智能变电站二次系统安全隔离策略研究

赵武智，邬小坤，李兴旺，樊国盛，牛静

（1.贵州电网有限责任公司 电力调度控制中心，贵州贵阳 550002；2.遵义播州供电局，贵州遵义 563000；3.兴义供电局，贵州 兴义 562400）

智能变电站是通过由自动化控制、系统数据监测与设备保护等多种智能电子设备(Intelligent Electronic Device，IED)所构成的通信系统展开站内工作的，即通过复杂通信网络中报文的交换来实现各类业务功能[1-2]。而通信机制的虚拟化及网络化使得智能变电站的二次系统变得较为抽象，二次设备间的逻辑联系及信息模型也愈加复杂。因此当进行二次设备检修测试时，通常难以就检测操作对变电站的运行影响进行科学、准确的评估[3-4]。同时，由于诸多关键的保护功能依赖于跨间隔信息的接收及处理，一旦对智能变电站进行检修操作，便要重新验证二次回路，极大地增加了检修工作量。

一般情况下，智能变电站二次系统中存有大量跨间隔的交互信息，而设备配置的信息均是静态信息，因此无法为少数IED 检修、状态变更等行为对系统造成的影响提供可靠判断。同时，对于设备检修等操作还缺乏高效的隔离手段，通常采取的方式是增加陪停设备，但这样难以保障变电站内局部带电检修等操作的安全。为此，文中展开了对智能变电站二次系统安全隔离策略的研究。通过图信号技术(Graph Signal Processing，GSP)生成安全隔离链路矩阵，从而得到安全措施票，进而保证设备检修的可靠性和安全性。

1 二次系统安全隔离

与常规变电站不同，智能变电站的二次系统运用网络通信进行IED 间的信息交互[5-6]，因此其二次安全隔离策略也不尽相同。目前，常用的隔离机制有软压板、检修、硬压板及光纤。安全隔离策略的原则是断开与检修IED 有关联的回路，保证检修过程中检修IED 不会对运行IED 造成影响。为此，结合全站系统配置(Substation Configuration Description，SCD)文件结构，对隔离策略的可靠性进行分析，以保证其操作的安全性。

1.1 SCD文件结构分析

变电站配置文件SCD[7-9]详细描述了全站二次虚回路的通信参数、报文控制块与虚端子等信息，并为实现二次虚回路的可视化提供了依据。SCD 的文件结构是树形的，具体如图1 所示。

图1 SCD文件结构

在SCD 文件结构中，＜Header＞主要包括文件版本、修改历史等配置属性；＜Substation＞描述了一次设备功能及连接拓扑；＜Communication＞主要包括站内IED 的SV/GOOSE 控制块的通信参数等；而＜IED＞定义了IED 的具体配置和功能，＜DataType Templates＞则定义了逻辑节点类型、数据对象及属性类型等模板。

1.2 隔离可靠性评价

二次系统的安全隔离策略是由各个相关链路的隔离操作共同构成的，只有全部链路均断开才能完成可靠的隔离，只要其中一条链路未完成隔离就会导致安全措施失去作用[10]。因此，系统隔离策略的可靠性可以看作是全部链路可靠隔离的“串联”，则有：

通过对实际运维工作数据的计算，各种安全隔离措施的可靠性如表1 所示。

表1 隔离措施的可靠性

由表1 可知，通过物理隔离（如退出硬压板、断开光纤等）能够完全断开电气连接点，其可靠性能达到99.90%。但数字隔离（退出软压板）的安全影响因素较多，如软压板设置有误、检修策略不正确等均会造成隔离失效，因此其可靠性相对较低，如投入检修压板的可靠性仅为99.00%。

2 基于图信号技术的安全隔离策略

智能变电站通过“虚回路”进行连接，因此无法直接获取IED 间的连接关系和相对应的模型描述原理，这对现场运维、消缺工作的开展均带来了不便。为此，基于图信号技术[11-14]设计了一种安全隔离策略，文中利用图信号技术的边集数组存储IED 的虚回路数据，并运用邻接矩阵完成安措的分析与判断，从而形象地呈现二次设备的逻辑关系，提高设备的检修效率。

2.1 基于图信号技术的网络拓扑模型

图信号的结构可以表示为G={V,E,ω}，其中，V={v1,v2,…,vN} 为节点集，N为节点数；E为边组集；ω为节点间的加权邻接矩阵。权值ωi,j代表节点间的关联度，若存在关联，则ωi,j＞0，二者呈正相关关系；若不存在关联，则采用无权邻接矩阵ψ∈RN×N进行描述，该矩阵由0、1 构成。

在图信号结构中，每个顶点均分布着信号x∈RN，而二次系统的信号具有时间属性，因此可将信号表示为X=[x1,x2,…,xT]∈RN×T，T为时长。同时，通过SCD 文件解析能够提取到网络链的路信息，利用图信号技术可将该信息转换为边集数组进行建模。

在网络拓扑模型的构建中，首先对系统内的IED 进行编号，并完成G和E的建模。其中链路的起止IED 使用相应的编号表示，且用权值代替信号属性，由此便可将二次系统的链路信息转换为带权有向网络。将E转变为带权网络的邻接矩阵A，则有：

此外，当智能变电站进行设备检修时，需划分IED 的运行情况，以确定检修范围。因此IED 的状态矩阵H由0、1 组成，其可表征为：

在故障诊断之前，先来了解一下该车前雾灯的控制逻辑。根据图2所示的电路图分析得知，前雾灯点亮的工作过程如下：在小灯或者大灯接通以后，再打开前雾灯开关，前雾灯开关接通以后，组合灯开关的2号和6号端子短路。因为6号端子通过多路控制器MICU的N1号端子内部搭铁，所以组合灯开关的前雾灯开关接通以后，通过2号端子给MICU的N10号端子提供一个接地的信号，MICU接到这个指令以后，通过E33号端子为前雾灯继电器提供接地控制信号，前雾灯继电器的电磁线圈产生磁场以后，继电器触点1、2号接通，电流从发动机盖下熔丝盒内的A13号(20A)流出，经过继电器后到达两个前雾灯。

式中，H中的IED 顺序与G相同且维持不变。若两者顺序不同而进行链路分析，会造成制定的安措与实际工作不符的情况出现，从而影响电网运行。

2.2 提出的安全隔离策略

通过图信号技术构建的IED 矩阵是一个有向加权的邻接矩阵，其所在的行是发送IED，所属的列是接收IED。因此，由图信号技术产生的安措链路包含了检修IED 和运行IED 之间的全部链路，即利用H与A便可获得安措链路矩阵A′。该矩阵表示如下：

式中，diag(H) 代表检修IED 是发送IED，(I-diag(H)) 代表运行IED是接收IED，I则为单位矩阵。

综上所述，文中设计的智能变电站二次系统安全隔离策略制定实施流程，如图2 所示。

图2 二次系统安全隔离策略的流程

具体步骤如下：

1）导入SCD 文件获取IED 之间的逻辑关系，并根据该逻辑关系分析出待检修设备与运行设备的隔离点。再利用图信号技术生成安全隔离链路，进而通过安措规则分析、执行各种隔离操作。

2）获得安全隔离链路后，根据设定的安措模板生成安措票以及相关文本。

3）按照安措票文本开启多媒体信息服务(Multimedia Message Service，MMS)，并尝试与所有IED 设备相连，同时对可连接设备予以核验。基于静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)技术[15-16]将设备连接关系进行可视化，并根据系统状态量的变化实时呈现操作后的设备连接情况。

3 实验结果与分析

基于ADPSS 数字化仿真系统搭建的智能变电二次设备测试平台如图3 所示。其支持IEC61850 9-2 SMV 网络，能够响应合并单元输出仿真采样数据给保护或测控装置。

图3 智能变电二次设备测试平台

文中以某220 kV 变电站的103 断路器年检操作为例进行了测试。其中一次设备运行情况为103 开关转检修；二次设备运行情况则是103 断路器保护、智能终端及合并单元退出运行。

3.1 图形可视化建模结果展示

由于智能变电站的连接端子是非实体的，因此基于图信息技术分析IED 间的物理逻辑连接关系并将其可视化。所得结果如图4 所示。

图4 虚端子可视化展示图

从图4 可以直观地获取二次设备的逻辑关系以及虚端子的连接关系，并可根据应用服务需要进行实时调整。同时，通过网络可视化，便于操作人员及时掌握设备及链路的状态，进而提高安措的可靠性和操作的安全性。

3.2 安全隔离策略可靠性分析

为了论证基于图信息技术生成的安全隔离策略的性能，将其与传统隔离策略进行对比。根据隔离策略生成的链路矩阵可以计算其可靠性，还能统计安措票的生成时间。所提策略与传统隔离策略在可靠性与安措票生成时间两个方面的对比结果，如图5所示。

图5 不同策略的可靠性对比

从图5 中可以看出，所提策略的可靠性有了显著提升，约为99.65%，相比于传统策略提高了0.28%。这是由于所提策略利用图信息技术生成隔离措施并将其可视化，能够避免网络虚拟化导致的IED 关系模糊。此外，通过边集数组存储虚回路的信息，并利用邻接矩阵实现安全措施的分析与判断，进而将安措的生成时间缩短到500 ms 以下。而快速生成安措票，对于应急抢修具有关键的作用和重要的现实意义。

4 结束语

随着电网智能化的发展，对其安全性也有了更高的要求。因此，文中提出了一种智能变电站二次系统安全隔离策略的设计方案，以确保设备检修的高效、安全。其中，利用图信号技术的边集数组存储了虚回路信息，并采用邻接矩阵实现了对安全措施的分析与判断，最终生成安全可靠的隔离措施。实验测试结果表明，文中所提策略的可靠性约为99.65%，较传统策略提升了0.28%，且安措的生成时间低于500 ms，效果符合预期。

虽然所提策略对于单个间隔的操作是有效的，但对于多个间隔操作的适用性能仍未验证。因此在接下来的研究中，将针对多种检修工作展开实验，以提高其普适性。