全通信鏈路分配下的智能變電站安全光纖在線監測方法

馮宇，孫寶華，張磊，王準，董思蒙

（1.國網遼寧信通公司，沈陽 110006； 2.國網營口供電公司，營口 115002）

引言

智能變電站是未來電力系統的發展方向，其集成了現代通信技術、計算機技術、控制技術和傳感器技術等多種技術手段，具有高效、可靠、安全、環保等特點。然而，由于變電站設備復雜、工作環境惡劣，其經常出現故障，導致電力系統的不穩定和停電等問題。因此，實現對智能變電站設備的快速、準確故障診斷和安全監測具有重要的現實意義。

就目前現階段所采用方法而言，如鐘鳴，陶軍，劉洵宇等[1]與楊超，伏曉燕[2]提出方法所涉算法來看，其主要從優化目標點特征出發，通過數據映射與反饋信號的差異為判定依據，雖然能夠有效快速的確定光纖節點狀態，達到監測效果，但是忽略了智能變電站網絡自身鏈路多層屬性對狀態節點傳輸的影響，局部單一節點狀態并不能真實反映對應光纖鏈路服務狀態，由此所得的監測結果與實際狀態存在較大偏差。此類問題在國外文獻[3, 4]中同樣存在，雖然其中采用了神經網絡來適應通信網絡結構，但鏈路拓撲結構所形成的信息時延問題，依舊存在，監測偏差問題出現概率仍然很高。

為此，如何解決全通信鏈路下安全光纖在線監測偏差問題，成為了研究熱門。本文將介紹一種基于全通信鏈路分配下的智能變電站安全光纖在線監測方法，通過將光纖傳感器與全通信鏈路技術相結合，實現對變電站設備的安全監測和故障診斷。

1 在線監測參量及其規則的定義與計算

1.1 全通信鏈路分配下智能變電站安全光纖節點狀態編碼規則

1.1.1 異常光纖節點狀態編碼規則

為了解決智能變電站光纖在線狀態辨別分析計算壓力大的問題，通過降低分析計算的復雜度，從而提高了辨別效率。具體來說，全通信鏈路分配算法通過對異常表征節點進行狀態編碼規則定義，將復雜的通信鏈路分解為多個獨立的子鏈路，并對每個子鏈路進行狀態評估。得到編碼規則評估關系式為：

式中：

nj(j=1, 2,…,m)—安全光纖狀態節點所對應第j個位置上的當前狀態；

—由多個虛節點特征的狀態表征節點總數。

在全局狀態鏈路中，節點編碼的差異對狀態反應的精準度具有重要影響。為了確保狀態反應的準確性，需要對節點編碼進行統一管理?；谌ㄐ沛溌贩峙渌惴ǖ慕Y構特點，可以采用一種編碼規則來評估節點狀態與鏈路狀態之間的關系。其中，直連鏈路結構下的節點狀態，可以利用這種編碼規則來確定其對應的鏈路狀態編碼。通過深入分析節點之間的關系，可以更好地理解鏈路狀態的變化規律，從而更準確地評估節點狀態對鏈路狀態的影響。通過利用全通信鏈路分配算法的結構特點，鏈路下層的交換機鏈路與對應上層交互狀態節點被統一定義為虛節點n′。鏈路連接結構如圖1 所示。

圖1 鏈路連接結構

基于上述分析，引入全通信鏈路分配算法后的智能變電站光纖安全節點狀態編碼N所對應構成節點的集合，可以描述為：

按照上述集合關系，智能變電站安全光纖鏈路中異常狀態節點的編碼存在兩種形式，分別對應直連鏈路異常狀態，其編碼為N=[0010010]；另一種為交換鏈路異常狀態，其編碼為N=[0100010]，根據異常位置的不同，每一條鏈路均有唯一的狀態編碼標識。

1.1.2 全通信鏈路分配下的光纖鏈路狀態編碼

根據上述異常狀態節點的編碼規則，定義目標智能變電站全通信鏈路分配下鏈路異常狀態為1，正常狀態為0。 則全局連接狀態編碼集合L的關系函數式可以表達為：

式中：

li(i=1, 2,…,e)—第i條鏈路的狀態編碼；

e—優化分配鏈路總數。

1.2 變電站安全節點服務在線鏈路重要度計算

在智能變電站的運行體系中，核心層的運行狀態與不同鏈路下的服務層緊密關聯。這些服務對應層具有各自獨特的優先級，進一步導致其對應鏈路層的重要度各具特點?？紤]到一條鏈路通常情況下承載多個關鍵服務這一特性，在優化過程中不僅關注主傳輸鏈路，還特別為每個關鍵服務配置了備用安全鏈路。

為了確保系統的穩定性和安全性，這些設定的安全鏈路嚴格遵循最大不相交原則。這一原則的采納旨在最大限度地減少與直連鏈路之間的重疊部分，從而降低潛在的干擾和風險。在直連鏈路出現離線等異常狀況時，系統能夠憑借預設的快速切換機制，迅速從主鏈路切換至安全鏈路。

在服務配置主備鏈路的傳輸過程中，其重要度的計算是一個關鍵環節。根據實際運行情況和數據反饋，總結出了以下三種主要情況，以供后續研究和應用參考：

1）針對全局分配鏈路下第x個0 保護鏈路的服務，其中，x=1, 2,…,X，X代表該狀態特征類型服務的總數，其直連鏈路QM(Sx,Tx)如圖2（a）所示。

圖2 變電站安全節點服務在線鏈路有用性分析

2）針對全局分配鏈路下第y個配置交換機1 ∶1 保護鏈路的服務，其中，y=1, 2,…,Y，Y代表該狀態特征類型服務總數，其QM(Sy,Ty)與安全鏈路QB(Sy,Ty)如圖2（b）所示，其中紅色為QM(Sy,Ty)，藍色為QB(Sy,Ty)；

3）針對全局分配鏈路下第z個配置子鏈路1 ∶1 保護鏈路的服務，其中，z=1, 2,…,Z，Z為該狀態特征類型服務總數，其服務主安全鏈路情況如圖1（c）所示。同樣，圖2（c）中紅色為QM(Sz,Tz)，藍色為QB(Sz,Tz)。

針對0 保護鏈路下的服務狀態，弱鏈路中任意一條鏈路狀態處于離線時，其對應服務受其直接影響同處于中斷狀態，此時本地服務可用性直接決定該條鏈路是否能夠恢復在線狀態。由此，定義第x個0 保護鏈路下離線服務的服務可用性為OxBAS，則其關系函數可以表達為：

式中：

Ix—全通信鏈路中第x個0 保護鏈路的服務重要度；

此類情況可通過鏈路數據分配下同級數據交互特征進行描述，即當服務重要度參量為定值的條件下，服務所關聯的鏈路越多，服務可用性越低。即Sx與xT的狀態服務屬性不變，若服務關聯的鏈路數量越多，則該服務對應節點交互過程中的狀態越容易受到鏈路失效因素的影響，導致其相應服務中斷，鏈路處于離線狀態。

配置與在線鏈路完全獨立的交換機1 ∶1 保護鏈路所對應服務除已知參量QM(Sy,Ty)外，還需獲取QB(Sy,Ty)參量。此類型服務所對應直連鏈路中任意一條鏈路離線后可直接切換至安全鏈路，保留原鏈路下服務；由此，定義全局分配鏈路下第y個滿足交換機1 ∶1 保護條件下的鏈路服務可用性的關系函數為：

式中：

Iy—全局分配鏈路下第y個配置交換機1 ∶1 保護鏈路的服務重要度；

式中：

在智能變電站安全光纖鏈路運行中，針對局部鏈路根據控制電路需求采用同級并聯結構傳輸的實際情境，提出方法在重要度計算中，根據對應鏈路對應服務的實際可用性，對鏈路的重要度系數進行適當調整。研究顯示，當服務的重要程度一定時，服務傳輸鏈路的數量增加可以提高服務的可用性。反之，若其中任意一條鏈路所關聯的鏈路數量過多，可能會導致服務的可用性降低。此外，相較于僅有0 保護鏈路的服務配置，采用1 ∶1 保護鏈路的服務除了直連鏈路外，還配備了安全鏈路。然而，無論是直連鏈路還是安全鏈路，經過的鏈路數量越多，因鏈路離線導致服務中斷的可能性就越高。

因此，在計算過程中采用區塊劃分的優化方法能夠有效提升全局鏈路對應服務重要度的計算精度，其鏈路區塊劃分比例按照上述鏈路配置1 ∶1 保護進行配置，以此實現對直連鏈路下部分子鏈路的分離處理，當相同類型服務所對應直連鏈路離線后，該鏈路下的服務會切換到安全鏈路，而直連鏈路中0 保護的鏈路離線后處于該鏈路中所有服務仍會進入服務中斷狀態。因此定義子鏈路1 ∶1 保護鏈路中0 保護下的鏈路為，其關系函數為：

定義全局分配鏈路下第z個配置子鏈路1 ∶1 保護鏈路所對應的服務可用性為，其計算公式可以表達為：

式中：

Iz—全局分配鏈路下第z個配置子鏈路1 ∶1 保護鏈路下對應服務的重要度。

式中：

在直連鏈路的環境中，當保護鏈路數量逐漸減少時，服務的中斷概率呈現出上升的趨勢。這意味著鏈路狀態的重要度模型逐漸接近串聯電路，進而導致服務的可用性降低。當保護鏈路數量增加時，鏈路狀態的重要度模型更接近于并聯電路，從而提高了服務的可用性。

如果相同類型服務處于0 保護鏈路下的狀態為離線，則其對應服務的全局狀態也會呈現離線狀態。這類情況與0 保護鏈路的服務表現非常相似。值得注意的是，當保護鏈路處于離線狀態時，其下的服務仍然可以正常運行，這與交換機1 ∶1 保護鏈路的服務特性具有相似之處。

總之，在直連鏈路下，保護鏈路數量的變化對服務可用性具有顯著影響。為了確保服務的穩定性和可靠性，針對全局通信鏈路中所有0 保護鏈路、配置交換機1 ∶1 保護鏈路與配置子鏈路1 ∶1 保護鏈路對應服務而言，其服務可用性越大，所在鏈路重要度越高，其處于在線狀態的可靠性越高。因此定義整個通信鏈路分配網絡下服務層可靠性系數為Fservice(G)，計算關系式可以描述為：

鏈路離線后，該鏈路相關的服務全部轉到安全鏈路或重新匹配交換機，變電站安全光纖鏈路的全局帶寬占用率增加會直接帶動與其相關鏈路的離線率增高。故此可以得到ei,j離線后服務層鏈路重要度為?Fservice(ei,j)，其關系函數可以描述為：

式中：

1.3 全通信鏈路分配下的智能變電站安全光纖在線監測結果輸出

基于上述鏈路重要度分析結果，對其在線監測結果進行結果整理輸出。考慮到上述多組分配類型下狀態監測評估結果多以發送SV 或GOOSE 消息信息為判斷依據，因此可根據離線鏈路節點中斷服務時，其對應位置信息的梯度概率，計算得到安全光線是否處于離線狀態，進而判定其在線狀態。具體操作如下：

首先，通過SCD 文件中狀態權重信息的分析與其時間變化間隔之間對應光纖區段標識，可生成IED 安全設備下對應光纖區段X 的在線狀態信息數據集：

式中：

f(x1,xn)—安全光纖設備下區段x1與區段xn之間的狀態聯系，當區段 1x與區段xn的信息存在狀態關聯。則其對應狀態系數為1，當區段 1x與區段xn的信息不存在狀態關聯，則區段xn的狀態自相關數據集為：

當智能變電站安全光纖鏈路斷鏈出現時，離線服務節點數據中每個區段的集合，可以表達為：

若區段xn包含離線節點信息，則在鏈路分配下其對應f的參數值為1，若不包含離線節點信息，則對應參數值為0；此時，IED 安全設備所對應光纖區段xn的在線狀態輸出結果為：

注意到智能變電站安全鏈路網絡結構與分配參量的不同，其對應IED 安全設備下的狀態S 值大小可以作為光纖在線與否的判定指標，從而得出精準的監測結果。

2 應用測試

為了驗證提出監測方法在實際場景中的有效性，采用仿真對比實驗設計，通過模擬真實智能變電站安全鏈路場景，與對比方法在相同環境條件下共同完成相關指標量的測試，通過數據采集、對比、分析，得出測試結論，驗證提出方法。其中作為驗證方法的對比樣本方法的構成監測方法設置為兩種不同算法的監測方法，分別簡稱為參CY-1 與CY-2；提出方法簡稱為YZ-0。

2.1 測試環境搭建

根據測試需要搭建測試環境，其中包括：光纖傳感器，用于監測光纖的溫度、應變、振動等參數；數據采集模塊，負責接收傳感器網絡傳輸的數據，并對數據進行預處理；數據處理模塊，對預處理后的數據進行進一步的分析和處理，以提取出光纖的狀態信息；數據傳輸模塊，將處理后的數據傳輸至監控中心，實現數據的遠程傳輸和共享；監控中心，負責接收和處理來自數據傳輸模塊的數據，對光纖的狀態進行實時監測和預警。測試網絡結構如圖3 所示。

圖3 測試網絡結構

圖3中，測試過程中所涉數據樣本采用歷年變電站故障樣本，通過測試工具matlab 隨機抽取的方式配置其數量與類型，以此確保測試結果更加接近實際應用場景。

2.2 監測偏差測試

隨機抽取3 000 條異常狀態數據，分別配置到3 路變電站鏈路下的測試機組，每路各1 000條異常狀態數據；分別有三種不同監測方法分別對其進行監測，所得數據由matlab 測試工具下SCD-SV 數據分析統計插件分析整理后，輸出為統計圖，如圖4 所示。根據所得指標對比分析，得出測試結論。

圖4 不同監測方法不同鏈路通道下所得結果偏差統計

根據圖4 的測試結果的對比分析可以發現，三組安全光纖狀態監測方法在不同層級鏈路上的監測效果各不相同，且各自監測結果偏差較大。其中CY-1 所得監測偏差權重整體表征為緩慢增長趨勢，說明該方法在測試網絡環境下，監測結果的偏差大小隨鏈路層深度的增長而增大；按照偏差權重越大，對應方法監測結果偏差值越大的判定規則，CY-1 測試結果無法滿足測試要求。按照上述分析與判定方法，分析得到CY-2 所得指標性能同樣無法滿足測試要求，但是其性能整體表征優于CY-1，主要表現在偏差權重值小于CY-1 權重值與其整體變化趨勢中存在收斂痕跡。相比上述兩種方法所得測試結果，YZ-0 的指標更能滿足測試要求，其權重值相比兩種對比方法所得權重值小，說明其具有較好的監測精準度，另外其波動小，有收斂痕跡，說明該方法具有較好的控制性與穩定性，綜合上述分析，YZ-0 的監測偏差最小，更能滿足實際應用要求。

2.3 可靠性測試

為了驗證提出監測方法檢測效果的可靠性，在搭建3 層鏈路網絡結構中隨機配置光纖服務在“在線”與“離線”兩種狀態之間切換，每條鏈路通道對應切換次數5 000 次，切換時間間隔為100 ms，每種監測方法所得結果經過統計后生成表1，通過對比分析表1 數據，得出測試結果。

表1 光纖隨機狀態監測結果可靠性統計

根據表1 所示的數據可以直觀的展現出YZ-0 的整體可靠性優于另外兩種監測方法。除指標值大于CY-1與CY-2 外，3 組鏈路通道所得指標值之間的變化幅度也能說明YZ-0 具有更好的監測魯棒性，因此YZ-0 對應的可靠性最好。

3 結束語

針對智能變電站安全光纖鏈路結構，采用全通信鏈路分配優化方案，對當前智能變電站安全光纖在線監測方法存在的偏差問題進行研究，并取得了預期效果，徹底解決監測偏差較大問題。但是，需要注意到智能變電站網絡結構的復雜程度日益加深，其對應變量的可控程度不斷減弱，因此監測效果的穩定周期處于遞減狀態。為了延長監測效果的穩定周期，需要在未來的研究中，針對智能化鏈路分布特征展開研究，精簡鏈路狀態計算過程，提升問題鏈路區域感知能力，優化多鏈路、多層級、多尺度下的超分計算能力，以此確保提出方法時刻處于最佳的監測狀態。