基于数据通信建模技术的移动式智能变电站安措防误预警系统研究与应用

朱 智，张永宏，吕 帅，崔 瑞，孟 颖，李 璐

（内蒙古电力（集团）有限责任公司鄂尔多斯供电分公司，内蒙古 鄂尔多斯 017010）

0 引言

近年来，智能变电站相较常规变电站具备更好的低碳环保效果和交互性以及更高的可靠性，但也给智能设备的日常维护工作带来了挑战。在智能化变电站二次设备运行维护及检修中，采取二次安全措施（以下简称安措）有效隔离运行设备（如保护软压板、设备检修压板以及跳闸出口压板等）是一项重要工作。现阶段智能变电站的维护工作存在人员技术水平低、运维经验少、设备隐患不能及时发现等问题。对于智能变电站运维检修的安措问题，已有学者开展相关研究。文献[1-2]研究了二次设备检修安措自动生成技术，探索了自动生成安措票的可行性；文献[3]研究了二次设备检修安措的校核技术，采用不同方法对二次设备安措票进行校核；文献[4-5]研究了基于光纤物理链路建模及软压板信息关联技术实现虚实回路可视化诊断的功能。目前的研究成果侧重于校核安措票的正确性和生成便捷性，对于结合现场二次设备状态信息的安措在线校核以及防误操作预警技术鲜有研究。

本文旨在开展基于数据通信建模技术的移动式智能变电站安措防误预警系统的研究与应用开发，通过多源数据的采集、数据建模和系统应用集成技术，实现智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED）信息和回路的图形化监视与实时诊断故障定位，安措执行流程的校核与预警。该系统主要采用二次设备安措逻辑预演技术、IED 链路数据传输可视化技术，以提高安措工作和智能运维工作的效率和安全性。变电站现场作为第三方监视平台，实时监视和确认每一步操作的执行情况，如出现顺序错步、漏步，系统给出违反安措条目警示，减小人为主观因素的影响，降低误操作风险，同时提高运维工作效率和电网安全稳定运行水平，推动变电站二次设备运维领域的整体技术进步。

1 智能变电站运维现状

随着智能变电站二次系统的网络化和高度集成化，安全措施的可测性及可测量性随之变差，一些在常规变电站中的安全隔离措施在智能变电站中无法继续应用，同时智能变电站中作业人员的操作习惯及思维方式与传统变电站相比发生了巨大变化。而运维人员对智能站的系统配置文件（Substation Configuration Description，SCD）理解不够深入及对设备报文、信号、压板等知识掌握不全面，同时智能设备各类运行状态不直观、网络结构复杂、不易发现和处理缺陷，导致安全措施执行困难。此外，智能变电站规程中，与压板操作有关的内容过于笼统，无法对运行维护及检修人员现场操作起到有效的指导作用。还有部分地区采用大范围停电甚至全站停电的模式进行检修与改扩建工作，严重影响了供电的连续性与可靠性。随着智能变电站的建设及运维逐步规模化，生成现场作业安全措施票耗时费力，加之智能变电站二次设备通过光纤互联，信号回路错综复杂，且涉及安全措施的内容较常规变电站增加了虚回路及大量软压板，安全措施输入及正确性校核严重依赖工作人员，存在较大的安全隐患。

安措的正确执行与检修运维工作息息相关，如某地区220 kV 变电站，在恢复220 kVⅠ-Ⅱ段母线A套差动保护过程中，运行人员误将母差保护“投检修”压板提前退出，并投入了Ⅰ、Ⅱ母各间隔“GOOSE发送软压板”，使母差保护具备了跳闸出口条件，在批量投入“间隔投入软压板”过程中，母差保护出现差流并达到动作门槛，母差保护动作。该事件中运行人员执行倒闸操作顺序错误导致保护动作。一方面是工作人员对智能变电站技术掌握熟练、执行倒闸操作准备不充分，倒闸操作票审核把关不严，操作前运行人员未能提前辨识操作中的风险；另一方面是现场运行典型操作票规程编制不完善，对智能化设备的运行、操作等内容指导性不强，从而增加了变电站二次设备检修及故障隔离工作的安全风险。

由此可见，研究相关技术及系统开发来保证现场安措实施的可靠性迫在眉睫，具体方向为搭建面向二次设备运维人员的友好监测环境，实现智能变电站二次设备安全措施的防误预警[6-8]，为运维人员提供更为直观的状态确认手段。

2 智能变电站安措防误预警系统设计

通过基于数据通信建模技术[9-11]，即依据IEC61850 标准面向对象的建模思想建立一次设备模型、一二次设备关联模型、压板建型、通信模型，将监测数据与静态模型文件建立图形化的映射关联，利用系统和装置之间的实时通信将监测数据的状态反馈在图形化模型上[12]，搭建一套人机交互优良的智能变电站安措防误预警系统，该系统具备多站应用的可移动式系统平台。

2.1 二次设备安措防误预警

基于数据通信建模原理，将安全措施执行中涉及的IED 设备划分为直接关联设备和间接关联设备，建立二次运维安措防误操作预警预演模型，如图1所示，模型中展示的内容有：光纤物理链路和逻辑链路、IED 插件板号、光口号，交换机光口与光纤连接关系，功能软压板、检修压板、跳合闸出口硬压板与数据集的关联关系。

按照二次安措预演模型，将建立的全模型SCD文件中的IEDs 转化为一个检修域保护IED 与影响域其他IED的关联模型图，生成二次安措预演顺序，实现安措票、安措操作执行的预校核、实时校核及监测；研究关于二次设备安措逻辑预演的相关技术，运用智能变电站数据流的特点将高度关联抽象的信号、状态进行图形化实时展示，并依据相关规程对当前安措内容进行逻辑运算与判断，达到及时发现其中可能引起保护闭锁及误动的事项；同时，在安措预演中结合一次设备分合、二次设备操作以及光纤的拔插，展示安措预演操作中的二次回路变化、保护状态变化等。为减少人工配置的工作量，研究二次安措运维、安措防误操作预警的自动实例化技术[13-15]，通过数据通信建模技术，利用模糊匹配算法自动解析SCD，实现安措预警模型的实例化配置。

基于建立的二次安措预演模型，结合SCD模型文件及变电站运行状态采集，实现二次设备安措在线预演及防误预警。二次安措在线校核防误逻辑实现流程如图2所示。

二次运维安措防误操作通过安措人工模拟预演、执行安措操作、安措遥控操作三种操作方式提供的安措项目作为安措防误的数据来源对象，首先进行关联域合法性判断，再进行数据有效性判断、典型安措顺序判断、GOOSE 软压板判据和SV 接收软压板判据判断等二次作业安措防误规则库系列规则的诊断[16-18]，最后对安措项目给出一个评价结果，从而达到二次检修安措防误校核诊断的目的。

安措预演功能为工作人员提供一种虚拟操作环境，在此环境下可通过投退保护、合并单元、智能终端的软压板和硬压板以及拔插光纤来验证典型操作票的安全性，通过站控层和过程层信息汇总分析，对装置安措操作的正确性进行多重确认，在第一时间预警和标记操作票中的逻辑问题，可预防因为典型操作票本身的问题而引起的站内保护误动、闭锁和告警等情况的发生。在作业人员实际操作时，可作为第三方监控平台，实时监控和校核每一步操作，如出现顺序错步、漏步，系统会给出违反安措条目警示。

2.2 二次设备隐患排查

基于数据通信建模，通过二次设备可视化、图形化、实时化相关采集、展示技术及逻辑算法[19]，实现对保护装置、合并单元、智能终端和过程层交换机运行状态的全景监视，对装置的工作电压、温度、光口光强、光口报文流量进行统计并对各监测量的越限预警、同期数据比对预警、趋势预警及同源数据比对预警。

越限预警是当采样数值大于高定值yHset（y轴采样整定上限值）时触发越上限告警，小于低定值yLset（y轴采样整定下限值）时触发越下限告警（见图3）。

图3 越限预警算法图Fig.3 Algorithm diagram for overlimit warning

同期数据比对预警如图4所示，当前t1时刻的采样数据为d1，m天前的相同采样时刻t2的采样数据为d1'；向前追溯n 个采样点，得到数据分别为d1、d2、d3、…dn，d1'、d2'、d3'、…、dn'；前后采样点的均值为前后采样均值的差值为Δy=|y1-y2|；当Δy大于yset时触发告警。

图4 同期数据比对预警算法图Fig.4 Algorithm diagram for data comparison and warning in the same period

趋势预警是从当前时间t1向前追溯到t2时刻得到一系列数据（At-1、At-2、At-3、…、At-n），利用数据计算出移动平均曲线，曲线中采样点的切线与上下限阈值相交，当交点与当前时间的距离小于告警时间阈值时触发告警，并根据交点测算出可能发生异常的具体时间。

同源数据比对预警中“同源”包含双套保护装置、双AD通道、同一母差不同支路。通过MMS实时获取同间隔第一套/第二套的保护装置遥测量，通过SV 报文获取不同间隔的合并单元电压电流以及相角，对同时刻的两套保护的遥测值进行监测比对，若采集值满足预设的判定逻辑则触发告警，反之则不告警。

以上提出的四种预警模式，可实现对智能变电站内设备的运行工况监视，对长期运行设备的硬件性能和数据进行分析和预测。通过触发光纤强度的告警越限，可监视设备自身工况和设备之间通信情况，如若发生告警，则可依据高定值yHset、低定值yLset预设值来实时定位故障点，对故障点给出数据支撑；对于运行数据的整合分析，结合现场装置实际运行状态，实现对运行设备的潜在问题的提前预警，告知运维检修人员按照当前运行方式，何时会触发何种告警，并将故障进行智能定位分析，为运维人员隐患排查工作提供依据，为消缺工作提供充足的准备时间。

2.3 移动式平台设计

目前有部分变电站部署的二次设备在线监测系统具有安措校核功能，但采用屏柜式固定安装，现场施工具有一定难度，特别是在投运站，部署期间涉及站内的投运设备较多，同时“一站一柜”定制化工程配置也难以满足多个变电站的现场应用。经研究，本项目采用高度集成的系统设计方案，将管理单元和采集单元轻量化、灵活化，使用便携可移动的方式有效解决了屏柜式装置体积大、移动不便的问题，从而达到“一对多”的使用目的，弥补了屏柜式装置不能多站使用的缺陷。

3 应用实例

这套移动式智能变电站安措防误预警系统在现场得到了广泛应用。特别是在智能变电站二次设备的巡视、缺陷故障快速定位及设备停电检修布置安措三个方面为运维人员的日常维护工作提供了有效帮助，并提高了智能变电站的运维可靠性。以下为本套系统在智能变电站的应用情况。

3.1 实例1

110 kV 迎宾智能变电站2019 年投运。曾因使用传统化安措方式，在某次人工执行安措工作时，人工投入装置检修压板，但该装置的检修压板虚接，并未投入，在站控层网络中该装置的检修压板也未置“1”，所幸后台监护人员及时发现才未出现后续事故。结合此次事件的发生，将移动式智能变电站安措防误预警系统接入该变电站，对站内设备的运行状态、二次措施预演、光纤回路进行智能巡检。通过采集变电站的过程层和站控层数据，获取一次设备状态及保护运行状态等相关信息，并进行逻辑运算。通过“安全措施预演”功能，对安措逻辑库进行配置，将纸质版安措流程展示在系统界面中，结合站控层和过程层的数据分析和智能化匹配安措步骤，在系统对数据信息只收不发的状态下搭建人机交互的安措预演界面，从而实现了保护安措执行前的模拟预演，使操作人员检查安措是否正确的同时可以熟悉安措的操作步骤。完成离线操作后，通过“安全措施在线校核”功能进行实时在线监视。工作人员在现场实际操作过程中，系统通过站控层和过程层的数据实时采集，对执行中的步骤和当前步骤的结果进行实时监视及操作预警（见图5）。

图5 系统实时监视及操作预警界面Fig.5 Real time monitoring and operation warning interface of the system

移动式智能变电站安措防误预警系统在不影响站内设备正常运行的同时，能够快速获取全站保护设备的相关信息，并对安措操作的正确性进行多重手段的确认，既能在第一时间发现和定位操作票中的逻辑问题，预防因为典型操作票本身的问题而引起的站内事故，也能在第一时间判断操作的准确性，预防因投压板等不到位引起的安全事故。

3.2 实例2

在万成功220 kV智能变电站，运行人员巡视时发现站内后台有断链告警，但站内后台机只有告警信号，故障点不明确。检修人员到达现场后，第一时间将移动式智能变电站安措防误预警系统接入该站的站控层和过程层中，进入“过程层光纤回路”功能模块，通过图形式界面可以直观判断出智能终端未收到测控装置发出的应用标识（Application Identifier，APPID）为0339 的GOOSE 报文，随后将故障定位在该间隔测控装置的1-E 口，同时该间隔的智能终端报“部分逻辑断链”，所以排除光纤的物理断链，先后通过在测控装置的尾纤和交换机中截取数据发现，该交换机对应测控的“5 端口”转发机制只收不转发，导致订阅装置智能终端无法收到报文。

该套系统有效弥补了因检修人员经验少、技术不过关，导致无法在短时间内消除缺陷的不足，可以辅助检修人员快速定位故障点，明确排查范围，缩短了现场消缺时间，降低了站内设备运行风险。

3.3 实例3

110 kV 江明沟智能变电站151 岗江I 线间隔停电检修。运维人员提前一天在工区采用移动式智能变电站安措防误预警系统对停电所需的操作票进行离线校核（见图6），验证操作内容的正确性。次日进站，在完成前期准备工作后，直接使用该系统的“安全措施在线校核”进行。在站内接入站控层和过程层数据后，每一步都严格按界面提示的操作步骤进行操作，同时反馈至工作人员，如压板投退、分合隔离开关、拔插光纤等，最后的安措恢复执行顺利。

图6 间隔安措校核界面Fig.6 Check interface of interval security measures

该系统不依靠人工核对纸质票上的工作步骤和执行结果，每一步都有实时信号反馈，为停电检修、布置安措节约了大量时间，并且能够及时纠正错误操作，降低了风险。

4 结束语

针对智能变电站二次运维面临的安全问题，本文基于IED设备虚回路可视化展示、同源数据比对、二次设备可视化监视诊断、安措校核及逻辑预演等核心技术，研发了基于数据通信建模技术的移动式智能变电站安措防误预警系统，并在多个智能变电站进行应用，其移动式设计有效解决了屏柜式装置体积大、移动不便、不能多站使用的缺陷。在后续的研究中，将对系统实用性特点进行强化（如图形化、模块化、人机交互简单化），使该系统的使用受众更广，降低对使用人员的要求，同时功能设计能够满足智能变电站日常运检工作及技能培训需求，解决目前智能变电站运行维护过程中存在的问题，这对于提高日常运维、故障检修的效率和准确性具有重要的意义。