端，完成变电站电能分配、变换、传输及其测量、控制、保护、计量、状态监测等相关功能。一次设备智能化的发展和非常规互感器的应用满足间隔层与过程层之间信息通信光纤化、信息共享标准化的要求。就非常规电流互感器来讲，基于F araday电磁感应原理的罗科夫斯电子互感器和基于F araday磁旋光效应的磁光玻璃电子互感器或全光纤电子式互感器在电力系统中的应用带来变电站技术形态的变革。电子互感器测量范围宽，精度高，因没铁心，无磁饱和现象，二次电流不会发生畸变;由于光纤数字信号输出和信息共享技术，不再有常规CT二次负载的担忧;电子互感器也不像常规CT那样需要多个次级线圈，体积小，重量轻，绝缘可靠。

集中式数字化保护整体构架智能变电站的集中式数字化保护装置遵循IEC61850标准，基于过程总线和强大的软硬件平台，将目前变电站内多台间隔层IED的功能集中在一台IED上完成，采用一台IED来实现原来需要按间隔配置的多台IED实现的功能。原来每个IED被抽象成为一个逻辑上实现保护、测控功能的单元，简称逻辑设备(LD)，每个LD保持功能上的相对独立性并通过统一的通信接口与其他设备进行交互5。

高压线路集成一体化保护的示例以线路间隔为例说明集中式数字化保护装置的模型。由一台集成一体化保护测控装置实现若干条线路的保护测控功能，其中每个CPU实现一个间隔的保护测控功能，各个间隔之间没有数据通信，互相不影响。采用集成一体化保护测控装置方案，可以大量节省装置、屏体数量，并可节约占地面积。

智能变电站的二次设备状态监测智能变电站中基于微电子、计算机技术、网络技术的继电保护设备其强大的“自检”能力为状态检修技术的实现提供了良好的基础。智能变电站的继电保护装置二次电流、二次电压输入的方式不同于常规变电站，取而代之的是光纤以太网传输的数字采样值报文的输入;保护动作出口不再是跳闸、重合闸接点，而是光纤以太网传输的GOOSE开关量信息。因此，二次设备的状态监测不同于一次设备，一次设备状态监测一般都需要安装另外的监测设备，对主设备进行监测;而二次设备由于继电保护及安全自动装置一般都具有在线自检功能及通讯功能，再加上考虑到二次回路的负载及安全性等因素，一般不另外附加监测设备，属于嵌入式状态监测。利用装置木身自检及装置之间的互相监测来实现在线监测。因此，建立变电站二次设备在线监测系统，必须着手开发具备全而监测状态信息的全新的保护、自动装置及其他智能设备。

目前智能变电站继电保护装置需要监测的主要对象如图所示，包括61：

(1)装置的电流、电压等SV通道的状态。

(2)装置的遥信、遥控等GOOSE通道的状态。

(3)装置直流逆变电源的状态。

(4)装置木身自检如:FLASH擦写次数统计、扇区健康状况监测、RAM是否出错、看门狗是否动作、装置的重启次数等。

智能变电站采用的数字化保护测控装置使二次设备的状态监测更为全面、可靠。与常规变电站相比，智能变电站的二次设备状态监测有着明显的优势。

分布式数字化保护装置的状态监测在智能变电站，IEC 61850标准为我们提供了数字化变电站的通信框架，由于采用电子式互感器ECT, EVT，一次的模拟信号转换为数字信号，传送到保护装置的是经过合并器加工的符合IEC61850标准的以光纤为媒介的数字信号;保护动作后输出的不再是跳合闸接点，而是光纤以太网传输的GOOSE信息，基于此标准实现继电保护状态监测则变得较为容易实现。

分布式保护装置实现单台IED的功能，以间隔为单位，不同的间隔配置独立的继电保护装置和过程层接口，重要间隔按双重化配置，如主变间隔、220kV级以上线路、母线间隔等。

之所以说数字化保护装置的状态监测更为容易实现，是因为电子式互感器的应用，进入保护装置的是光数字信号，二次电流、电压输入、AD采样不复存在，对数字采样部分实现状态监测更加容易。装置本身可以对接收的SMV采样值报文进行监视，如有接收中断、丢数据帧、接收数据帧CRC不正确等现象，立即告警SMV采样异常即可。

数字化智能开关的使用，使二次控制系统的操作回路通过软件编程的方式实现智能化，本身具备在线监测功能，继电保护状态监测不存在常规变电站操作回路无法在线监测的瓶颈问题。

保护的投退用软压板控制，不存在常规变电站连接片(压板)状态监测的困难。

大量光纤取代铜缆，也不再需要回路绝缘状况监测(直流回路除外)。

强大的以太网通信技术的应用，使数字化变电站继电保护设备的状态检修网络灵活、强壮、可靠性高。

集中式数字化保护装置的状态监测集中式数字化保护装置可实现多台IED的功能，包括了若干条线路的保护测控功能，为了增加可靠性和维护方便性，即使低电压等级，集中式保护一般按双套保护配置。相对分布式保护装置状态监测的技术实现，集中式数字化保护装置的应用，使得整个变电站的监测对象大大减少，而且状态监测实现也相对简单。

不但双套保护配置为实现了装置自身的自检和装置之间的互检提供便利，而且集中式保护把原来分布式装置抽象为一个个LD，因此原来每台分布式装置所包含的电源监测功能、装置自检功能、软压板监测功能都集中到了一台IED中，这样不但减少了监测对象，也方便了检修人员的检修维护工作，大大减少了工作量。例如，相对于按间隔配置的保护，基于结构优化的集中式保护装置结构更为紧凑，电源数量极大减少，这使得二次设备监测的重点之电源监测的实现更为方便。

结语二次设备的状态检修是变电站综合自动化技术发展的必然结果，二次装置的状态监测将有助于对设备的运行情况、缺陷故障情况、历次检修试验记录等实现有效的管理和信息共享，并为设备运行状况的分析提供了可靠的信息基础，将有助于合理地制定设备的检修策略，提高保护装置的用率，为电网的安全运行提供坚实的基础。

智能变电站的全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为二次设备状态监测技术的发展和应用提供了有力条件，特别是集中式数字化保护装置的应用，减少了继电保护二次设备的数量，优化了二次设备的结构，对继电保护二次设备监测实现更为有利。

目前，针对二次设备的工作状态和网络通信状态的建模的研究正处于发展阶段，尤其是IEC 61850标准并没有对在智能变电站网络中扮演重要角色的交换机等网络设备进行建模，使得目前的二次设状态监测还难以做到完善，相应的故障诊断工作也难以将交换机和网络拓扑纳入考虑范畴之内。值得注意的是，目前已有部分继电保护厂商开始研发和生产智能变电站专用交换机，能够采集交换机的状态信息，如交换机端口流量、端口接收光强、发送光强、工作温度等数据，并对交换机的状态进行综合评价。这将对二次设备状态监测产生积极意义，但专用交换机的相关标准也还需要跟进和完善。同时，也应继续探索如何对目前站内普遍使用的通用交换机进行建模以及网络拓扑的描述。

对于状态数据的分析和处理，目前在二次设备状态监测的实际现场应用中多采用配置冗余设备对同一指标进行比较的方法来判断设备是否故障;或是通过网络分析仪检查报文的连续性、合法性进而判断变电站网络是否正常。上述方法通常只能发现站内存在的问题和异常，难以分析故障的原因，也对现场运维人员的消缺工作造成障碍。而对告警报文的分级、智能处理以及后续的故障诊断和故障预警目前还多处于研究和实验阶段，在变电站中鲜有实际应用。因此，如何运用各种故障诊断和故障预警的理论方法进行产品和软件系统的开发，并在智能变电站中进行实际应用也具有重大的研究价值。

另一方面，随着大数据以及云计算的兴起，未来可考虑在变电站或调度中心建设云平台以提高状态监测以及其他系统的分析处理能力。此外，智能变电站网络报文数据量大，目前的处理手段通常只取故障时刻前后的报文来进行分析，丢弃了大量可能存在利用价值的报文。而数据流挖掘正是一种从海量只能读取有限次数或对处理时间有限制的数据中获取有用信息的方法，十分适合于变电站网络报文的分析处理。未来，随着云平台的建设和数据流挖掘的引入，将可构建一、二次联合状态监测系统以及后续在其基础之上的故障诊断系统、故障预警系统、状态检修决策支持系统等高级应用。