變電站故障過程可視化分析系統(tǒng)設計

王萌

(陜西能源職業(yè)技術學院 智能制造與信息工程學院, 陜西 咸陽 712000)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們?nèi)粘Ｉ钜约肮I(yè)生產(chǎn)的用電需求逐漸增長，受益于科學技術水平的提高，電力系統(tǒng)逐漸智能化，設備越來越多、電網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，這就對變電站的穩(wěn)定性以及安全性提出了挑戰(zhàn)。因此，在電力系統(tǒng)中，如何快速準確地定位故障位置是必須要解決的難題，除此之外，還可以利用繼電保護裝置確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定，繼電保護裝置在電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障后會對故障進行快速的定位與切除，對電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響。繼電保護裝置動作的正確與否會對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定產(chǎn)生嚴重危害。

1 現(xiàn)狀分析

電力系統(tǒng)故障正確分析和準確繼電保護動作的執(zhí)行是繼電保護的重點工作，采用保護裝置動作報告和動作錄波的常規(guī)方法主要是在解析故障報文內(nèi)容的基礎上根據(jù)相關的定義以及設備裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)邏輯分析保護動作的準確性，這種方法過程比較復雜，準確性不高，而且實時性差、分析過程不能可視化。另外一種方法是基于中間節(jié)點信息概念梳理保護裝置的內(nèi)部邏輯關系，利用各類元件的故障時間線實現(xiàn)動作邏輯重現(xiàn)(以關鍵計算量作為動作依據(jù))，錄波文件時序需同中間節(jié)點文件(詳細內(nèi)容由電站信息規(guī)范明確)時序相一致，但這種方法也存在缺點，保護邏輯的設計要求不明確，關聯(lián)中間節(jié)點的數(shù)據(jù)與保護邏輯的方法難以實現(xiàn)[1]。因此本文致力于研究變電站的故障過程可視化分析，采用加密語言繪制繼電保護邏輯圖，采用SQLite數(shù)據(jù)庫存儲與中間節(jié)點相關的模型數(shù)據(jù)，采用IEC 61850標準通信協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時獲取，為變電站故障定位以及原因分析提供技術支持，以此提升電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和安全性。

2 系統(tǒng)整體設計

2.1 功能設計

目前變電站為滿足智能化發(fā)展需求通常采用數(shù)字化的信息傳遞形式，二次回路在編輯展示過程中抽象成不可見的虛連接的文本信息，對運維管理及檢修維護過程提出了挑戰(zhàn)，對電力系統(tǒng)中各種設備故障的及時發(fā)現(xiàn)、防止故障擴大化意義重大。穩(wěn)定高效運行的電網(wǎng)系統(tǒng)需以變電站安全運行作為基礎，站內(nèi)繼電保護裝置模型不同于常規(guī)變電站,以IEC 61850作為通信標準，顯著提升了信息化水平以及數(shù)據(jù)傳輸效率[2]。系統(tǒng)在功能上主要實現(xiàn)以下3個方面。

(1) 可視化交互：利用通訊技術以及信息技術實現(xiàn)繼電保護裝置的本地動作及遠程動作的仿真，對故障錄波可以通過可視化波形判斷數(shù)據(jù)精確性。根據(jù)波形趨勢對故障原因進行直觀快速的分析過程。

(2) 智能化分析：相關文件(包括中間節(jié)點及故障錄波)提高變電站標準網(wǎng)絡協(xié)議的充分利用實現(xiàn)在線實時獲取過程。通過構(gòu)建其故障錄波信息與保護邏輯關聯(lián)，實現(xiàn)故障根因聯(lián)動分析，確保定位迅速、提高解決效率[3]。

(3) 兼容性：系統(tǒng)需具備向前兼容能力，實現(xiàn)不同型號的繼電裝置的自適應要求，支持版本升級、支持擴展。

2.2 系統(tǒng)設計

根據(jù)上述定位及分析故障問題的需求，本文完成了基于故障錄波和中間節(jié)點文件的變電站故障過程可視化分析系統(tǒng)的設計，做到故障快速定位，可視化智能分析。在輸出中間節(jié)點及故障錄波文件的基礎上利用IEC 61850 通信協(xié)議對繼電保護裝置實現(xiàn)信息獲取、加載、解析，根據(jù)預先繪制的邏輯圖以及各類設備的相關參數(shù)進行仿真，系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

系統(tǒng)在整體功能框架上的功能模塊主要包括：數(shù)據(jù)存儲模塊、邏輯圖模型及關聯(lián)信息的參數(shù)配置模塊、繪制邏輯圖模塊、文件獲取模塊、保護邏輯及故障錄波的可視化展示模塊、實時刷新模塊以及版本兼容模塊[4],如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框架

(1) 數(shù)據(jù)存儲：該可視化分析系統(tǒng)的關鍵信息構(gòu)成基于映射關系(包括電力系統(tǒng)圖元、邏輯圖、中間節(jié)點文件)，可擴展且通用性強的G 語言(XML 純文本語言的一種)能夠有效地對二維圖形進行描述并支持高效存取，能夠滿足電力系統(tǒng)圖元和邏輯圖的存儲需求，本文利用MD5算法對描述文件進行加密，利用SQLite 數(shù)據(jù)庫存儲映射關系，在傳輸過程中利用加密文件傳遞配置信息，以確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定的運行[5]。

(2) 參數(shù)配置：預先繪制邏輯圖模型，并設置關聯(lián)參數(shù)。主要操作步驟如下。

首先，設計邏輯圖，分析邏輯關系及運算順序，明確動作事項之間的邏輯關系。其次，確定圖元類型，包括保護動作事項、連接線、邏輯運算、模擬量文本，確定動作事項的關鍵詞，根據(jù)動作事項變化判斷是否執(zhí)行調(diào)取操作。再次，創(chuàng)建邏輯圖模型，模型的主要參數(shù)包括邏輯關系、動作事項以及模擬量參數(shù)。邏輯關系主要包括ID 、運算關系、規(guī)則、狀態(tài)以及類型；動作事項主要包括ID、名稱、狀態(tài)以及類型；模擬量參數(shù)主要包括ID、模擬值以及單位；最后，配置動作事項和邏輯模型的關聯(lián)。將邏輯圖設定為識別項，將聯(lián)動中間節(jié)點信息作為變化項，確定序號以及名稱后進行邏輯圖的對應與關聯(lián)[6]。

(3) 繪制邏輯圖：根據(jù)需求在工具欄上繪制輸入、輸出、關系等圖元按鈕。根據(jù)邏輯圖模型配置圖元屬性，對整體布局進行保存。

(4) 文件獲?。簩崿F(xiàn)故障錄波文件的采集，為后續(xù)分析奠定基礎。

(5) 可視化展示：實現(xiàn)保護邏輯以及故障錄波的可視化直觀展示，使分析過程更加清晰。

(6) 實時刷新：實時刷新最新數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)準確性。

(7) 版本兼容：實現(xiàn)不同型號保護裝置的自適應管理，提升系統(tǒng)兼容性[7]。

3 主要功能模塊的實現(xiàn)

3.1 故障記錄的在線獲取

展開保護動作的繼電保護裝置會立即上送故障錄波序號值(采用IEC 61850報告形式，隨著保護動作次數(shù)依次累加)，將其作為觸發(fā)依據(jù)獲取中間節(jié)點、故障錄波文件，獲取流程如圖3所示。

圖3 在線獲取文件流程

首先，利用通信服務模塊的文件管理程序初始化保護裝置，讀取故障錄波的原始序號值記作Y；然后，對序號值定時刷新記作X，代表新的值。最后，針對中間節(jié)點文件和故障錄波，在X-Y=1的情況下啟動在線獲取線程，采用DL/T 860方式獲取錄波文件和中間節(jié)點文件[8]。

3.2 實時刷新

根據(jù)故障錄波文件的獲取流程，在出現(xiàn)新文件時，系統(tǒng)可對繼電保護裝置的相關文件進行實時刷新，重新解析并展示最新圖形，以此確保數(shù)據(jù)的實時性與準確性，為運維人員

提供最精準的故障信息。系統(tǒng)采用模擬動態(tài)波形圖的方式降低對聯(lián)動更新的影響[9]。中間節(jié)點的文件中記錄了版本信息，一旦檢測到關聯(lián)信息變化，則更新邏輯模型。

3.3 可視化展示

系統(tǒng)支持兩種故障仿真展示方式：自動方式是根據(jù)中間節(jié)點文件記錄的時刻定時仿真，手動方式可以按照時間逐條仿真。在仿真過程中，邏輯圖與故障錄波波形圖有所關聯(lián)，系統(tǒng)支持邏輯圖的縮放和位置移動，故障錄波波形圖支持橫向、縱向縮放、波形復位。并在邏輯仿真存在異常時發(fā)出告警，以便采取后續(xù)處理措施。

3.4 版本兼容

系統(tǒng)具有高兼容性，對于非標準化編碼的情況也同樣適用，可識別不同型號裝置的錄波文件。系統(tǒng)版本管理采用自適應模式，根據(jù)裝置版本分類存儲，利用圖形化界面創(chuàng)建索引，實現(xiàn)與邏輯模型的相互映射并在模型數(shù)據(jù)庫中保存，升級裝置版本時通過邏輯圖及映射關系的增量配置即可快速實現(xiàn)，從而使系統(tǒng)的復用度和兼容性得以有效提升[10]。

4 總結(jié)

為了實現(xiàn)可視化變電站故障分析，提高實時性，構(gòu)建了變電站故障過程可視化分析系統(tǒng)，單獨裝置在平臺之上，操作簡單直觀、通用性強，采用加密 G 語言描述邏輯圖文件，兼顧安全性與系統(tǒng)靈活性，增強系統(tǒng)可擴展性。采用SQLite 數(shù)據(jù)庫存儲中間節(jié)點文件與邏輯圖模型的映射關系，通過通信服務模塊管理裝置的中間節(jié)點文件，支持可視化展示邏輯圖、故障波形曲線，支持定時刷新，支持自適應版本升級。系統(tǒng)既可以減少變電站的故障分析工作量，又可以提升故障處理的時效。