智能變電站繼電保護動作診斷系統

孫仲民 呂 航 熊 蕙 張曉宇 顧喬根

智能變電站繼電保護動作診斷系統

孫仲民 呂 航 熊 蕙 張曉宇 顧喬根

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

為提高電力系統二次設備的運行安全性和運維效率，設計一種智能變電站繼電保護動作診斷系統。該系統可集成于智能運維平臺，通過分析保護動作時產生的各類報文信息和錄波數據，對保護動作行為進行診斷。首先建立基于統一語義的數據引用模型，實現診斷信息的自動匹配和采集；其次通過分析報文，在二次虛回路診斷圖中快速定位異常虛回路，并給出異常原因；最后給出綜合的保護動作診斷結果。診斷結果可整合為巡檢報告，以減少定檢、巡檢的工作量。該系統不僅可用于指導保護動作分析，還有利于提高繼電保護運維水平。

繼電保護；智能變電站；動作診斷；智能運維

0 引言

電力系統二次保護裝置的正常工作對電力系統安全穩定運行至關重要[1-2]。電網規模日益擴大，區域內變電站數量增加，以及智能二次設備的廣泛應用，對運維人員能力要求不斷提高，大大增加了運維檢修人員工作壓力。隨著計算機及通信領域的技術進步，二次設備智能化運維逐漸成為繼電保護領域的研究和發展方向[3-4]。

智能化運維手段被用于輔助運維工作，其中移動互聯網技術[5-6]、遠程運維[7]、狀態監測[8]及人工智能技術[9]等手段的提出，改進了早期的人工巡檢運維模式，豐富了運維方法，簡化了人工操作。智能化運維手段作為目前保證運維質量及提高運維效率的有效輔助手段，仍在不斷發展。

當電網發生異常或故障時，二次保護設備啟動或動作的同時，會產生大量的保護報文和錄波文件等信息。因此，大數據技術[10]、輔助決策[11]等方法被用于保護信息自動分析及處理，但目前關于保護跳閘后動作行為智能診斷的研究較少。

此外，二次回路的檢查也是繼電保護運維的一項重點工作，關系到保護能否正常跳閘出口[12]。相比于常規站，智能站保護二次回路采用光纖網絡替代電纜，構成二次虛回路，且具有出現異常時難以識別的特征，是保護動作診斷的重要內容。文獻[13]利用改進D-S證據理論對可疑故障元件集合中的元件進行評估，實現對智能站故障二次回路中故障元件的定位。文獻[14]提出智能變電站二次回路智能預警及故障診斷方案，將二次設備虛回路信息流映射到相應的物理拓撲中。文獻[15]提出一種改進貝葉斯算法，利用可疑故障成分的貝葉斯異常程度，進行二次回路故障診斷。上述研究表明，通過模型優化的方式，并利用智能分析手段有助于提高二次虛回路診斷分析能力，但這類方法不能判斷二次虛回路設計異常，且缺少對二次虛回路相關信息的進一步分析能力。

為實現保護動作診斷相應的智能化功能，需要構建報文與診斷模型的映射關系，便于在智能分析時直接從數據庫中獲取報文信息的實時狀態。目前最普遍的做法是通過報文描述名建立映射，但由于報文描述名難以統一，易出現匹配不成功的情況，需要人工選擇識別。匹配過程效率低且缺乏可靠性，因此需要建立更高效準確的報文匹配機制。

基于上述內容，本文利用統一語義模型，設計一種智能變電站繼電保護動作診斷系統。對保護動作診斷涉及的二次信息進行重新建模，提高自動化配置效率。同時，通過構建保護動作診斷體系，利用保護啟動或動作產生的大量報文和波形數據信息，對二次虛回路、保護動作行為進行分析，給出保護動作診斷的分析結果。此分析結果可與變電站運行、維護工作相結合，降低電力系統運行安全隱患，提高二次設備的運維效率，減少后續定檢、巡檢工作量。

1 測點信息模型與配置

1.1 統一語義模型

變電站的統一設備模型涵蓋廣泛，包含變電站內所有設備的信息模型，可促進構建新型的數據關聯機制。基于統一語義的二次設備模型可作為變電站統一設備模型的一部分，進一步提高數據關聯關系[16]。

基于統一語義原則的變電站二次設備模型可通過語義化的模型區別各個信號，其構建原則如下：

1）對于跨間隔設備需要規范一、二次設備模型關聯方法，建立一次設備和邏輯節點的對應關系，集成配置指定間隔后無須再次針對保護動作診斷 配置。

2）診斷過程涉及的站控層及過程層報文建立惟一的數據對象和數據屬性，即DO.DA。

模型構建基本原則的目的是通過針對性地建模實現同一間隔內二次設備信息的惟一性和準確性。

圖1所示為雙母雙分段典型接線，其中M1、M2為Ⅰ、Ⅱ母間隔，SEG1和SEG2為分段間隔，TIE為母聯間隔，PTR1為變壓器分支間隔，LIN1為線路分支間隔。此外，CBR為斷路器，CTR為電流互感器，DIS_m1為刀開關1，DIS_m2為刀開關2。

圖1 雙母雙分段典型接線

針對統一語義模型構建原則1），以母線保護裝置這種跨間隔的保護設備為例，其模型應包含與本保護裝置相關的一次設備間隔對象，以及每個一次設備間隔對象關聯的保護功能邏輯節點。母線保護的部分邏輯節點在圖1中的線路分支間隔LIN1中一二次設備映射模型見表1。若線路分支間隔為母線的第11支路，表1所示邏輯節點均為“B11*”。

表1 一二次設備映射模型

針對統一語義模型構建原則2），以圖1中線路間隔LIN1的線路保護為例，其統一語義模型的部分信號見表2。

由表2可知，在原有的邏輯設備、邏輯節點、DO和DA的基礎上，優化原來模糊部分，尤其是一些僅通過實例化數字區分的信號。對規范中規定的通用報文進行統一語義建模，使這些特定信號的引用名具有惟一性。

表2 線路保護模型

1.2 模型配置

保護動作診斷的模型配置工作，即建立變電站二次設備中遙信遙測與計算模型測點的映射關系，是保護動作診斷的前提。

采用統一語義模型后，可使配置工作大幅簡化，對于線路分支間隔，只需關聯該線路間隔與母線保護裝置中的邏輯節點所屬支路間隔，即可實現跨間隔保護設備的相關測點信息與該間隔保護診斷計算模型的關聯，同時線路間隔等非跨間隔保護設備的測點信息根據模型構建原則2）可自動生成關聯。圖1中線路分支間隔LIN1在配置時，將該間隔中的母線保護選為“支路11”，即可完成模型匹配，動作診斷配置界面如圖2所示。

圖2 動作診斷配置界面

保護分析計算模型配置工具是生成計算模型的圖形化界面工具，可實現保護設備測點自動配置和手動修改。

2 保護動作診斷

2.1 二次虛回路診斷

保護裝置在動作前會發出“保護啟動”報文，而在動作返回后，“保護啟動”才隨之返回。因此，保護動作診斷功能采用“保護啟動”的變位和返回作為開始和結束的標志。目前220kV等級及以上的間隔通常是雙套保護配置，而發生擾動時雙套保護啟動和返回時間通常不一致，因此需要選擇統一的啟動合成信號作為診斷的觸發時刻和結束時刻。

二次虛回路診斷是保護動作診斷的主要功能，目的是通過保護動作事件校驗二次回路及動作行為是否正常，減少后續運維工作量。智能變電站的二次回路采用光纖網絡取代常規站中的電纜二次回路，物理上簡化了回路結構，但也增加了異常問題排查的難度。考慮到保護動作出口到開關成功開合，會經過一系列虛回路，可通過相應的報文來判斷虛回路是否正常。對某一條虛回路而言，發送端裝置發出動作報文，接收端裝置接收到報文即可視為該回路正常。發送端的信號可通過采集單元接收，但是無法直接判別接收端是否接收成功，可通過接收到報文后裝置的響應報文判斷接收與否。

以線路保護單相跳閘為例，線路保護發出單相跳閘命令，智能診斷系統接收到跳單相的命令后會立即發出一個收到單相跳閘命令的報文，此報文可以通過采集單元獲取，通過一發一收即可實現相應的判斷邏輯。按上述邏輯即可得到線路保護的全部虛回路，從而構建線路保護動作診斷完整的二次虛回路圖。此外，由于部分虛回路接收端的信號由采集單元獲取，無法直觀地反映出該信號在整個診斷中起到的作用，如反校信號和回采信號等，且這些信號并未與二次回路建立關聯關系，無法對整個二次回路的異常進行準確判別和定位。因此，將接收端發出的報文由采集單元調整到指定虛回路的末端，最終構建的線路間隔保護單相動作出口診斷回路如圖3所示。

根據圖3中的回路，設計通用的回路診斷模塊，輸入的信息即回路兩端信號。最終，保護動作診斷系統根據計算模型的配置結果實例化診斷模塊，每個診斷模塊完成單個回路的分析和結果輸出，圖4所示為典型線路間隔診斷模塊實例化過程。

二次虛回路的診斷結果可按嚴重程度告警。若結果不“正常”，需在回路診斷圖中定位相應的非正常回路。保護動作診斷的具體信息還包含具體診斷條目和相應的診斷結果。此外，還可通過“事件”頁面顯示此診斷周期內事件報文的時序信息，直觀了解動作報文按時間發展的過程，有利于事后復盤分析。事件報文時序展示如圖5所示。

圖3 線路間隔保護單相動作出口診斷回路

圖4 典型線路間隔診斷模塊實例化過程

圖5 事件報文時序展示

2.2 全站診斷計算過程

全站的保護動作診斷是按電壓等級和間隔來劃分的，其計算執行過程如下：

1）開始間隔的動作診斷分析。

2）開始間隔中保護的動作診斷分析。

3）判斷是否存在動作報文或者啟動報文，若存在，進入下一步。

4）獲取動作過程涉及的相關數據，包括過程層、站控層報文及錄波文件等。

5）等待計時，計時為浮動門檻，設最大上限值。

6）判斷計時是否結束，若是，進入下一步，否則返回步驟4）。

7）間隔中保護的動作行為分析，分析區間為啟動開始時刻至啟動結束時刻。

8）輸出動作診斷結果文件。

9）判斷保護是否為最大，即該間隔內保護是否全部分析完畢，若是，進入下一步，否則++后返回步驟2）。

10）判斷間隔是否為最大，即全站所有間隔是否全部分析完畢，若是，進入下一步，否則++后返回步驟1）。

11）復位，等待下一個診斷循環。

整個保護動作診斷流程如圖6所示。

圖6 保護動作診斷流程

3 裝置驗證

搭建如圖1所示的220kV電壓等級變電站二次設備模擬驗證平臺，包含雙母雙分段接線的母線及一條變壓器支路和一條線路支路。支路上的開關通過模擬斷路器代替，變壓器支路和線路支路的斷路器分別配A、B套智能終端。保護和智能終端通過虛端子連接構成過程層雙套雙網。通過繼電保護試驗儀給保護裝置加量模擬故障情況，保護出口跳開模擬斷路器，模擬實際變電站保護動作情況。通過修改系統配置描述（system configuration description, SCD）文件、刪改虛回路的拉線、拔掉光纖等操作，模擬各種虛回路異常的工況，并用于驗證保護診斷功能。線路間隔的部分典型異常事件模擬及診斷結論見表3。

表3 線路間隔二次回路異常事件及診斷結論

仿真結果顯示，診斷結果準確可靠，對二次回路的運維工作有較好的指導作用。

保護動作診斷結果界面示例如圖7所示。圖7（a）是母線保護GOOSE開入光纖斷線時系統的診斷結果，這也是站內光纖遭受擠壓容易出現的情況。保護動作診斷結論為“嚴重”，具體為失靈回路報嚴重故障，結果描述為“支路A相啟動失靈開入獲取失敗”；由診斷回路顯示圖7（b）可知，此失靈虛回路異常；報文時序也清晰展示了事件發生過程，如圖7（c）所示。

圖7 保護動作診斷結果界面示例

4 結論

變電站站內保護動作后會產生大量的報文數據，可利用這些數據進行保護動作智能診斷分析，提高運維效率，減小定檢、巡檢的工作量。

本文通過統一語義模型，建立統一的計算模型匹配邏輯，實現自動配置，大大減少了現場的配置工作量。保護動作后可依據采集的過程層、站控層報文等各類數據，對整個動作行為和二次虛回路進行自動分析校驗，并形成診斷結論，提高了現場問題分析能力，減少了后續定檢、巡檢的工作量。

該系統涉及保護智能運維領域，可集成于智能運維平臺，較好地應用于標準設計的變電站，但是對特殊結構及老舊站的適應性還需要進一步研究和完善。

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A relay protection action diagnosis system for intelligent substation

SUN Zhongmin Lü Hang XIONG Hui ZHANG Xiaoyu GU Qiaogen

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

In order to improve the operation safety and operational efficiency of the secondary equipment of the power system, a relay protection action diagnosis system for intelligent substation is designed. The system can be integrated into the smart operation and maintenance platform. The protective action performance can be diagnosed by analyzing the various information and recording data which is generated by the protection device. Firstly, a data reference model based on unified semantics is established to realize the automatic matching and collection of diagnostic information. Secondly, the abnormal virtual loop is quickly located in the diagnosis diagram of the second virtual loop by analyzing the message, and the abnormal reason is given simultaneously. Finally, the comprehensive protective action diagnosis results are given, which can be sorted into the patrol inspection report to reduce the workload of the patrol inspection. The system can not only be used to guide the protection action analysis, but also to improve the level of relay protection operation and maintenance.

relay protection; intelligent substation; action diagnosis; intelligent maintenance

2021-12-20

2022-01-15

孫仲民（1989—），男，江蘇鹽城人，博士，工程師，主要從事電力系統繼電保護及二次系統智能運維的研究與開發工作。

福建省電力有限公司科技項目（30019001L）