智能變電站系統級測試及性能評估技術研究

楊東?！↑S殿勛　段運鑫　王強　馬彬

摘要：本文結合現階段智能變電站技術規范要求及建設經驗，通過對智能變電站系統級測試技術、基于貝葉斯網絡的測試結果評價、智能變電站整體性能評估體系的建立等方面的研究，系統分析了智能變電站系統級測試及性能評估方面的相關技術和方法，提出一種改進的智能變電站系統級測試及性能評估的技術。本技術可以有效提升智能變電站的綜合測試水平及運維管理水平，使智能變電站日常運行更加安全可靠。

關鍵詞：智能變電站輔控系統 軟件設計 跨平臺 消息交互機制 數據模型

中圖分類號：TM63 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0096-03

本世紀以來，科技水平突飛猛進的提升以及社會供需方面的高速增長不斷推動人類向智能化方向前進。為了應對日益嚴重的環境污染和資源枯竭的壓力，實現全地域的資源優化配置和人類的可持續發展，以及提高國家能源安全的戰略需求下，國內各資源部門均不遺余力地在各自領域進行探索。電力網絡作為關系到國民生產經濟命脈的基礎產業和公用事業的紐帶，在國家發展規劃和各地方發展規劃中有著舉足輕重的地位。國家電網公司近年來全力推進智能電網和智能變電站的建設，被視作行業智能化改造的先鋒。智能變電站是智能電網的基礎節點和重要組成部分[1]，是建設堅強型智能電網中的一個重要的環節。智能變電站是指采用集成、先進、低碳、環保、可靠的智能設備，以通信平臺的網絡化、全站信息的數字化、信息共享的標準化為基本要求，能夠自動完成信息采集、控制、測量、計量、保護和監測等功能，并可根據調度的需要，可實現電網運行狀態實時自動控制、在線分析決策、智能調節、多設備協同互動等高級功能的變電站[2]。其主要特征在于設備檢修的狀態化、信息采集的數字化、信息共享的網絡化、信息應用的智能化。我國的智能變電站自動化系統通常由一體化監控系統和電力設備狀態監測、輔助設備、GPS同步、計量設備等共同構成。一體化監控系統匯集變電站內各自動化設備，上下連接調度、生產等主站系統，是智能變電站自動化系統的核心部分。一體化監控系統采集智能變電站內電網運行狀態和二次設備運行狀態，通過標準化的接口和傳輸協議與電力設備狀態監測、輔助應用、計量裝置等進行信息的交互，從而實現智能變電站全景數據的采集、監視、處理、控制、運行管理等，其邏輯關系如圖1所示。

隨著智能變電站在我國大范圍的快速建設，傳統的系統測試手段和設備的性能評估方法已經凸顯出其局限性，而數字化技術的應用使得單個設備與其他設備的關聯日益緊密，因此，迫切需要對智能變電站的系統級測試技術及整體功能評估體系進行深入研究，從而降低運行裝置的故障率，以保證智能變電站可靠運行。

本文將在分析智能變電站運行設備特點的基礎上，結合國內有關智能變電站的技術規范要求，通過對智能變電站系統級測試技術的分析、基于貝葉斯網絡的測試結果評價、智能變電站整體性能評估體系的建立等方面的研究，提出一種改進的智能變電站系統級測試及性能評估的技術。

1 系統級測試技術

智能變電站在信息采集、數據的傳輸處理等各環節均與傳統的變電站有著本質的區別。IDE設備如電子式互感器、合并單元、智能終端、網絡交換機等的性能及其與繼電保護裝置等IDE設備的配合性等因素，成為關乎智能變電站安全可靠運行的關鍵所在。基于常規單裝置的傳統試驗方法已經不能滿足對IED設備進行整體性能測試的要求。目前迫切需要一種試驗方法和技術，能夠研究并測試IED設備的互聯綜合性能。

目前對智能變電站的測試主要包括設備的單體測試、子系統測試（如保護子系統、GPS子系統等）、系統級測試（如站域級的系統測試）等。其中系統級的測試通常是在工廠聯調階段有該實驗條件的系統集成商在其廠房內的測試，也可以通過第三方檢測機構借助仿真試驗平臺進行的測試以及智能變電站施工階段的現場系統聯調。

1.1 工廠化集成聯調測試

系統集成商按電站規模要求，在車間內完成軟件的二次開發和系統的搭建，模擬測試環境，通過測試設備獲取測試結果，并完成相關的技術資料編寫，這種測試方法通常只是要求系統在出廠前完成最基本的試驗，測試深度與合同及相關技術規范的要求相比有一定差距。設備出廠驗收時主要是檢查各設備安裝屏柜的外觀和銘牌、端子排、屏柜結構、內部二次接線等是否符合有關要求。檢查有關設備的使用說明書、出廠檢驗報告和產品合格證書是否齊全，還需要根據智能變電站的建模要求，進行ICD文件的規范性和一致性檢測。以上工作全部結束后，整理資料，形成該智能變電站的資料庫。存檔資料應包括全站模型文件、智能化設備的名稱及地址（包括IP地址、MAC地址以及APPID編碼）分配表、全站過程層VLAN劃分圖表、交換機端口定義表、虛端子設計圖紙、IED裝置的配置文件、程序版本號等文檔，以供智能變電站現場調試、技改或擴建時使用。

1.2 基于動模仿真平臺的測試

實驗室中搭建站域動模試驗系統，收集各廠家的過程層、間隔層、站控層的IED設備模型，制作全站模型文件，在模擬系統中運行全站設備，通過設置多個故障點進行測試，根據測試結果分析各種裝置的聯動試運行性能。這類測試需要配置傳統、光學、電子等多類型互感器及合并單元與智能終端，組建與該智能變電站規模相適應的過程層網絡和站控層網絡。通過配置GPS/BDS同步時鐘對時源對各IED裝置精確對時，進行IED裝置數字化采樣的準確性和同步性測試。智能變電站動模測試系統如圖2所示。

1.3 站域級系統測試

各IED裝置出廠聯調完成后運抵變電站施工現場進行現場調試。裝置現場調試開始前，應會同三方（業主或監理、設計單位、設備廠家）進行設備開箱檢查驗收，根據設備裝箱單清點設備各零部件，設備外觀不應有明顯的損傷，隨機資料應齊全完備，所附帶資料份數應滿足現場施工條件的要求。根據現場施工圖和設備布置圖，清點已上屏智能裝置，核對各IED裝置版本型號，收集變電站廠內調試資料，制作各IED裝置的配置文件，完成間隔層、過程層、站控層系統配置。最后進行全站SV測試、GOOSE測試、GPS/BDS同步測試、測控裝置及遠動系統調試、整組傳動及模擬帶負荷試驗。

2 測試評價

系統級測試的評價分為功能性評價和失效性評價兩大部分。

2.1 功能性評價

在智能變電站系統級測試評價中，我們特別關心的是智能變電站設備尤其是保護的動作行為是否滿足預期，因此保護的速動性、可靠性、靈敏性等，是評價保護設備及相關聯設備的首要指標，如電子式互感器、交換機等。這種評價重點是考核保護及其相關設備的功能性設計是否滿足要求。對保護功能性評價應基于電力系統網絡構架而進行，業內研究者在這方面提出了很多頗有見效的方法如下：（1）基于產生式規則的專家系統，該系統具有直觀性、有效性和實時性等特點，但系統日常維護繁瑣且建立專家系統庫需要大量確切的數據。（2）利用人工神經網路模擬的網絡架構方法具有容錯能力強、魯棒性能好和學習能力強的特點，但同符號型和數據型數據庫進行交互時容錯性較差，自身行為的解釋和結論的輸出能力較弱。（3）優化算法，通過將類似故障診斷的問題轉化為無實際約束的0-1整數規劃問題，再進行最優化選擇處理，這種方法在數據處理過程中有可能會失去某些問題的最優解。（4）故障樹型圖，通常用來反應系統故障發生和傳播的流程，是一種邏輯表示方法，它具有形象地體現以系統的方法對節點進行研究和解決網絡安全問題的特點。該方法具有系統性、準確性和預測性的特點，是安全系統工程的主要分析方法之一。（5）Petri網分析法，該方法是以網絡理論為基礎描述系統中偶然事件之間的邏輯關系，通過建立數值矩陣，運算和推導系統中同時發生或依次發生的各種動態活動[3]。

以上方法中基于故障樹型圖的分析方法在實際應用過程中，常因為NP難等問題受到約束和局限，且在原始數據掃描過程中搜索效率低。針對故障樹型圖所存在的弱點，通過將故障樹型圖轉換為Petri網模型，可以利用Petri網的多樣化性能指標對系統故障進行診斷，從而有效避免了故障樹型圖分析方法的局限性，基本解決了故障樹型圖事件查詢的低速和低效問題。

2.2 失效性評價

繼電保護的失效性是由于硬件損壞或老化，系統回路異常和軟件的不完善引起的，這也是系統級測試應當關注的一方面，通過這種可靠性評價，可找到系統可靠性的薄弱環節，并對可能提高系統可靠性的各種措施進行系統評價?，F有資料表明，電力系統可靠性評價常采用解析法和蒙特卡羅模擬法，通過計算和統計系統的可靠性指標來完成系統可靠性的量化評價，這類方法難以有效地識別制約電力系統高可靠性的瓶頸問題，因此迫切需要一種新型的系統分析方法以便指導規劃部門和運維部門采取有效措施提高電力系統的可靠性。

貝葉斯網絡是20世紀80年代后期發展起來的的一種新型人工智能計算方法?；诟怕世碚摶A的貝葉斯網絡分析方法能完成各種因果推理、辯解推理和診斷推理，其原理是在給定某一變量或多個不確定變量的具體取值狀態后，通過概率更新計算求得未知變量的條件概率，從而能從多角度對系統進行各種假設分析，從而分析識別電力系統可靠性的薄弱環節。

3 整體性能評估

選擇合適的評估指標以及采用合適的評價方法是評估工作的重要環節。在選定研究對象構建性能評估指標體系前，需要研究和評價待管理對象的各種指標以便進行選取影響最大的指標因子。最終確定待評估指標后，通過對指標的分析研究和合理組合，才能建立起待管理對象的指標評估體系。

3.1 體系構建原則

體系構建過程中應充分考慮到智能變電站所承擔的實際運行狀況和用電負荷。智能變電站整體性能的評估指標體系構建基本原則如下：（1）動態性：因為被評測的對象時刻在變化，因此體系構建過程中應充分考慮所選指標動態變化的特點。（2）導向性：目的不同，選取的研究對象也就不同，應該選擇都是為評估目標而服務的評估對象。從系統的各個方面對待評對象設立指標，以此來實現評估目標的導向性。（3）科學性：選取的評估指標應能夠全面反映研究對象，即智能變電站系統的特點，選取過程中應對各個子系統和指標間的相互關系進行整體規劃，盡可能客觀真實地反映系統的構成。（4）層次性：多層次化指標體系，自下而上逐層聚合，逐層進行指標的具體化、實例化。也可以按照系統規模將評估指標體系分為多個子系統。（5）定量與定性指標相結合的原則：實際中某些指標難以量化，無法進行精確測量，但是如果不考慮這些非定量指標對系統的影響，就無法得到全面準確的評估結果。

3.2 構建方法

智能變電站評估指標的選取和指標體系的建立是一項復雜和高技術含量的工作，不僅要求從業人員對智能變電站所涉及的IED設備、智能變電站理論知識、站域網絡結構、標準應用范圍、系統規模評估等要熟練掌握。同時也要求從業人員具備豐富的現場調試經驗和發現問題解決問題的能力。另外，必須要收集待研究智能變電站盡可能多的相關資料和掌握智能變電站工程改造項目。評估指標體系的構建大體上可以分為評估指標的初選過程和評估指標的完善過程兩個過程，如下所示。（1）評估指標體系的初選過程，此階段主要從電站整體結構上進行分析。依據資料通常是根據國家電網頒發的《智能變電站技術導則》、《變電站智能化改造技術導則》等。根據導則選出新的IED設備進行匯總，再根據所選設備的性能進行分類，從而建立起設備性能指標集合。設備各方面的指標釆用層次分析法，將設備性能指標按類型分類向下展開為若干二級指標，再把各二級指標分別向下展開成三級指標，依此類推，直到得出定量或定性的指標為止。（2）指標評估體系的完善初選后確立的評估指標集合并不完善，對一些不常見因素往往容易忽略，這就對評估結果造成一定的影響，因此需要對評估指標進行隨機選擇，然后對評估指標體系進行優化處理，同時需要對初選的評估指標進行系統驗證。對影響系統的各種因素進行分析排除，并確保所選指標的選定范圍、內容及所用選取方法的正確性，然后再驗證所選取指標的重要性、完備性和必要性。以上就是評估指標集合的完善過程，這個完善過程對智能變電站的評估尤其重要。

3.3 評估指標類型

智能變電站整體性能評估指標主要包括經濟性指標、技術性指標、實用化指標、社會性指標等。（1）經濟性指標智能變電站項目的經濟性較好，建設過程中能有效控制工程造價，主要體現在維護成本下降、效率提升、節約有色金屬等。項目通常采用GIS全封閉組合電氣，具有一次設備占地面積小、保護室面積小、整體工程量減少、節約工程施工費用等優點。智能變電站設備集成化程度較高，能夠減少全站的年綜合維護費。（2）技術性指標，技術性指標中主要包含全面性指標、互動性指標、先進性指標等。（3）全面性指標：主要反映智能變電站在設計過程中，輔助性設備是否納入智能一體化設計。 全面性指標主要體現變電站的數字化、智能化程度。（4）互動性指標：智能變電站應滿足“變電站集約化管理、順序控制、站控層設備間邏輯閉鎖等要求，并可與相鄰智能變電站之間協同互動，分享信息，共同支撐各級電網的安全穩定經濟運行”?；有灾笜擞种饕üδ芑踊?、信息標準化、配置標準化等三級指標。（5）先進性指標：主要包含IED設備、過程層同步對時、易布置性、易操作性、易維護性等評價指標。（6）實用化指標該指標主要用于分析和評價智能變電站項目的驗收結果和智能變電站是否在實際生產中發揮了應有的作用。（7）社會性指標智能變電站評價中的社會性指標主要指綠色施工等方面。主要包含節水、節地、節材、節能和節約建筑工程量等指標。智能變電站由于二次布線大量采用光纖通道，全站IED采用統一化規約，通信技術較傳統變電站有質的飛躍。一次設備的GIS化減少了土地需求，并相應節約了建設期工程量。

4 結語

本文結合現階段智能變電站技術規范要求及建設經驗，從站域角度來探索智能變電站設備的系統級測試手段以及相應的測試方法，在此技術上建立起對智能變電站整體性能和功能的評估體系。研究結果表明，對智能變電站進行測試時，僅做單體裝置的測試是遠遠不夠的。智能變電站具有高度的集成性和互操作性，不應將其割裂成單個裝置進行測試，測試中如果不考慮變電站系統級測試，就無法檢測裝置之間以及整個變電站系統的功能和性能。因此，對智能變電站系統級測試技術進行分析研究和建立設備性能的分析評估方法，對驗證全站自動化系統及相關設備的功能、性能，保證變電站可靠的運行以及降低裝置的故障率具有重要的意義。本技術的推廣應用，可有效提升智能變電站的技術水平及運維管理水平。

參考文獻

[1]趙虹霞，王震，鞏娜，等.智能變電站的發展現狀探討[J].大眾用電，2014（07）：13-14.

[2]孫鵬，盧軍，等.智能變電站關鍵技術和設備的應用研究[J].湖北電力，2011（S1）：90-94.

[3]張燕，佘維，李平，等.基于Petri網和故障樹的電力系統故障診斷模型[J].計算機測量與控制，2015（08）：26.