基于虛擬連接割集羽智能變電站繼電保護(hù)安全隔離策略
相關(guān)鏈接： 中國(guó)安全網(wǎng) 中國(guó)質(zhì)量網(wǎng) 中國(guó)論文網(wǎng) 中國(guó)資訊網(wǎng)
陳橋平，陳志光，黃勇，蘇忠陽(yáng)
（1．廣東電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心，廣東廣州 510665;
2．武漢中元華電科技股份有限公司，湖北武漢430223）
摘要：為提高繼電保護(hù)系統(tǒng)在檢修過(guò)程中對(duì)檢修設(shè)備進(jìn)行安全隔離的可靠性，提出了基于虛擬連接割集的智能變電站繼電保護(hù)安全隔離策略自動(dòng)生成方法。首先分析了智能變電站技術(shù)下繼電保護(hù)安全隔離的必要性：然后構(gòu)建了繼電保護(hù)安全隔離模型，包括設(shè)備與信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系模型，設(shè)備間虛擬連接的割集模型和支路與軟壓板的關(guān)聯(lián)關(guān)系模型�；诎踩綦x模型闡述了隔離策略自動(dòng)生成的實(shí)現(xiàn)方法。最后以某110 kV變電站110 kV側(cè)的繼電保護(hù)系統(tǒng)為例進(jìn)行了案例分析，分析結(jié)果表明，該方法能夠有效利用SCD解析出來(lái)的虛擬連接關(guān)系生成最終的軟壓板退出策略。
關(guān)鍵詞：虛擬連接：割集；智能變電站；繼電保護(hù)；安全隔離
0引言
安全策略是智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)檢修過(guò)程中必不可少的重要環(huán)節(jié)．是防止檢修時(shí)出現(xiàn)安全問(wèn)題的重要手段．主要涉及安全交底和安全措施布置2方面內(nèi)容。安全措施布置（簡(jiǎn)稱(chēng)安措），即通過(guò)采取一系列的操作和措施來(lái)規(guī)避在運(yùn)維檢修中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，避免繼電保護(hù)誤動(dòng)進(jìn)而引發(fā)電力系統(tǒng)安全事故是安措的重點(diǎn)，其核心思路就是如何將待檢修的設(shè)備和運(yùn)行巾的設(shè)備進(jìn)行安全隔離。
由于新技術(shù)架構(gòu)體系的引入．智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)安全隔離問(wèn)題較常規(guī)變電站復(fù)雜了很多．主要體現(xiàn)在硬壓板到軟壓板的轉(zhuǎn)變以及設(shè)備之間通信關(guān)系由直觀到不直觀的轉(zhuǎn)變2個(gè)方面．使得檢修人員的安全隔離操作更加復(fù)雜且易于出錯(cuò)．給智能變電站的繼電保護(hù)系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來(lái)了隱患。
為了在檢修過(guò)程中實(shí)現(xiàn)檢修設(shè)備安全隔離，提高繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，本文對(duì)智能變電站繼電保護(hù)檢修安全隔離策略進(jìn)行了研究，建立了安全隔離模型．提出了基于割集的安全隔離策略自動(dòng)生成方法．并以某110 kV變電站110 kV側(cè)繼電保護(hù)系統(tǒng)為例對(duì)該方法的實(shí)現(xiàn)流程以及效果進(jìn)行了分析。
1 智能變電站繼電保護(hù)安全隔離需求分析
1.1 安全隔離新問(wèn)題
在智能變電站技術(shù)體系下，安全隔離所面臨的新問(wèn)題主要有以下2個(gè)方面。
1.1.1 壓板的變化
常規(guī)變電站中繼電保護(hù)的各功能均具備相應(yīng)的硬壓板．當(dāng)在檢修時(shí)需要退出哪一項(xiàng)功能，退出其相應(yīng)功能的硬壓板即可。但是在智能變電站中．除檢修壓板和操作箱的出口壓板還是硬壓板設(shè)置外．其他的保護(hù)功能和出口壓板都為軟壓板設(shè)置。軟壓板的缺點(diǎn)是沒(méi)有可見(jiàn)的斷開(kāi)點(diǎn)，在常規(guī)變電站的運(yùn)行維護(hù)管理巾都要求安措有明顯斷開(kāi)點(diǎn)．這也是智能變電站運(yùn)行上與傳統(tǒng)變電站區(qū)別最大的地方。
1.1.2 網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的通信關(guān)系不直觀
智能變電站信息網(wǎng)絡(luò)化傳輸使設(shè)備間信息交互關(guān)系變得不直觀，只剩下設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)之間的光纖連接．智能站運(yùn)行設(shè)備與檢修設(shè)備之間的分界面較難區(qū)分，致使安全措施難度加大。
在運(yùn)行人員不了解這些通信關(guān)系時(shí)．要保證檢修設(shè)備安全隔離，則必須斷開(kāi)試驗(yàn)設(shè)備的光纖連接。但是，簡(jiǎn)單地拔掉光纖可能影響很多關(guān)聯(lián)運(yùn)行設(shè)備，產(chǎn)生告警，頻繁插拔出光纖也不利于設(shè)備運(yùn)行。
1.2 當(dāng)前安全隔離手段
拔掉設(shè)備光纖是最基本的檢修隔離手段，但基于上述缺點(diǎn)，該手段并不適合檢修實(shí)際。目前比較主流的2種安全隔離手段為軟壓板的退出以及檢修域和運(yùn)行域的隔離。
1.2.1 軟壓板的退出
保護(hù)裝置的GOOSE軟壓板可分為GOOSE發(fā)送軟壓板和GOOSE接收軟壓板，GOOSE發(fā)送軟壓板退出時(shí)隔斷了GOOSE的變位信息，所有的GOOSE數(shù)據(jù)僅維持在“0”狀態(tài)，即保護(hù)裝置仍然對(duì)GOOSE信息進(jìn)行發(fā)送，但是所有的GOOSE信息都有無(wú)效標(biāo)志。GOOSE接收壓板是GOOSE開(kāi)入信號(hào)是否有效的一個(gè)依據(jù)，當(dāng)其退出時(shí)裝置認(rèn)為GOOSE數(shù)據(jù)無(wú)效不能參與保護(hù)邏輯。
SV接收軟壓板相當(dāng)于傳統(tǒng)變電站的“短電流．?dāng)嚯妷?#8221;，當(dāng)其退出時(shí)，認(rèn)為該采樣數(shù)據(jù)退出保護(hù)邏輯計(jì)算。在采用軟壓板退出進(jìn)行安全隔離時(shí)．一般采用退出接收軟壓板的方式。
1.2.2檢修域和運(yùn)行域的隔離
保護(hù)裝置在接收網(wǎng)絡(luò)中的報(bào)文時(shí)，需要將接收的報(bào)文所攜帶的test位與自身的檢修壓板狀態(tài)進(jìn)行比較，只有兩者一致才將報(bào)文作為有效處理。檢修位的應(yīng)用主要在于將站內(nèi)設(shè)備分割成“檢修域”和“運(yùn)行域”。而test位正是裝置用來(lái)判斷自身是否與接收到的報(bào)文屬于同一個(gè)域的標(biāo)準(zhǔn)，從而無(wú)論被檢修設(shè)備進(jìn)行何種操作都不會(huì)影響運(yùn)行設(shè)備的正常工作。
1.3兩種安全隔離手段對(duì)比
采用“檢修域”和“運(yùn)行域”進(jìn)行檢修設(shè)備的安全隔離需要一個(gè)重要基礎(chǔ)，即變電站的檢修配合機(jī)制健全，當(dāng)前國(guó)內(nèi)很多變電站沒(méi)法達(dá)到這一要求，因此，該手段目前的應(yīng)用范圍較小。
采用基于軟壓板退出的安全隔離手段時(shí)，需要檢修人員對(duì)退出哪些軟壓板組合要非常清楚，雖然該種隔離手段應(yīng)用范圍較廣，但是卻對(duì)檢修人員的素質(zhì)提出了較高的要求，若軟壓板退出錯(cuò)誤．既可能讓本該運(yùn)行的設(shè)備退出，也會(huì)導(dǎo)致檢修設(shè)備影響運(yùn)行設(shè)備，導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)等嚴(yán)重后果。
針對(duì)采用軟壓板退出隔離手段時(shí)的這一問(wèn)題提出了基于割集的智能變電站檢修安全隔離策略自動(dòng)生成方法，能夠不受檢修人員素質(zhì)限制，客觀準(zhǔn)確并自動(dòng)給出軟壓板的退出組合方案，有效提高安全隔離正確性，保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。
2繼電保護(hù)安全隔離模型
2.1 設(shè)備與信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系模型
通過(guò)組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)信息交互的智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)相對(duì)于常規(guī)變電站設(shè)備之間的二次電纜而言，在信息關(guān)聯(lián)關(guān)系上變得沒(méi)那么直觀，取而代之的是設(shè)備之間的虛擬連接關(guān)系，全站系統(tǒng)配置文件(system configuration clesc：ription， SCD)對(duì)這些虛擬連接關(guān)系信息進(jìn)行了描述，描述方式為各智能電子設(shè)備(intelligent electronic device，IED)設(shè)備發(fā)送哪些信息，并最終被哪些IED所接收。
圖1所示為某主變壓器（下簡(jiǎn)稱(chēng)“主變”）間隔的繼電保護(hù)系統(tǒng)，該保護(hù)系統(tǒng)由主變保護(hù)IED，主變高低壓側(cè)的合并單元(merging unit，MU)，主變高低壓側(cè)智能終端(intelligent terminal，irr)，主變本體IT等6臺(tái)設(shè)備構(gòu)成，設(shè)備間通過(guò)主變間隔交換機(jī)進(jìn)行信息交互。
若用節(jié)點(diǎn)來(lái)描述智能變電站中的每臺(tái)IED，用支路來(lái)描述IED通過(guò)發(fā)送信息與其他IED建立的虛擬連接關(guān)系，將圖1各設(shè)備依次編號(hào)，則可利用如圖2所示的有向圖G來(lái)描述設(shè)備與其所發(fā)送的信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系。
若智能變電站中共有m臺(tái)設(shè)備，共通過(guò)n條信息建立虛擬連接，則可用增廣關(guān)聯(lián)矩陣C。。。來(lái)描述圖G。
則圖2所示的有向圖G對(duì)應(yīng)的增廣關(guān)聯(lián)矩陣C。。。如式(2)所示，其巾，矩陣C6。。的各行依次對(duì)應(yīng)著節(jié)點(diǎn)1~6．各列依次對(duì)應(yīng)支路b1—b8。
將增廣關(guān)聯(lián)矩陣Cmxn中任意去掉一行，則可以獲得關(guān)聯(lián)矩陣C。。一，，若在圖G中選擇一個(gè)樹(shù)T后，在圖G中與樹(shù)T互補(bǔ)的子圖稱(chēng)為樹(shù)余。樹(shù)巾所含的支路稱(chēng)為樹(shù)枝．樹(shù)余中所含的支路稱(chēng)為連支。將各支路按照先樹(shù)枝后連枝的順序排列，則可以將C．。．，。，分塊成為
式中：C是一個(gè)m階的方陣，各列對(duì)應(yīng)的是樹(shù)枝，它反映了樹(shù)枝與節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)關(guān)系；G是mX(nz-m)階的矩陣，其各列對(duì)應(yīng)的是連枝，它反映了連支與節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。
將矩陣C．。，，。；按式(3)分塊，目的是獲得G，它是根據(jù)關(guān)聯(lián)矩陣計(jì)算基本割集的基礎(chǔ)。
將式(2)最后一行去掉，選擇一棵以節(jié)點(diǎn)3為根的樹(shù)，以支路b1，b2，b4，b6和b8為樹(shù)枝，以b3，b5和b7為連枝。
按照公式(3)可以獲得如公式(4)所示的分塊矩陣，其中，矩陣C5。。的各行依次對(duì)應(yīng)著節(jié)點(diǎn)1~5，各列依次對(duì)應(yīng)支路b1，b2，b4，b6，b 8，b 3，b 5和b7。
2.2設(shè)備間虛擬連接的割集模型
設(shè)備之間的虛擬連接表示的是設(shè)備之間的通信關(guān)系，若需要將某一檢修設(shè)備與繼電保護(hù)系統(tǒng)中的其他設(shè)備隔離開(kāi)來(lái)，相當(dāng)于在圖G中做一個(gè)將該設(shè)備對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)隔離出去的割集。
圖G的割集Q是G的支路的集合，它具有如下性質(zhì)：
將Q中的全部支路移去，圖G將分為2個(gè)部分：任意放回Q中的任意一條支路，圖G仍然連通。
選取圖G中的m一1個(gè)節(jié)點(diǎn)，割集的方向定義為流出被割節(jié)點(diǎn)，能夠形成設(shè)備間虛擬連接關(guān)系的基本割集矩陣Qcm-I)x/,.如式(5)所示。
基本割集矩陣Qcm-l)x,，可利用公式(6)計(jì)算。
根據(jù)式(4)和(b)可以獲得圖2的基本割集矩陣如式(7)所示。
Qs。。各行按順序表示的分別是將節(jié)點(diǎn)1，2，4，5和6（除上述所選擇的樹(shù)根節(jié)點(diǎn)3）割離開(kāi)的割集，各列依次對(duì)應(yīng)支路b1，b 2，b4，b6，b 8，b3，b 5和b7。
但是基本割集矩陣Q(m-．，。：中只包含_r將有向圖G巾的m-1個(gè)節(jié)點(diǎn)分別割離開(kāi)來(lái)所對(duì)應(yīng)的支路集合．而智能變電站繼電保護(hù)檢修安全隔離有時(shí)往往不僅需要隔離一臺(tái)設(shè)備，這就需要建立通過(guò)基本割集矩陣Q。，，。來(lái)獲取將圖G中任意部分隔離開(kāi)時(shí)所對(duì)應(yīng)的支路集合的方法。
若需要隔離的部分包含p個(gè)節(jié)點(diǎn)，則將這p個(gè)節(jié)點(diǎn)割離開(kāi)來(lái)的割集是這p個(gè)節(jié)點(diǎn)各自的割集代數(shù)疊加之和，最后得出割集的最終結(jié)果Q．…如需將節(jié)點(diǎn)1和2同時(shí)割離開(kāi)，則需要將矩陣Qs。。的第1行和第2行相加即可。
2.3支路與軟壓板的關(guān)聯(lián)模型
對(duì)于一臺(tái)IED設(shè)備而言．其與其他設(shè)備之間的連接接口在物理上體現(xiàn)為光纖端口，但是在邏輯上體現(xiàn)為各功能壓板。任意功能壓板的退出都表示著該設(shè)備與其他設(shè)備某一信息互通關(guān)系的斷開(kāi)．在連通圖上體現(xiàn)為該節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)相關(guān)的某一或某幾條支路的斷開(kāi)。因此，構(gòu)建支路與壓板的映射關(guān)系．將有助于通過(guò)連通圖的割集信息指導(dǎo)IED隔離操作。
若圖G中共有n條支路，所有的IED共有r個(gè)軟壓板．則可通過(guò)矩陣Y來(lái)描述支路與軟壓板之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如式(8)所示。
若通過(guò)割集矩陣計(jì)算方法獲得某一次檢修對(duì)應(yīng)的割集矩陣結(jié)果為Qi…則可以通過(guò)式(9)來(lái)獲得所需要退出的軟壓板組合R．
3繼電保護(hù)安全隔離自動(dòng)生成實(shí)現(xiàn)方法
3.1 自動(dòng)生成系統(tǒng)
繼電保護(hù)安全隔離策略自動(dòng)生成系統(tǒng)的功能架構(gòu)如圖3所示。
該系統(tǒng)由人機(jī)接口．SCD解析模塊，隔離模型維護(hù)模塊，割集計(jì)算模塊以及隔離策略輸出模塊構(gòu)成。
其中．人機(jī)接口負(fù)責(zé)該系統(tǒng)與檢修人員的信息交流．輸入方面，檢修人員能夠通過(guò)人機(jī)接口下載SCD文件以及輸入需要檢修的對(duì)象，輸出方面．在系統(tǒng)給出隔離策略后即將策略通過(guò)人機(jī)接口展示給檢修人員。
SCD解析模塊負(fù)責(zé)通過(guò)解析SCD文件獲取設(shè)備之間的虛擬連接關(guān)系，獲取的方式分為設(shè)備發(fā)布報(bào)文信息的提取和設(shè)備訂閱報(bào)文信息的提取2部分。
(1)設(shè)備發(fā)布報(bào)文信息的提取。SCD文件<Communication>中的<GSE>和<SMV>分別代表GOOSE報(bào)文和SV報(bào)文．<GSE>和<SMV>由cbName和ldlnst共同唯一標(biāo)志。<Address>描述了該路報(bào)文的目的地址、所屬的VLAN-ID、優(yōu)先級(jí)信息以及唯一標(biāo)志一路報(bào)文的APPID。通過(guò)對(duì)<Communication>的解析，可以得到以APPID為主鍵構(gòu)成的設(shè)備發(fā)布報(bào)文表，如表1所示。第一行數(shù)據(jù)表示設(shè)備“MM220bAB”發(fā)布APPID為4001的sv報(bào)文，由控制塊“smvcbl”負(fù)責(zé)控制發(fā)布。
(2)設(shè)備訂閱報(bào)文信息的提取。<IED>的<ExtRef>字段包含daName， doName， iedName，ldlnst，Inlnst等。通過(guò)daName和doName的解析能夠獲得該IED所訂閱的報(bào)文對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集，通過(guò)數(shù)據(jù)集名稱(chēng)查找到與其對(duì)應(yīng)的cbName。根據(jù)<ExtRef>字段中的iedName和ldlnst以及查找獲得的cbName能夠在表1中搜尋訂閱的報(bào)文所具有的APPID及type，并形成設(shè)備訂閱報(bào)文，如表2所示。第1行數(shù)據(jù)表示設(shè)備“PM2201”訂閱APPID為4001的SV報(bào)文。
綜合設(shè)備發(fā)布和訂閱報(bào)文即可獲得繼電保護(hù)系統(tǒng)中各設(shè)備之間的通信關(guān)系。
隔離模型維護(hù)模塊負(fù)責(zé)存儲(chǔ)并為割集計(jì)算模塊和隔離策略輸出模塊提供設(shè)備與信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系模型及支路與軟壓板的關(guān)聯(lián)模型。割集計(jì)算模塊則根據(jù)設(shè)備與信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系模型及檢修人員輸入的檢修對(duì)象實(shí)現(xiàn)割集計(jì)算。隔離策略輸出模塊則根據(jù)割集的計(jì)算結(jié)果及支路與軟壓板的關(guān)聯(lián)模型給出最終的繼電保護(hù)檢修安全隔離策略。
3.2生成步驟
繼電保護(hù)檢修安全隔離白動(dòng)生成的具體步驟為：(1)解析SCD文件，形成涵蓋設(shè)備之間信息互聯(lián)關(guān)系（即虛擬連接）的連通圖G，形成設(shè)備與信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系矩陣C；(2)根據(jù)設(shè)備的基礎(chǔ)信息構(gòu)建軟壓板和虛擬連接支路的對(duì)應(yīng)關(guān)系矩陣Y：(3)確定檢修范圍，即哪些設(shè)備需要被檢修并隔離；(4)根據(jù)連通圖G和矩陣C，以被檢修的設(shè)備節(jié)點(diǎn)為對(duì)象．確定將這些節(jié)點(diǎn)從圖G中分離出去的割集；(5)根據(jù)矩陣y確定需要退出的功能壓板組合，得出安全隔離策略。
4案例分析
本文以某110 kV智能變電站110 kV側(cè)的繼電保護(hù)系統(tǒng)為例，進(jìn)行本文檢修安全隔離策略自動(dòng)生成方法的案例分析。該繼電保護(hù)系統(tǒng)的架構(gòu)如圖4所示。
圖4中的實(shí)心圓代表保護(hù)、智能終端等IED設(shè)備，空心網(wǎng)代表交換機(jī)的端口。將實(shí)心圓依次編號(hào)．各序號(hào)對(duì)應(yīng)的設(shè)備名稱(chēng)如表3所示。
通過(guò)解析SCD文件能夠獲得各IED設(shè)備之問(wèn)的信息關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖5所示。
圖5中共有12個(gè)節(jié)點(diǎn)．30條支路，則可形成關(guān)聯(lián)矩陣Cl,。。，以節(jié)點(diǎn)4為根節(jié)點(diǎn)選擇一個(gè)樹(shù)．按先樹(shù)枝后連支的順序排列方式重構(gòu)關(guān)聯(lián)矩陣Cl,。30。各支路與軟壓板的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表4。
通過(guò)表4中各支路與軟壓板的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以形成矩陣Y30。30，矩陣是y30。30一個(gè)30x30單位矩陣。
從關(guān)聯(lián)矩陣CJ,。30中提取Cf，并根據(jù)式(6)可計(jì)算基本割集矩陣Qii。30。
下面將本文基于割集的隔離策略自動(dòng)生成方法分別應(yīng)用于檢修母線保護(hù)和線路間隔來(lái)進(jìn)行案例分析。
當(dāng)需要進(jìn)行母線保護(hù)和線路間隔檢修時(shí)，分別對(duì)應(yīng)的割集如圖b的q，和q：所示。其中，ql即為矩陣Q．，。30中節(jié)點(diǎn)4對(duì)應(yīng)的割集，計(jì)算方法是將割集矩陣Q．，。，。中的所有行線性疊加獲得的矩陣Q．。30。而g：則可以通過(guò)線性疊加矩陣Qi，。30中節(jié)點(diǎn)1.2和3對(duì)應(yīng)的割集即可。
結(jié)合矩陣y即可獲得q，和g：所包含的支路所對(duì)應(yīng)的各軟壓板如表5所示。
由表5可見(jiàn)．在進(jìn)行線路間隔檢修時(shí)，需要退出的軟壓板包括：(1)母線保護(hù)接收線路的啟失靈軟壓板．(2)母線保護(hù)接收線路智能終端開(kāi)關(guān)量GOOSE軟壓板，(3)母線電壓MU接收線路智能終端開(kāi)關(guān)量GOOSE軟壓板，(4)母線保護(hù)接收線路電流采樣值SV軟壓板．(5)母線保護(hù)跳閘信號(hào)接收軟壓板，(b)線路對(duì)端跳閘信號(hào)接收軟壓板。而在進(jìn)行母線保護(hù)設(shè)備檢修時(shí)，需要退出的軟壓板也可以結(jié)合表4和表5獲得。
5結(jié)論
本文提出了基于虛擬連接割集的智能變電站繼電保護(hù)檢修設(shè)備安全隔離策略自動(dòng)生成方法。所構(gòu)建的安全隔離模型能夠描述繼電保護(hù)設(shè)備檢修安全隔離的各關(guān)鍵要素。案例分析表明利用本文提出的安全隔離策略自動(dòng)生成方法能夠有效通過(guò)SCD解析出來(lái)的虛擬連接關(guān)系生成最終的軟壓板退出策略．提高了繼電保護(hù)的運(yùn)行可靠性。
