技术与应用 智能变电站二次设备的状态监测技术研究 张晓华 刘跃新 刘永欣２孙 嘉２邱俊宏２ （１．河南省电力公司，郑州４５００００；２．许继电气股份有限公司，河南许昌４６１０００） 摘要 变电站的二次设备状态监测是实时监测继电保护等二次设备运行状况的重要手段，是 变电站安全、稳定、可靠运行的重要保障。随着电网规模的发展，输电线路日趋复杂，继电保护 装置也随之增多，需要监测的数据量、节点数量、通信通道量等大大增加，检修人员的工作量不 断加大。智能变电站技术的发展，特别是二次状态监测技术和集中式保护装置的应用，有效的解 决了这一问题。本文就智能变电站的二次设备状态监测技术进行研究，并提出解决方案。 关键词：智能变电站；状态监测；集中式数字化保护 Ｔｈｅ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ’ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ－－ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｉｎ Ｓｍａｒｔ Ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ＺｈａｎｇＸｉａｏｈｕａｉ Ｌｉｕ Ｙｕｅｘｉｎｌ Ｌｉｕ Ｙｏｎｇｘｉｎ２ Ｓｕｎ Ｊｉａ２ Ｑｉｕ Ｊｕｎｈｏｎｇ２ （１．Ｈｅｎａｎ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００００；２ ＸＪ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｘｕｃｈａｎｇ，Ｈｅｎａｎ ４６１０００） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ’ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ—ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｉｓ ｔｈｅ ｉｍｐｏ￣ａｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ’ｒｕｎｎｉｎｇ ｓｔａｔｅ ｅ．ｇ．ｒｅｌａｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｎｄｅｍｎｉｆｙ ｏｆ ｓａｆｅｔｙ，ｓｔｅａｄｙ，ｄｅｐｅｎｄａｂｌｅ ｏｆ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ．Ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ ｓｃａｌｅ， ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅｓ ａｒｅ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ，ｒｅｌａｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｗｉｔｈ ｉｔ，ｄａｔａ ｖｏｌｕｍｅ，ｎｏｄｅ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｃｈａｎｎｅｌｓ ｗｅ ｎｅｅｄ ａｒｅ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ｏｖｅｒｈａｕｌｉｎｇ ｐｅｏｐｌｅ’Ｓ ｗｏｒｋ ｌｏａｄ ｃｏｎｓｔａｎｔｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ．Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｍａｒｔ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ—ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｃａｎ ｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｃａｒｒｉｅｓ ｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ’ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ—ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｓｍａｒｔ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｐｕｔｓ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｆｏｒｗａｒｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｔ ｓｍａｒｔ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ；ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ—ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ｄｉｇｉｔａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｌ 引言 回路、操作控制回路等，状态检修范畴如果仅局限 在保护装置本身将很难有实施推广的价值，对于保 近年来随着电网规模的快速发展，变电站和输 护的状态检修必须作为一个系统性的问题来考虑， 电线路的数量越来越多，继电保护设备的校验工作 或者说状态检修如果能够包含交流输入、直流回路、 量急剧增加，而各电力公司由于编制所限人员的增 操作回路等构成保护系统的各个环节，这样，才可 加很少，同时继电保护工作是一项技术性很强的工 能避免状态监测出现“盲点”，使保护状态检修技 作，人才培养周期长，工作压力大，目前很多供电 术有可能在实际应用中得到推广。 公司都存在继电保护人员超负荷工作的情况。如何 常规的微机保护设备理论上可以实现对逆变电源、 使继电保护设备少检修、免维护，从而降低继电保 电流、电压输入回路、采样数据合理性、保护定值完整 护检验的工作量和维修成本。这就需要在变电站配 性、保护的输入输出接点、保护数据通信环节、执行回 置技术先进的状态监测设备。 路可靠性等的监视。但是这种方式存在着监测的数据量 微机保护应用技术的迅速发展，使保护装置本 大、节点数目多、通信通道量大的问题。随着智能变电 身具备了很强的自检功能，但作为电网安全屏障的 站技术的发展，数字化保护装置，特别是集中式数字化 继电保护系统除装置本身，还包含交流输入、直流 保护装置的应用，状态监测技术被大大简化了。 ２０１１年第４期电气技／Ｉｔ ｌ ４１ 技术与应用 本文就智能变电站中二次设备的状态 测技术 变换、传输及其测量、控制、保护、计量、状态监 进行分析研究，并提出解决方案，希望对智能变电 站技术的发展有所帮助。 ２智能变电站的系统构成 智能变电站技术导则川给Ｌ｛ｊ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 息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测 量、控制、保护、计量和监测等基本功能，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。 智能变电站系统可分为站控层、问隔层和过程 层，由站级总线和过程总线完成各层的信息交互， 各层之问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１所示。 图１ 智能变电站分层结构图 ２．１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。站控层实现面向令站或一个以 上的一次设备的测量和 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。 ２．２ 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。 ２．３ 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、 ｌ４２ Ｉ电气技７Ｉｔ ２０１ １年第４期 测等相关功能。一次设备智能化的发展和非常规互 感器的应用满足问隔层与过程层之问信息通信光纤 化、信息共享标准化的要求。就非常规电流互感器 来讲，基于Ｆａｒａｄａｙ电磁感应原理的罗科夫斯 （Ｒｏｇｏｗｓｋｉ）电子互感器和基于Ｆａｒａｄａｙ磁旋光效 应的磁光玻璃电了互感器或全光纤电予式互感器在 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。 ３集中式数字化保护 ３．１整体构架 智能变电站的集中式数字化保护装置遵循ＩＥＣ ６１８５０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 －４Ｊ，采用一台ＩＥＤ来实现原来需要按间 隅 谨 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。 整体系统构架如图２所示。集成一体化保护一般按 双套冗余配置。 图２新型集成一体化ｌＥＤ架构及应用 ３．２ 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 Ｊ 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。 集中式保护如图３所示。 赢 泣技术与应用 目前智能变电站继电保护装置需要监测的主要 对象【６‘¨如图４所示，包括： （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）装置本身自检如：ＦＬＡＳＨ擦写次数统计、 图３ 高压线路集成一体化保护 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。 ４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。利用装置本身自检及装置之问的互相监测来实 图４二次设备监测对象 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。由表ｌ可见，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。 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面监测状态信息的全新 的保护、自动装置及其他智能设备。 表１智能变电站的状态监测技术 检验内容 定期检修 方法 数字化站状态检修 方法 绝缘测量 固化的程 数据采集 开关量 定值 绝缘电阻表 掉电试验 加载试验电流、电压 通过试验检查开入、开出 核对保护运行时定值单 操作回路智能化，二次回路由智能开关状态监测实现 程序ＣＲＣ在线调取，异常告警 ＳＭＶ接收以太网口监视、采样异常检测 ＧＯＯＳＥ收发以太网口监视、ＧＯＯＳＥ开入异常检测 在线调取，实时评估 采样值 输入保护电流、电Ｊ玉大小，相位及极性检验 光纤接线，配置文件修改可监控，装置本身ＳＭＶ采样点序号检查 ４．１ 分布式数字化保护装置的状态监测 在智能变电站，１ＥＣ 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ＩＥＣ ６１８５０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 分布式保护装置实现单台ｌＥＤ的功能，以问隔 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，如主变问隔、 ２２０ｋＶ级以上线路、母线问隔等。 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。 测则变得较为容易实现。 装置本身可以对接收的ＳＭＶ采样值报文进行监视， ２０１１年第４期电号技７ｌｔ Ｉ４３ 技术与应用 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。 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。 ５结论 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 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。 ４．２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，如图３所示的线路集中式保护装置，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。 以图３为例，例如对线路保护装置的线路３的 ＳＶ、Ｇｏ０ＳＥ通道的监测，由于集中式保护按双套 保护配置，则可采用简单的比较法：比较双套保护 装置的相同间隔（如线路插件３）的采样值，当比 值超过设定门槛时发出报警信号，据此认为其中一 条甚至两条ＳＶ通道有异常；比较两台保护装置同 一ＬＤ的Ｇ０ＯＳＥ信息，因为Ｇ０ｏＳＥ反应的是断路 器和刀闸的位置等信息，而同一时刻的断路器的位 置是一定的，因此比较法同样适用于ＧＯＯＳＥ通道 的监视。 不但双套保护配置为实现了装置自身的自检和 装置之问的互检提供便利，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ｌＥＤ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，相对于按问隔配置的保 ４４ ｆ电号技术 ２０１ １年第４期 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。 参考文献 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