基于SCD對象模型的智能變電站二次檢修安全措施生成方法研究

李輝，丁希亮，朱維鈞，陳鑫，劉海峰

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007；2.山東容弗新信息科技有限公司，山東濟南250101)

基于SCD對象模型的智能變電站二次檢修安全措施生成方法研究

李輝1，丁希亮2，朱維鈞1，陳鑫2，劉海峰1

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007；2.山東容弗新信息科技有限公司，山東濟南250101)

結(jié)合智能變電站技術(shù)特點對當(dāng)前二次檢修在安全措施編制上存在的問題進行了深入的剖析，提出了一種典型二次安全措施語義與SCD文件對象模型智能匹配的安全措施票生成方法。通過提取典型二次檢修安全措施中的檢修場景要素、實施對象、操作對象實現(xiàn)典型票的形式化；通過解析SCD文件中虛回路、軟壓板對象并結(jié)合檢修場景與典型票中實施對象和操作對象進行自動匹配，解決了二次安全措施票自動生成的效率問題；通過圖形化展示實施對象、操作對象及匹配結(jié)果，一方面方便了工作人員現(xiàn)場確認SCD文件中未建模的光纖和硬壓板，另一方面可作為無典型安全措施票的特殊檢修場景下安全措施票編寫的指導(dǎo)。最后，以某220 kV雙母接線智能變電站線路間隔停電條件下的線路保護首次檢修為例，對方案的可行性進行了實施驗證。

智能變電站；二次檢修；安全措施；SCD文件；語義匹配

二次檢修安全措施作為應(yīng)對智能變電站投運后的消缺、檢修、升級及改擴建等現(xiàn)場工作的技術(shù)保障，對確保智能變電站一、二次設(shè)備的安全及電網(wǎng)的穩(wěn)定運行具有重要意義。壓板和回路是二次檢修安全措施中的主要操作對象，而在采用光纖通信和基于IEC 61850信息建模的智能變電站二次系統(tǒng)中，常規(guī)變電站中可見的 “硬接線”變成了 “光纖”，“實端子” 變成了 “虛端子”， “硬壓板” 變成了 “軟壓板”，并引入了 “檢修壓板” 的概念，使得二次回路和壓板的關(guān)聯(lián)不再直觀。更關(guān)鍵的是各類 “軟壓板”和 “檢修壓板”對裝置之間互操作關(guān)系的影響也遠比常規(guī)站復(fù)雜〔1－8〕，這些新的變化給從事智能變電站二次檢修安全措施編制、執(zhí)行的工作人員帶來了很大的困難。

針對以上狀況，國家電網(wǎng)公司相繼制定并發(fā)布了文獻 〔9〕 《國家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程(變電部分)》、文獻 〔10〕 《智能變電站繼電保護和電網(wǎng)安全自動裝置現(xiàn)場工作保安規(guī)定》，國網(wǎng)湖南省電力公司也制定并發(fā)布了文獻 〔11〕《湖南電網(wǎng)智能變電站繼電保護和安全自動裝置檢修安全措施實施規(guī)范》。同時，行業(yè)內(nèi)科研機構(gòu)及相關(guān)單位根據(jù)智能變電站的技術(shù)特點，也開展了相關(guān)研究并提出了多種技術(shù)方案〔12－15〕。 如文獻 〔12〕 針對現(xiàn)有智能變電站檢修二次安全措施存在安全性低、易導(dǎo)致保護誤閉鎖等問題，提出了利用打開連片、解芯線方式隔斷場地二次電回路；利用先退軟壓板斷開數(shù)字通道設(shè)置第一道防線；利用后拔光纖形成明顯斷點 (或投檢修壓板啟用智能變電站檢修機制)設(shè)置首次檢修 (或定檢)二次安全措施的第二道防線的220 kV智能變電站分間隔停電檢修二次安全措施新思路。文獻 〔13〕提出了一種基于二次回路文件比對的過程層調(diào)試方案和安全措施生成方法。此方法通過分析不同版本配置文件中二次回路的差異，劃分試驗設(shè)備和運行設(shè)備的分界面，有效指導(dǎo)改擴建工程二次系統(tǒng)調(diào)試及安全措施的制定。但總的來看，智能變電站二次檢修安全措施相關(guān)研究成果存在的問題:

1)大部分方案提出了一些通用的原則或技術(shù)要求。而在現(xiàn)場實際工作中，需要二次檢修人員結(jié)合檢修場景和具體變電站的設(shè)計圖紙手工編制二次安全措施票。由于現(xiàn)場二次檢修人員技術(shù)水平參差不齊及智能變電站運維檢修工作量的不斷增加，完全手工編制、校核二次安全措施票的準(zhǔn)確性及效率已經(jīng)不能滿足實際工作需要，甚至?xí)斐砂踩鹿省?/p>

2)個別方案是基于智能變電站SCD配置文件中的數(shù)據(jù)模型自動生成安全措施票，但由于SCD數(shù)據(jù)模型的不完整性，需要做硬壓板、光纖回路等大量的補充建模工作，尤其是已投運變電站建模數(shù)據(jù)的正確性難以得到保障，進而影響檢修安全措施的可靠性。

1 影響二次安全措施自動生成的原因

1)運行規(guī)程中的編制原則或者典型二次檢修安全措施都是通用的和抽象的，制票人需要深入理解這些規(guī)則；

2)運行規(guī)程中的規(guī)則不能覆蓋所有檢修場景和所有變電站；

3)智能變電站的 “軟壓板”與 “虛回路”是通過SCD文件進行建模的，現(xiàn)場不可見，不夠直觀；

4)智能變電站裝置之間光纖回路、硬壓板(二次連片)等對象在SCD中未建模，制票人無直觀可用的變電站模型數(shù)據(jù)；

5)二次安全措施的操作條目數(shù)量大，手工編制容易出錯。

2 智能變電站二次檢修安全措施生成方法

安全措施的描述一般為 “拔出XX線路保護裝置上，連接XX線路合并單元的直采光纖”、 “XX保護退出XX壓板”等語義。通過對典型安全措施深入研究可見，抽象的典型安全措施內(nèi)容描述都是在確定電壓等級、確定接線方式的變電站內(nèi)，對某一特定類型的裝置在特定的一次設(shè)備運行情況下開展某種檢修工作時，用一定的安全措施隔離待檢修設(shè)備與在運行設(shè)備之間的互操作關(guān)系，以確保在運行設(shè)備的安全。典型安全措施中把這種聯(lián)系定義為實施對象。而實施對象的具體執(zhí)行，需要通過對一個或多個具體的操作對象進行操作來完成。在智能變電站中，操作對象可分為四類:

1)退出保護裝置的某功能壓板；

2)投入裝置的檢修壓板；

3)退出裝置之間通信的軟壓板或硬壓板 (或打開回路連片)；

4)拔掉裝置之間通信的光纖。

最終完整的安全措施就是操作對象的有序組合，待檢設(shè)備A相關(guān)的實施對象和操作對象的關(guān)系見表1。

表1 安全措施對象示意圖

因此，典型安全措施可以進行形式化描述，形成計算機可以理解的語義規(guī)則，然后檢修人員在實際編制具體的安全措施時，可以結(jié)合變電站電壓等級、接線方式、待檢設(shè)備類型、一次設(shè)備運行情況、檢修工作類型等要素匹配合適的語義規(guī)則，即將語義規(guī)則中的通用實施對象和操作對象模型化為變電站中具體的實施對象和操作對象實例，進而可以自動生成檢修作業(yè)應(yīng)開展的安全措施票。

實施對象實例、操作對象實例中的功能壓板、軟壓板、檢修壓板在SCD文件中都有標(biāo)準(zhǔn)方法描述，可以方便的通過計算機建模，用于與通用語義規(guī)則進行匹配；光纖、二次連片等操作對象未在SCD文件中描述，無法做到模型化匹配，但是光纖、二次連片在現(xiàn)場都是物理的、可見的、方便現(xiàn)場校核的，可在匹配時作出標(biāo)識，在自動化生成的安全措施序列作為待確認項，這樣既避免了大量的補充建模工作，又能給現(xiàn)場編制和執(zhí)行安全措施票以指導(dǎo)。

3 建模關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)

基于上述思路，基于SCD對象模型的智能變電站二次檢修安全措施生成方法總體上分為四部分，如圖1所示:

圖1 技術(shù)方案流程圖

1)典型二次檢修安全措施形式化，即將規(guī)程中的各種典型二次檢修安全措施轉(zhuǎn)化成計算機能夠識別的語義規(guī)則，為語義匹配提供基礎(chǔ)；

2)變電站數(shù)據(jù)對象模型化，即基于SCD文件將具體變電站的實施對象、操作對象進行模型化，這是語義匹配的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；

3)語義規(guī)則與變電站實例對象的語義匹配，即將通用語義規(guī)則中的通用實施對象和操作對象具體化為SCD文件中定義的實施對象實例和操作對象實例；

4)安全措施票的編輯調(diào)整及確認，給工作人員提供圖形化的界面，展示各個實施對象和操作對象，尤其是展示語義規(guī)則與實例對象的匹配結(jié)果，供工作人員進行現(xiàn)場確認，經(jīng)確認后打印出最終可執(zhí)行的二次檢修安全措施票。

3.1 典型二次檢修安全措施形式化

1)變電站設(shè)計方案定義。變電站的設(shè)計方案主要考慮如下維度的要素:電壓等級、主接線方式、保護配置、采樣形式 (電子式互感器或常規(guī)互感器)、是否采用合并單元、是否采用智能終端。

2)檢修模式定義。檢修模式要考慮一次設(shè)備停電范圍 (全站停電、電壓等級停電、間隔停電、不停電)、檢修類型 (首次檢修、例行試驗、消缺升級)。

3)安全措施實施對象和操作對象形式化。在運行規(guī)程中，每種設(shè)計方案的變電站，每種設(shè)備類型 (母線保護、線路保護、主變保護、合并單元、智能終端、備自投等)在確定的檢修模式下要進行的安全措施都做了詳細的規(guī)定，這里需要結(jié)合運行規(guī)程對安全措施中的實施對象和操作對象進行識別并將其逐一模型化、對象化。

其中實施對象形式化為: 〔一次停電范圍〕〔待檢設(shè)備〕 〔檢修類型〕.{〔起始間隔類型〕 〔起始裝置類型〕to〔目的間隔類型〕 〔目的裝置類型〕 of〔實施對象語義〕 }。

實施對象語義是實施對象的邏輯語義，是語義匹配的關(guān)鍵字，表2是線路保護與母線保護的實施對象語義示例。

操作對象形式化為:〔實施對象〕.{〔起始間隔類型〕〔起始裝置類型〕.〔操作對象〕or〔目的間隔類型〕〔目的裝置類型〕.〔操作對象〕}。

表2 安全措施實施對象的語義

3.2 變電站數(shù)據(jù)對象模型化

變電站數(shù)據(jù)對象模型化的主要過程是解析SCD文件，將各類數(shù)據(jù)對象模型化。

1)變電站設(shè)計方案類型確定。即確定變電站電壓等級、設(shè)計方案、保護配置、采樣形式 (電子式互感器或常規(guī)互感器)、是否采用合并單元、是否采用智能終端。

2)間隔和裝置模型化?；谀壳皣鴥?nèi)各個集成商配置SCD時的IED命名規(guī)范，提取SCD文件中定義各類二次設(shè)備類型及所屬間隔。例如PM代表母線保護、PL代表線路保護。

3)實施對象模型化。解析SCD文件，任意兩個裝置之間存在通信關(guān)系，包括GOOSE收發(fā)和SV收發(fā)，都定義為裝置之間存在實施對象，然后將同類虛信號進行合并形成一組的虛信號，定義一組虛信號組成為一個實施對象，分組依據(jù)語義中的匹配關(guān)鍵字，見表3。

表3 安全措施實施對象提取的語義規(guī)則

4)操作對象模型化。提取SCD文件中的軟壓板、檢修壓板，且建立壓板與實施對象的關(guān)聯(lián)關(guān)系。根據(jù)文獻 〔16〕中對虛端子及軟壓板的語義，定義虛回路及軟壓板的查找規(guī)則。對于采用通用語義 (如:邏輯節(jié)點為GGIO，DO為SPCS)定義的虛回路及軟壓板，采用desc的模糊匹配方式定義查找規(guī)則，通過查找規(guī)則完成壓板實施對象的建模，對于個別SCD文件中壓板命名不規(guī)范，導(dǎo)致建模失敗的情況，支持人工配置調(diào)整。

3.3 語義規(guī)則與變電站實例對象的語義匹配

語義規(guī)則與變電站實例對象的語義匹配首先需要確定待檢設(shè)備、檢修模式，基于檢修場景信息匹配可用的典型安全措施語義規(guī)則，然后將典型二次檢修安全措施語義規(guī)則一一匹配到已經(jīng)模型化的變電站各個實施對象和操作對象實例，具體過程如圖2所示。

圖2 智能匹配過程

1)選定某個變電站的某一個待檢設(shè)備并設(shè)置檢修模式，即明確一次停電狀況和設(shè)備檢修類型；

2)基于一次設(shè)備停電范圍、檢修類型、變電站接線方式等信息匹配可用的典型二次檢修安全措施語義規(guī)則；

3)基于語義規(guī)則進行實施對象的語義匹配，匹配方法是依據(jù)語義規(guī)則中各實施對象的邏輯語義與已經(jīng)模型化的變電站數(shù)據(jù)對象進行智能匹配。例如，將典型安全措施中的 〔線路保護〕至 〔母線保護〕的 〔啟動失靈〕” 匹配為 “〔PL2203 220 kV漢昌線路保護〕至 〔PM2201 220 kVⅠⅡ段母線保護〕 的 〔啟動失靈〕 ”；

4)基于語義規(guī)則進行操作對象的語義匹配，即將語義規(guī)則中定義的實例對象關(guān)聯(lián)的操作對象與已經(jīng)匹配的變電站實施對象關(guān)聯(lián)的軟壓板、虛回路進行匹配，匹配基于關(guān)鍵字進行。例如，語義規(guī)則中實施對象關(guān)聯(lián)的操作對象為 “退出 〔線路保護〕上連接 〔線路合并單元〕的 〔采樣接收壓板〕”匹配為 “退出 〔PL2203漢昌線路保護〕上連接〔ML2203線路合并單元〕的 〔SV接收軟壓板1〕”。

3.4 安全措施票的編輯調(diào)整及確認

安全措施票的編輯調(diào)整及確認首先是展示待檢修裝置關(guān)聯(lián)的各個實施對象及操作對象，其次展示與典型語義規(guī)則的匹配結(jié)果，使檢修工作人員能夠非常清晰的看到待檢修設(shè)備與關(guān)聯(lián)設(shè)備之間的可執(zhí)行的安全措施即可打開的壓板或可拔出的光纖以可見斷口的形式直觀展示。

操作對象的匹配會出現(xiàn)三種結(jié)果:

1)SCD文件中已經(jīng)建模，語義規(guī)則庫中的操作對象能夠與SCD文件中的數(shù)據(jù)對象進行匹配，例如跳閘出口軟壓板。這種情況下匹配結(jié)果直接將通用操作對象替換成具體的操作對象實例。

2)SCD文件中已經(jīng)建模，但由于描述不規(guī)范等原因，語義規(guī)則中的通用操作對象未能與實例操作對象進行匹配，這種情況下要標(biāo)識為 “待確認”，供工作人員現(xiàn)場確認應(yīng)匹配的操作對象是否存在，如存在則可選為安全措施，如不存在，則通過拔光纖來斷開聯(lián)系。

3)由于SCD文件中未建模，語義規(guī)則中的某些通用操作對象無法進行模型化匹配，在自動生成的安全措施票中會按照典型安全措施語義中定義好的通用操作對象的順序直接列出來，且標(biāo)識為“待確認”(如表4所示)，供工作人員現(xiàn)場確認要操作的對象實例，例如光纖和二次連片。

圖形化展示界面如圖3所示，對適配結(jié)果進行了詳細的展示。圖中按順序標(biāo)號列出了本次檢修安全措施中所有的操作對象。其中表示的是光纖端口，表示的是措施中要拔掉的光纖端口，即可見斷口。表示的是壓板，是措施中要退出的壓板，即可見斷口。如果壓板對象未匹配成功，會在具體的壓板上加標(biāo)識，加了標(biāo)識的壓板形如需要現(xiàn)場確認。

圖3 安全措施票圖形化展示界面

4 工程應(yīng)用

選取220 kV雙母線接線方式下保護裝置雙套配置且采用傳統(tǒng)互感器＋合并單元＋智能終端設(shè)計方案的一個變電站案例，以其線路保護PL2203在間隔停電狀況下的首次檢修為例，說明二次安全措施編制的實施過程。

1)典型二次檢修安全措施形式化。線路保護首次檢修工作，一般是配合一次設(shè)備停電才能下達批復(fù)計劃，且進行間隔首次檢修即一般該間隔所有二次設(shè)備均需要進行檢修，檢修場景是一次設(shè)備停電，雙套 “線路保護＋合并單元＋智能終端”停運檢修模式”。典型檢修安全措施形式化的語義規(guī)則見表4所示。

2)語義匹配后的安全措施。語義匹配后的安全措施見表5所示。

表4 安全措施語義規(guī)則示例

表5 匹配后的安全措施

①拔掉220 kV漢昌線合并單元 〔ML2203〕至220 kV母線合并單元 〔MM2201〕直采光纖；

②退出220 kVⅠ，Ⅱ段母線保護 〔PM2201〕漢昌線間隔失靈GOOSE接收軟壓板 (未匹配，待確認)；

③退出220 kVⅠ，Ⅱ段母線保護 〔PM2201〕支路10＿SV接收軟壓板；

④拔掉220 kV漢昌線智能終端 〔IL2203〕至220 kVⅠ，Ⅱ段母線保護 〔PM2201〕的間隔直跳光纖 (待確認)；

⑤拔掉220 kV漢昌線保護 〔PL2203〕至線路對側(cè)保護光纖 (與SCD未匹配，待確認)。

自動生成的可打印版本的安全措施票，由打印在安全措施票和表5可知，對于SCD文件中未建模的二次回路連片和光纖，在自動生成的安全措施票中按照典型安全措施語義中定義好的通用操作對象的順序被直接羅列出來，且被標(biāo)識為 “待確認”，只需由現(xiàn)場人員確認即可；對于母線保護漢昌線間隔的 “失靈GOOS接收軟壓板”由于SCD中描述不規(guī)范等原因，語義規(guī)則中的通用操作對象未能與實例操作對象進行匹配，這種情況下需要工作人員現(xiàn)場確認應(yīng)匹配的操作對象是否存在，如存在則可選為安全措施，如不存在，則通過拔光纖來斷開聯(lián)系?？紤]到檢修工作開始前必須經(jīng)過實際現(xiàn)場查勘，核實安全措施是否恰當(dāng)，而二次回路壓板及光纖等均為直觀可見且易于現(xiàn)場檢查的，故本文所提方案所增加的現(xiàn)場工作量并不大。

5 分析與討論

與現(xiàn)有方案相比，本文所提方案以檢修任務(wù)類型 (首次檢修、例行試驗等)作為二次檢修安全措施票的基本單元，以回路、壓板為基本匹配對象，將典型票中的二次安全措施與SCD文件中的壓板、虛回路進行匹配。根據(jù)SCD文件的完整程度和標(biāo)準(zhǔn)化程度的不同，匹配成功的壓板和回路自動轉(zhuǎn)換成二次檢修安全措施，匹配失敗的自動篩選并縮小選擇范圍，輔助人工進行匹配，并在人工匹配成功后生成二次檢修安全措施。這樣既避免了大量的補充建模工作，又能給現(xiàn)場編制和執(zhí)行安全措施票以指導(dǎo)，有效預(yù)防因?qū)Χ螜z修措施及變電站二次模型理解不夠可能導(dǎo)致的安全事故。

本文提出的典型二次安全措施語義與SCD文件對象模型智能匹配的安全措施票生成方法，待完善的地方主要有:

1)典型安全措施語義庫不完整問題

如前所述，典型安全措施語義庫是針對經(jīng)常出現(xiàn)的典型檢修場景制定的安全措施語義規(guī)則，而工程現(xiàn)場的檢修場景是千差萬別的，一定會出現(xiàn)某種特殊的檢修場景無可用的典型安全措施語義規(guī)則和可依據(jù)的情況。針對這個問題，本文的建議是通過圖形化直觀展示待檢修設(shè)備與相關(guān)設(shè)備的實施對象和操作對象，給工作人員以指導(dǎo)。

2)SCD模型不完整問題

鑒于當(dāng)前的建模標(biāo)準(zhǔn)，SCD文件中描述的數(shù)據(jù)范圍有限，以下數(shù)據(jù)對象是缺失的:電流、電壓互感器；斷路器操作機構(gòu)；線路保護對側(cè)站的線路保護裝置；光纖回路和光纖端口；電流、電壓互感器與合并單元之間的回路連片。

針對這個問題，不建議強制補充建模，而是在生成的安全措施票中給出提示，由工作人員現(xiàn)場確認。隨著標(biāo)準(zhǔn)的逐步完善，待SCD建模的范圍擴展后，變電站全景數(shù)據(jù)對象模型化會得到更好的解決。

6 結(jié)束語

在充分研究二次檢修安全措施的實際需要基礎(chǔ)上，通過形式化的典型安全措施語義與SCD文件中變電站數(shù)據(jù)對象語義匹配方法實現(xiàn)了智能變電站安全措施的自動生成，對SCD文件數(shù)據(jù)挖掘保證了二次檢修安全措施編制效率和完整性，在變電站數(shù)據(jù)對象模型化模塊中預(yù)留了隨著SCD文件標(biāo)準(zhǔn)化和完整性提升而實現(xiàn)全模型匹配的接口，具備可實施性和推廣價值，將會大大提高檢修安全措施編制效率，提升電網(wǎng)的安全運行水平。

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Research on the Method of Generating Safety Measures for Secondary Maintenance of Smart Substation Based on SCD Object Model

LI Hui1，DING Xiliang2，ZHU Weijun1，CHEN Xin2，LIU Haifeng1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.Shandong Roof innovation technology Co.，Ltd.，Jinan 250101，China)

Considering the technical features of smart substation，the problems in compiling safety measures of secondary maintenance are analyzed.And a generation method of safety measures ticket by intelligently matching typical secondary safety measures semantic and SCD document object model is proposed.By extracting the contextualfactor，implementation object and operation object from typical secondary maintenance safety measures，the typical tickets are formalized.Through analyzing the virtual circuits，object of the soft binder plate from SCD file，and combining with automatically match of maintenance scenes with typical ticket implementation objects and operation objects，the efficiency problem with secondary safety measures automatic generation is solved.Also，by graphical display of implementation object，operation object and matching result，the optical fiber and the hard binder plate which are not modeled in SCD file can be easily confirmed at maintenance scene. Meanwhile，the graphical display can be used as reference for the special maintenance scenarios of non-typical safety measures ticket.Finally，the feasibility of proposed method is verified by an example of first inspection of line protection in a smart substation with 220 kV double bus connection.

smart substation；secondary maintenance；isolation measures；SCD file；semantic match

TM63

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:1008-0198(2017)02-0001-06

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.02.001

2016-09-21 改回日期:2016-10-31

國網(wǎng)湖南省電力公司科技項目 (5216A5140026)

李輝(1983)，山東泰安人，博士，高級工程師，主要研究方向為高壓直流輸電、電力系統(tǒng)繼電保護及自動化技術(shù)。

丁希亮(1982)，山東濱州人，碩士研究生，主要研究方向為智能變電站及相關(guān)技術(shù)。