基于镜像技术的智能变电站二次系统隐性故障诊断研究

邱智勇高 翔陈建民刘虎林

（1. 华东电网有限公司，上海 200122；2. 上海毅昊自动化有限公司，上海 201204）

基于镜像技术的智能变电站二次系统隐性故障诊断研究

邱智勇1高 翔2陈建民1刘虎林1

（1. 华东电网有限公司，上海 200122；2. 上海毅昊自动化有限公司，上海 201204）

智能变电站 SCD文件构成了二次系统的核心组成部分，本文分析了智能变电站 SCD特征及保护系统特点，提出了基于SCD的智能变电站镜像仿真技术方案。结合华东陈建民劳模室的镜像系统应用案例，验证了技术方案的有效性。由此，构建了基于实验室环境的智能变电站继电保护隐性故障特性研究平台，为实现智能变电站二次系统的风险预控提供了技术基础。

智能变电站；继电保护；SCD；可视化；仿真

继电保护系统作为电网安全运行第一道防线，在电网事故发生过程中的行为对于事故的快速隔离和有序恢复具有重大影响。据美国NERC研究报告表明75%以上的电网稳定破坏或大面积停电事故的发生与保护在事故中的不正确动作有直接的相关性［1］。

2009年以来随着国家电网公司智能电网战略推进，智能变电站已经获得大量工程应用［2］。由于智能变电站保护系统构成的复杂性，如增加了合并单元、智能终端、过程层交换机等；设计方案的多样性，如电子式互感器、常规互感器加合并单元、常规互感器交流电缆直连；“网采网跳”、“直采网跳”、“直采直跳”，及基于SCD的二次系统不可见性，使得智能变电站保护系统隐性故障的几率大大上升。如甘肃330kV永登变全停，西藏220kV墨竹工卡变母差误动等事故。

本文结合华东分部陈建民劳模室智能变电站技术研究系统建设，探索了基于镜像系统技术，在试验室环境下，研究智能变电站保护隐性故障的技术方案，对于在试验室环境下，探索控制智能变电站隐性故障风险技术，以便于为电网运行提供安全保障具有重大实现意义。

1　概述

1.1隐性故障基本特征

1995年美国弗吉尼亚理工大学受OAK RIDGE NATIONAL LABORATORY委托开展了“继电保护隐性故障”项目研究，研究报告提出继电保护隐性故障的概念［3］。即保护系统存在缺陷，电网正常运行时这种缺陷没有造成断路器误跳闸。在电网发生故障时，由于保护系统存在的缺陷引起非故障元件跳闸，造成事故扩大，进而产生多米诺骨牌效应。如 2006年华中“7.1”事故，2006年“11.4”西欧大停电事故［4］等。隐性故障的主要危害点在于破坏了电网稳定控制的N-1准则。

1.2智能变电站关键特征

智能变电站重要特点在于用 SCD文件描述：①变电站一次设备模型与电气拓扑信息；②功能视图：自动化功能在各间隔内的分配；③IED视图：IED能力描述；④通信视图：通信配置信息；⑤产品视图：IED视图中的LN与功能视图中的LN的映射；⑥数据流：IED之间的水平通信与垂直通信，如图1所示［5］。

图1　SCD信息示意图

1.3IEC 61850信息交互机制

作为智能变电站的核心IEC 61850采用通用面向对象的变电站事件GOOSE机制实现IED之间的信息交互，如联闭锁、跳闸控制命令等。GOOSE具有优先级控制，提供高效率地实现IED与IED之间直接通信的可能。GOOSE属于链路层协议，采取多播模式，通过发布/订阅机制实现IED之间的对等通信，如图 2所示，GOOSE机制体现为链路层面的P2P，GOOSE报文属于事件驱动型，有异步传输和随机性特征［6］。

MMS属于应用层协议，通过采取客户-服务器（Client-Server）方式实现数据通信，相对于常规综自的主-从（Master-Slave）机制，体现了更多的灵活性，可以任意定义为客户端或服务器，MMS客户-服务器机制体现为逻辑层面的 P2P。MMS中的虚拟制造设备 VMD可抽象描述一个实际制造设备的外部可见行为，使 MMS与具体设备内部特性无关。

图2　发布订阅机制示意图

2　保护系统特性分析

2.1继电保护构成

保护系统构成涵盖保护装置及辅助系统，如图3所示［7］。所限定的保护区域与保护装置的整定值选取有关。对于保护系统整体性能的监测评估应该包含两个方面的内容：其一是保护装置及辅助系统，其二是保护装置整定值及保护范围。

图3　继电保护系统构成示意图

2.2静态特性

静态特性是指继电保护装置在未满足启动条件时，仅进行测量计算而不进行逻辑比较和跳闸出口环节，如互感器测量回路、合并单元、继电保护前置处理电路、智能终端、过程层交换机、连接光纤等。其中继电保护装置测量回路由互感器、连接电缆、端子、变换器、模拟低通滤波器（ALF），采样保持（S/H）电路、多路模拟开关（MUX）、模/数转换电路（A/D）等组成，若测量回路中任何一个环节出现故障，有可能导致保护装置做出错误的判断。对继电保护静态特性的监视最重要的是监视其测量值的接入是否正常。一般可采取多个测量元件测量值的比对误差超过预先设定的门槛值，判断继电保护装置静态特性是否存在隐性故障。

2.3动态特性

在保护未起动的情况下，保护装置处于静态特性状态。此时，仅进行电流、电压信息的采集而不做其他方面的处理。在保护装置起动后，保护装置处于动态特性状态，此时除了要进行故障电流、电压的测量外，还要按照相应的保护算法，计算出适合保护逻辑判断的故障特征量。

对于动态特性来讲，保护装置在满足启动条件时，继电保护将进行故障量测量与计算并进行保护逻辑比较。此时存在于测量计算、闭锁信号检验等环节中的隐性故障则有可能导致保护装置误动。保护动态特性的隐性故障诊断可以检测出保护装置计算测量环节的正确性。

3　镜像系统关键技术

3.1IEC 61850核心思想

智能变电站基于IEC 61850体系，其核心思想主要体现为：①利用变电站配置文件实现设备自我描述；②定义抽象通信服务接口，使功能独立于具体通信技术；③按照功能划分节点，用逻辑设备抽象物理设备。

智能变电站基于IEC 61850标准体系具备了逻辑节点 LN描述物理设备外部可见特性的可能。继电保护系统是一个响应输入条件（电压、电流或接点状态）的系统，当输入条件对应于保护系统设计动作的故障状态，将提供相应的输出信号［7］。因此，从描述保护系统输入相应的视角，对于保护外部特性的描述可以用GOOSE、MMS报文描述，由此，可以基于IEC 61850标准体系，构建镜像系统分析智能变电站保护系统特性，继而为研究隐性故障研究提供给实验室环境和平台。

由图4可知，镜像系统需要在线监测装置作为客户端，导入SCD文件后，基于图模映射技术，展示变电站单线图、二次系统连接关系及保护二次原理图等。其主要特点是在过程层常规变电站的二次电缆连接关系，可以基于SCD模型与GOOSE信号匹配机制，实现可视化展示。由于保护装置定值、连接状态（对应功能）变化、告警、动作等信息通过 MMS网络发布。因此，在线监测装置，可以针对GOOSE、MMS报文完整展示变电站保护系统的运行状况，如功能投退、异常，及动作情况。

3.2镜像系统架构

镜像系统的主要价值在于可以在实验室环境下研究分析保护系统异常情况，判断在线监测装置的隐性故障辨识能力，镜像系统架构如图4所示。

图4　镜像系统示意图

镜像系统需要仿真引擎，通过基于SCD模拟发送GOOSE、MMS报文，描述保护系统在特定输入激励下的响应特性。由此构成二次系统模拟分析平台。

此外，需要考虑同一IED的GOOSE与MMS信号关联机制。需要在仿真引擎内部设计一个基于时间步进的数据同步核心，完成同一IED内部数据的完整变化过程，进一步在相应的 GOOSE报文与相应间隔保护 MMS数据报告中得到体现。这种机制可以保证仿真引擎对实际智能变电站的镜像完美仿真。

3.3隐性故障辨识技术研究

如前所述，保护系统的隐性故障可能导致电网发生故障时由于所存在的缺陷，不能有效隔离电力系统故障（如永登变全停事件），或误跳（如华中“7.1”扰动事件），造成电网事故扩大。针对保护控制系统静态、动态特性，对于隐性故障辨识可以通过在线监测装置获取实时报文信息实现，隐性故障辨识技术框架如图5所示。

由此，对于保护控制系统隐性故障辨识及风险评估的实现基础是部署在变电站内的在线监测装置，实现变电站二次系统状态信号的采集和管理，按照这些信号是否能够反映设备的劣化过程，可以把状态监测信号分为：

1）无潜在故障（Potential Failure，PF）特性的信号：如保护动作、断路器动作、压板投退等。

2）有PF特性的信号：如电源工作电压、内部工作温度、网口光强、通道丢包率等。按照信号是否是由一次系统大扰动产生的，又可以把无PF特性的信号分为：①故障信号：如保护动作、保护启动、断路器动作等；②非故障信号：如压板投退、保护告警、保护测量等。利用非故障信号和SCD全模型，可以进行保护控制系统静态特性的隐性故障辨识。

图5　保护系统隐性故障辨识技术示意图

基于保护系统静态特性和动态特性的隐性故障辨识技术能够检测出系统是否存在确定性的隐性故障。利用有PF特性的信号和SCD模型，可以进行：①基于马尔科夫的隐性故障概率评估，能够给出保护系统在一定概率条件下存在的隐性故障，即不确定的隐性故障；②基于模糊支持向量机的保护控制系统状态评价，能够给出对保护控制系统的处理建议：a）状态良好，无需过问；b）状态刚刚劣化，需要关注；③状态劣化严重，需要检修［8］。

在实验室环境下可以通过镜像系统强化模拟保护系统异常，以产生大量的“在线监测”数据，为辨识隐性故障概率评估提供数据源支撑，如

Sr_en：表示所有导致保护功能使能的无PF特性信号的集合；

Sr_fl：表示所有导致保护功能失效的无PF特性信号的集合；

Sr_pf：表示所有导致保护功能失效的有 PF特性信号的集合。

则保护功能失效概率可以形式化为：

其中，OR（Sr_fl）表示Sr_fl集合中所有信号值的或，AND（Sr_en）表示 Sr_en集合中所有信号值的与，！AND表示与非运算，Pr（Sr_pf）表示有PF特性信号导致失效的概率。

4　华东劳模室应用案例

4.1技术方案

华东劳模室镜像系统方案分为两个部分：①基于完整串物理设备的实际系统，主接线图如图7所示，对于实验室系统的 SCD需要实现全模型 SCD建模，以构成物理联接与逻辑链路及逻辑链路与功能回路的映射关系［9］；②在实际物理系统接入在线监测装置RSS1，实现物理系统异常及故障基于全模型SCD的可视化分析。

同时，参照图4架构，搭建镜像系统，由RSP构成仿真引擎，由 RSS2构成仿真客户端。在仿真客户端导入实验系统的SCD及500kV天目湖SCD，基于 SCD可视化技术可以看到实验系统及天目湖系统的主接线图，如图6、图7所示。

在仿真过程中首先选择需要发送仿真报文的间隔保护系统，在仿真引擎RSP中模拟发送报文，通过RSS采集报文，反映镜像系统状况。具体来说，就是在仿真引擎RSP中建立相关间隔保护的MMS报文数据和通讯模型，提供仿真的 MMS信息报告服务，并且仿真发送该间隔保护系统中所有相关GOOSE报文。当镜像系统内发生有效数据变动时，仿真引擎通过实时的MMS报告和GOOSE数据扫描，按照预设的报文订阅路径和报文格式，将系统的数据变动以IEC 61850信息报告和GOOSE状态变化报文发送出来，供仿真客户端采集并综合分析。

图6　华东劳模室系统示意图

4.2镜像系统技术验证方案

为验证仿真技术的有效性，首先基于实验系统进行比对试验，即在实验系统的一串物理设备上模拟操作和故障设置，通过在线监测RSS1，实现二次智能诊断，判别故障环节（回路、装置），及该故障对于保护功能实现的影响（部分功能失却、全部功能失却、不影响保护功能等）。

然后对于基于实验系统的镜像系统，通过模拟物理系统对应的试验，在RSS2上观测可视化展示的结果。

图7　天目湖镜像系统

由此可见，在物理系统模拟的各种场景与镜像系统仿真模拟的试验效果完全一致。这充分验证了镜像系统的效用。

在此基础上，为实现天目湖SCD的镜像系统试验，首先对于原天目湖SCD文件进行模型补充，实现一次设备建模，一、二次关联建模，按照 500kV天目湖实际系统配置了完整的SCD模型［10］。

在此基础上，通过仿真引擎模拟二次系统异常和操作，在仿真客户端上，可以观测到各种对应的可视化画面。

4.3镜像系统研究效用分析

智能变电站二次系统基于SCD文件，保护系统具有响应输入激励的特征，并可以通过 GOOSE、MMS描述外部响应特性。通过仿真验证，在实验室环境下具备了通过解析SCD文件，描述智能变电站二次系统特征的可能。通过GOOSE、MMS模拟报文发生器，由在线监测系统接收模拟报文，与反应变电站特征的SCD模型进行匹配，就可以分析这种报文对于变电站可能带来的影响。

因此，在实验室环境下可以搭建保护隐性故障的技术研究平台，模拟保护隐性故障的场景，分析各种确定性隐性故障和不确定性隐性故障的外在表现特征，评估隐性故障辨识技术的有效性，在此基础上，可指定针对性的策略，有效降低智能变电站保护系统隐性故障的概率，在此基础上，可以制定隐性故障辨识策略和风险控制技术，为大电网安全运行提供有效的技术保障。

如前所述，镜像系统主要基于SCD，由此可以实现仿真技术的实例化，即只要将不同变电站SCD导入仿真引擎和仿真客户端，就可以真实模拟该变电站的二次系统状况。这将大大提高技术培训的针对性，为技术人员提供智能变电站二次系统异常分析和操作演练提供手段。

5　结论

本文通过华东劳模室镜像系统，探索了在实验室环境下，研究智能变电站继电保护隐性故障特性的可行性。研究结果表明，智能变电站具备了基于SCD实现不同变电站二次系统仿真的可能性，这样，就可以在实验室环境下通过不同SCD文件，实现对于不同变电站二次系统运行状况的仿真演示，可为智能变电站保护隐性故障辨识及预警技术研究提供辅助技术支撑手段。

［1］ NERC， Disturbance Reports， North American Electric Reliability Council， New Jersey： 1984-1988.

［2］ 张沛超， 高翔. 智能变电站［J］. 电气技术， 2010（8）：4-10.

［3］ A G Phadke SH， J. S［Z］. 1995.

［4］ 高翔， 庄侃沁， 孙勇， 等. 11.4"大停电事故启示［J］.电网技术， 2007（1）： 25-31.

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［6］ IEC 61850. Communication networks and systems in substations［S］. Ed2. 0， 2009.

［7］ Phadke A G， James S T. 电力系统微机保护［M］. 北京： 中国电力出版社， 2011.

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［10］ 曹海欧， 高翔， 杨毅， 等. 基于全模型 SCD二次系统在线监测及智能诊断应用分析［J］. 电力系统保护与控制， 2016.

基于ZigBee的列车运行能耗计量系统

近日，国家知识产权局公布专利“基于ZigBee的列车运行能耗计量系统”，申请人为北京交通大学。

本发明是一种基于 ZigBee的列车运行能耗计量系统，该装置主要包括：主控制模块、电信号测量模块、ZigBee网络模块、无线数据传输模块、辅助功能模块。主控制模块控制其他模块相关功能的执行；电信号测量模块完成数据的采集和计算功能；ZigBee网络模块建立和维护ZigBee网络，接收并汇总电信号测量模块发送的能耗数据，通过ZigBee网络传输能耗数据，将能耗数据串口传输到所述主控制单元。无线数据传输模块实现装置存储数据非接触式传输。

应用本发明可以离线采集城轨列车运行过程中的电能能耗数据信息，并通过ZigBee网络汇总和传输能耗数据，改善了现有技术电量粗放式统计的弊端，提高了数据的精度，为城轨列车运行能耗评估提供一种数据采集工具。

The Development of Intelligent Diagnosis Associated with a Hidden Failure Relay Protection based on Mapping Technology of Secondary Circuit of Substation

Qiu Zhiyong1Gao Xiang2Chen Jianmin1Liu Hulin1
（1. East China Branch Electric Power Company， Shanghai 200122；2. Shanghai Yihao Automation Co.， Ltd， Shanghai 201204）

SCD plays the key role of smart substation， this paper illustrates the features of SCD of smart substation as well as a protection relay， and proposes the technical solution of a mapping system of smart substation based on SCD. The availability of mapping system has been proved at the CHEN Jiamin's laboratory of East China Electric Power. Therefore， it demonstrates a researching platform related to a hidden failure of a protection system， and provides a technical basis for preventing the risk of secondary circuit of smart substation.

smart substation； relay； SCD； visualization； simulation

邱智勇（1977-），男，高级工程师，从事电力系统自动化工作。