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智能變電站二次回路在線監測與故障快速定位的

文章來源:穩壓電源公司,時間:2019-10-09 09:40    點擊量:

在智能變電站中,光纖取代了傳統變電站中的電纜,通過網絡通信實現各物理設備之間的信息交互,傳統檢修方法已經不再適用。
 
為了提高智能變電站繼電保護裝置相關的二次回路的可靠性以及運維人員的工作效率,本文提出一種基于在線監測數據分析的智能變電站二次回路故障定位方法。通過對變電站中SV、GOOSE、MMS報文的監測與分析,實現二次回路中故障的快速定位,從而快速消除故障,提高運維效率。
 
在智能變電站中,傳統變電站設備間的電纜已經由光纖取代,傳統的二次回路已經由通信網絡取代,光數字信號取代了傳統的電氣信號,實現了二次設備的網絡化。這種變化導致裝置間的連接不再直觀,大量端子間一對一的連接匯總于同一根光纖中,簡單直觀的電氣信號已不復存在,通信網絡中存在大量且復雜的數據報文,使熟悉傳統回路的運維檢修人員在查找故障時無從下手。
 
將在智能變電站二次設備之間采用的傳輸效率更高的光纖連接與電纜相比,光纖傳輸信號能夠更容易實現在線監測,這為智能變電站二次回路在線監測與故障定位提供了良好的基礎,而智能變電站信息高度集成也使得故障檢修變得極為復雜?;诖?,本文提出了智能變電站二次回路在線監測與故障診斷的方法。
 
1  當前智能變電站的運維現狀和問題
 
當前,對智能變電站二次回路的檢修主要依賴運維人員的定期檢修,智能化的優勢并沒有得到很好體現。定期檢修采取的是單純按照時間間隔進行維修的方式,不考慮設備的實際運行情況,而是對所有設備進行全面的檢修。這種方式不僅浪費了大量的人力、物力和財力,而且縮短了設備的有效使用時間,同時也增加了設備出現維修故障的風險。這種檢修方式對于兩次定檢之間的設備故障無法及時發現,容易造成事故。
 
當智能變電站某處設備發生故障時,設備會產生大量的告警信息,運維人員面對故障產生的大量數據報文,很難迅速定位故障的準確位置,通常只能按照運維人員的經驗進行逐一排查,工作量大,而且對于運維人員的綜合分析能力有著很高的要求。
 
以智能變電站中某一個SV或者GOOSE鏈路中斷為例,首先需要人工確定和核實中斷鏈路的發送方和接收方。一般220kV智能變電站的智能設備數量在100臺以上,110kV智能變電站智能設備數量在40臺以上。
 
通常情況是發現某個保護設備異常,無法收到某個SV或者GOOSE報文,然后通過查看比對變電站配置描述(substation configuration description, SCD)文件找到與其關聯的設備以及相關的控制塊引用名(GoCBRef)、GOOSE應用標識(Appid)等相關信息,再通過抓取過程層報文進行人工分析來確認問題是否真的存在,然后一步步查找問題。若還要確認相關物理鏈路是否存在故障,則需要通過光功率計對物理鏈路進行逐一排查。
 
智能變電站二次設備間存在大量SV、GOOSE報文交互,依靠運維人員來完成大量報文的排查,不僅效率低,而且準確性也無法保證,對于某些較為復雜的故障或者偶發性無規律的故障,通過人工排查定位故障點更加困難。
 
2  二次回路在線監測與故障定位系統架構
 
在智能變電站中實現二次回路在線監測和故障定位,主要依賴于對網絡中的大量數據報文進行獲取并綜合分析。智能變電站二次回路在線監測與故障定位系統架構如圖1所示。
 
智能變電站二次回路在線監測與故障快速定位的創新方法
圖1  智能變電站二次回路在線監測與故障定位系統架構
 
整個系統結構包括智能變電站的過程層、間隔層和站控層設備,其中虛線框中是二次回路在線監測與故障定位系統的主要組成部分。系統分為數據管理單元和數據采集單元兩部分,數據管理單元和數據采集單元都部署在變電站的二區網絡中。
 
對于網采網跳模式,保護設備、智能終端和數據采集單元均從過程層網絡獲取SV、GOOSE數據;對于點對點模式,保護設備和數據采集單元直連CT獲取模擬量數據,智能終端直連保護設備獲取GOOSE跳閘信號。
 
數據管理單元通過獲取站控層A、B網中的制造報文規范(manufacturing message specification, MMS)數據和數據采集單元的數據得到整個站的運行數據,通過對全站的數據進行監視和分析得到全站設備的運行狀況,當出現故障時,能夠準確地定位故障點及獲取相關參數,從而實現快速故障定位。
 
3  二次回路在線監測的數據采集
 
二次回路在線監測與故障定位系統所需的數據,由數據采集單元和數據管理單元從智能變電站站控層網絡和過程層網絡獲取,無論對于組網模式還是點對點模式,智能變電站的網絡報文數量都較為龐大,存在大量的冗余數據和非重要的數據,對數據分析產生較大壓力,所以需要對數據進行篩選和過濾。
 
實現二次回路在線監測需要采集設備的保護運行狀態信息、告警信息、保護動作信息、SV/GOOSE鏈路狀態信息:保護運行狀態信息包括裝置自身軟硬件的狀態信息、壓板、開關量、裝置溫度、光口光強、電源電壓信息、裝置的采樣值信息;告警信息包括采樣值、開關量等異常告警以及裝置自身的異常告警;保護動作信息包括保護自身的動作信號和動作出口信號;SV/GOOSE鏈路狀態信息包括各個設備接收報文的狀態信息以及報文格式異常信息。
 
上述信息包括站控層的MMS數據和過程層的SV/GOOSE數據,站控層的MMS數據可以由數據管理單元通過MMS來直接獲取,或者通過訂閱和周期性上送來接收保護設備發送的MMS報文數據。過程層的SV/GOOSE信息數據量龐大,但可直接應用于二次回路狀態監測的數據較少,所以由數據采集單元實時監控過程層網絡中的SV、GOOSE報文并記錄,當數據管理單元需要時,直接從數據采集單元獲取。
 
4  二次回路的可視化顯示
 
隨著智能變電站技術的發展,智能變電站中的所有IED設備按照IEC 61850標準建模,智能變電站的全站配置信息集成在全站系統配置文件SCD中。SCD中的二次回路信息包含GOOSE、SV發布/訂閱的控制塊配置、DO的內部短地址、物理端口描述、虛端子循環冗余校驗(cyclic redundancy check, CRC)及版本信息等。
 
為了實現智能變電站二次回路可視化,需要將SCD中智能二次設備組成的過程層網絡剝離開來[10],獲取過程層網絡虛端子連接信息和物理光纖連接信息,然后使用建模圖元在軟件界面上顯示。借助二次回路可視化,可以快速在可視化界面上定位故障位置,從而直接找到實際的故障位置。
 
二次回路可視化主要包括以下兩個部分。
 
1)二次回路可視化第一部分:以圖形元素建模IED以及二次回路中虛端子和物理光纖連接。
 
(1)IED圖形元素建模。將IED設備自身的各種狀態(如壓板、開關量、采集量、面板燈狀態等數據)以圖形化元素在軟件界面上虛擬出來,得到裝置運行狀態顯示界面,通過裝置運行狀態界面可以實時監控裝置的各項運行參數,如圖2所示。
 
智能變電站二次回路在線監測與故障快速定位的創新方法
圖2  裝置運行狀態界面 
 
(2)虛端子和物理光纖連接圖形建模。根據SCD中過程層網絡數據和變電站現場光纖的連接狀況,對二次回路中的虛端子連接信息和物理連接信息進行建模,通過圖形化建模以虛擬的線路來圖形化顯示設備之間的虛端子連接和物理連接,得到全站的物理連接圖和虛實回路圖,分別如圖3和圖4所示。
 
物理連接圖中每一根圖形化線路代表實際現場中的一根光纖,從圖中可以清楚看到全站的光纖連接狀況,同時可以顯示光纖中傳輸的報文收發情況,以及光纖發送端、接收端光口光強信息。虛實回路圖中每一根線路代表一組虛端子連接,運維人員從圖中可以清楚看到全站設備之間發送的數據報文具體信息的走向。
 
智能變電站二次回路在線監測與故障快速定位的創新方法
圖3  全站物理連接圖
 
智能變電站二次回路在線監測與故障快速定位的創新方法
圖4  全站虛實回路圖 
 
2)二次回路可視化第二部分:將二次回路可視化界面中的動態圖元與對應的站控層MMS告警信號關聯起來。
 
二次回路可視化界面中所有動態圖元都被關聯到實際對應的MMS報文信號,通過訂閱獲取和周期性上送的MMS報文來獲取圖元的當前狀態,從而動態地顯示該圖元,使運維人員能夠清楚地觀察到二次回路的實時變化狀態。當設備出現故障時,大量看不見摸不著的報文數據就會轉化成動態可見的圖形顯示出來,運維人員可以根據圖形化界面輕松找到故障的位置。
 
5  二次回路的故障定位
 
5.1  SV/GOOSE鏈路故障定位
 
二次設備經過一段時間的運行后,由于故障、維修、設備老化等原因,導致二次設備的運行狀態相對于設備剛投運時的狀態有所下滑[11]。二次回路中大多數故障出現在過程層中,過程層中的SV/GOOSE報文產生的告警經常是由于某個IED設備在某個時間段內沒有收到有效的SV、GOOSE報文而產生相應的MMS告警。
 
例如:當某個IED設備GOOSE鏈路斷鏈時,該IED設備無法接收到相應的GOOSE報文,就會通過站控層的MMS報文上送相應的鏈路斷鏈告警報文,于是,數據管理單元通過訂閱MMS報文獲取到SV、GOOSE鏈路的異常數據。
 
數據管理單元在接收到該GOOSE斷鏈的報文后,進行數據分析,根據基本信息定位是哪個IED發出的鏈路異常告警,再根據可視化中動態圖元與MMS告警信號的關聯關系,找到該報文對應的具體虛擬光纖線路圖元,通過標紅以及打叉的方式將該線路以及線路中異常數據走向表示出來,如圖5所示,這樣就可以得到一個基本的故障區域。
 
圖5中標紅以及打叉顯示的是某兩個IED之間的某根光纖連接存在異常,可能是物理斷鏈,也可能是該光纖中傳輸的某個數據報文異常而導致的邏輯斷鏈。點擊異常光纖可查看該光纖的詳細數據,包括光纖中傳輸的所有數據報文的通信狀態,如圖6所示,根據此信息可定位該光纖中具體邏輯鏈路異常的位置,再根據此邏輯鏈路異常信息定位具體設備。
 
在圖5中點擊光口,可以查看具體的光口信息,包括當前光口光強以及光口光強的告警信息,如圖7所示。根據此信息可以判斷此光纖是否存在物理斷鏈,在對存在問題的物理設備進行更換后,即可消除告警。
 
智能變電站二次回路在線監測與故障快速定位的創新方法
圖5  間隔光纖鏈路監測
 
智能變電站二次回路在線監測與故障快速定位的創新方法
圖6  光纖異常信息
 
智能變電站二次回路在線監測與故障快速定位的創新方法
圖7  光口信息
 
當二次回路中出現SV/GOOSE鏈路異常時,數據管理單元對保護設備發出的斷鏈告警MMS報文信息進行分析,將現場實際鏈路狀況以動態圖形化界面顯示在運維人員面前,運維人員可通過可視化光纖連接圖快速定位。
 
5.2  二次回路設備板卡的故障定位
 
將智能變電站中每個IED設備的板卡面板進行圖形建模,然后根據變電站現場設備的實際情況,通過圖形化方式將每一個IED設備板卡面板清晰地顯示在可視化界面中,包括板卡面板中的每一個插件和端口。
 
將每個插件和端口圖元關聯到對應的MMS故障信號,數據管理單元訂閱這些MMS報文,當背板中的端口或插件出現故障時,IED設備就會發出故障MMS報文,數據管理單元收到這些MMS報文后定位具體設備的端口和插件,將該板卡標紅顯示,并根據故障類型給出具體處理建議,如圖8所示。
 
智能變電站二次回路在線監測與故障快速定位的創新方法
圖8  二次回路設備板卡的故障定位
 
當設備長時間運行出現物理性損壞時,運維人員可通過可視化界面直觀查看故障位置及故障類型,從而快速定位故障,消除故障。
 
總結
智能變電站的全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為二次設備狀態監測技術的發展和應用提供了有力條件,通過對二次回路的圖形建模,將復雜的二次回路以圖形化的方式展示,極大地方便了運維人員對于全站設備運行狀態的檢測。
 
通過將可視化界面中的圖元和智能變電站網絡中的報文信號關聯起來,使可視化界面能夠動態地顯示二次回路中各個設備的狀態,將原本復雜的網絡報文清晰有條理地展現出來,當出現告警故障時,運維人員就能夠快速定位故障位置,達到快速消除故障的目的。

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