智能变电站继电保护二次回路可视化技术研究

国网河南省电力公司荥阳市供电公司 尚晓龙

1 引言

随着电力系统的复杂性不断增加，保障其安全、稳定和高效运行成为至关重要的任务。智能变电站作为电力系统的关键部件，承担着输送、分配和控制电能的重要职责。继电保护二次回路在智能变电站中起着至关重要的作用，可以有效地保护电力设备和电力系统，预防和减轻事故后果。然而，传统的继电保护二次回路在故障诊断和信息传输等方面存在局限性，如何提高其性能和效率成为研究的重点[1]。将可视化技术应用于继电保护二次回路，有助于提高故障诊断和处理的效率，进一步提升系统的安全性和可靠性。

为了实现这一目标，本研究首先对现有的可视化技术进行了综合分析，探讨了其在电力系统中的应用现状。然后，设计了一种基于SCADA 系统[2]的二次回路信息提取方法，并将提取到的信息保存在网络访问中。接着，利用可视化工具对二次回路信息进行分解和导入，为二次回路可视化展示提供数据支持。最后，在可视化工具中通过映射二次回路之间的逻辑关系构建线路连接关系图，实现二次回路可视化展示。本研究力求为智能变电站继电保护二次回路可视化技术的研究与应用提供有益的理论参考和实践指导，推动电力系统向智能化、高效化发展。

2 可视化技术在继电保护二次回路中的应用

2.1 可视化技术原理及

可视化技术是一种将抽象的数据和信息转换为直观、易于理解的图形表示的方法。其主要目的是帮助人们更容易地分析和解读大量复杂的数据。可视化技术的原理包括数据处理、图形生成和交互式操作等。通过对数据进行预处理、分析和映射，将数据转换为具有一定视觉特征的图形，如散点图、折线图、柱状图等，从而实现数据的直观展示。

2.2 在电力系统中的应用

在电力系统中，可视化技术得到了广泛的应用。可视化技术在电力系统的应用详见表1。

在继电保护二次回路中，可视化技术可以帮助运维人员更直观地了解二次回路的拓扑结构、设备状态和保护逻辑，提高故障诊断和处理的效率。通过将二次回路的状态信息和物理信息进行可视化展示，可以实现对二次回路的实时监控、故障预警和故障诊断等功能。

2.3 二次回路可视化技术的设计与实现原理

二次回路可视化技术的设计与实现如下。

一是数据采集与处理。从智能变电站的继电保护设备和监控设备中采集二次回路的状态信息和物理信息。这些信息可以通过SCADA 系统或IEC 61850协议进行获取。然后，对采集到的原始数据进行预处理，包括数据清洗、筛选、格式转换等，以便后续的可视化分析。

二是数据存储与管理。将处理后的二次回路信息保存在网络访问中，例如数据库或云存储服务。这样，运维人员可以随时访问这些数据并进行可视化分析。同时，通过对数据的实时更新，确保展示的信息始终是最新的。

三是可视化模型设计。根据二次回路的特点，设计合适的可视化模型，例如树状图、网络图或矩阵图等。这些模型可以帮助运维人员更直观地了解二次回路的拓扑结构、设备状态和保护逻辑。同时，可视化模型应具有一定的交互性，以便用户根据需要对展示的信息进行调整和筛选。

四是可视化实现。利用可视化工具（如D3.js、ECharts、Tableau 等）将设计好的可视化模型实现为具体的图形。通过对二次回路信息进行分解和导入，为二次回路可视化展示提供数据支持。在可视化工具中通过映射二次回路之间的逻辑关系构建线路连接关系图，实现二次回路可视化展示。

五是结果分析与评估。对可视化展示的结果进行分析和评估，以验证所提出的二次回路可视化技术在智能变电站继电保护中的有效性和实用性。通过对比试验结果和实际应用场景，检验可视化技术对故障诊断和处理效率的提升作用。

通过试验设计与原理，二次回路可视化技术可以帮助运维人员更直观地了解智能变电站继电保护的运行状态，提高故障诊断和处理的效率，从而进一步提升电力系统的安全性和可靠性。

2.4 可视化技术在故障诊断与处理中的作用

可视化技术在继电保护二次回路的故障诊断与处理中具有重要作用，通过实时监控、故障预警、故障定位、故障分析和故障处理等环节的应用，可以有效地提高智能变电站继电保护的安全性和可靠性。实时监控有助于及时发现潜在问题，为后续的故障诊断和处理提供基础数据。故障预警使运维人员能够迅速响应并采取措施，防止故障发生或减轻故障后果。故障定位通过可视化技术帮助快速定位故障源头，减少故障诊断的时间和误差。故障分析挖掘故障原因和规律，为优化继电保护策略和提高设备性能提供依据。故障处理协助运维人员制定合理的处理方案，快速判断故障的性质和严重程度，从而采取适当的措施进行处理。通过将二次回路的状态信息和物理信息进行实时可视化展示，运维人员可以更直观地了解智能变电站继电保护的运行状态，提高故障诊断和处理的效率。

3 继电保护二次回路可视化技术设计

3.1 继电保护二次回路提取

采用现场调查和数据收集：通过现场调查和设备手册，收集智能变电站中继电保护设备的型号、参数、连接关系等信息。此外，还需获取监控设备、通信设备等相关信息，以便在后续过程中进行数据交换和通信。

利用SCADA 系统：利用SCADA 系统获取继电保护设备的实时数据，包括设备状态、参数和告警信息等。通过与SCADA 系统进行数据交换，可以提取所需的二次回路信息。

在完成二次回路提取后，需要对获取的数据进行预处理，包括数据清洗、筛选、格式转换等，以便后续的可视化分析和展示。

3.2 继电保护二次回路导入

一是数据存储与管理。将处理后的二次回路信息存储在可供网络访问的数据存储中，运维人员可以随时访问这些数据并进行可视化分析。同时，通过对数据的实时更新，确保展示的信息始终是最新的。二是数据接口设计。利用基于RESTful API 技术进行接口实现，支持数据的查询、更新和删除操作。三是数据映射与转换。在导入二次回路信息之前，需要对数据进行映射和转换，将其转换为适合可视化展示的格式。这可能包括数据归一化、编码转换和数据结构调整等操作。此外，还需要根据可视化模型的需求，将二次回路信息映射到相应的图形元素和属性上，如节点、边、颜色和大小等。四是数据导入与展示。在完成数据映射与转换后，将二次回路信息导入可视化系统，并根据设计好的可视化模型进行展示。

3.3 继电保护二次回路可视化展示

一是可视化模型设计。可视化模型定义了二次回路信息如何映射到图形元素和属性上。将继电器、断路器等设备表示为不同形状的节点，将设备间的连接关系表示为有向边。通过颜色、大小和标签等属性来表示设备的状态、参数和类型。二是图形布局与优化。用自动力导向布局方式，实现设备间的合理排列和连接关系的清晰表示。三是交互功能设计。提供基本交互功能，使运维人员可以浏览和操作二次回路可视化界面。

4 试验

4.1 试验准备

将使用本文设计的可视化技术（称为技术A）与传统技术（称为技术B）对某智能变电站的继电保护二次回路进行可视化，并通过展示图像的分辨率来验证技术A 的有效性和可行性。

试验环境设置的内容包括：智能变电站设有2个直流分电柜、3个电能表柜、1个故障录波器柜、2个保护信息管理子站。二次设备布置在主控制室内，线路为35kV，电压采用220V。将该智能变电站继电保护二次回路分成20个区域，运用SCADA 系统提取的二次回路信息量共198GB。

一是数据预处理。对SCADA 系统提取的二次回路信息进行清洗、整理和压缩，以便在可视化系统中进行高效处理。在技术A 中，采用先进的数据预处理方法，将信息量压缩至10GB。而在技术B 中，由于采用传统方法，压缩后的信息量为50GB。

二是数据导入与展示。分别使用技术A 和技术B 对二次回路信息进行导入和可视化展示。在技术A 中，利用高效的数据接口设计和数据映射方法，实现了快速的数据导入和清晰的可视化展示。而在技术B 中，由于数据导入和处理速度较慢，可视化展示的效果相对较差。

三是分辨率评估。将技术A 和技术B 生成的可视化展示图像进行分辨率评估。在技术A 中，由于采用了高效的数据处理和优化算法，可视化图像具有较高的分辨率，设备间的连接关系清晰可见，且无明显的图像失真。而在技术B 中，由于数据处理效率较低，可视化图像的分辨率较差，设备间的连接关系不够清晰，且存在一定程度的图像失真。

四是故障诊断与处理。模拟在智能变电站中发生继电保护二次回路故障的情况，分别使用技术A和技术B 进行故障定位和处理。在技术A 中，由于实时更新和高分辨率的可视化展示，运维人员能够快速发现故障设备并进行处理。而在技术B 中，由于图像分辨率较低，运维人员在故障定位和处理过程中需要花费更多的时间和精力。此外，技术A 提供了丰富的交互功能，如设备状态筛选、故障定位和信息提示等，这有助于运维人员更加高效地处理故障。

4.2 试验结果对比

通过对比技术A 和技术B 在数据预处理、数据导入与展示、分辨率评估和故障诊断与处理等方面的表现，可以看出技术A 在继电保护二次回路可视化方面具有明显优势。技术A 不仅能够实现更高的分辨率和更清晰的设备间连接关系展示，还能提供更好的实时性和交互性，从而提高智能变电站的运维效率。 试验结果对比见表2。

表2 试验结果对比

5 结语

本文针对智能变电站继电保护二次回路的可视化技术进行了研究。通过模拟试验，对比了本文设计的可视化技术与传统技术在继电保护二次回路可视化方面的性能差异。试验结果表明，本文设计的继电保护二次回路可视化技术具有较高的分辨率、实时性和交互性，能够提高智能变电站的运维效率。相较于传统技术，本文设计的技术在数据预处理、数据导入速度、可视化展示质量、实时性、交互性、故障定位速度和故障处理效率等方面均表现出明显优势。