朱 智，張永宏，呂 帥，崔 瑞，孟 穎，李 璐

（內(nèi)蒙古電力（集團）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)備的日常維護工作帶來了挑戰(zhàn)。在智能化變電站二次設(shè)備運行維護及檢修中，采取二次安全措施（以下簡稱安措）有效隔離運行設(shè)備（如保護軟壓板、設(shè)備檢修壓板以及跳閘出口壓板等）是一項重要工作?，F(xiàn)階段智能變電站的維護工作存在人員技術(shù)水平低、運維經(jīng)驗少、設(shè)備隱患不能及時發(fā)現(xiàn)等問題。對于智能變電站運維檢修的安措問題，已有學(xué)者開展相關(guān)研究。文獻[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[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)備安措票進行校核；文獻[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)實現(xiàn)虛實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，實時監(jiān)視和確認每一步操作的執(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，同時提高運維工作效率和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平，推動變電站二次設(shè)備運維領(lǐng)域的整體技術(shù)進步。

1 智能變電站運維現(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)，無法對運行維護及檢修人員現(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行檢修與改擴建工作，嚴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)及運維逐步規(guī)?；?，生成現(xiàn)場作業(yè)安全措施票耗時費力，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套差動保護過程中，運行人員誤將母差保護“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，母差保護出現(xiàn)差流并達到動作門檻，母差保護動作。該事件中運行人員執(zhí)行倒閘操作順序錯誤導(dǎo)致保護動作。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，操作前運行人員未能提前辨識操作中的風(fēng)險；另一方面是現(xiàn)場運行典型操作票規(guī)程編制不完善，對智能化設(shè)備的運行、操作等內(nèi)容指導(dǎo)性不強，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)場安措實施的可靠性迫在眉睫，具體方向為搭建面向二次設(shè)備運維人員的友好監(jiān)測環(huán)境，實現(xiàn)智能變電站二次設(shè)備安全措施的防誤預(yù)警[6-8]，為運維人員提供更為直觀的狀態(tài)確認手段。

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，實現(xiàn)安措票、安措操作執(zhí)行的預(yù)校核、實時校核及監(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)，運用智能變電站數(shù)據(jù)流的特點將高度關(guān)聯(lián)抽象的信號、狀態(tài)進行圖形化實時展示，并依據(jù)相關(guān)規(guī)程對當(dāng)前安措內(nèi)容進行邏輯運算與判斷，達到及時發(fā)現(xiàn)其中可能引起保護閉鎖及誤動的事項；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、保護狀態(tài)變化等。為減少人工配置的工作量，研究二次安措運維、安措防誤操作預(yù)警的自動實例化技術(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，實現(xiàn)安措預(yù)警模型的實例化配置。

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行狀態(tài)采集，實現(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現(xiàn)流程如圖2所示。

二次運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目作為安措防誤的數(shù)據(jù)來源對象，首先進行關(guān)聯(lián)域合法性判斷，再進行數(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]，最后對安措項目給出一個評價結(jié)果，從而達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、合并單元、智能終端的軟壓板和硬壓板以及拔插光纖來驗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行多重確認，在第一時間預(yù)警和標(biāo)記操作票中的邏輯問題，可預(yù)防因為典型操作票本身的問題而引起的站內(nèi)保護誤動、閉鎖和告警等情況的發(fā)生。在作業(yè)人員實際操作時，可作為第三方監(jiān)控平臺，實時監(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、實時化相關(guān)采集、展示技術(shù)及邏輯算法[19]，實現(xiàn)對保護裝置、合并單元、智能終端和過程層交換機運行狀態(tài)的全景監(jiān)視，對裝置的工作電壓、溫度、光口光強、光口報文流量進行統(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，得到數(shù)據(jù)分別為d1、d2、d3、…dn，d1'、d2'、d3'、…、dn'；前后采樣點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，曲線中采樣點的切線與上下限閾值相交，當(dāng)交點與當(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”包含雙套保護裝置、雙AD通道、同一母差不同支路。通過MMS實時獲取同間隔第一套/第二套的保護裝置遙測量，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的遙測值進行監(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，可實現(xiàn)對智能變電站內(nèi)設(shè)備的運行工況監(jiān)視，對長期運行設(shè)備的硬件性能和數(shù)據(jù)進行分析和預(yù)測。通過觸發(fā)光纖強度的告警越限，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)值來實時定位故障點，對故障點給出數(shù)據(jù)支撐；對于運行數(shù)據(jù)的整合分析，結(jié)合現(xiàn)場裝置實際運行狀態(tài)，實現(xiàn)對運行設(shè)備的潛在問題的提前預(yù)警，告知運維檢修人員按照當(dāng)前運行方式，何時會觸發(fā)何種告警，并將故障進行智能定位分析，為運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，特別是在投運站，部署期間涉及站內(nèi)的投運設(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，從而達到“一對多”的使用目的，彌補了屏柜式裝置不能多站使用的缺陷。

3 應(yīng)用實例

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維人員的日常維護工作提供了有效幫助，并提高了智能變電站的運維可靠性。以下為本套系統(tǒng)在智能變電站的應(yīng)用情況。

3.1 實例1

110 kV 迎賓智能變電站2019 年投運。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)備的運行狀態(tài)、二次措施預(yù)演、光纖回路進行智能巡檢。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)及保護運行狀態(tài)等相關(guān)信息，并進行邏輯運算。通過“安全措施預(yù)演”功能，對安措邏輯庫進行配置，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)下搭建人機交互的安措預(yù)演界面，從而實現(xiàn)了保護安措執(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”功能進行實時在線監(jiān)視。工作人員在現(xiàn)場實際操作過程中，系統(tǒng)通過站控層和過程層的數(shù)據(jù)實時采集，對執(zhí)行中的步驟和當(dāng)前步驟的結(jié)果進行實時監(jiān)視及操作預(yù)警（見圖5）。

圖5 系統(tǒng)實時監(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)備正常運行的同時，能夠快速獲取全站保護設(shè)備的相關(guān)信息，并對安措操作的正確性進行多重手段的確認，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)防因為典型操作票本身的問題而引起的站內(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 實例2

在萬成功220 kV智能變電站，運行人員巡視時發(fā)現(xiàn)站內(nèi)后臺有斷鏈告警，但站內(nèi)后臺機只有告警信號，故障點不明確。檢修人員到達現(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中截取數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該交換機對應(yīng)測控的“5 端口”轉(zhuǎn)發(fā)機制只收不轉(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)有效彌補了因檢修人員經(jīng)驗少、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，明確排查范圍，縮短了現(xiàn)場消缺時間，降低了站內(nèi)設(shè)備運行風(fēng)險。

3.3 實例3

110 kV 江明溝智能變電站151 崗江I 線間隔停電檢修。運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行離線校核（見圖6），驗證操作內(nèi)容的正確性。次日進站，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”進行。在站內(nèi)接入站控層和過程層數(shù)據(jù)后，每一步都嚴格按界面提示的操作步驟進行操作，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)實用性特點進行強化（如圖形化、模塊化、人機交互簡單化），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檢工作及技能培訓(xùn)需求，解決目前智能變電站運行維護過程中存在的問題，這對于提高日常運維、故障檢修的效率和準(zhǔn)確性具有重要的意義。