智能繼電保護數字孿生模型構建及應用

劉 戈 紀 陵 劉文彪

智能繼電保護數字孿生模型構建及應用

劉 戈 紀 陵 劉文彪

（南京國電南自電網自動化有限公司，南京 211106）

針對當前智能變電站中的繼電保護裝置在運維業務配置中存在效率低、設備運行故障診斷定位不夠準確的問題，提出一種面向繼電保護運維業務的繼電保護數字孿生建模技術并進行應用探索。該技術通過分析繼電保護運維業務需求，從運維業務、物理空間、信息物理融合這三個維度構建面向繼電保護運維的數字孿生模型，實現繼電保護業務能力、圖形能力的自發現、自描述，支撐繼電保護運維系統對繼電保護裝置的快速接入與配置、設備運行故障快速定位的功能，使繼電保護運維業務接入和配置的效率提高90%以上，設備故障定位也可精準到插件級別。

數字孿生；繼電保護；信息物理融合；自描述

0 引言

繼電保護是保障堅強智能電網安全的第一道防線[1]，全面提升繼電保護設備的運維水平是必然要求。在當前的繼電保護運維業務系統建設過程中，存在大量業務配置工作需要人工完成，效率低下；此外，實現對繼電保護設備故障的快速、可靠、準確定位，對電網快速恢復運行具有重要意義[2-4]。

針對上述問題，相關學者進行了探索。文獻[5]提出擬定科學運維方案、重視線路保護、做好風險評估、運用智能運維系統等加強管理的方式來改善、提升配置和運維效率。文獻[6]提出通過系統規格描述（system specification description, SSD）模型文件、一/二次設備模型和智能錄波器能力描述模型（intelligent electronic device capability description, ICD）文件，使用組態配置工具生成智能錄波器需要的標準化格式配置文件，并將該文件下裝到智能錄波器，通過遠程配置的方式提高配置效率。文獻[7]提出一種基于動態卷積神經網絡（dynamic convolutional neural network, DCNN）的智能錄波器配置信息自動化映射方法，實現依據描述文本分類結果自動化映射地址配置數據，從而提高配置效率。文獻[8]提出一種基于TextCNN（text convolutional neural network）模型的錄波器自配置方法，通過TextCNN模型強大的語義分析能力，有效提高了錄波器配置準確度。文獻[9]通過提取三層兩網報文中的有效數據進行同源數據在線校驗與趨勢監測、保護動作閉環監視、設備運行狀態健康評估，結合二次網絡拓撲建模技術與故障診斷技術，實現二次設備故障定位功能。但是，以上文獻均無法很好地解決繼電保護運維系統對智能繼電保護運維業務配置效率低、繼電保護設備故障定位不精準的問題。

鑒于此，本文提出一種繼電保護數字孿生建模技術，通過構建繼電保護典型業務能力模型、物理空間模型及信息物理融合模型并將其作為智能繼電保護裝置內部的基礎模型，實現繼電保護裝置業務能力、圖形能力的自發現、自描述，支撐繼電保護運維業務功能自配置、繼電保護設備故障快速定位。

1 總體技術架構

信息物理系統（cyber-physical systems, CPS）和數字孿生（digital twin, DT）技術是信息物理融合的首選方式[10]。CPS已被廣泛用于電力系統中電力設備的運行控制中[11]，DT技術也被大量應用在電網一次設備的運行仿真方面，但是在電網繼電保護運維方面目前鮮有涉及，本文重點采用DT技術進行繼電保護運維方面的探索和應用。

基于數字孿生的理論體系，通過分析智能繼電保護的典型業務特征，結合智能繼電保護的ICD模型規范，提取其業務特征模型；通過對智能繼電保護硬件的抽象建模，建立智能繼電保護裝置及其部件尺寸、位置的物理空間模型；結合智能繼電保護裝置ICD模型中的reference（基于ICD模型中ldInst、prefix、lnClass、inst、DO、DA組成的描述某一數據的惟一字符串）信息，實現物理空間模型與ICD模型中信息數據的虛實映射，生成智能繼電保護裝置的信息物理融合模型；將以上建立的業務模型、信息物理融合模型作為智能繼電保護裝置的基礎模型放入裝置中，結合對智能繼電保護裝置的實時數據感知，在繼電保護業務系統中實現面向繼電保護裝置運維的數字孿生體，支撐智能繼電保護運維業務自配置、故障快速診斷定位等智能應用?？傮w技術架構如圖1所示。

圖1 總體技術架構

2 智能繼電保護數字孿生建模

通過對智能繼電保護的典型運維業務建模、物理建模、信息物理融合建模，構建面向智能繼電保護運維業務的數字孿生模型，實現智能繼電保護裝置典型運維業務能力、圖形化能力的自發現、自描述。

2.1 運維業務建模

1）繼電保護ICD模型分析

ICD文件描述了具體智能電子設備（intelligent electronic device, IED）的功能和工程能力，包含模型自描述信息。在智能變電站高速發展的近十年，國內電力行業持續進行智能繼電保護裝置的ICD模型標準化工作，主要有國家標準GB/T 32890—2016《繼電保護IEC 61850工程應用模型》、行業標準DL/T 860《電力自動化通信網絡和系統》、DL/T 1146《DL/T 860實施技術規范》[12-14]，這些規范一致要求采用可辨識的、標準化的邏輯節點（logical node, LN）模型來描述智能繼電保護裝置不同的功能邏輯屬性，并要求采用不同的數據對象（data object, DO）模型描述智能繼電保護中不同類型的數據、采用統一的數據屬性（data attribute, DA）描述DO的數據類型?；谝幏兑螅瑥腖N、DO、DA的維度，ICD模型可細分為運行狀態模型、告警信息模型、故障信息模型、動作信息模型、監測信息模型和其他類型模型，以及更進一步地對這些分類模型中的數據對象及其屬性進行細分，這些顯著特征為運維業務模型的構建提供了基礎支撐。

2）繼電保護運維業務分析

為了保障智能繼電保護系統的安全可靠運行，需要定期對智能繼電保護裝置進行檢查和維護，以便及時發現智能繼電保護裝置的異常并進行相應處置。國內擁有數量龐大的智能變電站，日常需要運維管理大量的智能繼電保護裝置，通過調研分析國內相關企業的智能繼電保護裝置典型運維業務，本文總結和梳理了典型運維業務需求，包括：通信狀態檢查、二次回路鏈路狀態檢查、電流電壓回路檢查、開入量檢查、壓板狀態檢查、定值檢查、縱聯通道檢查、版本信息檢查、裝置自檢信息檢查、對時狀態檢查、保護動作診斷情況檢查和保護功能檢查。

3）繼電保護運維業務建模方案

基于上述智能繼電保護ICD模型及其典型運維業務需求可以發現，智能繼電保護裝置ICD模型基本有與運維業務需求對應的特征模型，但是缺少對應的運維業務特征量，如上限值、下限值、基準值、判斷方法等。為了構建智能繼電保護運維業務模型，依據當前國家標準、行業標準中給出的LN、DO、DA定義，從繼電保護運維業務的維度，對智能繼電保護裝置ICD模型中的業務特征模型進行識別和抽取，形成智能繼電保護典型運維業務模型。繼電保護運維業務模型構建技術路線如圖2所示。

圖2 繼電保護運維業務模型構建技術路線

運維業務模型采用層次化結構進行設計，模型包括版本信息管理模型、規則描述模型、電網結構模型和裝置業務描述模型。IPFCD對象是整個模型的根對象；版本信息管理模型包括Header、History、Hitem對象，描述運維業務模型的變更歷史信息；規則描述模型包括judgerule_Restriction、Xs_enum對象，描述運維業務使用的算法模型；電網結構模型包括Station、VoltageLevel、Bay、Voltage對象，描述變電站的電網結構特征；裝置業務配置模型包括IED、Function、DataItem、Item、Val、VoltageSwitchPlate、BranchBay對象，描述智能繼電保護典型運維業務的特征模型及其特征量。典型運維業務模型層次結構如圖3所示。

下面以智能繼電保護裝置的電壓電流回路巡視業務為例，說明其業務模型的構建過程。電壓電流回路巡視的目的是對智能繼電保護裝置的采樣電流、電壓及相關告警進行分析判斷和穩態量同源比對，來判斷裝置的交流采樣是否正常。

圖3 典型運維業務模型層次結構

步驟一：通過繼電保護運維業務特征分析，提取歸納規則知識要求。遙測點抽取規則見表1，告警點抽取規則見表2。

表1 遙測點抽取規則

表2 告警點抽取規則

步驟二：根據表1和表2的規則知識和ICD模型分析，遙測量對應的邏輯節點類為“MMXU”，保護電壓對應的DO模型為“PhV”，保護電流對應的DO模型為A，A相對應的DA為“phsA”，B相對應的DA為“phsB”，C相對應的DA為“phsC”，同期電壓對應的DA為“SynV”；告警點對應的邏輯節點類為“GGIO”，且其對應的DO無明顯特征，無法直接從邏輯節點類和其數據對象識別對應的業務模型，但是因為ICD模型規范中對這部分描述有明確要求，可通過分析描述特征的方式識別出來。通過以上方法，可從裝置ICD模型中抽取出電壓電流回路巡視的運維業務特征模型。

步驟三：上述步驟提取的運維業務特征模型還不能直接形成電壓電流回路巡視業務模型，必須加入必要的業務特征數據，需要為每一個輸入特征數據安排一個惟一有明確含義的標識符，以便下游的運維業務應用能夠根據標識符識別出數據的具體含義，如賦予特征數據“保護電壓A相”一個標識符“Ua”，再加上如最大值、最小值、基準值、通道號、支路號、判別方法等運維業務判斷條件及其特征量，最終形成電壓電流回路巡視業務模型。

以上構建電壓電流回路巡視業務模型的方法，適用于智能繼電保護的其他典型運維業務場景，然后把構建的運維業務模型進行存儲，并使用固定的業務名稱作為模型文件的名稱。電壓電流回路巡視業務模型固定命名為“SAMPatrol”、二次回路鏈路狀態巡視業務模型固定命名為“SCPatrol”、開入量巡視業務模型固定命名為“DIPatrol”，軟壓板巡視業務模型固定命名為“SPPatrol”、定值巡視業務模型固定命名為“STPatrol”、版本校核業務模型固定命名為“VPatrol”、縱聯通道巡視業務模型固定命名為“Patrol”、裝置自檢巡視業務模型固定命名為“SIPatrol”、對時狀態巡視業務模型固定命名為“TPatrol”、保護動作診斷業務模型固定命名為“TDPatrol”、保護功能巡視業務模型固定命名為“PFPatrol”、錄波文件通道信息巡視業務模型固定命名為“WCSet”。

2.2 繼電保護信息物理融合建模

針對智能繼電保護設備物理裝置圖形可視化能力不足的缺點，定義智能繼電保護裝置的各個插件、面板、端子排、端子、光纖接口、網絡接口、面板指示燈、插件指示燈、把手、面板、按鈕等部件的物理模型，描述智能繼電保護裝置自身及其部件的物理位置、大小及功能信息。本文提出基于可擴展矢量圖形（scalable vector graphics, SVG）技術對繼電保護裝置進行物理維度的建模，生成繼電保護裝置的前視物理空間模型和后視物理空間模型。智能繼電保護的部件分解建模方案如圖4所示。

圖4 智能繼電保護的部件分解建模方案

智能繼電保護的信息物理融合模型旨在通過智能繼電保護裝置的物理與信息系統的互通與深度融合，為擴展智能繼電保護的應用業務提供底層數據基礎，實現超越智能繼電保護傳統應用的運行效果與性能水平。通過構建智能繼電保護的信息物理融合模型，可以擴展智能繼電保護的應用業務。智能繼電保護信息物理融合建模示意圖如圖5所示。

圖5 智能繼電保護信息物理融合建模示意圖

基于以上提出的繼電保護設備物理維度的抽象建模，結合繼電保護ICD模型，進一步構建繼電保護設備的物理與信息融合模型。在繼電保護設備的物理空間模型中，通過擴展屬性xlink:ref屬性作為物理和信息的關聯通道，屬性值采用ICD模型中reference表示，格式為ldInst/prefix+lnClass+ inst$fc$doName，如果該數據對象存在daName，那么格式為ldInst/ prefix+lnClass+lnInst $fc$doName$daName。

3 智能繼電保護數字孿生模型應用

基于以上構建的面向智能繼電保護運維業務的數字孿生模型，在智能繼電保護運維業務功能自配置、繼電保護設備故障定位場景中進行應用探索。

3.1 智能繼電保護業務自配置

在繼電保護生產階段將建立的智能繼電保護數字孿生模型作為基礎模型存放到裝置指定目錄中，此目錄支持通過IEC 61850的文件服務進行訪問。繼電保護運維系統在需要接入智能繼電保護裝置時，首先通過IEC 61850文件服務的方式獲取繼電保護裝置中指定目錄的文件列表；然后根據文件列表信息采用IEC 61850文件服務的方式讀取列表中所有文件到繼電保護運維系統中；接著繼電保護運維系統通過召喚的模型文件名稱識別出該文件所描述的具體運維業務類型；繼電保護業務系統根據模型文件名稱所對應的運維業務類型啟動對應的運維業務進程，解析運維業務模型文件，識別模型文件中的運維特征模型及對應的各種特征量，并根據這些內容開始運維任務；最后運維業務進程和繼電保護之間進行實時數據交互，進入正常的運維業務運行狀態。在繼電保護運維系統接入智能繼電保護系統的過程中，利用智能繼電保護的數字孿生模型，實現了繼電保護業務的自發現和自配置。繼電保護運維業務自動接入示意圖如圖6所示。

圖6 繼電保護運維業務自動接入示意圖

通過在實驗室驗證，與當前手動進行繼電保護運維業務配置的方式相比，采用智能繼電保護的數字孿生模型，使配置時間有效縮短，繼電保護運維系統接入繼電保護的效率提升了93%。兩種接入方式的對比見表3。

表3 兩種接入方式的對比

3.2 智能繼電保護設備故障快速診斷定位

繼電保護的圖形可視化監視是進行設備運行故障定位的快捷手段。在繼電保護運維業務系統的建設階段，通過讀取繼電保護裝置中的信息物理融合模型，具備了通過圖形可視化方式進行設備運行狀態監視的能力，結合運行時智能繼電保護裝置與對應運維系統之間的實時數據交互，繼電保護運維系統中實時展示繼電保護裝置自身及其各個部件的運行狀態。當裝置有異常發生時，自動彈出該繼電保護裝置圖形界面，并在圖形中突出展示異常部件及其異常數據，輔助運維人員進行設備故障定位，從而達到繼電保護設備故障快速診斷定位的目的。繼電保護設備故障快速診斷定位流程如圖7所示。

圖7 繼電保護設備故障快速診斷定位流程

以繼電保護裝置的插件溫度診斷為例，基于繼電保護裝置的信息物理融合模型，當實時監測到繼電保護裝置的某插件溫度超過閾值時，主動通過圖形化的方式展示異常插件。繼電保護插件問題異常圖形化展示如圖8所示。

圖8 繼電保護插件問題異常圖形化展示

4 結論

本文提出了一種面向繼電保護運維業務的數字孿生建模方案并進行了應用探索。首先分析智能繼電保護的ICD模型和智能繼電保護的典型運維業務類型，進而構建智能繼電保護的運維業務模型，基于SVG技術構建智能繼電保護設備及其部件的物理空間模型，描述其大小、空間位置及關聯關系；接著構建智能繼電保護設備及其部件的物理空間模型與ICD模型的關聯關系，從而建立了智能繼電保護設備的信息物理融合模型；將業務模型、信息物理融合模型作為智能繼電保護裝置基礎模型的一部分，與ICD模型一起放到智能繼電保護裝置的固定目錄中，使繼電保護裝置具備典型運維業務能力、圖形化能力自發現、自描述的能力，有效解決了繼電保護運維系統接入智能繼電保護配置效率低、設備故障定位不夠精準的問題，具有廣闊的應用前景。

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Construction and application of digital twin model for smart relay protection

LIU Ge JI Ling LIU Wenbiao

(Nanjing SAC Power Grid Automation Co., Ltd, Nanjing 211106)

A digital twin modeling technology for relay protection is proposed and applied to explore the problems of low efficiency and inaccurate equipment operation fault diagnosis and positioning in the operation and maintenance business configuration of relay protection devices in current smart substation. This technology analyzes the requirements of relay protection operation and maintenance business, and constructs a digital twin model for relay protection operation and maintenance from three dimensions: operation and maintenance business, physical space, and information physical integration. It realizes self-discovery and self-description of relay protection business capabilities and graphical capabilities, and supports the rapid access and configuration of relay protection devices and equipment operation fault location functions of the relay protection operation and maintenance system. The efficiency of accessing and configuring relay protection operation and maintenance services is improved by more than 90%, and equipment fault localization can also be precise to the plug-in level.

digital twin; relay protection; fusion of cyberspace and physical space; self-described

2023-06-01

2023-06-09

劉 戈（1983—），男，廣東省梅州市興寧市人，碩士，高級工程師，主要從事電力系統建模、設備狀態研判等工作。