在智能变电站条件下继电保护及监控系统研究
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【摘 要】本文分析了智能变电站条件下继电保护与监控系统的特点及必须解决的几个关键问题，介绍了智能变电站的网络通信系统、可靠性措施和构建流程，展望了智能变电站保护与监控系统未来的发展趋势。
【关键词】智能变电站；继电保护；监控系统
一、引言
在智能变电站条件下，作为变电站重要组成部分的继电保护与监控系统，其结构和实现方式也发生了历史性的变革[1]。本文对智能变电站条件下继电保护与监控系统的结构特点、要解决的关键技术及智能变电站的网络通信系统、可靠性措施、构建流程等进行了综述，展望了智能变电站的保护与监控系统未来发展方向。
二、智能变电站保护与监控的结构特点
（一）智能变电站继电保护的结构特点
常规变电站在保护装置里实现电流电压、开关状态的采集及跳闸信号的出口，跳合闸回路由位于间隔层的操作箱、敷设于电缆沟的二次电缆和位于开关场的断路器控制箱共同构成。智能变电站将信号采集功能和跳合闸回路都集中到智能化的一次设备里实现，保护装置则通过光纤通信获取信息、发出跳令[2]。
（二）智能变电站监控系统的结构特点
常规变电站通过二次电缆实现一次、二次设备间的联系，智能变电站则通过光纤通信实现过程层智能化一次设备和间隔层二次设备间的联系。
三、智能变电站保护与监控系统需的几个关键问题
（一）不同厂家设备的互联、互操作、互替换问题
由于所有的保护、监控功能都借助于网络通信来实现，因此，通过网络共享的全站信息都必须标准化，使不同厂家提供的设备间能够实现互联、互操作和互替换。IEC61850 标准为上述要求的实现提供了技术保障，它不仅在通信层面解决了不同厂家设备间的互联、互操作、互替换问题，而且还对智能变电站的建设和设备研发提出了完整的技术规范。因此，IEC 61850标准是智能变电站技术的基础，也是智能变电站建设的指导性文件[3]。
（二）智能组件与保护、测控装置之间的高速通信同步问题
微机保护装置在动作时，首先向出口继电器控制电路发跳闸脉冲，经过3～5ms延时后出口继电器闭合，跳闸命令出口。把保护装置的出口环节移至智能终端后，保护装置的跳令必须保证在1ms内安全可靠地送达智能终端。另外，微机保护装置对开关状态也是0.833ms采样一次并即采即用，这也就意味着保护装置内部开关量的刷新周期为0.833ms。把保护装置的状态量采样环节移至智能终端后，要保证开关设备的任何状态变位也必须在0.833ms内可靠送达保护装置[4]。
（三）智能组件的可靠性问题
由于智能组件要安装在一次设备附近，高频电磁干扰非常严重，工作环境比较恶劣，高低温落差很大，空气中的湿度变化也很大，这些因素都会影响到智能组件的稳定、可靠运行。因此，在设计智能组件时必须把其能长期在恶劣环境下稳定可靠工作作为一项重要指标来考虑。
四、智能变电站继电保护与监控的可靠性措施
（一）高效、可靠的GOOSE信息发送机制
IEC61850采用发布/订阅机制向接收设备分发GOOSE信息报文，为了实现GOOSE报文的实时传输，该机制设计了报文带优先级标签的无连接模式，并绕开了以太网的TCP层和IP层直接通过数据链路层和物理层进行数据收发。网络交换机收到带优先级标签的报文时，将优先转发以缩短转发延时。无连接模式可以省去来回确认的麻烦以提高发送效率，一帧报文放到网上所有订阅者都能收到。支持IEEE802.1P协议的第二层交换机能够实现高优先级报文优先传递的功能。
为了保证GOOSE 信息发送的可靠性。当一个事件发生时，GOOSE立即用广播方式发送一遍该信息，之后以时间间隔T1将该信息连续发送两遍，以后再以时间间隔T2发第三遍，以时间间隔T3发第四遍，如此一直持续下去。当时间间隔Ti≥T0 时就改用稳定的时间间隔T0进行持续循环发送，直到下次事件的发生。时间间隔Ti =2i×S，S=1ms（可根据需要调整），T0通常设定为5s（可根据需要调整）。以间隔T0 发送的报文相当于GOOSE发送方的心跳报文，当接收方持续在2T0的时间间隔内没有收到心跳报文时，就发GOOSE中断告警信号。为了区分不同的事件，GOOSE 报文还设置了状态号（stnum）和顺序号（sqnum）两个参数，当新的事件发生时，状态号自动加1、顺序号自动清零，之后状态号保持不变，每重发一次顺序号自动加1。Stnum和sqnum 分别占4个字节，最大值为 4294967295， 计满后自动从0开始。
（二）开关状态变位时接收端的安全确认机制
为了使接收端能够安全可靠地确认开关状态的变位，IEC61850 标准为 GOOSE 数据设计了单帧接收和双帧接收两种机制，对于重要的GOOSE 信息（如跳闸命令）可采用双帧接收机制以确保可靠性。在智能变电站系统中，智能终端通常使用双帧接收机制，在新的事件发生后要收到两帧GOOSE 数据相同的报文才更新数据，保护和测控装置通常使用单帧接收机制， 只要收到变位报文就立刻更新数据。
（三）继电保护应对设备检修的安全性措施
为了便于设备检修，构成智能变电站继电保护系统的继电保护装置、合并单元、智能终端都设有置检修压板，当设备检修时，只要置检修压板置 1，装置发出的SV或GOOSE报文中就带有测试（test）标志， 接收端通过报文的test 标志就可以判断出发送端已处于置检修状态。为了保证检修的设备不影响正常状态设备的运行，提高设备检修的灵活性和可靠性，接收方在处理SV或GOOSE 数据时要根据收、发双方的运行状态分类进行处理，当发送方和接收方置检修状态一致时，接收方对收到的SV 或GOOSE 数据可以进行正常处理， 当发送方和接收方置检修状态不一致时， 接收方对收到的SV或GOOSE 数据只作事件记录和状态显示等另类处理。
（四）SV网和GOOSE网的数据过滤措施
在智能变电站继电保护实施方案中， 跨间隔信号一般都采用SV网或GOOSE 网进行传输。由于SV报文和GOOSE报文都是采取发布/订阅机制传送的，因此如果对网络交换机不作相应处理的话，发送方只要发出SV或GOOSE报文，交换机就会在网上广播该报文，网上所有设备不管它是否需要都能收到，这给不需要该报文的设备增加了沉重的数据接收和处理负担，严重时甚至会引起网卡缓冲区溢出， 丢失有用报文，必须采取过滤措施，让交换机只向需要该报文的设备转发。网络交换机的VLAN隔离和多播过滤就是为满足上述需求而设计的，通过这两项措施可以有效防止SV报文或GOOSE 报文的泛滥，减轻网络负担，从根本上解決无用的SV或GOOSE报文对IED应用程序的影响。
五、智能变电站继电保护与监控系统未来发展
传统的继电保护都是面向间隔进行设计和配置的，每个间隔都要配置一套或多套主后备保护，信息的获取和处理都各自为政，不仅造成了设备的大量重复投资，而且还大大提高了设备的后期运行维护费用。智能变电站实现了全站信息的数字化和信息共享的标准化，为站域保护控制系统的应用提供了基础性支持。智能变电站技术的推广应用给变电站二次系统的安装、调试、维护带来了很大的方便，很多以前必须在现场做的工作都可以改在制造厂内完成，标准配送式智能变电站将是未来的发展方向。
【参考文献】
[1]王丽华，江涛，盛晓红，等.基于IEC61850标准的保护功能建模分析[J]. 电力系统自动化， 2007，31（2）：55-59.
[2]范建忠，马千里.GOOSE通信与应用[J]. 电力系统自动化，2007，31（19）：85-90.