智能變電站失靈保護二次回路的可視化數字圖紙建模方法

王 磊，黃 力，張禮波，周政宇，張克聲

(1.貴州電網有限責任公司六盤水供電局，貴州 六盤水 553000；2.武漢映瑞電力科技有限公司，湖北 武漢 430014；3.貴州理工學院電氣與信息工程學院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

變電站是電力系統中完成電壓和電流變換、電能接受和分配的樞紐場所，一旦變電站發生事故，通常會導致大面積停電而造成社會負面影響。失靈是指變電站的斷路器本該動作跳閘時拒動，是電網故障情況下又疊加斷路器操作失靈的雙重故障[1-2]。根據國家標準GB/T 14285--2016的要求，220 kV及以上電壓等級電網均應配置斷路器失靈保護,變電站開關失靈保護利用故障設備的保護動作信息與拒動斷路器的電流信息構成對斷路器失靈的判別，以較短的時間切斷其他有關的斷路器，從而避免大面積停電事故[2]。基于DL/T 860--2004標準，智能變電站可劃分為過程層、間隔層、站控層的3層結構。相對于常規變電站，智能變電站的過程層取代了二次電纜回路，智能終端替代了操作箱，這使得所有連接于過程層網絡的設備只需在智能終端的配置文件中設置相應連接關系即可相互通信，無需考慮電纜接線問題。因此，啟動失靈保護二次回路(后簡稱為失靈回路)可采用智能終端進行自動識別，通過信號通信轉發的方式來完成[3-5]。但是，在當前變電站中用于運檢維護失靈回路的圖紙是電力設計院通過CAD繪制后，打印出的紙質藍圖。這導致在實際運維工作中，需要工作人員查閱大量分散且繁瑣的紙質圖紙來查找與失靈回路相關的連線、設備和裝置，再通過端子排圖與實際接線進行反復對比，才能確認故障點的連接關系及重要接點。由于失靈回路涉及的圖紙多，對于同一問題故障點需要多次翻閱不同的紙質藍圖進行排查，這種高度依賴運維人員專業知識和行業經驗的工作方式，不僅效率低下，而且當高電壓等級的變電站中電流回路數量巨大時，極易造成對失靈回路的漏檢和錯檢，而導致電網運行事故。所以，建立智能變電站失靈回路的數字圖紙，實現通過智能終端集中查閱和分析，并最終實現失靈回路的自動化判別和啟動，對于及時避免大規模停電事故具有重要的現實意義。

首先，通過收集變電站中與失靈回路相關的設計原圖，創建失靈回路屬性信息；其次，利用失靈回路屬性信息，調用失靈回路關聯算法建立各電口間的電線連接信息模型，再通過失靈回路完整性驗證算法核實電線連接信息是否正確，以確保形成完整的失靈回路；最后，利用失靈回路可視化圖形生成算法，在畫布上將電氣裝置和設備用規定的符號進行表示，將各電口在畫布上用電線連接，形成可被智能終端上查閱和分析的失靈回路可視化數字圖紙。該可視化數字圖紙，將分散的失靈回路設計圖紙信息進行數據化、結構化整理，并將失靈回路與相關的電氣設備和裝置進行了關聯。

1 失靈回路屬性信息

收集變電站中由設計院提供的失靈回路相關紙質藍圖，包括：失靈回路設計圖紙、端子排圖、小室位面圖、屏柜分布圖、柜面布置圖、裝置背板電口圖紙、電纜清冊。然后，通過人工查閱和手動錄入完成失靈回路屬性信息數據庫的創建，可獲得以下信息：

a.變電站信息。包括電站編號，變電站名稱，省份簡稱，地區簡稱，變電站簡稱，電壓等級。

b.小室信息。包括小室編號，小室名稱，小室描述。

c.屏柜信息。包括屏柜編號，屏柜名稱，屏柜描述，小室編號。

d.裝置信息。包括裝置編號，裝置類型，裝置所屬的屏柜編號。

e.電氣設備信息。包括電氣設備編號，電氣設備名稱，電氣設備類型(包含正電電源、端子排、壓板、節點)，電氣設備所屬的屏柜編號。

f.電口信息。包括電口編號，電口序號，電口方向(分為發送Tx和接收Rx)，電口所屬裝置的編號，電口所屬電氣設備編號。

g.電纜信息。包括電纜編號，電纜名稱，電纜起點屏柜編號，電纜終點屏柜編號，電纜規格，電纜芯數，電纜備用芯數。

h.電線信息。包括電線編號，電線名稱，電線起點電口編號，電線終點電口編號，電纜編號。

i.短接關系。包括短接關系編號，起點電口編號，終點電口編號，所屬裝置的編號。

2 失靈回路關聯和完整性驗證算法

從設計圖紙中提取得到與失靈回路相關的電氣設備及裝置的電口信息后，按照正電電源流經的方向將電口用電線連接起來，建立各電口間的電線連接信息模型。需要注意：如果是經過了2個屏柜的電線，則需要選擇對應的電纜信息；遇到多個節點共用1根虛擬電線的情況，需要配置相應的短接關系信息。當上述電線信息全部創建完成后，還需要通過算法將該電線信息模型拼接組成完整的失靈回路，并且核實所創建的電線信息是否正確。失靈回路關聯和完整性驗證算法流程如圖1所示。

圖1 失靈保護二次回路關聯和完整性驗證算法流程

算法的詳細步驟說明如下。

a.查詢所有設備類型為正電電源的電氣設備，通過其編號在電口信息中查詢與之相關的電口信息(正電電源是失靈回路的起點，其電口方向為發送Tx)；再從相關的電口信息去查詢電線信息，如果存在電線信息，則通過電線信息取得終點電口編號(該電口方向為接收Rx)。

b.首先，根據獲取的終點電口編號查詢與其他電口是否存在短接關系，若存在則按照短接關系所對應的電口信息查詢下一條電線信息，若不存在則查詢當前終點電口所屬的電氣設備信息或者裝置信息。其次，如果當前終點電口所屬為電氣設備，且電口類型是端子排或節點，則查詢與之電口序號相同但電口方向相反的電口信息，根據查詢到的電口信息去查詢下一段電線信息；如果所屬為裝置信息，則先去查詢短接對應關系數據中是否存在短接關系，若存在則根據查詢到的電口信息去查詢下一段電線信息，若不存在則通過相同該裝置下相同電口序號但電口方向不同的電口去查詢下一段電線信息。在內存中記錄該裝置信息和所屬的屏柜信息(此信息只會在該流程中存儲1次)。

c.不斷重復步驟b，直到查詢到電口信息所屬的裝置信息與內存中存儲的裝置信息相同，將已得到的電線信息存入1個集合中，從而保證了失靈回路的完整性。

d.將步驟c獲取的電線集合與系統內存中的裝置信息相關聯，并存入數據庫中，完成整個失靈回路的關聯建模。

3 可視化數字圖形生成算法

當完成失靈回路關聯和完整性驗證后，可讀取數據庫存入的回路模型數據，生成可視化的數字圖紙，生成步驟如下所述。

a.根據用戶所選的裝置信息的裝置編號在失靈回路模型數據中查詢對應的失靈回路數據集合。

b.將查詢到的失靈回路數據集合進行提取遍歷，拆分成每條單獨的電線信息，通過電線的起點電口編號查詢其對應的裝置信息或者電氣設備信息，根據電線兩端所連接的裝置信息和電氣設備類型在畫布上按照國家標準GB/T 4728-2008 《電氣簡圖用圖形符號》進行繪制，并畫電線進行連接。當查詢到電氣設備類型是正電電源時，將該電線作為畫布上的第1條電線，正電電源為起點(畫布上只顯示正電電源的名稱)，終點則是該電線另一端所連接的裝置信息，在畫布上繪制該裝置的電口符號，并記錄其坐標位置。獲取第2條電線，判斷其起點電口所對應的裝置信息是否和第1條線的終點電口對應的裝置信息相同，若相同則判斷第2條線終點電口所屬電氣設備類型，如果電氣設備類型是端子排，則在畫布上繪制該端子排的電口符號，并記錄其坐標位置。如果電氣設備類型是節點，則在畫布繪制節點符號，并記錄其坐標位置，如果是壓板，則在畫布繪制壓板符號，并記錄其坐標位置。獲取第3條電線，判斷其是否存在電纜編號，若存在則說明該電線是電纜中的纖芯，終點電口所對應電氣設備類型為端子排(因兩屏柜之間的電線交互必須是通過端子排連接的)，則在畫布上繪制此終點電口符號，并記錄其坐標位置。之后，每讀取一段電線信息，都需要判斷其是否存在電纜編號，若存在就按照該電線是電纜中的纖芯進行處理，若不存在則查詢終點電口對應電氣設備類型，再用不同符號在畫圖上進行表示。另外，當電線的終點電口存在短接關系時，則通過短接關系中的終點端口來查找下一條電線信息。

c.通過反復執行步驟b直至將整個集合中的電線信息查找完成，將全部裝置和電氣設備用不同的符號表示，并完成各電口的電線連接。

d.通過步驟c可以得到國標規定的各裝置和電氣設備的圖形符號及電口信息，通過電口信息獲取對應的屏柜信息，將同一屏柜中圖形畫于同一框內，并在畫框的上方填入屏柜的名稱及描述信息。至此，失靈回路的可視化數字圖紙已經生成。

4 數字圖紙生成實例

圖2 失靈啟動回路原圖

啟動回路是保障失靈回路正常工作的核心。某變電站失靈啟動回路的CAD設計原圖如圖2所示(它打印出來便是變電站中的紙質藍圖)，以圖2中的220 kV水黃Ⅱ回主一保護為例，說明失靈回路如何完成保護動作。線路保護的保護動作節點開出至母線保護失靈開入，7-TAJ2，7-TBJ2和7-TCJ2分別代表斷路器A相、B相和C相保護動作節點。12TJQ，22TJQ，12TJR，22TJR代表操作箱中的三相跳閘節點。保護動作節點和三相跳閘節點經過啟動失靈硬壓板后接入母線保護失靈開入，12LP4/5/6分別為A/B/C相失靈啟動壓板，4LP2為三相失靈啟動壓板。當220 kV水黃Ⅱ回主一保護單相或者三相動作跳閘時，以上節點均會閉合，閉合后正電+KM通過硬壓板直接到達母線保護裝置，裝置會收到A相啟動失靈、B相啟動失靈、C相啟動失靈或三相啟動失靈開入，從而完成失靈判別中的保護動作。當運維人員需要對失靈回路進行檢修時，必須依據自身的專業知識和經驗對圖紙進行多次翻閱進行問題查找。這種檢修方式不僅效率低下，而且非常容易出現錯誤和遺漏，進而造成電網運行的安全隱患。根據CAD設計原圖，可以創建數字化圖紙，其生成步驟如下描述。

a.收集圖紙資料，從失靈回路藍圖中提取并創建與生成數字化圖紙相關的屬性信息，諸如變電站、屏柜、裝置、設備、電口和電線等信息。除變電站和屏柜名稱等信息外，還需要創建：正電電源，名稱為+KM；220 kV母線保護B套信息，創建B套裝置電口信息1B2，1A30，1A28和1A26，端子排信息SD及SD的12，31，33，35，36等電口信息；創建電纜信息3E-130G和3E-136；創建220 kV水黃II回主二保護的裝置及電口信息，創建對側屏柜端子排信息1D及1D 的47，46，48，49，50，51電口信息，壓板信息12LP4，12LP5，12LP6，創建節點信息7-TAJ2，7-TBJ2，7TCJ2，創建裝置1×7-c6，1×7-c20，1×7-c22，1×7-c24電口信息；創建220 kV水黃II回主一保護的裝置及電口信息，創建端子排信息4D及4D 的173和175電口信息，創建壓板信息4LP2，創建節點信息12TJQ，22TJQ，12TJR和22TJR，創建裝置4n169和4n170電口信息。

b.根據步驟a中提取的裝置信息、設備信息、電口信息和電線信息調用失靈回路關聯和驗證算法，建立各裝置和設備電口間的電線連接信息模型。調用失靈回路關聯算法：利用步驟a創建的屬性信息，開始創建電線模型。按照正電電源流經的方向將上述信息模型分段進行連接。例如：第1段線是正電電源(+KM)到端子排SD的12Rx口；第2段線是從端子排的12Tx口到對側屏柜端子排1D的47Rx和46Rx口。以此類推，連接圖紙上各電口信息。如果是經過了2個柜子的電線，則需要選擇對應的電纜信息；遇到7-TAJ2，7-TBJ2和7-TCJ2多個節點的情況，需要配置短接關系信息模型，在連接完1×7-c6到7-TAJ2的電線后，需要將7-TAJ2的Rx口和7-TBJ2及7TCJ2的Tx口短接起來，即創建短接關系信息模型。調用完整性驗證算法：當各電口間的電線信息創建完成后，通過驗證算法核實所創建的電線信息是否正確，確保將該電線信息模型拼接組成完整的失靈回路。

c.調用可視化數字圖紙生成算法。根據步驟a中的信息屬性名稱和步驟b中生成的完整失靈回路模型，調用可視化數字圖紙生成算法依照各電氣設備、裝置和節點的圖形符號，在畫圖上在規定的坐標上進行標注，并依據步驟b中創建的電線信息，在畫布上將各設備、裝置和節點畫上相應的電線進行連接，再將屬于同一屏柜中圖形畫于同一框內，并在畫框的上方填入屏柜的名稱及描述信息。

通過以上步驟，生成了如圖3所示的可在智能終端上查閱和調用的可視化數字圖紙。

圖3 失靈啟動回路數字圖紙

由于電氣設備和裝置已與失靈回路進行了關聯，便可實現單獨分析與某一設備、裝置相關聯的失靈回路，從而可進一步提升工作效率和故障分析的準確率。

5 結束語

通過創建失靈回路屬性信息，利用失靈回路關聯、完整性驗證算法和可視化數字圖形生成算法，生成了智能變電站失靈回路的可視化數字圖紙。生成的數字圖紙將大量分散的失靈回路紙質藍圖的信息進行了數據化和結構化的整合，并將失靈回路與電氣設備、裝置相關聯。現場運維調試人員可通過智能終端集中查閱數字圖紙分析失靈回路的故障點，還可通過某一設備、裝置分析與之關聯的失靈回路，從而提高了工作效率，降低了漏檢、錯檢率。本文工作為下一步在智能終端的實現失靈回路自動化判別和啟動打下了基礎。