基于自動化的智能變電站信號分析與處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

刁 揚，張榮海

（廣東電網(wǎng)有限責任公司韶關(guān)供電局，廣東 韶關(guān) 512000）

目前，智能變電站的建設(shè)開展得如火如荼，智能變電站技術(shù)也在不斷優(yōu)化和升級。智能變電站具有良好的數(shù)據(jù)采集功能和網(wǎng)絡(luò)交互特性，站內(nèi)具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和通信平臺，且智能變電站設(shè)備信號種類多、數(shù)量大、信號精細度高，智能設(shè)備的信息可相互印證[1-2]。

國內(nèi)學(xué)者對智能變電站信號分析進行了一定的研究。文獻[3]對智能變電站的特殊信號進行了總結(jié)，還對智能變電站的特殊信號提出了故障預(yù)判和處理措施[3]。文獻[4]研究了變電站智能告警專家系統(tǒng)，實現(xiàn)了對告警信息進行綜合推理模糊和分析[4]。文獻[5]提出基于PAT的智能變電站保護信息交互建模，建立告警信號與保護信號樹，對各告警信號下的保護系統(tǒng)進行校驗[5]。文獻[6]提出一種基于模糊Petri 網(wǎng)絡(luò)的智能告警專家系統(tǒng)推理機制，通過對具有關(guān)聯(lián)性的告警信號的模糊推理，得出接近于事實的結(jié)論，幫助值班運行人員快速地對事故進行判斷，定位并排除[6]。文獻[7]提出了基于變電站一次設(shè)備模型及IEC 61850 標準建立故障推理模型，實現(xiàn)故障推理模型與具體的監(jiān)控系統(tǒng)平臺解耦的思路，并研究將故障推理模型與程序代碼相分離的思路，最后設(shè)計了基于模型驅(qū)動模式實現(xiàn)變電站智能告警的技術(shù)路線和分層分布式的智能告警高級應(yīng)用總體架構(gòu)[7]。文獻[8]等提出一種對系統(tǒng)的故障分析有嚴謹?shù)睦碚撘罁?jù)的智能告警方法與系統(tǒng)，采用智能的自適應(yīng)故障解搜索算法，有效地實現(xiàn)智能變電站的智能告警功能[8]。文獻[9]描述了智能告警信號處理系統(tǒng)在調(diào)度集控一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用，其中運用到了一些專家系統(tǒng)，知識庫，邏輯推理等原理和方法[9]。文獻[10]過對變電站告警信息與故障之間關(guān)系的研究，將變電站的故障和異常情況分為兩類，利用典型220 kV 變電站PSCAD 仿真模型，獲得故障條件下的告警相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，實現(xiàn)了變電站智能告警系統(tǒng)基本界面的開發(fā)[10]。文獻[11]以江蘇省南通電網(wǎng)實現(xiàn)“地縣一體化系統(tǒng)”為背景，基于Open3000系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，結(jié)合二次開發(fā)了監(jiān)控告警專家處理系統(tǒng)[11]。文獻[12]闡述了智能變電站中狀態(tài)檢測技術(shù)系統(tǒng)的組成以及智能變電站狀態(tài)檢測專家系統(tǒng)與告警系統(tǒng)等相關(guān)內(nèi)容，認為設(shè)備狀態(tài)檢測技術(shù)在智能變電站設(shè)備運行維護中的作用不可替代[12]。

在數(shù)字南網(wǎng)的建設(shè)背景下，變電站二次設(shè)備向數(shù)字化轉(zhuǎn)型，新建變電站的保護裝置均采用智能設(shè)備，智能設(shè)備信號的種類、數(shù)量均比常規(guī)設(shè)備多，其中異常信號的驗證須要人工進站檢查，驗證的及時性可能受影響，且須耗費大量人力物力。實現(xiàn)基于自動化的智能變電站信號分析與處理系統(tǒng)后，可減輕現(xiàn)場人員工作負擔，提高異常信號處理效率，有效縮短設(shè)備異常的處理時間，提升系統(tǒng)運維質(zhì)量。因此,實現(xiàn)智能變電站信號的自動分析和處理具有重大意義。

1 智能變電站信號自動分析與處理系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 智能變電站信號

智能變電站信號分為保護動作事件、一次設(shè)備異常、二次設(shè)備異常、二次回路異常、設(shè)備一般變位等，反映變電站中所有設(shè)備的運行狀態(tài)。信號以硬接點或軟報文的形式通過測控裝置、保護裝置發(fā)出，在智能變電站站控層網(wǎng)絡(luò)可獲取以上所有信號。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計原則

為對信號進行綜合分析和驗證，設(shè)計并構(gòu)建了基于自動化的智能變電站信號分析與處理系統(tǒng)，在系統(tǒng)設(shè)計過程中，主要遵循2點原則。

自動化系統(tǒng)安全原則：該系統(tǒng)僅讀取自動化系統(tǒng)的信號內(nèi)容，無需電網(wǎng)一、二次設(shè)備控制權(quán)限，不涉及修改自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫配置及內(nèi)容。

可擴展性原則：該系統(tǒng)除了能應(yīng)用在特定智能變電站進行信號外，還能移植到其他廠站，后續(xù)還應(yīng)該能應(yīng)用在主站自動化系統(tǒng)或主站保信系統(tǒng)進行信號分析和處理，因此在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)能適應(yīng)各個廠站及主站場景的應(yīng)用。

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)通過Python 實現(xiàn)，基于字典建立信號分析模型，自動推送解決方案。系統(tǒng)部署在變電站后臺監(jiān)控機，供變電運行人員使用。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

信號輸入后，首先對產(chǎn)生信號的設(shè)備溯源，找到對應(yīng)的檢查信號表和運算操作表，判斷是否為誤發(fā)信號，如果是誤發(fā)信號則丟棄，如果不是，則繼續(xù)判斷是否為異常信號。如果不是異常信號則丟棄，如果是異常信號，推薦異常處理方案。

2 智能變電站信號自動分析與處理系統(tǒng)設(shè)計

2.1 智能變電站信號數(shù)據(jù)字典

為了高效地對智能變電站信號進行分析，本文基于字典結(jié)構(gòu)對智能變電站信號進行數(shù)據(jù)字典設(shè)計。字典是一種可變?nèi)萜髂Ｐ?，可以存儲任意的?shù)據(jù)類型對象，由關(guān)鍵碼和關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)組成，通過關(guān)鍵碼可以對字典進行檢索，從而獲取到目標數(shù)據(jù)值[13]?；谧值溥@種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對智能變電站信號的信號表、檢查信號表、分析運算操作表及一場處理方案表設(shè)計數(shù)據(jù)字典，形成智能變電站信號庫。

字典結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)地進行數(shù)據(jù)添加，當變電站內(nèi)有新間隔擴建時，對應(yīng)新增大量信號數(shù)據(jù)，利用字典結(jié)構(gòu)能方便地對各種信號實現(xiàn)動態(tài)添加，降低信號庫日常維護的工作量。由于在智能變電站信號分析的流程中，分析的目標對象存儲在計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)類型并不一致，如信號、異常信號處理方案等數(shù)據(jù)類型為文本型數(shù)據(jù)，而分析運算操作則為邏輯型數(shù)據(jù)。利用字典結(jié)構(gòu)進行智能變電站信號數(shù)據(jù)字典設(shè)計能夠存儲任意類型對象，并將不同的數(shù)據(jù)類型集成，減小數(shù)據(jù)存儲的分散性，提高數(shù)據(jù)存儲的集成性。由于智能變電站信號具有唯一性，同信號在不同間隔會帶有對應(yīng)間隔的標簽，且信號值僅有0和1，因此可以將其作為關(guān)鍵碼。若不能快速有效地判別異常信號并給出解決方案，將有可能導(dǎo)致故障時保護誤動或拒動，擴大故障影響范圍?；谧值浣Y(jié)構(gòu)可以十分方便地通過關(guān)鍵碼來搜索對應(yīng)的值，查詢速度快，能提高故障處理的時效性，有效限制電網(wǎng)故障的發(fā)展，降低因處理不及時導(dǎo)致的損失。

基于字典結(jié)構(gòu)的智能變電站信號數(shù)據(jù)字典設(shè)計結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 智能變電站信號數(shù)據(jù)字典

智能變電站信號數(shù)據(jù)字典描述的是須要分析的目標智能變電站信號，通過基于字典結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)封裝，能夠保持數(shù)據(jù)的一致性和完整性。用戶不須要了解數(shù)據(jù)字典的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，關(guān)注其輸入和輸出，即輸入為智能變電站信號及信號值，輸出為對應(yīng)的異常處理方案，可以降低各部分之間的耦合性，提高了集成性和穩(wěn)定性。

2.2 智能變電站信號分析算法

在接收到智能變電站信號后，須要對智能變電站信號進行分析和處理。本文設(shè)計了一套智能變電站信號分析與處理流程，將傳統(tǒng)作業(yè)的一系列流程用計算機程序?qū)崿F(xiàn)，推進信號分析和處理的程序化、流程化和自動化。

具體的智能變電站信號分析算法流程步驟一到五。

步驟一，信號設(shè)備溯源：收到信號后，對信號進行溯源，找到發(fā)出信號的設(shè)備，以確認該設(shè)備所在的間隔。

步驟二，匹配分析內(nèi)容：確認設(shè)備所在的間隔后，找到對應(yīng)信號的檢查信號表和運算操作表，以后續(xù)進行信號誤發(fā)判斷。

步驟三，信號誤發(fā)判斷：確定信號發(fā)生的設(shè)備間隔后，對該信號進行復(fù)核，確認該信號對應(yīng)的異常或故障實際發(fā)生。對應(yīng)檢查信號按照運算操作表進行邏輯運算，運算結(jié)果為0則判斷收到的信號為誤發(fā)信號，丟棄該信號，若運算結(jié)果為1則進行步驟四。

步驟四，異常信號判斷：對應(yīng)檢查信號按照運算操作表進行邏輯運算，運算結(jié)果為1 時，判斷該信號為異常信號。

步驟五，異常處理方案推薦：判斷信號實際為異常信號后，根據(jù)異常處理方案表推薦對應(yīng)的異常處理方案，協(xié)助運行或?qū)I(yè)班組人員及時處理缺陷。

3 智能變電站信號自動分析與處理系統(tǒng)仿真測試與展示

對系統(tǒng)測試是為了驗證系統(tǒng)預(yù)設(shè)功能的實現(xiàn)程度和可用性，檢查系統(tǒng)錯誤并進行修正，保證系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)的質(zhì)量，最終產(chǎn)出一個完整實用的系統(tǒng)。由于未接入實際運行環(huán)境，因此在本文中采用模擬仿真實際運行環(huán)境下的智能信號分析流程進行系統(tǒng)測試，包括智能變電站信號仿真庫的設(shè)計與構(gòu)建、仿真測試環(huán)境設(shè)置及測試結(jié)果展示3部分內(nèi)容。

3.1 智能變電站信號仿真庫

為了測試智能變電站信號自動分析與處理系統(tǒng)的有用性和準確性，本文構(gòu)建了基于500 kV丹霞變電站的智能變電站信號仿真庫，用該智能變電站信號仿真庫來進行智能變電站信號自動分析與處理系統(tǒng)的測試。智能變電站信號仿真庫詳細內(nèi)容如表2所示。

表2 智能變電站信號仿真庫

在該智能變電站信號仿真庫中，構(gòu)建了5 種信號形成信號表，分別是控制回路斷線、閉鎖重合閘、斷路器氣室氣壓低閉鎖、事故總信號和智能終端檢修不一致告警?？刂苹芈窋嗑€是指智能終端通過監(jiān)視TWJ 與HWJ 開入來判斷控制回路情況，當TWJ與HWJ開入都為0時，智能終端發(fā)出控制回路斷線信號。接收到控制回路斷線信號時，檢查對應(yīng)間隔的TWJ和HWJ信號并對值進行與非運算，若運算結(jié)果為0，則為誤發(fā)信號；若信號值為1，則為異常信號，應(yīng)檢查開關(guān)機構(gòu)箱遠方就地把手及其他異常信號，并通知專業(yè)班組。閉鎖重合閘是指當發(fā)生遙合/手合、遙跳/手跳、三跳啟失靈不啟重合、三跳不啟失靈不啟重合、閉重開入的事件時，應(yīng)輸出閉鎖重合閘信號給本套保護。接收到閉鎖重合閘信號時，檢查壓力低閉重開入、電纜直跳信號TJF、STJ信號和SHJ信號并對值進行或運算，若運算結(jié)果為0，則為誤發(fā)信號；若信號值為1，則為異常信號，應(yīng)立即聯(lián)系專業(yè)班組。斷路器氣室氣壓低閉鎖是指斷路器氣室氣壓降低過程中，先發(fā)出斷路器氣室氣壓低告警信號，氣壓繼續(xù)降低，發(fā)出斷路器氣室氣壓低閉鎖信號。接收到斷路器氣室氣壓低閉鎖信號時，檢查斷路器氣室氣壓低告警和斷路器氣室氣壓低閉鎖信號并對值進行與的運算，若運算結(jié)果為0，則為誤發(fā)信號；若信號值為1，則為異常信號，應(yīng)檢查SF6表壓力判斷SF6氣體壓力是否低于閉鎖值，并通知檢修班組。事故總信號是指裝置手合或者遙合后，斷路器輔助接點為分位時，裝置報“事故總“告警。接收到事故總信號時，檢查TWJ 與KKJ 開入并對值進行與的運算，若運算結(jié)果為0，則為誤發(fā)信號；若信號值為1，則為異常信號，應(yīng)檢查發(fā)生一次故障的間隔，并聯(lián)系專業(yè)班組及對應(yīng)專責。智能終端檢修不一致告警是指當智能終端裝置檢修壓板開入與GOOSE 發(fā)送方檢修位不同時為“0”或“1”時，裝置發(fā)出“檢修不一致告警”。接收到智能終端檢修不一致告警信號時，檢查保護裝置的檢修硬壓板開入和智能終端的檢修壓板開入并對值進行異或計算，若運算結(jié)果為0，則為誤發(fā)信號；若信號值為1，則為異常信號，此時若一次設(shè)備在運行狀態(tài)，則應(yīng)退出檢修壓板；若一次設(shè)備在檢修狀態(tài)，則投入相應(yīng)檢修壓板。

3.2 系統(tǒng)仿真測試設(shè)置

在智能變電站信號自動分析與處理系統(tǒng)中，由于暫未接入運行系統(tǒng)，因此無法得到在實際運行環(huán)境中的測試結(jié)果。但為了驗證本文提出系統(tǒng)的可用性和正確性，本文對該系統(tǒng)進行仿真測試。

模擬信號發(fā)生：在系統(tǒng)仿真測試的過程中，采用隨機數(shù)來模擬信號發(fā)生的過程。在隨機的時間內(nèi)，接收到由0變?yōu)?的信號是隨機的。因為異常信號的發(fā)生具有一定的時間隨機性和空間隨機性。時間隨機性指的是不確定信號或異常信號何時發(fā)生；空間隨機性指的是不確定哪臺設(shè)備會產(chǎn)生信號或異常信號。因此在模擬信號發(fā)生的時候，程序通過隨機數(shù)來實現(xiàn)具有一定的合理性。

模擬信號值：在系統(tǒng)仿真測試的過程中，同樣采用隨機數(shù)來模擬信號值的產(chǎn)生。在實際操作中，信號值僅有兩種形態(tài)：0 和1。因為信號值為1 的情況發(fā)生具有一定的隨機性，即任何時刻都可能發(fā)生這種情況，所以利用程序設(shè)置隨機選擇信號值為0或1具有一定的合理性。

多組信號測試：單組測試的結(jié)果具有一定的隨機性，為了降低隨機性，提高系統(tǒng)的可靠性，本文進行了多組測試，設(shè)置進行5組測試。

每組多個信號測試：在進行一組測試的時候，僅產(chǎn)生一個信號完成智能變電站信號自動分析與處理流程，其結(jié)果的說服力和準確性會受到質(zhì)疑。因此，為了增加測試結(jié)果的可靠性和功能實現(xiàn)的完整性，在每組測試中，模擬隨機產(chǎn)生30個信號及信號值進行分析。

系統(tǒng)界面顯示：設(shè)置系統(tǒng)界面僅顯示接收到信號值為1的信號。當信號值為0時，不須要進行信號分析，因此設(shè)置其不在系統(tǒng)界面上進行顯示；當信號值為1 時，不論其是誤發(fā)信號還是真實的異常信號，均須對其進行分析，因此將分析結(jié)果展示在系統(tǒng)界面上。

3.3 系統(tǒng)仿真測試結(jié)果展示

3.3.1 單組信號測試結(jié)果

單組測試中，設(shè)置模擬隨機產(chǎn)生30個信號及隨機產(chǎn)生其對應(yīng)的信號值進行測試。

在本組測試中，30個信號中出現(xiàn)了16個信號值為1的智能變電站信號，須要對其進行分析和處理。在界面中會將詳細的信號出現(xiàn)時間點、信號、誤發(fā)檢查操作（操作1）和解決方法進行展示。

點擊誤發(fā)檢查操作，即彈出針對該信號進行的誤發(fā)檢查具體操作。

對于已經(jīng)被判定為異常的信號，點擊解決方案，系統(tǒng)提示操作人員針對該異常信號可以進行的解決方案。

當通過檢查后發(fā)現(xiàn)，信號為誤發(fā)信號，點擊解決方案，即彈出“信號錯誤，檢查信號錯誤原因”提示。

處理過的信號會變?yōu)榛疑?。操作人員可以通過界面展示清晰地區(qū)分已處理信號和未處理信號，從而避免重復(fù)操作，提高工作效率。

通過程序計算，單組30 個信號計算時間約為0.5213 s，若采用常規(guī)人工方式去檢查相關(guān)信號進行異常信號的驗證，將花費大量的時間去進行相關(guān)的檢查。因此，采用本系統(tǒng)對信號進行信號驗證與處理將節(jié)省大量人力。

3.3.2 多組信號測試結(jié)果

多組信號測試中，將進行5 組測試，具體的測試結(jié)果如表3所示。

表3 多組信號測試結(jié)果

從表3 中可以看出，在仿真測試的情況下，系統(tǒng)對30個信號的處理時間相近，在極短時間內(nèi)本系統(tǒng)就能計算出誤發(fā)信號，并將異常信號的解決方案推送到界面，極大地提升了工作效率。

4 優(yōu)化方向及應(yīng)用前景

4.1 專家診斷功能

目前該系統(tǒng)只實現(xiàn)了信號誤發(fā)判斷，并未對信號發(fā)生的原因進行深入分析。利用智能變電站充足的軟報文信號，可實現(xiàn)異常信號的專家診斷功能，對設(shè)備缺陷精準定位，分析出發(fā)生異常的原因，并針對性地給出解決方案。完善系統(tǒng)的專家診斷功能將極大提升異常信號處理的效率，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行有著重要意義。

4.2 多平臺應(yīng)用

目前該系統(tǒng)根據(jù)廠站端自動化系統(tǒng)進行構(gòu)想，信號分析范圍較小。而主站自動化系統(tǒng)、保信主站系統(tǒng)能同時接收到不同變電站的信號，在進行電網(wǎng)故障聯(lián)合分析的時候，應(yīng)用該信號處理系統(tǒng)將能更準確地定位故障發(fā)生的位置及故障發(fā)生的原因，對快速恢復(fù)電網(wǎng)的正常運行方式有很大的幫助。

4.3 異常處理方案推送

目前該系統(tǒng)僅能在信號接收端進行異常處理方案推送，專業(yè)班組未進站時難以獲取該方案，不能有針對性地進行工作前準備工作。后續(xù)在系統(tǒng)中增加異常處理方案推送模塊，將異常信號發(fā)生的原因和處理方案自動推送至設(shè)備運維人員處，將提高缺陷消除的及時性。

5 結(jié)束語

本文通過分析班組人員處理智能變電站信號的過程，利用計算機技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了一個智能變電站信號的自動分析與處理系統(tǒng)。提出利用字典數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對智能變電站信號進行集成和存儲，形成智能變電站信號庫，并實現(xiàn)了整個智能變電站信號分析與處理自動化流程。在對系統(tǒng)進行仿真測試中，基于500 kV丹霞變電站構(gòu)建智能變電站信號庫，并對其進行仿真測試，包括功能測試和性能測試。測試結(jié)果驗證了該系統(tǒng)的分析處理正確性和高效性，具有一定的應(yīng)用價值，能夠提高工作效率。

針對智能變電站發(fā)展的需要，對該系統(tǒng)的未來優(yōu)化方向進行了闡述。今后研究工作中將對系統(tǒng)進行優(yōu)化和完善，并接入實際運行環(huán)境進行測試。