電力系統(tǒng)二次保護(hù)裝置的正常工作對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。電網(wǎng)規(guī)模日益擴(kuò)大，區(qū)域內(nèi)變電站數(shù)量增加，以及智能二次設(shè)備的廣泛應(yīng)用，對(duì)運(yùn)維人員能力要求不斷提高，大大增加了運(yùn)維檢修人員工作壓力。隨著計(jì)算機(jī)及通信領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，二次設(shè)備智能化運(yùn)維逐漸成為繼電保護(hù)領(lǐng)域的研究和發(fā)展方向。

智能化運(yùn)維手段被用于輔助運(yùn)維工作，其中移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、遠(yuǎn)程運(yùn)維、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及人工智能技術(shù)等手段的提出，改進(jìn)了早期的人工巡檢運(yùn)維模式，豐富了運(yùn)維方法，簡(jiǎn)化了人工操作。智能化運(yùn)維手段作為目前保證運(yùn)維質(zhì)量及提高運(yùn)維效率的有效輔助手段，仍在不斷發(fā)展。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生異?；蚬收蠒r(shí)，二次保護(hù)設(shè)備啟動(dòng)或動(dòng)作的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的保護(hù)報(bào)文和錄波文件等信息。因此，大數(shù)據(jù)技術(shù)、輔助決策等方法被用于保護(hù)信息自動(dòng)分析及處理，但目前關(guān)于保護(hù)跳閘后動(dòng)作行為智能診斷的研究較少。

此外，二次回路的檢查也是繼電保護(hù)運(yùn)維的一項(xiàng)重點(diǎn)工作，關(guān)系到保護(hù)能否正常跳閘出口。相比于常規(guī)站，智能站保護(hù)二次回路采用光纖網(wǎng)絡(luò)替代電纜，構(gòu)成二次虛回路，且具有出現(xiàn)異常時(shí)難以識(shí)別的特征，是保護(hù)動(dòng)作診斷的重要內(nèi)容。

有文獻(xiàn)利用改進(jìn)D-S證據(jù)理論對(duì)可疑故障元件集合中的元件進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能站故障二次回路中故障元件的定位。有文獻(xiàn)提出智能變電站二次回路智能預(yù)警及故障診斷方案，將二次設(shè)備虛回路信息流映射到相應(yīng)的物理拓?fù)渲?。有文獻(xiàn)提出一種改進(jìn)貝葉斯算法，利用可疑故障成分的貝葉斯異常程度，進(jìn)行二次回路故障診斷。

上述研究表明，通過(guò)模型優(yōu)化的方式，并利用智能分析手段有助于提高二次虛回路診斷分析能力，但這類方法不能判斷二次虛回路設(shè)計(jì)異常，且缺少對(duì)二次虛回路相關(guān)信息的進(jìn)一步分析能力。

為實(shí)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作診斷相應(yīng)的智能化功能，需要構(gòu)建報(bào)文與診斷模型的映射關(guān)系，便于在智能分析時(shí)直接從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取報(bào)文信息的實(shí)時(shí)狀態(tài)。目前最普遍的做法是通過(guò)報(bào)文描述名建立映射，但由于報(bào)文描述名難以統(tǒng)一，易出現(xiàn)匹配不成功的情況，需要人工選擇識(shí)別。匹配過(guò)程效率低且缺乏可靠性，因此需要建立更高效準(zhǔn)確的報(bào)文匹配機(jī)制。

基于上述內(nèi)容，本文利用統(tǒng)一語(yǔ)義模型，設(shè)計(jì)一種智能變電站繼電保護(hù)動(dòng)作診斷系統(tǒng)。對(duì)保護(hù)動(dòng)作診斷涉及的二次信息進(jìn)行重新建模，提高自動(dòng)化配置效率。同時(shí)，通過(guò)構(gòu)建保護(hù)動(dòng)作診斷體系，利用保護(hù)啟動(dòng)或動(dòng)作產(chǎn)生的大量報(bào)文和波形數(shù)據(jù)信息，對(duì)二次虛回路、保護(hù)動(dòng)作行為進(jìn)行分析，給出保護(hù)動(dòng)作診斷的分析結(jié)果。此分析結(jié)果可與變電站運(yùn)行、維護(hù)工作相結(jié)合，降低電力系統(tǒng)運(yùn)行安全隱患，提高二次設(shè)備的運(yùn)維效率，減少后續(xù)定檢、巡檢工作量。

1 測(cè)點(diǎn)信息模型與配置

1.1 統(tǒng)一語(yǔ)義模型

變電站的統(tǒng)一設(shè)備模型涵蓋廣泛，包含變電站內(nèi)所有設(shè)備的信息模型，可促進(jìn)構(gòu)建新型的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)機(jī)制?；诮y(tǒng)一語(yǔ)義的二次設(shè)備模型可作為變電站統(tǒng)一設(shè)備模型的一部分，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系。

基于統(tǒng)一語(yǔ)義原則的變電站二次設(shè)備模型可通過(guò)語(yǔ)義化的模型區(qū)別各個(gè)信號(hào)，其構(gòu)建原則如下：

1）對(duì)于跨間隔設(shè)備需要規(guī)范一、二次設(shè)備模型關(guān)聯(lián)方法，建立一次設(shè)備和邏輯節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，集成配置指定間隔后無(wú)須再次針對(duì)保護(hù)動(dòng)作診斷配置。

2）診斷過(guò)程涉及的站控層及過(guò)程層報(bào)文建立惟一的數(shù)據(jù)對(duì)象和數(shù)據(jù)屬性，即DO.DA。

模型構(gòu)建基本原則的目的是通過(guò)針對(duì)性地建模實(shí)現(xiàn)同一間隔內(nèi)二次設(shè)備信息的唯一性和準(zhǔn)確性。

圖1所示為雙母雙分段典型接線，其中M1、M2為Ⅰ、Ⅱ母間隔，SEG1和SEG2為分段間隔，TIE為母聯(lián)間隔，PTR1為變壓器分支間隔，LIN1為線路分支間隔。此外，CBR為斷路器，CTR為電流互感器，DIS_m1為刀開(kāi)關(guān)1，DIS_m2為刀開(kāi)關(guān)2。

圖1 雙母雙分段典型接線

針對(duì)統(tǒng)一語(yǔ)義模型構(gòu)建原則1），以母線保護(hù)裝置這種跨間隔的保護(hù)設(shè)備為例，其模型應(yīng)包含與本保護(hù)裝置相關(guān)的一次設(shè)備間隔對(duì)象，以及每個(gè)一次設(shè)備間隔對(duì)象關(guān)聯(lián)的保護(hù)功能邏輯節(jié)點(diǎn)。母線保護(hù)的部分邏輯節(jié)點(diǎn)在圖1中的線路分支間隔LIN1中一二次設(shè)備映射模型見(jiàn)表1。若線路分支間隔為母線的第11支路，表1所示邏輯節(jié)點(diǎn)均為“B11*”。

表1 一二次設(shè)備映射模型

針對(duì)統(tǒng)一語(yǔ)義模型構(gòu)建原則2），以圖1中線路間隔LIN1的線路保護(hù)為例，其統(tǒng)一語(yǔ)義模型的部分信號(hào)見(jiàn)表2。

由表2可知，在原有的邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)、DO和DA的基礎(chǔ)上，優(yōu)化原來(lái)模糊部分，尤其是一些僅通過(guò)實(shí)例化數(shù)字區(qū)分的信號(hào)。對(duì)規(guī)范中規(guī)定的通用報(bào)文進(jìn)行統(tǒng)一語(yǔ)義建模，使這些特定信號(hào)的引用名具有唯一性。

表2 線路保護(hù)模型

1.2 模型配置

保護(hù)動(dòng)作診斷的模型配置工作，即建立變電站二次設(shè)備中遙信遙測(cè)與計(jì)算模型測(cè)點(diǎn)的映射關(guān)系，是保護(hù)動(dòng)作診斷的前提。

采用統(tǒng)一語(yǔ)義模型后，可使配置工作大幅簡(jiǎn)化，對(duì)于線路分支間隔，只需關(guān)聯(lián)該線路間隔與母線保護(hù)裝置中的邏輯節(jié)點(diǎn)所屬支路間隔，即可實(shí)現(xiàn)跨間隔保護(hù)設(shè)備的相關(guān)測(cè)點(diǎn)信息與該間隔保護(hù)診斷計(jì)算模型的關(guān)聯(lián)，同時(shí)線路間隔等非跨間隔保護(hù)設(shè)備的測(cè)點(diǎn)信息根據(jù)模型構(gòu)建原則2）可自動(dòng)生成關(guān)聯(lián)。圖1中線路分支間隔LIN1在配置時(shí)，將該間隔中的母線保護(hù)選為“支路11”，即可完成模型匹配，動(dòng)作診斷配置界面如圖2所示。

圖2 動(dòng)作診斷配置界面

保護(hù)分析計(jì)算模型配置工具是生成計(jì)算模型的圖形化界面工具，可實(shí)現(xiàn)保護(hù)設(shè)備測(cè)點(diǎn)自動(dòng)配置和手動(dòng)修改。

2 保護(hù)動(dòng)作診斷

2.1 二次虛回路診斷

保護(hù)裝置在動(dòng)作前會(huì)發(fā)出“保護(hù)啟動(dòng)”報(bào)文，而在動(dòng)作返回后，“保護(hù)啟動(dòng)”才隨之返回。因此，保護(hù)動(dòng)作診斷功能采用“保護(hù)啟動(dòng)”的變位和返回作為開(kāi)始和結(jié)束的標(biāo)志。目前220kV等級(jí)及以上的間隔通常是雙套保護(hù)配置，而發(fā)生擾動(dòng)時(shí)雙套保護(hù)啟動(dòng)和返回時(shí)間通常不一致，因此需要選擇統(tǒng)一的啟動(dòng)合成信號(hào)作為診斷的觸發(fā)時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻。

二次虛回路診斷是保護(hù)動(dòng)作診斷的主要功能，目的是通過(guò)保護(hù)動(dòng)作事件校驗(yàn)二次回路及動(dòng)作行為是否正常，減少后續(xù)運(yùn)維工作量。智能變電站的二次回路采用光纖網(wǎng)絡(luò)取代常規(guī)站中的電纜二次回路，物理上簡(jiǎn)化了回路結(jié)構(gòu)，但也增加了異常問(wèn)題排查的難度。

考慮到保護(hù)動(dòng)作出口到開(kāi)關(guān)成功開(kāi)合，會(huì)經(jīng)過(guò)一系列虛回路，可通過(guò)相應(yīng)的報(bào)文來(lái)判斷虛回路是否正常。對(duì)某一條虛回路而言，發(fā)送端裝置發(fā)出動(dòng)作報(bào)文，接收端裝置接收到報(bào)文即可視為該回路正常。發(fā)送端的信號(hào)可通過(guò)采集單元接收，但是無(wú)法直接判別接收端是否接收成功，可通過(guò)接收到報(bào)文后裝置的響應(yīng)報(bào)文判斷接收與否。

以線路保護(hù)單相跳閘為例，線路保護(hù)發(fā)出單相跳閘命令，智能診斷系統(tǒng)接收到跳單相的命令后會(huì)立即發(fā)出一個(gè)收到單相跳閘命令的報(bào)文，此報(bào)文可以通過(guò)采集單元獲取，通過(guò)一發(fā)一收即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的判斷邏輯。按上述邏輯即可得到線路保護(hù)的全部虛回路，從而構(gòu)建線路保護(hù)動(dòng)作診斷完整的二次虛回路圖。

此外，由于部分虛回路接收端的信號(hào)由采集單元獲取，無(wú)法直觀地反映出該信號(hào)在整個(gè)診斷中起到的作用，如反校信號(hào)和回采信號(hào)等，且這些信號(hào)并未與二次回路建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，無(wú)法對(duì)整個(gè)二次回路的異常進(jìn)行準(zhǔn)確判別和定位。因此，將接收端發(fā)出的報(bào)文由采集單元調(diào)整到指定虛回路的末端，最終構(gòu)建的線路間隔保護(hù)單相動(dòng)作出口診斷回路如圖3所示。

根據(jù)圖3中的回路，設(shè)計(jì)通用的回路診斷模塊，輸入的信息即回路兩端信號(hào)。最終，保護(hù)動(dòng)作診斷系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算模型的配置結(jié)果實(shí)例化診斷模塊，每個(gè)診斷模塊完成單個(gè)回路的分析和結(jié)果輸出，圖4所示為典型線路間隔診斷模塊實(shí)例化過(guò)程。

二次虛回路的診斷結(jié)果可按嚴(yán)重程度告警。若結(jié)果不“正?！保柙诨芈吩\斷圖中定位相應(yīng)的非正?；芈?。保護(hù)動(dòng)作診斷的具體信息還包含具體診斷條目和相應(yīng)的診斷結(jié)果。此外，還可通過(guò)“事件”頁(yè)面顯示此診斷周期內(nèi)事件報(bào)文的時(shí)序信息，直觀了解動(dòng)作報(bào)文按時(shí)間發(fā)展的過(guò)程，有利于事后復(fù)盤分析。事件報(bào)文時(shí)序展示如圖5所示。

圖3線路間隔保護(hù)單相動(dòng)作出口診斷回路

圖4 典型線路間隔診斷模塊實(shí)例化過(guò)程

圖5 事件報(bào)文時(shí)序展示

2.2 全站診斷計(jì)算過(guò)程

全站的保護(hù)動(dòng)作診斷是按電壓等級(jí)和間隔來(lái)劃分的，其計(jì)算執(zhí)行過(guò)程如下：

• 1）開(kāi)始間隔n的動(dòng)作診斷分析。
• 2）開(kāi)始間隔n中保護(hù)m的動(dòng)作診斷分析。
• 3）判斷是否存在動(dòng)作報(bào)文或者啟動(dòng)報(bào)文，若存在，進(jìn)入下一步。
• 4）獲取動(dòng)作過(guò)程涉及的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括過(guò)程層、站控層報(bào)文及錄波文件等。
• 5）等待計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)為浮動(dòng)門檻，設(shè)最大上限值。
• 6）判斷計(jì)時(shí)是否結(jié)束，若是，進(jìn)入下一步，否則返回步驟4）。
• 7）間隔n中保護(hù)m的動(dòng)作行為分析，分析區(qū)間為啟動(dòng)開(kāi)始時(shí)刻至啟動(dòng)結(jié)束時(shí)刻。
• 8）輸出動(dòng)作診斷結(jié)果文件。
• 9）判斷保護(hù)m是否為最大，即該間隔內(nèi)保護(hù)是否全部分析完畢，若是，進(jìn)入下一步，否則m++后返回步驟2）。
• 10）判斷間隔n是否為最大，即全站所有間隔是否全部分析完畢，若是，進(jìn)入下一步，否則n++后返回步驟1）。
• 11）n復(fù)位，等待下一個(gè)診斷循環(huán)。

整個(gè)保護(hù)動(dòng)作診斷流程如圖6所示。

圖6 保護(hù)動(dòng)作診斷流程

3 裝置驗(yàn)證

搭建如圖1所示的220kV電壓等級(jí)變電站二次設(shè)備模擬驗(yàn)證平臺(tái)，包含雙母雙分段接線的母線及一條變壓器支路和一條線路支路。支路上的開(kāi)關(guān)通過(guò)模擬斷路器代替，變壓器支路和線路支路的斷路器分別配A、B套智能終端。保護(hù)和智能終端通過(guò)虛端子連接構(gòu)成過(guò)程層雙套雙網(wǎng)。通過(guò)繼電保護(hù)試驗(yàn)儀給保護(hù)裝置加量模擬故障情況，保護(hù)出口跳開(kāi)模擬斷路器，模擬實(shí)際變電站保護(hù)動(dòng)作情況。

通過(guò)修改系統(tǒng)配置描述（system configuration description, SCD）文件、刪改虛回路的拉線、拔掉光纖等操作，模擬各種虛回路異常的工況，并用于驗(yàn)證保護(hù)診斷功能。線路間隔的部分典型異常事件模擬及診斷結(jié)論見(jiàn)表3。

表3 線路二次回路異常事件及診斷結(jié)論

仿真結(jié)果顯示，診斷結(jié)果準(zhǔn)確可靠，對(duì)二次回路的運(yùn)維工作有較好的指導(dǎo)作用。

保護(hù)動(dòng)作診斷結(jié)果界面示例如圖7所示。圖7（a）是母線保護(hù)GOOSE開(kāi)入光纖斷線時(shí)系統(tǒng)的診斷結(jié)果，這也是站內(nèi)光纖遭受擠壓容易出現(xiàn)的情況。保護(hù)動(dòng)作診斷結(jié)論為“嚴(yán)重”，具體為失靈回路報(bào)嚴(yán)重故障，結(jié)果描述為“支路A相啟動(dòng)失靈開(kāi)入獲取失敗”；由診斷回路顯示圖7（b）可知，此失靈虛回路異常；報(bào)文時(shí)序也清晰展示了事件發(fā)生過(guò)程，如圖7（c）所示。

圖7 保護(hù)動(dòng)作診斷結(jié)果界面示例

4 結(jié)論

變電站站內(nèi)保護(hù)動(dòng)作后會(huì)產(chǎn)生大量的報(bào)文數(shù)據(jù)，可利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作智能診斷分析，提高運(yùn)維效率，減小定檢、巡檢的工作量。

本文通過(guò)統(tǒng)一語(yǔ)義模型，建立統(tǒng)一的計(jì)算模型匹配邏輯，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配置，大大減少了現(xiàn)場(chǎng)的配置工作量。保護(hù)動(dòng)作后可依據(jù)采集的過(guò)程層、站控層報(bào)文等各類數(shù)據(jù)，對(duì)整個(gè)動(dòng)作行為和二次虛回路進(jìn)行自動(dòng)分析校驗(yàn)，并形成診斷結(jié)論，提高了現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題分析能力，減少了后續(xù)定檢、巡檢的工作量。

該系統(tǒng)涉及保護(hù)智能運(yùn)維領(lǐng)域，可集成于智能運(yùn)維平臺(tái)，較好地應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的變電站，但是對(duì)特殊結(jié)構(gòu)及老舊站的適應(yīng)性還需要進(jìn)一步研究和完善。

本文編自2022年第6期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“智能變電站繼電保護(hù)動(dòng)作診斷系統(tǒng)”，作者為孫仲民、呂航 等。