饒 贇，熊 楠，陳懷藺，石平燈

（貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司貴安供電局，貴安 550025）

繼電保護(hù)是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。隨著智能變電站等新技術(shù)的推廣，繼電保護(hù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息傳遞及處理方式發(fā)生了根本變化，傳統(tǒng)的繼電保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)估體系面臨變革[1-2]。目前，對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)的評(píng)估主要是通過定期檢修實(shí)現(xiàn)，即到達(dá)預(yù)設(shè)檢修周期后，對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)實(shí)施一系列測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析當(dāng)前繼電保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)是否滿足要求[3]。該評(píng)估方式需要對(duì)相關(guān)一次間隔停電，影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)固定的測(cè)試項(xiàng)目與周期無法兼顧不同類型設(shè)備、不同個(gè)體特征設(shè)備以及設(shè)備不同壽命階段的故障特征。另一方面，目前對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)評(píng)估仍主要依賴人工測(cè)試，效率低、自動(dòng)化水平低，且倒閘操作和人工測(cè)試過程中可能存在操作不當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)等問題。

隨著狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展和設(shè)備信息開放程度的提高，基于在線監(jiān)測(cè)補(bǔ)充或者取代定期檢修已經(jīng)成為繼電保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估的一個(gè)主要發(fā)展趨勢(shì)[4-5]。隨著智能變電站等信息共享技術(shù)的推廣應(yīng)用，在更大空間尺度和更小時(shí)間尺度上獲取繼電保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)成為可能，對(duì)這些數(shù)據(jù)深入挖掘可以及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備與系統(tǒng)隱患，大大提高了繼電保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估的效率和準(zhǔn)確性[6-8]。進(jìn)一步，在狀態(tài)評(píng)估的基礎(chǔ)上，開展繼電保護(hù)系統(tǒng)的狀態(tài)檢修進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維正在成為發(fā)展潮流[10-12]。

針對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估和智能運(yùn)維問題，相關(guān)學(xué)者開展了許多探索工作。文獻(xiàn)[13]基于在線采集繼電保護(hù)裝置狀態(tài)信息，設(shè)計(jì)了狀態(tài)檢修體系結(jié)構(gòu)，為電網(wǎng)繼電保護(hù)設(shè)備提供最佳維修時(shí)機(jī)和檢測(cè)策略。文獻(xiàn)[14]結(jié)合繼電保護(hù)設(shè)備歷史和實(shí)時(shí)信息，建立了基于組合賦權(quán)法的模糊綜合狀態(tài)評(píng)估模型。文獻(xiàn)[15]基于環(huán)境信息、監(jiān)測(cè)信息和巡檢信息，提出了繼電保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。文獻(xiàn)[16]利用狀態(tài)檢修結(jié)果，求解變電站最小經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)而確定狀態(tài)檢修策略。上述方法利用的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是繼電保護(hù)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息，但缺少如何選取有效繼電保護(hù)監(jiān)測(cè)信息的科學(xué)方法。

如何選取并充分利用狀態(tài)監(jiān)測(cè)量，成為繼電保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估與智能運(yùn)維的重要基礎(chǔ)，這本質(zhì)上是繼電保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)的能觀性問題。為此，本文構(gòu)建了繼電保護(hù)系統(tǒng)的能觀性評(píng)價(jià)模型，揭示了監(jiān)測(cè)水平、狀態(tài)評(píng)估水平與能觀性水平之間的關(guān)系。為提升繼電保護(hù)系統(tǒng)的能觀性水平，本文形成繼電保護(hù)系統(tǒng)全景信息智能監(jiān)測(cè)與基于全景數(shù)據(jù)的狀態(tài)評(píng)估方法，從數(shù)據(jù)獲取與智能評(píng)價(jià)兩個(gè)方面提升繼電保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估與智能運(yùn)維成效。進(jìn)一步，基于本文的狀態(tài)評(píng)估與智能運(yùn)維方法，研發(fā)了主子站狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并完成了試點(diǎn)應(yīng)用。

1 繼電保護(hù)系統(tǒng)能觀性分析

能觀性是控制理論中一個(gè)重要的概念，描述的是在有限時(shí)間內(nèi)通過觀察對(duì)象系統(tǒng)某一時(shí)刻的輸出變量Y(t0)辨識(shí)出該系統(tǒng)狀態(tài)變量Xi的能力，它反映了對(duì)象系統(tǒng)的輸出對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、狀態(tài)和本質(zhì)的觀測(cè)能力[17]。

借助能觀性的概念，繼電保護(hù)系統(tǒng)的能觀性分析指的是：①根據(jù)操作指令評(píng)價(jià)某一時(shí)間斷面內(nèi)設(shè)備功能能否得到正確完成，即繼電保護(hù)系統(tǒng)能否正確反映一次系統(tǒng)的狀態(tài)并完成期望的管控需求；②根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)量或狀態(tài)評(píng)估結(jié)果反映出某一時(shí)間斷面內(nèi)繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)（設(shè)備硬件狀態(tài)和拓?fù)溥B接狀態(tài)）的能力。

1.1 繼電保護(hù)系統(tǒng)的狀態(tài)變量

繼電保護(hù)系統(tǒng)由保護(hù)設(shè)備與通信網(wǎng)絡(luò)二次回路組成。對(duì)于繼電保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)維，需要借助于繼電保護(hù)系統(tǒng)的信號(hào)呈現(xiàn)與功能效果實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備及系統(tǒng)的功能評(píng)價(jià)與狀態(tài)評(píng)價(jià)。因此，繼電保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)維與評(píng)估，需要依托于繼電保護(hù)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息以及操作指令分析完成，如圖1所示。

圖1 繼電保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)維與評(píng)估處理過程Fig.1 Process of operation/maintenance and assessment for relay protection system

在控制理論中，狀態(tài)變量X={X1,X2,…,Xi,…}是完整描述系統(tǒng)且含變量數(shù)最少的一組變量[18]。對(duì)于繼電保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估與智能運(yùn)維問題而言，這組狀態(tài)變量應(yīng)該是狀態(tài)評(píng)估所關(guān)心的對(duì)象。根據(jù)圖論，繼電保護(hù)系統(tǒng)可以抽象成為一個(gè)由節(jié)點(diǎn)和邊構(gòu)成的有向圖，根據(jù)節(jié)點(diǎn)、邊以及節(jié)點(diǎn)的屬性可以唯一確定該有向圖[19]。因此，本文將繼電保護(hù)系統(tǒng)的“節(jié)點(diǎn)”“邊”以及“節(jié)點(diǎn)屬性”的狀態(tài)視為繼電保護(hù)系統(tǒng)的狀態(tài)變量，這里的“節(jié)點(diǎn)”指的是繼電保護(hù)系統(tǒng)中的設(shè)備，“邊”指的是設(shè)備之間的拓?fù)溥B接，即繼電保護(hù)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，“節(jié)點(diǎn)屬性”指的是設(shè)備功能。

1.2 繼電保護(hù)系統(tǒng)的能觀性水平

繼電保護(hù)系統(tǒng)的輸出變量與控制變量間的關(guān)系無法用一組線性微分方程或差分方程來描述，顯然也不滿足疊加定律，為適應(yīng)繼電保護(hù)系統(tǒng)的非線性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的能觀性評(píng)價(jià)，因此本文定義繼電保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估的能觀性概念如下。

1.2.1 監(jiān)測(cè)水平Lm

繼電保護(hù)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)水平指的是輸出量的開放程度。由于未開放輸出量所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)變量不能觀，因此監(jiān)測(cè)水平越高，表示可用于狀態(tài)評(píng)估的動(dòng)作結(jié)果和狀態(tài)監(jiān)測(cè)量越多，繼電保護(hù)系統(tǒng)的能觀性相對(duì)則越大。假設(shè)某一繼電保護(hù)系統(tǒng)共有M(M=MD+MB+MP)個(gè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)量，其中有MD個(gè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)量，MB個(gè)拓?fù)錉顟B(tài)監(jiān)測(cè)量和MP個(gè)設(shè)備功能評(píng)估量，則有

式中：Lm∈(0,1)，[0，0.33）對(duì)應(yīng)低監(jiān)測(cè)水平，[0.33，0.66）對(duì)應(yīng)中監(jiān)測(cè)水平，[0.66，1]對(duì)應(yīng)高監(jiān)測(cè)水平；α1、α2和 α3（0＜α1,α2,α3＜1）為信息開放比例，表示已開放信息量同狀態(tài)監(jiān)測(cè)量總量的比例。

1.2.2 狀態(tài)評(píng)估水平La

繼電保護(hù)系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估水平指的是對(duì)已開放狀態(tài)監(jiān)測(cè)量的狀態(tài)評(píng)估程度。狀態(tài)評(píng)估水平越高，表示對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)量的進(jìn)一步處理程度越高。假設(shè)對(duì)已開放的狀態(tài)監(jiān)測(cè)量、拓?fù)錉顟B(tài)監(jiān)測(cè)量和設(shè)備功能評(píng)估量三者的狀態(tài)評(píng)估比例分別為β1、β2和β3(0＜β1,β2,β3＜1)，表示直接用于狀態(tài)評(píng)估的信息量同已開放的信息總量的比例，則有

式中，La∈[0,1]，[0，0.33）對(duì)應(yīng)低狀態(tài)評(píng)估水平，[0.33，0.66）對(duì)應(yīng)中狀態(tài)評(píng)估水平，[0.66，1]對(duì)應(yīng)高狀態(tài)評(píng)估水平。

1.2.3 能觀性水平Lo

根據(jù)上文對(duì)能觀性水平的定義，在已開放的狀態(tài)監(jiān)測(cè)量中用于狀態(tài)評(píng)估的監(jiān)測(cè)量信息可分為兩類：一類是通過單條信息本身直接評(píng)估繼電保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)，另一類是通過多源數(shù)據(jù)融合方式間接評(píng)估系統(tǒng)狀態(tài)。假設(shè)在已開放但未直接用于狀態(tài)評(píng)估的監(jiān)測(cè)量中存在K%的信息可通過多源數(shù)據(jù)融合方式間接評(píng)估系統(tǒng)狀態(tài)，則繼電保護(hù)系統(tǒng)的能觀性水平推導(dǎo)關(guān)系式為

由式（1）～（3）可知，Lm、La和 Lo三者的關(guān)系可以用圖2表示。

圖2 能觀性水平、監(jiān)測(cè)水平與狀態(tài)評(píng)估水平的關(guān)系Fig.2 Relationship among observability level，monitoring level and condition assessment level

綜上所述，繼電保護(hù)系統(tǒng)的能觀性水平既與監(jiān)測(cè)水平相關(guān)，也與狀態(tài)評(píng)估水平相關(guān)，因此提高繼電保護(hù)系統(tǒng)的能觀性水平，一方面要提高狀態(tài)監(jiān)測(cè)量的開放程度，一方面要盡可能多地處理狀態(tài)監(jiān)測(cè)量得到狀態(tài)評(píng)估結(jié)果。下文將從這兩個(gè)方面展開闡述。

2 基于全景信息的繼電保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)建模

2.1 繼電保護(hù)系統(tǒng)全景信息監(jiān)測(cè)模型

繼電保護(hù)系統(tǒng)的全景信息監(jiān)測(cè)模型集成了其內(nèi)所有與設(shè)備、設(shè)備連接以及設(shè)備功能相關(guān)的屬性，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估，本文提出保繼電保護(hù)系統(tǒng)全景信息監(jiān)測(cè)模型，并用多元組Ω表示為

式中：D是繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備集合（節(jié)點(diǎn)集合）；T是繼電保護(hù)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)集合。

2.1.1 繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備集合D

設(shè)繼電保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)有N臺(tái)設(shè)備，則可用D1,D2,…,DN表示各設(shè)備，即D={D1,D2,…,DN}。根據(jù)繼電保護(hù)系統(tǒng)各設(shè)備的特點(diǎn)，第i臺(tái)繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備Di還應(yīng)包括設(shè)備狀態(tài)S、功能參數(shù)屬性C、設(shè)備性能F、設(shè)備端口P等內(nèi)容，即

式中：若設(shè)備狀態(tài)異常，則S=1，否則為0；C為功能參數(shù)屬性，以保護(hù)裝置與量測(cè)裝置為例，部分設(shè)備參數(shù)及其表示方法如表1所示；F為設(shè)備性能，就繼電保護(hù)系統(tǒng)而言，其功能主要指繼電保護(hù)裝置的“選擇性”、“速動(dòng)性”、“靈敏性”和“可靠性”，分別用“ Fsel”、“ Fsp”、“ Fsen”和“ Fre”表示，定義多元組F表示保護(hù)系統(tǒng)的功能，如式（7）所示，就電壓-頻率控制而言，需要關(guān)注控制效果即目標(biāo)電壓頻率偏離量“ Fdel_U”、“ Fdel_f”、響應(yīng)時(shí)間“ Fres_T”等，則對(duì)于控制系統(tǒng)與設(shè)備，其性能模型如式（8）所示；P為設(shè)備端口集合，包括該設(shè)備所有端口信息，如式（9）所示，其中porti(i=1,2,…,n)表示第i個(gè)端口信息。

表1 典型繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)Tab.1 Equipment parameters of typical relay protection system

2.1.2 通信網(wǎng)絡(luò)集合T

支路的組成方式有兩種，如圖3所示。

圖3 支路的組成方式Fig.3 Composition of branch

圖3（a）所示為物理支路，常規(guī)站繼電保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備之間由電纜cable或光纖fiber實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直連，而在智能站繼電保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備間支路主要由光纖fiber和端口port組成。定義物理支路描述多元組P_Branchij表示支路Branchij對(duì)應(yīng)物理元件，則有

式中，“＜＞”內(nèi)為物理元件的標(biāo)準(zhǔn)化命名。

圖3（b）所示為邏輯支路，邏輯支路主要存在于智能站繼電保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)，邏輯支路主要由VLAN等網(wǎng)絡(luò)連接組成，定義邏輯支路描述多元組L_Branchij表示支路Branchij對(duì)應(yīng)的邏輯元件，則有

式中，“＜＞”內(nèi)為VLAN的標(biāo)準(zhǔn)化命名。

此外，支路的通斷狀態(tài)還受壓板的控制，定義壓板描述多元組S_Branchij表示支路Branchij對(duì)應(yīng)壓板，包括出口硬壓板、檢修硬壓板、接受軟壓板、功能軟壓板等，即

式中，“＜＞”內(nèi)為壓板的標(biāo)準(zhǔn)化命名。

繼電保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)的物理支路或邏輯支路承載著各類信息流。根據(jù)IEC 61850規(guī)范，一次系統(tǒng)的采樣值信息通過SV報(bào)文在過程層網(wǎng)絡(luò)中傳輸，保護(hù)、控制命令及開關(guān)狀態(tài)等信息通過GOOSE報(bào)文在過程層網(wǎng)絡(luò)中傳輸，而在站控層中主要傳輸制造報(bào)文規(guī)范MMS報(bào)文等。本文用信息描述多元組I_Branchij表示與支路Branchij方向及連接源宿相同的信息集，即

式中，“＜＞”內(nèi)表示信息的規(guī)范命名。

上述要素主要用于描述繼電保護(hù)系統(tǒng)拓?fù)涞撵o態(tài)屬性，這些屬性在保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段就能確定。為了描述拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)屬性，定義SBranchij表示支路Branchij的實(shí)際狀態(tài)，則有

式中：Scable、Sfibre、Sport、SVLAN和Sstrap分別為上述所提的電纜、光纖、端口、VLAN和壓板等實(shí)際狀態(tài)；SN表示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)；SI表示信息狀態(tài)。綜上，保護(hù)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)集合可以表示為

2.2 最小輸出變量集

根據(jù)繼電保護(hù)系統(tǒng)能觀性解釋及全景信息監(jiān)測(cè)模型分析，可以抽象出滿足繼電保護(hù)系統(tǒng)能觀性的最小輸出變量集Y*，以實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)的全方位把控，保護(hù)系統(tǒng)最小輸出變量集如表2所示。

表2 繼電保護(hù)系統(tǒng)最小輸出變量集Tab.2 Minimum output variable set for relay protection system

通過分析最小輸出變量集可以知道，可直接獲得的輸出變量均為繼電保護(hù)系統(tǒng)的靜態(tài)屬性，可以通過解析配置文件得到，如智能站內(nèi)的SCD文件，將這部分輸出變量集記為YD；并非所有輸出變量都可以直接獲得，將這部分輸出變量集記為YU，比如繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備的功能必須通過一定的分析評(píng)估獲得。為了得到Y(jié)U，還需要獲取一定的狀態(tài)監(jiān)測(cè)量YM。若某繼電保護(hù)系統(tǒng)能獲得的輸出變量為Y，Y與YD、YU和YM的關(guān)系如圖4所示。

圖4 靜態(tài)屬性獲取與狀態(tài)評(píng)估Fig.4 Static property acquisition and condition assessment

因此，當(dāng)式（16）成立時(shí)，認(rèn)為該保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)水平達(dá)到完全能觀水平，否則該繼電保護(hù)系統(tǒng)不完全能觀，能觀性水平可以由式（1）～（3）衡量。

3 基于全景監(jiān)測(cè)信息的繼電保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估

根據(jù)繼電保護(hù)系統(tǒng)能觀性描述以及實(shí)際工程運(yùn)維需求，可以抽象出滿足繼電保護(hù)系統(tǒng)能觀性的全景監(jiān)測(cè)信息集，如表3所示。

表3 全景監(jiān)測(cè)信息集Tab.3 Panorama monitoring information set

由此形成的繼電保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估方法如圖5所示。其中設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)、拓?fù)錉顟B(tài)監(jiān)測(cè)和功能狀態(tài)監(jiān)測(cè)具體闡述如下。

圖5 運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估方法Fig.5 Assessment method for operation condition

3.1 設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)

對(duì)于狀態(tài)監(jiān)測(cè)量中的一致性屬性信息，如定值與壓板等，均可以利用一致性檢測(cè)元件實(shí)現(xiàn)評(píng)估，一致性檢測(cè)元件的工作原理是：達(dá)到預(yù)設(shè)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)間觸發(fā)值后，根據(jù)實(shí)時(shí)采集的一致性屬性設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)量，一一比對(duì)預(yù)先存儲(chǔ)的參數(shù)，若發(fā)現(xiàn)不一致則啟動(dòng)異常告警。這個(gè)預(yù)先存儲(chǔ)的參數(shù)可以是運(yùn)行方式規(guī)劃階段制定好的參數(shù)，也可以是上一次狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)束后的無異常參數(shù)。一致性狀態(tài)監(jiān)測(cè)如圖6所示。

圖6 一致性狀態(tài)監(jiān)測(cè)Fig.6 Consistency monitoring

3.2 拓?fù)錉顟B(tài)監(jiān)測(cè)

繼電保護(hù)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)有賴于信息的正確傳輸，設(shè)備之間的信息傳輸異常往往會(huì)影響業(yè)務(wù)實(shí)施的準(zhǔn)確性和可靠性，甚至對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因此，對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備間拓?fù)涞漠惓Ｕ鐒e和故障定位是繼電保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)維工作中一項(xiàng)非常重要的內(nèi)容。

拓?fù)涔收现饕傅氖峭ㄐ殴收?，造成的后果主要為延時(shí)、誤碼和中斷，上述三類故障均可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟包。根據(jù)SV、GOOSE和MMS報(bào)文的計(jì)數(shù)機(jī)制，若某報(bào)文發(fā)生了丟包，則會(huì)發(fā)送相應(yīng)的丟包告警。但由于一條報(bào)文需要經(jīng)過多條信道才能到達(dá)信宿，根據(jù)該報(bào)文丟包告警并不能單獨(dú)判斷哪一條信道發(fā)生了故障。目前，監(jiān)控后臺(tái)只能通過間隔層裝置上送的告警信號(hào)監(jiān)視SV、GOOSE和MMS鏈路的狀態(tài)，無法直接監(jiān)視過程層網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各通信節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。

考慮到多點(diǎn)故障發(fā)生的概率較低，假設(shè)在同一個(gè)時(shí)間網(wǎng)絡(luò)中只存在一個(gè)單點(diǎn)故障。在實(shí)際工程應(yīng)用中，一條信道往往承載著多條報(bào)文信息，因此如果某信道發(fā)生故障后，通常情況下不只一條鏈路的報(bào)文會(huì)受到影響。通過分析報(bào)文斷鏈的告警信息，如果b條報(bào)文鏈路受到影響，而報(bào)文鏈路的總數(shù)為a，則故障定位分析矩陣G可通過公式獲得。

式中：DN×N為N臺(tái)設(shè)備之間連接關(guān)系；J為告警信息支路矩陣，jij為I_Branchij中含有告警信息的個(gè)數(shù)；K為正常信息支路矩陣，kij表示I_Branchij中含有信息總數(shù)與含有告警信息個(gè)數(shù)之差，即正常傳輸信息個(gè)數(shù)。故障定位分析矩陣G中的最大元素gij表示最有可能發(fā)生故障的支路，如果最大元素不止一個(gè)，則最有可能發(fā)生故障的支路為最大元素對(duì)應(yīng)共同告警信息的初始支路。

此外，根據(jù)保護(hù)系統(tǒng)全景信息監(jiān)測(cè)模型中S_Branchij是否更新來判斷支路發(fā)生故障的進(jìn)一步原因：①若S_Branchij未發(fā)生變化，則引起支路Branchij故障的原因可以縮小為P_Branchij對(duì)應(yīng)光纖及光纖兩端的端口；②若S_Branchij發(fā)生了變化，則可能為軟壓板狀態(tài)變位導(dǎo)致信息傳輸發(fā)生中斷。

3.3 功能狀態(tài)監(jiān)測(cè)

繼電保護(hù)系統(tǒng)處理實(shí)際業(yè)務(wù)時(shí)，不同業(yè)務(wù)關(guān)注的功能效果不同，為統(tǒng)一表示，功能異常從執(zhí)行邏輯以及執(zhí)行效果兩個(gè)層面衡量。

（1）執(zhí)行邏輯層面的作用是，為完成繼電保護(hù)系統(tǒng)某一項(xiàng)功能，需要特定設(shè)備參與功能決策，因此，參與執(zhí)行業(yè)務(wù)功能的期望設(shè)備應(yīng)與實(shí)際發(fā)生動(dòng)作的設(shè)備相匹配。

（2）執(zhí)行效果層面的作用是，繼電保護(hù)系統(tǒng)執(zhí)行某相業(yè)務(wù)都有其完成的目標(biāo)閾，從執(zhí)行效果判斷，可以分析設(shè)備是否動(dòng)作準(zhǔn)確與合理。

4 工程實(shí)施

4.1 繼電保護(hù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)

為了減少運(yùn)維主站端和調(diào)度端的數(shù)據(jù)傳輸和分析壓力，本文設(shè)計(jì)了一種基于廠站端就地分析設(shè)備健康狀態(tài)和基于主站端分析設(shè)備功能的主子站狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)MSCMS（master-substation condition monitoring system）。整個(gè)系統(tǒng)由分布在廠站端的狀態(tài)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)CMS（condition monitoring subsystem）和主站端的狀態(tài)監(jiān)測(cè)主站CMM（condition monitoring master server）構(gòu)成。該系統(tǒng)架構(gòu)與繼電保護(hù)系統(tǒng)實(shí)際部署環(huán)境并不沖突，如繼電保護(hù)系統(tǒng)采用主子站架構(gòu)部署，則狀態(tài)監(jiān)測(cè)主站可以搭載在運(yùn)維主站，狀態(tài)監(jiān)測(cè)子站可以搭載在運(yùn)維子站中；若保護(hù)系統(tǒng)采用大數(shù)據(jù)平臺(tái)模式架構(gòu)，則狀態(tài)監(jiān)測(cè)主站可以搭載與大數(shù)據(jù)平臺(tái)層。

在廠站端中，每個(gè)變電站部署1套狀態(tài)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，系統(tǒng)由信息采集單元ICU（information collection unit）和信息分析單元IAU（information analysis unit）單元組成。系統(tǒng)跨接在站控層和過程層，信息采集單元可以實(shí)時(shí)采集到各間隔層設(shè)備、一次設(shè)備、過程層網(wǎng)絡(luò)、站控層網(wǎng)絡(luò)的全景狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息。狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析單元是保護(hù)系統(tǒng)的就地化狀態(tài)監(jiān)測(cè)和分析中心，可以通過輸入SCD文件得到繼電保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行方式模型，并根據(jù)信息采集單元提供的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行設(shè)備健康績(jī)效分析。因此，廠站端狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過抓取本地信息可以獨(dú)立判斷保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)。

在主站端CMM中，狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)匯聚著從各廠站端狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)經(jīng)由狀態(tài)監(jiān)測(cè)服務(wù)器MS（monitoring server）上送的狀態(tài)評(píng)價(jià)信息以及保護(hù)動(dòng)作信息，利用跨間隔數(shù)據(jù)綜合判斷繼電保護(hù)系統(tǒng)的功能狀態(tài)，并將其返回至相應(yīng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)子站，全景信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。

圖7 全景信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.7 Architecture design of panoramic information monitoring system

變電站間部署著由高可靠性光纖通信網(wǎng)絡(luò)組成的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)，主子站狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以利用這個(gè)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行信息交互。代理系統(tǒng)之間的通信機(jī)制可以參照發(fā)布/訂閱者模式，信息交互的方式包括查詢、通知和更新3類。主子站狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息流如圖8所示。

圖8 繼電保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估信息流Fig.8 Information flow in condition assessment on relay protection system

4.2 測(cè)試結(jié)果

4.2.1 測(cè)試場(chǎng)景

為了測(cè)試主子站狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)的有效性，根據(jù)圖7和圖8所示的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，開發(fā)了樣機(jī)裝置及相關(guān)軟件，并在基于IEC 61850的110 kV智能變電站進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試場(chǎng)景如圖9所示。

圖9 測(cè)試場(chǎng)景Fig.9 Test scenario

4.2.2 運(yùn)維效果

上述MSCMS在實(shí)際工程中完成試點(diǎn)運(yùn)行，在安裝運(yùn)行繼電保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估裝置前，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)量與壓板狀態(tài)不開放，運(yùn)維方式主要是定期檢查。安裝運(yùn)行繼電保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估裝置后，為了更全面獲取保護(hù)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)信息，增設(shè)了設(shè)備分布式測(cè)溫傳感器、絕緣在線檢測(cè)器等設(shè)備，并開放了壓板狀態(tài)的上送。現(xiàn)將安裝前和安裝后的運(yùn)維效果進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)如表4、表5所示。

表4 監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔運(yùn)維效果對(duì)比Tab.4 Comparison of operation and maintenance results about monitoring time intervals

表5 監(jiān)測(cè)內(nèi)容的運(yùn)維效果對(duì)比Tab.5 Comparison of operation and maintenance results about monitoring contents

由表4可以看出，安裝MSCMS后監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔有了極大的縮短：與采取日常巡視相比，安裝MSCMS后監(jiān)測(cè)時(shí)間縮短為原值的1/6；與采取季度檢查相比，安裝后監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔縮短為原值的1/540；與定期檢查相比，安裝后監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔縮短為原值的1/6 570。由表5可以看出，監(jiān)測(cè)內(nèi)容安裝前需要依靠人工日常巡視、季度巡視和定期檢查的項(xiàng)目分別有14、10和11項(xiàng)。安裝MSCMS后，需要依靠人工的日常巡視項(xiàng)目減少至5項(xiàng)（液晶屏檢查、裝置有無異常聲響及異常氣味、檢查戶外端子箱防水防潮、檢查戶外端子箱封堵、檢查戶外端子排接線等）；需要依靠人工定期檢查內(nèi)容縮減為1項(xiàng)，即外觀及絕緣檢查。

5 結(jié)語

為有效分析、獲取繼電保護(hù)系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)的內(nèi)容，以及高效地提升運(yùn)維系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)狀態(tài)的能力，本文從能觀性角度，分析了監(jiān)測(cè)水平與狀態(tài)評(píng)估水平與能觀性水平之間的關(guān)系，達(dá)到對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估與智能運(yùn)維需求。進(jìn)一步地，從能觀性提升的目標(biāo)出發(fā)，討論繼電保護(hù)系統(tǒng)全景信息監(jiān)測(cè)方法與基于全景數(shù)據(jù)的狀態(tài)評(píng)估方法，有效提升了繼電保護(hù)系統(tǒng)的能觀性水平。依照本文基于能觀性分析的狀態(tài)評(píng)估與智能運(yùn)維方法，形成了主子站狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，并完成了試點(diǎn)應(yīng)用，肯定了基于能觀性分析的狀態(tài)評(píng)估與智能運(yùn)維方法在提升運(yùn)維效率與處理復(fù)雜告警中的優(yōu)勢(shì)作用。