基于虚拟连接割集羽智能变电站继电保护安全隔离策略

 陈桥平，陈志光，黄勇，苏忠阳

（1．广东电网公司电力调度控制中心，广东广州  510665;

2．武汉中元华电科技股份有限公司，湖北武汉430223）

摘要：为提高继电保护系统在检修过程中对检修设备进行安全隔离的可靠性，提出了基于虚拟连接割集的智能变电站继电保护安全隔离策略自动生成方法。首先分析了智能变电站技术下继电保护安全隔离的必要性：然后构建了继电保护安全隔离模型，包括设备与信息的关联关系模型，设备间虚拟连接的割集模型和支路与软压板的关联关系模型。基于安全隔离模型阐述了隔离策略自动生成的实现方法。最后以某110 kV变电站110 kV侧的继电保护系统为例进行了案例分析，分析结果表明，该方法能够有效利用SCD解析出来的虚拟连接关系生成最终的软压板退出策略。

关键词：虚拟连接：割集；智能变电站；继电保护；安全隔离

0引言

 安全策略是智能变电站继电保护系统检修过程中必不可少的重要环节．是防止检修时出现安全问题的重要手段．主要涉及安全交底和安全措施布置2方面内容。安全措施布置（简称安措），即通过采取一系列的操作和措施来规避在运维检修中可能出现的问题，避免继电保护误动进而引发电力系统安全事故是安措的重点，其核心思路就是如何将待检修的设备和运行巾的设备进行安全隔离。

 由于新技术架构体系的引入．智能变电站继电保护系统安全隔离问题较常规变电站复杂了很多．主要体现在硬压板到软压板的转变以及设备之间通信关系由直观到不直观的转变2个方面．使得检修人员的安全隔离操作更加复杂且易于出错．给智能变电站的继电保护系统的安全运行带来了隐患。

 为了在检修过程中实现检修设备安全隔离，提高继电保护系统的可靠性，本文对智能变电站继电保护检修安全隔离策略进行了研究，建立了安全隔离模型．提出了基于割集的安全隔离策略自动生成方法．并以某110 kV变电站110 kV侧继电保护系统为例对该方法的实现流程以及效果进行了分析。

1  智能变电站继电保护安全隔离需求分析

1.1  安全隔离新问题

 在智能变电站技术体系下，安全隔离所面临的新问题主要有以下2个方面。

1.1.1  压板的变化

 常规变电站中继电保护的各功能均具备相应的硬压板．当在检修时需要退出哪一项功能，退出其相应功能的硬压板即可。但是在智能变电站中．除检修压板和操作箱的出口压板还是硬压板设置外．其他的保护功能和出口压板都为软压板设置。软压板的缺点是没有可见的断开点，在常规变电站的运行维护管理巾都要求安措有明显断开点．这也是智能变电站运行上与传统变电站区别最大的地方。

1.1.2  网络带来的通信关系不直观

 智能变电站信息网络化传输使设备间信息交互关系变得不直观，只剩下设备与网络之间的光纤连接．智能站运行设备与检修设备之间的分界面较难区分，致使安全措施难度加大。

 在运行人员不了解这些通信关系时．要保证检修设备安全隔离，则必须断开试验设备的光纤连接。但是，简单地拔掉光纤可能影响很多关联运行设备，产生告警，频繁插拔出光纤也不利于设备运行。

1.2  当前安全隔离手段

 拔掉设备光纤是最基本的检修隔离手段，但基于上述缺点，该手段并不适合检修实际。目前比较主流的2种安全隔离手段为软压板的退出以及检修域和运行域的隔离。

1.2.1  软压板的退出

 保护装置的GOOSE软压板可分为GOOSE发送软压板和GOOSE接收软压板，GOOSE发送软压板退出时隔断了GOOSE的变位信息，所有的GOOSE数据仅维持在“0”状态，即保护装置仍然对GOOSE信息进行发送，但是所有的GOOSE信息都有无效标志。GOOSE接收压板是GOOSE开入信号是否有效的一个依据，当其退出时装置认为GOOSE数据无效不能参与保护逻辑。

 SV接收软压板相当于传统变电站的“短电流．断电压”，当其退出时，认为该采样数据退出保护逻辑计算。在采用软压板退出进行安全隔离时．一般采用退出接收软压板的方式。

1.2.2检修域和运行域的隔离

 保护装置在接收网络中的报文时，需要将接收的报文所携带的test位与自身的检修压板状态进行比较，只有两者一致才将报文作为有效处理。检修位的应用主要在于将站内设备分割成“检修域”和“运行域”。而test位正是装置用来判断自身是否与接收到的报文属于同一个域的标准，从而无论被检修设备进行何种操作都不会影响运行设备的正常工作。

1.3两种安全隔离手段对比

 采用“检修域”和“运行域”进行检修设备的安全隔离需要一个重要基础，即变电站的检修配合机制健全，当前国内很多变电站没法达到这一要求，因此，该手段目前的应用范围较小。

 采用基于软压板退出的安全隔离手段时，需要检修人员对退出哪些软压板组合要非常清楚，虽然该种隔离手段应用范围较广，但是却对检修人员的素质提出了较高的要求，若软压板退出错误．既可能让本该运行的设备退出，也会导致检修设备影响运行设备，导致保护误动等严重后果。

 针对采用软压板退出隔离手段时的这一问题提出了基于割集的智能变电站检修安全隔离策略自动生成方法，能够不受检修人员素质限制，客观准确并自动给出软压板的退出组合方案，有效提高安全隔离正确性，保证电力系统安全运行。

2继电保护安全隔离模型

2.1  设备与信息的关联关系模型

 通过组网方式实现信息交互的智能变电站继电保护系统相对于常规变电站设备之间的二次电缆而言，在信息关联关系上变得没那么直观，取而代之的是设备之间的虚拟连接关系，全站系统配置文件(system configuration clesc：ription，  SCD)对这些虚拟连接关系信息进行了描述，描述方式为各智能电子设备(intelligent electronic device，IED)设备发送哪些信息，并最终被哪些IED所接收。

图1所示为某主变压器（下简称“主变”）间隔的继电保护系统，该保护系统由主变保护IED，主变高低压侧的合并单元(merging unit，MU)，主变高低压侧智能终端(intelligent terminal，irr)，主变本体IT等6台设备构成，设备间通过主变间隔交换机进行信息交互。

若用节点来描述智能变电站中的每台IED，用支路来描述IED通过发送信息与其他IED建立的虚拟连接关系，将图1各设备依次编号，则可利用如图2所示的有向图G来描述设备与其所发送的信息的关联关系。

若智能变电站中共有m台设备，共通过n条信息建立虚拟连接，则可用增广关联矩阵C。。。来描述图G。

则图2所示的有向图G对应的增广关联矩阵C。。。如式(2)所示，其巾，矩阵C6。。的各行依次对应着节点1~6．各列依次对应支路b1—b8。

将增广关联矩阵Cmxn中任意去掉一行，则可以获得关联矩阵C。。一，，若在图G中选择一个树T后，在图G中与树T互补的子图称为树余。树巾所含的支路称为树枝．树余中所含的支路称为连支。将各支路按照先树枝后连枝的顺序排列，则可以将C．。．，。，分块成为

式中：C是一个m阶的方阵，各列对应的是树枝，它反映了树枝与节点的关联关系；G是mX(nz-m)阶的矩阵，其各列对应的是连枝，它反映了连支与节点之间的关联关系。

 将矩阵C．。，，。；按式(3)分块，目的是获得G，它是根据关联矩阵计算基本割集的基础。

 将式(2)最后一行去掉，选择一棵以节点3为根的树，以支路b1，b2，b4，b6和b8为树枝，以b3，b5和b7为连枝。

按照公式(3)可以获得如公式(4)所示的分块矩阵，其中，矩阵C5。。的各行依次对应着节点1~5，各列依次对应支路b1，b2，b4，b6，b 8，b 3，b 5和b7。

2.2设备间虚拟连接的割集模型

 设备之间的虚拟连接表示的是设备之间的通信关系，若需要将某一检修设备与继电保护系统中的其他设备隔离开来，相当于在图G中做一个将该设备对应的节点隔离出去的割集。

 图G的割集Q是G的支路的集合，它具有如下性质：

 将Q中的全部支路移去，图G将分为2个部分：任意放回Q中的任意一条支路，图G仍然连通。

选取图G中的m一1个节点，割集的方向定义为流出被割节点，能够形成设备间虚拟连接关系的基本割集矩阵Qcm-I)x/,.如式(5)所示。

基本割集矩阵Qcm-l)x,，可利用公式(6)计算。

根据式(4)和(b)可以获得图2的基本割集矩阵如式(7)所示。

 Qs。。各行按顺序表示的分别是将节点1，2，4，5和6（除上述所选择的树根节点3）割离开的割集，各列依次对应支路b1，b 2，b4，b6，b 8，b3，b 5和b7。

 但是基本割集矩阵Q(m-．，。：中只包含_r将有向图G巾的m-1个节点分别割离开来所对应的支路集合．而智能变电站继电保护检修安全隔离有时往往不仅需要隔离一台设备，这就需要建立通过基本割集矩阵Q。，，。来获取将图G中任意部分隔离开时所对应的支路集合的方法。

 若需要隔离的部分包含p个节点，则将这p个节点割离开来的割集是这p个节点各自的割集代数叠加之和，最后得出割集的最终结果Q．…如需将节点1和2同时割离开，则需要将矩阵Qs。。的第1行和第2行相加即可。

2.3支路与软压板的关联模型

 对于一台IED设备而言．其与其他设备之间的连接接口在物理上体现为光纤端口，但是在逻辑上体现为各功能压板。任意功能压板的退出都表示着该设备与其他设备某一信息互通关系的断开．在连通图上体现为该节点与其他节点相关的某一或某几条支路的断开。因此，构建支路与压板的映射关系．将有助于通过连通图的割集信息指导IED隔离操作。

若图G中共有n条支路，所有的IED共有r个软压板．则可通过矩阵Y来描述支路与软压板之间的对应关系，如式(8)所示。

若通过割集矩阵计算方法获得某一次检修对应的割集矩阵结果为Qi…则可以通过式(9)来获得所需要退出的软压板组合R．

3继电保护安全隔离自动生成实现方法

3.1  自动生成系统

继电保护安全隔离策略自动生成系统的功能架构如图3所示。

 该系统由人机接口．SCD解析模块，隔离模型维护模块，割集计算模块以及隔离策略输出模块构成。

 其中．人机接口负责该系统与检修人员的信息交流．输入方面，检修人员能够通过人机接口下载SCD文件以及输入需要检修的对象，输出方面．在系统给出隔离策略后即将策略通过人机接口展示给检修人员。

 SCD解析模块负责通过解析SCD文件获取设备之间的虚拟连接关系，获取的方式分为设备发布报文信息的提取和设备订阅报文信息的提取2部分。

 (1)设备发布报文信息的提取。SCD文件<Communication>中的<GSE>和<SMV>分别代表GOOSE报文和SV报文．<GSE>和<SMV>由cbName和ldlnst共同唯一标志。<Address>描述了该路报文的目的地址、所属的VLAN-ID、优先级信息以及唯一标志一路报文的APPID。通过对<Communication>的解析，可以得到以APPID为主键构成的设备发布报文表，如表1所示。第一行数据表示设备“MM220bAB”发布APPID为4001的sv报文，由控制块“smvcbl”负责控制发布。

(2)设备订阅报文信息的提取。<IED>的<ExtRef>字段包含daName，  doName，  iedName，ldlnst，Inlnst等。通过daName和doName的解析能够获得该IED所订阅的报文对应的数据集，通过数据集名称查找到与其对应的cbName。根据<ExtRef>字段中的iedName和ldlnst以及查找获得的cbName能够在表1中搜寻订阅的报文所具有的APPID及type，并形成设备订阅报文，如表2所示。第1行数据表示设备“PM2201”订阅APPID为4001的SV报文。

 综合设备发布和订阅报文即可获得继电保护系统中各设备之间的通信关系。

 隔离模型维护模块负责存储并为割集计算模块和隔离策略输出模块提供设备与信息的关联关系模型及支路与软压板的关联模型。割集计算模块则根据设备与信息的关联关系模型及检修人员输入的检修对象实现割集计算。隔离策略输出模块则根据割集的计算结果及支路与软压板的关联模型给出最终的继电保护检修安全隔离策略。

3.2生成步骤

 继电保护检修安全隔离白动生成的具体步骤为：(1)解析SCD文件，形成涵盖设备之间信息互联关系（即虚拟连接）的连通图G，形成设备与信息的关联关系矩阵C；(2)根据设备的基础信息构建软压板和虚拟连接支路的对应关系矩阵Y：(3)确定检修范围，即哪些设备需要被检修并隔离；(4)根据连通图G和矩阵C，以被检修的设备节点为对象．确定将这些节点从图G中分离出去的割集；(5)根据矩阵y确定需要退出的功能压板组合，得出安全隔离策略。

4案例分析

本文以某110 kV智能变电站110 kV侧的继电保护系统为例，进行本文检修安全隔离策略自动生成方法的案例分析。该继电保护系统的架构如图4所示。

图4中的实心圆代表保护、智能终端等IED设备，空心网代表交换机的端口。将实心圆依次编号．各序号对应的设备名称如表3所示。

通过解析SCD文件能够获得各IED设备之问的信息关联关系如图5所示。

图5中共有12个节点．30条支路，则可形成关联矩阵Cl,。。，以节点4为根节点选择一个树．按先树枝后连支的顺序排列方式重构关联矩阵Cl,。30。各支路与软压板的对应关系见表4。

 通过表4中各支路与软压板的对应关系可以形成矩阵Y30。30，矩阵是y30。30一个30x30单位矩阵。

 从关联矩阵CJ,。30中提取Cf，并根据式(6)可计算基本割集矩阵Qii。30。

 下面将本文基于割集的隔离策略自动生成方法分别应用于检修母线保护和线路间隔来进行案例分析。

 当需要进行母线保护和线路间隔检修时，分别对应的割集如图b的q，和q：所示。其中，ql即为矩阵Q．，。30中节点4对应的割集，计算方法是将割集矩阵Q．，。，。中的所有行线性叠加获得的矩阵Q．。30。而g：则可以通过线性叠加矩阵Qi，。30中节点1.2和3对应的割集即可。

结合矩阵y即可获得q，和g：所包含的支路所对应的各软压板如表5所示。

 由表5可见．在进行线路间隔检修时，需要退出的软压板包括：(1)母线保护接收线路的启失灵软压板．(2)母线保护接收线路智能终端开关量GOOSE软压板，(3)母线电压MU接收线路智能终端开关量GOOSE软压板，(4)母线保护接收线路电流采样值SV软压板．(5)母线保护跳闸信号接收软压板，(b)线路对端跳闸信号接收软压板。而在进行母线保护设备检修时，需要退出的软压板也可以结合表4和表5获得。

5结论

 本文提出了基于虚拟连接割集的智能变电站继电保护检修设备安全隔离策略自动生成方法。所构建的安全隔离模型能够描述继电保护设备检修安全隔离的各关键要素。案例分析表明利用本文提出的安全隔离策略自动生成方法能够有效通过SCD解析出来的虚拟连接关系生成最终的软压板退出策略．提高了继电保护的运行可靠性。