基于典型繼電保護(hù)語義的安全措施自動生成方法研究

姜 鵬，徐明宇，董爾佳，王魯昕，穆興華，崔佳鵬

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱150030)

●電力電子及電力系統(tǒng)自動化●

基于典型繼電保護(hù)語義的安全措施自動生成方法研究

姜 鵬，徐明宇，董爾佳，王魯昕，穆興華，崔佳鵬

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱150030)

目前智能變電站二次檢修工作安全措施的生成需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)建模和模型計算，已無法滿足安全措施編制的效率要求。為此，提出一種基于典型二次檢修繼電保護(hù)語義的智能變電站二次檢修安全措施票自動生成的方法，以提高安全措施生成的效率和正確性。通過將規(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)則并解析SCD文件,將變電站檢修工作的實施對象、操作對象進(jìn)行模型化，兩者均作為語義匹配提供技術(shù)數(shù)據(jù)。再將通用語義規(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，完成語義規(guī)則與變電站實例對象的語義匹配。最終實現(xiàn)安全措施的自動生成，并通過圖形化界面展示各個實施對象和操作對象，有效提升了電網(wǎng)的安全檢修水平。

智能變電站、安全措施、語義匹配、繼電保護(hù)

1 典型繼電保護(hù)安全措施

智能變電站典型的安全措施的描述一般為“拔掉××保護(hù)裝置上，連接××合并單元的直采光纖”“××保護(hù)退出××軟壓板”等語義[1-3]。通過對典型安全措施深入研究可見，抽象的典型安措內(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(jìn)行操作來完成[4-5]。在智能變電站中，操作對象可分為四類：1)退出保護(hù)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，表1說明了待檢設(shè)備A相關(guān)的實施對象和操作對象的關(guān)系。

表1 安全措施實施對象和操作對象的關(guān)系

因此，典型安全措施可以進(jìn)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(jìn)而可以自動生成出檢修作業(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，可以方便地通過計算機建模，用于與通用語義規(guī)則進(jìn)行匹配[6]；而光纖、二次連片等操作對象并未在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，在自動化生成的安措序列作為待確認(rèn)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)行安措票以指導(dǎo)。

2 基于典型安全措施語義的安措自動生成

2.1 典型二次檢修安全措施形式化

典型二次安全措施的形式化由變電站設(shè)計方案定義、檢修模式定義以及安措實施對象和操作對象形式化三部分組成。

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(hù)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。

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(首檢、例行試驗、消缺升級)。

在運行規(guī)程中，對每種設(shè)計方案的變電站，每一種設(shè)備類型(母線保護(hù)、線路保護(hù)、主變保護(hù)、合并單元、智能終端、備自投等)在確定的檢修模式下要進(jìn)行的安全措施都進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，這里就需要結(jié)合運行規(guī)程對安全措施中的實施對象和操作對象進(jìn)行識別并將其逐一模型化、對象化。

實施對象形式化可表示為：

[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]}

操作對象形式化可表示為：

[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]}。

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，線路保護(hù)與母線保護(hù)的實施對象語義示例如表2所示。

表2 安措實施對象的語義

2.2 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。具體過程為：確定變電站設(shè)計方案類型，即確定變電站電壓等級、設(shè)計方案、保護(hù)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[7]。

基于目前國內(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)備類型及所屬間隔的模型。例如PM代表母線保護(hù)、PL代表線路保護(hù)。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(jìn)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，詳見表3。

表3 安措實施對象提取的語義規(guī)則

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，確定操作對象的模型。根據(jù)Q/GDW1396—2012《IEC61850工程繼電保護(hù)應(yīng)用模型》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[8-9]。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，采用模型對象描述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，需要進(jìn)行人工配置調(diào)整。

2.3 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措語義規(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，具體過程如下：

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(jìn)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(jìn)行智能匹配。例如，將典型安措中的：“[線路保護(hù)]至[母線保護(hù)]的[啟動失靈]”匹配為“[PL612A 220 kV××線路57211線路保護(hù)A套]至[PM220A 220 kV母線保護(hù)A套]的[啟開關(guān)1失靈GOOSE發(fā)送軟壓板]”。

4) 基于語義規(guī)則進(jìn)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(jìn)行匹配，匹配基于關(guān)鍵字進(jìn)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(hù)]上連接[線路合并單元]的[采樣接收壓板]”匹配為“退出[PL612A 220 kV××線路57211線路保護(hù)A套]上連接[ML612A 220 kV××線路57211線路合并單元A套]的[合并單元直采接收軟壓板]”。

2.4 安措票的編輯調(diào)整及確認(rèn)

安措票的編輯調(diào)整及確認(rèn)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地看到待檢修設(shè)備與關(guān)聯(lián)設(shè)備之間的可執(zhí)行的安措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(jìn)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(jìn)行匹配，這種情況下要標(biāo)識為“待確認(rèn)”，供工作人員現(xiàn)場確認(rèn)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(jìn)行模型化匹配，在自動生成的安措票中會按照典型安措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(rèn)”，供工作人員現(xiàn)場確認(rèn)要操作的對象實例，例如光纖和二次連片。

3 安全措施自動生成系統(tǒng)

安全措施自動生成系統(tǒng)采用C/S模式開發(fā)，在服務(wù)器無法連接時客戶端可以離線獨立運行。服務(wù)器端配置在智能變電站配置文件管控系統(tǒng)中，采用Spring+G4Studio框架搭建，由Java語言開發(fā)，與客戶端采用HTTP+JSON的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問和文件傳輸。服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫采用MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。

圖1 安全措施自動生成系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

客戶端采用Web技術(shù)和Node技術(shù)整合的方式開發(fā)，基于NW.js框架搭建而來，以PC客戶端軟件的形式提供?？蛻舳藬?shù)據(jù)庫采用SQLite文件數(shù)據(jù)庫，便于客戶端與服務(wù)器端的數(shù)據(jù)上傳和下載。整體結(jié)構(gòu)圖如1圖所示：整體結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)分析層、服務(wù)層、人機交互層以及管理層構(gòu)成。

1) 數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層分為公用數(shù)據(jù)庫、典型方案數(shù)據(jù)庫、SCD信息數(shù)據(jù)庫、語義規(guī)則庫、檢修規(guī)則、順序校驗規(guī)則等。公用數(shù)據(jù)庫主要包括電壓等級、接線方式、間隔類型、裝置類型等基本信息。典型方案數(shù)據(jù)庫是基于國網(wǎng)“六統(tǒng)一”繼電保護(hù)裝置整理的典型設(shè)計數(shù)據(jù)，主要包含裝置的壓板、虛端子、虛回路、物理端口等信息。變電站模型數(shù)據(jù)庫主要是存儲SCD文件解析后的各類模型化數(shù)據(jù)對象。語義規(guī)則庫主要是存儲各類形式化的典型二次檢修安全措施。檢修規(guī)則是將不同的檢修模式形式化為計算機可以識別的語義。順序校驗規(guī)則主要是用于二次檢修安全措施的校驗。

2) 業(yè)務(wù)分析層。業(yè)務(wù)分析層主要是解析SCD文件、變電站數(shù)據(jù)模型與典型方案的關(guān)聯(lián)以及安全措施的生成。

3) 服務(wù)層。服務(wù)層主要提供圖形化服務(wù)和順序校驗服務(wù)。

4) 人機交互層。人機交互層主要包括數(shù)據(jù)實例化調(diào)整、安措票編制、壓板與虛回路關(guān)系圖形化配置、安全措施圖形化預(yù)演、安全措施順序校驗，其中數(shù)據(jù)實例化調(diào)整是考慮當(dāng)前變電站數(shù)據(jù)模型與典型方案匹配規(guī)則不全而增加的人工確認(rèn)和調(diào)整功能。壓板與虛回路關(guān)系圖形化配置是將變電站數(shù)據(jù)模型中壓板與虛回路進(jìn)行關(guān)聯(lián)，形成完整回路。安全措施圖形化預(yù)演是在圖形上進(jìn)行安全措施的演示，輔助運檢人員查看安全措施編制是否合理。

5) 管理層。實現(xiàn)安措數(shù)據(jù)的管理，主要是實現(xiàn)安措中間數(shù)據(jù)的上傳、下載，安措票的查詢、上傳、下載。同時通過數(shù)據(jù)接口層與智能變電站配置文件管控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互實現(xiàn)安措數(shù)據(jù)的統(tǒng)一歸檔和管理。

4 二次檢修安全措施自動生成實例

以220 kV線路保護(hù)在一次設(shè)備停電狀況下首檢為例，220 kV朔祥乙線A套保護(hù)裝置在一次設(shè)備停電狀況下首檢，規(guī)范規(guī)定線路保護(hù)首檢(A4類檢修)工作在線路間隔一次設(shè)備停電狀況下進(jìn)行，采取雙套“線路保護(hù)+合并單元+智能終端”停運檢修模式，二次停電范圍為“線路保護(hù)裝置+線路合并單元+線路智能終端”，二次檢修范圍為“線路保護(hù)裝置+線路合并單元+線路智能終端”。二次安全措施實施對象依次為：線路保護(hù)發(fā)跳閘至線路智能終端，線路保護(hù)發(fā)啟失靈至母線保護(hù)，線路合并單元發(fā)線路電流電壓至線路保護(hù)。根據(jù)待檢裝置以及工作類型等可以篩選出對應(yīng)的典型票，且典型安全措施依次為：退出線路保護(hù)GOOSE跳閘出口軟壓板、退出線路保護(hù)GOOSE閉鎖重合閘軟壓板、退出線路保護(hù)GOOSE重合閘軟壓板、退出母線保護(hù)線路支路GOOSE失靈開入軟壓板、退出線路保護(hù)啟動母差失靈GOOSE出口軟壓板、投入線路保護(hù)檢修壓板、斷開線路保護(hù)SV直采尾纖，并用防塵帽罩好尾纖，生成結(jié)果如圖2所示。

通過典型安全措施可以創(chuàng)建現(xiàn)場工作需要的安全措施，220 kV朔祥乙線A套保護(hù)裝置在一次設(shè)備停電狀況下首檢基于規(guī)則生成的安全措施為：

1) 退出CSC103BE-220kV朔祥乙線57211保護(hù)AGO跳閘；

2) 退出CSC103BE-220kV朔祥乙線57211保護(hù)AGO閉鎖重合閘；

3) 退出CSC103BE-220kV朔祥乙線57211保護(hù)AGO合閘出口；

4) 退出SGB750-220kV母線保護(hù)A線路1失靈開入；

5) 退出CSC103BE-220kV朔祥乙線57211保護(hù)AGO啟動失靈；

6) 投入CSC103BE-220kV朔祥乙線57211保護(hù)A檢修壓板；

7) 拔掉CSC103BE-220kV朔祥乙線57211保護(hù)A來自CSN-15B-220kV朔祥乙線57211合并單元A SV點對點光口光纖，并用防塵帽罩好光纖頭。

圖2 線路保護(hù)在一次設(shè)備停電狀況下首檢安全措施

在自動生成二次安全措施的同時，系統(tǒng)還將自動生成的安全措施效果圖和安全措施具體效果，如3圖所示。

圖3 安全措施效果圖

5 結(jié) 論

1) 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)了典型票的形式化。

2) 實現(xiàn)了對待處理變電站的基于SCD文件的實施對象、操作對象的模型化；并通過分析智能變電站SCD文件中虛回路、軟壓板對象及結(jié)合檢修場景，實現(xiàn)與典型票中實施對象和操作對象的自動匹配，解決了二次安措票自動生成的效率問題。

3) 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(rèn)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措票的特殊檢修場景下安措票編寫的指導(dǎo)。

4) 實現(xiàn)二次安全措施的自動生成，為現(xiàn)場二次檢修人員提供合理的安全措施規(guī)則及建議，這將大大提高二次檢修安全措施編制效率，提升電網(wǎng)的安全運行水平。

[1] 李孟超，王允平，李獻(xiàn)偉，等. 智能變電站及技術(shù)特點分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，38(18): 59-63.

LI Mengchao, WANG Yunping, LI Xianwei, et al. Smart substation and technical characteristics analysis[J]. Power System Protection and Control, 2012, 38(18): 59-63.

[2] 李秀麗, 李旭, 葛艷娜, 等 . 智能變電站基于信息交互模式的全景檢修的研究和應(yīng)用 [J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制 , 2012, 40(15): 127-131.

LI Xiuli, LI Xu, GE Yanna, et al. Research and application of panoramic maintenance scheme based on information interaction[J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(15): 127-131.

[3] 彭少博, 鄭永康, 周波, 等. 220 kV 智能變電站檢修二次安措優(yōu)化研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(23):143-148.

PENG Shaobo, ZHENG Yongkang, ZHOU Bo, et al. Study of optimization of secondary safety measures of 220kV smart substation maintenance [J] . Power System Protection and Control, 2014,42(23): 143-148.

[4] 朱林, 段獻(xiàn)忠, 蘇盛，等. 基于證據(jù)理論的數(shù)字化變電站繼電保護(hù)容錯方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2011, 26(1):154-161.

ZHU Lin, DUAN Xianzhong, SU Sheng, et al. Evidence theory based fault-tolerant method for protective relays in digital substations[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(1): 154-161.

[5] 徐長寶, 莊晨, 蔣宏圖. 智能變電站二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43(7): 127-131.

XU Changbao, ZHUANG Chen, JIANG Hongtu. Technical research of secondary equipments' state monitoring in smart substation[J]. Power System Protection and Control, 2015,43(7):127-131.

[6] 高吉普，張沛超，何旭，等. 智能變電站保護(hù)系統(tǒng)可靠性的自動分析方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42(15)：107-112.

GAO Jipu, ZHANG Peichao, HE Xu, et al. An automatic reliability analysis method for protection systems in smart substations[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(15)：107-112.

[7] 王同文，謝民，孫月琴，等. 智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43(6)：58-66.

WANG Tongwen, XIE Min, SUN Yueqin, et al. Analysis of reliability for relay protection systems in smart substation[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(6): 58-66.

[8] 伊洋，胡蘇凱，周宇，等. 智能變電站SCD 文件二維校驗碼校驗方法研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43(2)：113-118.

YI Yang, HU Sukai, ZHOU Yu, et al. Research of smart substation SCD file check based on two-dimensional check code[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(2): 113-118.

[9] 侯偉宏，裘愉濤，吳振杰，等.智能變電站繼電保護(hù)GOOSE回路安全措施研究[J].中國電力，2014,47(9):143-148.

HOU Weihong，QIU Yutao，WU Zhenjie, et al.Study GOOSE isolation measures in smart substation relay protection[J].Electric Power,2014,47(9):143-148

Automatic security measure generation method based on typical relay protection semantics

JIANG Peng,XU Mingyu,DONG Erjia,WANG Luxin,MU Xinghua,Cui Jiapeng

(Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co.,Ltd.,Harbin 150030,China)

At present, the security measure generation for secondary maintenance of intelligent substation requires a lot of data modeling and model calculation, which can not meet the efficiency requirements of safety measure compilation. A method to automatically generate the security measures for the secondary maintenance of the intelligent substation based on the typical secondary maintenance relay protection semantics is proposed, in order to improve the efficiency and correctness of the safety measures. By transforming the typical secondary security measures in the program into the semantic rules that can be recognized by the computer, and by analyzing the SCD file, the implementation objects and operation objects of the substation repair work are modeled, both of which provide technical data for semantic matching. And then the general implementation object and the operation object in the universal semantic rule are embodied as the implementation object instance and the operation object instance defined in the SCD file, and the semantic matching of the semantic rule and the substation instance object is completed. And finally the automatic security measure generation is realized, and the implementation of the object and the operation object is displayed through the graphical interface, which effectively improves the safety and maintenance level of the grid.

intelligent substation; security measure; semantic matching; relay protection

2017-06-30。

國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司科技項目(52243715000X)。

姜 鵬(1986—)，男，碩士研究生,助理工程師，主要從事變電檢修繼保二次調(diào)試、智能變電站檢修方案研究等工作。

TM77

A

2095-6843(2017)05-0377-05

(編輯陳銀娥)