智能變電站繼電保護(hù)二次回路可視化技術(shù)研究

國網(wǎng)河南省電力公司滎陽市供電公司 尚曉龍

1 引言

隨著電力系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷增加，保障其安全、穩(wěn)定和高效運(yùn)行成為至關(guān)重要的任務(wù)。智能變電站作為電力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，承擔(dān)著輸送、分配和控制電能的重要職責(zé)。繼電保護(hù)二次回路在智能變電站中起著至關(guān)重要的作用，可以有效地保護(hù)電力設(shè)備和電力系統(tǒng)，預(yù)防和減輕事故后果。然而，傳統(tǒng)的繼電保護(hù)二次回路在故障診斷和信息傳輸?shù)确矫娲嬖诰窒扌裕绾翁岣咂湫阅芎托食蔀檠芯康闹攸c[1]。將可視化技術(shù)應(yīng)用于繼電保護(hù)二次回路，有助于提高故障診斷和處理的效率，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的安全性和可靠性。

為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，本研究首先對現(xiàn)有的可視化技術(shù)進(jìn)行了綜合分析，探討了其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀。然后，設(shè)計了一種基于SCADA 系統(tǒng)[2]的二次回路信息提取方法，并將提取到的信息保存在網(wǎng)絡(luò)訪問中。接著，利用可視化工具對二次回路信息進(jìn)行分解和導(dǎo)入，為二次回路可視化展示提供數(shù)據(jù)支持。最后，在可視化工具中通過映射二次回路之間的邏輯關(guān)系構(gòu)建線路連接關(guān)系圖，實現(xiàn)二次回路可視化展示。本研究力求為智能變電站繼電保護(hù)二次回路可視化技術(shù)的研究與應(yīng)用提供有益的理論參考和實踐指導(dǎo)，推動電力系統(tǒng)向智能化、高效化發(fā)展。

2 可視化技術(shù)在繼電保護(hù)二次回路中的應(yīng)用

2.1 可視化技術(shù)原理及

可視化技術(shù)是一種將抽象的數(shù)據(jù)和信息轉(zhuǎn)換為直觀、易于理解的圖形表示的方法。其主要目的是幫助人們更容易地分析和解讀大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)。可視化技術(shù)的原理包括數(shù)據(jù)處理、圖形生成和交互式操作等。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、分析和映射，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具有一定視覺特征的圖形，如散點圖、折線圖、柱狀圖等，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的直觀展示。

2.2 在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

在電力系統(tǒng)中，可視化技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。可視化技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用詳見表1。

在繼電保護(hù)二次回路中，可視化技術(shù)可以幫助運(yùn)維人員更直觀地了解二次回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)備狀態(tài)和保護(hù)邏輯，提高故障診斷和處理的效率。通過將二次回路的狀態(tài)信息和物理信息進(jìn)行可視化展示，可以實現(xiàn)對二次回路的實時監(jiān)控、故障預(yù)警和故障診斷等功能。

2.3 二次回路可視化技術(shù)的設(shè)計與實現(xiàn)原理

二次回路可視化技術(shù)的設(shè)計與實現(xiàn)如下。

一是數(shù)據(jù)采集與處理。從智能變電站的繼電保護(hù)設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備中采集二次回路的狀態(tài)信息和物理信息。這些信息可以通過SCADA 系統(tǒng)或IEC 61850協(xié)議進(jìn)行獲取。然后，對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、篩選、格式轉(zhuǎn)換等，以便后續(xù)的可視化分析。

二是數(shù)據(jù)存儲與管理。將處理后的二次回路信息保存在網(wǎng)絡(luò)訪問中，例如數(shù)據(jù)庫或云存儲服務(wù)。這樣，運(yùn)維人員可以隨時訪問這些數(shù)據(jù)并進(jìn)行可視化分析。同時，通過對數(shù)據(jù)的實時更新，確保展示的信息始終是最新的。

三是可視化模型設(shè)計。根據(jù)二次回路的特點，設(shè)計合適的可視化模型，例如樹狀圖、網(wǎng)絡(luò)圖或矩陣圖等。這些模型可以幫助運(yùn)維人員更直觀地了解二次回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)備狀態(tài)和保護(hù)邏輯。同時，可視化模型應(yīng)具有一定的交互性，以便用戶根據(jù)需要對展示的信息進(jìn)行調(diào)整和篩選。

四是可視化實現(xiàn)。利用可視化工具（如D3.js、ECharts、Tableau 等）將設(shè)計好的可視化模型實現(xiàn)為具體的圖形。通過對二次回路信息進(jìn)行分解和導(dǎo)入，為二次回路可視化展示提供數(shù)據(jù)支持。在可視化工具中通過映射二次回路之間的邏輯關(guān)系構(gòu)建線路連接關(guān)系圖，實現(xiàn)二次回路可視化展示。

五是結(jié)果分析與評估。對可視化展示的結(jié)果進(jìn)行分析和評估，以驗證所提出的二次回路可視化技術(shù)在智能變電站繼電保護(hù)中的有效性和實用性。通過對比試驗結(jié)果和實際應(yīng)用場景，檢驗可視化技術(shù)對故障診斷和處理效率的提升作用。

通過試驗設(shè)計與原理，二次回路可視化技術(shù)可以幫助運(yùn)維人員更直觀地了解智能變電站繼電保護(hù)的運(yùn)行狀態(tài)，提高故障診斷和處理的效率，從而進(jìn)一步提升電力系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2.4 可視化技術(shù)在故障診斷與處理中的作用

可視化技術(shù)在繼電保護(hù)二次回路的故障診斷與處理中具有重要作用，通過實時監(jiān)控、故障預(yù)警、故障定位、故障分析和故障處理等環(huán)節(jié)的應(yīng)用，可以有效地提高智能變電站繼電保護(hù)的安全性和可靠性。實時監(jiān)控有助于及時發(fā)現(xiàn)潛在問題，為后續(xù)的故障診斷和處理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。故障預(yù)警使運(yùn)維人員能夠迅速響應(yīng)并采取措施，防止故障發(fā)生或減輕故障后果。故障定位通過可視化技術(shù)幫助快速定位故障源頭，減少故障診斷的時間和誤差。故障分析挖掘故障原因和規(guī)律，為優(yōu)化繼電保護(hù)策略和提高設(shè)備性能提供依據(jù)。故障處理協(xié)助運(yùn)維人員制定合理的處理方案，快速判斷故障的性質(zhì)和嚴(yán)重程度，從而采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行處理。通過將二次回路的狀態(tài)信息和物理信息進(jìn)行實時可視化展示，運(yùn)維人員可以更直觀地了解智能變電站繼電保護(hù)的運(yùn)行狀態(tài)，提高故障診斷和處理的效率。

3 繼電保護(hù)二次回路可視化技術(shù)設(shè)計

3.1 繼電保護(hù)二次回路提取

采用現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)據(jù)收集：通過現(xiàn)場調(diào)查和設(shè)備手冊，收集智能變電站中繼電保護(hù)設(shè)備的型號、參數(shù)、連接關(guān)系等信息。此外，還需獲取監(jiān)控設(shè)備、通信設(shè)備等相關(guān)信息，以便在后續(xù)過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通信。

利用SCADA 系統(tǒng)：利用SCADA 系統(tǒng)獲取繼電保護(hù)設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，包括設(shè)備狀態(tài)、參數(shù)和告警信息等。通過與SCADA 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以提取所需的二次回路信息。

在完成二次回路提取后，需要對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、篩選、格式轉(zhuǎn)換等，以便后續(xù)的可視化分析和展示。

3.2 繼電保護(hù)二次回路導(dǎo)入

一是數(shù)據(jù)存儲與管理。將處理后的二次回路信息存儲在可供網(wǎng)絡(luò)訪問的數(shù)據(jù)存儲中，運(yùn)維人員可以隨時訪問這些數(shù)據(jù)并進(jìn)行可視化分析。同時，通過對數(shù)據(jù)的實時更新，確保展示的信息始終是最新的。二是數(shù)據(jù)接口設(shè)計。利用基于RESTful API 技術(shù)進(jìn)行接口實現(xiàn)，支持?jǐn)?shù)據(jù)的查詢、更新和刪除操作。三是數(shù)據(jù)映射與轉(zhuǎn)換。在導(dǎo)入二次回路信息之前，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行映射和轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為適合可視化展示的格式。這可能包括數(shù)據(jù)歸一化、編碼轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)調(diào)整等操作。此外，還需要根據(jù)可視化模型的需求，將二次回路信息映射到相應(yīng)的圖形元素和屬性上，如節(jié)點、邊、顏色和大小等。四是數(shù)據(jù)導(dǎo)入與展示。在完成數(shù)據(jù)映射與轉(zhuǎn)換后，將二次回路信息導(dǎo)入可視化系統(tǒng)，并根據(jù)設(shè)計好的可視化模型進(jìn)行展示。

3.3 繼電保護(hù)二次回路可視化展示

一是可視化模型設(shè)計。可視化模型定義了二次回路信息如何映射到圖形元素和屬性上。將繼電器、斷路器等設(shè)備表示為不同形狀的節(jié)點，將設(shè)備間的連接關(guān)系表示為有向邊。通過顏色、大小和標(biāo)簽等屬性來表示設(shè)備的狀態(tài)、參數(shù)和類型。二是圖形布局與優(yōu)化。用自動力導(dǎo)向布局方式，實現(xiàn)設(shè)備間的合理排列和連接關(guān)系的清晰表示。三是交互功能設(shè)計。提供基本交互功能，使運(yùn)維人員可以瀏覽和操作二次回路可視化界面。

4 試驗

4.1 試驗準(zhǔn)備

將使用本文設(shè)計的可視化技術(shù)（稱為技術(shù)A）與傳統(tǒng)技術(shù)（稱為技術(shù)B）對某智能變電站的繼電保護(hù)二次回路進(jìn)行可視化，并通過展示圖像的分辨率來驗證技術(shù)A 的有效性和可行性。

試驗環(huán)境設(shè)置的內(nèi)容包括：智能變電站設(shè)有2個直流分電柜、3個電能表柜、1個故障錄波器柜、2個保護(hù)信息管理子站。二次設(shè)備布置在主控制室內(nèi)，線路為35kV，電壓采用220V。將該智能變電站繼電保護(hù)二次回路分成20個區(qū)域，運(yùn)用SCADA 系統(tǒng)提取的二次回路信息量共198GB。

一是數(shù)據(jù)預(yù)處理。對SCADA 系統(tǒng)提取的二次回路信息進(jìn)行清洗、整理和壓縮，以便在可視化系統(tǒng)中進(jìn)行高效處理。在技術(shù)A 中，采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，將信息量壓縮至10GB。而在技術(shù)B 中，由于采用傳統(tǒng)方法，壓縮后的信息量為50GB。

二是數(shù)據(jù)導(dǎo)入與展示。分別使用技術(shù)A 和技術(shù)B 對二次回路信息進(jìn)行導(dǎo)入和可視化展示。在技術(shù)A 中，利用高效的數(shù)據(jù)接口設(shè)計和數(shù)據(jù)映射方法，實現(xiàn)了快速的數(shù)據(jù)導(dǎo)入和清晰的可視化展示。而在技術(shù)B 中，由于數(shù)據(jù)導(dǎo)入和處理速度較慢，可視化展示的效果相對較差。

三是分辨率評估。將技術(shù)A 和技術(shù)B 生成的可視化展示圖像進(jìn)行分辨率評估。在技術(shù)A 中，由于采用了高效的數(shù)據(jù)處理和優(yōu)化算法，可視化圖像具有較高的分辨率，設(shè)備間的連接關(guān)系清晰可見，且無明顯的圖像失真。而在技術(shù)B 中，由于數(shù)據(jù)處理效率較低，可視化圖像的分辨率較差，設(shè)備間的連接關(guān)系不夠清晰，且存在一定程度的圖像失真。

四是故障診斷與處理。模擬在智能變電站中發(fā)生繼電保護(hù)二次回路故障的情況，分別使用技術(shù)A和技術(shù)B 進(jìn)行故障定位和處理。在技術(shù)A 中，由于實時更新和高分辨率的可視化展示，運(yùn)維人員能夠快速發(fā)現(xiàn)故障設(shè)備并進(jìn)行處理。而在技術(shù)B 中，由于圖像分辨率較低，運(yùn)維人員在故障定位和處理過程中需要花費(fèi)更多的時間和精力。此外，技術(shù)A 提供了豐富的交互功能，如設(shè)備狀態(tài)篩選、故障定位和信息提示等，這有助于運(yùn)維人員更加高效地處理故障。

4.2 試驗結(jié)果對比

通過對比技術(shù)A 和技術(shù)B 在數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)導(dǎo)入與展示、分辨率評估和故障診斷與處理等方面的表現(xiàn)，可以看出技術(shù)A 在繼電保護(hù)二次回路可視化方面具有明顯優(yōu)勢。技術(shù)A 不僅能夠?qū)崿F(xiàn)更高的分辨率和更清晰的設(shè)備間連接關(guān)系展示，還能提供更好的實時性和交互性，從而提高智能變電站的運(yùn)維效率。 試驗結(jié)果對比見表2。

表2 試驗結(jié)果對比

5 結(jié)語

本文針對智能變電站繼電保護(hù)二次回路的可視化技術(shù)進(jìn)行了研究。通過模擬試驗，對比了本文設(shè)計的可視化技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)在繼電保護(hù)二次回路可視化方面的性能差異。試驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的繼電保護(hù)二次回路可視化技術(shù)具有較高的分辨率、實時性和交互性，能夠提高智能變電站的運(yùn)維效率。相較于傳統(tǒng)技術(shù)，本文設(shè)計的技術(shù)在數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)導(dǎo)入速度、可視化展示質(zhì)量、實時性、交互性、故障定位速度和故障處理效率等方面均表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。