智能变电站安措辅助预警系统的实现
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南京国电南自自动化有限公司的研究人员李进、王位杰、刘文彪、纪陵，在2017年第4期《电气技术》杂志上撰文，从智能变电站技术特点出发，分析二次安措技术基本原理及典型安全措施，总结了智能变电站二次安措工程应用面临的问题。
针对工程应用所面临的问题提出了安措辅助预警防误操作“三道防线”主要功能的实现方法，提供了整体解决方案，并基于此开发了安措辅助预警系统。通过工程试点验证了安措辅助预警系统能够较好地解决二次安全措施工程应用面临的问题。
智能变电站以IEC61850标准为基础，其与传统站最大的区别在于传统的电缆接线被光缆所取代，各继电保护设备信号传输方式由点对点模拟节点传输转变为GOOSE、SV、MMS网络组成的软报文传输。
这种二次回路的改变导致传统站明显的二次回路接线、出口、压板变为智能站“看不见”、“摸不着”的黑箱，传统变电站“明显电气断点”安全措施的理论将无法在智能变电站中得到继承[1-2]。
故而，目前智能变电站继电保护设备安全措施实施过程中，容易出现误操作、误拔插、实施过程不可控、不可视等问题，严重时会导致继电保护误动或拒动，危及智能电网安全运行，有效解决上述问题是智能变电站大规模建设、运维的必要前提条件。
目前针对智能变电站的运维（包括安措）技术已有一些成果。文献[2]总结了智能变电站二次安全措施，并对二次安全措施规范化提出了建议。文献[3]介绍了智能变电站继电保护GOOSE回路安全措施并对不同的隔离技术进行了对比。文献[4-5，8]总结了工程应用过程中的二次安全措施。
文献[6]提出了220KV智能变电站二次安措优化方案。文献[7]分析了智能变电站检修机制。文献[9-11]探讨了二次系统运行维护的相关技术。文献[12]则比较全面的总结了智能变电站二次安措典型措施，并对安措可视化进行了相关探讨。文献[13]分析了电力二次系统风险来源。
文献[14]分析研究了智能变电站二次系统在线监测难点。文献[15]主要探讨了智能变电站二次设备运维新技术。文献[16]介绍了智能变电站二次设备在线监测现状，对状态检修作了总结与展望。
但是目前关于具备自动化、智能化的安措辅助系统少见报道，本文提出的智能变电站安措辅助预警系统建立了安全措施知识库，并可以在安全措施实施过程中实现有效的监视预警，同时以图形化形式展示安措回路状态；有效解决了目前工程运用面临的问题。
1 智能变电站二次安措技术
安全措施主要是指在变电运行及检修工作中为了保证人身、电网及设备安全，将待检修设备与运行设备进行安全隔离的措施。对于二次检修专业，安全措施主要针对模拟量输入回路及跳合闸、遥控、启失灵等开出回路[2-4]。本文中对二次检修安全措施简称安措。
1.1 安措作用对象
智能变电站继电保护检修工作涉及的设备主要包括：继电保护装置、保测一体化装置、合并单元、智能终端、智能单元等设备中的一种或多种。
1.2 二次设备检修处理机理介绍
智能变电站信号传输采用GOOSE、SV、MMS网络组成的虚拟报文传输方式；同时，“明显电气断点”的物理隔离被GOOSE发送软压板、GOOSE接收软压板及检修压板等新型隔离技术所取代，故而智能变电站检修处理机理包括MMS报文、GOOSE报文、SV报文检修处理机理以及GOOSE出口软压板、GOOSE接收软压板、SV接收软压板、SV发送软压板处理机理[2-12]。
关于上述处理机理的详细介绍请参见智能变电站的相关资料，在此不作赘述。
1.3 智能变电站安措原则及典型安全措施
智能变电站安全隔离主要依靠检修机理,软压板投退、由软件实现隔离，必要时可解除光物理回路，多重安全措施并存。其基本原则如下[2-12]：
（1）检修设备隔离应保证有双重安全措施；
（2）母差保护中间隔投入压板只有在一次设备停运后才能投入；线路保护中接收软压板和开关检修软压板只有在一次设备停运后才能投入；
（3）装置异常检修时，考虑异常设备安全措施不可靠性，必须由相邻设备执行安全措施将其隔离；
（4）只有在一次设备停运后才能投入相应二次设备的检修压板；
（5）在发送侧和接收侧均设有压板的回路，应两侧同停同投；在只有单侧设有压板时，应保证相应软压板在退出状态；
（6）解除光物理回路时，只能在检修设备上进行，不应在相关联的其他运行设备及交换机上实施；
（7）在检修期间，应将装置的远方控制GOOSE软压板设置“就地”位置，禁止在后台操作相关软压板，以防止后台误投入联跳运行设备GOOSE软压板。
典型二次安全措施包含如下措施中的一项或多项[2-12]：（1）投入/退出继电保护设备检修硬压板；（2）投入/退出继电保护设备功能软压板；（3）投入/退出继电保护设备SV接收软压板；（4）投入/退出继电保护设备GOOSE接收/发送软压板； （5）投入/退出继电保护设备出口硬压板；（6）拔插继电保护设备光纤，包括SV光纤、GOOSE光纤。
2 安措的工程应用研究
2.1 工程应用现状
国内对于安措技术的工程应用研究大体上可以分为三个阶段：第一阶段，智能变电站发展初期，初步健全了GOOSE回路安措技术；第二阶段，智能变电站推广应用阶段，提出了一些针对3/2接线，双母线接线等工况下的安措技术；第三阶段；智能变电站大规模推广应用阶段，建立了比较完善的运维安措策略。
2.2 工程应用面临的问题
当前工程检修时，检修人员临时开票，通过审核后根据唱票进行检修，实施过程不可视，不可控面临以下问题：（1）缺乏有效的安措实时监视及告警方式[9,13]；（2）缺乏安措回路及信息流的可视化展示方式[12]；（3）缺乏有效的安措确认机制[7-12]。
解决上述问题，可切实有效地帮助运维人员及时、准确地掌握安措实施状态，降低误操作概率；快速精确地查找和定位问题，迅速消除其不利影响。
2.3 解决方案
安措实时监视及告警过程其实是安措实施状态信号生成、实施状态信号传递、实施状态信号解析、实施状态信号比对，最后通过画面进行展示或告警的过程。智能变电站一体化监控系统或者智能变电站继电保护在线监测及智能诊断装置实现了数据从过程层传递到间隔层再到站控层的数据通道。
因此本文提出了基于一体化监控系统实现安措实时监视及告警，并可部署于基于一体化监控平台实现的智能变电站二次设备在线监测及智能诊断装置上。
其中，在展示过程中，结合智能变电站二次虚回路监视的相关技术即可实现安措可视化。安措确认机制可以通过实时状态信号比对和状态感知、场景检测实现双重确认机制。
2.4 方案整体架构
基于安措工程应用的三大问题以及解决方案，本文提出了并实现了安措辅助分析预警系统。该系统分为安措配置模块和安措实时监视预警模块，其整体架构如图1所示。
图1 安措辅助分析预警系统架构图
系统分为应用层、系统层和数据层。其中，应用层主要是系统展示窗口；系统层是安措辅助分析预警系统的核心，包括安措规则配置、前置条件配置、场景检测配置、安措配置检查、安措预演校核等配置态模块以及安措匹配、安措初始状态检查、安措前置规则检查、安措比对和安措场景检测等实时态模块；数据层则完成数据的存储等。
系统流程图如图2所示：
主要实现了以下功能：1）安措选择；2）安措状态监视；3）安措比对；4）安措互校；5）安措确认；6）安措可视化。通过上述功能，有效地实现了安措实施过程中的可视、可控，并建立了双重确认机制，大大提高了安措实施过程的可靠性和安全性，具有很好地工程实用性。
图2 安措辅助分析预警系统架构图
3 安措辅助分析预警系统实现方法
安措辅助分析预警系统整体实现途径分为：（1）录入安措形成安全措施知识库；（2）实时提示某一检修方式下的安全措施，并在安全措施实施过程中实时监视和告警。故在实现过程中，将安措辅助分析预警系统分为安措配置模块和安措实时监视预警两大模块。
安全措施配置模块主要实现以下功能：（1）定义设备运行状态；（2）定义前置条件检查规则；（3）建立继电保护装置或整间隔某运行状态下具体的安全措施规则形成安措知识库；（4）定义安全措施检测场景；（5）安全措施规则配置检查；（6）安全措施规则预演校核；（7）打印安措规则；（8）日志记录。
安措实时监视预警模块主要实现以下功能：（1）实时检索匹配安措规则；（2）安措初始状态实时检查；（3）前置条件规则实时检查；（4）安全措施实施状态与实施顺序实时比对；（5）状态感知与场景实时检测；（6）安措回路可视化；（7）安措实施结果动态显示与告警。（8）日志记录与历史查询。
下面针对几个主要的重要功能，就具体的技术方案作重点描述。
3.1 设备状态定义
由于电网一次、二次设备检修周期不同步，当二次设备定期校验或更换、消缺时，如果停用一次设备会降低供电可靠性，增加电网风险，因此本系统不仅考虑了一次设备停电检修模式，同时还考虑了不停电检修模式与新间隔扩建模式，通过安措配置模块定义一次设备不同的运行状态加以区分。
安措配置模块以继电保护设备的软压板投退状态、检修压板状态等参数为规则组态对象，定义设备运行状态，具体分为一次设备运行状态和二次设备运行状态。
一次设备运行状态分为“开关冷备用”和“开关检修”。“开关冷备用”是指开关间隔内的开关及其两侧闸刀都在断开位置，并取下该开关间隔的母差保护GOOSE出口软压板、失灵保护GOOSE接收软压板；“开关检修”是指开关间隔内的开关及其两侧闸刀都在断开位置，开关两侧合上接地闸刀，并取下该开关间隔的母差保护GOOSE出口软压板、失灵保护GOOSE接收软压板、SV接收软压板。
二次设备运行状态涉及保护装置、智能终端、合并单元等。
（1）保护装置设置“跳闸”、“信号”、“停用”三种状态。“跳闸”是指保护装置交直流回路正常，主保护及后备保护功能软压板投入，跳闸、启失灵等GOOSE软压板投入，取下检修压板；“信号”是指保护装置交直流回路正常，主保护及后备保护功能软压板投入，跳闸、启失灵等GOOSE软压板退出，取下检修压板；“停用”是指保护装置交直流回路正常，主保护及后备保护功能软压板退出，跳闸、启失灵等GOOSE软压板退出，放上检修压板。
（2）智能终端设置“跳闸”、“信号”、“停用”三种状态。“跳闸”是指智能终端直流回路正常，放上跳合闸出口硬压板，取下检修压板；“信号”，是指智能终端直流回路正常，取下跳合闸出口硬压板，取下检修压板；“停用”是指智能终端直流回路正常，取下跳合闸出口硬压板，放上检修压板。
（3）合并单元设置“跳闸”、“停用”两种状态。“跳闸”是指合并单元直流回路正常，取下检修压板；“停用”是指合并单元直流回路正常，放上检修压板。线路重合闸设置“跳闸”、“信号”两种状态。
（4）“跳闸”，是指线路保护重合闸出口软压板投入，停用重合闸软压板退出；“信号”是指线路保护重合闸出口软压板退出，停用重合闸软压板投入。
3.2 预演校核实现
本系统通过预演技术对通过配置校核后的安全措施进行投退操作，从而从源头实现对安措措施的预提醒及防误操作，只有通过预演校核后的安全措施，才允许提交实时库，供实时检修监视时检索匹配，指导现场工作人员按照正确的安措措施项目和安措顺序进行正确地操作，从而避免误投退、漏投退等问题，构筑了本系统防误操作“第一道防线”。
3.3 检索匹配与初始状态检查
当通过预演校核后的安全措施提交实时库后，形成安措知识库。当选择了某种设备的某种运行状态后，系统会从知识库中自动检索匹配对应的安全措施，并进行初始状态检查。
初始状态检查的目的在于发现该安全措施策略中已经处于目标状态的安全措施，预提醒工作人员进行相关复原操作后再实施该安全措施，防止安全措施不能严格按照操作顺序执行，降低了误操作概率，属于本系统防误操作“第二道防线”的一部分。
图3 系统初始状态检查告警示意图
3.4 前置条件检查规则
前置条件检查规则包括特定继电保护设备的软压板状态检查、硬压板状态检查；开关位置检查等。在安措配置端提供接口配置前置检查条件，实施过程中，在执行安措措施前首先会进行前置条件检查，只有当前置条件满足时系统才提示可以执行该安措措施，否则会提示告警。
比如当与合并单元相关联的运行保护装置中的SV接收压板未完全退出时，系统提示该合并单元的检修压板不可投入；当合并单元检修压板投入而与该合并单元相关联的运行保护装置中SV接收压板未退出时，系统发出预警，从而具备保护装置、智能终端、合并单元等交叉停运报警功能，从而预防了误操作的出现，与初始状态检查一起构筑了本系统完整的防误操作“第二道防线”。
图4 系统前置条件检查告警示意图
3.5 实时比对
在安措实施过程中，将从实时库中获得的安全措施项目状态以及安全措施项目顺序与实时匹配的安全措施项目以及安全措施项目顺序进行比较，用以判断安全措施规则是否正确执行。若没有正确执行则提示告警，这时可以暂停监视，当恢复错误操作后点击继续监视按钮，执行还未执行的安全措施。若告警提示后不暂停，继续操作，则当整个安全规则执行完毕后，系统自动判断该安全规则措施执行失败，提示告警。
如上所述的实时比对中采用了模糊识别（匹配）技术，当有遥信或者压板变位信息时，首先获取这些变位信息名称然后再经过模糊识别技术进行筛选识别过滤，将相近或者关注的信号滤出然后再与实时匹配的安全措施项目进行对比，以判断是否误执行。
此技术的运用避免了大量正常操作信息对实时比对和告警提示带来的影响，以保护屏柜为例，一般硬压板都为“检修压板”和“远方操作硬压板”，以其名称的中文描述为匹配对象，关键字设置如表1所示。
表1 保护屏柜硬压板中文关键字
实时比对属于双重确认机制中的一环，通过实时比对能够实现安措实施状态的有效监视，防止误操作后引起继电保护误动或拒动，导致事故扩大化，隶属于本系统防误操作的“第三道防线”，实时比对告警提示如图5所示。
图5 系统实时比对告警示意图
3.6 场景检测
状态感知与场景实时检测是在安全措施实施后，实时地感知该安措项目影响关联项的状态，实时检测安措配置模块预设的结果场景，若检测到了相应的场景则认为该安全规则措施正确执行，否则认为没有正确执行，告警提示。
这时，可以暂停监视，当恢复错误操作后点击继续监视按钮，执行还未执行的安全措施。若告警提示后不暂停，继续操作，则当整个安全规则执行完毕后，系统自动判断该安全规则措施执行失败，提示告警。
其与实时比对一起构成了安措确认的双重确认机制及防误操作“第三道防线”；只有实时比对的结果和状态感知与场景检测的结果都判断该安措措施正确执行时，才最终确认该安全措施正确执行，否则认为没有正确执行。
以智能终端为例，双重确认实现过程如下：当智能终端缺陷，消缺过程中取下智能终端背板GOOSE光纤时，会造成线路保护、母线保护、测控装置告警。
此时安措措施：“取下智能终端背板GOOSE光纤”的预定场景即可设置为“线路保护、母线保护、测控装置告警”，在实时态时，系统会先通过相关联信号实时比对智能终端光纤是否取下以及是否按顺序执行，然后再实时检测感知现场状态是否发生线路保护、母线保护、测控装置告警，如果实时比对与场景检测逻辑判断都满足，即确认该措施正确执行，场景检测告警提示如图6所示。
图6 场景检测提示示意图
3.7 安措可视化
如上所述，智能变电站安全措施采用GOOSE发送软压板、GOOSE接收软压板及检修压板等新型隔离技术，压板的运行情况对于安措工作至关重要。
安措可视化就是将GOOSE发送软压板、GOOSE接收软压板、检修压板等状态进行可视化的实时显示，使继电保护运维人员能够准确掌握安措隔离状况及关联设备的运行状况,实现安措过程的实时可视化监视，从而有效地提高保护系统检修工作的可靠性与安全性。
安措可视化主要利用了二次虚回路自动成图技术和图模库一体化技术，主要依赖数据模型和图元。系统读取全站SCD模型后，建立起二次虚回路的连接模型以及数据关联映射模型，然后将数据关联映射模型与图元模型结合起来，在合适的画面布局上，自动生成安措虚回路画面，实时态时动态展示安措回路链路状态，各关联设备压板投退状态等实现安措监视可视化，安措可视化示意图如图7所示。
图7 安措回路可视化示意图
4 结论
本文针对智能变电站继电保护设备安全措施实施过程中，容易出现误操作、误拔插、实施过程不可控、不可视等工程应用问题，提出并实现了安措辅助预警系统解决方案。
该系统通过预演校核；初始状态实时检查和前置条件实时检查；实时比对与场景检测几大核心功能构建了安措防误操作的“三道防线”如图8所示，从而可以有效地避免误投退、漏投退等问题。同时，通过结合二次虚回路监视和图模库一体化技术实现了安措回路的可视化，有效地解决了安措实施过程中不可视的问题，在试点工程中取得了较好的实用效果，有效地提高了运维效率。
图8 安措辅助预警系统防误操作“三道防线”