朱 智，張永宏，呂 帥，崔 瑞，孟 穎，李 璐

（內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司鄂爾多斯供電分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010）

0 引言

近年來，智能變電站相較常規(guī)變電站具備更好的低碳環(huán)保效果和交互性以及更高的可靠性，但也給智能設(shè)備的日常維護(hù)工作帶來了挑戰(zhàn)。在智能化變電站二次設(shè)備運(yùn)行維護(hù)及檢修中，采取二次安全措施（以下簡稱安措）有效隔離運(yùn)行設(shè)備（如保護(hù)軟壓板、設(shè)備檢修壓板以及跳閘出口壓板等）是一項(xiàng)重要工作?，F(xiàn)階段智能變電站的維護(hù)工作存在人員技術(shù)水平低、運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)少、設(shè)備隱患不能及時發(fā)現(xiàn)等問題。對于智能變電站運(yùn)維檢修的安措問題，已有學(xué)者開展相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1-2]研究了二次設(shè)備檢修安措自動生成技術(shù)，探索了自動生成安措票的可行性；文獻(xiàn)[3]研究了二次設(shè)備檢修安措的校核技術(shù)，采用不同方法對二次設(shè)備安措票進(jìn)行校核；文獻(xiàn)[4-5]研究了基于光纖物理鏈路建模及軟壓板信息關(guān)聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛實(shí)回路可視化診斷的功能。目前的研究成果側(cè)重于校核安措票的正確性和生成便捷性，對于結(jié)合現(xiàn)場二次設(shè)備狀態(tài)信息的安措在線校核以及防誤操作預(yù)警技術(shù)鮮有研究。

本文旨在開展基于數(shù)據(jù)通信建模技術(shù)的移動式智能變電站安措防誤預(yù)警系統(tǒng)的研究與應(yīng)用開發(fā)，通過多源數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)建模和系統(tǒng)應(yīng)用集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device，IED）信息和回路的圖形化監(jiān)視與實(shí)時診斷故障定位，安措執(zhí)行流程的校核與預(yù)警。該系統(tǒng)主要采用二次設(shè)備安措邏輯預(yù)演技術(shù)、IED 鏈路數(shù)據(jù)傳輸可視化技術(shù)，以提高安措工作和智能運(yùn)維工作的效率和安全性。變電站現(xiàn)場作為第三方監(jiān)視平臺，實(shí)時監(jiān)視和確認(rèn)每一步操作的執(zhí)行情況，如出現(xiàn)順序錯步、漏步，系統(tǒng)給出違反安措條目警示，減小人為主觀因素的影響，降低誤操作風(fēng)險，同時提高運(yùn)維工作效率和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，推動變電站二次設(shè)備運(yùn)維領(lǐng)域的整體技術(shù)進(jìn)步。

1 智能變電站運(yùn)維現(xiàn)狀

隨著智能變電站二次系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和高度集成化，安全措施的可測性及可測量性隨之變差，一些在常規(guī)變電站中的安全隔離措施在智能變電站中無法繼續(xù)應(yīng)用，同時智能變電站中作業(yè)人員的操作習(xí)慣及思維方式與傳統(tǒng)變電站相比發(fā)生了巨大變化。而運(yùn)維人員對智能站的系統(tǒng)配置文件（Substation Configuration Description，SCD）理解不夠深入及對設(shè)備報文、信號、壓板等知識掌握不全面，同時智能設(shè)備各類運(yùn)行狀態(tài)不直觀、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易發(fā)現(xiàn)和處理缺陷，導(dǎo)致安全措施執(zhí)行困難。此外，智能變電站規(guī)程中，與壓板操作有關(guān)的內(nèi)容過于籠統(tǒng)，無法對運(yùn)行維護(hù)及檢修人員現(xiàn)場操作起到有效的指導(dǎo)作用。還有部分地區(qū)采用大范圍停電甚至全站停電的模式進(jìn)行檢修與改擴(kuò)建工作，嚴(yán)重影響了供電的連續(xù)性與可靠性。隨著智能變電站的建設(shè)及運(yùn)維逐步規(guī)?；?，生成現(xiàn)場作業(yè)安全措施票耗時費(fèi)力，加之智能變電站二次設(shè)備通過光纖互聯(lián)，信號回路錯綜復(fù)雜，且涉及安全措施的內(nèi)容較常規(guī)變電站增加了虛回路及大量軟壓板，安全措施輸入及正確性校核嚴(yán)重依賴工作人員，存在較大的安全隱患。

安措的正確執(zhí)行與檢修運(yùn)維工作息息相關(guān)，如某地區(qū)220 kV 變電站，在恢復(fù)220 kVⅠ-Ⅱ段母線A套差動保護(hù)過程中，運(yùn)行人員誤將母差保護(hù)“投檢修”壓板提前退出，并投入了Ⅰ、Ⅱ母各間隔“GOOSE發(fā)送軟壓板”，使母差保護(hù)具備了跳閘出口條件，在批量投入“間隔投入軟壓板”過程中，母差保護(hù)出現(xiàn)差流并達(dá)到動作門檻，母差保護(hù)動作。該事件中運(yùn)行人員執(zhí)行倒閘操作順序錯誤導(dǎo)致保護(hù)動作。一方面是工作人員對智能變電站技術(shù)掌握熟練、執(zhí)行倒閘操作準(zhǔn)備不充分，倒閘操作票審核把關(guān)不嚴(yán)，操作前運(yùn)行人員未能提前辨識操作中的風(fēng)險；另一方面是現(xiàn)場運(yùn)行典型操作票規(guī)程編制不完善，對智能化設(shè)備的運(yùn)行、操作等內(nèi)容指導(dǎo)性不強(qiáng)，從而增加了變電站二次設(shè)備檢修及故障隔離工作的安全風(fēng)險。

由此可見，研究相關(guān)技術(shù)及系統(tǒng)開發(fā)來保證現(xiàn)場安措實(shí)施的可靠性迫在眉睫，具體方向?yàn)榇罱嫦蚨卧O(shè)備運(yùn)維人員的友好監(jiān)測環(huán)境，實(shí)現(xiàn)智能變電站二次設(shè)備安全措施的防誤預(yù)警[6-8]，為運(yùn)維人員提供更為直觀的狀態(tài)確認(rèn)手段。

2 智能變電站安措防誤預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

通過基于數(shù)據(jù)通信建模技術(shù)[9-11]，即依據(jù)IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)面向?qū)ο蟮慕Ｋ枷虢⒁淮卧O(shè)備模型、一二次設(shè)備關(guān)聯(lián)模型、壓板建型、通信模型，將監(jiān)測數(shù)據(jù)與靜態(tài)模型文件建立圖形化的映射關(guān)聯(lián)，利用系統(tǒng)和裝置之間的實(shí)時通信將監(jiān)測數(shù)據(jù)的狀態(tài)反饋在圖形化模型上[12]，搭建一套人機(jī)交互優(yōu)良的智能變電站安措防誤預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備多站應(yīng)用的可移動式系統(tǒng)平臺。

2.1 二次設(shè)備安措防誤預(yù)警

基于數(shù)據(jù)通信建模原理，將安全措施執(zhí)行中涉及的IED 設(shè)備劃分為直接關(guān)聯(lián)設(shè)備和間接關(guān)聯(lián)設(shè)備，建立二次運(yùn)維安措防誤操作預(yù)警預(yù)演模型，如圖1所示，模型中展示的內(nèi)容有：光纖物理鏈路和邏輯鏈路、IED 插件板號、光口號，交換機(jī)光口與光纖連接關(guān)系，功能軟壓板、檢修壓板、跳合閘出口硬壓板與數(shù)據(jù)集的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

按照二次安措預(yù)演模型，將建立的全模型SCD文件中的IEDs 轉(zhuǎn)化為一個檢修域保護(hù)IED 與影響域其他IED的關(guān)聯(lián)模型圖，生成二次安措預(yù)演順序，實(shí)現(xiàn)安措票、安措操作執(zhí)行的預(yù)校核、實(shí)時校核及監(jiān)測；研究關(guān)于二次設(shè)備安措邏輯預(yù)演的相關(guān)技術(shù)，運(yùn)用智能變電站數(shù)據(jù)流的特點(diǎn)將高度關(guān)聯(lián)抽象的信號、狀態(tài)進(jìn)行圖形化實(shí)時展示，并依據(jù)相關(guān)規(guī)程對當(dāng)前安措內(nèi)容進(jìn)行邏輯運(yùn)算與判斷，達(dá)到及時發(fā)現(xiàn)其中可能引起保護(hù)閉鎖及誤動的事項(xiàng)；同時，在安措預(yù)演中結(jié)合一次設(shè)備分合、二次設(shè)備操作以及光纖的拔插，展示安措預(yù)演操作中的二次回路變化、保護(hù)狀態(tài)變化等。為減少人工配置的工作量，研究二次安措運(yùn)維、安措防誤操作預(yù)警的自動實(shí)例化技術(shù)[13-15]，通過數(shù)據(jù)通信建模技術(shù)，利用模糊匹配算法自動解析SCD，實(shí)現(xiàn)安措預(yù)警模型的實(shí)例化配置。

基于建立的二次安措預(yù)演模型，結(jié)合SCD模型文件及變電站運(yùn)行狀態(tài)采集，實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備安措在線預(yù)演及防誤預(yù)警。二次安措在線校核防誤邏輯實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

二次運(yùn)維安措防誤操作通過安措人工模擬預(yù)演、執(zhí)行安措操作、安措遙控操作三種操作方式提供的安措項(xiàng)目作為安措防誤的數(shù)據(jù)來源對象，首先進(jìn)行關(guān)聯(lián)域合法性判斷，再進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性判斷、典型安措順序判斷、GOOSE 軟壓板判據(jù)和SV 接收軟壓板判據(jù)判斷等二次作業(yè)安措防誤規(guī)則庫系列規(guī)則的診斷[16-18]，最后對安措項(xiàng)目給出一個評價結(jié)果，從而達(dá)到二次檢修安措防誤校核診斷的目的。

安措預(yù)演功能為工作人員提供一種虛擬操作環(huán)境，在此環(huán)境下可通過投退保護(hù)、合并單元、智能終端的軟壓板和硬壓板以及拔插光纖來驗(yàn)證典型操作票的安全性，通過站控層和過程層信息匯總分析，對裝置安措操作的正確性進(jìn)行多重確認(rèn)，在第一時間預(yù)警和標(biāo)記操作票中的邏輯問題，可預(yù)防因?yàn)榈湫筒僮髌北旧淼膯栴}而引起的站內(nèi)保護(hù)誤動、閉鎖和告警等情況的發(fā)生。在作業(yè)人員實(shí)際操作時，可作為第三方監(jiān)控平臺，實(shí)時監(jiān)控和校核每一步操作，如出現(xiàn)順序錯步、漏步，系統(tǒng)會給出違反安措條目警示。

2.2 二次設(shè)備隱患排查

基于數(shù)據(jù)通信建模，通過二次設(shè)備可視化、圖形化、實(shí)時化相關(guān)采集、展示技術(shù)及邏輯算法[19]，實(shí)現(xiàn)對保護(hù)裝置、合并單元、智能終端和過程層交換機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的全景監(jiān)視，對裝置的工作電壓、溫度、光口光強(qiáng)、光口報文流量進(jìn)行統(tǒng)計并對各監(jiān)測量的越限預(yù)警、同期數(shù)據(jù)比對預(yù)警、趨勢預(yù)警及同源數(shù)據(jù)比對預(yù)警。

越限預(yù)警是當(dāng)采樣數(shù)值大于高定值yHset（y軸采樣整定上限值）時觸發(fā)越上限告警，小于低定值yLset（y軸采樣整定下限值）時觸發(fā)越下限告警（見圖3）。

圖3 越限預(yù)警算法圖Fig.3 Algorithm diagram for overlimit warning

同期數(shù)據(jù)比對預(yù)警如圖4所示，當(dāng)前t1時刻的采樣數(shù)據(jù)為d1，m天前的相同采樣時刻t2的采樣數(shù)據(jù)為d1'；向前追溯n 個采樣點(diǎn)，得到數(shù)據(jù)分別為d1、d2、d3、…dn，d1'、d2'、d3'、…、dn'；前后采樣點(diǎn)的均值為前后采樣均值的差值為Δy=|y1-y2|；當(dāng)Δy大于yset時觸發(fā)告警。

圖4 同期數(shù)據(jù)比對預(yù)警算法圖Fig.4 Algorithm diagram for data comparison and warning in the same period

趨勢預(yù)警是從當(dāng)前時間t1向前追溯到t2時刻得到一系列數(shù)據(jù)（At-1、At-2、At-3、…、At-n），利用數(shù)據(jù)計算出移動平均曲線，曲線中采樣點(diǎn)的切線與上下限閾值相交，當(dāng)交點(diǎn)與當(dāng)前時間的距離小于告警時間閾值時觸發(fā)告警，并根據(jù)交點(diǎn)測算出可能發(fā)生異常的具體時間。

同源數(shù)據(jù)比對預(yù)警中“同源”包含雙套保護(hù)裝置、雙AD通道、同一母差不同支路。通過MMS實(shí)時獲取同間隔第一套/第二套的保護(hù)裝置遙測量，通過SV 報文獲取不同間隔的合并單元電壓電流以及相角，對同時刻的兩套保護(hù)的遙測值進(jìn)行監(jiān)測比對，若采集值滿足預(yù)設(shè)的判定邏輯則觸發(fā)告警，反之則不告警。

以上提出的四種預(yù)警模式，可實(shí)現(xiàn)對智能變電站內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行工況監(jiān)視，對長期運(yùn)行設(shè)備的硬件性能和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測。通過觸發(fā)光纖強(qiáng)度的告警越限，可監(jiān)視設(shè)備自身工況和設(shè)備之間通信情況，如若發(fā)生告警，則可依據(jù)高定值yHset、低定值yLset預(yù)設(shè)值來實(shí)時定位故障點(diǎn)，對故障點(diǎn)給出數(shù)據(jù)支撐；對于運(yùn)行數(shù)據(jù)的整合分析，結(jié)合現(xiàn)場裝置實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行設(shè)備的潛在問題的提前預(yù)警，告知運(yùn)維檢修人員按照當(dāng)前運(yùn)行方式，何時會觸發(fā)何種告警，并將故障進(jìn)行智能定位分析，為運(yùn)維人員隱患排查工作提供依據(jù)，為消缺工作提供充足的準(zhǔn)備時間。

2.3 移動式平臺設(shè)計

目前有部分變電站部署的二次設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)具有安措校核功能，但采用屏柜式固定安裝，現(xiàn)場施工具有一定難度，特別是在投運(yùn)站，部署期間涉及站內(nèi)的投運(yùn)設(shè)備較多，同時“一站一柜”定制化工程配置也難以滿足多個變電站的現(xiàn)場應(yīng)用。經(jīng)研究，本項(xiàng)目采用高度集成的系統(tǒng)設(shè)計方案，將管理單元和采集單元輕量化、靈活化，使用便攜可移動的方式有效解決了屏柜式裝置體積大、移動不便的問題，從而達(dá)到“一對多”的使用目的，彌補(bǔ)了屏柜式裝置不能多站使用的缺陷。

3 應(yīng)用實(shí)例

這套移動式智能變電站安措防誤預(yù)警系統(tǒng)在現(xiàn)場得到了廣泛應(yīng)用。特別是在智能變電站二次設(shè)備的巡視、缺陷故障快速定位及設(shè)備停電檢修布置安措三個方面為運(yùn)維人員的日常維護(hù)工作提供了有效幫助，并提高了智能變電站的運(yùn)維可靠性。以下為本套系統(tǒng)在智能變電站的應(yīng)用情況。

3.1 實(shí)例1

110 kV 迎賓智能變電站2019 年投運(yùn)。曾因使用傳統(tǒng)化安措方式，在某次人工執(zhí)行安措工作時，人工投入裝置檢修壓板，但該裝置的檢修壓板虛接，并未投入，在站控層網(wǎng)絡(luò)中該裝置的檢修壓板也未置“1”，所幸后臺監(jiān)護(hù)人員及時發(fā)現(xiàn)才未出現(xiàn)后續(xù)事故。結(jié)合此次事件的發(fā)生，將移動式智能變電站安措防誤預(yù)警系統(tǒng)接入該變電站，對站內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、二次措施預(yù)演、光纖回路進(jìn)行智能巡檢。通過采集變電站的過程層和站控層數(shù)據(jù)，獲取一次設(shè)備狀態(tài)及保護(hù)運(yùn)行狀態(tài)等相關(guān)信息，并進(jìn)行邏輯運(yùn)算。通過“安全措施預(yù)演”功能，對安措邏輯庫進(jìn)行配置，將紙質(zhì)版安措流程展示在系統(tǒng)界面中，結(jié)合站控層和過程層的數(shù)據(jù)分析和智能化匹配安措步驟，在系統(tǒng)對數(shù)據(jù)信息只收不發(fā)的狀態(tài)下搭建人機(jī)交互的安措預(yù)演界面，從而實(shí)現(xiàn)了保護(hù)安措執(zhí)行前的模擬預(yù)演，使操作人員檢查安措是否正確的同時可以熟悉安措的操作步驟。完成離線操作后，通過“安全措施在線校核”功能進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)視。工作人員在現(xiàn)場實(shí)際操作過程中，系統(tǒng)通過站控層和過程層的數(shù)據(jù)實(shí)時采集，對執(zhí)行中的步驟和當(dāng)前步驟的結(jié)果進(jìn)行實(shí)時監(jiān)視及操作預(yù)警（見圖5）。

圖5 系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)視及操作預(yù)警界面Fig.5 Real time monitoring and operation warning interface of the system

移動式智能變電站安措防誤預(yù)警系統(tǒng)在不影響站內(nèi)設(shè)備正常運(yùn)行的同時，能夠快速獲取全站保護(hù)設(shè)備的相關(guān)信息，并對安措操作的正確性進(jìn)行多重手段的確認(rèn)，既能在第一時間發(fā)現(xiàn)和定位操作票中的邏輯問題，預(yù)防因?yàn)榈湫筒僮髌北旧淼膯栴}而引起的站內(nèi)事故，也能在第一時間判斷操作的準(zhǔn)確性，預(yù)防因投壓板等不到位引起的安全事故。

3.2 實(shí)例2

在萬成功220 kV智能變電站，運(yùn)行人員巡視時發(fā)現(xiàn)站內(nèi)后臺有斷鏈告警，但站內(nèi)后臺機(jī)只有告警信號，故障點(diǎn)不明確。檢修人員到達(dá)現(xiàn)場后，第一時間將移動式智能變電站安措防誤預(yù)警系統(tǒng)接入該站的站控層和過程層中，進(jìn)入“過程層光纖回路”功能模塊，通過圖形式界面可以直觀判斷出智能終端未收到測控裝置發(fā)出的應(yīng)用標(biāo)識（Application Identifier，APPID）為0339 的GOOSE 報文，隨后將故障定位在該間隔測控裝置的1-E 口，同時該間隔的智能終端報“部分邏輯斷鏈”，所以排除光纖的物理斷鏈，先后通過在測控裝置的尾纖和交換機(jī)中截取數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該交換機(jī)對應(yīng)測控的“5 端口”轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制只收不轉(zhuǎn)發(fā)，導(dǎo)致訂閱裝置智能終端無法收到報文。

該套系統(tǒng)有效彌補(bǔ)了因檢修人員經(jīng)驗(yàn)少、技術(shù)不過關(guān)，導(dǎo)致無法在短時間內(nèi)消除缺陷的不足，可以輔助檢修人員快速定位故障點(diǎn)，明確排查范圍，縮短了現(xiàn)場消缺時間，降低了站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險。

3.3 實(shí)例3

110 kV 江明溝智能變電站151 崗江I 線間隔停電檢修。運(yùn)維人員提前一天在工區(qū)采用移動式智能變電站安措防誤預(yù)警系統(tǒng)對停電所需的操作票進(jìn)行離線校核（見圖6），驗(yàn)證操作內(nèi)容的正確性。次日進(jìn)站，在完成前期準(zhǔn)備工作后，直接使用該系統(tǒng)的“安全措施在線校核”進(jìn)行。在站內(nèi)接入站控層和過程層數(shù)據(jù)后，每一步都嚴(yán)格按界面提示的操作步驟進(jìn)行操作，同時反饋至工作人員，如壓板投退、分合隔離開關(guān)、拔插光纖等，最后的安措恢復(fù)執(zhí)行順利。

圖6 間隔安措校核界面Fig.6 Check interface of interval security measures

該系統(tǒng)不依靠人工核對紙質(zhì)票上的工作步驟和執(zhí)行結(jié)果，每一步都有實(shí)時信號反饋，為停電檢修、布置安措節(jié)約了大量時間，并且能夠及時糾正錯誤操作，降低了風(fēng)險。

4 結(jié)束語

針對智能變電站二次運(yùn)維面臨的安全問題，本文基于IED設(shè)備虛回路可視化展示、同源數(shù)據(jù)比對、二次設(shè)備可視化監(jiān)視診斷、安措校核及邏輯預(yù)演等核心技術(shù)，研發(fā)了基于數(shù)據(jù)通信建模技術(shù)的移動式智能變電站安措防誤預(yù)警系統(tǒng)，并在多個智能變電站進(jìn)行應(yīng)用，其移動式設(shè)計有效解決了屏柜式裝置體積大、移動不便、不能多站使用的缺陷。在后續(xù)的研究中，將對系統(tǒng)實(shí)用性特點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)化（如圖形化、模塊化、人機(jī)交互簡單化），使該系統(tǒng)的使用受眾更廣，降低對使用人員的要求，同時功能設(shè)計能夠滿足智能變電站日常運(yùn)檢工作及技能培訓(xùn)需求，解決目前智能變電站運(yùn)行維護(hù)過程中存在的問題，這對于提高日常運(yùn)維、故障檢修的效率和準(zhǔn)確性具有重要的意義。