智能变电站继电保护动作诊断系统

孙仲民 吕 航 熊 蕙 张晓宇 顾乔根

智能变电站继电保护动作诊断系统

孙仲民 吕 航 熊 蕙 张晓宇 顾乔根

（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

为提高电力系统二次设备的运行安全性和运维效率，设计一种智能变电站继电保护动作诊断系统。该系统可集成于智能运维平台，通过分析保护动作时产生的各类报文信息和录波数据，对保护动作行为进行诊断。首先建立基于统一语义的数据引用模型，实现诊断信息的自动匹配和采集；其次通过分析报文，在二次虚回路诊断图中快速定位异常虚回路，并给出异常原因；最后给出综合的保护动作诊断结果。诊断结果可整合为巡检报告，以减少定检、巡检的工作量。该系统不仅可用于指导保护动作分析，还有利于提高继电保护运维水平。

继电保护；智能变电站；动作诊断；智能运维

0 引言

电力系统二次保护装置的正常工作对电力系统安全稳定运行至关重要[1-2]。电网规模日益扩大，区域内变电站数量增加，以及智能二次设备的广泛应用，对运维人员能力要求不断提高，大大增加了运维检修人员工作压力。随着计算机及通信领域的技术进步，二次设备智能化运维逐渐成为继电保护领域的研究和发展方向[3-4]。

智能化运维手段被用于辅助运维工作，其中移动互联网技术[5-6]、远程运维[7]、状态监测[8]及人工智能技术[9]等手段的提出，改进了早期的人工巡检运维模式，丰富了运维方法，简化了人工操作。智能化运维手段作为目前保证运维质量及提高运维效率的有效辅助手段，仍在不断发展。

当电网发生异常或故障时，二次保护设备启动或动作的同时，会产生大量的保护报文和录波文件等信息。因此，大数据技术[10]、辅助决策[11]等方法被用于保护信息自动分析及处理，但目前关于保护跳闸后动作行为智能诊断的研究较少。

此外，二次回路的检查也是继电保护运维的一项重点工作，关系到保护能否正常跳闸出口[12]。相比于常规站，智能站保护二次回路采用光纤网络替代电缆，构成二次虚回路，且具有出现异常时难以识别的特征，是保护动作诊断的重要内容。文献[13]利用改进D-S证据理论对可疑故障元件集合中的元件进行评估，实现对智能站故障二次回路中故障元件的定位。文献[14]提出智能变电站二次回路智能预警及故障诊断方案，将二次设备虚回路信息流映射到相应的物理拓扑中。文献[15]提出一种改进贝叶斯算法，利用可疑故障成分的贝叶斯异常程度，进行二次回路故障诊断。上述研究表明，通过模型优化的方式，并利用智能分析手段有助于提高二次虚回路诊断分析能力，但这类方法不能判断二次虚回路设计异常，且缺少对二次虚回路相关信息的进一步分析能力。

为实现保护动作诊断相应的智能化功能，需要构建报文与诊断模型的映射关系，便于在智能分析时直接从数据库中获取报文信息的实时状态。目前最普遍的做法是通过报文描述名建立映射，但由于报文描述名难以统一，易出现匹配不成功的情况，需要人工选择识别。匹配过程效率低且缺乏可靠性，因此需要建立更高效准确的报文匹配机制。

基于上述内容，本文利用统一语义模型，设计一种智能变电站继电保护动作诊断系统。对保护动作诊断涉及的二次信息进行重新建模，提高自动化配置效率。同时，通过构建保护动作诊断体系，利用保护启动或动作产生的大量报文和波形数据信息，对二次虚回路、保护动作行为进行分析，给出保护动作诊断的分析结果。此分析结果可与变电站运行、维护工作相结合，降低电力系统运行安全隐患，提高二次设备的运维效率，减少后续定检、巡检工作量。

1 测点信息模型与配置

1.1 统一语义模型

变电站的统一设备模型涵盖广泛，包含变电站内所有设备的信息模型，可促进构建新型的数据关联机制。基于统一语义的二次设备模型可作为变电站统一设备模型的一部分，进一步提高数据关联关系[16]。

基于统一语义原则的变电站二次设备模型可通过语义化的模型区别各个信号，其构建原则如下：

1）对于跨间隔设备需要规范一、二次设备模型关联方法，建立一次设备和逻辑节点的对应关系，集成配置指定间隔后无须再次针对保护动作诊断 配置。

2）诊断过程涉及的站控层及过程层报文建立惟一的数据对象和数据属性，即DO.DA。

模型构建基本原则的目的是通过针对性地建模实现同一间隔内二次设备信息的惟一性和准确性。

图1所示为双母双分段典型接线，其中M1、M2为Ⅰ、Ⅱ母间隔，SEG1和SEG2为分段间隔，TIE为母联间隔，PTR1为变压器分支间隔，LIN1为线路分支间隔。此外，CBR为断路器，CTR为电流互感器，DIS_m1为刀开关1，DIS_m2为刀开关2。

图1 双母双分段典型接线

针对统一语义模型构建原则1），以母线保护装置这种跨间隔的保护设备为例，其模型应包含与本保护装置相关的一次设备间隔对象，以及每个一次设备间隔对象关联的保护功能逻辑节点。母线保护的部分逻辑节点在图1中的线路分支间隔LIN1中一二次设备映射模型见表1。若线路分支间隔为母线的第11支路，表1所示逻辑节点均为“B11*”。

表1 一二次设备映射模型

针对统一语义模型构建原则2），以图1中线路间隔LIN1的线路保护为例，其统一语义模型的部分信号见表2。

由表2可知，在原有的逻辑设备、逻辑节点、DO和DA的基础上，优化原来模糊部分，尤其是一些仅通过实例化数字区分的信号。对规范中规定的通用报文进行统一语义建模，使这些特定信号的引用名具有惟一性。

表2 线路保护模型

1.2 模型配置

保护动作诊断的模型配置工作，即建立变电站二次设备中遥信遥测与计算模型测点的映射关系，是保护动作诊断的前提。

采用统一语义模型后，可使配置工作大幅简化，对于线路分支间隔，只需关联该线路间隔与母线保护装置中的逻辑节点所属支路间隔，即可实现跨间隔保护设备的相关测点信息与该间隔保护诊断计算模型的关联，同时线路间隔等非跨间隔保护设备的测点信息根据模型构建原则2）可自动生成关联。图1中线路分支间隔LIN1在配置时，将该间隔中的母线保护选为“支路11”，即可完成模型匹配，动作诊断配置界面如图2所示。

图2 动作诊断配置界面

保护分析计算模型配置工具是生成计算模型的图形化界面工具，可实现保护设备测点自动配置和手动修改。

2 保护动作诊断

2.1 二次虚回路诊断

保护装置在动作前会发出“保护启动”报文，而在动作返回后，“保护启动”才随之返回。因此，保护动作诊断功能采用“保护启动”的变位和返回作为开始和结束的标志。目前220kV等级及以上的间隔通常是双套保护配置，而发生扰动时双套保护启动和返回时间通常不一致，因此需要选择统一的启动合成信号作为诊断的触发时刻和结束时刻。

二次虚回路诊断是保护动作诊断的主要功能，目的是通过保护动作事件校验二次回路及动作行为是否正常，减少后续运维工作量。智能变电站的二次回路采用光纤网络取代常规站中的电缆二次回路，物理上简化了回路结构，但也增加了异常问题排查的难度。考虑到保护动作出口到开关成功开合，会经过一系列虚回路，可通过相应的报文来判断虚回路是否正常。对某一条虚回路而言，发送端装置发出动作报文，接收端装置接收到报文即可视为该回路正常。发送端的信号可通过采集单元接收，但是无法直接判别接收端是否接收成功，可通过接收到报文后装置的响应报文判断接收与否。

以线路保护单相跳闸为例，线路保护发出单相跳闸命令，智能诊断系统接收到跳单相的命令后会立即发出一个收到单相跳闸命令的报文，此报文可以通过采集单元获取，通过一发一收即可实现相应的判断逻辑。按上述逻辑即可得到线路保护的全部虚回路，从而构建线路保护动作诊断完整的二次虚回路图。此外，由于部分虚回路接收端的信号由采集单元获取，无法直观地反映出该信号在整个诊断中起到的作用，如反校信号和回采信号等，且这些信号并未与二次回路建立关联关系，无法对整个二次回路的异常进行准确判别和定位。因此，将接收端发出的报文由采集单元调整到指定虚回路的末端，最终构建的线路间隔保护单相动作出口诊断回路如图3所示。

根据图3中的回路，设计通用的回路诊断模块，输入的信息即回路两端信号。最终，保护动作诊断系统根据计算模型的配置结果实例化诊断模块，每个诊断模块完成单个回路的分析和结果输出，图4所示为典型线路间隔诊断模块实例化过程。

二次虚回路的诊断结果可按严重程度告警。若结果不“正常”，需在回路诊断图中定位相应的非正常回路。保护动作诊断的具体信息还包含具体诊断条目和相应的诊断结果。此外，还可通过“事件”页面显示此诊断周期内事件报文的时序信息，直观了解动作报文按时间发展的过程，有利于事后复盘分析。事件报文时序展示如图5所示。

图3 线路间隔保护单相动作出口诊断回路

图4 典型线路间隔诊断模块实例化过程

图5 事件报文时序展示

2.2 全站诊断计算过程

全站的保护动作诊断是按电压等级和间隔来划分的，其计算执行过程如下：

1）开始间隔的动作诊断分析。

2）开始间隔中保护的动作诊断分析。

3）判断是否存在动作报文或者启动报文，若存在，进入下一步。

4）获取动作过程涉及的相关数据，包括过程层、站控层报文及录波文件等。

5）等待计时，计时为浮动门槛，设最大上限值。

6）判断计时是否结束，若是，进入下一步，否则返回步骤4）。

7）间隔中保护的动作行为分析，分析区间为启动开始时刻至启动结束时刻。

8）输出动作诊断结果文件。

9）判断保护是否为最大，即该间隔内保护是否全部分析完毕，若是，进入下一步，否则++后返回步骤2）。

10）判断间隔是否为最大，即全站所有间隔是否全部分析完毕，若是，进入下一步，否则++后返回步骤1）。

11）复位，等待下一个诊断循环。

整个保护动作诊断流程如图6所示。

图6 保护动作诊断流程

3 装置验证

搭建如图1所示的220kV电压等级变电站二次设备模拟验证平台，包含双母双分段接线的母线及一条变压器支路和一条线路支路。支路上的开关通过模拟断路器代替，变压器支路和线路支路的断路器分别配A、B套智能终端。保护和智能终端通过虚端子连接构成过程层双套双网。通过继电保护试验仪给保护装置加量模拟故障情况，保护出口跳开模拟断路器，模拟实际变电站保护动作情况。通过修改系统配置描述（system configuration description, SCD）文件、删改虚回路的拉线、拔掉光纤等操作，模拟各种虚回路异常的工况，并用于验证保护诊断功能。线路间隔的部分典型异常事件模拟及诊断结论见表3。

表3 线路间隔二次回路异常事件及诊断结论

仿真结果显示，诊断结果准确可靠，对二次回路的运维工作有较好的指导作用。

保护动作诊断结果界面示例如图7所示。图7（a）是母线保护GOOSE开入光纤断线时系统的诊断结果，这也是站内光纤遭受挤压容易出现的情况。保护动作诊断结论为“严重”，具体为失灵回路报严重故障，结果描述为“支路A相启动失灵开入获取失败”；由诊断回路显示图7（b）可知，此失灵虚回路异常；报文时序也清晰展示了事件发生过程，如图7（c）所示。

图7 保护动作诊断结果界面示例

4 结论

变电站站内保护动作后会产生大量的报文数据，可利用这些数据进行保护动作智能诊断分析，提高运维效率，减小定检、巡检的工作量。

本文通过统一语义模型，建立统一的计算模型匹配逻辑，实现自动配置，大大减少了现场的配置工作量。保护动作后可依据采集的过程层、站控层报文等各类数据，对整个动作行为和二次虚回路进行自动分析校验，并形成诊断结论，提高了现场问题分析能力，减少了后续定检、巡检的工作量。

该系统涉及保护智能运维领域，可集成于智能运维平台，较好地应用于标准设计的变电站，但是对特殊结构及老旧站的适应性还需要进一步研究和完善。

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A relay protection action diagnosis system for intelligent substation

SUN Zhongmin LÜ Hang XIONG Hui ZHANG Xiaoyu GU Qiaogen

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

In order to improve the operation safety and operational efficiency of the secondary equipment of the power system, a relay protection action diagnosis system for intelligent substation is designed. The system can be integrated into the smart operation and maintenance platform. The protective action performance can be diagnosed by analyzing the various information and recording data which is generated by the protection device. Firstly, a data reference model based on unified semantics is established to realize the automatic matching and collection of diagnostic information. Secondly, the abnormal virtual loop is quickly located in the diagnosis diagram of the second virtual loop by analyzing the message, and the abnormal reason is given simultaneously. Finally, the comprehensive protective action diagnosis results are given, which can be sorted into the patrol inspection report to reduce the workload of the patrol inspection. The system can not only be used to guide the protection action analysis, but also to improve the level of relay protection operation and maintenance.

relay protection; intelligent substation; action diagnosis; intelligent maintenance

2021-12-20

2022-01-15

孙仲民（1989—），男，江苏盐城人，博士，工程师，主要从事电力系统继电保护及二次系统智能运维的研究与开发工作。

福建省电力有限公司科技项目（30019001L）