基于邊緣計算的二次設(shè)備動態(tài)診斷技術(shù)的研究與應(yīng)用?

李玉敦，耿玉杰，管 荑，唐 毅，王 昕

(1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001)

隨著變電站大量投運，二次設(shè)備管理和運維檢修業(yè)務(wù)成倍增長，運維檢修人員數(shù)量相對穩(wěn)定，信息技術(shù)手段欠缺，二次設(shè)備安全運行壓力增大，電網(wǎng)安全運行的要求與運維壓力持續(xù)增加的矛盾日益突出，現(xiàn)有二次設(shè)備運維檢修模式難以為繼。當(dāng)前變電站繼電保護(hù)、測控裝置、安自裝置、合并單元、智能終端、交換機(jī)等二次設(shè)備需要投入大量的人工巡視、檢修試驗、異常研判和處置，數(shù)字化的二次設(shè)備產(chǎn)生了海量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大且分散復(fù)雜，并且沒有得到充分有效利用，二次設(shè)備在運維檢修方面存在以下問題:

(1)運維人員遠(yuǎn)離設(shè)備，信息化手段欠缺，數(shù)據(jù)未充分有效利用，不能及時、準(zhǔn)確、全面掌握設(shè)備狀態(tài)，異常情況未得到及時發(fā)現(xiàn)；

(2)隨著變電站數(shù)量增加，運行巡視周期變長，誤投、漏投壓板風(fēng)險，定值誤整定風(fēng)險長期存在，是變電站安全運行的潛在“地雷”；

(3)部分告警自動復(fù)歸，與設(shè)備運行狀態(tài)、二次回路狀態(tài)相關(guān)聯(lián)缺陷缺少監(jiān)視和診斷分析，繼電保護(hù)存在拒動和誤動風(fēng)險；

(4)對于二次設(shè)備運行信息缺乏監(jiān)視和診斷分析手段，其通信狀態(tài)、二次回路、電壓/電流、縱聯(lián)通道、裝置自檢等關(guān)鍵核心業(yè)務(wù)的主動排雷機(jī)制缺失，一旦出現(xiàn)異常直接導(dǎo)致二次設(shè)備異常情況發(fā)生。

由此，加強對電力系統(tǒng)二次設(shè)備的運行管理，強化二次系統(tǒng)自身的狀態(tài)感知、信息交互、診斷分析、異常預(yù)警，是保障電網(wǎng)安全必不可少的環(huán)節(jié)。為解決上述問題，本文提出了二次設(shè)備邊緣計算模型和動態(tài)診斷技術(shù)方案。利用該技術(shù)，能夠在二次設(shè)備日常運行過程中，自動、準(zhǔn)確進(jìn)行異常識別和分析，通過機(jī)器主動準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)異常問題，全面提高二次設(shè)備安全運行水平[1]。

1 二次設(shè)備動態(tài)診斷總體架構(gòu)

基于面向設(shè)備的狀態(tài)在線感知技術(shù)，采用云邊協(xié)同總體框架，應(yīng)用IEC61850 規(guī)約進(jìn)行主子站通信，構(gòu)建“云－管－邊－端”四級結(jié)構(gòu)。通過邊緣計算、云邊協(xié)同模式，實現(xiàn)二次設(shè)備全方位在線感知和動態(tài)診斷，全面支撐二次設(shè)備在線監(jiān)視及動態(tài)診斷應(yīng)用[2]，總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 總體架構(gòu)

在變電站端部署邊緣代理(二次設(shè)備在線監(jiān)視及智能診斷裝置)，在線采集繼電保護(hù)、測控裝置、安自裝置、合并單元、智能終端、交換機(jī)等二次設(shè)備運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，充分利用二次設(shè)備在線監(jiān)視及智能診斷裝置在變電站端就地就近的數(shù)據(jù)匯集和邊緣計算能力，動態(tài)診斷二次設(shè)備通信狀態(tài)、二次回路、電壓/電流、縱聯(lián)通道、裝置自檢等異常情況，主動發(fā)現(xiàn)二次設(shè)備隱性故障和異常缺陷，在邊緣節(jié)點直接生成診斷結(jié)果，通過主子站通信模塊上送到調(diào)度端，調(diào)度端在調(diào)控云端解析每種邊緣計算動態(tài)診斷結(jié)果進(jìn)行應(yīng)用展示和融合分析，全面提升變電站二次設(shè)備管控力和在線診斷分析能力，依靠在線數(shù)據(jù)進(jìn)行智能研判，對二次設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)診斷分析[3]。

2 邊緣計算模型定義

二次設(shè)備在線監(jiān)視及智能診斷裝置的邊緣計算建模采用擴(kuò)展通用邊緣計算事件節(jié)點建模，應(yīng)用GGIO 邏輯節(jié)點類，各個子站定義N 個GGIO，每一個邊緣計算業(yè)務(wù)定義一個GGIO，在邊緣代理默認(rèn)具備如下表格定義的邊緣計算功能，支持?jǐn)U展。邊緣計算功能通過定值管理，廠家在出廠時默認(rèn)設(shè)置缺省定值，在用戶不整定的情況下，不影響邊緣代理功能，并支持用戶整定[4]，其定義見表1。

表1 邊緣計算GGIO

在此邊緣計算模型基礎(chǔ)上，支持按照固定結(jié)構(gòu)擴(kuò)展邊緣計算業(yè)務(wù)功能，主站端按照邊緣代理側(cè)設(shè)置的邊緣計算功能增加對應(yīng)的解析服務(wù)即可實現(xiàn)云邊協(xié)同模式下的二次設(shè)備動態(tài)診斷。

基于邊緣計算功能模型，依靠二次設(shè)備在線監(jiān)視及智能診斷裝置實時采集和可靠運行，基于采集的二次設(shè)備海量數(shù)據(jù)開展就地分析和動態(tài)診斷，各個邊緣計算功能獨立運行，生成對應(yīng)的動態(tài)診斷結(jié)果，診斷結(jié)果以XML 文件承載，使用UTF－8 格式字符編碼，文件命名為“STAT＿功能碼＿告警碼＿時間信息”。在上送到調(diào)度端的傳輸過程中不對文件進(jìn)行任何解析和修改，主站端針對不同類型的邊緣計算功能，通過各個邊緣計算業(yè)務(wù)診斷結(jié)果的功能碼識別對應(yīng)的業(yè)務(wù)類型，調(diào)用對應(yīng)的解析服務(wù)進(jìn)行分析展示[5]，實現(xiàn)邊緣計算功能可擴(kuò)展和自整定，各個邊緣計算業(yè)務(wù)功能碼如表2 所示，定義的邊緣計算模型如圖2 所示。

表2 邊緣計算功能碼定義

圖2 邊緣計算模型

3 二次設(shè)備動態(tài)診斷方案

3.1 邊緣計算

基于以上分析，邊緣代理全時段在線監(jiān)測二次設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，強化設(shè)備的運行屬性監(jiān)測，通過對動態(tài)數(shù)據(jù)的診斷分析，實時掌握數(shù)據(jù)異動及異常發(fā)展趨勢，邊緣計算結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 邊緣計算結(jié)構(gòu)

3.2 通信狀態(tài)診斷

二次設(shè)備在線監(jiān)視及智能診斷裝置在就地端診斷分析與其通信連接的繼電保護(hù)、測控裝置、安自裝置、合并單元、智能終端、交換機(jī)等二次設(shè)備MMS 或私有協(xié)議通信中斷情況下[6]，通過計算分析通信狀態(tài)的保持時間計算二次設(shè)備的通信連通率，通信連通率計算公式為:1－(子站與裝置通信中斷時間/子站與裝置應(yīng)正常通信時間)×100%，其中子站與裝置通信中斷時間和子站與裝置應(yīng)正常通信時間單位為小時；子站與裝置應(yīng)正常通信時間不包括裝置因定檢等原因正常退出時間。通信狀態(tài)診斷流程如圖4 所示。

圖4 通信狀態(tài)診斷流程

通信狀態(tài)診斷應(yīng)用詳細(xì)判斷規(guī)則為:二次設(shè)備的通信連通率大于等于95%且在計算分析時的通信斷面正常，則診斷結(jié)果為正常狀態(tài)；計算分析二次設(shè)備的通信連通率為90%至95%，或分析計算時通信斷面中斷且通信連通率大于等于90%，則診斷結(jié)果為異常狀態(tài)；當(dāng)計算分析二次設(shè)備的通信連通率小于90%，則診斷結(jié)果為嚴(yán)重異常狀態(tài)，根據(jù)不同二次設(shè)備的連通率的診斷情況，生成對應(yīng)的診斷報告將此次診斷周期內(nèi)異常內(nèi)容，包含:異常的起始時間、結(jié)束時間、持續(xù)時間、連通率，過程及斷面連通狀態(tài)上送主站端及時告知運維檢修人員[6]。

3.3 二次回路診斷

動態(tài)采集分析保護(hù)裝置、測控裝置、交換機(jī)、合并單元、智能終端等二次設(shè)備的GOOSE 和SV 控制塊虛回路鏈路狀態(tài)、物理實回路鏈路狀態(tài)，并結(jié)合通道光纖接口監(jiān)測信息，以及鏈路異常告警信息進(jìn)行綜合分析，診斷分析二次回路狀態(tài)，采集分析遙信、遙測數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 回路診斷分析數(shù)據(jù)

續(xù)表3

通過建立二次設(shè)備物理連接信息和二次邏輯鏈路關(guān)聯(lián)關(guān)系模型，獲取繼電保護(hù)、測控裝置對過程層設(shè)備的鏈路中斷告警數(shù)據(jù)，融合分析GOOSE 變位告警，研判過程層設(shè)備鏈路中斷情況。二次回路診斷流程流程如圖5 所示。

圖5 二次回路診斷流程圖

采集過程層報文分析服務(wù)的鏈路狀態(tài)報告，研判分析信號發(fā)送設(shè)備運行狀態(tài)[7]。判斷邏輯鏈路通斷狀態(tài)變化時，觸發(fā)鏈路狀態(tài)告警信息，判斷邏輯鏈路通斷狀態(tài)變化，判斷相關(guān)端口狀態(tài)，判定端口狀態(tài)告警信息，判斷邏輯鏈路通斷狀態(tài)變化時，研判產(chǎn)生鏈路異常的具體故障點，并通過圖形化的方式標(biāo)識二次回路對應(yīng)的故障位置，如圖6 所示。

圖6 回路診斷

在交換機(jī)、合并單元、智能終端、測控等端口光強數(shù)據(jù)完備的情況下，可通過光纖兩端端口的接收光強、發(fā)送光強等遙測量對端口、光纖故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位；若僅存在一端數(shù)據(jù)，另一端數(shù)據(jù)由于設(shè)備模型等問題沒有上送，那么對于二次回路故障定位就會變得很困難，采用貝葉斯網(wǎng)路及算法，將二次回路診斷故障定位轉(zhuǎn)化為不完備信息下的決策，以二次回路拓?fù)錇榛A(chǔ)建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分布式處理模型，結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計故障概率對信息的不確定性進(jìn)行量化，提高故障定位的可信度和準(zhǔn)確性，并通過后期數(shù)據(jù)的完善對模型的精準(zhǔn)度進(jìn)行提升，提高二次回路診斷的可靠性。

3.4 電壓電流回路診斷

就地采集監(jiān)視電流、電壓及其相關(guān)告警，同時動態(tài)開展A/B 套設(shè)備間穩(wěn)態(tài)量采樣數(shù)據(jù)同源比對，判斷交流采樣是否正常，同時融合分析相關(guān)遙信告警的輸入及遙測同源比對是否異常，判斷交流采樣是否完好。電壓電流回路診斷流程圖如圖7 所示。

圖7 電壓電流回路診斷流程圖

邊緣代理的電壓電流診斷功能自整定的缺省值如下:

嚴(yán)重異常閾值:交流電流相對誤差不大于5%或絕對誤差不大于0.05In 為正常，并且在兩者診斷分析為都大于的情況下判定為異常。交流電壓相對誤差不大于5%或絕對誤差不大于0.005Un 為正常。電流大于等于0.1In，電壓大于等于0.01Un，相角的誤差8°。

異常閾值:交流電流相對誤差不大于2.5%或絕對誤差不大于0.02In，并且當(dāng)兩者都大于才判異常。交流電壓相對誤差不大于2.5%或絕對誤差不大于0.002Un 為正常。電流大于等于0.1In，電壓大于等于0.01Un，相角的誤差3°[8]。

在實時運行過程中，獲取被測電氣量雙AD 采樣值，分別計算被測電氣量雙AD 采樣值每周波的基波有效值和真有效值，判斷被測電氣量雙AD 采樣值是否有效，公式為:AD10>0.05In 且AD20>0.05In，其中，AD10 為被測電氣量第一路AD 采樣值的基波有效值，AD20 為被測電氣量第二路AD 采樣值的基波有效值，In 為被測電氣量二次額定電壓值或電流值；若有效，則判斷雙AD 采樣值是否一致，判斷方法為:比較被測電氣量雙AD 采樣值差值的絕對值是否大于設(shè)定閾值，若大于，則判斷雙AD 采樣值不一致。判斷公式為:｜AD1－AD2｜>K×AD2，其中，AD1 為被測電氣量第一路AD 采樣值的真有效值，AD2 為被測電氣量第二路AD 采樣值的真有效值，K 為整定閾值，支持缺省值設(shè)置。若滿足｜AD1－AD2｜>設(shè)定值×In，則判斷雙AD 采樣值不一致，其中，AD1、AD2 分別為同一路電壓或電流的雙AD 采樣值。當(dāng)判斷出雙AD 采樣值不一致后，給出告警信息并記錄雙AD 采樣值[9]。

3.5 縱聯(lián)通道診斷

二次設(shè)備在線監(jiān)視及智能診斷裝置就地基于采集的通道通信數(shù)據(jù)，診斷分析縱聯(lián)通道通信情況及具體的通道信息，判斷縱聯(lián)通道狀態(tài)。在日常二次設(shè)備運行過程中動態(tài)診斷設(shè)備遙信告警的輸入、縱聯(lián)通道傳輸信息及遙測是否越上下限，判斷縱聯(lián)通道是否正常?？v聯(lián)通道診斷流程圖如圖8 所示。

圖8 縱聯(lián)通道診斷流程圖

對于專用通道丟幀數(shù)加誤幀數(shù)大于1，即兩次通道斷面數(shù)據(jù)的差值丟幀數(shù)和誤幀數(shù)大于1 時，當(dāng)復(fù)用通道丟幀數(shù)加誤幀數(shù)在某個斷面大于10 時，研判分析通道出現(xiàn)異常[10]。

復(fù)用或?qū)Ｓ猛ǖ姥訒r兩次巡檢差值大于1 ms，通道告警遙信發(fā)生，或一個巡檢周期內(nèi)專用通道延時超過5 ms，復(fù)用通道延時超過12 ms，并且結(jié)合采集的保護(hù)動作數(shù)據(jù)，在丟幀或誤幀前后2 s 內(nèi)如果監(jiān)視分析到發(fā)生過保護(hù)啟動，研判分析通道出現(xiàn)嚴(yán)重異常[11]。

3.6 裝置自檢診斷

當(dāng)前變電站二次設(shè)備具備海量的自檢數(shù)據(jù)，對繼電保護(hù)、測控裝置等二次設(shè)備的裝置溫度、電源電壓、端口發(fā)送/接收光強、光纖縱聯(lián)通道光強進(jìn)行在線監(jiān)測，運行趨勢突變分析、狀態(tài)趨勢預(yù)測，分析二次設(shè)備自身狀態(tài)漸變過程，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計、越限判斷、同期差值越限比對等診斷手段，進(jìn)行二次設(shè)備自身狀態(tài)的就地診斷和主動預(yù)警，實現(xiàn)二次設(shè)備自身異常發(fā)展趨勢的智能告警和及時發(fā)現(xiàn)。裝置自檢診斷流程如圖9 所示。

圖9 縱聯(lián)通道診斷流程圖

診斷規(guī)則可以僅依靠端口檢測等遙測量信息，也可獲取設(shè)備運行環(huán)境，例如季節(jié)、天氣、環(huán)境溫度、濕度等因素，可以更加準(zhǔn)確對裝置進(jìn)行自檢。由于這些影響因素對設(shè)備帶來的影響沒有明確的函數(shù)關(guān)系，因此僅依靠簡單的算法很難準(zhǔn)確預(yù)測裝置狀態(tài)。診斷規(guī)則采用線性回歸與AHP 融合算法，通過采集記錄某一時刻前若干點的遙測量、影響因素值，利用線性回歸算法計算在單影響因素下的對設(shè)備運行的影響，結(jié)合AHP 層次分析法，權(quán)重綜合計算多影響因素下對設(shè)備運行的影響，通過站端海量數(shù)據(jù)不斷提高算法的準(zhǔn)確性，提高裝置自檢診斷的能力。

在山東500 kV 神山智能變電站中大量使用光纖接口，因發(fā)熱量大，光功率衰弱缺陷嚴(yán)重，光衰是一個漸變過程，依靠人工巡視難以發(fā)現(xiàn)，通過動態(tài)在線監(jiān)視采集和分析光口光強的運行數(shù)據(jù)，通過斜率陡變分析及時發(fā)現(xiàn)保護(hù)裝置的光口功率衰減問題，通過現(xiàn)場檢查確認(rèn)得以及時更換，避免保護(hù)誤動作或拒動事故的發(fā)生[12]。

同時對于數(shù)字化的二次設(shè)備，其電源模塊將不再六年更換，及時發(fā)現(xiàn)電源問題非常重要，但電源模塊的缺陷很難直接通過電壓數(shù)值反映出來。電源模塊出問題前往往表現(xiàn)為帶載能力下降(或稱虛電)，當(dāng)裝置進(jìn)行大量計算或機(jī)箱溫度高時，其電壓會出現(xiàn)稍大幅度的跌落。依靠二次設(shè)備在線監(jiān)視與診斷裝置在就地側(cè)實時采集機(jī)箱溫度、電網(wǎng)故障事件以及保護(hù)裝置啟動的記錄數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，通過融合分析開展“邊緣計算”，可以及時發(fā)現(xiàn)并預(yù)警電源模塊的此類缺陷[13]。

4 結(jié)語

本文依據(jù)在500 kV 神山變電站、220 kV 貝州變電站的實際應(yīng)用，結(jié)合邊緣計算技術(shù)在電網(wǎng)的不斷應(yīng)用，提出一種基于邊緣計算的二次設(shè)備動態(tài)診斷解決方案，實現(xiàn)設(shè)備運行巡視工作在線監(jiān)視和在線分析，站端進(jìn)行“邊緣計算”高效、準(zhǔn)確，與云端應(yīng)用進(jìn)行協(xié)同互動，形成調(diào)控運行與設(shè)備運維業(yè)務(wù)橫向聯(lián)動，實現(xiàn)二次設(shè)備巡檢方式由定期人工就地巡檢向遠(yuǎn)程自動在線巡檢轉(zhuǎn)變，將大幅減少運維工作量、可靠緩解運維檢修人員工作量與承載能力之間的矛盾，節(jié)約通行開支，有效降低二次設(shè)備巡檢工作對運維人員的技術(shù)能力要求，進(jìn)一步提升二次設(shè)備的專業(yè)管理能力和運檢管理穿透力[14]。