余駿陽,李繼堯,李 輝,宋麟飛,李飛鵬,蔣 枝
(國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司, 四川 成都 610042)
變電站各類保護裝置作為二次系統(tǒng)重要組成部分,在繼電保護功能框架內(nèi)處于核心位置。保護裝置對變壓器、線路、電容電抗等設(shè)備出現(xiàn)故障時采取的措施,能有力確保人身安全威脅快速消除、電網(wǎng)影響范圍得到控制、相關(guān)聯(lián)設(shè)備損失盡可能最小化。以保護裝置為核心構(gòu)成的繼電保護體系是電網(wǎng)穩(wěn)定運行的基石。在高電壓等級的變電網(wǎng)絡(luò)中,脫離保護運行是被嚴格禁止的。這也意味著保護裝置運行狀態(tài)直接與一次設(shè)備能否正常投運存在密切關(guān)聯(lián),如何有效監(jiān)測和處置異常保護裝置極為重要。
隨著保護裝置自身監(jiān)測能力提升,通過采集保護裝置信號判別保護裝置運行狀態(tài)已廣泛應(yīng)用,對采集信號進行挖掘分析能夠有效預警和確認裝置異常程度[1-4]。對監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化研究逐步發(fā)展,其中:通過改進監(jiān)測系統(tǒng)后端界面的友好性可以提升監(jiān)控人員的工作效率[5],也有研究嘗試將具備采集保護裝置信號的站端系統(tǒng)有機結(jié)合,進行廣域監(jiān)測,從而更加有效利用現(xiàn)有站端信息[6];更有一些研究針對智能站網(wǎng)絡(luò)報文多提出了利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或大數(shù)據(jù)方式進行處置的方案[7-8]。但這些研究多忽略了實際中的問題,即現(xiàn)在用來監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)的信息量已經(jīng)從不足向過多跨越,由原有的信號缺乏使運維人員不能發(fā)現(xiàn)保護裝置異常的難點,已經(jīng)轉(zhuǎn)向為信號太多使運維人員無法高效排查實際異常的痛點。
下面討論了當前變電站對保護裝置監(jiān)測的實際現(xiàn)狀,從監(jiān)測設(shè)備主體出發(fā),對監(jiān)測方式、監(jiān)測內(nèi)容等方面展開了分類論述,并結(jié)合運維實際討論了當前設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測存在的不足。針對現(xiàn)有保護狀態(tài)監(jiān)測不足的現(xiàn)狀,試圖從減少重疊、降低負擔、有效分類等關(guān)鍵點出發(fā),提出并討論了幾個保護裝置狀態(tài)監(jiān)測的優(yōu)化方向。對裝置狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)本身異常的及時處置是正確可靠監(jiān)測保護設(shè)備狀態(tài)的基礎(chǔ),為此討論了一套經(jīng)現(xiàn)場驗證有效的排查流程,從有效定位異常、臨時處置和高效報送3個層次提升現(xiàn)場運行維護應(yīng)對二次保護裝置異常的能力。
現(xiàn)有變電站自動化系統(tǒng)已日趨完善,特別對于站端數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(supervisory control and data acquisition,SCADA)系統(tǒng),各后臺廠家在實踐中不斷改進,逐漸形成了一套既符合現(xiàn)有標準,同時也基本滿足變電站實際需求的自動化廠站監(jiān)控平臺,能夠做到站端信息應(yīng)收盡收、應(yīng)顯盡顯。與此同時,以站端通信管理機(或應(yīng)用服務(wù)器)加上主站平臺的前置服務(wù)器構(gòu)成的集中監(jiān)控平臺也同步發(fā)展成熟。上述2套系統(tǒng)的重要功能之一就是對廠站端包括保護裝置在內(nèi)的各類設(shè)備進行監(jiān)控。除此之外,保護信息子站、錄波裝置、網(wǎng)絡(luò)報文分析儀等新輔助設(shè)備也直接或間接對保護裝置工作狀態(tài)進行了有效監(jiān)測。下面將分類對變電站保護裝置監(jiān)測的應(yīng)用特點進行闡述,并結(jié)合運行維護實際,指出其應(yīng)用中存在的缺點。
變電站自動化監(jiān)控系統(tǒng),實際上是SCADA系統(tǒng)應(yīng)用在變電站環(huán)境下一個具體化實例,其基本特點與SCADA系統(tǒng)一致。在對保護裝置進行監(jiān)測方面,站端自動化監(jiān)控系統(tǒng)主要依靠測控裝置和保護裝置自身對保護裝置工作狀態(tài)進行監(jiān)控。具體地說,硬接點信號一般通過測控裝置采集,軟信號通過保護裝置經(jīng)協(xié)議上送。
各類信號中,硬接點信號較少,但部分信號具有唯一性,例如通過電源常閉接點傳遞的電源故障信號,該信號無法通過保護自身發(fā)出。隨著變電站保護裝置的不斷增多,硬信號存在2個主要短板:1)經(jīng)電路傳遞至測控再轉(zhuǎn)換為報文上送的流程,相較于保護裝置直接上送信號報文更為繁瑣,在實際中由于導線松動、測控裝置異常等原因會造成漏報、誤報;2)其唯一性存在爭議,部分信號,例如裝置電源故障亦可以通過間接手段發(fā)現(xiàn)(通信中斷,或無正常心跳報文上送等)。
由于硬信號通常反應(yīng)嚴重問題和總體異常,因而兩者在實際中會給運行維護人員造成誤解,其原因在于監(jiān)控系統(tǒng)未能對軟硬節(jié)點進行明顯區(qū)分。從事序列(sequence of event,SOE)和光字牌中運行維護人員無從分辨其來源,只能通過經(jīng)驗判別。
主站監(jiān)控系統(tǒng)主要通過站端前置機、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、站端遠動通信裝置構(gòu)成,站端遠動通信裝置類同于監(jiān)控系統(tǒng);通過采集測控裝置和保護裝置的遙測信號實現(xiàn)對保護裝置狀態(tài)的監(jiān)測;通過60870-5-104協(xié)議經(jīng)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與主站前置進行通信。主站前置系統(tǒng)采集多個站點信息,顯示異常狀態(tài)并及時發(fā)出報警,告知集中監(jiān)控人員。
由于在實際中遠動通信管理機多采用與后臺監(jiān)控服務(wù)器相同的采集數(shù)據(jù)庫導出得到,且對于新站,更多后臺廠家更將遠動通信應(yīng)用化,運行于服務(wù)器之上,此時遠動應(yīng)用大多與后臺采用完全相同的遙測數(shù)據(jù)庫,僅增加通信點表用于上傳至主站。如此,遠動通信管理機或服務(wù)器與站端監(jiān)控系統(tǒng)的信息來源完全一致。
主站監(jiān)控相對于站端監(jiān)控增加了在主站發(fā)現(xiàn)異常、分析異常、通知站端的這個步驟,而站端收到通知后仍需按照固有步驟處置異常,如圖1所示。由于其采集來源、方式一致,主站監(jiān)控和站端監(jiān)控的重疊性極大,主站監(jiān)控系統(tǒng)存在和站端監(jiān)控同樣的短板,同時還受到主站—站端聯(lián)絡(luò)這一流程不確定性的附加影響。
圖1 主站和站端監(jiān)控異常信息流的傳遞
保護信息子站,顧名思義就是對保護信息設(shè)備信息進行歸納匯總,采集其動作、運行信息[9],同時保護信息子站還在實際應(yīng)用中接入故障錄波裝置等設(shè)備,豐富其信息采集的廣度和深度。
但由于保護信息子站在認知中,僅作為輔助裝置存在,其信息在站端和主站均不受重視,更多作為一種補充性質(zhì)和歷史故障回顧性質(zhì)的設(shè)備存在。同時,考慮保護信息子站在二次網(wǎng)絡(luò)中處于非實時II區(qū),其實時性也無法得到保證。在變電站的實際運維中,運行維護人員甚少關(guān)注保護信息子站的動作信息,僅僅對保信子站設(shè)備本身的狀態(tài)和其與主站鏈路狀態(tài)的異常進行跟蹤和維護,忽略了保護信息裝置采集信息本身的價值。
在前述三大類設(shè)備之外,站端還有部分設(shè)備同樣具有對保護設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)測的功能。例如故障錄波裝置、智能站中普遍配備的網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置等,均可以間接方式反應(yīng)站內(nèi)保護設(shè)備異常情況,即設(shè)備在特定異常時,此類輔助設(shè)備無法正常完成其業(yè)務(wù)交互,從而產(chǎn)生相應(yīng)告警。在這些設(shè)備本體出現(xiàn)異常的同時,部分設(shè)備還會將此類異常作為一個總的異常信息上送至監(jiān)控和遠動系統(tǒng),告知運行維護和監(jiān)控人員。
從總體考察現(xiàn)有保護裝置監(jiān)測的體系,考慮到大部分裝置異常信號來源完全一致(保護裝置自身)的前提下,多個監(jiān)測設(shè)備的存在,在提供更多信號冗余性的同時,也增添了重復性和復雜性,瑜不掩瑕。
隨著變電站少人或無人運行維護體系的不斷推廣,站端保護裝置狀態(tài)監(jiān)測的實際執(zhí)行單一、強度弱。當前,因為人員配置的減少、運行維護工作繁雜、站端監(jiān)控信號過多、異常狀態(tài)信號不明確等原因,保護裝置狀態(tài)監(jiān)測在內(nèi)的站端運行感知已經(jīng)越發(fā)依賴于主站監(jiān)控:在無人站,裝置的異常告知完全依賴于主站通知;有人值守站也由于人員和工作強度因素而更加傾向于由主站監(jiān)控人員通知,而不是通過站端信號分辨是否存在需要處置或進一步驗證的保護裝置異常。順應(yīng)智能化和少人化的要求而導致的異常確認模糊和處置緩慢值得關(guān)注。
由上可知,在實際變電站對繼電保護等保護設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中,無論是監(jiān)測設(shè)備主體、監(jiān)測實施方式以及監(jiān)測功能上均存在較多冗余。過多的狀態(tài)監(jiān)測冗余不但不能提升裝置狀態(tài)監(jiān)測的可靠性,反而降低了狀態(tài)監(jiān)測的準確性,減緩了運行維護人員的反應(yīng)速度,甚至直接影響設(shè)備的穩(wěn)定運行。
結(jié)合現(xiàn)場實際運行經(jīng)驗,提出可以通過減少硬接點信號、簡化信號展示、合理篩選處理信號、增加信號來源等方式進行改進,以期達到增強保護裝置監(jiān)測水平、減少無謂時間浪費、提升站端二次系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。
逐步減少并最終消除對硬接點信號的采集和依賴從長遠看是必要的。以電源掉電和CPU板件故障為例,在實際運維中處置此類異常的操作,與其他引發(fā)非硬接點信號的異常是完全一樣的。從這個意義上來說,對于此類故障,盡管在處置初期無法分辨故障的根本來源,但不會對處置行為(停用設(shè)備、隔離動作回路等)的正確性產(chǎn)生影響。運行維護人員在出現(xiàn)異常后,均需到達保護裝置現(xiàn)場進行檢查,鑒于設(shè)備自身的面板或信號顯示已經(jīng)統(tǒng)一完備,運行維護人員能夠輕易在現(xiàn)場確定實際故障點。
與硬信號帶來的信號冗雜、傳遞繁瑣相比較,在監(jiān)控信號上犧牲部分明確性是對整個監(jiān)控體系有益的。進一步,更少甚至消除硬接點信號意味著公用測控裝置的減少、電纜使用的減少,可在走向智能站間隔層網(wǎng)絡(luò)少電纜化的道路上實現(xiàn)跨越。
站端、主站后臺,保護信息子站和錄波裝置等設(shè)備一般均接入了大部分甚至所有保護裝置所能提供的信號節(jié)點。在新的保護裝置信號更加細化以及保護裝置的軟信號上送能力不斷提升的當前,信號缺失已不再是問題,新的問題是信號過多帶來的困擾。變電站端監(jiān)控在后臺畫面繪制時,常常將異常信號狀態(tài)的光字不加以挑選地按間隔分頁鋪滿整個屏幕,運維人員難以準確分辨關(guān)鍵的異常信號,對異常的程度判定造成困難。實際中,一個間隔光字屏幕包含了該間隔的近百個信號,當保護裝置CPU板故障時,曾出現(xiàn)過幾十個信號同時閃爍,運維人員難以辨別的事件。
因而,簡化后臺信號的展示是有必要的。通過不顯示非必要信號或者過增加子頁面的形式,僅在間隔頁面顯示關(guān)鍵信號、總信號,來幫助運行維護人員快速判定故障的范圍和程度。應(yīng)注意,簡化非必要信號的展示并不等于不采集、不使用這些信號,監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)在后臺通過SOE的方式記錄這些信號,用于后期分析、報告撰寫等用途。
在簡化關(guān)鍵信號顯示的同時,對信號進行智能分類、分級、合并處理也應(yīng)一并開展。除開光字信號,運維人員常通過SOE觀察基于時間的異常發(fā)生記錄。對于狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),各信號均會以發(fā)出和復歸兩種狀態(tài)顯示在SOE中進行展示,同時,較新的監(jiān)測系統(tǒng)會按照系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫后臺預設(shè)的類型以顏色等方式標記信號是否為警告、提示等。但以上特性并不能減小對裝置異常的分析負擔,運行維護及檢修人員仍需要在數(shù)十甚至數(shù)百條信息中,提取關(guān)鍵的時間節(jié)點,確定異常的發(fā)生和發(fā)展過程。
在監(jiān)測系統(tǒng)的后臺軟件上著手,對信號進行智能分類、分級并采用適當合并處理的方式使得SOE信息清晰化。具體說來,首先,應(yīng)明確標識信號的發(fā)出和復歸作為一對信號進行展示或處理;其次,應(yīng)基于時間和裝置個體,對信號進行分類后再進行合并處理,并在必要時可以展開顯示時間段內(nèi)的所有信號;再次,應(yīng)根據(jù)信號的重要性,例如是否為總信號,是否為關(guān)聯(lián)到光字的信號等,對信號進行分級,對高級別信號進行突出顯示;最后,軟件應(yīng)增加“有選擇性地標識”和“導出信號”的功能,便于進一步分析。
當前站端和主站的后臺監(jiān)控僅基于測控裝置作為狀態(tài)監(jiān)測消息源,浪費了其他設(shè)備提供的信息。應(yīng)加強對支持61850協(xié)議設(shè)備的推廣,并加快后臺系統(tǒng)對于其他輔助監(jiān)測設(shè)備的信號接入能力,實現(xiàn)多信號源交叉接入,并結(jié)合對信號的展示優(yōu)化、分類分級優(yōu)化,在一個間隔異常的時間段內(nèi)綜合多個消息源,增強其可信度,夯實具體信息。在此之外,通過對每條信號的來源進行標識,能夠幫助運行維護、檢修人員從多角度準確分析異常。
在信號增多、設(shè)備性能增強的情況下,針對保護裝置監(jiān)測信號的優(yōu)化,能夠更好幫助運行維護人員發(fā)現(xiàn)異常、排查異常、分析異常,更好實現(xiàn)站端或主站端一個平臺、多個接入、提示關(guān)鍵、信息詳實、異??砂l(fā)現(xiàn)、故障可處置、事件可回溯,提升變電站運維水平進一步提升。
根據(jù)裝置監(jiān)測系統(tǒng),特別是基于測控、遠動系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)的實際,為更好地展示信號、利于運行維護人員進行故障排查、增加可信度,從精簡、突出、多源等方向提出了優(yōu)化方案。
對當前設(shè)備監(jiān)測的優(yōu)化應(yīng)在信號采集和顯示進行優(yōu)化的基礎(chǔ)上,進一步加強對軟件界面、邏輯、功能的開發(fā),減少人工干預,智能化處置信號,利用強大的計算機算力減少人員負擔。
變電站保護裝置狀態(tài)監(jiān)測的存在,大大提升了變電站二次系統(tǒng)的運維水平,有利于電網(wǎng)設(shè)備穩(wěn)定安全運行。但當前,不論保護裝置狀態(tài)監(jiān)測的重疊性和復雜性,單純觀察現(xiàn)有運行維護人員在應(yīng)對異常出現(xiàn)時的反應(yīng),仍然存在許多漏洞和不足。針對跳閘等突發(fā)事件,運行維護水平高的變電站通過對各類預案的培訓,能夠較好地處置。但對于各類保護裝置的異常處置,仍依賴于個人經(jīng)驗,撒網(wǎng)式對異常信號的搜尋以及無條件依賴于對二次專業(yè)人員的求助,缺乏條理、過程混亂、處置低效。
事實上,對于保護裝置監(jiān)測設(shè)備的故障處置,按照時間先后順序,可以分為3個關(guān)鍵步驟進行處置:定位監(jiān)測設(shè)備故障、監(jiān)視失效時的臨時處置、異常狀況的報送。
首先,快速、正確定位故障源應(yīng)是理清裝置異常的前提。正確定位故障又應(yīng)根據(jù)監(jiān)控后臺信息找到異常影響的范圍:若是異常范圍局限在一臺設(shè)備,可以認為異常源出自于該設(shè)備;但若異常信息指向的設(shè)備廣,則應(yīng)考慮狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備自身或電源故障等。在站控層廣泛應(yīng)用IEC 61850協(xié)議的當下,裝置模型中信號多,若設(shè)備出現(xiàn)嚴重異常,信號數(shù)量會較大,此時應(yīng)忽略異常設(shè)備具體的異常信號,先明確異常設(shè)備的數(shù)量和范圍,排除引發(fā)大面積異常設(shè)備的情形,再進一步分析可能的異常來源。
在進一步確認保護設(shè)備異常的過程中,應(yīng)能夠找準關(guān)鍵異常信息,避免錯誤判斷異常實質(zhì)。具體說,要避免自身設(shè)備以及關(guān)聯(lián)設(shè)備的冗余信號干擾:一方面,要排除設(shè)備自身由于異常發(fā)出的干擾信息,按照邏輯先后的順序鎖定引發(fā)連鎖異常的頭部異常源;另一方面,要排除由于本設(shè)備異常導致的關(guān)聯(lián)設(shè)備異常,例如線路保護裝置故障可能引起存在虛端子連接的母線保護、斷路器保護異常等。
另外,定位故障除了發(fā)現(xiàn)異常設(shè)備、關(guān)鍵的異常消息之外,還隱含著確認故障程度的要求。在監(jiān)控信號中,信號不僅會指出設(shè)備自身偵測到的問題,同時還會不同程度地給出設(shè)備自身邏輯給出的“處置”,例如閉鎖、失效等。應(yīng)以相關(guān)信號作為參考,確定異常的嚴重性:是否影響了全部功能,是否使得關(guān)聯(lián)設(shè)備功能無效,是否存在擴大的可能等等。定位故障的整個流程如圖2所示,對異常范圍和程度有初步判斷,能夠更好指導對異常的臨時處置以及在與上級溝通時提供更多信息。
圖2 定位設(shè)備故障流程
保護設(shè)備異常發(fā)出后,應(yīng)采取對應(yīng)的臨時處置措施。確定采取何種臨時處置措施的前提是了解以下兩點:異常的當前影響和異常的可能發(fā)展。其中異常的當前影響包含了范圍和程度,即有多少設(shè)備出現(xiàn)了異常,和這些異常對設(shè)備的運行是否產(chǎn)生了實質(zhì)性的影響。而異常的可能發(fā)展實際上是異常狀態(tài)是否長期保持,是否出現(xiàn)了新的異常等。
根據(jù)不同的影響和故障的發(fā)展,在向上級進行異常情況報送之前,運行維護人員可以采取不同的措施控制異常進一步惡化,如表1所示。
表1 臨時處置措施
需要注意的是,上述討論均基于異常不會導致一次設(shè)備丟失保護的情況,即雙重性保護體系仍可以確保線路等間隔不丟失保護。若異常已經(jīng)影響了間隔的所有保護,則應(yīng)首先考慮聯(lián)系上級采取措施停運被保護間隔,因為無論是否處置裝置異常,均存在一次間隔完全丟失保護的風險,而這是絕對不允許發(fā)生的。
對于運行維護人員,受限于備件和專業(yè)能力,在對保護裝置異常的臨時處置之后,不應(yīng)要求其能夠最終排除持續(xù)性和復雜性的異常,但應(yīng)向上級或二次檢修部門可靠匯報異常情況。匯報內(nèi)容應(yīng)專業(yè)、準確、簡明、不遺漏關(guān)鍵信息,便于準確采取進一步措施對異常進行處置。
對于保護裝置異常狀態(tài)的報送,應(yīng)突出以下幾個方面的內(nèi)容:
1)時間節(jié)點。報送中應(yīng)包含異常在時間軸上的有關(guān)信息,包括但不限于異常發(fā)生的事件、異常是否持續(xù)、異常是否多次重復發(fā)生、異常隨時間是否有發(fā)展。同時,還應(yīng)同時在報送中指出在異常出現(xiàn)、發(fā)展的時間點附近是否有相關(guān)操作,是否有其他工作進行,是否出現(xiàn)氣象變化,以便排查引起異常的原因是否與外界操作有關(guān)。
2)影響范圍。報送中應(yīng)體現(xiàn)出現(xiàn)異常的范圍,即歸納總結(jié)本次異常情形造成了哪些間隔、哪些保護和輔助設(shè)備出現(xiàn)了異常情形。當保護裝置監(jiān)測狀態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時,報送中除說明監(jiān)測設(shè)備本身受異常影響的范圍外,還應(yīng)體現(xiàn)哪些范圍內(nèi)的設(shè)備因此失去了站端和主站后臺的監(jiān)控。
3)對運行的實際影響。在向上級的報送中,除體現(xiàn)影響范圍外,更應(yīng)按間隔作為單位說明異常對保護造成的實際影響程度,例如:保護完全失去功能,主保護失去功能,導致后備保護失去功能,不影響保護功能。在報送時,應(yīng)按照前述中的表述,準確定義最關(guān)鍵、影響最大的異常,忽略影響不大的異常。
4)當前已經(jīng)采取的措施。在報送的最后,應(yīng)報告針對異常已經(jīng)采取或準備采取的措施。同時,應(yīng)給出從運維角度對異常的分析意見,提供可能需要準備的備件、工器具清單。若可能,在檢修人員遠程指導下,可根據(jù)變電站備件和工具情況對異常進一步處置或直接消除異常。若異常嚴重需要考慮一次停電處理,還應(yīng)溝通后向調(diào)度和檢修部門分別反饋準備的檢修操作和可能的停電時間,做好協(xié)調(diào),以便最高效地處置異常。
上面從優(yōu)化裝置監(jiān)測信號和加強針對異常的處置流程出發(fā),討論了加強變電站保護裝置監(jiān)測系統(tǒng)的有效手段和方法。隨著對異常處置流程的不斷完善、運維培訓不斷加強、各個監(jiān)測系統(tǒng)的有機統(tǒng)一加深、監(jiān)測信息顯示的進一步優(yōu)化,以及監(jiān)測設(shè)備、保護設(shè)備自身魯棒性、異常偵測能力以及性能的加強,越來越智能化的保護狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)將會在保障變電站正常運行上發(fā)揮更強作用。