基于無(wú)線虛擬專網(wǎng)的繼電保護(hù)智能運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者簡(jiǎn)介：胡純彬（1990— ），男，浙江慶元人，工程師，學(xué)士；研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。

摘要：文章設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線虛擬專網(wǎng)（Wireless Virtual Private Network，VPN）的繼電保護(hù)智能運(yùn)維系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)線虛擬專網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)中繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并根據(jù)電力系統(tǒng)中繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)信息對(duì)其進(jìn)行智能分析和故障診斷，對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警和告警。本研究通過(guò)無(wú)線虛擬專網(wǎng)與繼電保護(hù)智能運(yùn)維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交互，將繼電保護(hù)裝置運(yùn)行信息實(shí)時(shí)推送到繼電保護(hù)智能運(yùn)維系統(tǒng)移動(dòng)終端，通過(guò)觸摸屏向管理人員實(shí)時(shí)顯示繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和故障信息，達(dá)到繼電保護(hù)設(shè)備智能化運(yùn)維管理的目的。

關(guān)鍵詞：無(wú)線虛擬專網(wǎng)；繼電保護(hù)；智能運(yùn)維系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM711? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0? 引言

隨著電力企業(yè)的不斷發(fā)展，其在變電站數(shù)量以及變電站規(guī)模有了進(jìn)一步的擴(kuò)大，電力企業(yè)對(duì)變電站設(shè)備運(yùn)維管理提出了更高的要求。電力企業(yè)對(duì)于繼電保護(hù)運(yùn)維管理主要以人工為主，該方式不僅工作效率低，需要耗費(fèi)大量物力和人力，而且人工操作也極易出現(xiàn)失誤操作，如：誤操作、人為失誤、信息傳遞不及時(shí)等，對(duì)于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了很大的影響。因此，電力企業(yè)迫切需要建立一種自動(dòng)化程度高、安全穩(wěn)定的繼電保護(hù)運(yùn)維管理方式，進(jìn)一步提高設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。

1? 系統(tǒng)基本組成與工作原理

本文利用SG-UAP平臺(tái)cim3.0通用數(shù)據(jù)模塊，以瀏覽器和服務(wù)器架構(gòu)（Browser/Server Architecture，B/S）體系結(jié)構(gòu)為架構(gòu)，建立繼電保護(hù)移動(dòng)運(yùn)維管理系統(tǒng)。繼電保護(hù)智能運(yùn)維系統(tǒng)包括3個(gè)部分：主站端系統(tǒng)、移動(dòng)終端和無(wú)線虛擬專網(wǎng)。主站端系統(tǒng)使用網(wǎng)絡(luò)存取方式存取商業(yè)數(shù)據(jù)；系統(tǒng)前端采用移動(dòng)終端設(shè)備完成通信數(shù)據(jù)的采集；系統(tǒng)采用無(wú)線虛擬專網(wǎng)傳輸服務(wù)數(shù)據(jù)。

1.1? 主站端系統(tǒng)

基于B/S結(jié)構(gòu)的主站端，系統(tǒng)采用客戶端瀏覽器向用戶提供查詢、瀏覽、審批等系統(tǒng)訪問(wèn)服務(wù)以及與業(yè)務(wù)相關(guān)的信息服務(wù)。

主站服務(wù)器端包括Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和客戶端，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)信息的接收和發(fā)送、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理與分析等。

客戶端軟件主要包括用戶管理、權(quán)限管理、角色管理、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理等功能?？蛻舳塑浖ㄟ^(guò)與后臺(tái)應(yīng)用程序交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)與處理。其中，用戶管理模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)用戶注冊(cè)信息進(jìn)行維護(hù)，對(duì)用戶身份進(jìn)行驗(yàn)證；權(quán)限管理模塊負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)管理員進(jìn)行權(quán)限設(shè)置；角色管理模塊負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)角色的權(quán)限進(jìn)行設(shè)置；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理模塊主要實(shí)現(xiàn)用戶端和后臺(tái)端的數(shù)據(jù)交互與處理［1］。

1.2? 移動(dòng)終端

智能移動(dòng)終端是智能運(yùn)維系統(tǒng)的重要組成部分，主要完成繼電保護(hù)設(shè)備及二次回路的巡視、檢測(cè)、試驗(yàn)和狀態(tài)評(píng)估等工作。繼電保護(hù)智能運(yùn)維系統(tǒng)利用移動(dòng)終端設(shè)備，繼電保護(hù)人員能夠隨時(shí)隨地開(kāi)展設(shè)備檢查和性能測(cè)試，并及時(shí)獲得測(cè)試結(jié)果，有利于進(jìn)一步提升繼電保護(hù)運(yùn)維工作的質(zhì)量和效率。

智能移動(dòng)終端主要由數(shù)據(jù)采集、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、攝像頭、觸摸屏等模塊組成。系統(tǒng)部署時(shí)，技術(shù)人員需充分考慮工作流程的方便性，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的安全性、可靠性等因素。

數(shù)據(jù)采集模塊主要用于采集繼電保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、保護(hù)動(dòng)作行為等信息，并上傳至智能運(yùn)維管理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集模塊由無(wú)線射頻模塊和GPS模塊組成，采用藍(lán)牙與GPS雙向定位，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)設(shè)備的實(shí)時(shí)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)采集模塊可以將采集的設(shè)備狀態(tài)信息與標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行比對(duì)，并與后臺(tái)服務(wù)器交互，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

GPS定位模塊主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)繼電保護(hù)設(shè)備的地理位置信息。GPS模塊通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)獲取電力系統(tǒng)中繼電保護(hù)設(shè)備的位置信息，并上傳至后臺(tái)服務(wù)器［2］。

攝像頭模塊用于實(shí)時(shí)采集繼電保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，包括繼電保護(hù)設(shè)備的正常運(yùn)行信息、異常狀態(tài)及故障信息，并通過(guò)4G/5G網(wǎng)絡(luò)將采集的影像資料上傳至后臺(tái)服務(wù)器。

觸摸屏主要用于人機(jī)交互操作，具體功能包括查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、操作指令設(shè)置、圖形繪制等，該模塊采用JavaScript語(yǔ)言開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。

本文為進(jìn)一步保證智能運(yùn)維系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸安全性和可靠性，采用加密算法對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理。本研究根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的安全需求及應(yīng)用場(chǎng)景，采用基于SR-IOU加密算法的數(shù)據(jù)傳輸安全防護(hù)機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸安全防護(hù)。SR-IOU加密算法是一種基于橢圓曲線加密算法和哈希函數(shù)的混合加密算法，相比傳統(tǒng)的數(shù)字證書(shū)和SM4/SM3算法，具有更好的安全性、更高的性能和更快的速度，而且不易被破譯或破解。

1.3? 無(wú)線虛擬專網(wǎng)

無(wú)線虛擬專網(wǎng)是基于寬帶無(wú)線接入技術(shù)建立的專用于企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)通信的虛擬網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線虛擬專網(wǎng)采用無(wú)線方式接入寬帶網(wǎng)絡(luò)，可以減少企業(yè)投資成本。繼電保護(hù)智能運(yùn)維系統(tǒng)通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)上部署VPN專用設(shè)備，并將不同類型的設(shè)備（如電腦、手機(jī)等）接入VPN專用設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)專用，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩c保密。

無(wú)線虛擬專網(wǎng)可支持WiFi、3G/4G、5G等多種接入方式［3］，由于電力系統(tǒng)中存在大量的無(wú)線應(yīng)用場(chǎng)景，如電力調(diào)度、變電站監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集等，因此需要對(duì)電力無(wú)線虛擬專網(wǎng)進(jìn)行改進(jìn)以適應(yīng)各種應(yīng)用場(chǎng)景，將不同類型的設(shè)備接入同一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)接入設(shè)備之間的相互隔離以及對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸安全保障，從而進(jìn)一步滿足電力系統(tǒng)對(duì)通信安全性和可靠性的要求。

2? 系統(tǒng)軟件功能架構(gòu)

繼電保護(hù)智能運(yùn)維系統(tǒng)軟件功能架構(gòu)如圖2所示，軟件功能主要包括（1）分析及管理模塊；（2）檢修輔助決策模塊。其中，繼電保護(hù)設(shè)備分析及管理功能主要是對(duì)電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)與管理，包括對(duì)電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)設(shè)備進(jìn)行巡查、檢修、更換、試驗(yàn)等操作，同時(shí)還包括對(duì)電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置等；檢修輔助決策模塊可以根據(jù)繼電保護(hù)故障位置、故障類型等信息，向管理人員提供故障檢修方案。

2.1? 分析及運(yùn)行管理

繼電保護(hù)智能運(yùn)維系統(tǒng)的故障信息管理模塊主要通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)設(shè)備進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)與報(bào)警，并對(duì)發(fā)生故障的電力系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備故障的處理，使繼電保護(hù)設(shè)備的維護(hù)工作能夠得到有效開(kāi)展。故障信息管理模塊主要包括以下幾個(gè)功能。

（1）故障信息管理模塊主要提供故障信息查詢、分析和管理功能，當(dāng)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，該模塊能夠通過(guò)數(shù)據(jù)接口查詢到電力系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)的詳細(xì)信息，同時(shí)還能夠?qū)⑾嚓P(guān)信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便為后續(xù)維修工作提供參考［4］。

（2）數(shù)據(jù)分析功能可以根據(jù)繼電保護(hù)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)的具體信息，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)及電力系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行情況，對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)備發(fā)生的故障進(jìn)行分析，并給出相應(yīng)的解決方案。

（3）管理功能可以通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)備發(fā)生故障后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，以便于為后續(xù)檢修工作提供參考。

2.2? 檢修輔助決策模塊

繼電保護(hù)智能運(yùn)維系統(tǒng)故障檢修輔助決策模塊主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)故障檢測(cè)與定位，并根據(jù)檢測(cè)與定位結(jié)果制定電力系統(tǒng)故障檢修輔助決策，提高電力系統(tǒng)繼電保護(hù)故障檢修效率與質(zhì)量；根據(jù)繼電保護(hù)智能運(yùn)維系統(tǒng)信息采集與分析結(jié)果，分析電力系統(tǒng)繼電保護(hù)運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)狀態(tài)評(píng)估結(jié)果制定出相應(yīng)的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)運(yùn)行策略。繼電保護(hù)智能運(yùn)維系統(tǒng)故障檢修輔助決策模塊的設(shè)計(jì)主要是基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備故障進(jìn)行診斷，同時(shí)根據(jù)繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，對(duì)其運(yùn)行狀況進(jìn)行評(píng)估，為后續(xù)故障的處理提供決策支持。具體來(lái)說(shuō)，繼電保護(hù)智能運(yùn)維系統(tǒng)故障診斷模塊包括以下幾個(gè)模塊：（1）故障診斷專家系統(tǒng)。該模塊通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)故障診斷，對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備故障狀態(tài)以及故障影響進(jìn)行評(píng)估，以此來(lái)為后續(xù)的繼電保護(hù)設(shè)備故障處理提供決策支持［5］；（2）繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估。該模塊利用專家系統(tǒng)算法來(lái)評(píng)估繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性等狀態(tài)。

在電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，二次設(shè)備、回路等設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生故障報(bào)警信息，雖然報(bào)警信息在內(nèi)容上相差不多，但產(chǎn)生相同報(bào)警信息的真實(shí)原因卻各不相同，依靠人工很難迅速、精確地確定故障報(bào)警位置和故障原因。基于無(wú)線虛擬網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)智能運(yùn)維系統(tǒng)，可以通過(guò)故障診斷專家系統(tǒng)、繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估等模塊，評(píng)估繼電保護(hù)設(shè)備故障信息，并為管理人員提供輔助決策幫助，輔助決策流程如圖3所示。

繼電保護(hù)智能運(yùn)維系統(tǒng)輔助決策流程如下：（1）繼電保護(hù)智能運(yùn)維系統(tǒng)將設(shè)備故障運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳至信息采集平臺(tái)，并將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)分析區(qū)域，即實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)［6］。（2）判斷繼電保護(hù)設(shè)備故障維修是否需求輔助決策，如果需要故障輔助決策，則系統(tǒng)根據(jù)繼電設(shè)備歷史故障信息判斷當(dāng)前故障類型、故障原因、故障影響范圍等，同時(shí)查看歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中類似故障的處理方法［7］。（3）將繼電保護(hù)系統(tǒng)故障信息和歷史故障信息相結(jié)合，生成繼電保護(hù)設(shè)備檢修輔助決策，并通過(guò)觸摸屏反饋給管理人員。管理人員可以根據(jù)繼電保護(hù)設(shè)備輔助決策信息，對(duì)繼電保護(hù)進(jìn)行檢修處理。故障處理完成后，管理人員需要將處理結(jié)果和過(guò)程輸入系統(tǒng)終端，并生成故障處理日志，以便于為后續(xù)故障處理工作提供參考。

針對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備報(bào)警信息處理和歷史信息查詢，需要根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)規(guī)則，對(duì)繼電保護(hù)智能運(yùn)行系統(tǒng)中存儲(chǔ)的故障信息進(jìn)行整合優(yōu)化，建立帶有時(shí)標(biāo)的故障信息樣本管理庫(kù)以及故障事件檢索系統(tǒng)［8］。

（1）報(bào)警信息的處理。電力企業(yè)與繼電保護(hù)設(shè)備生產(chǎn)廠家共同建立報(bào)警信息數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)繼電保護(hù)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，智能運(yùn)維系統(tǒng)可以從報(bào)警信息數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取繼電保護(hù)設(shè)備故障信息，并結(jié)合當(dāng)前設(shè)備故障情況，判斷繼電保護(hù)設(shè)備故障類型、故障原因、故障影響范圍等，同時(shí)根據(jù)繼電保護(hù)設(shè)備生產(chǎn)廠家提供的故障處理建議，向管理人員提供輔助決策信息。

（2）歷史查詢。智能運(yùn)行系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)和人工手動(dòng)輸入信息等方式，建立繼電保護(hù)設(shè)備歷史故障數(shù)據(jù)單元，并建立繼電保護(hù)運(yùn)行知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

當(dāng)繼電保護(hù)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，智能運(yùn)維系統(tǒng)報(bào)警系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)預(yù)設(shè)邏輯對(duì)相關(guān)關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，包括案例分析、詞條釋義、技術(shù)規(guī)范、操作規(guī)程、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)支持等。

3? 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中存在的問(wèn)題，采用基于無(wú)線虛擬專網(wǎng)的繼電保護(hù)智能運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建基于無(wú)線虛擬專網(wǎng)的繼電保護(hù)智能運(yùn)維系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及故障輔助決策，從而提高電力系統(tǒng)繼電保護(hù)運(yùn)行維護(hù)質(zhì)量與效率。繼電保護(hù)設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)可以對(duì)繼電保護(hù)信息進(jìn)行智能化整理、共享、采集和交互，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、無(wú)紙化和移動(dòng)化管理，提高了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維工作的可靠性、高效性和便捷性，保障了電網(wǎng)的運(yùn)行安全。

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（編輯? 王永超）

Design of relay protection artificial intelligence for IT operations system based on wireless virtual private network

Hu? Chunbin

（State Grid Zhejiang Electric Power Co.， Ltd.， Lishui Power Supply Company， Lishui 323000， China）

Abstract：? This paper designs a relay protection artificial intelligence for IT operations system based on the wireless virtual private network （VPN）. Through the wireless virtual private network， the status of relay protection devices in the power system is monitored in real time. According to the status information of relay protection devices in the power system， the intelligent analysis and fault diagnosis are carried out， and the abnormal status is forewarned and alarmed. This research realizes interaction between the wireless virtual private network and the relay protection artificial intelligence for IT operations system， pushes the operation information of the relay protection device to the mobile terminal of the relay protection artificial intelligence for IT operations system in real time， and displays the operation status and fault information of the relay protection device to the managers in real time through the touch screen， so as to achieve the purpose of intelligent operation and maintenance management of the relay protection device.

Key words： wireless virtual private network; relay protection; artificial intelligence for IT operations system