邱智勇高 翔陳建民劉虎林

（1. 華東電網(wǎng)有限公司，上海 200122；2. 上海毅昊自動化有限公司，上海 201204）

基于鏡像技術(shù)的智能變電站二次系統(tǒng)隱性故障診斷研究

邱智勇1高 翔2陳建民1劉虎林1

（1. 華東電網(wǎng)有限公司，上海 200122；2. 上海毅昊自動化有限公司，上海 201204）

智能變電站 SCD文件構(gòu)成了二次系統(tǒng)的核心組成部分，本文分析了智能變電站 SCD特征及保護系統(tǒng)特點，提出了基于SCD的智能變電站鏡像仿真技術(shù)方案。結(jié)合華東陳建民勞模室的鏡像系統(tǒng)應(yīng)用案例，驗證了技術(shù)方案的有效性。由此，構(gòu)建了基于實驗室環(huán)境的智能變電站繼電保護隱性故障特性研究平臺，為實現(xiàn)智能變電站二次系統(tǒng)的風(fēng)險預(yù)控提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

智能變電站；繼電保護；SCD；可視化；仿真

繼電保護系統(tǒng)作為電網(wǎng)安全運行第一道防線，在電網(wǎng)事故發(fā)生過程中的行為對于事故的快速隔離和有序恢復(fù)具有重大影響。據(jù)美國NERC研究報告表明75%以上的電網(wǎng)穩(wěn)定破壞或大面積停電事故的發(fā)生與保護在事故中的不正確動作有直接的相關(guān)性［1］。

2009年以來隨著國家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)戰(zhàn)略推進，智能變電站已經(jīng)獲得大量工程應(yīng)用［2］。由于智能變電站保護系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜性，如增加了合并單元、智能終端、過程層交換機等；設(shè)計方案的多樣性，如電子式互感器、常規(guī)互感器加合并單元、常規(guī)互感器交流電纜直連；“網(wǎng)采網(wǎng)跳”、“直采網(wǎng)跳”、“直采直跳”，及基于SCD的二次系統(tǒng)不可見性，使得智能變電站保護系統(tǒng)隱性故障的幾率大大上升。如甘肅330kV永登變?nèi)?，西?20kV墨竹工卡變母差誤動等事故。

本文結(jié)合華東分部陳建民勞模室智能變電站技術(shù)研究系統(tǒng)建設(shè)，探索了基于鏡像系統(tǒng)技術(shù)，在試驗室環(huán)境下，研究智能變電站保護隱性故障的技術(shù)方案，對于在試驗室環(huán)境下，探索控制智能變電站隱性故障風(fēng)險技術(shù)，以便于為電網(wǎng)運行提供安全保障具有重大實現(xiàn)意義。

1　概述

1.1隱性故障基本特征

1995年美國弗吉尼亞理工大學(xué)受OAK RIDGE NATIONAL LABORATORY委托開展了“繼電保護隱性故障”項目研究，研究報告提出繼電保護隱性故障的概念［3］。即保護系統(tǒng)存在缺陷，電網(wǎng)正常運行時這種缺陷沒有造成斷路器誤跳閘。在電網(wǎng)發(fā)生故障時，由于保護系統(tǒng)存在的缺陷引起非故障元件跳閘，造成事故擴大，進而產(chǎn)生多米諾骨牌效應(yīng)。如 2006年華中“7.1”事故，2006年“11.4”西歐大停電事故［4］等。隱性故障的主要危害點在于破壞了電網(wǎng)穩(wěn)定控制的N-1準則。

1.2智能變電站關(guān)鍵特征

智能變電站重要特點在于用 SCD文件描述：①變電站一次設(shè)備模型與電氣拓撲信息；②功能視圖：自動化功能在各間隔內(nèi)的分配；③IED視圖：IED能力描述；④通信視圖：通信配置信息；⑤產(chǎn)品視圖：IED視圖中的LN與功能視圖中的LN的映射；⑥數(shù)據(jù)流：IED之間的水平通信與垂直通信，如圖1所示［5］。

圖1　SCD信息示意圖

1.3IEC 61850信息交互機制

作為智能變電站的核心IEC 61850采用通用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录礼OOSE機制實現(xiàn)IED之間的信息交互，如聯(lián)閉鎖、跳閘控制命令等。GOOSE具有優(yōu)先級控制，提供高效率地實現(xiàn)IED與IED之間直接通信的可能。GOOSE屬于鏈路層協(xié)議，采取多播模式，通過發(fā)布/訂閱機制實現(xiàn)IED之間的對等通信，如圖 2所示，GOOSE機制體現(xiàn)為鏈路層面的P2P，GOOSE報文屬于事件驅(qū)動型，有異步傳輸和隨機性特征［6］。

MMS屬于應(yīng)用層協(xié)議，通過采取客戶-服務(wù)器（Client-Server）方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，相對于常規(guī)綜自的主-從（Master-Slave）機制，體現(xiàn)了更多的靈活性，可以任意定義為客戶端或服務(wù)器，MMS客戶-服務(wù)器機制體現(xiàn)為邏輯層面的 P2P。MMS中的虛擬制造設(shè)備 VMD可抽象描述一個實際制造設(shè)備的外部可見行為，使 MMS與具體設(shè)備內(nèi)部特性無關(guān)。

圖2　發(fā)布訂閱機制示意圖

2　保護系統(tǒng)特性分析

2.1繼電保護構(gòu)成

保護系統(tǒng)構(gòu)成涵蓋保護裝置及輔助系統(tǒng)，如圖3所示［7］。所限定的保護區(qū)域與保護裝置的整定值選取有關(guān)。對于保護系統(tǒng)整體性能的監(jiān)測評估應(yīng)該包含兩個方面的內(nèi)容：其一是保護裝置及輔助系統(tǒng)，其二是保護裝置整定值及保護范圍。

圖3　繼電保護系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2.2靜態(tài)特性

靜態(tài)特性是指繼電保護裝置在未滿足啟動條件時，僅進行測量計算而不進行邏輯比較和跳閘出口環(huán)節(jié)，如互感器測量回路、合并單元、繼電保護前置處理電路、智能終端、過程層交換機、連接光纖等。其中繼電保護裝置測量回路由互感器、連接電纜、端子、變換器、模擬低通濾波器（ALF），采樣保持（S/H）電路、多路模擬開關(guān)（MUX）、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A/D）等組成，若測量回路中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，有可能導(dǎo)致保護裝置做出錯誤的判斷。對繼電保護靜態(tài)特性的監(jiān)視最重要的是監(jiān)視其測量值的接入是否正常。一般可采取多個測量元件測量值的比對誤差超過預(yù)先設(shè)定的門檻值，判斷繼電保護裝置靜態(tài)特性是否存在隱性故障。

2.3動態(tài)特性

在保護未起動的情況下，保護裝置處于靜態(tài)特性狀態(tài)。此時，僅進行電流、電壓信息的采集而不做其他方面的處理。在保護裝置起動后，保護裝置處于動態(tài)特性狀態(tài)，此時除了要進行故障電流、電壓的測量外，還要按照相應(yīng)的保護算法，計算出適合保護邏輯判斷的故障特征量。

對于動態(tài)特性來講，保護裝置在滿足啟動條件時，繼電保護將進行故障量測量與計算并進行保護邏輯比較。此時存在于測量計算、閉鎖信號檢驗等環(huán)節(jié)中的隱性故障則有可能導(dǎo)致保護裝置誤動。保護動態(tài)特性的隱性故障診斷可以檢測出保護裝置計算測量環(huán)節(jié)的正確性。

3　鏡像系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1IEC 61850核心思想

智能變電站基于IEC 61850體系，其核心思想主要體現(xiàn)為：①利用變電站配置文件實現(xiàn)設(shè)備自我描述；②定義抽象通信服務(wù)接口，使功能獨立于具體通信技術(shù)；③按照功能劃分節(jié)點，用邏輯設(shè)備抽象物理設(shè)備。

智能變電站基于IEC 61850標準體系具備了邏輯節(jié)點 LN描述物理設(shè)備外部可見特性的可能。繼電保護系統(tǒng)是一個響應(yīng)輸入條件（電壓、電流或接點狀態(tài)）的系統(tǒng)，當輸入條件對應(yīng)于保護系統(tǒng)設(shè)計動作的故障狀態(tài)，將提供相應(yīng)的輸出信號［7］。因此，從描述保護系統(tǒng)輸入相應(yīng)的視角，對于保護外部特性的描述可以用GOOSE、MMS報文描述，由此，可以基于IEC 61850標準體系，構(gòu)建鏡像系統(tǒng)分析智能變電站保護系統(tǒng)特性，繼而為研究隱性故障研究提供給實驗室環(huán)境和平臺。

由圖4可知，鏡像系統(tǒng)需要在線監(jiān)測裝置作為客戶端，導(dǎo)入SCD文件后，基于圖模映射技術(shù)，展示變電站單線圖、二次系統(tǒng)連接關(guān)系及保護二次原理圖等。其主要特點是在過程層常規(guī)變電站的二次電纜連接關(guān)系，可以基于SCD模型與GOOSE信號匹配機制，實現(xiàn)可視化展示。由于保護裝置定值、連接狀態(tài)（對應(yīng)功能）變化、告警、動作等信息通過 MMS網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。因此，在線監(jiān)測裝置，可以針對GOOSE、MMS報文完整展示變電站保護系統(tǒng)的運行狀況，如功能投退、異常，及動作情況。

3.2鏡像系統(tǒng)架構(gòu)

鏡像系統(tǒng)的主要價值在于可以在實驗室環(huán)境下研究分析保護系統(tǒng)異常情況，判斷在線監(jiān)測裝置的隱性故障辨識能力，鏡像系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4　鏡像系統(tǒng)示意圖

鏡像系統(tǒng)需要仿真引擎，通過基于SCD模擬發(fā)送GOOSE、MMS報文，描述保護系統(tǒng)在特定輸入激勵下的響應(yīng)特性。由此構(gòu)成二次系統(tǒng)模擬分析平臺。

此外，需要考慮同一IED的GOOSE與MMS信號關(guān)聯(lián)機制。需要在仿真引擎內(nèi)部設(shè)計一個基于時間步進的數(shù)據(jù)同步核心，完成同一IED內(nèi)部數(shù)據(jù)的完整變化過程，進一步在相應(yīng)的 GOOSE報文與相應(yīng)間隔保護 MMS數(shù)據(jù)報告中得到體現(xiàn)。這種機制可以保證仿真引擎對實際智能變電站的鏡像完美仿真。

3.3隱性故障辨識技術(shù)研究

如前所述，保護系統(tǒng)的隱性故障可能導(dǎo)致電網(wǎng)發(fā)生故障時由于所存在的缺陷，不能有效隔離電力系統(tǒng)故障（如永登變?nèi)Ｊ录蛘`跳（如華中“7.1”擾動事件），造成電網(wǎng)事故擴大。針對保護控制系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性，對于隱性故障辨識可以通過在線監(jiān)測裝置獲取實時報文信息實現(xiàn)，隱性故障辨識技術(shù)框架如圖5所示。

由此，對于保護控制系統(tǒng)隱性故障辨識及風(fēng)險評估的實現(xiàn)基礎(chǔ)是部署在變電站內(nèi)的在線監(jiān)測裝置，實現(xiàn)變電站二次系統(tǒng)狀態(tài)信號的采集和管理，按照這些信號是否能夠反映設(shè)備的劣化過程，可以把狀態(tài)監(jiān)測信號分為：

1）無潛在故障（Potential Failure，PF）特性的信號：如保護動作、斷路器動作、壓板投退等。

2）有PF特性的信號：如電源工作電壓、內(nèi)部工作溫度、網(wǎng)口光強、通道丟包率等。按照信號是否是由一次系統(tǒng)大擾動產(chǎn)生的，又可以把無PF特性的信號分為：①故障信號：如保護動作、保護啟動、斷路器動作等；②非故障信號：如壓板投退、保護告警、保護測量等。利用非故障信號和SCD全模型，可以進行保護控制系統(tǒng)靜態(tài)特性的隱性故障辨識。

圖5　保護系統(tǒng)隱性故障辨識技術(shù)示意圖

基于保護系統(tǒng)靜態(tài)特性和動態(tài)特性的隱性故障辨識技術(shù)能夠檢測出系統(tǒng)是否存在確定性的隱性故障。利用有PF特性的信號和SCD模型，可以進行：①基于馬爾科夫的隱性故障概率評估，能夠給出保護系統(tǒng)在一定概率條件下存在的隱性故障，即不確定的隱性故障；②基于模糊支持向量機的保護控制系統(tǒng)狀態(tài)評價，能夠給出對保護控制系統(tǒng)的處理建議：a）狀態(tài)良好，無需過問；b）狀態(tài)剛剛劣化，需要關(guān)注；③狀態(tài)劣化嚴重，需要檢修［8］。

在實驗室環(huán)境下可以通過鏡像系統(tǒng)強化模擬保護系統(tǒng)異常，以產(chǎn)生大量的“在線監(jiān)測”數(shù)據(jù)，為辨識隱性故障概率評估提供數(shù)據(jù)源支撐，如

Sr_en：表示所有導(dǎo)致保護功能使能的無PF特性信號的集合；

Sr_fl：表示所有導(dǎo)致保護功能失效的無PF特性信號的集合；

Sr_pf：表示所有導(dǎo)致保護功能失效的有 PF特性信號的集合。

則保護功能失效概率可以形式化為：

其中，OR（Sr_fl）表示Sr_fl集合中所有信號值的或，AND（Sr_en）表示 Sr_en集合中所有信號值的與，！AND表示與非運算，Pr（Sr_pf）表示有PF特性信號導(dǎo)致失效的概率。

4　華東勞模室應(yīng)用案例

4.1技術(shù)方案

華東勞模室鏡像系統(tǒng)方案分為兩個部分：①基于完整串物理設(shè)備的實際系統(tǒng)，主接線圖如圖7所示，對于實驗室系統(tǒng)的 SCD需要實現(xiàn)全模型 SCD建模，以構(gòu)成物理聯(lián)接與邏輯鏈路及邏輯鏈路與功能回路的映射關(guān)系［9］；②在實際物理系統(tǒng)接入在線監(jiān)測裝置RSS1，實現(xiàn)物理系統(tǒng)異常及故障基于全模型SCD的可視化分析。

同時，參照圖4架構(gòu)，搭建鏡像系統(tǒng)，由RSP構(gòu)成仿真引擎，由 RSS2構(gòu)成仿真客戶端。在仿真客戶端導(dǎo)入實驗系統(tǒng)的SCD及500kV天目湖SCD，基于 SCD可視化技術(shù)可以看到實驗系統(tǒng)及天目湖系統(tǒng)的主接線圖，如圖6、圖7所示。

在仿真過程中首先選擇需要發(fā)送仿真報文的間隔保護系統(tǒng)，在仿真引擎RSP中模擬發(fā)送報文，通過RSS采集報文，反映鏡像系統(tǒng)狀況。具體來說，就是在仿真引擎RSP中建立相關(guān)間隔保護的MMS報文數(shù)據(jù)和通訊模型，提供仿真的 MMS信息報告服務(wù)，并且仿真發(fā)送該間隔保護系統(tǒng)中所有相關(guān)GOOSE報文。當鏡像系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生有效數(shù)據(jù)變動時，仿真引擎通過實時的MMS報告和GOOSE數(shù)據(jù)掃描，按照預(yù)設(shè)的報文訂閱路徑和報文格式，將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)變動以IEC 61850信息報告和GOOSE狀態(tài)變化報文發(fā)送出來，供仿真客戶端采集并綜合分析。

圖6　華東勞模室系統(tǒng)示意圖

4.2鏡像系統(tǒng)技術(shù)驗證方案

為驗證仿真技術(shù)的有效性，首先基于實驗系統(tǒng)進行比對試驗，即在實驗系統(tǒng)的一串物理設(shè)備上模擬操作和故障設(shè)置，通過在線監(jiān)測RSS1，實現(xiàn)二次智能診斷，判別故障環(huán)節(jié)（回路、裝置），及該故障對于保護功能實現(xiàn)的影響（部分功能失卻、全部功能失卻、不影響保護功能等）。

然后對于基于實驗系統(tǒng)的鏡像系統(tǒng)，通過模擬物理系統(tǒng)對應(yīng)的試驗，在RSS2上觀測可視化展示的結(jié)果。

圖7　天目湖鏡像系統(tǒng)

由此可見，在物理系統(tǒng)模擬的各種場景與鏡像系統(tǒng)仿真模擬的試驗效果完全一致。這充分驗證了鏡像系統(tǒng)的效用。

在此基礎(chǔ)上，為實現(xiàn)天目湖SCD的鏡像系統(tǒng)試驗，首先對于原天目湖SCD文件進行模型補充，實現(xiàn)一次設(shè)備建模，一、二次關(guān)聯(lián)建模，按照 500kV天目湖實際系統(tǒng)配置了完整的SCD模型［10］。

在此基礎(chǔ)上，通過仿真引擎模擬二次系統(tǒng)異常和操作，在仿真客戶端上，可以觀測到各種對應(yīng)的可視化畫面。

4.3鏡像系統(tǒng)研究效用分析

智能變電站二次系統(tǒng)基于SCD文件，保護系統(tǒng)具有響應(yīng)輸入激勵的特征，并可以通過 GOOSE、MMS描述外部響應(yīng)特性。通過仿真驗證，在實驗室環(huán)境下具備了通過解析SCD文件，描述智能變電站二次系統(tǒng)特征的可能。通過GOOSE、MMS模擬報文發(fā)生器，由在線監(jiān)測系統(tǒng)接收模擬報文，與反應(yīng)變電站特征的SCD模型進行匹配，就可以分析這種報文對于變電站可能帶來的影響。

因此，在實驗室環(huán)境下可以搭建保護隱性故障的技術(shù)研究平臺，模擬保護隱性故障的場景，分析各種確定性隱性故障和不確定性隱性故障的外在表現(xiàn)特征，評估隱性故障辨識技術(shù)的有效性，在此基礎(chǔ)上，可指定針對性的策略，有效降低智能變電站保護系統(tǒng)隱性故障的概率，在此基礎(chǔ)上，可以制定隱性故障辨識策略和風(fēng)險控制技術(shù)，為大電網(wǎng)安全運行提供有效的技術(shù)保障。

如前所述，鏡像系統(tǒng)主要基于SCD，由此可以實現(xiàn)仿真技術(shù)的實例化，即只要將不同變電站SCD導(dǎo)入仿真引擎和仿真客戶端，就可以真實模擬該變電站的二次系統(tǒng)狀況。這將大大提高技術(shù)培訓(xùn)的針對性，為技術(shù)人員提供智能變電站二次系統(tǒng)異常分析和操作演練提供手段。

5　結(jié)論

本文通過華東勞模室鏡像系統(tǒng)，探索了在實驗室環(huán)境下，研究智能變電站繼電保護隱性故障特性的可行性。研究結(jié)果表明，智能變電站具備了基于SCD實現(xiàn)不同變電站二次系統(tǒng)仿真的可能性，這樣，就可以在實驗室環(huán)境下通過不同SCD文件，實現(xiàn)對于不同變電站二次系統(tǒng)運行狀況的仿真演示，可為智能變電站保護隱性故障辨識及預(yù)警技術(shù)研究提供輔助技術(shù)支撐手段。

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基于ZigBee的列車運行能耗計量系統(tǒng)

近日，國家知識產(chǎn)權(quán)局公布專利“基于ZigBee的列車運行能耗計量系統(tǒng)”，申請人為北京交通大學(xué)。

本發(fā)明是一種基于 ZigBee的列車運行能耗計量系統(tǒng)，該裝置主要包括：主控制模塊、電信號測量模塊、ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、輔助功能模塊。主控制模塊控制其他模塊相關(guān)功能的執(zhí)行；電信號測量模塊完成數(shù)據(jù)的采集和計算功能；ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊建立和維護ZigBee網(wǎng)絡(luò)，接收并匯總電信號測量模塊發(fā)送的能耗數(shù)據(jù)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸能耗數(shù)據(jù)，將能耗數(shù)據(jù)串口傳輸?shù)剿鲋骺刂茊卧?。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊實現(xiàn)裝置存儲數(shù)據(jù)非接觸式傳輸。

應(yīng)用本發(fā)明可以離線采集城軌列車運行過程中的電能能耗數(shù)據(jù)信息，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)匯總和傳輸能耗數(shù)據(jù)，改善了現(xiàn)有技術(shù)電量粗放式統(tǒng)計的弊端，提高了數(shù)據(jù)的精度，為城軌列車運行能耗評估提供一種數(shù)據(jù)采集工具。

The Development of Intelligent Diagnosis Associated with a Hidden Failure Relay Protection based on Mapping Technology of Secondary Circuit of Substation

Qiu Zhiyong1Gao Xiang2Chen Jianmin1Liu Hulin1
（1. East China Branch Electric Power Company， Shanghai 200122；2. Shanghai Yihao Automation Co.， Ltd， Shanghai 201204）

SCD plays the key role of smart substation， this paper illustrates the features of SCD of smart substation as well as a protection relay， and proposes the technical solution of a mapping system of smart substation based on SCD. The availability of mapping system has been proved at the CHEN Jiamin's laboratory of East China Electric Power. Therefore， it demonstrates a researching platform related to a hidden failure of a protection system， and provides a technical basis for preventing the risk of secondary circuit of smart substation.

smart substation； relay； SCD； visualization； simulation

邱智勇（1977-），男，高級工程師，從事電力系統(tǒng)自動化工作。