基于能观性分析的继电保护系统状态评估与智能运维

饶 贇，熊 楠，陈怀蔺，石平灯

（贵州电网有限责任公司贵安供电局，贵安 550025）

继电保护是保障电力系统安全稳定运行的基础。随着智能变电站等新技术的推广，继电保护系统的数据信息传递及处理方式发生了根本变化，传统的继电保护系统运行评估体系面临变革[1-2]。目前，对继电保护系统的评估主要是通过定期检修实现，即到达预设检修周期后，对继电保护系统实施一系列测试，根据测试结果分析当前继电保护系统的运行状态是否满足要求[3]。该评估方式需要对相关一次间隔停电，影响电力系统的运行可靠性。同时，标准固定的测试项目与周期无法兼顾不同类型设备、不同个体特征设备以及设备不同寿命阶段的故障特征。另一方面，目前对继电保护系统评估仍主要依赖人工测试，效率低、自动化水平低，且倒闸操作和人工测试过程中可能存在操作不当风险等问题。

随着状态监测技术的发展和设备信息开放程度的提高，基于在线监测补充或者取代定期检修已经成为继电保护系统状态评估的一个主要发展趋势[4-5]。随着智能变电站等信息共享技术的推广应用，在更大空间尺度和更小时间尺度上获取继电保护系统的运行状态数据成为可能，对这些数据深入挖掘可以及早发现设备与系统隐患，大大提高了继电保护系统状态评估的效率和准确性[6-8]。进一步，在状态评估的基础上，开展继电保护系统的状态检修进而实现智能运维正在成为发展潮流[10-12]。

针对继电保护系统状态评估和智能运维问题，相关学者开展了许多探索工作。文献[13]基于在线采集继电保护装置状态信息，设计了状态检修体系结构，为电网继电保护设备提供最佳维修时机和检测策略。文献[14]结合继电保护设备历史和实时信息，建立了基于组合赋权法的模糊综合状态评估模型。文献[15]基于环境信息、监测信息和巡检信息，提出了继电保护系统状态评价指标体系。文献[16]利用状态检修结果，求解变电站最小经济损失进而确定状态检修策略。上述方法利用的数据基础是继电保护设备的状态监测信息，但缺少如何选取有效继电保护监测信息的科学方法。

如何选取并充分利用状态监测量，成为继电保护系统状态评估与智能运维的重要基础，这本质上是继电保护系统状态的能观性问题。为此，本文构建了继电保护系统的能观性评价模型，揭示了监测水平、状态评估水平与能观性水平之间的关系。为提升继电保护系统的能观性水平，本文形成继电保护系统全景信息智能监测与基于全景数据的状态评估方法，从数据获取与智能评价两个方面提升继电保护系统状态评估与智能运维成效。进一步，基于本文的状态评估与智能运维方法，研发了主子站状态监测系统，并完成了试点应用。

1 继电保护系统能观性分析

能观性是控制理论中一个重要的概念，描述的是在有限时间内通过观察对象系统某一时刻的输出变量Y(t0)辨识出该系统状态变量Xi的能力，它反映了对象系统的输出对其内部结构、状态和本质的观测能力[17]。

借助能观性的概念，继电保护系统的能观性分析指的是：①根据操作指令评价某一时间断面内设备功能能否得到正确完成，即继电保护系统能否正确反映一次系统的状态并完成期望的管控需求；②根据状态监测量或状态评估结果反映出某一时间断面内继电保护设备状态（设备硬件状态和拓扑连接状态）的能力。

1.1 继电保护系统的状态变量

继电保护系统由保护设备与通信网络二次回路组成。对于继电保护系统的运维，需要借助于继电保护系统的信号呈现与功能效果实现对设备及系统的功能评价与状态评价。因此，继电保护系统的运维与评估，需要依托于继电保护系统的状态监测信息以及操作指令分析完成，如图1所示。

图1 继电保护系统运维与评估处理过程Fig.1 Process of operation/maintenance and assessment for relay protection system

在控制理论中，状态变量X={X1,X2,…,Xi,…}是完整描述系统且含变量数最少的一组变量[18]。对于继电保护系统状态评估与智能运维问题而言，这组状态变量应该是状态评估所关心的对象。根据图论，继电保护系统可以抽象成为一个由节点和边构成的有向图，根据节点、边以及节点的属性可以唯一确定该有向图[19]。因此，本文将继电保护系统的“节点”“边”以及“节点属性”的状态视为继电保护系统的状态变量，这里的“节点”指的是继电保护系统中的设备，“边”指的是设备之间的拓扑连接，即继电保护系统通信网络，“节点属性”指的是设备功能。

1.2 继电保护系统的能观性水平

继电保护系统的输出变量与控制变量间的关系无法用一组线性微分方程或差分方程来描述，显然也不满足叠加定律，为适应继电保护系统的非线性，实现系统的能观性评价，因此本文定义继电保护系统状态评估的能观性概念如下。

1.2.1 监测水平Lm

继电保护系统的监测水平指的是输出量的开放程度。由于未开放输出量所对应的状态变量不能观，因此监测水平越高，表示可用于状态评估的动作结果和状态监测量越多，继电保护系统的能观性相对则越大。假设某一继电保护系统共有M(M=MD+MB+MP)个状态监测量，其中有MD个设备状态监测量，MB个拓扑状态监测量和MP个设备功能评估量，则有

式中：Lm∈(0,1)，[0，0.33）对应低监测水平，[0.33，0.66）对应中监测水平，[0.66，1]对应高监测水平；α1、α2和 α3（0＜α1,α2,α3＜1）为信息开放比例，表示已开放信息量同状态监测量总量的比例。

1.2.2 状态评估水平La

继电保护系统的状态评估水平指的是对已开放状态监测量的状态评估程度。状态评估水平越高，表示对状态监测量的进一步处理程度越高。假设对已开放的状态监测量、拓扑状态监测量和设备功能评估量三者的状态评估比例分别为β1、β2和β3(0＜β1,β2,β3＜1)，表示直接用于状态评估的信息量同已开放的信息总量的比例，则有

式中，La∈[0,1]，[0，0.33）对应低状态评估水平，[0.33，0.66）对应中状态评估水平，[0.66，1]对应高状态评估水平。

1.2.3 能观性水平Lo

根据上文对能观性水平的定义，在已开放的状态监测量中用于状态评估的监测量信息可分为两类：一类是通过单条信息本身直接评估继电保护系统状态，另一类是通过多源数据融合方式间接评估系统状态。假设在已开放但未直接用于状态评估的监测量中存在K%的信息可通过多源数据融合方式间接评估系统状态，则继电保护系统的能观性水平推导关系式为

由式（1）～（3）可知，Lm、La和 Lo三者的关系可以用图2表示。

图2 能观性水平、监测水平与状态评估水平的关系Fig.2 Relationship among observability level，monitoring level and condition assessment level

综上所述，继电保护系统的能观性水平既与监测水平相关，也与状态评估水平相关，因此提高继电保护系统的能观性水平，一方面要提高状态监测量的开放程度，一方面要尽可能多地处理状态监测量得到状态评估结果。下文将从这两个方面展开阐述。

2 基于全景信息的继电保护系统监测建模

2.1 继电保护系统全景信息监测模型

继电保护系统的全景信息监测模型集成了其内所有与设备、设备连接以及设备功能相关的属性，为了进一步实现继电保护系统状态评估，本文提出保继电保护系统全景信息监测模型，并用多元组Ω表示为

式中：D是继电保护系统设备集合（节点集合）；T是继电保护系统的通信网络集合。

2.1.1 继电保护系统设备集合D

设继电保护系统内有N台设备，则可用D1,D2,…,DN表示各设备，即D={D1,D2,…,DN}。根据继电保护系统各设备的特点，第i台继电保护系统设备Di还应包括设备状态S、功能参数属性C、设备性能F、设备端口P等内容，即

式中：若设备状态异常，则S=1，否则为0；C为功能参数属性，以保护装置与量测装置为例，部分设备参数及其表示方法如表1所示；F为设备性能，就继电保护系统而言，其功能主要指继电保护装置的“选择性”、“速动性”、“灵敏性”和“可靠性”，分别用“ Fsel”、“ Fsp”、“ Fsen”和“ Fre”表示，定义多元组F表示保护系统的功能，如式（7）所示，就电压-频率控制而言，需要关注控制效果即目标电压频率偏离量“ Fdel_U”、“ Fdel_f”、响应时间“ Fres_T”等，则对于控制系统与设备，其性能模型如式（8）所示；P为设备端口集合，包括该设备所有端口信息，如式（9）所示，其中porti(i=1,2,…,n)表示第i个端口信息。

表1 典型继电保护系统设备参数Tab.1 Equipment parameters of typical relay protection system

2.1.2 通信网络集合T

支路的组成方式有两种，如图3所示。

图3 支路的组成方式Fig.3 Composition of branch

图3（a）所示为物理支路，常规站继电保护系统内设备之间由电缆cable或光纤fiber实现点对点直连，而在智能站继电保护系统内设备间支路主要由光纤fiber和端口port组成。定义物理支路描述多元组P_Branchij表示支路Branchij对应物理元件，则有

式中，“＜＞”内为物理元件的标准化命名。

图3（b）所示为逻辑支路，逻辑支路主要存在于智能站继电保护系统内，逻辑支路主要由VLAN等网络连接组成，定义逻辑支路描述多元组L_Branchij表示支路Branchij对应的逻辑元件，则有

式中，“＜＞”内为VLAN的标准化命名。

此外，支路的通断状态还受压板的控制，定义压板描述多元组S_Branchij表示支路Branchij对应压板，包括出口硬压板、检修硬压板、接受软压板、功能软压板等，即

式中，“＜＞”内为压板的标准化命名。

继电保护系统内的物理支路或逻辑支路承载着各类信息流。根据IEC 61850规范，一次系统的采样值信息通过SV报文在过程层网络中传输，保护、控制命令及开关状态等信息通过GOOSE报文在过程层网络中传输，而在站控层中主要传输制造报文规范MMS报文等。本文用信息描述多元组I_Branchij表示与支路Branchij方向及连接源宿相同的信息集，即

式中，“＜＞”内表示信息的规范命名。

上述要素主要用于描述继电保护系统拓扑的静态属性，这些属性在保护系统设计阶段就能确定。为了描述拓扑的动态属性，定义SBranchij表示支路Branchij的实际状态，则有

式中：Scable、Sfibre、Sport、SVLAN和Sstrap分别为上述所提的电缆、光纤、端口、VLAN和压板等实际状态；SN表示网络状态；SI表示信息状态。综上，保护系统通信网络集合可以表示为

2.2 最小输出变量集

根据继电保护系统能观性解释及全景信息监测模型分析，可以抽象出满足继电保护系统能观性的最小输出变量集Y*，以实现对继电保护系统状态的全方位把控，保护系统最小输出变量集如表2所示。

表2 继电保护系统最小输出变量集Tab.2 Minimum output variable set for relay protection system

通过分析最小输出变量集可以知道，可直接获得的输出变量均为继电保护系统的静态属性，可以通过解析配置文件得到，如智能站内的SCD文件，将这部分输出变量集记为YD；并非所有输出变量都可以直接获得，将这部分输出变量集记为YU，比如继电保护系统设备的功能必须通过一定的分析评估获得。为了得到YU，还需要获取一定的状态监测量YM。若某继电保护系统能获得的输出变量为Y，Y与YD、YU和YM的关系如图4所示。

图4 静态属性获取与状态评估Fig.4 Static property acquisition and condition assessment

因此，当式（16）成立时，认为该保护系统监测水平达到完全能观水平，否则该继电保护系统不完全能观，能观性水平可以由式（1）～（3）衡量。

3 基于全景监测信息的继电保护系统状态评估

根据继电保护系统能观性描述以及实际工程运维需求，可以抽象出满足继电保护系统能观性的全景监测信息集，如表3所示。

表3 全景监测信息集Tab.3 Panorama monitoring information set

由此形成的继电保护系统运行状态评估方法如图5所示。其中设备健康状态监测、拓扑状态监测和功能状态监测具体阐述如下。

图5 运行状态评估方法Fig.5 Assessment method for operation condition

3.1 设备健康状态监测

对于状态监测量中的一致性属性信息，如定值与压板等，均可以利用一致性检测元件实现评估，一致性检测元件的工作原理是：达到预设的状态监测时间触发值后，根据实时采集的一致性属性设备状态监测量，一一比对预先存储的参数，若发现不一致则启动异常告警。这个预先存储的参数可以是运行方式规划阶段制定好的参数，也可以是上一次状态监测结束后的无异常参数。一致性状态监测如图6所示。

图6 一致性状态监测Fig.6 Consistency monitoring

3.2 拓扑状态监测

继电保护系统的功能实现有赖于信息的正确传输，设备之间的信息传输异常往往会影响业务实施的准确性和可靠性，甚至对电力系统产生严重的影响。因此，对继电保护系统设备间拓扑的异常甄别和故障定位是继电保护系统运维工作中一项非常重要的内容。

拓扑故障主要指的是通信故障，造成的后果主要为延时、误码和中断，上述三类故障均可能会导致数据包丢包。根据SV、GOOSE和MMS报文的计数机制，若某报文发生了丢包，则会发送相应的丢包告警。但由于一条报文需要经过多条信道才能到达信宿，根据该报文丢包告警并不能单独判断哪一条信道发生了故障。目前，监控后台只能通过间隔层装置上送的告警信号监视SV、GOOSE和MMS链路的状态，无法直接监视过程层网络内各通信节点的状态。

考虑到多点故障发生的概率较低，假设在同一个时间网络中只存在一个单点故障。在实际工程应用中，一条信道往往承载着多条报文信息，因此如果某信道发生故障后，通常情况下不只一条链路的报文会受到影响。通过分析报文断链的告警信息，如果b条报文链路受到影响，而报文链路的总数为a，则故障定位分析矩阵G可通过公式获得。

式中：DN×N为N台设备之间连接关系；J为告警信息支路矩阵，jij为I_Branchij中含有告警信息的个数；K为正常信息支路矩阵，kij表示I_Branchij中含有信息总数与含有告警信息个数之差，即正常传输信息个数。故障定位分析矩阵G中的最大元素gij表示最有可能发生故障的支路，如果最大元素不止一个，则最有可能发生故障的支路为最大元素对应共同告警信息的初始支路。

此外，根据保护系统全景信息监测模型中S_Branchij是否更新来判断支路发生故障的进一步原因：①若S_Branchij未发生变化，则引起支路Branchij故障的原因可以缩小为P_Branchij对应光纤及光纤两端的端口；②若S_Branchij发生了变化，则可能为软压板状态变位导致信息传输发生中断。

3.3 功能状态监测

继电保护系统处理实际业务时，不同业务关注的功能效果不同，为统一表示，功能异常从执行逻辑以及执行效果两个层面衡量。

（1）执行逻辑层面的作用是，为完成继电保护系统某一项功能，需要特定设备参与功能决策，因此，参与执行业务功能的期望设备应与实际发生动作的设备相匹配。

（2）执行效果层面的作用是，继电保护系统执行某相业务都有其完成的目标阈，从执行效果判断，可以分析设备是否动作准确与合理。

4 工程实施

4.1 继电保护状态监测与评估系统

为了减少运维主站端和调度端的数据传输和分析压力，本文设计了一种基于厂站端就地分析设备健康状态和基于主站端分析设备功能的主子站状态监测与评估系统MSCMS（master-substation condition monitoring system）。整个系统由分布在厂站端的状态监测子系统CMS（condition monitoring subsystem）和主站端的状态监测主站CMM（condition monitoring master server）构成。该系统架构与继电保护系统实际部署环境并不冲突，如继电保护系统采用主子站架构部署，则状态监测主站可以搭载在运维主站，状态监测子站可以搭载在运维子站中；若保护系统采用大数据平台模式架构，则状态监测主站可以搭载与大数据平台层。

在厂站端中，每个变电站部署1套状态监测子系统，系统由信息采集单元ICU（information collection unit）和信息分析单元IAU（information analysis unit）单元组成。系统跨接在站控层和过程层，信息采集单元可以实时采集到各间隔层设备、一次设备、过程层网络、站控层网络的全景状态监测信息。状态监测分析单元是保护系统的就地化状态监测和分析中心，可以通过输入SCD文件得到继电保护系统运行方式模型，并根据信息采集单元提供的实时状态监测信息进行设备健康绩效分析。因此，厂站端状态监测系统通过抓取本地信息可以独立判断保护系统状态。

在主站端CMM中，状态监测平台汇聚着从各厂站端状态监测系统经由状态监测服务器MS（monitoring server）上送的状态评价信息以及保护动作信息，利用跨间隔数据综合判断继电保护系统的功能状态，并将其返回至相应的状态监测子站，全景信息监测系统架构如图7所示。

图7 全景信息监测系统架构设计Fig.7 Architecture design of panoramic information monitoring system

变电站间部署着由高可靠性光纤通信网络组成的调度数据网，主子站状态监测系统可以利用这个调度数据网进行信息交互。代理系统之间的通信机制可以参照发布/订阅者模式，信息交互的方式包括查询、通知和更新3类。主子站状态监测系统的信息流如图8所示。

图8 继电保护系统状态评估信息流Fig.8 Information flow in condition assessment on relay protection system

4.2 测试结果

4.2.1 测试场景

为了测试主子站状态监测与评估系统的有效性，根据图7和图8所示的系统设计，开发了样机装置及相关软件，并在基于IEC 61850的110 kV智能变电站进行测试。测试场景如图9所示。

图9 测试场景Fig.9 Test scenario

4.2.2 运维效果

上述MSCMS在实际工程中完成试点运行，在安装运行继电保护系统运行状态评估装置前，设备状态监测量与压板状态不开放，运维方式主要是定期检查。安装运行继电保护系统运行状态评估装置后，为了更全面获取保护系统的监测信息，增设了设备分布式测温传感器、绝缘在线检测器等设备，并开放了压板状态的上送。现将安装前和安装后的运维效果进行对比，总结如表4、表5所示。

表4 监测时间间隔运维效果对比Tab.4 Comparison of operation and maintenance results about monitoring time intervals

表5 监测内容的运维效果对比Tab.5 Comparison of operation and maintenance results about monitoring contents

由表4可以看出，安装MSCMS后监测时间间隔有了极大的缩短：与采取日常巡视相比，安装MSCMS后监测时间缩短为原值的1/6；与采取季度检查相比，安装后监测时间间隔缩短为原值的1/540；与定期检查相比，安装后监测时间间隔缩短为原值的1/6 570。由表5可以看出，监测内容安装前需要依靠人工日常巡视、季度巡视和定期检查的项目分别有14、10和11项。安装MSCMS后，需要依靠人工的日常巡视项目减少至5项（液晶屏检查、装置有无异常声响及异常气味、检查户外端子箱防水防潮、检查户外端子箱封堵、检查户外端子排接线等）；需要依靠人工定期检查内容缩减为1项，即外观及绝缘检查。

5 结语

为有效分析、获取继电保护系统需要监测的内容，以及高效地提升运维系统监测与评估系统状态的能力，本文从能观性角度，分析了监测水平与状态评估水平与能观性水平之间的关系，达到对继电保护系统状态评估与智能运维需求。进一步地，从能观性提升的目标出发，讨论继电保护系统全景信息监测方法与基于全景数据的状态评估方法，有效提升了继电保护系统的能观性水平。依照本文基于能观性分析的状态评估与智能运维方法，形成了主子站状态检测系统，并完成了试点应用，肯定了基于能观性分析的状态评估与智能运维方法在提升运维效率与处理复杂告警中的优势作用。