蔡驥然，鄭永康，周振宇，劉明忠，孟 雷，陳 遲

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智能變電站二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測研究綜述

蔡驥然1,2，鄭永康1，周振宇2，劉明忠1，孟 雷1，陳 遲1

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院, 四川 成都 610072; 2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206)

信息共享和設(shè)備之間的可互操作性作為智能變電站的主要特點，可提供豐富的二次設(shè)備運行及狀態(tài)信息，給二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和狀態(tài)檢修帶來了極大的便利。但目前針對二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測的研究如交換機(jī)信息建模還存在著不足。在此背景下，首先探討了智能變電站二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的概念和監(jiān)測對象，其次分析了信息建模和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理方面的關(guān)鍵技術(shù)和方法，并針對交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣o出了一種建模方案。隨后總結(jié)了幾種利用狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行二次設(shè)備故障診斷的方法，并分析了各種方法的優(yōu)點、不足以及適用場合。最后，結(jié)合目前國內(nèi)二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的研究和實際應(yīng)用現(xiàn)狀，展望了未來的研究方向和應(yīng)用前景。

智能變電站；二次設(shè)備；狀態(tài)監(jiān)測；信息建模；故障診斷

0 引言

近年來，隨著我國輸變電技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模在不斷擴(kuò)大，輸變電電壓等級在不斷提高。這使得電力設(shè)備的數(shù)量和復(fù)雜性不斷上升，設(shè)備的檢修費用占電網(wǎng)運行總成本的比例日漸增大，繼電保護(hù)設(shè)備的維護(hù)工作量急劇增加。為確保在這種設(shè)備數(shù)量多、設(shè)備復(fù)雜性高的情況下電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠運行，同時控制檢修費用以降低成本，減少繼保檢驗的工作量，電力設(shè)備的檢修策略也從過去的定期檢修向狀態(tài)檢修發(fā)展。

定期檢修和狀態(tài)檢修都屬于預(yù)防性檢修[1]。定期檢修的缺點在于檢修周期相對固定，不能根據(jù)設(shè)備的健康狀況及時地進(jìn)行檢修，容易造成檢修不足和檢修過剩等問題[2]。而狀態(tài)檢修是通過先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測手段獲取設(shè)備工作時的各項狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)這些狀態(tài)參數(shù)反映出的設(shè)備實際工作狀況，識別故障的早期征兆，對故障部位、故障嚴(yán)重程度及發(fā)展趨勢做出判斷，從而確定設(shè)備的最佳維修時間的一種檢修方式[3]。

國家電網(wǎng)公司從2006年開始在各省市全面推行狀態(tài)檢修工作。主要完成的工作有：制定狀態(tài)檢修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、完善狀態(tài)監(jiān)測診斷分析手段、狀態(tài)檢修準(zhǔn)備工作評價驗收、基層人員狀態(tài)檢修知識及技能培訓(xùn)[4]。南方電網(wǎng)公司也于2010年發(fā)布了《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修管理辦法》以規(guī)范輸變電設(shè)備的狀態(tài)檢修工作。目前，我國的狀態(tài)檢修工作正處于初級階段，還存在著以下問題：部分人員對狀態(tài)檢修認(rèn)識還不夠充分；運行人員對設(shè)備狀態(tài)的診斷、分析能力還有待提高；狀態(tài)檢修的重心集中在電力一次設(shè)備，二次設(shè)備的狀態(tài)檢修沒有得到相應(yīng)的重視。

狀態(tài)檢修的內(nèi)涵包括：設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、設(shè)備故障診斷和檢修決策。狀態(tài)監(jiān)測為狀態(tài)檢修提供基本數(shù)據(jù)支持；設(shè)備故障診斷是以狀態(tài)監(jiān)測為依據(jù)，綜合設(shè)備歷史信息，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等技術(shù)來判斷設(shè)備的健康狀況[5]。檢修決策則是綜合考慮設(shè)備的故障嚴(yán)重程度、檢修成本、潛在風(fēng)險等因素，從而制定檢修計劃的過程。

過去對傳統(tǒng)變電站實行狀態(tài)監(jiān)測和狀態(tài)檢修的主要困難在于狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集。傳統(tǒng)變電站中，不同廠商、不同設(shè)備使用的是不同的規(guī)范和協(xié)議，使得相互之間信息不能共享，形成了信息孤島。而在智能變電站中，站內(nèi)設(shè)備形成了如圖1所示的“三層兩網(wǎng)”的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)及其抽象通信服務(wù)接口(Abstract Communication Service Interface, ACSI)映射的GOOSE、MMS報文和SV報文完成設(shè)備之間的信息交換和互操作。設(shè)備間的信息互通以及網(wǎng)絡(luò)分析儀的使用，給站內(nèi)設(shè)備尤其是二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測帶來了極大的便利，推動了二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用的發(fā)展。

圖1 智能變電站網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)

本文對智能變電站二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的概念、設(shè)備信息建模和狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理方法進(jìn)行了總結(jié)；分析了數(shù)種告警信息處理和故障診斷方法的優(yōu)點和不足，并展望了未來二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的研究和應(yīng)用前景。

1 二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的概念

在智能變電站的大力建設(shè)和IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)深入推廣應(yīng)用的情況下，國內(nèi)外對變電站一次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測已做了充分的研究[6-7]。隨著一體化調(diào)度自動化系統(tǒng)的部署，需要實現(xiàn)一、二次系統(tǒng)的同步建模、采集與分析。雖然目前調(diào)度自動化系統(tǒng)對二次設(shè)備的在線監(jiān)視與分析主要處理與解決的是繼保設(shè)備、故障錄波裝置的相關(guān)信息，但是二次設(shè)備的狀態(tài)檢修是未來智能變電站及站內(nèi)智能設(shè)備檢修的重要部分[8]。而作為狀態(tài)檢修基礎(chǔ)的二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測工作就勢在必行，亟待開展。對二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測不同于一次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測——通常需要單獨安裝監(jiān)測設(shè)備來實現(xiàn)對主設(shè)備的監(jiān)測；由于微機(jī)保護(hù)已十分成熟，二次設(shè)備通常具備較強(qiáng)的在線自檢和通信功能，因此無需另外安裝監(jiān)測設(shè)備，使用設(shè)備自身集成的自檢、通信功能即可完成狀態(tài)監(jiān)測的任務(wù)。在IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一規(guī)范下，綜合考慮二次回路負(fù)載及安全性，對二次設(shè)備實行嵌入式狀態(tài)監(jiān)測是合理且妥當(dāng)?shù)摹?/p>

文獻(xiàn)[9]提出了幾種智能變電站中對繼保裝置進(jìn)行監(jiān)測的對象和指標(biāo)，包括：繼電保護(hù)裝置的電流、電壓等SV通道狀態(tài)；直流逆變電源狀態(tài)；遙信、遙控等GOOSE通道的狀態(tài)；自檢狀態(tài)等。文獻(xiàn)[5]提出將二次設(shè)備電源系統(tǒng)、設(shè)備開入開出回路、互感器二次回路、設(shè)備系統(tǒng)絕緣、設(shè)備通信信道狀態(tài)、設(shè)備工況、二次設(shè)備軟件版本和校驗碼等信息作為二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的對象。文獻(xiàn)[10]認(rèn)為，由于智能變電站的發(fā)展，變電站主控室內(nèi)的設(shè)備不斷增加，大量運行于機(jī)柜內(nèi)的設(shè)備在運行時產(chǎn)生較多的熱量，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備的運行溫度較高。較高的溫度是不利于二次設(shè)備的穩(wěn)定運行的，因此設(shè)備的溫度也應(yīng)該作為二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的一項內(nèi)容。文獻(xiàn)[10-11]在考慮監(jiān)測保護(hù)、測控裝置的基礎(chǔ)上，還提出將交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備納入二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的范圍內(nèi)，這是因為通信網(wǎng)絡(luò)中的各種設(shè)備也含有例如端口連接狀態(tài)、端口雙工模式、速率和吞吐量等表征通信網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)的參數(shù)。對這些參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和分析，可以更準(zhǔn)確地掌握通信網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)，從而更好地完成狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷及故障定位等工作?？偠灾卧O(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的監(jiān)測內(nèi)容正向著全面化、全景化的方向發(fā)展[12]。

智能變電站二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測需要借助先進(jìn)、準(zhǔn)確的傳感器技術(shù)將設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、上送以完成原始運行數(shù)據(jù)的采集；然后，需對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，判斷設(shè)備當(dāng)前的健康狀況、預(yù)測可能發(fā)生的故障，并制定相應(yīng)的措施[13]。智能變電站的二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測是一個較寬的概念，涵蓋的內(nèi)容較寬泛，綜合來看，可以總結(jié)如圖2。需要指出的是，針對網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測目前還處于探索實驗階段，各廠家生產(chǎn)的智能變電站專用交換機(jī)的設(shè)計理念不盡相同，也尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對此進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

圖2 二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的概念

2 二次設(shè)備信息建模

在實施狀態(tài)監(jiān)測的過程中，首先需要對設(shè)備的信息進(jìn)行建模。建模的目的是為了獲得各種設(shè)備運行過程中的狀態(tài)參數(shù)的規(guī)范表達(dá)。因此建模的要求是應(yīng)對智能變電站內(nèi)所有設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一建模，并使用統(tǒng)一的、被廣泛認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行建模。在智能變電站中，二次設(shè)備已通過IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)了通信和互操作，針對二次設(shè)備的信息建模也多圍繞該標(biāo)準(zhǔn)，采用變電站配置語言(Substation Configuration Language, SCL)或統(tǒng)一建模語言(Unify Modeling Language, UML)進(jìn)行。目前國家電網(wǎng)公司已著手開展智能變電站內(nèi)二次設(shè)備的信息建模工作，并形成了一些二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)[14]。雖然2010年國際電工委員會(International Electric Committee, IEC)發(fā)布了IEC 61850 7-4第二版，增加了狀態(tài)監(jiān)測邏輯節(jié)點，但都是針對一次設(shè)備而言[15]。故當(dāng)前在智能變電站中實際開展的二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測基本依靠網(wǎng)絡(luò)分析儀對GOOSE/SV/MMS報文的連續(xù)性、合法性、時延以及通信鏈路、網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行監(jiān)測和告警。而設(shè)備的自檢信息、二次回路信息等信息雖然能夠采集到，但并沒有通過報文上送，設(shè)計人員在變電站設(shè)計過程中也沒有將這些數(shù)據(jù)列入虛端子表中。

2.1 二次設(shè)備信息建模的研究現(xiàn)狀

研究人員在二次設(shè)備信息建模方面進(jìn)行過一些研究。文獻(xiàn)[16]將過程量、開關(guān)量、特征量根據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建模，客戶端通過主動召喚和報告相結(jié)合的方式獲取IED數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[17]結(jié)合二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的實際特點和功能需求，采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，主要監(jiān)測了站內(nèi)二次設(shè)備和二次回路，以及設(shè)備的銘牌、標(biāo)識和健康狀態(tài)；提出了一種把變電站整個二次系統(tǒng)和二次回路作為統(tǒng)一監(jiān)測對象整體來建模的思想。

文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[17]都提出將變電站一、二次設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一建模，將狀態(tài)監(jiān)測信息形成一個設(shè)備狀態(tài)全景信息平臺提供給運維和繼保人員。

此外，由于交換機(jī)在智能變電站中處于信息交換的樞紐位置，在二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中也應(yīng)該將交換機(jī)納入監(jiān)測對象范圍之內(nèi)；在故障診斷中，尤其是在通信鏈路中斷以及網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴[18]等情況時也應(yīng)考慮交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲写嬖诘膯栴}。然而IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)目前并沒有針對交換機(jī)的建模，一些研究者開始對IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)展以完成對交換機(jī)的建模。文獻(xiàn)[11]利用功能分解/信息提取、映射管理信息庫的方法初步建立了智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測信息模型，提出了基于擴(kuò)展SCL的通信網(wǎng)絡(luò)配置描述方法，并給出了交換機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測信息模型，包括交換機(jī)的CID文件和加入了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞腟CD文件。文獻(xiàn)[19]也嘗試了利用SCL對交換機(jī)進(jìn)行建模，并給出了交換機(jī)通信服務(wù)映射的實現(xiàn)。在建模過程中發(fā)現(xiàn)由于建模標(biāo)準(zhǔn)的缺乏，數(shù)據(jù)對象的命名還存在較大的靈活性，這給交換機(jī)的可互操作性造成了障礙。也正是由于交換機(jī)建模標(biāo)準(zhǔn)的缺乏，這些研究還處于探索階段，可以為業(yè)界提供一種新思想，但距離實際應(yīng)用還有一定距離。

另外，一些繼保設(shè)備生產(chǎn)廠商也開始研發(fā)專用于智能變電站的智能交換機(jī)。智能交換機(jī)的特點是在具備普通工業(yè)交換機(jī)的功能之上，還具備通過GOOSE/MMS報文上送交換機(jī)自身狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)流量以及交換機(jī)配置等功能。而智能交換機(jī)的研發(fā)乃至最終投入實際應(yīng)用也需要相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)。

狀態(tài)監(jiān)測信息的建模是狀態(tài)監(jiān)測中重要的一環(huán)，而二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測信息建模也已經(jīng)有IEC 61850、UML等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范。在進(jìn)行一、二次設(shè)備統(tǒng)一建模和交換機(jī)建模時，應(yīng)充分利用這些已有的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)制定組織也應(yīng)及時推動標(biāo)準(zhǔn)的更新以完善整個智能變電站網(wǎng)絡(luò)體系。

2.2 一種交換機(jī)及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣７桨?/p>

以交換機(jī)及站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣槔?，在目前智能變電站專用交換機(jī)尚未投入實際應(yīng)用，而二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測又需要交換機(jī)及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞那闆r下，本文提出以下建模方案。

針對一般的通用交換機(jī)，其建模目的可暫不要求向外報告自身狀態(tài)，如接口的光功率、網(wǎng)絡(luò)流量等等，而著重于對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜驮O(shè)備物理連接關(guān)系的描述。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[20-21]，可以利用IEC 61850-6中規(guī)定的節(jié)點來描述設(shè)備之間的物理連接關(guān)系。即在SCD文件的Commnuication/ SubNetwork節(jié)點下，添加交換機(jī)的ConnectedAP子節(jié)點，示例代碼如下：

1-1

LC

FOC

PL2201

根據(jù)文獻(xiàn)[21]，當(dāng)一臺設(shè)備具有多個網(wǎng)絡(luò)接口時，將第一個節(jié)點的type屬性設(shè)置為Connection，其余節(jié)點此屬性設(shè)置為RedConn。此外，文獻(xiàn)[21]還規(guī)定了節(jié)點下type屬性分別為Port、Plug、Type的

節(jié)點的用途分別為端口編號、端口類型、線纜類型。但其未對type屬性為Cable的

節(jié)點的用途做出規(guī)定，這也使得節(jié)點難以描述設(shè)備之間的連接關(guān)系。因此，可以利用該節(jié)點來描述對側(cè)所連接的設(shè)備，如上文中的PL2201即表示該端口連接了PL2201這臺設(shè)備。需要指出的是，目前對于節(jié)點的引入還在實驗階段，因此對于將交換機(jī)所屬的節(jié)點加入到哪一個通信子網(wǎng)(即哪一個SubNetwork節(jié)點下)并無定論，還有待于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的完善。

由于將交換機(jī)也作為IED加入到了SCD中，而通用交換機(jī)實際上并不與外部發(fā)生MMS、GOOSE及SV通信，故在SCD文件的節(jié)點中對交換機(jī)建模時，可以不配置節(jié)點內(nèi)部的內(nèi)容，只保留該節(jié)點的name、desc、router等屬性，而節(jié)點的配置也可以進(jìn)行簡化。

而針對智能交換機(jī)，只需將對應(yīng)的節(jié)點按常規(guī)IED設(shè)備進(jìn)行建模即可。

為了能描述站內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌€需要在其他IED設(shè)備中也引入節(jié)點。而這些設(shè)備的節(jié)點配置的位置，宜根據(jù)該端口或鏈路中傳輸?shù)膱笪念愋蛠磉x擇。

3 二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理

目前針對智能變電站二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理的研究對象主要為變電站網(wǎng)絡(luò)中的告警、變位報文，從狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計、警報處理和故障診斷等角度開展。

文獻(xiàn)[10]提出了一種在線式自我狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)，該系統(tǒng)利用設(shè)備自檢和設(shè)備之間的互相監(jiān)測來實現(xiàn)二次設(shè)備的嵌入式監(jiān)測。該系統(tǒng)的架構(gòu)是一種總線型架構(gòu)，即間隔層各種二次設(shè)備將采集到的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過運行服務(wù)總線(Operation Service Bus, OSB)發(fā)送到監(jiān)控后臺，由監(jiān)控后臺進(jìn)行狀態(tài)評估、故障診斷、健康狀態(tài)可視化等功能。

文獻(xiàn)[9]提出了將二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測分為分布式和集中式兩種形式，并就集中式的監(jiān)測提出了比較雙套保護(hù)裝置的相同間隔的采樣值、開關(guān)量、狀態(tài)量以判斷裝置是否存在故障的方法。文獻(xiàn)[10]中所設(shè)計的自我狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在針對常規(guī)二次設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)分類、故障診斷時主要采取比較法和趨勢分析法，對SV、GOOSE等智能變電站特有的報文監(jiān)測時，主要針對其報文連續(xù)性和報文正確性，按照報文序列應(yīng)有的規(guī)則進(jìn)行監(jiān)測和告警。

文獻(xiàn)[22]提出了一種告警分類方案，將各類告警報文按警報ID的特征分為：動作保護(hù)、斷路器動作、刀閘操作、重合閘、保護(hù)自檢、網(wǎng)絡(luò)通信共6大類。文獻(xiàn)[23]指出智能變電站頻繁、大量的告警容易影響運維人員對重要信息和事故的及時處理。提出了變電站智能告警的5個主要功能：分級分類告警、過濾檢修信息、重要告警自動推圖、多源數(shù)據(jù)不一致告警處理、頻繁告警處理。文獻(xiàn)[24]采用動態(tài)故障樹的方法建立了保護(hù)裝置動作的邏輯模型和模式模型并搭建了基于保護(hù)動作模式的分布式警報處理模型。在該警報處理模型基礎(chǔ)上，通過擴(kuò)展SCL生成了保護(hù)動作模式警報處理知識庫，以此實現(xiàn)了故障模型與軟件代碼的解耦。文獻(xiàn)[25]也采用了診斷模型與代碼相分離從而降低系統(tǒng)耦合度的模型驅(qū)動設(shè)計方案。

文獻(xiàn)[22]采用候選原因假說生成與原因假說真實性評估同時在線并列運行的模式完成在線警報處理，進(jìn)而找到事件根源，分析出漏報與誤報的異常警報。其所設(shè)計并開發(fā)的在線警報處理系統(tǒng)已通過了大量實際警報案例測試，實際應(yīng)用于數(shù)字化變電站中。

文獻(xiàn)[26]總結(jié)了智能變電站內(nèi)各種設(shè)備的故障特征和故障原因，并形成了產(chǎn)生式規(guī)則用于生成知識庫和故障診斷的推理。采用專家系統(tǒng)實現(xiàn)了智能變電站二次系統(tǒng)的故障診斷。專家系統(tǒng)作為最早提出、研究時間最長的電力系統(tǒng)故障診斷方法，雖然存在需要頻繁維護(hù)知識庫的問題，但由于其簡單實用，改進(jìn)的專家系統(tǒng)仍被廣泛應(yīng)用。

文獻(xiàn)[27]建立了基于IEC 61850的電網(wǎng)故障診斷完全解析化模型。通過解析SCD文件來獲取保護(hù)配置信息和保護(hù)與斷路器的關(guān)聯(lián)關(guān)系，然后基于保護(hù)配置信息和關(guān)聯(lián)關(guān)系構(gòu)建電網(wǎng)故障診斷的完全解析模型。解析模型的方法具有嚴(yán)密的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，具有較好的應(yīng)用前景。

綜上所述，對于智能變電站二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析以及處理主要體現(xiàn)在告警處理和故障診斷兩個方面，狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析與處理方法總結(jié)如表1所示。

表1 狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析與處理方法

4 結(jié)論

狀態(tài)檢修是一種可靠且經(jīng)濟(jì)的檢修方式，而狀態(tài)檢修的正確、有效實施需要先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)和準(zhǔn)確的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)作為支撐。本文論述了智能變電站二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的概念和監(jiān)測對象；總結(jié)了智能變電站二次設(shè)備信息建模的研究現(xiàn)狀和狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理的方法；提出了一種根據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，利用節(jié)點在SCD文件中描述二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法；分析了智能變電站中各種狀態(tài)監(jiān)測方法所采用的數(shù)據(jù)源、優(yōu)點和不足以及各自的適用場合。

目前，針對二次設(shè)備的工作狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)的建模的研究正處于發(fā)展階段，尤其是IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)并沒有對在智能變電站網(wǎng)絡(luò)中扮演重要角色的交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行建模，使得目前的二次設(shè)狀態(tài)監(jiān)測還難以做到完善，相應(yīng)的故障診斷工作也難以將交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼{入考慮范疇之內(nèi)。值得注意的是，目前已有部分繼電保護(hù)廠商開始研發(fā)和生產(chǎn)智能變電站專用交換機(jī)，能夠采集交換機(jī)的狀態(tài)信息，如交換機(jī)端口流量、端口接收光強(qiáng)、發(fā)送光強(qiáng)、工作溫度等數(shù)據(jù)，并對交換機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行綜合評價[28]。這將對二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測產(chǎn)生積極意義，但專用交換機(jī)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也還需要跟進(jìn)和完善。同時，也應(yīng)繼續(xù)探索如何對目前站內(nèi)普遍使用的通用交換機(jī)進(jìn)行建模以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞拿枋觥?/p>

對于狀態(tài)數(shù)據(jù)的分析和處理，目前在二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的實際現(xiàn)場應(yīng)用中多采用配置冗余設(shè)備對同一指標(biāo)進(jìn)行比較的方法來判斷設(shè)備是否故障；或是通過網(wǎng)絡(luò)分析儀檢查報文的連續(xù)性、合法性進(jìn)而判斷變電站網(wǎng)絡(luò)是否正常。上述方法通常只能發(fā)現(xiàn)站內(nèi)存在的問題和異常，難以分析故障的原因，也對現(xiàn)場運維人員的消缺工作造成障礙。而對告警報文的分級、智能處理以及后續(xù)的故障診斷和故障預(yù)警目前還多處于研究和實驗階段，在變電站中鮮有實際應(yīng)用。因此，如何運用各種故障診斷和故障預(yù)警的理論方法進(jìn)行產(chǎn)品和軟件系統(tǒng)的開發(fā)，并在智能變電站中進(jìn)行實際應(yīng)用也具有重大的研究價值。

另一方面，隨著大數(shù)據(jù)以及云計算的興起，未來可考慮在變電站或調(diào)度中心建設(shè)云平臺以提高狀態(tài)監(jiān)測以及其他系統(tǒng)的分析處理能力。此外，智能變電站網(wǎng)絡(luò)報文數(shù)據(jù)量大，目前的處理手段通常只取故障時刻前后的報文來進(jìn)行分析，丟棄了大量可能存在利用價值的報文。而數(shù)據(jù)流挖掘正是一種從海量只能讀取有限次數(shù)或?qū)μ幚頃r間有限制的數(shù)據(jù)中獲取有用信息的方法，十分適合于變電站網(wǎng)絡(luò)報文的分析處理。未來，隨著云平臺的建設(shè)和數(shù)據(jù)流挖掘的引入，將可構(gòu)建一、二次聯(lián)合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)以及后續(xù)在其基礎(chǔ)之上的故障診斷系統(tǒng)、故障預(yù)警系統(tǒng)、狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)等高級應(yīng)用。

[1] 許婧, 王晶, 高峰, 等. 電力設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)研究綜述[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2000, 24(8): 48-52.

XU Jing, WANG Jing, GAO Feng, et al. A survey of condition based maintenance technology for electric power equipments[J]. Power System Technology, 2000, 24(8): 48-52.

[2] 朱鈺,陳瑞國,郝建成. 淺談電力設(shè)備狀態(tài)檢修[J]. 東北電力技術(shù), 2010(3): 48-50.

ZHU Yu, CHEN Ruiguo, HAO Jiancheng. Discussion on condition-based maintenance of electric equipment[J]. Northeast Electric Power Technology, 2010(3): 48-50.

[3] 黃雅羅, 黃樹紅. 發(fā)電設(shè)備狀態(tài)檢修[M]. 北京: 中國電力出版社, 2000: 4-23.

[4] 廖天明. 我國狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)和狀態(tài)檢修工作綜述[J]. 供用電, 2012, 29(4): 13-16, 25.

LIAO Tianming. Review of condition monitoring technology and condition maintenance work in China[J]. Distribution & Utilization, 2012, 29(4): 13-16, 25.

[5] 袁浩, 屈剛, 莊衛(wèi)金, 等. 電網(wǎng)二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測內(nèi)容探討[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2014, 38(12): 100-106.

YUAN Hao, QU Gang, ZHUANG Weijin, et al. Discussion on condition monitoring contents of secondary equipment in power grid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(12): 100-106.

[6] LI J, HE Z, BAO L, et al. Condition monitoring of high voltage equipment in smart grid[C] // High Voltage Engineering and Application (ICHVE), 2012 International Conference on: IEEE, 2012: 608-612.

[7] YAN H, GAO G, HUANG J, et al. Study on the condition monitoring of equipment power system based on improved control chart[C] // Quality, Reliability, Risk, Maintenance, and Safety Engineering (ICQR2MSE), 2012 International Conference on: IEEE, 2012: 735-739.

[8] 秦建光,劉恒,陶文偉,等.電力系統(tǒng)二次設(shè)備狀態(tài)檢修策略[J]. 廣東電力, 2011, 24(1): 24-27.

QIN Jianguang, LIU Heng, TAO Wenwei, et al. Status- oriented maintenance strategy for secondary equipment in power system[J]. Guangdong Electric Power, 2011, 24(1): 24-27.

[9] 張曉華, 劉躍新, 劉永欣, 等. 智能變電站二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究[J]. 電氣技術(shù), 2011(4): 41-44.

ZHANG Xiaohua, LIU Yuexin, LIU Yongxin, et al. The technical research of secondary equipments' condition- monitoring in smart substation[J]. Electrical Engineering, 2011(4): 41-44.

[10] 王紅星, 黃曙, 馬凱, 等. 智能變電站間隔層設(shè)備在線式自我狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 廣東電力, 2013, 26(10): 69-74, 91.

WANG Hongxing, HUANG Shu, MA Kai, et al. Design of online ego state monitoring system for bay level device in intelligent substation[J]. Guangdong Electric Power, 2013, 26(10): 69-74, 91.

[11] 朱林, 王鵬遠(yuǎn), 石東源. 智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測信息模型及配置描述[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2013, 37(11): 87-92.

ZHU Lin, WANG Pengyuan, SHI Dongyuan. Status monitoring information model and configuration description of communication network in smart substation[J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(11): 87-92.

[12] 張巧霞, 賈華偉, 葉海明, 等. 智能變電站虛擬二次回路監(jiān)視方案設(shè)計及應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(10): 123-128.

ZHANG Qiaoxia, JIA Huawei, YE Haiming, et al. Design and application of virtual secondary circuit monitoring in smart substation[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(10): 123-128.

[13] ZANG L H, BRETTERKLIEBER T, BRASSEUR G. A feasibility study on autonomous online condition monitoring of high-voltage overhead power lines[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2009, 58: 1789-1796.

[14] 國家電網(wǎng)公司. Q/GDW 11010-2013 繼電保護(hù)信息規(guī)范[S]. 北京: 中國電力出版社, 2013.

[15] IEC TC57. IEC 61850-7-4 communication networks and systems for power utility automation: part 7-4 basic communication structure-compatible logical node classes and data object classes[S]. IEC, 2003.

[16] 黃海, 彭志強(qiáng), 趙連輝, 等. 基于IEC 61850的狀態(tài)監(jiān)測通信方案應(yīng)用[J]. 水電自動化與大壩監(jiān)測, 2011, 35(6): 9-12.

HUANG Hai, PENG Zhiqiang, ZHAO Lianhui, et al. Communication scheme application of status monitoring based on IEC 61850[J]. Hydropower Automation and Dam Monitoring, 2011, 35(6): 9-12.

[17] 葛維春, 王芝茗, 顧洪群, 等. 一、二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測信息融合及在PMS建設(shè)中的應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2011, 39(21): 150-154.

GE Weichun, WANG Zhiming, GU Hongqun, et al. The information fusion of condition-based maintenance system for primary and secondary power equipments and its application research in PMS system[J]. Power System Protection and Control, 2011, 39(21): 150-154.

[18] 黃曙, 馬文霜, 陳炯聰, 等. 智能變電站網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的監(jiān)測和過濾算法研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2013, 41(18): 68-72.

HUANG Shu, MA Wenshuang, CHEN Jiongcong, et al. Research on the network storm monitoring and filtering algorithm in smart substation[J]. Power System Protection and Control, 2013, 41(18): 68-72.

[19] 張小建, 吳軍民. 智能變電站網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)信息模型及映射實現(xiàn)[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2013, 41(10): 134-139.

ZHANG Xiaojian, WU Junmin. Information model and mapping implementation of Ethernet switches in smart substation[J]. Power System Protection and Control, 2013, 41(10): 134-139.

[20] IEC TC57. IEC 61850-6 communication networks and systems for power utility automation-part 6: configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs[S]. IEC, 2004.

[21] 國家電網(wǎng)公司. Q/GDW 1396-2012 IEC 61850工程繼電保護(hù)應(yīng)用模型[S]. 北京: 中國電力出版社, 2014.

[22] 韋劉紅. 數(shù)字化變電站警報處理與故障診斷的方法與系統(tǒng)開發(fā)[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2011.

WEI Liuhong. Alarm processing and fault diagnosis in digital substations: methods and software development[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2011.

[23] 秦紅霞, 武芳瑛, 彭世寬, 等. 智能電網(wǎng)二次設(shè)備運維新技術(shù)研討[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(22): 35-40.

QIN Hongxia, WU Fangying, PENG Shikuan, et al. New technology research on secondary equipment operation maintenance for smart grid[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(22): 35-40.

[24] 鄧飛. 基于IEC61850的電力系統(tǒng)警報處理信息模型建立與算法研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2013.

DENG Fei. Information model building and algorithm research for power system alarm processing based on IEC61850[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2013.

[25] 許祖鋒. 基于模型驅(qū)動的變電站智能告警應(yīng)用軟件研究與設(shè)計[D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2014.

XU Zufeng. Research and design of intelligent warning software of substation based on model driven[D]. Nanjing: Nanjing University of Science & Technology, 2014.

[26] 聶德楨. 智能變電站二次系統(tǒng)故障診斷方法研究[D]. 濟(jì)南: 山東大學(xué), 2014.

NIE Dezhen. Study on fault diagonosis method for smart substation secondary system[D]. Jinan: Shandong University, 2014.

[27] 劉道兵, 顧雪平, 李海鵬. 基于IEC 61850的電網(wǎng)故障診斷完全解析化建模[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2012, 36(10): 94-100.

LIU Daobing, GU Xueping, LI Haipeng. Complete analytic modeling for power system fault diagnosis based on IEC 61850[J]. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(10): 94-100.

[28] 徐長寶, 莊晨, 蔣宏圖. 智能變電站二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(7): 127-131.

XU Changbao, ZHUANG Chen, JIANG Hongtu. Technical research of secondary equipments' state monitoring in smart substation[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(7): 127-131.

(編輯 魏小麗)

A survey of research on secondary device condition monitoring in smart substation

CAI Jiran1, 2, ZHENG Yongkang1, ZHOU Zhenyu2, LIU Mingzhong1, MENG Lei1, CHEN Chi1

(1. State Grid Sichuan Electric Power Research Institute, Chengdu 610072, China; 2. School of Electric and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

As the leading features in smart substations, information-sharing and interoperability can provide rich information about operation and condition of secondary devices, which greatly facilitates secondary device condition monitoring and its condition-maintenance. However, it is still insufficient in current research such as information modeling of switches. This paper firstly discusses the concept and object of secondary device condition monitoring. Then the key techniques and methods of information modeling and monitoring data analysis and processing are summarized. Besides, a switch and a network topology modeling are proposed. Several methods with their advantages, shortcomings and suitable occasion of secondary device fault diagnosis using condition monitoring data are also summarized and compared. At last, considering current research and application situation of secondary device condition monitoring, future research directions and potential applications are discussed.

smart substation; secondary device; condition monitoring; information modeling; fault diagnosis

10.7667/PSPC150510

2015-03-30；

2015-05-25

蔡驥然(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)通信、智能電網(wǎng)通信技術(shù)；E-mail:?caijiran@hotmail.com鄭永康(1977-)，男，博士，高級工程師，主要研究方向為繼電保護(hù)，優(yōu)化算法，智能變電站二次技術(shù)；周振宇(1983-)，男，博士，副教授，主要研究方向為通信網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化與管理，智能電網(wǎng)通信技術(shù)。