基于无线虚拟专网的继电保护智能运维系统设计

作者简介：胡纯彬（1990— ），男，浙江庆元人，工程师，学士；研究方向：电气工程及其自动化。

摘要：文章设计了一种基于无线虚拟专网（Wireless Virtual Private Network，VPN）的继电保护智能运维系统，通过无线虚拟专网对电力系统中继电保护装置的状态进行实时监控，并根据电力系统中继电保护装置的状态信息对其进行智能分析和故障诊断，对异常状态进行预警和告警。本研究通过无线虚拟专网与继电保护智能运维系统实现交互，将继电保护装置运行信息实时推送到继电保护智能运维系统移动终端，通过触摸屏向管理人员实时显示继电保护设备运行状态和故障信息，达到继电保护设备智能化运维管理的目的。

关键词：无线虚拟专网；继电保护；智能运维系统

中图分类号：TM711  文献标志码：A

0  引言

随着电力企业的不断发展，其在变电站数量以及变电站规模有了进一步的扩大，电力企业对变电站设备运维管理提出了更高的要求。电力企业对于继电保护运维管理主要以人工为主，该方式不仅工作效率低，需要耗费大量物力和人力，而且人工操作也极易出现失误操作，如：误操作、人为失误、信息传递不及时等，对于电力系统安全稳定运行带来了很大的影响。因此，电力企业迫切需要建立一种自动化程度高、安全稳定的继电保护运维管理方式，进一步提高设备运行稳定性和安全性。

1  系统基本组成与工作原理

本文利用SG-UAP平台cim3.0通用数据模块，以浏览器和服务器架构（Browser/Server Architecture，B/S）体系结构为架构，建立继电保护移动运维管理系统。继电保护智能运维系统包括3个部分：主站端系统、移动终端和无线虚拟专网。主站端系统使用网络存取方式存取商业数据；系统前端采用移动终端设备完成通信数据的采集；系统采用无线虚拟专网传输服务数据。

1.1  主站端系统

基于B/S结构的主站端，系统采用客户端浏览器向用户提供查询、瀏览、审批等系统访问服务以及与业务相关的信息服务。

主站服务器端包括Web服务器、数据库服务器和客户端，主要负责系统信息的接收和发送、业务数据处理与分析等。

客户端软件主要包括用户管理、权限管理、角色管理、业务数据处理等功能。客户端软件通过与后台应用程序交互，实现对业务数据的访问与处理。其中，用户管理模块主要负责对用户注册信息进行维护，对用户身份进行验证；权限管理模块负责对系统管理员进行权限设置；角色管理模块负责对系统中各个角色的权限进行设置；业务数据处理模块主要实现用户端和后台端的数据交互与处理［1］。

1.2  移动终端

智能移动终端是智能运维系统的重要组成部分，主要完成继电保护设备及二次回路的巡视、检测、试验和状态评估等工作。继电保护智能运维系统利用移动终端设备，继电保护人员能够随时随地开展设备检查和性能测试，并及时获得测试结果，有利于进一步提升继电保护运维工作的质量和效率。

智能移动终端主要由数据采集、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、摄像头、触摸屏等模块组成。系统部署时，技术人员需充分考虑工作流程的方便性，现场环境的安全性、可靠性等因素。

数据采集模块主要用于采集继电保护设备的运行状态、保护动作行为等信息，并上传至智能运维管理系统。数据采集模块由无线射频模块和GPS模块组成，采用蓝牙与GPS双向定位，实现继电保护设备的实时在线状态监测。数据采集模块可以将采集的设备状态信息与标准协议进行比对，并与后台服务器交互，以此来实现继电保护设备的实时监测。

GPS定位模块主要用于实时监测继电保护设备的地理位置信息。GPS模块通过GPRS网络实时获取电力系统中继电保护设备的位置信息，并上传至后台服务器［2］。

摄像头模块用于实时采集继电保护设备的运行状态信息，包括继电保护设备的正常运行信息、异常状态及故障信息，并通过4G/5G网络将采集的影像资料上传至后台服务器。

触摸屏主要用于人机交互操作，具体功能包括查看设备运行状态、操作指令设置、图形绘制等，该模块采用JavaScript语言开发实现。

本文为进一步保证智能运维系统数据传输安全性和可靠性，采用加密算法对通信数据进行加密处理。本研究根据数据传输过程中的安全需求及应用场景，采用基于SR-IOU加密算法的数据传输安全防护机制进行数据传输安全防护。SR-IOU加密算法是一种基于椭圆曲线加密算法和哈希函数的混合加密算法，相比传统的数字证书和SM4/SM3算法，具有更好的安全性、更高的性能和更快的速度，而且不易被破译或破解。

1.3  无线虚拟专网

无线虚拟专网是基于宽带无线接入技术建立的专用于企业内部数据通信的虚拟网络。无线虚拟专网采用无线方式接入宽带网络，可以减少企业投资成本。继电保护智能运维系统通过在网络上部署VPN专用设备，并将不同类型的设备（如电脑、手机等）接入VPN专用设备，可以实现专网专用，保证数据传输的安全与保密。

无线虚拟专网可支持WiFi、3G/4G、5G等多种接入方式［3］，由于电力系统中存在大量的无线应用场景，如电力调度、变电站监控、数据采集等，因此需要对电力无线虚拟专网进行改进以适应各种应用场景，将不同类型的设备接入同一个无线网络中，实现接入设备之间的相互隔离以及对业务数据传输安全保障，从而进一步满足电力系统对通信安全性和可靠性的要求。

2  系统软件功能架构

继电保护智能运维系统软件功能架构如图2所示，软件功能主要包括（1）分析及管理模块；（2）检修辅助决策模块。其中，继电保护设备分析及管理功能主要是对电力系统的继电保护设备进行维护与管理，包括对电力系统的继电保护设备进行巡查、检修、更换、试验等操作，同时还包括对电力系统的继电保护设备进行参数设置等；检修辅助决策模块可以根据继电保护故障位置、故障类型等信息，向管理人员提供故障检修方案。

2.1  分析及运行管理

继电保护智能运维系统的故障信息管理模块主要通过对电力系统的继电保护设备进行智能监测与报警，并对发生故障的电力系统进行故障诊断，进而实现对继电保护设备故障的处理，使继电保护设备的维护工作能够得到有效开展。故障信息管理模块主要包括以下几个功能。

（1）故障信息管理模块主要提供故障信息查询、分析和管理功能，当电力系统继电保护设备发生故障时，该模块能够通过数据接口查询到电力系统继电保护设备发生故障时的详细信息，同时还能够将相关信息存储到数据库中，以便为后续维修工作提供参考［4］。

（2）数据分析功能可以根据继电保护设备发生故障时的具体信息，结合专家经验及电力系统继电保护设备运行情况，对电力系统继电保护设备发生的故障进行分析，并给出相应的解决方案。

（3）管理功能可以通过对电力系统继电保护设备发生故障后产生的数据进行存储和管理，以便于为后续检修工作提供参考。

2.2  检修辅助决策模块

继电保护智能运维系统故障检修辅助决策模块主要用于实现对电力系统继电保护故障检测与定位，并根据检测与定位结果制定电力系统故障检修辅助决策，提高电力系统继电保护故障检修效率与质量；根据继电保护智能运维系统信息采集与分析结果，分析电力系统继电保护运行状态，并根据状态评估结果制定出相应的电力系统继电保护运行策略。继电保护智能运维系统故障检修辅助决策模块的设计主要是基于BP神经网络算法对继电保护设备故障进行诊断，同时根据继电保护设备运行状态信息，对其运行状况进行评估，为后续故障的处理提供决策支持。具体来说，继电保护智能运维系统故障诊断模块包括以下几个模块：（1）故障诊断专家系统。该模块通过神经网络算法来实现故障诊断，对继电保护设备故障状态以及故障影响进行评估，以此来为后续的继电保护设备故障处理提供决策支持［5］；（2）继电保护设备运行状态评估。该模块利用专家系统算法来评估继电保护设备运行稳定性、安全性等状态。

在电力系统运行过程中，二次设备、回路等设备发生故障时，会产生故障报警信息，虽然报警信息在内容上相差不多，但产生相同报警信息的真实原因却各不相同，依靠人工很难迅速、精确地确定故障报警位置和故障原因。基于无线虚拟网络的继电保护智能运维系统，可以通过故障诊断专家系统、继电保护设备运行状态评估等模块，评估继电保护设备故障信息，并为管理人员提供辅助决策帮助，辅助决策流程如图3所示。

继电保护智能运维系统辅助决策流程如下：（1）继电保护智能运维系统将设备故障运行数据上传至信息采集平台，并将数据传输至数据分析区域，即实时数据区［6］。（2）判断继电保护设备故障维修是否需求辅助决策，如果需要故障辅助决策，则系统根据继电设备历史故障信息判断当前故障类型、故障原因、故障影响范围等，同时查看历史数据库中类似故障的处理方法［7］。（3）将继电保护系统故障信息和历史故障信息相结合，生成继电保护设备检修辅助决策，并通过触摸屏反馈给管理人员。管理人员可以根据继电保护设备辅助决策信息，对继电保护进行检修处理。故障处理完成后，管理人员需要将处理结果和过程输入系统终端，并生成故障处理日志，以便于为后续故障处理工作提供参考。

针对继电保护设备报警信息处理和历史信息查询，需要根据数据库存储规则，对继电保护智能运行系统中存储的故障信息进行整合优化，建立带有时标的故障信息样本管理库以及故障事件检索系统［8］。

（1）报警信息的处理。电力企业与继电保护设备生产厂家共同建立报警信息数据库。当继电保护设备出现故障时，智能运维系统可以从报警信息数据库中调取继电保护设备故障信息，并结合当前设备故障情况，判断继电保护设备故障类型、故障原因、故障影响范围等，同时根据继电保护设备生产厂家提供的故障处理建议，向管理人员提供辅助决策信息。

（2）历史查询。智能运行系统通过自动采集数据和人工手动输入信息等方式，建立继电保护设备历史故障数据单元，并建立继电保护运行知识数据库。

当继电保护设备发生故障时，智能运维系统报警系统会触发知识数据库，并通过预设逻辑对相关关键詞进行检索，包括案例分析、词条释义、技术规范、操作规程、行业标准、技术支持等。

3  结语

针对电力系统继电保护运行维护过程中存在的问题，采用基于无线虚拟专网的继电保护智能运维系统设计方法，构建基于无线虚拟专网的继电保护智能运维系统，实现对继电保护设备的实时监测，以及故障辅助决策，从而提高电力系统继电保护运行维护质量与效率。继电保护设备智能运维系统可以对继电保护信息进行智能化整理、共享、采集和交互，实现现场设备的标准化、无纸化和移动化管理，提高了现场运维工作的可靠性、高效性和便捷性，保障了电网的运行安全。

参考文献

［1］陈洪伟，刘琪.基于无线通信技术的继电保护运维研究［J］.光源与照明，2023（2）：213-215.

［2］汤成俊，李洪池，刘文彪，等.继电保护远程运维可信安全方案设计［J］.电气技术，2023（1）：81-85.

［3］李项.智能变电站继电保护智能运维系统自动配置技术分析［J］.电子技术与软件工程，2022（21）：107-110.

［4］仲灵毓.智能化运维管理系统在广播系统中的应用与搭建［J］.现代电视技术，2022（9）：132-135.

［5］付薇薇，顾思.基于以物联网的电力通信智能移动运维系统设计［J］.现代工业经济和信息化，2022（8）：99-101.

［6］李永华.智能变电站继电保护在线监测系统关键技术研究［J］.电子元器件与信息技术，2022（6）：105-107.

［7］王李，张泰，黄朝.基于5G电力专网新型电力系统配网差动保护业务应用［J］.通信与信息技术，2022（1）：91-95.

［8］李文猛，仇勇，李朗.5G冗余雙通道通信技术在配电网差动保护中的应用研究［J］.宁夏电力，2022（4）：48-53.

（编辑  王永超）

Design of relay protection artificial intelligence for IT operations system based on wireless virtual private network

Hu  Chunbin

（State Grid Zhejiang Electric Power Co.， Ltd.， Lishui Power Supply Company， Lishui 323000， China）

Abstract：  This paper designs a relay protection artificial intelligence for IT operations system based on the wireless virtual private network （VPN）. Through the wireless virtual private network， the status of relay protection devices in the power system is monitored in real time. According to the status information of relay protection devices in the power system， the intelligent analysis and fault diagnosis are carried out， and the abnormal status is forewarned and alarmed. This research realizes interaction between the wireless virtual private network and the relay protection artificial intelligence for IT operations system， pushes the operation information of the relay protection device to the mobile terminal of the relay protection artificial intelligence for IT operations system in real time， and displays the operation status and fault information of the relay protection device to the managers in real time through the touch screen， so as to achieve the purpose of intelligent operation and maintenance management of the relay protection device.

Key words： wireless virtual private network; relay protection; artificial intelligence for IT operations system