許 明，平 夏，李配配，馬振宇，陸 輝

(國網(wǎng)淮南供電公司，安徽 淮南 232007)

繼電保護裝置的被保護部件出現(xiàn)故障時，為保證其余部分順利工作，該裝置能夠從完整的電力系統(tǒng)中切斷故障部件[1]。繼電保護裝置故障將無法保證電力變壓器的正常工作，會造成變壓器內(nèi)部短路，嚴重時會導致地板牙器油沖破抗爆管，從而引發(fā)重大火災(zāi)事故。

為第一時間獲取繼電保護裝置故障診斷結(jié)果，吳迪等采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對攝像機采集的現(xiàn)實圖片進行分類[2]，通過所采集圖片與其他圖片的對比分辨出繼電保護裝置的狀態(tài)，并結(jié)合修改標準圖像框架的配準方案，使該算法可實施于不同光照下，該算法在實際應(yīng)用中的檢測準確率較高，令繼電保護裝置的安全性大幅提高。陳桂芳等采用長短期記憶網(wǎng)絡(luò)方法建立多故障診斷模型[3]，使繼電保護裝置的故障診斷精度更高，包容性很強。但上述兩種方法無法實現(xiàn)實時告警，不能準確診斷、解決繼電保護裝置的故障。

數(shù)字孿生是將實體映射到虛擬世界，通過實時傳感以及沉浸交互實現(xiàn)虛實結(jié)合，多方面、多角度完成模擬[4]。為此設(shè)計數(shù)字孿生下的繼電保護裝置故障遠程VR在線診斷系統(tǒng)，遠程監(jiān)控繼電保護裝置的日常工作，一旦裝置出現(xiàn)異常，該系統(tǒng)就可以迅速接收到異常信息，提高繼電保護裝置故障的診斷精度和速度。

1 VR在線診斷系統(tǒng)

繼電保護裝置故障遠程VR在線診斷系統(tǒng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層四個層面。感知層通過感知設(shè)備采集繼電保護裝置電流電壓數(shù)據(jù)，并采用地面激光雷達、攝像機分別采集繼電保護裝置結(jié)構(gòu)、尺寸等點云數(shù)據(jù)、繼電保護圖像[5]。網(wǎng)絡(luò)層通過光纖網(wǎng)絡(luò)將采集到的繼電保護裝置相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至平臺層進行處理，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性，網(wǎng)絡(luò)層由通信通道和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備共同構(gòu)成。系統(tǒng)的平臺層通過運檢管控平臺對繼電保護裝置相關(guān)信息進行管理、協(xié)調(diào)以及儲存；數(shù)字孿生三維建模平臺采用數(shù)字孿生技術(shù)并運用地面激光雷達以及攝像機獲取點云數(shù)據(jù)和圖像對繼電保護裝置進行數(shù)字孿生3D建模；統(tǒng)一視頻平臺作為系統(tǒng)的用戶交互界面，可實現(xiàn)故障診斷以及VR遠程全景監(jiān)測結(jié)果的顯示。應(yīng)用層采用小波信號檢測理論檢測感知層采集的異常信號，并將所得異常信號傳輸?shù)焦收显\斷模塊完成異常信號檢測。VR遠程監(jiān)測模塊調(diào)用數(shù)字孿生三維建模平臺所構(gòu)建的繼電保護裝置數(shù)字孿生三維模型，實現(xiàn)繼電保護裝置進行全景監(jiān)測和三維檢修巡視。最終將VR遠程監(jiān)控畫面與故障診斷模塊的診斷結(jié)果傳回平臺層的統(tǒng)一視頻平臺，完成顯示?；跀?shù)字孿生構(gòu)建繼電保護裝置故障遠程VR在線診斷系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 VR在線診斷系統(tǒng)

1.1 繼電保護裝置感知設(shè)備

繼電保護裝置要保證電網(wǎng)公司的生產(chǎn)安全，所以處于運行過程中的變電站對感知設(shè)備的接入要求較高。

為此，系統(tǒng)感知層利用感知設(shè)備采集繼電保護裝置的電流、電壓數(shù)據(jù)[6]，感知設(shè)備不用改變繼電保護裝置當前狀態(tài)，可確保感知設(shè)備在采集數(shù)據(jù)的過程中不會受到影響，更不會耽誤繼電保護裝置附屬輸出設(shè)備的正常工作。各個變電站有不同數(shù)量的繼電保護裝置，產(chǎn)商生產(chǎn)的繼電保護裝置的串行數(shù)據(jù)輸入口的波特率也不一樣。繼電保護裝置感知設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 感知設(shè)備結(jié)構(gòu)

繼電保護裝置的串行接入口有兩種型號，采集模型將其統(tǒng)一為RJ45接口傳輸?shù)讲杉O(shè)備。通過RJ45接口將所采集的繼電保護裝置電流電壓數(shù)據(jù)傳輸至交換機，再通過交換機輸出到網(wǎng)絡(luò)層[7]。該感知設(shè)備的功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。各個部分各自獨立，又因一起完成繼電保護裝置數(shù)據(jù)采集任務(wù)而相互依存。多臺繼電保護裝置可通過同一個感知設(shè)備采集和實時轉(zhuǎn)換還原數(shù)據(jù)，有許多繼電保護裝置時，可以設(shè)置多個感知設(shè)備。

1.2 數(shù)字孿生繼電保護裝置三維建模

為直觀、清晰地展示繼電保護裝置的運行過程，運用數(shù)字孿生技術(shù)以地面激光雷達采集點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建繼電保護裝置的數(shù)字孿生三維模型[8]。該模型可以作為VR遠程在線檢測的基礎(chǔ)。

1.2.1 地面激光雷達點云數(shù)據(jù)采集

數(shù)字孿生三維建模需要高精度三維數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)通過地面激光雷達技術(shù)結(jié)合非接觸測量的方法得到。實際繼電保護裝置的數(shù)據(jù)被地面激光雷達技術(shù)通過數(shù)字孿生的方式轉(zhuǎn)變成可處理的點云數(shù)據(jù)。地面激光雷達是一種全新的技術(shù)手段，通過其可獲得繼電保護裝置的空間三維信息，促進空間信息數(shù)據(jù)化的發(fā)展。其工作原理如圖3所示。通過掃描控制模塊對激光發(fā)射器放射的激光信號進行處理，利用水平或垂直的反射鏡將完成處理的激光信號射向繼電保護裝置，記錄器接收該激光信號并返回到探測器，輸出可以直接識別處理的建模數(shù)據(jù)至測距模塊。

圖3 地面激光雷達的工作原理

使用地面激光雷達技術(shù)掃描繼電保護裝置，獲取裝置的三維點云數(shù)據(jù)，通過三維點云數(shù)據(jù)與專業(yè)攝像機拍攝的繼電保護圖片結(jié)合得到彩色的點云數(shù)據(jù)[9]。彩色點云數(shù)據(jù)包括的信息有繼電保護裝置的結(jié)構(gòu)、尺寸等。采用地面激光雷達的建模方法可有效提高繼電保護裝置三維建模的準確性，以及虛擬模型的真實性。

1.2.2 繼電保護裝置三維建模

Pointcloud軟件通過切片方式采集點云數(shù)據(jù)中的各種特征量，并采用AutoCAD軟件中的繪圖工具構(gòu)建三維模型，完成繼電保護裝置的數(shù)字孿生。Pointcloud軟件的建模方法多樣且真實性高，所以本文采用Pointcloud軟件與AutoCAD結(jié)合對繼電保護裝置進行三維實景建模，其三維建?；静襟E如下：

(1)規(guī)則特征裝置零件的擬合:通過Pointcloud軟件采集形狀規(guī)則的裝置零件的點云數(shù)據(jù)，如長方體、圓柱等形狀的裝置零件，將此類裝置零件的數(shù)據(jù)擬合成模型。

(2)創(chuàng)建其他部分的點云切片：Pointcloud軟件以某個坐標軸方向為基礎(chǔ)，通過剖析繼電保護裝置中不規(guī)則形狀零件的點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建點云切片。

(3)構(gòu)建三維線框模型：通過擬合的點云切片得到二維輪廓圖，再通過掃掠、旋轉(zhuǎn)等功能在適宜的路徑上建立構(gòu)建繼電保護裝置的三維線框模型。

(4)拼接模型：參照繼電保護裝置的完整點云數(shù)據(jù)，將構(gòu)建的繼電保護裝置的零件模型在AutoCAD中組建成完整的繼電保護裝置三維模型。

1.3 繼電保護裝置的故障診斷模型

應(yīng)用層的故障診斷模塊能夠以小波信號檢測獲取的結(jié)果，完成繼電保護裝置的故障診斷，驗證繼電保護裝置中出現(xiàn)異常信號的位置是否出現(xiàn)故障。繼電保護裝置的故障診斷模塊由數(shù)據(jù)仿真、數(shù)據(jù)接收與發(fā)送、數(shù)據(jù)檢查和結(jié)果判定等環(huán)節(jié)構(gòu)成。繼電保護裝置故障診斷模塊如圖4所示。

圖4 繼電保護裝置的故障診斷模塊

在圖4中，繼電保護裝置的故障診斷原理如下：

(1)根據(jù)預(yù)先設(shè)置完成的診斷方案對故障診斷數(shù)據(jù)進行模擬，然后將模擬數(shù)據(jù)發(fā)送到繼電保護裝置異常點，該異常點接收模擬數(shù)據(jù)。

(2)對繼電保護裝置模擬數(shù)據(jù)依次執(zhí)行APCI(指高級配置和電源管理接口)檢查、ASDU(指應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元)檢查以及數(shù)據(jù)順序檢查。

(3)將檢查后的數(shù)據(jù)進行解析并與預(yù)期數(shù)據(jù)相比較，輸出比較后的判定結(jié)果，完成繼電保護裝置故障診斷，并實時告警，助力裝置檢修。

1.4 VR遠程監(jiān)測模塊

將上述所構(gòu)建的繼電保護裝置三維模型引入應(yīng)用層的VR遠程監(jiān)測模塊，使VR中展現(xiàn)的繼電保護裝置在視覺上更加真實，更好地監(jiān)測繼電保護裝置是否出現(xiàn)異常。

由于開源三維圖形的性能高，VR遠程監(jiān)控設(shè)備運用開源三維圖形渲染引擎OpenSceneGraph開發(fā)[10]。該VR設(shè)備在平臺層的運行環(huán)境是Windows操作系統(tǒng)，人機界面使用C++。其還配置了3D顯示屏與圖形的專業(yè)工作站，使顯示效果更清晰。

VR設(shè)備的遠程監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。VR設(shè)備的遠程監(jiān)控主要通過遠程執(zhí)行端與本地端實現(xiàn)。遠程執(zhí)行端采用LAN(局域網(wǎng))與本地端進行通信，其接收來自本地端的控制命令，然后向本地端發(fā)送真實斷電保護裝置的相機圖像信息和位置信息。VR設(shè)備安裝本地端，其通過PC接收繼電保護裝置的電壓電流數(shù)據(jù)。同時，VR設(shè)備反饋數(shù)據(jù)(異常檢測結(jié)果、警報信號)到平面層的PC。

圖5 VR遠程監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)

1.5 基于小波奇異信號的繼電保護裝置故障信號檢測

繼電保護裝置正常運行過程中，可以運用小波奇異信號診斷繼電保護裝置是否故障，出現(xiàn)小波奇異信號表示繼電保護裝置的信號發(fā)生突變。應(yīng)用層運用小波奇異性原理檢測平臺層整合的繼電保護裝置感知數(shù)據(jù)[11]，使系統(tǒng)快速且精準地接收異常信號，實現(xiàn)繼電保護裝置故障信號檢測。

1.5.1 信號奇異性理論

奇異性函數(shù)是具有無限性的可導函數(shù)，當繼電保護裝置的信號在某點出現(xiàn)不持續(xù)或者中斷的情況時，說明此信號在該點有奇異性(即奇異點)，一般用Lip指數(shù)(Lipchitz指數(shù))表示信號有奇異性。

如果繼電保護裝置的信號f(t)在t0位置出現(xiàn)導數(shù)不持續(xù)或中斷的情況，那么f(t)在t0處有奇異性[12]，將其描述為：

|f(t)-f(t0)|≤C|t-t0|β0<β≤1，t∈A(t0)

(1)

分析可知，當常數(shù)β=1時，該繼電保護裝置的信號是可導函數(shù)且具有連續(xù)性；當0<β<1時，信號不連續(xù)；若β越小，則f(t)在t0處的奇異性越大。

Lip指數(shù)β給出了f(t)在t0點奇異性的精確信息。

1.5.2 時間分辨率優(yōu)化

小波信號為了更好分析繼電保護裝置的信號，把信號分解成處在不同頻帶以及不同時域的各種成分[13]，式(2)描述了函數(shù)的小波變換：

(2)

式中，f(t)∈L2(R)，R為實數(shù)集，Ψ表示能量有限信號，d為半徑；決定頻域信息的尺度因子為a；決定時域信息的頻移因子為b。

已知小波變換中的時頻窗可變幻，當1<β1<β2時，隨著|β|變大，頻寬縮短，時寬延長，因此頻域的分辨率提高，時域的分辨率降低。上述說法表明小波信號處于高頻時的時間分辨率高。

1.5.3 故障信號奇異點定位

小波變換的卷積形式，用式(3)描述：

(3)

2 實驗結(jié)果

為驗證本文系統(tǒng)的故障遠程在線診斷效果，以某變電站內(nèi)繼電保護裝置為對象展開測試。

利用本文系統(tǒng)對該變電站內(nèi)的繼電保護裝置進行三維建模，研究其故障診斷和遠程檢測效果。繼電保護裝置的三維模型與出現(xiàn)故障的三維模型分別見圖6、圖7。

圖6 繼電保護裝置三維模型

圖7 繼電保護裝置故障的三維模型

根據(jù)圖6、圖7可見，通過本文系統(tǒng)所構(gòu)建的三維模型細節(jié)清晰可見，圖7中紅色方框為繼電保護裝置線路斷開位置。這說明采用本文系統(tǒng)建構(gòu)的模型具有真實性，并能精準檢測繼電保護裝置的異常，定位到異常點。

將本文系統(tǒng)應(yīng)用于繼電保護裝置中，對比采用本文系統(tǒng)前后繼電保護裝置的各指標情況，如表1所示。

表1 系統(tǒng)采用前后各指標對比

通過表1分析可知，采用本文系統(tǒng)后的繼電保護裝置的執(zhí)行時間、巡視時間、硬件故障的定位時間比采用本文系統(tǒng)前的時間多。使用本文系統(tǒng)后，500 kV線路的繼電保護裝置的執(zhí)行時間縮短了15 min，主變壓器的繼電保護裝置的執(zhí)行時間縮短了25 min，全站繼電保護裝置的巡視時間縮短了70 min，繼電保護裝置硬件故障的定位時間縮短了20 min。這說明本文系統(tǒng)可較好地應(yīng)用在繼電保護裝置的診斷過程中，有效縮短診斷時間、快速發(fā)現(xiàn)繼電保護裝置的故障。

測試本文系統(tǒng)VR遠程監(jiān)測模塊在兩個場景下監(jiān)測繼電保護裝置電流、電壓數(shù)據(jù)更新變化所需的時間，測試本文系統(tǒng)VR遠程監(jiān)測模塊監(jiān)測反應(yīng)時間：第一個場景是通過100 MB本地虛擬網(wǎng)(VPN)傳輸電流電壓數(shù)據(jù)；第二個場景是使用4G移動互聯(lián)網(wǎng)作為傳輸電流電壓數(shù)據(jù)的媒介。

兩個場景都通過更改500次的數(shù)據(jù)實例測量系統(tǒng)VR遠程監(jiān)測模塊監(jiān)測反應(yīng)時間，實驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 VR遠程監(jiān)測模塊響應(yīng)時間

分析圖8可知，圖中的頂部框圖是利用互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)時VR遠程監(jiān)測模塊響應(yīng)時間的四分位數(shù)，底部框圖是使用本地虛擬專用網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時VR遠程監(jiān)測模塊響應(yīng)時間的四分位數(shù)，白色垂直線表示中位值。從中可知，運用移動互聯(lián)網(wǎng)傳輸電流電壓數(shù)據(jù)的速度比本地虛擬專用網(wǎng)絡(luò)的速度慢。本地虛擬專用網(wǎng)絡(luò)的最慢反應(yīng)時長是0.167 s，最快反應(yīng)時長是0.035 s。因為移動互聯(lián)網(wǎng)不可控且不穩(wěn)定，移動互聯(lián)網(wǎng)的反應(yīng)時間大約是本地虛擬專用網(wǎng)絡(luò)的2倍。

本地虛擬專用網(wǎng)絡(luò)和移動互聯(lián)網(wǎng)響應(yīng)時間的中位數(shù)分別是0.093 s和0.137 s。本地虛擬專用網(wǎng)絡(luò)與移動互聯(lián)網(wǎng)反應(yīng)時間的上分位數(shù)分別是0.103 s和0.155 s，本地虛擬專用網(wǎng)絡(luò)與移動互聯(lián)網(wǎng)反應(yīng)時間的上分位數(shù)分別是0.071 s和0.113 s。實驗結(jié)果說明：一半的本地虛擬專用網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)時間區(qū)間為0.071～0.102 s，一半的移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)時間區(qū)間為0.113～0.155 s。這說明本文系統(tǒng)中的VR遠程監(jiān)測模塊可以快速反應(yīng)實際繼電保護裝置電流電壓數(shù)據(jù)的變化，盡管采用不可控的4G移動互聯(lián)網(wǎng)最慢的反應(yīng)時間也在0.3 s，可以實時接收電流電壓數(shù)據(jù)的更新變化，非常適用于診斷繼電保護裝置。通過監(jiān)控畫面實時更新，可有效提高工作人員發(fā)現(xiàn)繼電保護裝置故障的速度。

測試系統(tǒng)通過VR設(shè)備進行遠程監(jiān)控的幀率，結(jié)果如圖9所示。

通過圖9分析可知，本文系統(tǒng)的VR遠程監(jiān)測幀率波動區(qū)間為[56,64]fps，幀率波動幅度較小，變化較為穩(wěn)定。通過上述實驗，驗證了本文系統(tǒng)運行的有效性和流暢性，說明通過本文系統(tǒng)展開的遠程操作較為流暢，可有效監(jiān)測繼電保護裝置的運行狀態(tài)。

圖9 本文系統(tǒng)VR遠程監(jiān)測幀率

3 結(jié) 論

當電力設(shè)備處于異常狀態(tài)時，繼電保護裝置會自動切除故障，延遲電力系統(tǒng)的故障發(fā)生。工作人員如果沒有檢測到繼電保護裝置的故障會對電力系統(tǒng)的正常運行造成影響，設(shè)計數(shù)字孿生下的繼電保護裝置故障遠程VR在線診斷系統(tǒng)，可以遠程且迅速準確地診斷繼電保護裝置的異常情況，降低不必要的風險。