變電站故障過程可視化分析系統設計

王萌

(陜西能源職業技術學院 智能制造與信息工程學院, 陜西 咸陽 712000)

0 引言

隨著社會經濟的飛速發展，人們日常生活以及工業生產的用電需求逐漸增長，受益于科學技術水平的提高，電力系統逐漸智能化，設備越來越多、電網系統的規模越來越大，這就對變電站的穩定性以及安全性提出了挑戰。因此，在電力系統中，如何快速準確地定位故障位置是必須要解決的難題，除此之外，還可以利用繼電保護裝置確保系統運行穩定，繼電保護裝置在電力系統出現故障后會對故障進行快速的定位與切除，對電網運行的穩定性產生直接影響。繼電保護裝置動作的正確與否會對電網的安全穩定產生嚴重危害。

1 現狀分析

電力系統故障正確分析和準確繼電保護動作的執行是繼電保護的重點工作，采用保護裝置動作報告和動作錄波的常規方法主要是在解析故障報文內容的基礎上根據相關的定義以及設備裝置的內部結構邏輯分析保護動作的準確性，這種方法過程比較復雜，準確性不高，而且實時性差、分析過程不能可視化。另外一種方法是基于中間節點信息概念梳理保護裝置的內部邏輯關系，利用各類元件的故障時間線實現動作邏輯重現(以關鍵計算量作為動作依據)，錄波文件時序需同中間節點文件(詳細內容由電站信息規范明確)時序相一致，但這種方法也存在缺點，保護邏輯的設計要求不明確，關聯中間節點的數據與保護邏輯的方法難以實現[1]。因此本文致力于研究變電站的故障過程可視化分析，采用加密語言繪制繼電保護邏輯圖，采用SQLite數據庫存儲與中間節點相關的模型數據，采用IEC 61850標準通信協議實現數據實時獲取，為變電站故障定位以及原因分析提供技術支持，以此提升電網運行的穩定性和安全性。

2 系統整體設計

2.1 功能設計

目前變電站為滿足智能化發展需求通常采用數字化的信息傳遞形式，二次回路在編輯展示過程中抽象成不可見的虛連接的文本信息，對運維管理及檢修維護過程提出了挑戰，對電力系統中各種設備故障的及時發現、防止故障擴大化意義重大。穩定高效運行的電網系統需以變電站安全運行作為基礎，站內繼電保護裝置模型不同于常規變電站,以IEC 61850作為通信標準，顯著提升了信息化水平以及數據傳輸效率[2]。系統在功能上主要實現以下3個方面。

(1) 可視化交互：利用通訊技術以及信息技術實現繼電保護裝置的本地動作及遠程動作的仿真，對故障錄波可以通過可視化波形判斷數據精確性。根據波形趨勢對故障原因進行直觀快速的分析過程。

(2) 智能化分析：相關文件(包括中間節點及故障錄波)提高變電站標準網絡協議的充分利用實現在線實時獲取過程。通過構建其故障錄波信息與保護邏輯關聯，實現故障根因聯動分析，確保定位迅速、提高解決效率[3]。

(3) 兼容性：系統需具備向前兼容能力，實現不同型號的繼電裝置的自適應要求，支持版本升級、支持擴展。

2.2 系統設計

根據上述定位及分析故障問題的需求，本文完成了基于故障錄波和中間節點文件的變電站故障過程可視化分析系統的設計，做到故障快速定位，可視化智能分析。在輸出中間節點及故障錄波文件的基礎上利用IEC 61850 通信協議對繼電保護裝置實現信息獲取、加載、解析，根據預先繪制的邏輯圖以及各類設備的相關參數進行仿真，系統的整體架構如圖1所示。

圖1 系統整體架構

系統在整體功能框架上的功能模塊主要包括：數據存儲模塊、邏輯圖模型及關聯信息的參數配置模塊、繪制邏輯圖模塊、文件獲取模塊、保護邏輯及故障錄波的可視化展示模塊、實時刷新模塊以及版本兼容模塊[4],如圖2所示。

圖2 系統功能結構框架

(1) 數據存儲：該可視化分析系統的關鍵信息構成基于映射關系(包括電力系統圖元、邏輯圖、中間節點文件)，可擴展且通用性強的G 語言(XML 純文本語言的一種)能夠有效地對二維圖形進行描述并支持高效存取，能夠滿足電力系統圖元和邏輯圖的存儲需求，本文利用MD5算法對描述文件進行加密，利用SQLite 數據庫存儲映射關系，在傳輸過程中利用加密文件傳遞配置信息，以確保系統的安全穩定的運行[5]。

(2) 參數配置：預先繪制邏輯圖模型，并設置關聯參數。主要操作步驟如下。

首先，設計邏輯圖，分析邏輯關系及運算順序，明確動作事項之間的邏輯關系。其次，確定圖元類型，包括保護動作事項、連接線、邏輯運算、模擬量文本，確定動作事項的關鍵詞，根據動作事項變化判斷是否執行調取操作。再次，創建邏輯圖模型，模型的主要參數包括邏輯關系、動作事項以及模擬量參數。邏輯關系主要包括ID 、運算關系、規則、狀態以及類型；動作事項主要包括ID、名稱、狀態以及類型；模擬量參數主要包括ID、模擬值以及單位；最后，配置動作事項和邏輯模型的關聯。將邏輯圖設定為識別項，將聯動中間節點信息作為變化項，確定序號以及名稱后進行邏輯圖的對應與關聯[6]。

(3) 繪制邏輯圖：根據需求在工具欄上繪制輸入、輸出、關系等圖元按鈕。根據邏輯圖模型配置圖元屬性，對整體布局進行保存。

(4) 文件獲取：實現故障錄波文件的采集，為后續分析奠定基礎。

(5) 可視化展示：實現保護邏輯以及故障錄波的可視化直觀展示，使分析過程更加清晰。

(6) 實時刷新：實時刷新最新數據，確保數據準確性。

(7) 版本兼容：實現不同型號保護裝置的自適應管理，提升系統兼容性[7]。

3 主要功能模塊的實現

3.1 故障記錄的在線獲取

展開保護動作的繼電保護裝置會立即上送故障錄波序號值(采用IEC 61850報告形式，隨著保護動作次數依次累加)，將其作為觸發依據獲取中間節點、故障錄波文件，獲取流程如圖3所示。

圖3 在線獲取文件流程

首先，利用通信服務模塊的文件管理程序初始化保護裝置，讀取故障錄波的原始序號值記作Y；然后，對序號值定時刷新記作X，代表新的值。最后，針對中間節點文件和故障錄波，在X-Y=1的情況下啟動在線獲取線程，采用DL/T 860方式獲取錄波文件和中間節點文件[8]。

3.2 實時刷新

根據故障錄波文件的獲取流程，在出現新文件時，系統可對繼電保護裝置的相關文件進行實時刷新，重新解析并展示最新圖形，以此確保數據的實時性與準確性，為運維人員

提供最精準的故障信息。系統采用模擬動態波形圖的方式降低對聯動更新的影響[9]。中間節點的文件中記錄了版本信息，一旦檢測到關聯信息變化，則更新邏輯模型。

3.3 可視化展示

系統支持兩種故障仿真展示方式：自動方式是根據中間節點文件記錄的時刻定時仿真，手動方式可以按照時間逐條仿真。在仿真過程中，邏輯圖與故障錄波波形圖有所關聯，系統支持邏輯圖的縮放和位置移動，故障錄波波形圖支持橫向、縱向縮放、波形復位。并在邏輯仿真存在異常時發出告警，以便采取后續處理措施。

3.4 版本兼容

系統具有高兼容性，對于非標準化編碼的情況也同樣適用，可識別不同型號裝置的錄波文件。系統版本管理采用自適應模式，根據裝置版本分類存儲，利用圖形化界面創建索引，實現與邏輯模型的相互映射并在模型數據庫中保存，升級裝置版本時通過邏輯圖及映射關系的增量配置即可快速實現，從而使系統的復用度和兼容性得以有效提升[10]。

4 總結

為了實現可視化變電站故障分析，提高實時性，構建了變電站故障過程可視化分析系統，單獨裝置在平臺之上，操作簡單直觀、通用性強，采用加密 G 語言描述邏輯圖文件，兼顧安全性與系統靈活性，增強系統可擴展性。采用SQLite 數據庫存儲中間節點文件與邏輯圖模型的映射關系，通過通信服務模塊管理裝置的中間節點文件，支持可視化展示邏輯圖、故障波形曲線，支持定時刷新，支持自適應版本升級。系統既可以減少變電站的故障分析工作量，又可以提升故障處理的時效。