智能變電站二次設(shè)備在線智能運維技術(shù)研究與應(yīng)用

李玉敦，劉 萌，李 寬，南東亮，李乃永

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250003；2.國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830011；3.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟南 250001）

0 引言

近年來，智能變電站在電網(wǎng)中的應(yīng)用規(guī)模不斷擴大，以國家電網(wǎng)有限公司為例，其規(guī)劃“十三五”期間繼續(xù)推進智能變電站建設(shè)［1-3］。智能變電站采用數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)通信方式代替常規(guī)變電站的硬電纜接線連接方式，現(xiàn)場二次回路接線由虛擬的信息流代替，當(dāng)涉及二次設(shè)備操作，如運行工況轉(zhuǎn)換、安全措施執(zhí)行、設(shè)備檢修等時，二次設(shè)備運維人員操作難度增大。以保護裝置功能投退為例，常規(guī)變電站保護功能的投退是通過硬壓板投退來完成，而智能變電站保護投運需要頻繁操作各類軟壓板，而保護裝置的軟壓板可觀性較差，使得現(xiàn)場運維人員難以適應(yīng)，容易引發(fā)誤操作［4-7］。

為充分發(fā)揮智能變電站信息完整、通信規(guī)范、數(shù)字傳輸?shù)确矫娴牧己眉夹g(shù)優(yōu)勢，相關(guān)專家學(xué)者提出了智能變電站二次設(shè)備智能運維理念，并在該方面進行了大量技術(shù)應(yīng)用研究。針對傳統(tǒng)定期檢修運維模式無法滿足當(dāng)前電網(wǎng)運行要求，文獻［8］對與繼電保護密切相關(guān)重要二次回路、保護裝置狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)等內(nèi)容進行了介紹和深入探討，提出一種適用于智能變電站繼電保護的在線運維技術(shù)方案，為繼電保護智能化運維提供了新的思路。文獻［9］針對智能變電站現(xiàn)場裝置測試復(fù)雜、自動化程度不高問題，提出了一種智能變電站間隔層裝置的自動測試方案并設(shè)計了自動測試系統(tǒng)，具備裝置和回路異常模擬、多裝置測試能力，為智能站裝置自動提供了思路。文獻［10］針對目前智能變電站普遍存在的改擴建中修改或新增間隔問題，探討了運用智能變電站的檢修機制以及SV/GOOSE 軟壓板的合理投退進行現(xiàn)場安全措施管控的可行性，并提出了解決方案。

智能變電站繼電保護裝置的軟壓板投退工作一直是困擾現(xiàn)場運維人員的難題，其根本原因是現(xiàn)場人員對軟壓板內(nèi)涵、影響范圍以及操作順序不明確。目前，研究人員提出了一種采用自動操作的方式進行軟壓板投退的解決方案，既按照一定的操作順序和邏輯自動完成軟壓板的投退［11-17］。通過順序控制，可降低變電站二次裝置現(xiàn)場誤操作的風(fēng)險，同時提高變電站運行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換效率。文獻［15］介紹了變電站程序化操作的概念和主要思想，提出利用智能變電站后臺監(jiān)控系統(tǒng)和站控層遠動裝置配合實現(xiàn)繼電保護裝置的順控功能。文獻［16］結(jié)合現(xiàn)場實際的變電運行程序化操作實例，分析了程序化操作現(xiàn)場實施的技術(shù)條件、實施思路以及程序操作系統(tǒng)構(gòu)成，同時提出了程序化操作安全保障措施。文獻［17］利用變電站后臺監(jiān)控系統(tǒng)，研發(fā)了順序控制功能模塊化，建立順序控制功能的狀態(tài)模型和控制模型，并解決了模塊化設(shè)計中存在的信息交互方式的問題。文獻［18］基于智能變電站間隔層設(shè)備邏輯虛回路原理，提出了基于智能變電站間隔層設(shè)備順序控制功能實現(xiàn)方法，該方法配置靈活，能可靠實現(xiàn)一次設(shè)備的順序控制和全過程監(jiān)控。

雖然上述文獻對順序控制功能進行研究和分析，但更多是一次設(shè)備的順序操作，對變電站二次設(shè)備，特備是繼電保護設(shè)備未有深入研究，投退保護裝置壓板和執(zhí)行安全措施依然采用操作票形式。

針對上述問題，提出順序控制的軟壓板投退技術(shù)，通過接線全站系統(tǒng)配置文件（Substation Configuration Description，SCD）模型在線智能診斷的軟壓板狀態(tài)，將其與典型運行狀態(tài)進行比對并以圖形化展示，實現(xiàn)壓板投退智能告警，依次為基礎(chǔ)制定二次設(shè)備安全措施自動生成及順控技術(shù)，完成保護裝置自動投退和安全措施自動執(zhí)行。通過某220 kV變電站實際應(yīng)用，證明本文所提方法的有效性。

1 繼電保護裝置軟壓板智能診斷技術(shù)

1.1 智能變電站軟壓板劃分及模型

智能變電站二次設(shè)備的軟壓板按照功能可分為功能軟壓板、出口軟壓板和接收軟壓板三類。

1）功能軟壓板為控制保護功能的主壓板，可實現(xiàn)保護功能完整投退。

2）出口軟壓板：實現(xiàn)保護裝置動作的跳、合閘信號傳輸，相當(dāng)于常規(guī)變電站的跳、合閘出口硬壓板，主要包括GOOSE 跳閘出口、GOOSE 重合閘出口、GOOSE啟動失靈等。

3）接收軟壓板：實現(xiàn)保護裝置電流、電壓及開關(guān)狀態(tài)信息的傳輸，相當(dāng)于常規(guī)變電站的端子排，包括GOOSE和SV接收軟壓板。

Q/GDW1396—2012《IEC 61850工程繼電保護應(yīng)用模型》明確定義了各類軟壓板的模型規(guī)則：

1）功能軟壓板在LLNO中加Ena后綴擴充；

2）GOOSE 出口軟壓板在PTRC、RREC、PSCH 加Strp后綴擴充；

3）GOOSE、SV 接收軟壓板使用GGIO.SPCSO建模。

根據(jù)各類軟壓板模型規(guī)則，解析SCD 模型可獲得全站軟壓板的配置信息。

1.2 基于SCD模型的軟壓板狀態(tài)智能診斷

1.2.1 建立軟壓板狀態(tài)數(shù)據(jù)庫

軟壓板狀態(tài)數(shù)據(jù)庫記錄各智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device，IED）正常運行狀態(tài)下軟壓板的投退要求，建立正確、可靠的軟壓板投退數(shù)據(jù)庫是實現(xiàn)軟壓板斷智能診斷的基礎(chǔ)。結(jié)合智能變電站運行現(xiàn)場實踐提出了一種建立軟壓板狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的方法，涉及智能變電站的運維和檢修部門，如圖1所示，共分為7個步驟，基本流程如下：

圖1 壓板功能說明和正常運行方式投退狀態(tài)審批流程

1）運維單位錄入與現(xiàn)場一致的壓板名稱，并注明需特別交代的壓板，如開關(guān)壓板、溝通三跳壓板等易出錯導(dǎo)致保護動作行為異常的壓板。

2）檢修單位提交軟壓板準確功能說明，并重點交代開關(guān)、檢修、溝通三跳等易出錯的壓板。

3）檢修專工復(fù)核壓板功能是否齊全準確，如果正確進入下一流程，否則返回檢修單位修改。

4）運維單位編寫正常壓板投退狀態(tài)圖。

5）運維專工復(fù)核正常運行狀態(tài)的壓板投退是否正確，如果正確進入下一流程，否則返回運維單位修改。

6）保護專工審核和批準軟壓板說明圖是否合格。如果正常運行方式下軟壓板投退錯誤，返回運維專工修改；如果軟壓板功能說明不合格，返回檢修專工修改。

7）運維單位執(zhí)行并回執(zhí)，完畢后歸檔。

繼電保護設(shè)備投運前，即繼電保護基建工程新設(shè)備投運前、技改更換后新設(shè)備投運前、雙差動設(shè)備升級驗收完投運前、已投運設(shè)備驗收完投運前等，變電站運維單位保護專工審查、批準本單位所轄變電站所有裝置的軟壓板功能說明和正常運行方式投退狀態(tài)。尤其重點審查開關(guān)壓板、溝通三跳壓板等易出錯導(dǎo)致保護動作行為異常的壓板投退狀態(tài)及功能說明。軟壓板的投退狀態(tài)從對應(yīng)二次裝置中獲取，可以通過與該二次裝置建立服務(wù)聯(lián)系直接讀取，也可以解析后臺接收的報文獲取。本文采用后者獲取軟壓板實際運行狀態(tài)。

1.2.2 診斷基本原理及流程

軟壓板智能診斷主要分為三個部分：獲取軟壓板運行狀態(tài)，建立軟壓板狀態(tài)數(shù)據(jù)庫以及壓板運行狀態(tài)判斷，具體狀態(tài)診斷流程如圖2所示。

圖2 軟壓板診斷流程

1）解析SCD 模型文件獲取智能變電站中所有軟壓板基本信息，如軟壓板名稱、端子描述、對應(yīng)的IED名稱、數(shù)據(jù)集名稱及軟壓板類型等。

2）根據(jù)現(xiàn)場運行情況，結(jié)合軟壓板信息，按照圖1所示流程制定壓板狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。

3）通過監(jiān)控后臺以固定時間間隔或者以手動觸發(fā)的方式抓取報文，根據(jù)報文內(nèi)容獲得裝置軟壓板狀態(tài)，與各個IED 設(shè)備預(yù)定的壓板狀態(tài)數(shù)據(jù)庫進行比對。如抓取的軟壓板狀態(tài)與預(yù)定狀態(tài)一致則表明該軟壓板的投退狀態(tài)正確，不一致則表明投退狀態(tài)不正確。告警進行提示投退狀態(tài)錯誤的軟壓板，并展示其實際狀態(tài)。

1.3 壓板標準化設(shè)計

為直觀顯示軟壓板診斷結(jié)果，對軟壓板進行標準化設(shè)計，主要包括以下幾點：

1）規(guī)范化、標準化軟壓板命名和定義，避免因命名不一致造成的誤操作。

2）規(guī)范化、標準化各間隔畫面以及壓板排列，壓板顏色統(tǒng)一按照相關(guān)標準要求著色。對于重要軟壓板，應(yīng)用特殊標記，并附帶解釋說明。在各間隔畫面中，區(qū)分運維、監(jiān)控人員操作壓板區(qū)和檢修人員操作壓板區(qū)并設(shè)置操作權(quán)限。

3）設(shè)置軟壓板說明調(diào)閱功能，可調(diào)閱后臺機名稱、裝置內(nèi)名稱、功能描述、功能示意、正常運行方式投退等軟壓板狀態(tài)信息。

2 二次設(shè)備安全措施自動生成及順控技術(shù)

2.1 智能站二次安全措施特點及實現(xiàn)方式

智能變電站繼電保護、合并單元等二次設(shè)備進行檢修時，按照安全措施要求，被檢修裝置應(yīng)隔離采樣、保護跳閘啟動失靈等與運行裝置之間的聯(lián)系，并保證被對檢修設(shè)備進行操作時不影響運行裝置的安全運行。與硬接線連接方式不同，智能變電站各二次裝置通過光纖物理回路連接，在不破壞物理接線的情況下，難以將待檢修裝置同運行的裝置隔離，給現(xiàn)場執(zhí)行安全措施帶來困難。目前，常用隔離手段有以下幾種：

1）退出相關(guān)聯(lián)保護裝置的GOOSE 接收和發(fā)送軟壓板。退出接收軟壓板，本裝置對其他裝置發(fā)來的相應(yīng)GOOSE 信號不作邏輯處理，不參與保護邏輯；退出GOOSE 發(fā)送軟壓板后，本裝置不再向外發(fā)送保護動作指令。

2）退智能終端出口硬壓板。智能終端的硬壓板類似于傳統(tǒng)保護裝置出口跳閘壓板，位于智能終端跳閘出口繼電器和斷路器跳閘線圈之間，退出硬壓板可形成明顯的斷開點，將二次回路可靠斷開。

3）退出保護裝置SV 接收軟壓板。SV 軟壓板退出后，該裝置的采樣數(shù)據(jù)再參與保護邏輯計算，同時本裝置相應(yīng)回路采樣值不再顯示。

4）拔掉相關(guān)裝置間的SV 和GOOSE 連接光纖回路。斷開裝置間的光纖鏈路，相連接的保護裝置失去通信聯(lián)系，信號無法傳輸，直觀、可靠地隔離檢修裝置與運行裝置之間聯(lián)系。

5）投退裝置檢修硬壓板。保護裝置檢修硬壓板投入時其檢修態(tài)標識位置1，該裝置向其他裝置發(fā)送的報文中的品質(zhì)位會置1；裝置收到報文后將報文的品質(zhì)位與自身的檢修態(tài)標識位進行對比，兩者相同時做出認為數(shù)據(jù)有效，如不一致，則認為數(shù)據(jù)無效。

綜上所述，智能變電站二次裝置的安全措施方案可分為三類：軟壓板操作類、光纖操作類和硬壓板操作類。在實際的檢修操作中，往往不采取插拔光纖方法，主要是由于該類操作容易磨損光纖接頭，造成數(shù)據(jù)傳輸延時增大，而且對于多數(shù)的計劃性檢修，二次設(shè)備仍然正常運行，因此難以采用插拔光纖的方式執(zhí)行安全措施。結(jié)合智能化運維技術(shù)要求，適用的方式是通過改變智能設(shè)備發(fā)送方和接收方狀態(tài)、采樣，加之輔助的壓板操作執(zhí)行安全措施隔離。

2.2 自動安全措施及順控方案設(shè)計

2.2.1 工作總體流程

智能變電站安全措施自動制定流程如圖3所示。

圖3 二次安全措施自動生成及順控流程

1）根據(jù)智能變電站技術(shù)規(guī)程要求，制定二次安全措施執(zhí)行流程。

2）經(jīng)專家審批后生成安全措施數(shù)據(jù)庫，固化于智能運維系統(tǒng)。

3）選擇操作類型（如設(shè)備檢修、投入等）執(zhí)行順序操作，根據(jù)預(yù)先規(guī)定的操作邏輯和規(guī)則，自動完成壓板投退的操作，順序操作的過程可視。

2.2.2 順序控制標準化模型

2.2.2.1 狀態(tài)模型

狀態(tài)模型監(jiān)視順序控制整個過程，能夠?qū)^電保護裝置的順序控制進行終止、暫停等操作，可以準確反映順序控制操作前、操作中和操作后的整體狀態(tài)。

狀態(tài)模型遵循IEC 61850 標準的統(tǒng)一規(guī)范和定義［17］，順序控制基本變量定義為：OpTotal 表示軟壓板總體操作數(shù)；OpStatus 表示當(dāng)前軟壓板執(zhí)行狀態(tài)；OpErr 表示軟壓板操作報錯，顯示問題出現(xiàn)的步數(shù)；OpSuccess 表示軟壓板操作執(zhí)行情況，值為“1”表示執(zhí)行成功，否則值為“0”；OpPause表示順序操作處于暫停狀態(tài)；OpCancel 表示取消順序操作；OpContinue表示繼續(xù)處于暫停狀態(tài)的順序操作；M 表示必選，O表示可選。

狀態(tài)模型可使順序控制操作具備一鍵式全自動順序控制模式和半自動步進控制模式。一鍵式全自動順序控制模式中間無需人工干預(yù)，自動執(zhí)行到底；半自動步進控制模式采用典型操作票工作模式，操作一個壓板人工確認一次。

2.2.2.2 控制模型

順序控制的核心是控制模型，對每一步操作定義相應(yīng)的控制模型，以后臺監(jiān)控系統(tǒng)和全站設(shè)備關(guān)聯(lián)獲取的繼電保護裝置的模型為基礎(chǔ)，根據(jù)順序控制的內(nèi)容將每步控制模型關(guān)聯(lián)［17］，形成順序控制。

針對保護裝置的壓板投退操作，以跳閘出口軟壓板為例，通過保護裝置PROT 中的PTRC 節(jié)點進行配置，具體涉及控制類結(jié)構(gòu)體SBOw，Operate，Cancel，完成壓板投退操作的控制或取消。順序控制將多個單步操作串聯(lián)，實現(xiàn)的核心在于每一步操作都要有相應(yīng)控制模型，本文方法的每一個具體操作內(nèi)部由結(jié)構(gòu)體變量SBOw、Operate、Cancel 組成。后臺連接全站設(shè)備示意如圖4 所示，IED 為智能電子設(shè)備。順序控制具體操作直接與相匹配的數(shù)據(jù)屬性關(guān)聯(lián)，逐一完成控制模型配置，進而可以完成順序控制的模型配置，順序控制是對相應(yīng)數(shù)據(jù)屬性路徑進行寫值操作，按SBOw的模型進行操作［17］。

圖4 控制模型配置

2.2.3 關(guān)鍵設(shè)計要素

1）繼電保護裝置運行狀態(tài)劃分，按照繼電保護操作運行實際，劃分為：“投入態(tài)”“退出態(tài)”“檢修態(tài)”和“不定態(tài)”四裝置類；四類運行狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生順序控制操作，主要包括“投入態(tài)轉(zhuǎn)退出態(tài)”“退出態(tài)轉(zhuǎn)檢修態(tài)”“檢修態(tài)轉(zhuǎn)退出態(tài)”“退出態(tài)轉(zhuǎn)投入態(tài)”。不同人員涉及不同狀態(tài)轉(zhuǎn)換，一般情況下，運行維護人員涉及“投入態(tài)轉(zhuǎn)退出態(tài)”“退出態(tài)轉(zhuǎn)投入態(tài)”兩類轉(zhuǎn)換操作，檢修人員涉及“退出態(tài)轉(zhuǎn)檢修態(tài)”“檢修態(tài)轉(zhuǎn)退出態(tài)”兩類轉(zhuǎn)換操作。

2）制定壓板狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，包括保護裝置軟壓板各種狀態(tài)（投入態(tài)、退出態(tài)、檢修態(tài)）下的壓板投退狀態(tài)和功能說明。

3）根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)程和現(xiàn)場操作規(guī)范，建立安全措施規(guī)則數(shù)據(jù)庫，包含典型的運行操作票和典型檢修二次安全措施票。

4）具備操作校核、防誤措施和異常處理功能。在順控過程中，如發(fā)生跳閘或異常告警信息順控操作立即暫停，根據(jù)現(xiàn)場異常處置情況或待告警消除后再選擇繼續(xù)執(zhí)行或停止順控操作。

5）順控操作結(jié)束后，自動將壓板狀態(tài)與系統(tǒng)設(shè)定的“目標”狀態(tài)進行比對。

6）順控操作具備全自動一鍵式順控模式和半自動單步確認模式。

2.2.4 安全措施可視化方案

可視化展示能夠提升操作的安全性，因此有必要開發(fā)可視化功能。可視化盡可能展現(xiàn)檢修安全措施涉及的元素，如虛回路、虛端子、GOOSE 軟壓板、SV 接收、檢修涉及的IED。按照安全措施可視化設(shè)計的基本要求：

1）展示被檢修裝置與其他相關(guān)聯(lián)裝置二次虛回路連接關(guān)系，包含SV回路、GOOSE回路，并表明回路含義。

2）標明二次虛回路中GOOSE、SV 信息流內(nèi)容以及信息流發(fā)送方和接收方以及數(shù)據(jù)含義。

3）以圖形方式顯示裝置軟壓板對應(yīng)虛端子連線以及投退狀態(tài)。

4）裝置名稱和各個軟壓板名稱應(yīng)顯示調(diào)度雙重名稱。

3 某220 kV變電站智能運維應(yīng)用分析

基于上述設(shè)計方案，開發(fā)了智能變電站運維管理高級應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)已在山東電網(wǎng)部分變電站投入運行，實現(xiàn)了壓板分區(qū)布置、功能準確調(diào)閱、智能巡視、投退異常主動告警、設(shè)備投停二次安全措施一鍵順控、遠程控制等主要功能。

3.1 智能軟壓板標準化設(shè)計

以該變電站某220 kV 線路保護為例進行分析，標準化設(shè)計后軟壓板的投退分圖如圖5所示。

圖5 壓板投退分圖

圖5 中，壓板投退分圖主要包括運行人員操作區(qū)域、檢修人員操作區(qū)域、壓板標識說明和壓板特殊功能說明等。以跳閘出口軟壓板為例，其顯示的軟壓板基本信息如圖6所示。

圖6 軟壓板基本信息調(diào)閱圖

由圖6 知，單獨設(shè)置壓板畫面和保護信號畫面，兩者區(qū)別清楚，避免操作區(qū)和查看區(qū)交叉。

3.2 壓板投退異常智能報警

全站軟壓板定時自動巡檢或手動巡視，若發(fā)現(xiàn)與定義的正常狀態(tài)不同，彈出圖7所示的報警圖。

圖7 軟壓板巡檢報警圖

圖7 中，當(dāng)軟壓板當(dāng)前運行狀態(tài)與正常運行狀態(tài)不一致時，發(fā)報警信號。雖然軟壓板巡檢不能降低裝置的故障率，但可降低因軟壓板異常投退所引發(fā)的停電概率。壓板投退異常報警功能的實現(xiàn)，可在較短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)軟壓板的異常投退問題，提高了變電站自動化運行水平和運維效率。

3.3 二次設(shè)備一鍵式順序控制操作

以220 kV線路保護由檢修狀態(tài)轉(zhuǎn)換至運行狀態(tài)的軟壓板順序控制操作為例進行分析，如圖8所示。

圖8 線路檢修轉(zhuǎn)運行順控操作

220 kV 線路保護由檢修狀態(tài)轉(zhuǎn)為運行狀態(tài)的順序控制操作分為9個步驟，圖8顯示當(dāng)前操作進行至第5 步。按照本次運行方式轉(zhuǎn)換要求，相關(guān)保護裝置軟壓板操作按照步驟順序執(zhí)行，每項操作可以根據(jù)需求人工停止，每項操作完成并經(jīng)過確認后進入下一步操作流程，依次進行直至各項操作內(nèi)容完成，如圖9所示。

圖9 順控過程中單步操作狀態(tài)

3.4 二次安全措施可視化

為直觀有效地展現(xiàn)安全措施的執(zhí)行情況，以線路保護安全措施為例進行說明。可視化界面如圖10所示。圖中顯示220 kV 岱周線線路第一套保護裝置與其他裝置的開關(guān)位置信號和軟壓板等虛端子連接情況；圖中標識出軟壓板所在的虛端子連接線以及投退狀態(tài)，同時標識了虛端子連接的發(fā)送方和接收方，并以不同圖形直觀顯示檢修壓板的投退狀態(tài)。

圖10 安全措施可視化示意

4 結(jié)語

提出一種智能變電二次設(shè)備智能運維技術(shù)方案，包括軟壓板的標準化設(shè)計、壓板自動巡視、投退異常智能報警及設(shè)備投停二次安全措施“一鍵式”順控等功能，基于變電站監(jiān)控后臺開發(fā)了智能運維系統(tǒng)，實現(xiàn)了軟壓板智能診斷、二次設(shè)備安全措施自動生成及順控，提升了變電站現(xiàn)場運維操作的正確性和安全性，降低了運行中誤操作風(fēng)險，提高了變電站運維智能化程度。

按照本方案研發(fā)的智能站二次系統(tǒng)在線智能運維系統(tǒng)已在山東電網(wǎng)應(yīng)用，取得了良好應(yīng)用效果，極大提高了電網(wǎng)安全運行水平及運維檢修智能化水平，具有較強的工程推廣應(yīng)用價值。