智能变电站系统级测试及性能评估技术研究

杨东海　黄殿勋　段运鑫　王强　马彬

摘要：本文结合现阶段智能变电站技术规范要求及建设经验，通过对智能变电站系统级测试技术、基于贝叶斯网络的测试结果评价、智能变电站整体性能评估体系的建立等方面的研究，系统分析了智能变电站系统级测试及性能评估方面的相关技术和方法，提出一种改进的智能变电站系统级测试及性能评估的技术。本技术可以有效提升智能变电站的综合测试水平及运维管理水平，使智能变电站日常运行更加安全可靠。

关键词：智能变电站辅控系统 软件设计 跨平台 消息交互机制 数据模型

中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）08-0096-03

本世纪以来，科技水平突飞猛进的提升以及社会供需方面的高速增长不断推动人类向智能化方向前进。为了应对日益严重的环境污染和资源枯竭的压力，实现全地域的资源优化配置和人类的可持续发展，以及提高国家能源安全的战略需求下，国内各资源部门均不遗余力地在各自领域进行探索。电力网络作为关系到国民生产经济命脉的基础产业和公用事业的纽带，在国家发展规划和各地方发展规划中有着举足轻重的地位。国家电网公司近年来全力推进智能电网和智能变电站的建设，被视作行业智能化改造的先锋。智能变电站是智能电网的基础节点和重要组成部分[1]，是建设坚强型智能电网中的一个重要的环节。智能变电站是指采用集成、先进、低碳、环保、可靠的智能设备，以通信平台的网络化、全站信息的数字化、信息共享的标准化为基本要求，能够自动完成信息采集、控制、测量、计量、保护和监测等功能，并可根据调度的需要，可实现电网运行状态实时自动控制、在线分析决策、智能调节、多设备协同互动等高级功能的变电站[2]。其主要特征在于设备检修的状态化、信息采集的数字化、信息共享的网络化、信息应用的智能化。我国的智能变电站自动化系统通常由一体化监控系统和电力设备状态监测、辅助设备、GPS同步、计量设备等共同构成。一体化监控系统汇集变电站内各自动化设备，上下连接调度、生产等主站系统，是智能变电站自动化系统的核心部分。一体化监控系统采集智能变电站内电网运行状态和二次设备运行状态，通过标准化的接口和传输协议与电力设备状态监测、辅助应用、计量装置等进行信息的交互，从而实现智能变电站全景数据的采集、监视、处理、控制、运行管理等，其逻辑关系如图1所示。

随着智能变电站在我国大范围的快速建设，传统的系统测试手段和设备的性能评估方法已经凸显出其局限性，而数字化技术的应用使得单个设备与其他设备的关联日益紧密，因此，迫切需要对智能变电站的系统级测试技术及整体功能评估体系进行深入研究，从而降低运行装置的故障率，以保证智能变电站可靠运行。

本文将在分析智能变电站运行设备特点的基础上，结合国内有关智能变电站的技术规范要求，通过对智能变电站系统级测试技术的分析、基于贝叶斯网络的测试结果评价、智能变电站整体性能评估体系的建立等方面的研究，提出一种改进的智能变电站系统级测试及性能评估的技术。

1 系统级测试技术

智能变电站在信息采集、数据的传输处理等各环节均与传统的变电站有着本质的区别。IDE设备如电子式互感器、合并单元、智能终端、网络交换机等的性能及其与继电保护装置等IDE设备的配合性等因素，成为关乎智能变电站安全可靠运行的关键所在。基于常规单装置的传统试验方法已经不能满足对IED设备进行整体性能测试的要求。目前迫切需要一种试验方法和技术，能够研究并测试IED设备的互联综合性能。

目前对智能变电站的测试主要包括设备的单体测试、子系统测试（如保护子系统、GPS子系统等）、系统级测试（如站域级的系统测试）等。其中系统级的测试通常是在工厂联调阶段有该实验条件的系统集成商在其厂房内的测试，也可以通过第三方检测机构借助仿真试验平台进行的测试以及智能变电站施工阶段的现场系统联调。

1.1 工厂化集成联调测试

系统集成商按电站规模要求，在车间内完成软件的二次开发和系统的搭建，模拟测试环境，通过测试设备获取测试结果，并完成相关的技术资料编写，这种测试方法通常只是要求系统在出厂前完成最基本的试验，测试深度与合同及相关技术规范的要求相比有一定差距。设备出厂验收时主要是检查各设备安装屏柜的外观和铭牌、端子排、屏柜结构、内部二次接线等是否符合有关要求。检查有关设备的使用说明书、出厂检验报告和产品合格证书是否齐全，还需要根据智能变电站的建模要求，进行ICD文件的规范性和一致性检测。以上工作全部结束后，整理资料，形成该智能变电站的资料库。存档资料应包括全站模型文件、智能化设备的名称及地址（包括IP地址、MAC地址以及APPID编码）分配表、全站过程层VLAN划分图表、交换机端口定义表、虚端子设计图纸、IED装置的配置文件、程序版本号等文档，以供智能变电站现场调试、技改或扩建时使用。

1.2 基于动模仿真平台的测试

实验室中搭建站域动模试验系统，收集各厂家的过程层、间隔层、站控层的IED设备模型，制作全站模型文件，在模拟系统中运行全站设备，通过设置多个故障点进行测试，根据测试结果分析各种装置的联动试运行性能。这类测试需要配置传统、光学、电子等多类型互感器及合并单元与智能终端，组建与该智能变电站规模相适应的过程层网络和站控层网络。通过配置GPS/BDS同步时钟对时源对各IED装置精确对时，进行IED装置数字化采样的准确性和同步性测试。智能变电站动模测试系统如图2所示。

1.3 站域级系统测试

各IED装置出厂联调完成后运抵变电站施工现场进行现场调试。装置现场调试开始前，应会同三方（业主或监理、设计单位、设备厂家）进行设备开箱检查验收，根据设备装箱单清点设备各零部件，设备外观不应有明显的损伤，随机资料应齐全完备，所附带资料份数应满足现场施工条件的要求。根据现场施工图和设备布置图，清点已上屏智能装置，核对各IED装置版本型号，收集变电站厂内调试资料，制作各IED装置的配置文件，完成间隔层、过程层、站控层系统配置。最后进行全站SV测试、GOOSE测试、GPS/BDS同步测试、测控装置及远动系统调试、整组传动及模拟带负荷试验。

2 测试评价

系统级测试的评价分为功能性评价和失效性评价两大部分。

2.1 功能性评价

在智能变电站系统级测试评价中，我们特别关心的是智能变电站设备尤其是保护的动作行为是否满足预期，因此保护的速动性、可靠性、灵敏性等，是评价保护设备及相关联设备的首要指标，如电子式互感器、交换机等。这种评价重点是考核保护及其相关设备的功能性设计是否满足要求。对保护功能性评价应基于电力系统网络构架而进行，业内研究者在这方面提出了很多颇有见效的方法如下：（1）基于产生式规则的专家系统，该系统具有直观性、有效性和实时性等特点，但系统日常维护繁琐且建立专家系统库需要大量确切的数据。（2）利用人工神经网路模拟的网络架构方法具有容错能力强、鲁棒性能好和学习能力强的特点，但同符号型和数据型数据库进行交互时容错性较差，自身行为的解释和结论的输出能力较弱。（3）优化算法，通过将类似故障诊断的问题转化为无实际约束的0-1整数规划问题，再进行最优化选择处理，这种方法在数据处理过程中有可能会失去某些问题的最优解。（4）故障树型图，通常用来反应系统故障发生和传播的流程，是一种逻辑表示方法，它具有形象地体现以系统的方法对节点进行研究和解决网络安全问题的特点。该方法具有系统性、准确性和预测性的特点，是安全系统工程的主要分析方法之一。（5）Petri网分析法，该方法是以网络理论为基础描述系统中偶然事件之间的逻辑关系，通过建立数值矩阵，运算和推导系统中同时发生或依次发生的各种动态活动[3]。

以上方法中基于故障树型图的分析方法在实际应用过程中，常因为NP难等问题受到约束和局限，且在原始数据扫描过程中搜索效率低。针对故障树型图所存在的弱点，通过将故障树型图转换为Petri网模型，可以利用Petri网的多样化性能指标对系统故障进行诊断，从而有效避免了故障树型图分析方法的局限性，基本解决了故障树型图事件查询的低速和低效问题。

2.2 失效性评价

继电保护的失效性是由于硬件损坏或老化，系统回路异常和软件的不完善引起的，这也是系统级测试应当关注的一方面，通过这种可靠性评价，可找到系统可靠性的薄弱环节，并对可能提高系统可靠性的各种措施进行系统评价。现有资料表明，电力系统可靠性评价常采用解析法和蒙特卡罗模拟法，通过计算和统计系统的可靠性指标来完成系统可靠性的量化评价，这类方法难以有效地识别制约电力系统高可靠性的瓶颈问题，因此迫切需要一种新型的系统分析方法以便指导规划部门和运维部门采取有效措施提高电力系统的可靠性。

贝叶斯网络是20世纪80年代后期发展起来的的一种新型人工智能计算方法。基于概率理论基础的贝叶斯网络分析方法能完成各种因果推理、辩解推理和诊断推理，其原理是在给定某一变量或多个不确定变量的具体取值状态后，通过概率更新计算求得未知变量的条件概率，从而能从多角度对系统进行各种假设分析，从而分析识别电力系统可靠性的薄弱环节。

3 整体性能评估

选择合适的评估指标以及采用合适的评价方法是评估工作的重要环节。在选定研究对象构建性能评估指标体系前，需要研究和评价待管理对象的各种指标以便进行选取影响最大的指标因子。最终确定待评估指标后，通过对指标的分析研究和合理组合，才能建立起待管理对象的指标评估体系。

3.1 体系构建原则

体系构建过程中应充分考虑到智能变电站所承担的实际运行状况和用电负荷。智能变电站整体性能的评估指标体系构建基本原则如下：（1）动态性：因为被评测的对象时刻在变化，因此体系构建过程中应充分考虑所选指标动态变化的特点。（2）导向性：目的不同，选取的研究对象也就不同，应该选择都是为评估目标而服务的评估对象。从系统的各个方面对待评对象设立指标，以此来实现评估目标的导向性。（3）科学性：选取的评估指标应能够全面反映研究对象，即智能变电站系统的特点，选取过程中应对各个子系统和指标间的相互关系进行整体规划，尽可能客观真实地反映系统的构成。（4）层次性：多层次化指标体系，自下而上逐层聚合，逐层进行指标的具体化、实例化。也可以按照系统规模将评估指标体系分为多个子系统。（5）定量与定性指标相结合的原则：实际中某些指标难以量化，无法进行精确测量，但是如果不考虑这些非定量指标对系统的影响，就无法得到全面准确的评估结果。

3.2 构建方法

智能变电站评估指标的选取和指标体系的建立是一项复杂和高技术含量的工作，不仅要求从业人员对智能变电站所涉及的IED设备、智能变电站理论知识、站域网络结构、标准应用范围、系统规模评估等要熟练掌握。同时也要求从业人员具备丰富的现场调试经验和发现问题解决问题的能力。另外，必须要收集待研究智能变电站尽可能多的相关资料和掌握智能变电站工程改造项目。评估指标体系的构建大体上可以分为评估指标的初选过程和评估指标的完善过程两个过程，如下所示。（1）评估指标体系的初选过程，此阶段主要从电站整体结构上进行分析。依据资料通常是根据国家电网颁发的《智能变电站技术导则》、《变电站智能化改造技术导则》等。根据导则选出新的IED设备进行汇总，再根据所选设备的性能进行分类，从而建立起设备性能指标集合。设备各方面的指标釆用层次分析法，将设备性能指标按类型分类向下展开为若干二级指标，再把各二级指标分别向下展开成三级指标，依此类推，直到得出定量或定性的指标为止。（2）指标评估体系的完善初选后确立的评估指标集合并不完善，对一些不常见因素往往容易忽略，这就对评估结果造成一定的影响，因此需要对评估指标进行随机选择，然后对评估指标体系进行优化处理，同时需要对初选的评估指标进行系统验证。对影响系统的各种因素进行分析排除，并确保所选指标的选定范围、内容及所用选取方法的正确性，然后再验证所选取指标的重要性、完备性和必要性。以上就是评估指标集合的完善过程，这个完善过程对智能变电站的评估尤其重要。

3.3 评估指标类型

智能变电站整体性能评估指标主要包括经济性指标、技术性指标、实用化指标、社会性指标等。（1）经济性指标智能变电站项目的经济性较好，建设过程中能有效控制工程造价，主要体现在维护成本下降、效率提升、节约有色金属等。项目通常采用GIS全封闭组合电气，具有一次设备占地面积小、保护室面积小、整体工程量减少、节约工程施工费用等优点。智能变电站设备集成化程度较高，能够减少全站的年综合维护费。（2）技术性指标，技术性指标中主要包含全面性指标、互动性指标、先进性指标等。（3）全面性指标：主要反映智能变电站在设计过程中，辅助性设备是否纳入智能一体化设计。 全面性指标主要体现变电站的数字化、智能化程度。（4）互动性指标：智能变电站应满足“变电站集约化管理、顺序控制、站控层设备间逻辑闭锁等要求，并可与相邻智能变电站之间协同互动，分享信息，共同支撑各级电网的安全稳定经济运行”。互动性指标又主要包括功能互动化、信息标准化、配置标准化等三级指标。（5）先进性指标：主要包含IED设备、过程层同步对时、易布置性、易操作性、易维护性等评价指标。（6）实用化指标该指标主要用于分析和评价智能变电站项目的验收结果和智能变电站是否在实际生产中发挥了应有的作用。（7）社会性指标智能变电站评价中的社会性指标主要指绿色施工等方面。主要包含节水、节地、节材、节能和节约建筑工程量等指标。智能变电站由于二次布线大量采用光纤通道，全站IED采用统一化规约，通信技术较传统变电站有质的飞跃。一次设备的GIS化减少了土地需求，并相应节约了建设期工程量。

4 结语

本文结合现阶段智能变电站技术规范要求及建设经验，从站域角度来探索智能变电站设备的系统级测试手段以及相应的测试方法，在此技术上建立起对智能变电站整体性能和功能的评估体系。研究结果表明，对智能变电站进行测试时，仅做单体装置的测试是远远不够的。智能变电站具有高度的集成性和互操作性，不应将其割裂成单个装置进行测试，测试中如果不考虑变电站系统级测试，就无法检测装置之间以及整个变电站系统的功能和性能。因此，对智能变电站系统级测试技术进行分析研究和建立设备性能的分析评估方法，对验证全站自动化系统及相关设备的功能、性能，保证变电站可靠的运行以及降低装置的故障率具有重要的意义。本技术的推广应用，可有效提升智能变电站的技术水平及运维管理水平。

参考文献

[1]赵虹霞，王震，巩娜，等.智能变电站的发展现状探讨[J].大众用电，2014（07）：13-14.

[2]孙鹏，卢军，等.智能变电站关键技术和设备的应用研究[J].湖北电力，2011（S1）：90-94.

[3]张燕，佘维，李平，等.基于Petri网和故障树的电力系统故障诊断模型[J].计算机测量与控制，2015（08）：26.