智能變電站保護(hù)設(shè)備在線監(jiān)視及智能診斷技術(shù)研究

戎世華

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引 言

作為智能電網(wǎng)的重要節(jié)點，智能變電站具有電能分配、輸送以及匯集等功能，我國現(xiàn)今擁有變電所的數(shù)量超過5 000座，極大地促進(jìn)了電網(wǎng)在未來的可持續(xù)性發(fā)展。在投入大量智能變電站后，利用軟件邏輯和光纜替代了傳統(tǒng)意義上的二次回路，使得二次回路變?yōu)榱藷o法觸碰的虛連接，這也是與普通變電所相比的突出差異，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。由于智能變電站的自身應(yīng)用特點，使得即使是一座規(guī)模普通的變電站（500 kV）也包含著大約50個的保護(hù)裝置與2 000余個壓板信號。此外，不同的廠家所生產(chǎn)的壓板在設(shè)置方面有著諸多差異，導(dǎo)致在智能變電站出現(xiàn)故障時維修人員難以在第一時間定位到故障點，從而影響到故障處理效率，導(dǎo)致產(chǎn)生大量經(jīng)濟(jì)損失。

1 智能變電站保護(hù)設(shè)備在線監(jiān)視與智能診斷方案設(shè)計

1.1 二次設(shè)備在線監(jiān)視方案設(shè)計

1.1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

智能變電站由于其特殊的結(jié)構(gòu)使得其應(yīng)用的二次系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程遙控設(shè)備動作、開關(guān)變位以及搜集告警信息數(shù)據(jù)等一系列功能。本文重點闡述的監(jiān)視信息包含設(shè)備的日常運行狀態(tài)和參數(shù)配置等信息，其主要包括以下3點。一是以廠站端保信子站通信為基礎(chǔ)核驗智能變電站的應(yīng)用環(huán)節(jié)，該種方式的應(yīng)用能將所獲取到的實時信息為依據(jù)準(zhǔn)確判斷設(shè)備的具體運行狀態(tài)[1]。二是使用D5000數(shù)據(jù)平臺，幫助相關(guān)工作人員獲取到電網(wǎng)實時運行數(shù)據(jù)以及一次模型等。三是應(yīng)用錄波裝置，獲取包含了錄播簡報和受到保護(hù)的錄波文件等信息。

當(dāng)下所應(yīng)用的規(guī)約具有多樣化的特點，因此需要充分考慮平臺在后續(xù)使用中的可拓展性，并遵循開放原則更好地推進(jìn)后續(xù)的平臺設(shè)計進(jìn)度。若有新式規(guī)約裝置的添加需要，則應(yīng)為其構(gòu)建單獨模塊以充分發(fā)揮其應(yīng)用效果，將監(jiān)測系統(tǒng)的基本架構(gòu)分為子站端與主站端兩個部分，其中主站端的作用為在線監(jiān)視，而子站端能夠采集二次設(shè)備的數(shù)據(jù)，并深入分析運行狀態(tài)[2]。通常情況下，主站系統(tǒng)安置在地調(diào)控制中心，利用電力數(shù)據(jù)網(wǎng)將其包含的所有子站連接在一起，而其中的二次設(shè)備直接與主站進(jìn)行通信，能夠在子站主動采集裝置的幫助下使主站隨時監(jiān)控裝置的運行狀況。子站系統(tǒng)中同樣存在著數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，其定義的數(shù)據(jù)篩選技術(shù)，能夠在第一時間得知保護(hù)動作信息并將其歸入到預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)庫中。

1.1.2 軟件架構(gòu)

智能變電站的智能診斷與在線監(jiān)視裝置包括數(shù)據(jù)收集與管理兩部分，數(shù)據(jù)采集利用過程層網(wǎng)絡(luò)部署采集過程層信號，繼而完成設(shè)備數(shù)據(jù)的回溯任務(wù)，但應(yīng)注意遵循保護(hù)小室的原則以更好地完成配置任務(wù)[3]。對應(yīng)的數(shù)據(jù)管理單元通過站控層聯(lián)合數(shù)據(jù)采集單元獲取數(shù)據(jù)，并在獲取數(shù)據(jù)采集單元信息后進(jìn)行深入分析，充分利用MMS網(wǎng)絡(luò)，完成MMS報文。

對于調(diào)度端來說，其所囊括的所有保護(hù)裝置及其中具有在線作用的實時監(jiān)視模塊均為獨立存在，且在調(diào)度端的主站軟件系統(tǒng)中表現(xiàn)出集成應(yīng)用效果。該系統(tǒng)以J2EE和B/S技術(shù)架構(gòu)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了各類錄波保護(hù)數(shù)據(jù)的云儲存，為滿足二次設(shè)備在線監(jiān)視主站端業(yè)務(wù)的需求提供了基礎(chǔ)條件。

基礎(chǔ)層、基礎(chǔ)業(yè)務(wù)層、高級業(yè)務(wù)應(yīng)用層以及展示層是二次設(shè)備在線監(jiān)視主站端軟件系統(tǒng)的主要層級?；A(chǔ)層的作用是為廠站提供需要接入的規(guī)約類型，并分析數(shù)據(jù)采集服務(wù)，基礎(chǔ)業(yè)務(wù)層提供服務(wù)類型的主要內(nèi)容包括全部保護(hù)系統(tǒng)所包含的數(shù)據(jù)查詢，且具有信息查詢的實時性，高級業(yè)務(wù)應(yīng)用層涵蓋了統(tǒng)計管理、平臺中所包含所有數(shù)據(jù)的深入處理分析以及對系統(tǒng)各個管理模塊進(jìn)行全面維護(hù)等功能，展示層展示的二次設(shè)備能夠?qū)ΡO(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行分層次展示[4]。

1.1.3 功能架構(gòu)

層次化界面展示具體如圖1所示。

圖1 層次化界面展示示意圖

功能架構(gòu)的構(gòu)建實際上是以展示設(shè)備中所包含的在線功能的實時監(jiān)視系統(tǒng)相關(guān)業(yè)務(wù)需求為基礎(chǔ)，目的是在顯示層面將其階段性的運行需求完全表現(xiàn)出來。為確保系統(tǒng)應(yīng)用的有序性應(yīng)將其劃分為不同的模塊類型，如全景監(jiān)視模塊和歷史數(shù)據(jù)模塊等。需要注意的是，想要充分發(fā)揮出該類系統(tǒng)在應(yīng)用過程中簡單化和實用化的應(yīng)用優(yōu)勢，就應(yīng)在設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)時充分考慮所涵蓋間隔回路層的具體功能，做好設(shè)備展示、安全策略檢修、間隔回路以及整體監(jiān)視4個層級的相關(guān)工作

1.2 以二次設(shè)備為基礎(chǔ)的在線監(jiān)視智能診斷方案設(shè)計

智能變電站需要在二次設(shè)備在線監(jiān)視系統(tǒng)的基礎(chǔ)上收集所涉及到的電力系統(tǒng)信息。以此為基礎(chǔ)的所有理論分析環(huán)節(jié)均能夠作為對輸電線路進(jìn)行距離保護(hù)和差流保護(hù)計算的重要基礎(chǔ)，從而全面分析故障以充分利用所收集到的在線監(jiān)視數(shù)據(jù)，使得所得出的故障分析結(jié)果具有實效性。

該類系統(tǒng)的主要應(yīng)用優(yōu)勢在于設(shè)備信息的高度共享性，這也是對所包含保護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析的前提條件。從距離保護(hù)的角度來看，其所使用的為線路中所包含端路電壓電流的基本信息，而從其實際的運行原理角度來看，該系統(tǒng)能夠消除過渡電阻的影響，繼而幫助提升測距精度，為產(chǎn)生故障的故障點定位提供可靠數(shù)據(jù)，保證了供電恢復(fù)的及時性，其同樣也是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素。

對變壓器母線與線路進(jìn)行差流分析能夠?qū)υl(fā)生區(qū)與故障差流的變化過程有一個全面的了解，并為技術(shù)人員全面掌握差流形成的基本原理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)存在于回路中的故障隱患，突顯其應(yīng)用的重要價值。在線監(jiān)視功能的實現(xiàn)對保護(hù)控制裝置系統(tǒng)的優(yōu)化過程有著極為重要的作用，其同樣能夠為站域提供具有現(xiàn)實屬性的基礎(chǔ)保護(hù)條件。

2 智能變電站保護(hù)設(shè)備監(jiān)視與智能診斷系統(tǒng)開發(fā)

2.1 在線監(jiān)視模塊

2.1.1 全景網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視

智能變電站中的二次回路將運行過程中的特征表現(xiàn)由物理狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字形式，但同樣也由于此種變化使得后續(xù)的操作缺乏安全性，繼而導(dǎo)致無論是監(jiān)視手段還是保護(hù)手段均無法保證應(yīng)用效果，從而失去了充分發(fā)揮手段運行優(yōu)勢的支撐。此時應(yīng)選擇利用SCD和其他類型的中間文件實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜臀锢磉B接，并使用圖形化的方式進(jìn)行展示。在圖形結(jié)合方面，該監(jiān)視模式能夠保證設(shè)備運行狀態(tài)顯示的及時性，如數(shù)據(jù)流通和光纜連接等均可進(jìn)行實時的狀態(tài)監(jiān)視。

2.1.2 二次回路監(jiān)視模塊

利用該種類型的模塊能夠以圖形的方式展示光纖回路的連接狀態(tài)，并能夠利用保護(hù)裝置完成監(jiān)測各類設(shè)備光纖接口執(zhí)行信息的任務(wù)。在獲取到與鏈路相關(guān)的報警信息后，可以快速確定故障位置并保證定位的準(zhǔn)確性。

二次虛回路的功能體現(xiàn)在以下幾點。首先是能夠?qū)⒆冸娬局兴@現(xiàn)出的虛回路運行狀態(tài)以圖形的方式表現(xiàn)出來，其中所顯現(xiàn)出的箭頭代表著針對虛端子的發(fā)布與訂閱的情況以及具體方向。其次狀態(tài)判斷需要綜合關(guān)聯(lián)軟壓板工況、網(wǎng)絡(luò)報文狀態(tài)以及通信鏈路情況。最后數(shù)據(jù)的實時分析與收集需要以所展示出的設(shè)備情況為基礎(chǔ)，以虛回路的運行狀態(tài)全面監(jiān)測保護(hù)設(shè)備的狀態(tài)，包含了圖、庫以及模等具有一體化特征的技術(shù)，并以裝置端口與交換機(jī)等物理連接信息為依據(jù)，在多類要素與數(shù)據(jù)的幫助下構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ汀?/p>

將層級關(guān)系作為展示完整回路狀態(tài)的重要基礎(chǔ)，保證智能變電站情況展示的完全性。在該種情況展示的基礎(chǔ)上能夠完成對虛回路的實時監(jiān)視任務(wù)，并表現(xiàn)出不同的狀態(tài)。以過程層數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)，不僅能夠?qū)崟r顯示所涉及到的開關(guān)量，而且還能顯示出模擬量的具體數(shù)值。

2.1.3 保護(hù)裝置的在線監(jiān)視

以保護(hù)專網(wǎng)GOOSE報文采集與分析為基礎(chǔ)，能夠監(jiān)視與提取保護(hù)動作信號，并在與保護(hù)故障錄波的情況相結(jié)合后實現(xiàn)對保護(hù)動作的綜合性分析，并進(jìn)行自我診斷。利用保護(hù)裝置能夠?qū)崟r保存并處理診斷信息，主要為模擬量、軟壓板以及保護(hù)裝置定值的信息召喚。以用戶要求為依據(jù)能夠處理檢修涉及到的實時反饋回來的狀態(tài)信息，另外也能夠在接收到不確定事件所反映出的定值信號后在對應(yīng)監(jiān)視模塊區(qū)域顯示出相關(guān)信息。

主站中所應(yīng)用的保護(hù)裝置在線模塊的圖形界面較為直觀，能夠全面地顯示出保護(hù)設(shè)備與診斷設(shè)備的狀態(tài)和具體的裝置通信情況。在監(jiān)測保護(hù)設(shè)備的狀態(tài)時，一旦出現(xiàn)裝置通信的異常狀況，則反映出的內(nèi)容為告警形式，并在圖形界面顯示出對應(yīng)診斷裝置所檢測出的故障位置與具體的診斷內(nèi)容，此外還能夠定期生成保護(hù)設(shè)備的診斷與狀態(tài)檢測的數(shù)據(jù)報告。

2.2 智能診斷模塊開發(fā)

2.2.1 故障數(shù)據(jù)合成實現(xiàn)算法

聯(lián)動環(huán)網(wǎng)是常用的二次設(shè)備采集單元的連接方式，一旦出現(xiàn)擾動或是故障將會觸發(fā)采集單元。在此種情況下，所包含的全部管理單元均會自動收集單元故障數(shù)據(jù)，這也是后續(xù)形成具體故障文件的重要基礎(chǔ)，為故障波形數(shù)據(jù)展示功能的實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)條件，同樣也是深入分析設(shè)備跨電壓等級的前提，將會在這一過程推進(jìn)的基礎(chǔ)上形成具有與全站同步特點的全景錄波，保證了故障信息記錄的及時性與分析處理的全面性。

2.2.2 故障特征量提取實現(xiàn)算法

將過程中具有同步性的所有采樣故障數(shù)據(jù)作為對相應(yīng)故障進(jìn)行深入分析的重要基礎(chǔ)，能夠在基爾霍夫定律的幫助下聯(lián)系節(jié)點與區(qū)域的具體位置實現(xiàn)對數(shù)值的測算，從而保證短路故障設(shè)備定位的及時性。以電力系統(tǒng)理論為依據(jù)，從多個角度分析故障特征數(shù)據(jù)能夠構(gòu)建出完善的體系結(jié)構(gòu)，為實現(xiàn)電力系統(tǒng)保護(hù)大數(shù)據(jù)高級應(yīng)用的功能奠定基礎(chǔ)。具體的實施步驟為解析錄波文件、確定故障時刻、提取局部故障特征量（多維度）以及構(gòu)建故障特征量體系。

3 結(jié) 論

二次設(shè)備故障定位與預(yù)警功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)是智能變電站保護(hù)設(shè)備的在線監(jiān)視技術(shù)。當(dāng)前所獲取到的保護(hù)設(shè)備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)來源仍然較少，在智能變電站數(shù)量逐漸增多的情況下，深入研究該類型變電站在線監(jiān)視工作的應(yīng)用價值與意義將會不斷突顯。從實際情況來看，智能診斷系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，更是表現(xiàn)出了保護(hù)設(shè)備運行安全與提升運行效率的巨大優(yōu)勢，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。