智能变电站二次回路在线监测与故障快速定位的新方法
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云南电网有限责任公司红河供电局、武汉凯默电气有限公司的研究人员李远、李虹、罗建平、甄家林、毛玉荣，在2019年第9期《电气技术》杂志上撰文指出（论文标题为“智能变电站二次回路在线监测与故障定位方法的研究与实现”），在智能变电站中，光纤取代了传统变电站中的电缆，通过网络通信实现各物理设备之间的信息交互，传统检修方法已经不再适用。
为了提高智能变电站继电保护装置相关的二次回路的可靠性以及运维人员的工作效率，本文提出一种基于在线监测数据分析的智能变电站二次回路故障定位方法。通过对变电站中SV、GOOSE、MMS报文的监测与分析，实现二次回路中故障的快速定位，从而快速消除故障，提高运维效率。
在智能变电站中，传统变电站设备间的电缆已经由光纤取代，传统的二次回路已经由通信网络取代，光数字信号取代了传统的电气信号，实现了二次设备的网络化。这种变化导致装置间的连接不再直观，大量端子间一对一的连接汇总于同一根光纤中，简单直观的电气信号已不复存在，通信网络中存在大量且复杂的数据报文，使熟悉传统回路的运维检修人员在查找故障时无从下手。
将在智能变电站二次设备之间采用的传输效率更高的光纤连接与电缆相比，光纤传输信号能够更容易实现在线监测，这为智能变电站二次回路在线监测与故障定位提供了良好的基础，而智能变电站信息高度集成也使得故障检修变得极为复杂。基于此，本文提出了智能变电站二次回路在线监测与故障诊断的方法。
1 当前智能变电站的运维现状和问题
当前，对智能变电站二次回路的检修主要依赖运维人员的定期检修，智能化的优势并没有得到很好体现。定期检修采取的是单纯按照时间间隔进行维修的方式，不考虑设备的实际运行情况，而是对所有设备进行全面的检修。这种方式不仅浪费了大量的人力、物力和财力，而且缩短了设备的有效使用时间，同时也增加了设备出现维修故障的风险。这种检修方式对于两次定检之间的设备故障无法及时发现，容易造成事故。
当智能变电站某处设备发生故障时，设备会产生大量的告警信息，运维人员面对故障产生的大量数据报文，很难迅速定位故障的准确位置，通常只能按照运维人员的经验进行逐一排查，工作量大，而且对于运维人员的综合分析能力有着很高的要求。
以智能变电站中某一个SV或者GOOSE链路中断为例，首先需要人工确定和核实中断链路的发送方和接收方。一般220kV智能变电站的智能设备数量在100台以上，110kV智能变电站智能设备数量在40台以上。
通常情况是发现某个保护设备异常，无法收到某个SV或者GOOSE报文，然后通过查看比对变电站配置描述（substation configuration description, SCD）文件找到与其关联的设备以及相关的控制块引用名（GoCBRef）、GOOSE应用标识（Appid）等相关信息，再通过抓取过程层报文进行人工分析来确认问题是否真的存在，然后一步步查找问题。若还要确认相关物理链路是否存在故障，则需要通过光功率计对物理链路进行逐一排查。
智能变电站二次设备间存在大量SV、GOOSE报文交互，依靠运维人员来完成大量报文的排查，不仅效率低，而且准确性也无法保证，对于某些较为复杂的故障或者偶发性无规律的故障，通过人工排查定位故障点更加困难。
2 二次回路在线监测与故障定位系统架构
在智能变电站中实现二次回路在线监测和故障定位，主要依赖于对网络中的大量数据报文进行获取并综合分析。智能变电站二次回路在线监测与故障定位系统架构如图1所示。
图1 智能变电站二次回路在线监测与故障定位系统架构
整个系统结构包括智能变电站的过程层、间隔层和站控层设备，其中虚线框中是二次回路在线监测与故障定位系统的主要组成部分。系统分为数据管理单元和数据采集单元两部分，数据管理单元和数据采集单元都部署在变电站的二区网络中。
对于网采网跳模式，保护设备、智能终端和数据采集单元均从过程层网络获取SV、GOOSE数据；对于点对点模式，保护设备和数据采集单元直连CT获取模拟量数据，智能终端直连保护设备获取GOOSE跳闸信号。
数据管理单元通过获取站控层A、B网中的制造报文规范（manufacturing message specification, MMS）数据和数据采集单元的数据得到整个站的运行数据，通过对全站的数据进行监视和分析得到全站设备的运行状况，当出现故障时，能够准确地定位故障点及获取相关参数，从而实现快速故障定位。
3 二次回路在线监测的数据采集
二次回路在线监测与故障定位系统所需的数据，由数据采集单元和数据管理单元从智能变电站站控层网络和过程层网络获取，无论对于组网模式还是点对点模式，智能变电站的网络报文数量都较为庞大，存在大量的冗余数据和非重要的数据，对数据分析产生较大压力，所以需要对数据进行筛选和过滤。
实现二次回路在线监测需要采集设备的保护运行状态信息、告警信息、保护动作信息、SV/GOOSE链路状态信息：保护运行状态信息包括装置自身软硬件的状态信息、压板、开关量、装置温度、光口光强、电源电压信息、装置的采样值信息；告警信息包括采样值、开关量等异常告警以及装置自身的异常告警；保护动作信息包括保护自身的动作信号和动作出口信号；SV/GOOSE链路状态信息包括各个设备接收报文的状态信息以及报文格式异常信息。
上述信息包括站控层的MMS数据和过程层的SV/GOOSE数据，站控层的MMS数据可以由数据管理单元通过MMS来直接获取，或者通过订阅和周期性上送来接收保护设备发送的MMS报文数据。过程层的SV/GOOSE信息数据量庞大，但可直接应用于二次回路状态监测的数据较少，所以由数据采集单元实时监控过程层网络中的SV、GOOSE报文并记录，当数据管理单元需要时，直接从数据采集单元获取。
4 二次回路的可视化显示
随着智能变电站技术的发展，智能变电站中的所有IED设备按照IEC 61850标准建模，智能变电站的全站配置信息集成在全站系统配置文件SCD中。SCD中的二次回路信息包含GOOSE、SV发布/订阅的控制块配置、DO的内部短地址、物理端口描述、虚端子循环冗余校验（cyclic redundancy check, CRC）及版本信息等。
为了实现智能变电站二次回路可视化，需要将SCD中智能二次设备组成的过程层网络剥离开来[10]，获取过程层网络虚端子连接信息和物理光纤连接信息，然后使用建模图元在软件界面上显示。借助二次回路可视化，可以快速在可视化界面上定位故障位置，从而直接找到实际的故障位置。
二次回路可视化主要包括以下两个部分。
1）二次回路可视化第一部分：以图形元素建模IED以及二次回路中虚端子和物理光纤连接。
（1）IED图形元素建模。将IED设备自身的各种状态（如压板、开关量、采集量、面板灯状态等数据）以图形化元素在软件界面上虚拟出来，得到装置运行状态显示界面，通过装置运行状态界面可以实时监控装置的各项运行参数，如图2所示。
图2 装置运行状态界面
（2）虚端子和物理光纤连接图形建模。根据SCD中过程层网络数据和变电站现场光纤的连接状况，对二次回路中的虚端子连接信息和物理连接信息进行建模，通过图形化建模以虚拟的线路来图形化显示设备之间的虚端子连接和物理连接，得到全站的物理连接图和虚实回路图，分别如图3和图4所示。
物理连接图中每一根图形化线路代表实际现场中的一根光纤，从图中可以清楚看到全站的光纤连接状况，同时可以显示光纤中传输的报文收发情况，以及光纤发送端、接收端光口光强信息。虚实回路图中每一根线路代表一组虚端子连接，运维人员从图中可以清楚看到全站设备之间发送的数据报文具体信息的走向。
图3 全站物理连接图
图4 全站虚实回路图
2）二次回路可视化第二部分：将二次回路可视化界面中的动态图元与对应的站控层MMS告警信号关联起来。
二次回路可视化界面中所有动态图元都被关联到实际对应的MMS报文信号，通过订阅获取和周期性上送的MMS报文来获取图元的当前状态，从而动态地显示该图元，使运维人员能够清楚地观察到二次回路的实时变化状态。当设备出现故障时，大量看不见摸不着的报文数据就会转化成动态可见的图形显示出来，运维人员可以根据图形化界面轻松找到故障的位置。
5 二次回路的故障定位
5.1 SV/GOOSE链路故障定位
二次设备经过一段时间的运行后，由于故障、维修、设备老化等原因，导致二次设备的运行状态相对于设备刚投运时的状态有所下滑[11]。二次回路中大多数故障出现在过程层中，过程层中的SV/GOOSE报文产生的告警经常是由于某个IED设备在某个时间段内没有收到有效的SV、GOOSE报文而产生相应的MMS告警。
例如：当某个IED设备GOOSE链路断链时，该IED设备无法接收到相应的GOOSE报文，就会通过站控层的MMS报文上送相应的链路断链告警报文，于是，数据管理单元通过订阅MMS报文获取到SV、GOOSE链路的异常数据。
数据管理单元在接收到该GOOSE断链的报文后，进行数据分析，根据基本信息定位是哪个IED发出的链路异常告警，再根据可视化中动态图元与MMS告警信号的关联关系，找到该报文对应的具体虚拟光纤线路图元，通过标红以及打叉的方式将该线路以及线路中异常数据走向表示出来，如图5所示，这样就可以得到一个基本的故障区域。
图5中标红以及打叉显示的是某两个IED之间的某根光纤连接存在异常，可能是物理断链，也可能是该光纤中传输的某个数据报文异常而导致的逻辑断链。点击异常光纤可查看该光纤的详细数据，包括光纤中传输的所有数据报文的通信状态，如图6所示，根据此信息可定位该光纤中具体逻辑链路异常的位置，再根据此逻辑链路异常信息定位具体设备。
在图5中点击光口，可以查看具体的光口信息，包括当前光口光强以及光口光强的告警信息，如图7所示。根据此信息可以判断此光纤是否存在物理断链，在对存在问题的物理设备进行更换后，即可消除告警。
图5 间隔光纤链路监测
图6 光纤异常信息
图7 光口信息
当二次回路中出现SV/GOOSE链路异常时，数据管理单元对保护设备发出的断链告警MMS报文信息进行分析，将现场实际链路状况以动态图形化界面显示在运维人员面前，运维人员可通过可视化光纤连接图快速定位。
5.2 二次回路设备板卡的故障定位
将智能变电站中每个IED设备的板卡面板进行图形建模，然后根据变电站现场设备的实际情况，通过图形化方式将每一个IED设备板卡面板清晰地显示在可视化界面中，包括板卡面板中的每一个插件和端口。
将每个插件和端口图元关联到对应的MMS故障信号，数据管理单元订阅这些MMS报文，当背板中的端口或插件出现故障时，IED设备就会发出故障MMS报文，数据管理单元收到这些MMS报文后定位具体设备的端口和插件，将该板卡标红显示，并根据故障类型给出具体处理建议，如图8所示。
图8 二次回路设备板卡的故障定位
当设备长时间运行出现物理性损坏时，运维人员可通过可视化界面直观查看故障位置及故障类型，从而快速定位故障，消除故障。
智能变电站的全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为二次设备状态监测技术的发展和应用提供了有力条件，通过对二次回路的图形建模，将复杂的二次回路以图形化的方式展示，极大地方便了运维人员对于全站设备运行状态的检测。
通过将可视化界面中的图元和智能变电站网络中的报文信号关联起来，使可视化界面能够动态地显示二次回路中各个设备的状态，将原本复杂的网络报文清晰有条理地展现出来，当出现告警故障时，运维人员就能够快速定位故障位置，达到快速消除故障的目的。