智慧型變電站二次設備狀態監測

二次設備的狀態檢修是未來智慧型變電站及站內智慧型設備檢修的重要部分。對二次設備狀態監測不同於一次設備狀態監測，通常需要單獨安裝監測設備來實現對主設備的監測；由於微機保護已十分成熟，二次設備通常具備較強的線上自檢和通信功能，因此無需另外安裝監測設備，使用設備自身集成的自檢、通信功能即可完成狀態監測的任務。在IEC 61850標準的統一規範下，綜合考慮二次迴路負載及安全性，對二次設備實行嵌入式狀態監測是合理且妥當的。

基本介紹

• 中文名：智慧型變電站二次設備狀態監測
• 外文名：Intelligent Substation SecondaryEquipment Condition Monitoring
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 套用：變電站二次設備的智慧型監控
• 特點：標準化、信息化、智慧型化

背景

近年來，隨著我國輸變電技術的發展，電網規模在不斷擴大，輸變電電壓等級在不斷提高。這使得電力設備的數量和複雜性不斷上升，設備的檢修費用占電網運行總成本的比例日漸增大，繼電保護設備的維護工作量急劇增加。為確保在這種設備數量多、設備複雜性高的情況下電網的穩定可靠運行，同時控制檢修費用以降低成本，減少繼保檢驗的工作量，電力設備的檢修策略也從過去的定期檢修向狀態檢修發展。

定期檢修和狀態檢修都屬於預防性檢修。定期檢修的缺點在於檢修周期相對固定，不能根據設備的健康狀況及時地進行檢修，容易造成檢修不足和檢修過剩等問題。而狀態檢修是通過先進的狀態監測手段獲取設備工作時的各項狀態參數，根據這些狀態參數反映出的設備實際工作狀況，識別故障的早期徵兆，對故障部位、故障嚴重程度及發展趨勢做出判斷，從而確定設備的最佳維修時間的一種檢修方式。

國家電網公司從2006年開始在各省市全面推行狀態檢修工作。主要完成的工作有:制定狀態檢修技術標準、完善狀態監測診斷分析手段、狀態檢修準備工作評價驗收、基層人員狀態檢修知識及技能培訓。南方電網公司也於2010年發布了《輸變電設備狀態檢修管理辦法》以規範輸變電設備的狀態檢修工作。目前，我國的狀態檢修工作正處於初級階段，還存在著以下問題:部分人員對狀態檢修認識還不夠充分;運行人員對設備狀態的診斷、分析能力還有待提高;狀態檢修的重心集中在電力一次設備，二次設備的狀態檢修沒有得到相應的重視。

狀態檢修的內涵包括:設備狀態監測、設備故障診斷和檢修決策。狀態監測為狀態檢修提供基本數據支持;設備故障診斷是以狀態監測為依據，綜合設備歷史信息，利用神經網路、專家系統等技術來判斷設備的健康狀況。檢修決策則是綜合考慮設備的故障嚴重程度、檢修成本、潛在風險等因素，從而制定檢修計畫的過程。

過去對傳統變電站實行狀態監測和狀態檢修的主要困難在於狀態數據的採集。傳統變電站中，不同廠商、不同設備使用的是不同的規範和協定，使得相互之間信息不能共享，形成了信息孤島。通過IEC 61850標準及其抽象通信服務接口(Abstract CommunicationService Interface, ACSI)映射的GOOSE，MMS報文和SV報文完成設備之間的信息交換和互操作。設備間的信息互通以及網路分析儀的使用，給站內設備尤其是二次設備的狀態監測帶來了極大的便利，推動了二次設備狀態監測技術在現場套用的發展。

監測概念

在智慧型變電站的大力建設和IEC 61850標準深入推廣套用的情況下，國內外對變電站一次設備的狀態監測已做了充分的研究。隨著一體化調度自動化系統的部署，需要實現一、二次系統的同步建模、採集與分析。雖然目前調度自動化系統對二次設備的線上監視與分析主要處理與解決的是繼保設備、故障錄波裝置的相關信息，但是二次設備的狀態檢修是未來智慧型變電站及站內智慧型設備檢修的重要部分。而作為狀態檢修基礎的二次設備狀態監測工作就勢在必行，函待開展。對二次設備狀態監測不同於一次設備狀態監測一一通常需要單獨安裝監測設備來實現對主設備的監測;由於微機保護已十分成熟，二次設備通常具備較強的線上自檢和通信功能，因此無需另外安裝監測設備，使用設備自身集成的自檢、通信功能即可完成狀態監測的任務。在IEC 61850標準的統一規範下，綜合考慮二次迴路負載及安全性，對二次設備實行嵌入式狀態監測是合理且妥當的。

有文獻提出了幾種智慧型變電站中對繼保裝置進行監測的對象和指標，包括:繼電保護裝置的電流、電壓等SV通道狀態;直流逆變電源狀態;遙信、遙控等GOOSE通道的狀態;自檢狀態等。也有文獻提出將二次設備電源系統、設備開入開出迴路、互感器二次迴路、設備系統絕緣、設備通信信道狀態、設備工況、二次設備軟體版本和校驗碼等信息作為二次設備狀態監測的對象。有文獻認為，由於智慧型變電站的發展，變電站主控室內的設備不斷增加，大量運行於機櫃內的設備在運行時產生較多的熱量，進而導致設備的運行溫度較高。較高的溫度是不利於二次設備的穩定運行的，因此設備的溫度也應該作為二次設備狀態監測的一項內容。總而言之，二次設備狀態監測的監測內容正向著全面化、全景化的方向發展。

智慧型變電站二次設備狀態監測需要藉助先進、準確的感測器技術將設備的狀態數據採集、上送以完成原始運行數據的採集;然後，需對原始數據進行處理和分析，判斷設備當前的健康狀況、預測可能發生的故障，並制定相應的措施。智慧型變電站的二次設備狀態監測是一個較寬的概念，涵蓋的內容較寬泛。需要指出的是，針對網路交換機的狀態監測目前還處於探索實驗階段，各廠家生產的智慧型變電站專用交換機的設計理念不盡相同，也尚無相關標準對此進行標準化。

系統構成

智慧型變電站技術導則給出了智慧型變電站的如下定義:採用先進、可靠、集成、低碳、環保的智慧型設備，以全站信息數位化、通信平台網路化、信息共享標準化為基木要求，自動完成信息採集、測量、控制、保護、計量和監測等基木功能，並可根據需要支持電網實時自動控制、智慧型調節、線上分析決策、協同互動等高級功能的變電站。

智慧型變電站系統可分為站控層、間隔層和過程層，由站級匯流排和過程匯流排完成各層的信息互動，各層之間的聯繫均可採用光纜，或過程層採用光纜，站級匯流排採用電纜。導則強調對智慧型變電站高級套用功能的研究，強調互動，雙網雙保護的智慧型變電站分層結構如圖1所示。

圖1智慧型變電站分層結構圖

站控層

站控層包括自動化系統、站域系統、通信系統和對時系統等設備。站控層實現而向全站或一個以上的一次設備的測量和控制功能，完成數據採集和監視控制、操作閉鎖以及同步相量採集、電能量採集、保護信息管理等相關功能。

間隔層

間隔層設備一般指繼電保護裝置、測控裝置和故障錄波等二次設備，實現使用一個間隔的數據並且作用於該間隔一次設備的功能。間隔層通過光纖與過程層通信。

過程層

過程層包含由一次設備和智慧型組件構成的智慧型設備、合併單元和智慧型終端，完成變電站電能分配、變換、傳輸及其測量、控制、保護、計量、狀態監測等相關功能。一次設備智慧型化的發展和非常規互感器的套用滿足間隔層與過程層之間信息通信光纖化、信息共享標準化的要求。就非常規電流互感器來講，基於F araday電磁感應原理的羅科夫斯電子互感器和基於F araday磁旋光效應的磁光玻璃電子互感器或全光纖電子式互感器在電力系統中的套用帶來變電站技術形態的變革。電子互感器測量範圍寬，精度高，因沒鐵心，無磁飽和現象，二次電流不會發生畸變;由於光纖數位訊號輸出和信息共享技術，不再有常規CT二次負載的擔憂;電子互感器也不像常規CT那樣需要多個次級線圈，體積小，重量輕，絕緣可靠。

數位化保護

整體構架

智慧型變電站的集中式數位化保護裝置遵循IEC61850標準，基於過程匯流排和強大的軟硬體平台，將目前變電站內多台間隔層IED的功能集中在一台IED上完成，採用一台IED來實現原來需要按間隔配置的多台IED實現的功能。原來每個IED被抽象成為一個邏輯上實現保護、測控功能的單元，簡稱邏輯設備(LD)，每個LD保持功能上的相對獨立性並通過統一的通信接口與其他設備進行互動。

示例

以線路間隔為例說明集中式數位化保護裝置的模型。由一台集成一體化保護測控裝置實現若干條線路的保護測控功能，其中每個CPU實現一個間隔的保護測控功能，各個間隔之間沒有數據通信，互相不影響。採用集成一體化保護測控裝置方案，可以大量節省裝置、屏體數量，並可節約占地面積。

高壓線路集成一體化保護

設備狀態監測

智慧型變電站中基於微電子、計算機技術、網路技術的繼電保護設備其強大的“自檢”能力為狀態檢修技術的實現提供了良好的基礎。智慧型變電站的繼電保護裝置二次電流、二次電壓輸入的方式不同於常規變電站，取而代之的是光纖乙太網傳輸的數字採樣值報文的輸入;保護動作出口不再是跳閘、重合閘接點，而是光纖乙太網傳輸的GOOSE開關量信息。因此，二次設備的狀態監測不同於一次設備，一次設備狀態監測一般都需要安裝另外的監測設備，對主設備進行監測;而二次設備由於繼電保護及安全自動裝置一般都具有線上自檢功能及通訊功能，再加上考慮到二次迴路的負載及安全性等因素，一般不另外附加監測設備，屬於嵌入式狀態監測。利用裝置木身自檢及裝置之間的互相監測來實現線上監測。因此，建立變電站二次設備線上監測系統，必須著手開發具備全而監測狀態信息的全新的保護、自動裝置及其他智慧型設備。

目前智慧型變電站繼電保護裝置需要監測的主要對象如圖2所示，包括：

(1)裝置的電流、電壓等SV通道的狀態。

(2)裝置的遙信、遙控等GOOSE通道的狀態。

(3)裝置直流逆變電源的狀態。

(4)裝置木身自檢如:FLASH擦寫次數統計、扇區健康狀況監測、RAM是否出錯、看門狗是否動作、裝置的重啟次數等。

圖2二次設備監測對象

智慧型變電站採用的數位化保護測控裝置使二次設備的狀態監測更為全面、可靠。與常規變電站相比，智慧型變電站的二次設備狀態監測有著明顯的優勢。

分散式數位化保護裝置的狀態監測

在智慧型變電站，IEC 61850標準為我們提供了數位化變電站的通信框架，由於採用電子式互感器ECT, EVT，一次的模擬信號轉換為數位訊號，傳送到保護裝置的是經過合併器加工的符合IEC61850標準的以光纖為媒介的數位訊號;保護動作後輸出的不再是跳合閘接點，而是光纖乙太網傳輸的GOOSE信息，基於此標準實現繼電保護狀態監測則變得較為容易實現。

分散式保護裝置實現單台IED的功能，以間隔為單位，不同的間隔配置獨立的繼電保護裝置和過程層接口，重要間隔按雙重化配置，如主變間隔、220kV級以上線路、母線間隔等。

之所以說數位化保護裝置的狀態監測更為容易實現，是因為電子式互感器的套用，進入保護裝置的是光數位訊號，二次電流、電壓輸入、AD採樣不復存在，對數字採樣部分實現狀態監測更加容易。裝置本身可以對接收的SMV採樣值報文進行監視，如有接收中斷、丟數據幀、接收數據幀CRC不正確等現象，立即告警SMV採樣異常即可。

數位化智慧型開關的使用，使二次控制系統的操作迴路通過軟體編程的方式實現智慧型化，本身具備線上監測功能，繼電保護狀態監測不存在常規變電站操作迴路無法線上監測的瓶頸問題。

保護的投退用軟壓板控制，不存在常規變電站連線片(壓板)狀態監測的困難。

大量光纖取代銅纜，也不再需要迴路絕緣狀況監測(直流迴路除外)。

強大的乙太網通信技術的套用，使數位化變電站繼電保護設備的狀態檢修網路靈活、強壯、可靠性高。

集中式數位化保護裝置的狀態監測

集中式數位化保護裝置可實現多台IED的功能，包括了若干條線路的保護測控功能，為了增加可靠性和維護方便性，即使低電壓等級，集中式保護一般按雙套保護配置。相對分散式保護裝置狀態監測的技術實現，集中式數位化保護裝置的套用，使得整個變電站的監測對象大大減少，而且狀態監測實現也相對簡單。

不但雙套保護配置為實現了裝置自身的自檢和裝置之間的互檢提供便利，而且集中式保護把原來分散式裝置抽象為一個個LD，因此原來每台分散式裝置所包含的電源監測功能、裝置自檢功能、軟壓板監測功能都集中到了一台IED中，這樣不但減少了監測對象，也方便了檢修人員的檢修維護工作，大大減少了工作量。例如，相對於按間隔配置的保護，基於結構最佳化的集中式保護裝置結構更為緊湊，電源數量極大減少，這使得二次設備監測的重點之電源監測的實現更為方便。

結語

二次設備的狀態檢修是變電站綜合自動化技術發展的必然結果，二次裝置的狀態監測將有助於對設備的運行情況、缺陷故障情況、歷次檢修試驗記錄等實現有效的管理和信息共享，並為設備運行狀況的分析提供了可靠的信息基礎，將有助於合理地制定設備的檢修策略，提高保護裝置的用率，為電網的安全運行提供堅實的基礎。

智慧型變電站的全站信息數位化、通信平台網路化、信息共享標準化為二次設備狀態監測技術的發展和套用提供了有力條件，特別是集中式數位化保護裝置的套用，減少了繼電保護二次設備的數量，最佳化了二次設備的結構，對繼電保護二次設備監測實現更為有利。

目前，針對二次設備的工作狀態和網路通信狀態的建模的研究正處於發展階段，尤其是IEC 61850標準並沒有對在智慧型變電站網路中扮演重要角色的交換機等網路設備進行建模，使得目前的二次設狀態監測還難以做到完善，相應的故障診斷工作也難以將交換機和網路拓撲納入考慮範疇之內。值得注意的是，目前已有部分繼電保護廠商開始研發和生產智慧型變電站專用交換機，能夠採集交換機的狀態信息，如交換機連線埠流量、連線埠接收光強、傳送光強、工作溫度等數據，並對交換機的狀態進行綜合評價。這將對二次設備狀態監測產生積極意義，但專用交換機的相關標準也還需要跟進和完善。同時，也應繼續探索如何對目前站內普遍使用的通用交換機進行建模以及網路拓撲的描述。

對於狀態數據的分析和處理，目前在二次設備狀態監測的實際現場套用中多採用配置冗餘設備對同一指標進行比較的方法來判斷設備是否故障;或是通過網路分析儀檢查報文的連續性、合法性進而判斷變電站網路是否正常。上述方法通常只能發現站記憶體在的問題和異常，難以分析故障的原因，也對現場運維人員的消缺工作造成障礙。而對告警報文的分級、智慧型處理以及後續的故障診斷和故障預警目前還多處於研究和實驗階段，在變電站中鮮有實際套用。因此，如何運用各種故障診斷和故障預警的理論方法進行產品和軟體系統的開發，並在智慧型變電站中進行實際套用也具有重大的研究價值。

另一方面，隨著大數據以及雲計算的興起，未來可考慮在變電站或調度中心建設雲平台以提高狀態監測以及其他系統的分析處理能力。此外，智慧型變電站網路報文數據量大，目前的處理手段通常只取故障時刻前後的報文來進行分析，丟棄了大量可能存在利用價值的報文。而數據流挖掘正是一種從海量只能讀取有限次數或對處理時間有限制的數據中獲取有用信息的方法，十分適合於變電站網路報文的分析處理。未來，隨著雲平台的建設和數據流挖掘的引入，將可構建一、二次聯合狀態監測系統以及後續在其基礎之上的故障診斷系統、故障預警系統、狀態檢修決策支持系統等高級套用。