李玉敦，耿玉杰，管 荑，唐 毅，王 昕

(1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟南 250001)

隨著變電站大量投運，二次設備管理和運維檢修業(yè)務成倍增長，運維檢修人員數(shù)量相對穩(wěn)定，信息技術手段欠缺，二次設備安全運行壓力增大，電網(wǎng)安全運行的要求與運維壓力持續(xù)增加的矛盾日益突出，現(xiàn)有二次設備運維檢修模式難以為繼。當前變電站繼電保護、測控裝置、安自裝置、合并單元、智能終端、交換機等二次設備需要投入大量的人工巡視、檢修試驗、異常研判和處置，數(shù)字化的二次設備產(chǎn)生了海量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大且分散復雜，并且沒有得到充分有效利用，二次設備在運維檢修方面存在以下問題:

(1)運維人員遠離設備，信息化手段欠缺，數(shù)據(jù)未充分有效利用，不能及時、準確、全面掌握設備狀態(tài)，異常情況未得到及時發(fā)現(xiàn)；

(2)隨著變電站數(shù)量增加，運行巡視周期變長，誤投、漏投壓板風險，定值誤整定風險長期存在，是變電站安全運行的潛在“地雷”；

(3)部分告警自動復歸，與設備運行狀態(tài)、二次回路狀態(tài)相關聯(lián)缺陷缺少監(jiān)視和診斷分析，繼電保護存在拒動和誤動風險；

(4)對于二次設備運行信息缺乏監(jiān)視和診斷分析手段，其通信狀態(tài)、二次回路、電壓/電流、縱聯(lián)通道、裝置自檢等關鍵核心業(yè)務的主動排雷機制缺失，一旦出現(xiàn)異常直接導致二次設備異常情況發(fā)生。

由此，加強對電力系統(tǒng)二次設備的運行管理，強化二次系統(tǒng)自身的狀態(tài)感知、信息交互、診斷分析、異常預警，是保障電網(wǎng)安全必不可少的環(huán)節(jié)。為解決上述問題，本文提出了二次設備邊緣計算模型和動態(tài)診斷技術方案。利用該技術，能夠在二次設備日常運行過程中，自動、準確進行異常識別和分析，通過機器主動準確發(fā)現(xiàn)異常問題，全面提高二次設備安全運行水平[1]。

1 二次設備動態(tài)診斷總體架構

基于面向設備的狀態(tài)在線感知技術，采用云邊協(xié)同總體框架，應用IEC61850 規(guī)約進行主子站通信，構建“云－管－邊－端”四級結構。通過邊緣計算、云邊協(xié)同模式，實現(xiàn)二次設備全方位在線感知和動態(tài)診斷，全面支撐二次設備在線監(jiān)視及動態(tài)診斷應用[2]，總體架構如圖1 所示。

圖1 總體架構

在變電站端部署邊緣代理(二次設備在線監(jiān)視及智能診斷裝置)，在線采集繼電保護、測控裝置、安自裝置、合并單元、智能終端、交換機等二次設備運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，充分利用二次設備在線監(jiān)視及智能診斷裝置在變電站端就地就近的數(shù)據(jù)匯集和邊緣計算能力，動態(tài)診斷二次設備通信狀態(tài)、二次回路、電壓/電流、縱聯(lián)通道、裝置自檢等異常情況，主動發(fā)現(xiàn)二次設備隱性故障和異常缺陷，在邊緣節(jié)點直接生成診斷結果，通過主子站通信模塊上送到調(diào)度端，調(diào)度端在調(diào)控云端解析每種邊緣計算動態(tài)診斷結果進行應用展示和融合分析，全面提升變電站二次設備管控力和在線診斷分析能力，依靠在線數(shù)據(jù)進行智能研判，對二次設備的運行狀態(tài)進行動態(tài)診斷分析[3]。

2 邊緣計算模型定義

二次設備在線監(jiān)視及智能診斷裝置的邊緣計算建模采用擴展通用邊緣計算事件節(jié)點建模，應用GGIO 邏輯節(jié)點類，各個子站定義N 個GGIO，每一個邊緣計算業(yè)務定義一個GGIO，在邊緣代理默認具備如下表格定義的邊緣計算功能，支持擴展。邊緣計算功能通過定值管理，廠家在出廠時默認設置缺省定值，在用戶不整定的情況下，不影響邊緣代理功能，并支持用戶整定[4]，其定義見表1。

表1 邊緣計算GGIO

在此邊緣計算模型基礎上，支持按照固定結構擴展邊緣計算業(yè)務功能，主站端按照邊緣代理側(cè)設置的邊緣計算功能增加對應的解析服務即可實現(xiàn)云邊協(xié)同模式下的二次設備動態(tài)診斷。

基于邊緣計算功能模型，依靠二次設備在線監(jiān)視及智能診斷裝置實時采集和可靠運行，基于采集的二次設備海量數(shù)據(jù)開展就地分析和動態(tài)診斷，各個邊緣計算功能獨立運行，生成對應的動態(tài)診斷結果，診斷結果以XML 文件承載，使用UTF－8 格式字符編碼，文件命名為“STAT＿功能碼＿告警碼＿時間信息”。在上送到調(diào)度端的傳輸過程中不對文件進行任何解析和修改，主站端針對不同類型的邊緣計算功能，通過各個邊緣計算業(yè)務診斷結果的功能碼識別對應的業(yè)務類型，調(diào)用對應的解析服務進行分析展示[5]，實現(xiàn)邊緣計算功能可擴展和自整定，各個邊緣計算業(yè)務功能碼如表2 所示，定義的邊緣計算模型如圖2 所示。

表2 邊緣計算功能碼定義

圖2 邊緣計算模型

3 二次設備動態(tài)診斷方案

3.1 邊緣計算

基于以上分析，邊緣代理全時段在線監(jiān)測二次設備的運行數(shù)據(jù)，強化設備的運行屬性監(jiān)測，通過對動態(tài)數(shù)據(jù)的診斷分析，實時掌握數(shù)據(jù)異動及異常發(fā)展趨勢，邊緣計算結構如圖3。

圖3 邊緣計算結構

3.2 通信狀態(tài)診斷

二次設備在線監(jiān)視及智能診斷裝置在就地端診斷分析與其通信連接的繼電保護、測控裝置、安自裝置、合并單元、智能終端、交換機等二次設備MMS 或私有協(xié)議通信中斷情況下[6]，通過計算分析通信狀態(tài)的保持時間計算二次設備的通信連通率，通信連通率計算公式為:1－(子站與裝置通信中斷時間/子站與裝置應正常通信時間)×100%，其中子站與裝置通信中斷時間和子站與裝置應正常通信時間單位為小時；子站與裝置應正常通信時間不包括裝置因定檢等原因正常退出時間。通信狀態(tài)診斷流程如圖4 所示。

圖4 通信狀態(tài)診斷流程

通信狀態(tài)診斷應用詳細判斷規(guī)則為:二次設備的通信連通率大于等于95%且在計算分析時的通信斷面正常，則診斷結果為正常狀態(tài)；計算分析二次設備的通信連通率為90%至95%，或分析計算時通信斷面中斷且通信連通率大于等于90%，則診斷結果為異常狀態(tài)；當計算分析二次設備的通信連通率小于90%，則診斷結果為嚴重異常狀態(tài)，根據(jù)不同二次設備的連通率的診斷情況，生成對應的診斷報告將此次診斷周期內(nèi)異常內(nèi)容，包含:異常的起始時間、結束時間、持續(xù)時間、連通率，過程及斷面連通狀態(tài)上送主站端及時告知運維檢修人員[6]。

3.3 二次回路診斷

動態(tài)采集分析保護裝置、測控裝置、交換機、合并單元、智能終端等二次設備的GOOSE 和SV 控制塊虛回路鏈路狀態(tài)、物理實回路鏈路狀態(tài)，并結合通道光纖接口監(jiān)測信息，以及鏈路異常告警信息進行綜合分析，診斷分析二次回路狀態(tài)，采集分析遙信、遙測數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 回路診斷分析數(shù)據(jù)

續(xù)表3

通過建立二次設備物理連接信息和二次邏輯鏈路關聯(lián)關系模型，獲取繼電保護、測控裝置對過程層設備的鏈路中斷告警數(shù)據(jù)，融合分析GOOSE 變位告警，研判過程層設備鏈路中斷情況。二次回路診斷流程流程如圖5 所示。

圖5 二次回路診斷流程圖

采集過程層報文分析服務的鏈路狀態(tài)報告，研判分析信號發(fā)送設備運行狀態(tài)[7]。判斷邏輯鏈路通斷狀態(tài)變化時，觸發(fā)鏈路狀態(tài)告警信息，判斷邏輯鏈路通斷狀態(tài)變化，判斷相關端口狀態(tài)，判定端口狀態(tài)告警信息，判斷邏輯鏈路通斷狀態(tài)變化時，研判產(chǎn)生鏈路異常的具體故障點，并通過圖形化的方式標識二次回路對應的故障位置，如圖6 所示。

圖6 回路診斷

在交換機、合并單元、智能終端、測控等端口光強數(shù)據(jù)完備的情況下，可通過光纖兩端端口的接收光強、發(fā)送光強等遙測量對端口、光纖故障進行準確定位；若僅存在一端數(shù)據(jù)，另一端數(shù)據(jù)由于設備模型等問題沒有上送，那么對于二次回路故障定位就會變得很困難，采用貝葉斯網(wǎng)路及算法，將二次回路診斷故障定位轉(zhuǎn)化為不完備信息下的決策，以二次回路拓撲為基礎建立貝葉斯網(wǎng)絡分布式處理模型，結合數(shù)據(jù)統(tǒng)計故障概率對信息的不確定性進行量化，提高故障定位的可信度和準確性，并通過后期數(shù)據(jù)的完善對模型的精準度進行提升，提高二次回路診斷的可靠性。

3.4 電壓電流回路診斷

就地采集監(jiān)視電流、電壓及其相關告警，同時動態(tài)開展A/B 套設備間穩(wěn)態(tài)量采樣數(shù)據(jù)同源比對，判斷交流采樣是否正常，同時融合分析相關遙信告警的輸入及遙測同源比對是否異常，判斷交流采樣是否完好。電壓電流回路診斷流程圖如圖7 所示。

圖7 電壓電流回路診斷流程圖

邊緣代理的電壓電流診斷功能自整定的缺省值如下:

嚴重異常閾值:交流電流相對誤差不大于5%或絕對誤差不大于0.05In 為正常，并且在兩者診斷分析為都大于的情況下判定為異常。交流電壓相對誤差不大于5%或絕對誤差不大于0.005Un 為正常。電流大于等于0.1In，電壓大于等于0.01Un，相角的誤差8°。

異常閾值:交流電流相對誤差不大于2.5%或絕對誤差不大于0.02In，并且當兩者都大于才判異常。交流電壓相對誤差不大于2.5%或絕對誤差不大于0.002Un 為正常。電流大于等于0.1In，電壓大于等于0.01Un，相角的誤差3°[8]。

在實時運行過程中，獲取被測電氣量雙AD 采樣值，分別計算被測電氣量雙AD 采樣值每周波的基波有效值和真有效值，判斷被測電氣量雙AD 采樣值是否有效，公式為:AD10>0.05In 且AD20>0.05In，其中，AD10 為被測電氣量第一路AD 采樣值的基波有效值，AD20 為被測電氣量第二路AD 采樣值的基波有效值，In 為被測電氣量二次額定電壓值或電流值；若有效，則判斷雙AD 采樣值是否一致，判斷方法為:比較被測電氣量雙AD 采樣值差值的絕對值是否大于設定閾值，若大于，則判斷雙AD 采樣值不一致。判斷公式為:｜AD1－AD2｜>K×AD2，其中，AD1 為被測電氣量第一路AD 采樣值的真有效值，AD2 為被測電氣量第二路AD 采樣值的真有效值，K 為整定閾值，支持缺省值設置。若滿足｜AD1－AD2｜>設定值×In，則判斷雙AD 采樣值不一致，其中，AD1、AD2 分別為同一路電壓或電流的雙AD 采樣值。當判斷出雙AD 采樣值不一致后，給出告警信息并記錄雙AD 采樣值[9]。

3.5 縱聯(lián)通道診斷

二次設備在線監(jiān)視及智能診斷裝置就地基于采集的通道通信數(shù)據(jù)，診斷分析縱聯(lián)通道通信情況及具體的通道信息，判斷縱聯(lián)通道狀態(tài)。在日常二次設備運行過程中動態(tài)診斷設備遙信告警的輸入、縱聯(lián)通道傳輸信息及遙測是否越上下限，判斷縱聯(lián)通道是否正常。縱聯(lián)通道診斷流程圖如圖8 所示。

圖8 縱聯(lián)通道診斷流程圖

對于專用通道丟幀數(shù)加誤幀數(shù)大于1，即兩次通道斷面數(shù)據(jù)的差值丟幀數(shù)和誤幀數(shù)大于1 時，當復用通道丟幀數(shù)加誤幀數(shù)在某個斷面大于10 時，研判分析通道出現(xiàn)異常[10]。

復用或?qū)Ｓ猛ǖ姥訒r兩次巡檢差值大于1 ms，通道告警遙信發(fā)生，或一個巡檢周期內(nèi)專用通道延時超過5 ms，復用通道延時超過12 ms，并且結合采集的保護動作數(shù)據(jù)，在丟幀或誤幀前后2 s 內(nèi)如果監(jiān)視分析到發(fā)生過保護啟動，研判分析通道出現(xiàn)嚴重異常[11]。

3.6 裝置自檢診斷

當前變電站二次設備具備海量的自檢數(shù)據(jù)，對繼電保護、測控裝置等二次設備的裝置溫度、電源電壓、端口發(fā)送/接收光強、光纖縱聯(lián)通道光強進行在線監(jiān)測，運行趨勢突變分析、狀態(tài)趨勢預測，分析二次設備自身狀態(tài)漸變過程，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計、越限判斷、同期差值越限比對等診斷手段，進行二次設備自身狀態(tài)的就地診斷和主動預警，實現(xiàn)二次設備自身異常發(fā)展趨勢的智能告警和及時發(fā)現(xiàn)。裝置自檢診斷流程如圖9 所示。

圖9 縱聯(lián)通道診斷流程圖

診斷規(guī)則可以僅依靠端口檢測等遙測量信息，也可獲取設備運行環(huán)境，例如季節(jié)、天氣、環(huán)境溫度、濕度等因素，可以更加準確對裝置進行自檢。由于這些影響因素對設備帶來的影響沒有明確的函數(shù)關系，因此僅依靠簡單的算法很難準確預測裝置狀態(tài)。診斷規(guī)則采用線性回歸與AHP 融合算法，通過采集記錄某一時刻前若干點的遙測量、影響因素值，利用線性回歸算法計算在單影響因素下的對設備運行的影響，結合AHP 層次分析法，權重綜合計算多影響因素下對設備運行的影響，通過站端海量數(shù)據(jù)不斷提高算法的準確性，提高裝置自檢診斷的能力。

在山東500 kV 神山智能變電站中大量使用光纖接口，因發(fā)熱量大，光功率衰弱缺陷嚴重，光衰是一個漸變過程，依靠人工巡視難以發(fā)現(xiàn)，通過動態(tài)在線監(jiān)視采集和分析光口光強的運行數(shù)據(jù)，通過斜率陡變分析及時發(fā)現(xiàn)保護裝置的光口功率衰減問題，通過現(xiàn)場檢查確認得以及時更換，避免保護誤動作或拒動事故的發(fā)生[12]。

同時對于數(shù)字化的二次設備，其電源模塊將不再六年更換，及時發(fā)現(xiàn)電源問題非常重要，但電源模塊的缺陷很難直接通過電壓數(shù)值反映出來。電源模塊出問題前往往表現(xiàn)為帶載能力下降(或稱虛電)，當裝置進行大量計算或機箱溫度高時，其電壓會出現(xiàn)稍大幅度的跌落。依靠二次設備在線監(jiān)視與診斷裝置在就地側(cè)實時采集機箱溫度、電網(wǎng)故障事件以及保護裝置啟動的記錄數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，通過融合分析開展“邊緣計算”，可以及時發(fā)現(xiàn)并預警電源模塊的此類缺陷[13]。

4 結語

本文依據(jù)在500 kV 神山變電站、220 kV 貝州變電站的實際應用，結合邊緣計算技術在電網(wǎng)的不斷應用，提出一種基于邊緣計算的二次設備動態(tài)診斷解決方案，實現(xiàn)設備運行巡視工作在線監(jiān)視和在線分析，站端進行“邊緣計算”高效、準確，與云端應用進行協(xié)同互動，形成調(diào)控運行與設備運維業(yè)務橫向聯(lián)動，實現(xiàn)二次設備巡檢方式由定期人工就地巡檢向遠程自動在線巡檢轉(zhuǎn)變，將大幅減少運維工作量、可靠緩解運維檢修人員工作量與承載能力之間的矛盾，節(jié)約通行開支，有效降低二次設備巡檢工作對運維人員的技術能力要求，進一步提升二次設備的專業(yè)管理能力和運檢管理穿透力[14]。