智能變電站故障過程可視化分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

耿曉輝 ，侯念國 ，張 辰 ，宋明慧 ，田君茹

（1.國網(wǎng)山東省電力公司淄博供電公司，山東 淄博 255032；2.積成電子股份有限公司，山東 濟(jì)南 250100）

0 引言

近年來，隨著電力系統(tǒng)的高速發(fā)展，智能變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行已成為一個(gè)重要課題。繼電保護(hù)裝置作為電力系統(tǒng)重要組成部分，其正確的保護(hù)動(dòng)作邏輯關(guān)系直接影響到電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，繼電保護(hù)裝置快速定位并切除故障以確保電網(wǎng)安全運(yùn)行和穩(wěn)定性。而造成電網(wǎng)故障的一個(gè)重要潛在風(fēng)險(xiǎn)因素是繼電保護(hù)裝置不能正確動(dòng)作，該風(fēng)險(xiǎn)會(huì)嚴(yán)重危害電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［1-3］。

繼電保護(hù)工作者一直致力于電力系統(tǒng)故障正確分析和繼電保護(hù)動(dòng)作安全性工作。常規(guī)的故障分析方法為調(diào)取并打印保護(hù)裝置動(dòng)作報(bào)告和動(dòng)作錄波，根據(jù)定義解析故障報(bào)文輸入輸出內(nèi)容，最后結(jié)合裝置內(nèi)部邏輯圖分析動(dòng)作和結(jié)果的正確性［4］。該方法工作繁瑣，容易出錯(cuò)，故障分析過程不直觀、不及時(shí)。

為更好地梳理保護(hù)裝置內(nèi)部動(dòng)作邏輯關(guān)系，智能變電站信息規(guī)范明確提出繼電保護(hù)中間節(jié)點(diǎn)信息概念，要求裝置保護(hù)動(dòng)作信息應(yīng)和該次故障的保護(hù)錄波和中間節(jié)點(diǎn)信息關(guān)聯(lián)，中間節(jié)點(diǎn)信息滿足邏輯圖展示要求，邏輯圖宜與保護(hù)裝置說明書邏輯圖一致，以時(shí)間為線索可清晰再現(xiàn)故障過程中各保護(hù)功能元件的動(dòng)作邏輯及先后順序，并提供各保護(hù)元件的關(guān)鍵計(jì)算量作為動(dòng)作依據(jù)［5］。保護(hù)裝置的中間節(jié)點(diǎn)文件時(shí)序應(yīng)與保護(hù)裝置的錄波文件時(shí)序保持一致。智能變電站信息規(guī)范僅明確了各中間節(jié)點(diǎn)文件的詳細(xì)內(nèi)容，沒有明確保護(hù)邏輯圖的設(shè)計(jì)要求以及保護(hù)邏輯圖與中間節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)方法。

為此，首先分析智能變電站繼電保護(hù)裝置故障記錄的可視化需求，結(jié)合智能變電站故障過程可視化分析系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，深入研究加密型的G語言用于表達(dá)電力系統(tǒng)圖元以及繼電保護(hù)邏輯圖，選定SQLite數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)保護(hù)邏輯圖與中間節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)模型，邏輯圖與中間節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以及采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)通信方式實(shí)現(xiàn)文件的在線獲取等關(guān)鍵技術(shù)。通過研制智能變電站故障過程可視化分析系統(tǒng)，為運(yùn)維人員提供便捷的故障分析支撐。最后總結(jié)試點(diǎn)工程應(yīng)用效果。

1 需求分析

智能變電站安全運(yùn)行是智能電網(wǎng)穩(wěn)定、高效運(yùn)行的基礎(chǔ)，與常規(guī)變電站相比，站內(nèi)繼電保護(hù)裝置模型采用IEC 61850通信標(biāo)準(zhǔn)，使得在數(shù)據(jù)傳輸、信息化等方面得到很大的提高。但是，在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，如何快速分析和定位故障問題，使得故障設(shè)備及時(shí)切除，以確保電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。系統(tǒng)除應(yīng)提供可視化和智能化的故障分析方案外，還應(yīng)滿足不同裝置類型、裝置升級(jí)后的快速高效分析的需求。

1.1 可視化交互

首先，針對(duì)繼電保護(hù)裝置動(dòng)作邏輯分析的“實(shí)”到“虛”，通過網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，仿真演示繼電保護(hù)裝置的本地或遠(yuǎn)程在線可視化展示和操作。其次，針對(duì)繼電保護(hù)裝置的故障錄波信息，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可視化的波形視圖分析，從直觀的波形趨勢(shì)快速分析故障發(fā)生的原因，以及可以從相關(guān)數(shù)據(jù)信息的值分析數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性，以更便捷的分析故障原因。

1.2 智能化分析

首先充分利用智能變電站標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)中間節(jié)點(diǎn)文件和故障錄波文件的在線實(shí)時(shí)獲取。其次支持保護(hù)動(dòng)作邏輯和故障錄波的聯(lián)動(dòng)分析，通過聯(lián)動(dòng)分析，可以根據(jù)動(dòng)作邏輯情況以及故障錄波信息綜合分析故障原因，使得快速定位問題，解決問題，排除故障，從而保證電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

1.3 自適應(yīng)性

自適應(yīng)是指能夠自動(dòng)適應(yīng)不同型號(hào)的裝置，同時(shí)支持裝置型號(hào)版本邏輯的升級(jí)，支持向前兼容裝置型號(hào)的邏輯和后續(xù)擴(kuò)展新型號(hào)的邏輯。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于智能變電站故障問題分析和定位的需求分析，設(shè)計(jì)了一套基于中間節(jié)點(diǎn)文件和故障錄波文件，通過可視化操作和智能化分析，實(shí)現(xiàn)快速高效分析智能變電站繼電保護(hù)裝置故障原因的系統(tǒng)，即智能變電站故障在線過程可視化分析系統(tǒng)。智能變電站繼電保護(hù)裝置發(fā)生故障時(shí)，輸出中間節(jié)點(diǎn)文件和故障錄波文件，然后系統(tǒng)通過IEC 61850通信規(guī)約獲取中間節(jié)點(diǎn)文件和故障錄波文件進(jìn)行加載解析，結(jié)合預(yù)先配置的參數(shù)和繪制的邏輯圖，實(shí)現(xiàn)可視化仿真和故障分析，系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

智能變電站故障過程可視化分析系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、參數(shù)配置、邏輯圖繪制、自動(dòng)在線獲取故障錄波文件和中間節(jié)點(diǎn)文件、邏輯圖和故障錄波可視化展示、邏輯圖動(dòng)態(tài)刷新和版本管理自適應(yīng)功能模塊，其功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

電力系統(tǒng)圖元、邏輯圖以及邏輯圖與中間節(jié)點(diǎn)文件的映射關(guān)系是智能變電站故障過程可視化分析系統(tǒng)的重要信息組成部分。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

G語言作為一種可擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)XML純文本語言，具備描述傳統(tǒng)二維圖形的能力，支持高效存取、通用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，適用于存儲(chǔ)電力系統(tǒng)圖元和邏輯圖。同時(shí)，從數(shù)據(jù)安全性角度考慮，為G語言描述的文件進(jìn)行了加密處理，加密算法采用MD5。邏輯圖與中間節(jié)點(diǎn)文件的映射關(guān)系采用SQLite數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，該數(shù)據(jù)庫具有輕量級(jí)、無服務(wù)器、零配置、支持跨平臺(tái)等優(yōu)點(diǎn)。采用加密性文件和SQLite數(shù)據(jù)庫兩種形式存儲(chǔ)變電站配置信息，從一定程度上有效保證了軟件的安全性。

2.2 參數(shù)配置

在繪制邏輯圖之前，預(yù)先做好邏輯圖的模型參數(shù)和關(guān)聯(lián)參數(shù)的配置工作。具體步驟為：

1）分析繼電保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)邏輯圖。根據(jù)繼電保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)邏輯圖，分析邏輯圖的邏輯關(guān)系及運(yùn)算順序，首先應(yīng)明確動(dòng)作事項(xiàng)參與的“與或非”運(yùn)算的邏輯關(guān)系，依據(jù)自左向右、自上而下依次遞增原則進(jìn)行標(biāo)記邏輯運(yùn)算順序。其次，明確邏輯圖包含的圖元類型，包括保護(hù)動(dòng)作事項(xiàng)（邏輯圖輸入與輸出）、邏輯運(yùn)算（邏輯與、邏輯或、邏輯非）、連接線以及模擬量文本。最后，確定關(guān)鍵詞，關(guān)鍵詞是指用于確定調(diào)用該邏輯圖的事項(xiàng)動(dòng)作，即當(dāng)系統(tǒng)加載中間節(jié)點(diǎn)信息，通過判斷動(dòng)作事項(xiàng)的變位信息以調(diào)取并展示邏輯圖。

2）創(chuàng)建邏輯圖模型。根據(jù)邏輯圖的分析結(jié)果編輯邏輯圖模型，邏輯圖模型的參數(shù)主要包括參與邏輯運(yùn)算輸入輸出的動(dòng)作事項(xiàng)信息，邏輯運(yùn)算關(guān)系信息和模擬量參數(shù)。其中動(dòng)作事項(xiàng)信息包含事項(xiàng)ID、事項(xiàng)名稱、事項(xiàng)狀態(tài)值和狀態(tài)值類型，狀態(tài)值類型分為原始值和計(jì)算值；邏輯運(yùn)算關(guān)系信息包含當(dāng)前運(yùn)算關(guān)系的ID、描述、狀態(tài)值、值類型、運(yùn)算規(guī)則，以及參與運(yùn)算事項(xiàng)的ID和值類型；模擬量參數(shù)信息包含模擬量的ID、描述、值和單位。

3）配置動(dòng)作事項(xiàng)與邏輯圖的關(guān)聯(lián)關(guān)系?；谶壿媹D的分析，每個(gè)邏輯圖中均有某些特定的動(dòng)作事項(xiàng)可以作為識(shí)別本邏輯圖的識(shí)別項(xiàng)，因此，根據(jù)選擇的動(dòng)作事項(xiàng)建立與邏輯圖的關(guān)系，通過關(guān)聯(lián)動(dòng)作事項(xiàng)的ID尋找邏輯圖的序號(hào)（keygraid）和名稱，從而可以根據(jù)中間節(jié)點(diǎn)信息中變化的動(dòng)作事項(xiàng)關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)邏輯圖并展示。

2.3 邏輯圖繪制

系統(tǒng)中的邏輯圖繪制模塊提供了便捷的邏輯圖相關(guān)的圖元繪制按鈕，例如輸入、輸出、與或非關(guān)系圖元、連接線和模擬量文本圖元，如圖3所示。

圖3 邏輯圖繪制模塊

首先，繪制圖元，通過選擇工具欄中提供的圖元，在畫布上根據(jù)需要繪制相應(yīng)大小的圖元。其次，配置圖元屬性，基于配置的邏輯圖模型，為繪制的每個(gè)圖元配置相關(guān)屬性。最后，整體布局并保存。邏輯圖的繪制完成為邏輯圖可視化展示奠定了基礎(chǔ)。

2.4 故障記錄在線獲取

變電站繼電保護(hù)裝置發(fā)生保護(hù)動(dòng)作時(shí)，裝置以IEC 61850報(bào)告的形式上送故障錄波序號(hào)值，該值會(huì)根據(jù)保護(hù)動(dòng)作次數(shù)而依次累加，故可作為裝置故障錄波文件和中間節(jié)點(diǎn)文件在線獲取的觸發(fā)依據(jù)。

變電站通信服務(wù)模塊初始化繼電保護(hù)裝置文件管理線程，遍歷讀取系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的故障錄波序號(hào)值，標(biāo)記為原值Y，啟動(dòng)繼電保護(hù)裝置文件管理線程，定時(shí)刷新系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的故障錄波序號(hào)值，標(biāo)記為新值X，計(jì)算X-Y是否等于1，如果是，則啟動(dòng)裝置故障錄波文件和中間節(jié)點(diǎn)文件在線獲取線程，傳輸方式采用DL/T 860的文件服務(wù)，獲取到的故障錄波和中間節(jié)點(diǎn)文件存儲(chǔ)于特定位置。繼電保護(hù)裝置故障錄波文件和中間節(jié)點(diǎn)文件在線獲取流程如圖4所示。

圖4 文件在線獲取流程

2.5 邏輯圖動(dòng)態(tài)刷新

基于在線獲取機(jī)制，當(dāng)有新的中間節(jié)點(diǎn)和故障錄波文件產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)加載解析新的繼電保護(hù)裝置故障錄波文件和中間節(jié)點(diǎn)文件，動(dòng)態(tài)展示最新的邏輯圖和波形圖，供運(yùn)維人員及時(shí)查閱最新信息。圖5展示了邏輯圖動(dòng)態(tài)刷新界面。

圖5 邏輯圖動(dòng)態(tài)刷新界面

系統(tǒng)支持自動(dòng)仿真和手動(dòng)仿真兩種方式。自動(dòng)仿真是根據(jù)中間節(jié)點(diǎn)信息文件記錄的時(shí)刻自動(dòng)仿真整個(gè)過程。手動(dòng)仿真是通過點(diǎn)擊“下一時(shí)刻”可以逐時(shí)刻的仿真進(jìn)行分析；系統(tǒng)通過“上一時(shí)刻”支持仿真反演的過程；通過“邏輯圖返回”可以恢復(fù)至邏輯圖的初始狀態(tài)。系統(tǒng)支持繪制的邏輯圖縮放、實(shí)際大小和移動(dòng)位置等，也支持故障錄波波形圖的橫向縮放、縱向縮放和波形復(fù)位，同時(shí)在整個(gè)仿真演示過程中，邏輯圖仿真和故障錄波波形信息是關(guān)聯(lián)的，當(dāng)出現(xiàn)邏輯仿真出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)提示告警信息，為運(yùn)維人員提供便捷的分析操作。

2.6 故障錄波可視化展示

邏輯圖動(dòng)態(tài)刷新的同時(shí)，智能加載相應(yīng)的故障錄波文件，以錄波曲線的形式展示于主界面，協(xié)助分析故障錄波的詳細(xì)情況，支持諧波分析、矢量分析、錄波打印等功能，為事故原因分析及問題解決提供了有效的支撐。

本系統(tǒng)軟件支持編碼格式的正確轉(zhuǎn)換，解決某些廠家裝置的錄波文件采用非標(biāo)準(zhǔn)化編碼格式而導(dǎo)致波形顯示異常的問題，極大提高了軟件的兼容性。

邏輯圖故障分析過程中，故障時(shí)刻記錄個(gè)數(shù)為可枚舉的隊(duì)列，根據(jù)故障分析時(shí)刻不同，支持邏輯圖與波形圖的聯(lián)動(dòng)更新。而波形聯(lián)動(dòng)更新功能受故障時(shí)刻記錄個(gè)數(shù)局限性的影響，故本系統(tǒng)同時(shí)支持手動(dòng)模擬動(dòng)態(tài)波形圖，便于故障波形的全面分析。

2.7 版本管理自適應(yīng)

裝置中間節(jié)點(diǎn)文件記錄了裝置版本信息，而可視化邏輯圖與裝置中間節(jié)點(diǎn)文件之間通過數(shù)據(jù)庫配置建立了內(nèi)部關(guān)聯(lián)關(guān)系，如果裝置升級(jí)導(dǎo)致邏輯圖發(fā)生變化時(shí)，需要重新繪制邏輯圖，重新建立新邏輯圖和裝置中間節(jié)點(diǎn)文件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系?？紤]到軟件版本的兼容性和升級(jí)問題，本系統(tǒng)軟件采用了版本管理自適應(yīng)方法。

首先根據(jù)裝置版本對(duì)裝置中間節(jié)點(diǎn)文件進(jìn)行歸類存儲(chǔ)，記錄裝置信息包括型號(hào)和版本信息作為目錄索引，繪制裝置邏輯圖并以keygraid作為邏輯圖的唯一標(biāo)志，然后以圖形化界面的方式配置裝置信息與邏輯圖的映射關(guān)系，并保存至模型數(shù)據(jù)庫。這樣，當(dāng)裝置版本升級(jí)時(shí)，只需增量配置邏輯圖以及裝置信息與邏輯圖的映射關(guān)系即可快速實(shí)現(xiàn)軟件升級(jí)，有效提高了軟件復(fù)用度和兼容性。

3 試點(diǎn)應(yīng)用

所提出的智能變電站故障過程可視化分析系統(tǒng)已經(jīng)通過出廠驗(yàn)收，并在110 kV龍齊智能變電站工程調(diào)試中順利通過驗(yàn)收，圖6為系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖。

圖6 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在本次試點(diǎn)工作中，當(dāng)裝置發(fā)生保護(hù)動(dòng)作時(shí)，該系統(tǒng)軟件能快速做出響應(yīng)，跳轉(zhuǎn)至發(fā)生故障的保護(hù)動(dòng)作邏輯圖界面并實(shí)時(shí)展示當(dāng)前故障錄波波形曲線，用戶根據(jù)界面提示可快速完成故障分析和問題定位，極大縮短了故障排除時(shí)間，軟件具有很高的實(shí)用性。

4 結(jié)語

研究并實(shí)踐了智能變電站故障過程可視化分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了加密型G語言描述和存儲(chǔ)基本圖元和邏輯圖文件，利用輕便靈活的SQLite數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)裝置中間文件與邏輯圖間的映射模型信息，通信服務(wù)模塊觸發(fā)式召喚裝置故障錄波文件和中間節(jié)點(diǎn)文件并通知可視化界面動(dòng)態(tài)加載刷新邏輯圖和故障波形曲線，支持裝置版本管理的自適應(yīng)性。同時(shí)，該系統(tǒng)獨(dú)立于裝置平臺(tái)之上，充分考慮了軟件的安全性、靈活性和可擴(kuò)展性，操作簡單直觀、通用性強(qiáng)、可靠性高，利于推廣應(yīng)用。系統(tǒng)解決了智能變電站故障分析實(shí)用化程度低、工作量大等問題，提高了智能變電站的設(shè)備故障處理效率，試點(diǎn)工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行為智能變電站在識(shí)別和分析故障問題方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。