智能變電站二次系統安全隔離策略研究

趙武智，鄔小坤，李興旺，樊國盛，牛靜

（1.貴州電網有限責任公司 電力調度控制中心，貴州貴陽 550002；2.遵義播州供電局，貴州遵義 563000；3.興義供電局，貴州 興義 562400）

智能變電站是通過由自動化控制、系統數據監測與設備保護等多種智能電子設備(Intelligent Electronic Device，IED)所構成的通信系統展開站內工作的，即通過復雜通信網絡中報文的交換來實現各類業務功能[1-2]。而通信機制的虛擬化及網絡化使得智能變電站的二次系統變得較為抽象，二次設備間的邏輯聯系及信息模型也愈加復雜。因此當進行二次設備檢修測試時，通常難以就檢測操作對變電站的運行影響進行科學、準確的評估[3-4]。同時，由于諸多關鍵的保護功能依賴于跨間隔信息的接收及處理，一旦對智能變電站進行檢修操作，便要重新驗證二次回路，極大地增加了檢修工作量。

一般情況下，智能變電站二次系統中存有大量跨間隔的交互信息，而設備配置的信息均是靜態信息，因此無法為少數IED 檢修、狀態變更等行為對系統造成的影響提供可靠判斷。同時，對于設備檢修等操作還缺乏高效的隔離手段，通常采取的方式是增加陪停設備，但這樣難以保障變電站內局部帶電檢修等操作的安全。為此，文中展開了對智能變電站二次系統安全隔離策略的研究。通過圖信號技術(Graph Signal Processing，GSP)生成安全隔離鏈路矩陣，從而得到安全措施票，進而保證設備檢修的可靠性和安全性。

1 二次系統安全隔離

與常規變電站不同，智能變電站的二次系統運用網絡通信進行IED 間的信息交互[5-6]，因此其二次安全隔離策略也不盡相同。目前，常用的隔離機制有軟壓板、檢修、硬壓板及光纖。安全隔離策略的原則是斷開與檢修IED 有關聯的回路，保證檢修過程中檢修IED 不會對運行IED 造成影響。為此，結合全站系統配置(Substation Configuration Description，SCD)文件結構，對隔離策略的可靠性進行分析，以保證其操作的安全性。

1.1 SCD文件結構分析

變電站配置文件SCD[7-9]詳細描述了全站二次虛回路的通信參數、報文控制塊與虛端子等信息，并為實現二次虛回路的可視化提供了依據。SCD 的文件結構是樹形的，具體如圖1 所示。

圖1 SCD文件結構

在SCD 文件結構中，＜Header＞主要包括文件版本、修改歷史等配置屬性；＜Substation＞描述了一次設備功能及連接拓撲；＜Communication＞主要包括站內IED 的SV/GOOSE 控制塊的通信參數等；而＜IED＞定義了IED 的具體配置和功能，＜DataType Templates＞則定義了邏輯節點類型、數據對象及屬性類型等模板。

1.2 隔離可靠性評價

二次系統的安全隔離策略是由各個相關鏈路的隔離操作共同構成的，只有全部鏈路均斷開才能完成可靠的隔離，只要其中一條鏈路未完成隔離就會導致安全措施失去作用[10]。因此，系統隔離策略的可靠性可以看作是全部鏈路可靠隔離的“串聯”，則有：

通過對實際運維工作數據的計算，各種安全隔離措施的可靠性如表1 所示。

表1 隔離措施的可靠性

由表1 可知，通過物理隔離（如退出硬壓板、斷開光纖等）能夠完全斷開電氣連接點，其可靠性能達到99.90%。但數字隔離（退出軟壓板）的安全影響因素較多，如軟壓板設置有誤、檢修策略不正確等均會造成隔離失效，因此其可靠性相對較低，如投入檢修壓板的可靠性僅為99.00%。

2 基于圖信號技術的安全隔離策略

智能變電站通過“虛回路”進行連接，因此無法直接獲取IED 間的連接關系和相對應的模型描述原理，這對現場運維、消缺工作的開展均帶來了不便。為此，基于圖信號技術[11-14]設計了一種安全隔離策略，文中利用圖信號技術的邊集數組存儲IED 的虛回路數據，并運用鄰接矩陣完成安措的分析與判斷，從而形象地呈現二次設備的邏輯關系，提高設備的檢修效率。

2.1 基于圖信號技術的網絡拓撲模型

圖信號的結構可以表示為G={V,E,ω}，其中，V={v1,v2,…,vN} 為節點集，N為節點數；E為邊組集；ω為節點間的加權鄰接矩陣。權值ωi,j代表節點間的關聯度，若存在關聯，則ωi,j＞0，二者呈正相關關系；若不存在關聯，則采用無權鄰接矩陣ψ∈RN×N進行描述，該矩陣由0、1 構成。

在圖信號結構中，每個頂點均分布著信號x∈RN，而二次系統的信號具有時間屬性，因此可將信號表示為X=[x1,x2,…,xT]∈RN×T，T為時長。同時，通過SCD 文件解析能夠提取到網絡鏈的路信息，利用圖信號技術可將該信息轉換為邊集數組進行建模。

在網絡拓撲模型的構建中，首先對系統內的IED 進行編號，并完成G和E的建模。其中鏈路的起止IED 使用相應的編號表示，且用權值代替信號屬性，由此便可將二次系統的鏈路信息轉換為帶權有向網絡。將E轉變為帶權網絡的鄰接矩陣A，則有：

此外，當智能變電站進行設備檢修時，需劃分IED 的運行情況，以確定檢修范圍。因此IED 的狀態矩陣H由0、1 組成，其可表征為：

在故障診斷之前，先來了解一下該車前霧燈的控制邏輯。根據圖2所示的電路圖分析得知，前霧燈點亮的工作過程如下：在小燈或者大燈接通以后，再打開前霧燈開關，前霧燈開關接通以后，組合燈開關的2號和6號端子短路。因為6號端子通過多路控制器MICU的N1號端子內部搭鐵，所以組合燈開關的前霧燈開關接通以后，通過2號端子給MICU的N10號端子提供一個接地的信號，MICU接到這個指令以后，通過E33號端子為前霧燈繼電器提供接地控制信號，前霧燈繼電器的電磁線圈產生磁場以后，繼電器觸點1、2號接通，電流從發動機蓋下熔絲盒內的A13號(20A)流出，經過繼電器后到達兩個前霧燈。

式中，H中的IED 順序與G相同且維持不變。若兩者順序不同而進行鏈路分析，會造成制定的安措與實際工作不符的情況出現，從而影響電網運行。

2.2 提出的安全隔離策略

通過圖信號技術構建的IED 矩陣是一個有向加權的鄰接矩陣，其所在的行是發送IED，所屬的列是接收IED。因此，由圖信號技術產生的安措鏈路包含了檢修IED 和運行IED 之間的全部鏈路，即利用H與A便可獲得安措鏈路矩陣A′。該矩陣表示如下：

式中，diag(H) 代表檢修IED 是發送IED，(I-diag(H)) 代表運行IED是接收IED，I則為單位矩陣。

綜上所述，文中設計的智能變電站二次系統安全隔離策略制定實施流程，如圖2 所示。

圖2 二次系統安全隔離策略的流程

具體步驟如下：

1）導入SCD 文件獲取IED 之間的邏輯關系，并根據該邏輯關系分析出待檢修設備與運行設備的隔離點。再利用圖信號技術生成安全隔離鏈路，進而通過安措規則分析、執行各種隔離操作。

2）獲得安全隔離鏈路后，根據設定的安措模板生成安措票以及相關文本。

3）按照安措票文本開啟多媒體信息服務(Multimedia Message Service，MMS)，并嘗試與所有IED 設備相連，同時對可連接設備予以核驗。基于靜止無功發生器(Static Var Generator，SVG)技術[15-16]將設備連接關系進行可視化，并根據系統狀態量的變化實時呈現操作后的設備連接情況。

3 實驗結果與分析

基于ADPSS 數字化仿真系統搭建的智能變電二次設備測試平臺如圖3 所示。其支持IEC61850 9-2 SMV 網絡，能夠響應合并單元輸出仿真采樣數據給保護或測控裝置。

圖3 智能變電二次設備測試平臺

文中以某220 kV 變電站的103 斷路器年檢操作為例進行了測試。其中一次設備運行情況為103 開關轉檢修；二次設備運行情況則是103 斷路器保護、智能終端及合并單元退出運行。

3.1 圖形可視化建模結果展示

由于智能變電站的連接端子是非實體的，因此基于圖信息技術分析IED 間的物理邏輯連接關系并將其可視化。所得結果如圖4 所示。

圖4 虛端子可視化展示圖

從圖4 可以直觀地獲取二次設備的邏輯關系以及虛端子的連接關系，并可根據應用服務需要進行實時調整。同時，通過網絡可視化，便于操作人員及時掌握設備及鏈路的狀態，進而提高安措的可靠性和操作的安全性。

3.2 安全隔離策略可靠性分析

為了論證基于圖信息技術生成的安全隔離策略的性能，將其與傳統隔離策略進行對比。根據隔離策略生成的鏈路矩陣可以計算其可靠性，還能統計安措票的生成時間。所提策略與傳統隔離策略在可靠性與安措票生成時間兩個方面的對比結果，如圖5所示。

圖5 不同策略的可靠性對比

從圖5 中可以看出，所提策略的可靠性有了顯著提升，約為99.65%，相比于傳統策略提高了0.28%。這是由于所提策略利用圖信息技術生成隔離措施并將其可視化，能夠避免網絡虛擬化導致的IED 關系模糊。此外，通過邊集數組存儲虛回路的信息，并利用鄰接矩陣實現安全措施的分析與判斷，進而將安措的生成時間縮短到500 ms 以下。而快速生成安措票，對于應急搶修具有關鍵的作用和重要的現實意義。

4 結束語

隨著電網智能化的發展，對其安全性也有了更高的要求。因此，文中提出了一種智能變電站二次系統安全隔離策略的設計方案，以確保設備檢修的高效、安全。其中，利用圖信號技術的邊集數組存儲了虛回路信息，并采用鄰接矩陣實現了對安全措施的分析與判斷，最終生成安全可靠的隔離措施。實驗測試結果表明，文中所提策略的可靠性約為99.65%，較傳統策略提升了0.28%，且安措的生成時間低于500 ms，效果符合預期。

雖然所提策略對于單個間隔的操作是有效的，但對于多個間隔操作的適用性能仍未驗證。因此在接下來的研究中，將針對多種檢修工作展開實驗，以提高其普適性。