全通信鏈路分配下的智能變電站安全光纖在線監(jiān)測方法

馮宇，孫寶華，張磊，王準，董思蒙

（1.國網遼寧信通公司，沈陽 110006； 2.國網營口供電公司，營口 115002）

引言

智能變電站是未來電力系統(tǒng)的發(fā)展方向，其集成了現(xiàn)代通信技術、計算機技術、控制技術和傳感器技術等多種技術手段，具有高效、可靠、安全、環(huán)保等特點。然而，由于變電站設備復雜、工作環(huán)境惡劣，其經常出現(xiàn)故障，導致電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定和停電等問題。因此，實現(xiàn)對智能變電站設備的快速、準確故障診斷和安全監(jiān)測具有重要的現(xiàn)實意義。

就目前現(xiàn)階段所采用方法而言，如鐘鳴，陶軍，劉洵宇等[1]與楊超，伏曉燕[2]提出方法所涉算法來看，其主要從優(yōu)化目標點特征出發(fā)，通過數(shù)據(jù)映射與反饋信號的差異為判定依據(jù)，雖然能夠有效快速的確定光纖節(jié)點狀態(tài)，達到監(jiān)測效果，但是忽略了智能變電站網絡自身鏈路多層屬性對狀態(tài)節(jié)點傳輸?shù)挠绊?，局部單一?jié)點狀態(tài)并不能真實反映對應光纖鏈路服務狀態(tài)，由此所得的監(jiān)測結果與實際狀態(tài)存在較大偏差。此類問題在國外文獻[3, 4]中同樣存在，雖然其中采用了神經網絡來適應通信網絡結構，但鏈路拓撲結構所形成的信息時延問題，依舊存在，監(jiān)測偏差問題出現(xiàn)概率仍然很高。

為此，如何解決全通信鏈路下安全光纖在線監(jiān)測偏差問題，成為了研究熱門。本文將介紹一種基于全通信鏈路分配下的智能變電站安全光纖在線監(jiān)測方法，通過將光纖傳感器與全通信鏈路技術相結合，實現(xiàn)對變電站設備的安全監(jiān)測和故障診斷。

1 在線監(jiān)測參量及其規(guī)則的定義與計算

1.1 全通信鏈路分配下智能變電站安全光纖節(jié)點狀態(tài)編碼規(guī)則

1.1.1 異常光纖節(jié)點狀態(tài)編碼規(guī)則

為了解決智能變電站光纖在線狀態(tài)辨別分析計算壓力大的問題，通過降低分析計算的復雜度，從而提高了辨別效率。具體來說，全通信鏈路分配算法通過對異常表征節(jié)點進行狀態(tài)編碼規(guī)則定義，將復雜的通信鏈路分解為多個獨立的子鏈路，并對每個子鏈路進行狀態(tài)評估。得到編碼規(guī)則評估關系式為：

式中：

nj(j=1, 2,…,m)—安全光纖狀態(tài)節(jié)點所對應第j個位置上的當前狀態(tài)；

—由多個虛節(jié)點特征的狀態(tài)表征節(jié)點總數(shù)。

在全局狀態(tài)鏈路中，節(jié)點編碼的差異對狀態(tài)反應的精準度具有重要影響。為了確保狀態(tài)反應的準確性，需要對節(jié)點編碼進行統(tǒng)一管理?；谌ㄐ沛溌贩峙渌惴ǖ慕Y構特點，可以采用一種編碼規(guī)則來評估節(jié)點狀態(tài)與鏈路狀態(tài)之間的關系。其中，直連鏈路結構下的節(jié)點狀態(tài)，可以利用這種編碼規(guī)則來確定其對應的鏈路狀態(tài)編碼。通過深入分析節(jié)點之間的關系，可以更好地理解鏈路狀態(tài)的變化規(guī)律，從而更準確地評估節(jié)點狀態(tài)對鏈路狀態(tài)的影響。通過利用全通信鏈路分配算法的結構特點，鏈路下層的交換機鏈路與對應上層交互狀態(tài)節(jié)點被統(tǒng)一定義為虛節(jié)點n′。鏈路連接結構如圖1 所示。

圖1 鏈路連接結構

基于上述分析，引入全通信鏈路分配算法后的智能變電站光纖安全節(jié)點狀態(tài)編碼N所對應構成節(jié)點的集合，可以描述為：

按照上述集合關系，智能變電站安全光纖鏈路中異常狀態(tài)節(jié)點的編碼存在兩種形式，分別對應直連鏈路異常狀態(tài)，其編碼為N=[0010010]；另一種為交換鏈路異常狀態(tài)，其編碼為N=[0100010]，根據(jù)異常位置的不同，每一條鏈路均有唯一的狀態(tài)編碼標識。

1.1.2 全通信鏈路分配下的光纖鏈路狀態(tài)編碼

根據(jù)上述異常狀態(tài)節(jié)點的編碼規(guī)則，定義目標智能變電站全通信鏈路分配下鏈路異常狀態(tài)為1，正常狀態(tài)為0。 則全局連接狀態(tài)編碼集合L的關系函數(shù)式可以表達為：

式中：

li(i=1, 2,…,e)—第i條鏈路的狀態(tài)編碼；

e—優(yōu)化分配鏈路總數(shù)。

1.2 變電站安全節(jié)點服務在線鏈路重要度計算

在智能變電站的運行體系中，核心層的運行狀態(tài)與不同鏈路下的服務層緊密關聯(lián)。這些服務對應層具有各自獨特的優(yōu)先級，進一步導致其對應鏈路層的重要度各具特點。考慮到一條鏈路通常情況下承載多個關鍵服務這一特性，在優(yōu)化過程中不僅關注主傳輸鏈路，還特別為每個關鍵服務配置了備用安全鏈路。

為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，這些設定的安全鏈路嚴格遵循最大不相交原則。這一原則的采納旨在最大限度地減少與直連鏈路之間的重疊部分，從而降低潛在的干擾和風險。在直連鏈路出現(xiàn)離線等異常狀況時，系統(tǒng)能夠憑借預設的快速切換機制，迅速從主鏈路切換至安全鏈路。

在服務配置主備鏈路的傳輸過程中，其重要度的計算是一個關鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)實際運行情況和數(shù)據(jù)反饋，總結出了以下三種主要情況，以供后續(xù)研究和應用參考：

1）針對全局分配鏈路下第x個0 保護鏈路的服務，其中，x=1, 2,…,X，X代表該狀態(tài)特征類型服務的總數(shù)，其直連鏈路QM(Sx,Tx)如圖2（a）所示。

圖2 變電站安全節(jié)點服務在線鏈路有用性分析

2）針對全局分配鏈路下第y個配置交換機1 ∶1 保護鏈路的服務，其中，y=1, 2,…,Y，Y代表該狀態(tài)特征類型服務總數(shù)，其QM(Sy,Ty)與安全鏈路QB(Sy,Ty)如圖2（b）所示，其中紅色為QM(Sy,Ty)，藍色為QB(Sy,Ty)；

3）針對全局分配鏈路下第z個配置子鏈路1 ∶1 保護鏈路的服務，其中，z=1, 2,…,Z，Z為該狀態(tài)特征類型服務總數(shù)，其服務主安全鏈路情況如圖1（c）所示。同樣，圖2（c）中紅色為QM(Sz,Tz)，藍色為QB(Sz,Tz)。

針對0 保護鏈路下的服務狀態(tài)，弱鏈路中任意一條鏈路狀態(tài)處于離線時，其對應服務受其直接影響同處于中斷狀態(tài)，此時本地服務可用性直接決定該條鏈路是否能夠恢復在線狀態(tài)。由此，定義第x個0 保護鏈路下離線服務的服務可用性為OxBAS，則其關系函數(shù)可以表達為：

式中：

Ix—全通信鏈路中第x個0 保護鏈路的服務重要度；

此類情況可通過鏈路數(shù)據(jù)分配下同級數(shù)據(jù)交互特征進行描述，即當服務重要度參量為定值的條件下，服務所關聯(lián)的鏈路越多，服務可用性越低。即Sx與xT的狀態(tài)服務屬性不變，若服務關聯(lián)的鏈路數(shù)量越多，則該服務對應節(jié)點交互過程中的狀態(tài)越容易受到鏈路失效因素的影響，導致其相應服務中斷，鏈路處于離線狀態(tài)。

配置與在線鏈路完全獨立的交換機1 ∶1 保護鏈路所對應服務除已知參量QM(Sy,Ty)外，還需獲取QB(Sy,Ty)參量。此類型服務所對應直連鏈路中任意一條鏈路離線后可直接切換至安全鏈路，保留原鏈路下服務；由此，定義全局分配鏈路下第y個滿足交換機1 ∶1 保護條件下的鏈路服務可用性的關系函數(shù)為：

式中：

Iy—全局分配鏈路下第y個配置交換機1 ∶1 保護鏈路的服務重要度；

式中：

在智能變電站安全光纖鏈路運行中，針對局部鏈路根據(jù)控制電路需求采用同級并聯(lián)結構傳輸?shù)膶嶋H情境，提出方法在重要度計算中，根據(jù)對應鏈路對應服務的實際可用性，對鏈路的重要度系數(shù)進行適當調整。研究顯示，當服務的重要程度一定時，服務傳輸鏈路的數(shù)量增加可以提高服務的可用性。反之，若其中任意一條鏈路所關聯(lián)的鏈路數(shù)量過多，可能會導致服務的可用性降低。此外，相較于僅有0 保護鏈路的服務配置，采用1 ∶1 保護鏈路的服務除了直連鏈路外，還配備了安全鏈路。然而，無論是直連鏈路還是安全鏈路，經過的鏈路數(shù)量越多，因鏈路離線導致服務中斷的可能性就越高。

因此，在計算過程中采用區(qū)塊劃分的優(yōu)化方法能夠有效提升全局鏈路對應服務重要度的計算精度，其鏈路區(qū)塊劃分比例按照上述鏈路配置1 ∶1 保護進行配置，以此實現(xiàn)對直連鏈路下部分子鏈路的分離處理，當相同類型服務所對應直連鏈路離線后，該鏈路下的服務會切換到安全鏈路，而直連鏈路中0 保護的鏈路離線后處于該鏈路中所有服務仍會進入服務中斷狀態(tài)。因此定義子鏈路1 ∶1 保護鏈路中0 保護下的鏈路為，其關系函數(shù)為：

定義全局分配鏈路下第z個配置子鏈路1 ∶1 保護鏈路所對應的服務可用性為，其計算公式可以表達為：

式中：

Iz—全局分配鏈路下第z個配置子鏈路1 ∶1 保護鏈路下對應服務的重要度。

式中：

在直連鏈路的環(huán)境中，當保護鏈路數(shù)量逐漸減少時，服務的中斷概率呈現(xiàn)出上升的趨勢。這意味著鏈路狀態(tài)的重要度模型逐漸接近串聯(lián)電路，進而導致服務的可用性降低。當保護鏈路數(shù)量增加時，鏈路狀態(tài)的重要度模型更接近于并聯(lián)電路，從而提高了服務的可用性。

如果相同類型服務處于0 保護鏈路下的狀態(tài)為離線，則其對應服務的全局狀態(tài)也會呈現(xiàn)離線狀態(tài)。這類情況與0 保護鏈路的服務表現(xiàn)非常相似。值得注意的是，當保護鏈路處于離線狀態(tài)時，其下的服務仍然可以正常運行，這與交換機1 ∶1 保護鏈路的服務特性具有相似之處。

總之，在直連鏈路下，保護鏈路數(shù)量的變化對服務可用性具有顯著影響。為了確保服務的穩(wěn)定性和可靠性，針對全局通信鏈路中所有0 保護鏈路、配置交換機1 ∶1 保護鏈路與配置子鏈路1 ∶1 保護鏈路對應服務而言，其服務可用性越大，所在鏈路重要度越高，其處于在線狀態(tài)的可靠性越高。因此定義整個通信鏈路分配網絡下服務層可靠性系數(shù)為Fservice(G)，計算關系式可以描述為：

鏈路離線后，該鏈路相關的服務全部轉到安全鏈路或重新匹配交換機，變電站安全光纖鏈路的全局帶寬占用率增加會直接帶動與其相關鏈路的離線率增高。故此可以得到ei,j離線后服務層鏈路重要度為?Fservice(ei,j)，其關系函數(shù)可以描述為：

式中：

1.3 全通信鏈路分配下的智能變電站安全光纖在線監(jiān)測結果輸出

基于上述鏈路重要度分析結果，對其在線監(jiān)測結果進行結果整理輸出?？紤]到上述多組分配類型下狀態(tài)監(jiān)測評估結果多以發(fā)送SV 或GOOSE 消息信息為判斷依據(jù)，因此可根據(jù)離線鏈路節(jié)點中斷服務時，其對應位置信息的梯度概率，計算得到安全光線是否處于離線狀態(tài)，進而判定其在線狀態(tài)。具體操作如下：

首先，通過SCD 文件中狀態(tài)權重信息的分析與其時間變化間隔之間對應光纖區(qū)段標識，可生成IED 安全設備下對應光纖區(qū)段X 的在線狀態(tài)信息數(shù)據(jù)集：

式中：

f(x1,xn)—安全光纖設備下區(qū)段x1與區(qū)段xn之間的狀態(tài)聯(lián)系，當區(qū)段 1x與區(qū)段xn的信息存在狀態(tài)關聯(lián)。則其對應狀態(tài)系數(shù)為1，當區(qū)段 1x與區(qū)段xn的信息不存在狀態(tài)關聯(lián)，則區(qū)段xn的狀態(tài)自相關數(shù)據(jù)集為：

當智能變電站安全光纖鏈路斷鏈出現(xiàn)時，離線服務節(jié)點數(shù)據(jù)中每個區(qū)段的集合，可以表達為：

若區(qū)段xn包含離線節(jié)點信息，則在鏈路分配下其對應f的參數(shù)值為1，若不包含離線節(jié)點信息，則對應參數(shù)值為0；此時，IED 安全設備所對應光纖區(qū)段xn的在線狀態(tài)輸出結果為：

注意到智能變電站安全鏈路網絡結構與分配參量的不同，其對應IED 安全設備下的狀態(tài)S 值大小可以作為光纖在線與否的判定指標，從而得出精準的監(jiān)測結果。

2 應用測試

為了驗證提出監(jiān)測方法在實際場景中的有效性，采用仿真對比實驗設計，通過模擬真實智能變電站安全鏈路場景，與對比方法在相同環(huán)境條件下共同完成相關指標量的測試，通過數(shù)據(jù)采集、對比、分析，得出測試結論，驗證提出方法。其中作為驗證方法的對比樣本方法的構成監(jiān)測方法設置為兩種不同算法的監(jiān)測方法，分別簡稱為參CY-1 與CY-2；提出方法簡稱為YZ-0。

2.1 測試環(huán)境搭建

根據(jù)測試需要搭建測試環(huán)境，其中包括：光纖傳感器，用于監(jiān)測光纖的溫度、應變、振動等參數(shù)；數(shù)據(jù)采集模塊，負責接收傳感器網絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行預處理；數(shù)據(jù)處理模塊，對預處理后的數(shù)據(jù)進行進一步的分析和處理，以提取出光纖的狀態(tài)信息；數(shù)據(jù)傳輸模塊，將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸和共享；監(jiān)控中心，負責接收和處理來自數(shù)據(jù)傳輸模塊的數(shù)據(jù)，對光纖的狀態(tài)進行實時監(jiān)測和預警。測試網絡結構如圖3 所示。

圖3 測試網絡結構

圖3中，測試過程中所涉數(shù)據(jù)樣本采用歷年變電站故障樣本，通過測試工具matlab 隨機抽取的方式配置其數(shù)量與類型，以此確保測試結果更加接近實際應用場景。

2.2 監(jiān)測偏差測試

隨機抽取3 000 條異常狀態(tài)數(shù)據(jù)，分別配置到3 路變電站鏈路下的測試機組，每路各1 000條異常狀態(tài)數(shù)據(jù)；分別有三種不同監(jiān)測方法分別對其進行監(jiān)測，所得數(shù)據(jù)由matlab 測試工具下SCD-SV 數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計插件分析整理后，輸出為統(tǒng)計圖，如圖4 所示。根據(jù)所得指標對比分析，得出測試結論。

圖4 不同監(jiān)測方法不同鏈路通道下所得結果偏差統(tǒng)計

根據(jù)圖4 的測試結果的對比分析可以發(fā)現(xiàn)，三組安全光纖狀態(tài)監(jiān)測方法在不同層級鏈路上的監(jiān)測效果各不相同，且各自監(jiān)測結果偏差較大。其中CY-1 所得監(jiān)測偏差權重整體表征為緩慢增長趨勢，說明該方法在測試網絡環(huán)境下，監(jiān)測結果的偏差大小隨鏈路層深度的增長而增大；按照偏差權重越大，對應方法監(jiān)測結果偏差值越大的判定規(guī)則，CY-1 測試結果無法滿足測試要求。按照上述分析與判定方法，分析得到CY-2 所得指標性能同樣無法滿足測試要求，但是其性能整體表征優(yōu)于CY-1，主要表現(xiàn)在偏差權重值小于CY-1 權重值與其整體變化趨勢中存在收斂痕跡。相比上述兩種方法所得測試結果，YZ-0 的指標更能滿足測試要求，其權重值相比兩種對比方法所得權重值小，說明其具有較好的監(jiān)測精準度，另外其波動小，有收斂痕跡，說明該方法具有較好的控制性與穩(wěn)定性，綜合上述分析，YZ-0 的監(jiān)測偏差最小，更能滿足實際應用要求。

2.3 可靠性測試

為了驗證提出監(jiān)測方法檢測效果的可靠性，在搭建3 層鏈路網絡結構中隨機配置光纖服務在“在線”與“離線”兩種狀態(tài)之間切換，每條鏈路通道對應切換次數(shù)5 000 次，切換時間間隔為100 ms，每種監(jiān)測方法所得結果經過統(tǒng)計后生成表1，通過對比分析表1 數(shù)據(jù)，得出測試結果。

表1 光纖隨機狀態(tài)監(jiān)測結果可靠性統(tǒng)計

根據(jù)表1 所示的數(shù)據(jù)可以直觀的展現(xiàn)出YZ-0 的整體可靠性優(yōu)于另外兩種監(jiān)測方法。除指標值大于CY-1與CY-2 外，3 組鏈路通道所得指標值之間的變化幅度也能說明YZ-0 具有更好的監(jiān)測魯棒性，因此YZ-0 對應的可靠性最好。

3 結束語

針對智能變電站安全光纖鏈路結構，采用全通信鏈路分配優(yōu)化方案，對當前智能變電站安全光纖在線監(jiān)測方法存在的偏差問題進行研究，并取得了預期效果，徹底解決監(jiān)測偏差較大問題。但是，需要注意到智能變電站網絡結構的復雜程度日益加深，其對應變量的可控程度不斷減弱，因此監(jiān)測效果的穩(wěn)定周期處于遞減狀態(tài)。為了延長監(jiān)測效果的穩(wěn)定周期，需要在未來的研究中，針對智能化鏈路分布特征展開研究，精簡鏈路狀態(tài)計算過程，提升問題鏈路區(qū)域感知能力，優(yōu)化多鏈路、多層級、多尺度下的超分計算能力，以此確保提出方法時刻處于最佳的監(jiān)測狀態(tài)。