趙武智，鄔小坤，李興旺，樊國盛，牛靜

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力調(diào)度控制中心，貴州貴陽 550002；2.遵義播州供電局，貴州遵義 563000；3.興義供電局，貴州 興義 562400）

智能變電站是通過由自動化控制、系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測與設(shè)備保護等多種智能電子設(shè)備(Intelligent Electronic Device，IED)所構(gòu)成的通信系統(tǒng)展開站內(nèi)工作的，即通過復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)中報文的交換來實現(xiàn)各類業(yè)務(wù)功能[1-2]。而通信機制的虛擬化及網(wǎng)絡(luò)化使得智能變電站的二次系統(tǒng)變得較為抽象，二次設(shè)備間的邏輯聯(lián)系及信息模型也愈加復(fù)雜。因此當進行二次設(shè)備檢修測試時，通常難以就檢測操作對變電站的運行影響進行科學(xué)、準確的評估[3-4]。同時，由于諸多關(guān)鍵的保護功能依賴于跨間隔信息的接收及處理，一旦對智能變電站進行檢修操作，便要重新驗證二次回路，極大地增加了檢修工作量。

一般情況下，智能變電站二次系統(tǒng)中存有大量跨間隔的交互信息，而設(shè)備配置的信息均是靜態(tài)信息，因此無法為少數(shù)IED 檢修、狀態(tài)變更等行為對系統(tǒng)造成的影響提供可靠判斷。同時，對于設(shè)備檢修等操作還缺乏高效的隔離手段，通常采取的方式是增加陪停設(shè)備，但這樣難以保障變電站內(nèi)局部帶電檢修等操作的安全。為此，文中展開了對智能變電站二次系統(tǒng)安全隔離策略的研究。通過圖信號技術(shù)(Graph Signal Processing，GSP)生成安全隔離鏈路矩陣，從而得到安全措施票，進而保證設(shè)備檢修的可靠性和安全性。

1 二次系統(tǒng)安全隔離

與常規(guī)變電站不同，智能變電站的二次系統(tǒng)運用網(wǎng)絡(luò)通信進行IED 間的信息交互[5-6]，因此其二次安全隔離策略也不盡相同。目前，常用的隔離機制有軟壓板、檢修、硬壓板及光纖。安全隔離策略的原則是斷開與檢修IED 有關(guān)聯(lián)的回路，保證檢修過程中檢修IED 不會對運行IED 造成影響。為此，結(jié)合全站系統(tǒng)配置(Substation Configuration Description，SCD)文件結(jié)構(gòu)，對隔離策略的可靠性進行分析，以保證其操作的安全性。

1.1 SCD文件結(jié)構(gòu)分析

變電站配置文件SCD[7-9]詳細描述了全站二次虛回路的通信參數(shù)、報文控制塊與虛端子等信息，并為實現(xiàn)二次虛回路的可視化提供了依據(jù)。SCD 的文件結(jié)構(gòu)是樹形的，具體如圖1 所示。

圖1 SCD文件結(jié)構(gòu)

在SCD 文件結(jié)構(gòu)中，＜Header＞主要包括文件版本、修改歷史等配置屬性；＜Substation＞描述了一次設(shè)備功能及連接拓撲；＜Communication＞主要包括站內(nèi)IED 的SV/GOOSE 控制塊的通信參數(shù)等；而＜IED＞定義了IED 的具體配置和功能，＜DataType Templates＞則定義了邏輯節(jié)點類型、數(shù)據(jù)對象及屬性類型等模板。

1.2 隔離可靠性評價

二次系統(tǒng)的安全隔離策略是由各個相關(guān)鏈路的隔離操作共同構(gòu)成的，只有全部鏈路均斷開才能完成可靠的隔離，只要其中一條鏈路未完成隔離就會導(dǎo)致安全措施失去作用[10]。因此，系統(tǒng)隔離策略的可靠性可以看作是全部鏈路可靠隔離的“串聯(lián)”，則有：

通過對實際運維工作數(shù)據(jù)的計算，各種安全隔離措施的可靠性如表1 所示。

表1 隔離措施的可靠性

由表1 可知，通過物理隔離（如退出硬壓板、斷開光纖等）能夠完全斷開電氣連接點，其可靠性能達到99.90%。但數(shù)字隔離（退出軟壓板）的安全影響因素較多，如軟壓板設(shè)置有誤、檢修策略不正確等均會造成隔離失效，因此其可靠性相對較低，如投入檢修壓板的可靠性僅為99.00%。

2 基于圖信號技術(shù)的安全隔離策略

智能變電站通過“虛回路”進行連接，因此無法直接獲取IED 間的連接關(guān)系和相對應(yīng)的模型描述原理，這對現(xiàn)場運維、消缺工作的開展均帶來了不便。為此，基于圖信號技術(shù)[11-14]設(shè)計了一種安全隔離策略，文中利用圖信號技術(shù)的邊集數(shù)組存儲IED 的虛回路數(shù)據(jù)，并運用鄰接矩陣完成安措的分析與判斷，從而形象地呈現(xiàn)二次設(shè)備的邏輯關(guān)系，提高設(shè)備的檢修效率。

2.1 基于圖信號技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓撲模型

圖信號的結(jié)構(gòu)可以表示為G={V,E,ω}，其中，V={v1,v2,…,vN} 為節(jié)點集，N為節(jié)點數(shù)；E為邊組集；ω為節(jié)點間的加權(quán)鄰接矩陣。權(quán)值ωi,j代表節(jié)點間的關(guān)聯(lián)度，若存在關(guān)聯(lián)，則ωi,j＞0，二者呈正相關(guān)關(guān)系；若不存在關(guān)聯(lián)，則采用無權(quán)鄰接矩陣ψ∈RN×N進行描述，該矩陣由0、1 構(gòu)成。

在圖信號結(jié)構(gòu)中，每個頂點均分布著信號x∈RN，而二次系統(tǒng)的信號具有時間屬性，因此可將信號表示為X=[x1,x2,…,xT]∈RN×T，T為時長。同時，通過SCD 文件解析能夠提取到網(wǎng)絡(luò)鏈的路信息，利用圖信號技術(shù)可將該信息轉(zhuǎn)換為邊集數(shù)組進行建模。

在網(wǎng)絡(luò)拓撲模型的構(gòu)建中，首先對系統(tǒng)內(nèi)的IED 進行編號，并完成G和E的建模。其中鏈路的起止IED 使用相應(yīng)的編號表示，且用權(quán)值代替信號屬性，由此便可將二次系統(tǒng)的鏈路信息轉(zhuǎn)換為帶權(quán)有向網(wǎng)絡(luò)。將E轉(zhuǎn)變?yōu)閹?quán)網(wǎng)絡(luò)的鄰接矩陣A，則有：

此外，當智能變電站進行設(shè)備檢修時，需劃分IED 的運行情況，以確定檢修范圍。因此IED 的狀態(tài)矩陣H由0、1 組成，其可表征為：

在故障診斷之前，先來了解一下該車前霧燈的控制邏輯。根據(jù)圖2所示的電路圖分析得知，前霧燈點亮的工作過程如下：在小燈或者大燈接通以后，再打開前霧燈開關(guān)，前霧燈開關(guān)接通以后，組合燈開關(guān)的2號和6號端子短路。因為6號端子通過多路控制器MICU的N1號端子內(nèi)部搭鐵，所以組合燈開關(guān)的前霧燈開關(guān)接通以后，通過2號端子給MICU的N10號端子提供一個接地的信號，MICU接到這個指令以后，通過E33號端子為前霧燈繼電器提供接地控制信號，前霧燈繼電器的電磁線圈產(chǎn)生磁場以后，繼電器觸點1、2號接通，電流從發(fā)動機蓋下熔絲盒內(nèi)的A13號(20A)流出，經(jīng)過繼電器后到達兩個前霧燈。

式中，H中的IED 順序與G相同且維持不變。若兩者順序不同而進行鏈路分析，會造成制定的安措與實際工作不符的情況出現(xiàn)，從而影響電網(wǎng)運行。

2.2 提出的安全隔離策略

通過圖信號技術(shù)構(gòu)建的IED 矩陣是一個有向加權(quán)的鄰接矩陣，其所在的行是發(fā)送IED，所屬的列是接收IED。因此，由圖信號技術(shù)產(chǎn)生的安措鏈路包含了檢修IED 和運行IED 之間的全部鏈路，即利用H與A便可獲得安措鏈路矩陣A′。該矩陣表示如下：

式中，diag(H) 代表檢修IED 是發(fā)送IED，(I-diag(H)) 代表運行IED是接收IED，I則為單位矩陣。

綜上所述，文中設(shè)計的智能變電站二次系統(tǒng)安全隔離策略制定實施流程，如圖2 所示。

圖2 二次系統(tǒng)安全隔離策略的流程

具體步驟如下：

1）導(dǎo)入SCD 文件獲取IED 之間的邏輯關(guān)系，并根據(jù)該邏輯關(guān)系分析出待檢修設(shè)備與運行設(shè)備的隔離點。再利用圖信號技術(shù)生成安全隔離鏈路，進而通過安措規(guī)則分析、執(zhí)行各種隔離操作。

2）獲得安全隔離鏈路后，根據(jù)設(shè)定的安措模板生成安措票以及相關(guān)文本。

3）按照安措票文本開啟多媒體信息服務(wù)(Multimedia Message Service，MMS)，并嘗試與所有IED 設(shè)備相連，同時對可連接設(shè)備予以核驗?；陟o止無功發(fā)生器(Static Var Generator，SVG)技術(shù)[15-16]將設(shè)備連接關(guān)系進行可視化，并根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)量的變化實時呈現(xiàn)操作后的設(shè)備連接情況。

3 實驗結(jié)果與分析

基于ADPSS 數(shù)字化仿真系統(tǒng)搭建的智能變電二次設(shè)備測試平臺如圖3 所示。其支持IEC61850 9-2 SMV 網(wǎng)絡(luò)，能夠響應(yīng)合并單元輸出仿真采樣數(shù)據(jù)給保護或測控裝置。

圖3 智能變電二次設(shè)備測試平臺

文中以某220 kV 變電站的103 斷路器年檢操作為例進行了測試。其中一次設(shè)備運行情況為103 開關(guān)轉(zhuǎn)檢修；二次設(shè)備運行情況則是103 斷路器保護、智能終端及合并單元退出運行。

3.1 圖形可視化建模結(jié)果展示

由于智能變電站的連接端子是非實體的，因此基于圖信息技術(shù)分析IED 間的物理邏輯連接關(guān)系并將其可視化。所得結(jié)果如圖4 所示。

圖4 虛端子可視化展示圖

從圖4 可以直觀地獲取二次設(shè)備的邏輯關(guān)系以及虛端子的連接關(guān)系，并可根據(jù)應(yīng)用服務(wù)需要進行實時調(diào)整。同時，通過網(wǎng)絡(luò)可視化，便于操作人員及時掌握設(shè)備及鏈路的狀態(tài)，進而提高安措的可靠性和操作的安全性。

3.2 安全隔離策略可靠性分析

為了論證基于圖信息技術(shù)生成的安全隔離策略的性能，將其與傳統(tǒng)隔離策略進行對比。根據(jù)隔離策略生成的鏈路矩陣可以計算其可靠性，還能統(tǒng)計安措票的生成時間。所提策略與傳統(tǒng)隔離策略在可靠性與安措票生成時間兩個方面的對比結(jié)果，如圖5所示。

圖5 不同策略的可靠性對比

從圖5 中可以看出，所提策略的可靠性有了顯著提升，約為99.65%，相比于傳統(tǒng)策略提高了0.28%。這是由于所提策略利用圖信息技術(shù)生成隔離措施并將其可視化，能夠避免網(wǎng)絡(luò)虛擬化導(dǎo)致的IED 關(guān)系模糊。此外，通過邊集數(shù)組存儲虛回路的信息，并利用鄰接矩陣實現(xiàn)安全措施的分析與判斷，進而將安措的生成時間縮短到500 ms 以下。而快速生成安措票，對于應(yīng)急搶修具有關(guān)鍵的作用和重要的現(xiàn)實意義。

4 結(jié)束語

隨著電網(wǎng)智能化的發(fā)展，對其安全性也有了更高的要求。因此，文中提出了一種智能變電站二次系統(tǒng)安全隔離策略的設(shè)計方案，以確保設(shè)備檢修的高效、安全。其中，利用圖信號技術(shù)的邊集數(shù)組存儲了虛回路信息，并采用鄰接矩陣實現(xiàn)了對安全措施的分析與判斷，最終生成安全可靠的隔離措施。實驗測試結(jié)果表明，文中所提策略的可靠性約為99.65%，較傳統(tǒng)策略提升了0.28%，且安措的生成時間低于500 ms，效果符合預(yù)期。

雖然所提策略對于單個間隔的操作是有效的，但對于多個間隔操作的適用性能仍未驗證。因此在接下來的研究中，將針對多種檢修工作展開實驗，以提高其普適性。