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摘要：为了提高智能变电站继电保护装置相关二次回路的可靠性，提出一种基于多参信息量的继电保护二次回路在线监测及故障诊断方法。文章对目前智能变电站存在的无法进行有效在线监测与故障诊断的问题,结合当前智能站的二次设备情况，通过优化与改善现有的网分装置的功能，提出了一种用于智能站的二次系统故障诊断分析方法，并根据智能变电站自身所特有的特征，以提高智能变电站故障诊断系统的适用性、容错性为目标，提出了智能变电站继电保护在线监测与故障诊断方法。
关键词：二次回路；在线监测；故障诊断；继电保护；分析预警
1二次回路在线监测与故障诊断系统架构
智能变电站中，实现二次回路的在线监测与故障诊断的关键在于信息的获取及综合分析。其系统架构图如图1所示。
图1系统架构
整个系统由主站系统与站端装置两部分组成，主站系统部署在省调调度端，考虑到现有的智能变电站架构的基础上不增加设备并且实现起来方便，站端利用网络报文记录分析装置作为数据采集源端。对于新建的智能站，则直接将保护在线监测与诊断装置作为数据采集源端，数据经I区的网关机由D5000平台传送至II区。
站端的装置负责信息的采集、配置、预整理及过滤。在通信网络出现异常时，装置快速诊断、收集相关的异常信息，以文件的形式上送给调度端的主站系统，主站系统负责收集站端装置上送的各种异常信息，进行综合诊断，并于界面进行显示。
2在线监测信息分析
二次设备运行状态信息包含装置的SV/GOOSE/MMS链路异常信号和装置的自检信息。根据二次回路在线监测与故障诊断的需求，针对智能变电站内不同类型智能二次设备的特点，将在线监测的信息分为装置的运行状态信息、告警信号信息、保护动作信息等。
1)装置的运行状态信息
装置的运行状态信息包含装置的软硬件自检信息、采样值、开关量信息。其中软硬件自检信息包含有装置的运行温度，通道光强，电源电压信息。采样值和开关量信息包含各支路电流、差动电流以及重要的开入量状态。对此类信息长期进行监视统计，为状态检修提供基础数据和检修依据。
2)告警信息
告警信息包含采样值、开关量异常告警及装置异常告警。其中采样值异常告警包括CT/PT断线、SV品质异常、SV链路中断、SV检修状态不一致。开入量异常告警包含开入量异常、GOOSE链路中断、GOOSE检修不一致。装置异常告警包含失电告警、闭锁。在二次回路出现此类重要告警时，快速进行故障诊断和状态评估,采取“异常后快速定位，异常前状态评估”的策略。为运检人员提供有效指导，提高智能站维护便利性。
3)保护动作
保护动作信息包含保护动作信号(保护启动、保护动作元件)和动作出口信号(出口相别，整组动作时间)。
4)SV/GOOSE运行状态信息
SV/GOOSE的运行状态信息指的是报文状态以及格式异常信息。SV报文状态包含幅值精度、相位精度、双AD一致性、报文等间隔性、检修状态、同步状态、数据有效性、同步信号丢失。报文格式异常指的是由于设备故障导致的SV/GOOSE报文残缺、过长、乱码等报文帧格式错误。
3信息采集方案
由于在线监测信息由网络报文记录分析装置采集，考虑到过程层和站控层间的网络报文数据量巨大，存在大量的冗余与非重要的信息，对调度数据网造成很大的压力。为实现快速有效的在线监测与故障诊断，站端装置采集到数据后需要进行数据的关联、过滤以及筛选。
根据系统以及研究需求，将在线监测信息分为稳态、暂态以及状态文件，其中暂态文件指的是当链路中出现重要告警(如回路断链等)时，由装置将该时刻APPID对应的所有链路信息进行整理生成的文件。稳态文件则是记录长时间监测信息(如温度、光强、电压电流等)文件，状态文件为监测链路实时通断状态的文件。
实际应用过程中，网络报文记录分析装置按照一定的时间间隔定时上送状态文件和稳态文件，当站控层中有重要告警数据、变化量超过5%或分析状态有改变时主动上送暂态文件。主站端实时查询上送的数据与各二次设备的对应状况。如图2所示。
图2装置上送告警机制
二次回路在线监测与故障诊断系统存储站端上送的信息，并进行实时诊断分析，同时统计分析状态信息的长期变化规律，并结合装置异常时的状态特征，评估健康状况，做出诊断决策。
4在线监测与故障诊断原理
4.1SV/GOOSE链路诊断原理
对于过程层GOOSE、SV信号，当接收端设备在一定时间内没有收到有效的GOOSE、SV信息时，会产生相应的告警。例如：当继电保护装置SV链路异常时，继电保护装置无法获取正常的接收数据，会通过站控层MMS上送相应的链路断线告警报文，网络报文记录分析装置可获取这些告警报文。针对网采、网跳回路，由于各装置之间具有统一的系统观测源，可通过对比发送方与多个接受方之间链路的状态进行监测，根据各装置上送的链路告警报文即可以定位到相应的链路异常。
针对直采回路，其与网采的SV端口不同，无法进行链路对比监视，因此难以准确定位到具体的故障点，但可以通过预先配置，列举所有可能故障点，同时综合其他二次设备的网采回路情况，给出各种故障点的概率，直跳回路由于无法获取其相关的对比信息，只能由继电保护装置上送的告警进行故障定位。其诊断策略如图3所示。
图3继电保护SV、GOOSE链路诊断策略
4.2交流回路状态诊断原理
对于二次回路交流量的在线监测，可利用网络报文记录分析装置和继电保护装置采集的交流量综合判断。智能站普遍采用双AD采样，并配备了双重化的保护,通过对比继电保护装置通过MMS上送的双AD采样值和两套保护的采样值，如果它们之间的相对误差在阈值范围之内且继电保护装置无采样不一致的告警，则认为双AD采样一致或者两台保护的交流二次回路状态处于正常状态；如果相对误差超出阈值，同时继电保护装置未发出采样不一致的告警，则判断至少有一套继电保护的交流回路出现异常，并给出继电保护装置所对应的异常二次回路。
通过对比网络报文记录分析装置的SV和继电保护装置MMS上送的采样值，如果两者最大误差在阈值范围之内，并且网络报文记录分析装置和继电保护装置无SV断链告警，则认为SV二次采样回路处于正常状态；当继电保护装置采样回路正常时，但网分装置和保护装置之间的采样值误差超过阈值时，则判断网络报文记录分析装置的交流采样回路出现异常，并给出网络报文记录分析装置所对应的异常二次回路。交流回路状态策略如图4所示。
图4交流回路状态策略
4.3保护动作诊断原理
4.3.1双重化配置保护装置
通过检查AB套保护装置的动作行为一致性诊断继电保护装置动作行为的正确性及时间特性。检查内容为动作元件及出口时间，根据GOOSE中的开关量的时间计算出口时间差，保护中的动作元件对比，综合分析保护动作的正确性。如图5所示。
图5保护动作信息诊断策略
4.3.2单重化配置保护装置
对单重化配置的保护装置，通过与网络报文记录分析装置的模拟量对比进行交流回路的状态监测，通过与测控装置的位置信号对比进行开关量回路的状态监测。同时，将模拟量的变化与单重化保护的动作逻辑相结合，综合分析保护动作的正确性。如图6所示。
图6单重化保护信息诊断策略
5网络信息异常状态及预警策略
智能变电站中，SCD文件描述了所有二次设备发布的SV、GOOSE数据集，并通过定义二次设备各功能逻辑设备下逻辑节点LN0所属的inputs元素来描述各二次设备实现各功能所需的采样或信号输入，通过外部接入数据对象参引和内部数据对象属性之间的映射关系实现外部信号的输入。通过遍历IED过程层的ConnectedAP元素获得IED名称、访问点名称、物理端口号和端口所连接光纤标识，遍历IED过程层的Inputs元素获得虚端子连线，构成虚回路。
根据SCD文件解析出的IED设备序号，构成二次设备集合，可记为X。
式中，x1,x2,•••xn表示IED设备。
将各IED根据Inputs元素形成的虚接线，构成虚接线集合，可记为Y。
式中：g1(x1,x2)表示t1时刻相对应的IED的虚端子链路通信状态，当前没有断链告警上送，表示通信状态正常，置为0；有断链告警时，通信状态异常，置为1；空表示无意义，不参与链路诊断。
因此，根据网络报文记录分析装置上送的状态文件，可获取各IED之间虚回路的状态，借助正常通信链路来排除对应通道节点发生故障的可能性，缩小故障定位的范围。根据上述形成虚回路集合，记为：
根据二次设备之间相关性来确定各链路之间的与或非关系，如图3所示，形成链路通断诊断表，记为K：
因此，通过K值可计算出故障最可能的故障节点。
考虑到按照固定时间△t上送状态可能导致部分链路的信息缺失，同时由于装置本身采集的问题可能导致信息上送错误或者延迟上送，诊断引入容错机制，取T0时间段上送的信息进行综合取值。其中T0=△t•N；N为可设置的整定值。故障节点的可能性EH如下式所示。
以典型的合并单元、继电保护、网络报文记录分析装置、测控、智能终端所组成的虚端子图为例，假设站控层收到一条来源于继电保护告警信息为“某线路合并SV_A网链路出错”、其他装置均未产生告警。
由上述结构，可根据二次设备生成5个各虚端子图以及故障节点组合，如表1所示。
表1虚回路集合
表1中，X1~X5分别对应合并单元、测控装置、继电保护装置、网络报文记录分析装置、智能终端的虚端子图集合。A~D分别对应合并单元出口A、继电保护接收端B、测控装置接收端C、网分接收端D、智能终端出口E的故障点集合。诊断结果如表2所示。
表2诊断结果
结果显示，EH={0,3,1,1,0}；在通过对多回路综合取值后，可知故障点B处的可能性最大，而B点故障点为保护接收端故障。
5结论
针对目前智能变电站存在的无法进行有效在线监测与故障诊断的问题,结合当前智能站的二次设备情况，通过优化与改善现有的网分装置的功能，提出了一种用于智能站的二次系统故障诊断分析方法，并根据智能变电站自身所特有的特征，以提高智能变电站故障诊断系统的适用性、容错性为目标，提出了智能变电站继电保护在线监测与故障诊断方法。
通过对智能电站内的网分装置功能的提升，实现基于通信网络监控装置报文监视告警信息上送，进而推断在通信网络及网分告警信息缺失情况下，可通过其他相关告警信息进行准确的故障诊断，同时推断缺失的告警信息,辅助校验诊断结果准确性。
本项目对网分装置进行功能提升，通过将告警进行梳理与筛选并上送至调度端进行综合分析，可有效实现全网继电保护设备在线监测与故障诊断分析。
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论文作者:孙奇
论文发表刊物:《电力设备》2018年第25期
论文发表时间:2019/1/10
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