继电保护装备技术

继电保护装备技术1最新研究进展1.1概述计算机及通信技术的不断发展为继电保护装备的技术进步奠定了基础，国际形势的发展要求提升保护设备的本体安全及供应链安全，保护运维效率和质量的进一步提升要求保护装备能提供更好的技术支撑，电网发展对保护四性提出了新的、更高的要求。（1）安全防护。电力系统安全稳定运行是社会经济发展、国家安全稳定的重要保障，我国已基于“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向加密”的总体防护策略建立起了较为完善的二次安全防护体系。随着电力系统的信息化程度不断提高，新能源互联网架构下电力系统的开放性进一步增强，如分布式能源与物联网设备的大量接入等，电力系统中信息的安全、保密以及可靠性等问题的重要性日益突出，而对边界防护的过于依赖可能导致存在安全风险。一方面，边界防护依赖特征识别，链式拓扑的边界防护层叠累积效应虽能进一步提升安全防护能力，但仍然存在明显的防护滞后性与局限性；另一方面，一旦突破防护边界防御，如果边界防护安全域内缺乏纵深防御能力，继电保护装置、安全自动装置等二次设备将直面网络攻击。因此有必要进一步研究保护装备的安全接入、本体可信等安全技术。（2）自主可控。芯片是微机继电保护的核心硬件，目前继电保护设备使用的芯片长期严重依赖进口，近年来国际局势持续变化加剧了供应链的不确定性，已给电力能源安全带来威胁。在此大背景之下，电网作为关系到国计民生的支柱性基础设施，其安全可靠运行，对国家战略安全、国民经济建设和人民生活水平保障，都具有特别重要的意义，而继电保护作为保障电力系统安全稳定运行的重要设备，亟需改变芯片等核心器件长期严重依赖进口、操作系统等核心代码受制于人的现状，研制自主可控继电保护设备，实现关键核心技术自主可控，并加大其应用力度，验证其性能和可靠性，增加电力二次系统、电网安全乃至整个工业体系的抗风险能力，提升战略安全水平。（3）智能运维。当前变电站的运行维护面临着日益增长的变电站数量、不断发展的智能设备与现有运行维护人员数量少和技能水平有限的矛盾。传统的运维模式需要运行人员观察和记录保护装置及相关装置的状态，并对其运行状态进行评估；到了一定年限还需要安排停电检修，针对保护装置及其相关二次回路进行定期维护。随着电网规模扩大，这种巡视和检修维护方式将要花费更多的人力和资金，越来越难以为继，且不能及时发现设备隐患。此外，当设备发生异常时，如果运行人员不能准确理解保护设备的各类报文的确切含义，将不能掌握保护装置当前的实际运行状态。现场已经出现因运维人员经验不足、对保护设备的异常告警信息理解存在偏差，最终导致保护误动的事故。保护运维技术的发展要求保护装置提供更多的信息来支撑运维效率的提升。（4）有源配网。随着以光伏和风电为代表的分布式电源在配电网中的高度渗透，配电网由原来的辐射型网络变成了有源网络，呈现出故障电流双向流动、故障特性多变等新特点。另一方面，随着产业技术的发展和人们生活质量的提高，高供电可靠性配电网络，如单环网或双环网结构，已在我国多地建设并投入运行。对于出现的以上有源或多源配电网，传统的三段式电流保护以及基于过流原理进行故障定位的馈线自动化均难以适用，依据有源配电网的故障特性及电流分布特点，具有绝对选择性的纵联电流差动保护无疑是解决以上问题的最佳方案。但配电网点多面广，大规模铺设光纤面临难度大、投资高、工期长等诸多困难，成为制约配电网纵联电流差动保护推广应用的主要瓶颈。随着5G的逐渐成熟和商用化开启，5G的高可靠和低延时应用场景为配电网纵联电流差动保护的通道需求提供了替代光纤的解决方案。1.2国外研究进展（1）IEC61850的应用。国外主流保护设备生产厂家主导IEC61850等国际标准制定工作，并积极推进由保护设备生产厂家、认证机构、科研机构、测试设备生产厂家等共同参与的保护设备间的互操作测试工作，从装置实现机制层面上支持变电站二次设备全生命周期维护工作，推动了保护运维技术发展。如：在IEC61850ED2规范支持下，基于保护装置逻辑设备的测试或测试/闭锁模式（MOD）设置，支持实现安全隔离的在线测试功能；基于模拟（Simulation）报文机制，在不修改二次回路的情况下，实现被测保护装置在线切换到接收测试设备发出的开关量及模拟量信号。综上，只要保护装置满足IEC61850ED2上述技术要求，即可实现安全可靠的保护在线测试功能。（2）数字孪生。数字孪生是实物设备的虚拟拷贝，整合了实物设备在工程设计、调试、运行和服务全生命周期的数据、模型和其它信息。数字孪生的作用是预测并优化实物设备的生产和运行全生命周期的表现，数字孪生技术的发展有利于提高设备的全生命周期支持能力。目前，西门子的保护设备支持用户在无硬件在本地时，仍能通过访问云端仿真的“数字孪生”完成不同用户各自针对性的测试工作，包括模拟量及开关量接口仿真测试、通讯接口测试、变电站集成及二次回路测试、暂态数据交换通用格式（CommonFormatforTransientDataExchangeComtrade）故障波形回放等。在线仿真继电保护装置的人机界面，方便用户熟悉装置的操作菜单；支持在云端完成变电站集成及二次回路测试，可以在保护设备未到位的情况下，提前进行变电站的集成测试工作，显著提高工程实施的效率。ABB的保护设备支持虚拟人机界面（HumanMachineInterface，HMI）、模拟量输入和默认保护逻辑的功能测试，但尚不支持用户自定义保护逻辑的功能测试。施耐德的保护设备集成了“虚拟注入”的功能，在现场没有继电保护测试仪时，可以通过软件虚拟注入模拟量，完成保护逻辑的验证及对应开入开出回路的验证工作。CIGRE/WGB5.60工作组正在研究继电保护功能软件与硬件平台的解耦。（3）安全防护。IEEE/PES/PSRC/H22工作组正在起草《保护、自动化和控制相关数据文件的安全需求分类指南》。该指南根据内容、使用以及泄露或泄露风险对保护、自动化和控制相关的数据文件进行识别和分类，相关数据文件包括但不限于用于继电保护系统的配置、管理和分析的文件。1.3国内研究进展（1）平台化技术。随着计算机及通信技术的发展，目前国内各保护设备主流生产厂家已普遍采用平台化技术，硬件平台和系统软件平台支撑继电保护的应用软件实现保护功能，继电保护研发人员集中精力开发保护算法及逻辑，无需过多关注平台软硬件的实现细节。装置内采用CAN、以太网、PCI-E等高速总线实现插件模块间的高速数据交换，多插件并行完成分布式计算，支撑实现站域保护等复杂保护装置。在CPU/DSP芯片升级换代时，只需基于新的CPU/DSP芯片开发对外硬件接口保持不变的插件，并为新插件开发对应的底层驱动程序，无需改动上层系统软件及应用软件，实现了保护软件开发与硬件平台的解耦，显著提高了保护装置的开发效率及质量，自主可控继电保护装置的高效开发充分体现了平台化技术的优势。（2）保护设备本体安全技术。目前，保护装置已经在部分开放通信协议中引入了安全接入技术，通过数字身份认证、应用数据加密技术等措施实现保护设备与自动化系统的信息访问控制、数据安全防篡改，保障了电力系统自动化业务接入的安全性。以此为基础，进一步引入IEC62351基于角色的访问控制理念，通过国密数字证书扩展客户端角色信息，进一步提升对客户端越权访问的限制能力，极大提升了保护装置对通信的安全接入与访问控制的安全防护能力，并具有存量站设备升级的可行性。保护装置内生可信安全是提升本体安全的另一个主要方法。本体内生可信安全，以内置可信根为锚点，以密码学算法为基础，建立起安全引导、安全启动、安全进程加载、运行可信度量的立体化内生可信的防护体系，使保护设备的操作和过程行为在任意条件下，其结果总是与预期一样，计算全程可测可控，不被干扰，改变了传统的“封堵查杀”被动防御模式，从根本上建立起反恶意软件机制，全面提升继电保护设备的本体安全能力。（3）自主可控继电保护装置。目前，自主可控继电保护装置中CPU、FPGA、ADC、存储、通信等全部芯片均采用自主可控芯片，操作系统、数据库等基础软件和应用软件全部采用国内自主研发的软件，并采用国产通信协议代替制造报文规范（ManufacturingMessageSpecification，MMS）通信协议。在自主可控继电保护装置研发过程中，通过优化方案避开短板、以软件补偿硬件缺陷、采取多芯片并行运行提升总体性能等方法，弥补了部分自主可控芯片性能上的不足；通过加速寿命试验，一定程度上验证了自主可控继电保护装置的长期运行可靠性。目前自主可控继电保护装置已在国内逐步推广应用，有效杜绝了因进口芯片断供造成的风险，消除了软件后门、软件漏洞和风险，实现了变电站二次设备全面自主可控，提升了电网本质安全水平。（4）保护运维支撑技术。基于功能压板、控制字、装置或二次回路异常对保护功能的影响等信息，保护装置增加了反映保护功能投入及闭锁状态的输出信号以直观反映保护实际运行状态，提高了运维人员对保护运行状态的掌控能力；保护装置支持不停电传动功能，在一次设备不停电、保护装置及其二次回路运行状态不变的情况下，通过传动各相跳闸命令并自动启动重合闸，完成跳合闸功能验证工作；此外，保护装置普遍支持提供内部温度、电压、光强等在线监测信息，可支撑实现二次设备状态检修功能。（5）基于5G的配电网主保护。国内光纤纵联差动保护要求光纤通信来回路由延时一致，依靠乒乓法同步技术实现不依赖于外部时钟的两侧采样数据同步。5G具有低时延、高可靠、大带宽等优点，可用于配电网差动保护，但5G无法保证路由延时完全固定，延时抖动较大，平均延时小于15ms但最大延时超过50ms。为解决采样同步的问题，提出了几个方案：①采用基于故障时刻自同步原理的纵联保护。这可在一定程度上解决同步问题，但在不同故障起始角下同步误差较大，在一端弱馈条件下无法同步，另外在线路发生相继故障或转换性故障时对故障时刻的判断易受干扰；②利用5G无线终端（CustomerPremiseEquipment，CPE）向保护装置转发基站的IRIG-B码对时信号以实现采样同步。但这样一来，差动保护将依赖于外部对时系统；③采用基于5G的纵联方向过电流保护。该方案交换数据量小，对数据实时性要求低，但易受电压互感器断线的影响。基于5G的保护还需综合考虑可靠性、经济性、安全性等因素，目前仅有少量试点工程应用，尚不具备大面积推广的条件。1.4国内外研究进展比较（1）IEC61850的应用。与国内相比，国外完全基于数字化二次回路的继电保护工程应用数量相对较少，应用经验尚有待积累。国内积极推进智能变电站建设，在常规站保护技术积累基础上，结合已有保护运维规程，在双A/D采样、网络压力要求、数据品质处理、软压板及检修机制等方面提出了技术要求，切实提高了保护运行的可靠性。（2）保护运维。国外很早就开始对二次系统的状态检修进行研究和应用，以状态监测和状态分析为基础对二次系统进行预知维护（PredictiveMaintenance），但装置状态主要基于历史数据进行离线分析得到。国内通过保护装置增加运行状态信号、不停电传动、二次设备在线监测等功能支持实现保护在线运行维护，部分实现了在线定检和巡检，提高了运维的效率和质量。（3）安全防护。相比国内已建立起坚强的边界安全防护，国外的边界安全防护相对较薄弱，主要依赖边界防火墙进行防护。国外更加强调设备本体与通信网络的安全防护，基于角色的访问控制、审计日志是目前主要发展方向。在二次设备的内生安全方面，国外主要发展反恶意软件技术，但在嵌入式设备领域尚处于初始研究阶段，国内日益兴起的可信技术目前国外基本未见报道。从总体上看，国外的继电保护需求比较开放，设备生产厂家通过提供灵活的配置组态来满足不同用户的需求。而国内技术规范的制定主要由电网运行单位主导，需求导向明确且工程应用推进力度大。近年来，针对自主可控、运维效率提升等需求，电网公司组织保护设备生产厂家、科研机构、测试机构等单位完成了相关技术规范的编写，各主流保护设备生产厂家快速完成样机试制、集中测试、挂网试运行，并已经开始推广应用，切实提升了保护装备技术水平。2发展趋势分析与展望（1）自主可控继电保护装置。核心技术受制于人是当前我国芯片产业最大的隐患，必须实现核心技术自主可控，把创新主动权、发展主动权牢牢掌握在自己手中。加速国产替代、实现芯片产业自主可控已上升到国家战略高度，中国芯片行业发展迎来了历史性的机遇。在继电保护专业领域，应通过逐步推广应用自主可控继电保护装置，推动保护装置用自主可控芯片加速成熟，让自主可控芯片走上规模化应用的良性循环轨道，反过来再为自主可控保护装置性能及可靠性的持续提升奠定坚实基础。（2）IEC61850在继电保护中的应用。智能变电站IEC61850标准采用面向设备对象建模技术，通过模型自描述以适应应用功能的需要及发展。IEC/TC95开始针对具体的继电保护功能元件，制定更为严格的数据模型，来自不同厂家的产品之间有望完全实现互操作。IEC61850ED1和ED2将共存一段时间，继电保护产品和相应的配置工具将更加灵活。通过基于模型的设计，继电保护系统的设计和实现将更为高效。测试程序、工具和文档将更加完善，虚拟隔离、模拟、监