智能变电站二次设备在线智能运维技术研究与应用

李玉敦，刘 萌，李 宽，南东亮，李乃永

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.国网新疆电力有限公司电力科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830011；3.国网山东省电力公司，山东 济南 250001）

0 引言

近年来，智能变电站在电网中的应用规模不断扩大，以国家电网有限公司为例，其规划“十三五”期间继续推进智能变电站建设［1-3］。智能变电站采用数字化网络通信方式代替常规变电站的硬电缆接线连接方式，现场二次回路接线由虚拟的信息流代替，当涉及二次设备操作，如运行工况转换、安全措施执行、设备检修等时，二次设备运维人员操作难度增大。以保护装置功能投退为例，常规变电站保护功能的投退是通过硬压板投退来完成，而智能变电站保护投运需要频繁操作各类软压板，而保护装置的软压板可观性较差，使得现场运维人员难以适应，容易引发误操作［4-7］。

为充分发挥智能变电站信息完整、通信规范、数字传输等方面的良好技术优势，相关专家学者提出了智能变电站二次设备智能运维理念，并在该方面进行了大量技术应用研究。针对传统定期检修运维模式无法满足当前电网运行要求，文献［8］对与继电保护密切相关重要二次回路、保护装置状态监测技术等内容进行了介绍和深入探讨，提出一种适用于智能变电站继电保护的在线运维技术方案，为继电保护智能化运维提供了新的思路。文献［9］针对智能变电站现场装置测试复杂、自动化程度不高问题，提出了一种智能变电站间隔层装置的自动测试方案并设计了自动测试系统，具备装置和回路异常模拟、多装置测试能力，为智能站装置自动提供了思路。文献［10］针对目前智能变电站普遍存在的改扩建中修改或新增间隔问题，探讨了运用智能变电站的检修机制以及SV/GOOSE 软压板的合理投退进行现场安全措施管控的可行性，并提出了解决方案。

智能变电站继电保护装置的软压板投退工作一直是困扰现场运维人员的难题，其根本原因是现场人员对软压板内涵、影响范围以及操作顺序不明确。目前，研究人员提出了一种采用自动操作的方式进行软压板投退的解决方案，既按照一定的操作顺序和逻辑自动完成软压板的投退［11-17］。通过顺序控制，可降低变电站二次装置现场误操作的风险，同时提高变电站运行状态的转换效率。文献［15］介绍了变电站程序化操作的概念和主要思想，提出利用智能变电站后台监控系统和站控层远动装置配合实现继电保护装置的顺控功能。文献［16］结合现场实际的变电运行程序化操作实例，分析了程序化操作现场实施的技术条件、实施思路以及程序操作系统构成，同时提出了程序化操作安全保障措施。文献［17］利用变电站后台监控系统，研发了顺序控制功能模块化，建立顺序控制功能的状态模型和控制模型，并解决了模块化设计中存在的信息交互方式的问题。文献［18］基于智能变电站间隔层设备逻辑虚回路原理，提出了基于智能变电站间隔层设备顺序控制功能实现方法，该方法配置灵活，能可靠实现一次设备的顺序控制和全过程监控。

虽然上述文献对顺序控制功能进行研究和分析，但更多是一次设备的顺序操作，对变电站二次设备，特备是继电保护设备未有深入研究，投退保护装置压板和执行安全措施依然采用操作票形式。

针对上述问题，提出顺序控制的软压板投退技术，通过接线全站系统配置文件（Substation Configuration Description，SCD）模型在线智能诊断的软压板状态，将其与典型运行状态进行比对并以图形化展示，实现压板投退智能告警，依次为基础制定二次设备安全措施自动生成及顺控技术，完成保护装置自动投退和安全措施自动执行。通过某220 kV变电站实际应用，证明本文所提方法的有效性。

1 继电保护装置软压板智能诊断技术

1.1 智能变电站软压板划分及模型

智能变电站二次设备的软压板按照功能可分为功能软压板、出口软压板和接收软压板三类。

1）功能软压板为控制保护功能的主压板，可实现保护功能完整投退。

2）出口软压板：实现保护装置动作的跳、合闸信号传输，相当于常规变电站的跳、合闸出口硬压板，主要包括GOOSE 跳闸出口、GOOSE 重合闸出口、GOOSE启动失灵等。

3）接收软压板：实现保护装置电流、电压及开关状态信息的传输，相当于常规变电站的端子排，包括GOOSE和SV接收软压板。

Q/GDW1396—2012《IEC 61850工程继电保护应用模型》明确定义了各类软压板的模型规则：

1）功能软压板在LLNO中加Ena后缀扩充；

2）GOOSE 出口软压板在PTRC、RREC、PSCH 加Strp后缀扩充；

3）GOOSE、SV 接收软压板使用GGIO.SPCSO建模。

根据各类软压板模型规则，解析SCD 模型可获得全站软压板的配置信息。

1.2 基于SCD模型的软压板状态智能诊断

1.2.1 建立软压板状态数据库

软压板状态数据库记录各智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED）正常运行状态下软压板的投退要求，建立正确、可靠的软压板投退数据库是实现软压板断智能诊断的基础。结合智能变电站运行现场实践提出了一种建立软压板状态数据库的方法，涉及智能变电站的运维和检修部门，如图1所示，共分为7个步骤，基本流程如下：

图1 压板功能说明和正常运行方式投退状态审批流程

1）运维单位录入与现场一致的压板名称，并注明需特别交代的压板，如开关压板、沟通三跳压板等易出错导致保护动作行为异常的压板。

2）检修单位提交软压板准确功能说明，并重点交代开关、检修、沟通三跳等易出错的压板。

3）检修专工复核压板功能是否齐全准确，如果正确进入下一流程，否则返回检修单位修改。

4）运维单位编写正常压板投退状态图。

5）运维专工复核正常运行状态的压板投退是否正确，如果正确进入下一流程，否则返回运维单位修改。

6）保护专工审核和批准软压板说明图是否合格。如果正常运行方式下软压板投退错误，返回运维专工修改；如果软压板功能说明不合格，返回检修专工修改。

7）运维单位执行并回执，完毕后归档。

继电保护设备投运前，即继电保护基建工程新设备投运前、技改更换后新设备投运前、双差动设备升级验收完投运前、已投运设备验收完投运前等，变电站运维单位保护专工审查、批准本单位所辖变电站所有装置的软压板功能说明和正常运行方式投退状态。尤其重点审查开关压板、沟通三跳压板等易出错导致保护动作行为异常的压板投退状态及功能说明。软压板的投退状态从对应二次装置中获取，可以通过与该二次装置建立服务联系直接读取，也可以解析后台接收的报文获取。本文采用后者获取软压板实际运行状态。

1.2.2 诊断基本原理及流程

软压板智能诊断主要分为三个部分：获取软压板运行状态，建立软压板状态数据库以及压板运行状态判断，具体状态诊断流程如图2所示。

图2 软压板诊断流程

1）解析SCD 模型文件获取智能变电站中所有软压板基本信息，如软压板名称、端子描述、对应的IED名称、数据集名称及软压板类型等。

2）根据现场运行情况，结合软压板信息，按照图1所示流程制定压板状态数据库。

3）通过监控后台以固定时间间隔或者以手动触发的方式抓取报文，根据报文内容获得装置软压板状态，与各个IED 设备预定的压板状态数据库进行比对。如抓取的软压板状态与预定状态一致则表明该软压板的投退状态正确，不一致则表明投退状态不正确。告警进行提示投退状态错误的软压板，并展示其实际状态。

1.3 压板标准化设计

为直观显示软压板诊断结果，对软压板进行标准化设计，主要包括以下几点：

1）规范化、标准化软压板命名和定义，避免因命名不一致造成的误操作。

2）规范化、标准化各间隔画面以及压板排列，压板颜色统一按照相关标准要求着色。对于重要软压板，应用特殊标记，并附带解释说明。在各间隔画面中，区分运维、监控人员操作压板区和检修人员操作压板区并设置操作权限。

3）设置软压板说明调阅功能，可调阅后台机名称、装置内名称、功能描述、功能示意、正常运行方式投退等软压板状态信息。

2 二次设备安全措施自动生成及顺控技术

2.1 智能站二次安全措施特点及实现方式

智能变电站继电保护、合并单元等二次设备进行检修时，按照安全措施要求，被检修装置应隔离采样、保护跳闸启动失灵等与运行装置之间的联系，并保证被对检修设备进行操作时不影响运行装置的安全运行。与硬接线连接方式不同，智能变电站各二次装置通过光纤物理回路连接，在不破坏物理接线的情况下，难以将待检修装置同运行的装置隔离，给现场执行安全措施带来困难。目前，常用隔离手段有以下几种：

1）退出相关联保护装置的GOOSE 接收和发送软压板。退出接收软压板，本装置对其他装置发来的相应GOOSE 信号不作逻辑处理，不参与保护逻辑；退出GOOSE 发送软压板后，本装置不再向外发送保护动作指令。

2）退智能终端出口硬压板。智能终端的硬压板类似于传统保护装置出口跳闸压板，位于智能终端跳闸出口继电器和断路器跳闸线圈之间，退出硬压板可形成明显的断开点，将二次回路可靠断开。

3）退出保护装置SV 接收软压板。SV 软压板退出后，该装置的采样数据再参与保护逻辑计算，同时本装置相应回路采样值不再显示。

4）拔掉相关装置间的SV 和GOOSE 连接光纤回路。断开装置间的光纤链路，相连接的保护装置失去通信联系，信号无法传输，直观、可靠地隔离检修装置与运行装置之间联系。

5）投退装置检修硬压板。保护装置检修硬压板投入时其检修态标识位置1，该装置向其他装置发送的报文中的品质位会置1；装置收到报文后将报文的品质位与自身的检修态标识位进行对比，两者相同时做出认为数据有效，如不一致，则认为数据无效。

综上所述，智能变电站二次装置的安全措施方案可分为三类：软压板操作类、光纤操作类和硬压板操作类。在实际的检修操作中，往往不采取插拔光纤方法，主要是由于该类操作容易磨损光纤接头，造成数据传输延时增大，而且对于多数的计划性检修，二次设备仍然正常运行，因此难以采用插拔光纤的方式执行安全措施。结合智能化运维技术要求，适用的方式是通过改变智能设备发送方和接收方状态、采样，加之辅助的压板操作执行安全措施隔离。

2.2 自动安全措施及顺控方案设计

2.2.1 工作总体流程

智能变电站安全措施自动制定流程如图3所示。

图3 二次安全措施自动生成及顺控流程

1）根据智能变电站技术规程要求，制定二次安全措施执行流程。

2）经专家审批后生成安全措施数据库，固化于智能运维系统。

3）选择操作类型（如设备检修、投入等）执行顺序操作，根据预先规定的操作逻辑和规则，自动完成压板投退的操作，顺序操作的过程可视。

2.2.2 顺序控制标准化模型

2.2.2.1 状态模型

状态模型监视顺序控制整个过程，能够对继电保护装置的顺序控制进行终止、暂停等操作，可以准确反映顺序控制操作前、操作中和操作后的整体状态。

状态模型遵循IEC 61850 标准的统一规范和定义［17］，顺序控制基本变量定义为：OpTotal 表示软压板总体操作数；OpStatus 表示当前软压板执行状态；OpErr 表示软压板操作报错，显示问题出现的步数；OpSuccess 表示软压板操作执行情况，值为“1”表示执行成功，否则值为“0”；OpPause表示顺序操作处于暂停状态；OpCancel 表示取消顺序操作；OpContinue表示继续处于暂停状态的顺序操作；M 表示必选，O表示可选。

状态模型可使顺序控制操作具备一键式全自动顺序控制模式和半自动步进控制模式。一键式全自动顺序控制模式中间无需人工干预，自动执行到底；半自动步进控制模式采用典型操作票工作模式，操作一个压板人工确认一次。

2.2.2.2 控制模型

顺序控制的核心是控制模型，对每一步操作定义相应的控制模型，以后台监控系统和全站设备关联获取的继电保护装置的模型为基础，根据顺序控制的内容将每步控制模型关联［17］，形成顺序控制。

针对保护装置的压板投退操作，以跳闸出口软压板为例，通过保护装置PROT 中的PTRC 节点进行配置，具体涉及控制类结构体SBOw，Operate，Cancel，完成压板投退操作的控制或取消。顺序控制将多个单步操作串联，实现的核心在于每一步操作都要有相应控制模型，本文方法的每一个具体操作内部由结构体变量SBOw、Operate、Cancel 组成。后台连接全站设备示意如图4 所示，IED 为智能电子设备。顺序控制具体操作直接与相匹配的数据属性关联，逐一完成控制模型配置，进而可以完成顺序控制的模型配置，顺序控制是对相应数据属性路径进行写值操作，按SBOw的模型进行操作［17］。

图4 控制模型配置

2.2.3 关键设计要素

1）继电保护装置运行状态划分，按照继电保护操作运行实际，划分为：“投入态”“退出态”“检修态”和“不定态”四装置类；四类运行状态之间转换过程产生顺序控制操作，主要包括“投入态转退出态”“退出态转检修态”“检修态转退出态”“退出态转投入态”。不同人员涉及不同状态转换，一般情况下，运行维护人员涉及“投入态转退出态”“退出态转投入态”两类转换操作，检修人员涉及“退出态转检修态”“检修态转退出态”两类转换操作。

2）制定压板状态数据库，包括保护装置软压板各种状态（投入态、退出态、检修态）下的压板投退状态和功能说明。

3）根据相关技术规程和现场操作规范，建立安全措施规则数据库，包含典型的运行操作票和典型检修二次安全措施票。

4）具备操作校核、防误措施和异常处理功能。在顺控过程中，如发生跳闸或异常告警信息顺控操作立即暂停，根据现场异常处置情况或待告警消除后再选择继续执行或停止顺控操作。

5）顺控操作结束后，自动将压板状态与系统设定的“目标”状态进行比对。

6）顺控操作具备全自动一键式顺控模式和半自动单步确认模式。

2.2.4 安全措施可视化方案

可视化展示能够提升操作的安全性，因此有必要开发可视化功能。可视化尽可能展现检修安全措施涉及的元素，如虚回路、虚端子、GOOSE 软压板、SV 接收、检修涉及的IED。按照安全措施可视化设计的基本要求：

1）展示被检修装置与其他相关联装置二次虚回路连接关系，包含SV回路、GOOSE回路，并表明回路含义。

2）标明二次虚回路中GOOSE、SV 信息流内容以及信息流发送方和接收方以及数据含义。

3）以图形方式显示装置软压板对应虚端子连线以及投退状态。

4）装置名称和各个软压板名称应显示调度双重名称。

3 某220 kV变电站智能运维应用分析

基于上述设计方案，开发了智能变电站运维管理高级应用系统，该系统已在山东电网部分变电站投入运行，实现了压板分区布置、功能准确调阅、智能巡视、投退异常主动告警、设备投停二次安全措施一键顺控、远程控制等主要功能。

3.1 智能软压板标准化设计

以该变电站某220 kV 线路保护为例进行分析，标准化设计后软压板的投退分图如图5所示。

图5 压板投退分图

图5 中，压板投退分图主要包括运行人员操作区域、检修人员操作区域、压板标识说明和压板特殊功能说明等。以跳闸出口软压板为例，其显示的软压板基本信息如图6所示。

图6 软压板基本信息调阅图

由图6 知，单独设置压板画面和保护信号画面，两者区别清楚，避免操作区和查看区交叉。

3.2 压板投退异常智能报警

全站软压板定时自动巡检或手动巡视，若发现与定义的正常状态不同，弹出图7所示的报警图。

图7 软压板巡检报警图

图7 中，当软压板当前运行状态与正常运行状态不一致时，发报警信号。虽然软压板巡检不能降低装置的故障率，但可降低因软压板异常投退所引发的停电概率。压板投退异常报警功能的实现，可在较短时间内发现软压板的异常投退问题，提高了变电站自动化运行水平和运维效率。

3.3 二次设备一键式顺序控制操作

以220 kV线路保护由检修状态转换至运行状态的软压板顺序控制操作为例进行分析，如图8所示。

图8 线路检修转运行顺控操作

220 kV 线路保护由检修状态转为运行状态的顺序控制操作分为9个步骤，图8显示当前操作进行至第5 步。按照本次运行方式转换要求，相关保护装置软压板操作按照步骤顺序执行，每项操作可以根据需求人工停止，每项操作完成并经过确认后进入下一步操作流程，依次进行直至各项操作内容完成，如图9所示。

图9 顺控过程中单步操作状态

3.4 二次安全措施可视化

为直观有效地展现安全措施的执行情况，以线路保护安全措施为例进行说明。可视化界面如图10所示。图中显示220 kV 岱周线线路第一套保护装置与其他装置的开关位置信号和软压板等虚端子连接情况；图中标识出软压板所在的虚端子连接线以及投退状态，同时标识了虚端子连接的发送方和接收方，并以不同图形直观显示检修压板的投退状态。

图10 安全措施可视化示意

4 结语

提出一种智能变电二次设备智能运维技术方案，包括软压板的标准化设计、压板自动巡视、投退异常智能报警及设备投停二次安全措施“一键式”顺控等功能，基于变电站监控后台开发了智能运维系统，实现了软压板智能诊断、二次设备安全措施自动生成及顺控，提升了变电站现场运维操作的正确性和安全性，降低了运行中误操作风险，提高了变电站运维智能化程度。

按照本方案研发的智能站二次系统在线智能运维系统已在山东电网应用，取得了良好应用效果，极大提高了电网安全运行水平及运维检修智能化水平，具有较强的工程推广应用价值。