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★云南農(nóng)業(yè)大學(xué)朱星宇

★國(guó)能浙江寧海發(fā)電有限公司向敏

★云南農(nóng)業(yè)大學(xué)冷雪梅

隨著電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的大量投運(yùn)，繼電保護(hù)管理和運(yùn)維檢修業(yè)務(wù)成倍增長(zhǎng)。由于運(yùn)維檢修人員數(shù)量相對(duì)穩(wěn)定、信息技術(shù)手段欠缺，繼電保護(hù)安全運(yùn)行壓力增大，因此電網(wǎng)安全運(yùn)行要求提高與運(yùn)維信息獲取緩慢的矛盾日益突出，現(xiàn)有繼電保護(hù)運(yùn)維檢修模式難以為繼。當(dāng)前繼電保護(hù)、測(cè)控裝置、安自裝置、交換機(jī)等二次設(shè)備需要投入大量的人工巡視、檢修試驗(yàn)、異常研判和處置。數(shù)字化的繼電保護(hù)產(chǎn)生了海量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大且分散復(fù)雜，并且利用效率低。繼電保護(hù)在運(yùn)維檢修方面存在以下問(wèn)題：

（1）運(yùn)維人員遠(yuǎn)離設(shè)備，信息化手段欠缺，數(shù)據(jù)未充分有效利用，不能及時(shí)、準(zhǔn)確、全面掌握設(shè)備狀態(tài)，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況；

（2）隨著繼電保護(hù)等二次設(shè)備數(shù)量增加，運(yùn)行巡視周期變長(zhǎng)，誤投、漏投壓板風(fēng)險(xiǎn)和定值誤整定風(fēng)險(xiǎn)長(zhǎng)期存在，它們是電網(wǎng)安全運(yùn)行的潛在“地雷”；

（3）部分告警自動(dòng)復(fù)歸、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、二次回路狀態(tài)相關(guān)聯(lián)缺陷缺少監(jiān)視和診斷分析，繼電保護(hù)存在拒動(dòng)和誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)；

（4）由于繼電保護(hù)運(yùn)行信息缺乏監(jiān)視和診斷分析手段，其通信狀態(tài)、二次回路、電壓/電流、縱聯(lián)通道、裝置自檢等關(guān)鍵核心業(yè)務(wù)的主動(dòng)排雷機(jī)制缺失，一旦出現(xiàn)異常會(huì)直接導(dǎo)致繼電保護(hù)異常情況發(fā)生。

因此，加強(qiáng)對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的運(yùn)行管理，強(qiáng)化二次系統(tǒng)自身的狀態(tài)感知、信息交互、診斷分析和異常預(yù)警，是保障電網(wǎng)安全必不可少的環(huán)節(jié)。為解決上述問(wèn)題，本文提出了繼電保護(hù)邊緣計(jì)算模型和動(dòng)態(tài)診斷技術(shù)方案。利用該技術(shù)能夠在繼電保護(hù)日常運(yùn)行過(guò)程中，自動(dòng)、準(zhǔn)確地進(jìn)行異常識(shí)別和分析，并通過(guò)機(jī)器主動(dòng)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)異常問(wèn)題，全面提高了繼電保護(hù)安全運(yùn)行水平^[1]。

1　繼電保護(hù)動(dòng)態(tài)診斷總體架構(gòu)

繼電保護(hù)在線監(jiān)視及智能診斷裝置基于面向設(shè)備的狀態(tài)在線感知技術(shù)，采用云邊協(xié)同總體框架，并應(yīng)用IEC61850、103規(guī)約進(jìn)行主子站通信，構(gòu)建“云管-邊-端”四級(jí)結(jié)構(gòu)。該裝置通過(guò)邊緣計(jì)算、云邊協(xié)同模式，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)全方位在線感知和動(dòng)態(tài)診斷，全面支撐繼電保護(hù)在線監(jiān)視及動(dòng)態(tài)診斷應(yīng)用^[2]。該裝置總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體架構(gòu)

在廠站繼電保護(hù)運(yùn)行區(qū)域部署邊緣代理（繼電保護(hù)在線監(jiān)視及智能診斷裝置），可以在線采集繼電保護(hù)、測(cè)控裝置、安自裝置、交換機(jī)等二次設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。充分利用繼電保護(hù)在線監(jiān)視及智能診斷裝置在廠站端就地就近的數(shù)據(jù)匯集和邊緣計(jì)算能力，可以動(dòng)態(tài)診斷繼電保護(hù)通信狀態(tài)、二次回路、電壓/電流、縱聯(lián)通道、裝置自檢等異常情況，并能主動(dòng)發(fā)現(xiàn)繼電保護(hù)隱性故障和異常缺陷。該裝置在邊緣節(jié)點(diǎn)直接生成診斷結(jié)果，并通過(guò)通信模塊上送到繼電保護(hù)在線監(jiān)視平臺(tái)。繼電保護(hù)在線監(jiān)視平臺(tái)解析每種邊緣計(jì)算動(dòng)態(tài)診斷結(jié)果進(jìn)行應(yīng)用展示和融合分析，可以全面提升繼電保護(hù)管控力和在線診斷分析能力，并依靠在線數(shù)據(jù)進(jìn)行智能研判，可以對(duì)繼電保護(hù)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)診斷分析^[3]。

2　邊緣計(jì)算模型定義

繼電保護(hù)在線監(jiān)視及智能診斷裝置的邊緣計(jì)算建模采用擴(kuò)展通用邊緣計(jì)算事件節(jié)點(diǎn)建模，應(yīng)用GGIO邏輯節(jié)點(diǎn)類(lèi)，各個(gè)子站定義N個(gè)GGIO，每一個(gè)邊緣計(jì)算業(yè)務(wù)定義一個(gè)GGIO，在邊緣代理默認(rèn)具備如表1定義的邊緣計(jì)算功能。邊緣計(jì)算功能通過(guò)定值管理，廠家在出廠時(shí)默認(rèn)設(shè)置缺省定值，在用戶(hù)不整定的情況下，不影響邊緣代理功能，并支持用戶(hù)自整定^[4]。其定義見(jiàn)表1。

表1  邊緣計(jì)算GGIO

在此邊緣計(jì)算模型基礎(chǔ)上，該裝置支持按照固定結(jié)構(gòu)擴(kuò)展邊緣計(jì)算業(yè)務(wù)功能，主站端按照邊緣代理側(cè)設(shè)置的邊緣計(jì)算功能增加對(duì)應(yīng)的解析服務(wù)即可實(shí)現(xiàn)云邊協(xié)同模式下的繼電保護(hù)動(dòng)態(tài)診斷。

該裝置基于邊緣計(jì)算功能模型，依靠繼電保護(hù)在線監(jiān)視及智能診斷裝置實(shí)時(shí)采集和可靠運(yùn)行，并基于采集的繼電保護(hù)海量數(shù)據(jù)開(kāi)展就地分析和動(dòng)態(tài)診斷。各個(gè)邊緣計(jì)算功能獨(dú)立運(yùn)行，生成對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)診斷結(jié)果，診斷結(jié)果以XML文件承載，使用UTF-8格式字符編碼，文件命名為“STAT_功能碼_告警碼_時(shí)間信息”。在上送到繼電保護(hù)在線監(jiān)視平臺(tái)的傳輸過(guò)程中不對(duì)文件進(jìn)行任何解析和修改，繼電保護(hù)在線監(jiān)視平臺(tái)針對(duì)不同類(lèi)型的邊緣計(jì)算功能，通過(guò)各個(gè)邊緣計(jì)算業(yè)務(wù)診斷結(jié)果的功能碼識(shí)別對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)類(lèi)型，調(diào)用對(duì)應(yīng)的解析服務(wù)進(jìn)行分析展示^[5]，實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算功能可擴(kuò)展和自整定。各個(gè)邊緣計(jì)算業(yè)務(wù)功能碼如表2所示，定義的邊緣計(jì)算模型如圖2所示。

表2 邊緣計(jì)算功能碼定義

圖2 邊緣計(jì)算模型

3　繼電保護(hù)動(dòng)態(tài)診斷方案

3.1　邊緣計(jì)算

基于以上分析，邊緣代理全時(shí)段在線監(jiān)測(cè)繼電保護(hù)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，強(qiáng)化設(shè)備的運(yùn)行屬性監(jiān)測(cè)，并通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的診斷分析，實(shí)時(shí)掌握數(shù)據(jù)異動(dòng)及異常發(fā)展趨勢(shì)。邊緣計(jì)算結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 邊緣計(jì)算結(jié)構(gòu)

3.2　通信狀態(tài)診斷

繼電保護(hù)在線監(jiān)視及智能診斷裝置就地端診斷分析與其通信連接的繼電保護(hù)、測(cè)控裝置、安自裝置、交換機(jī)等的繼電保護(hù)MMS或私有協(xié)議通信中斷情況^[6]，并通過(guò)計(jì)算分析通信狀態(tài)的保持時(shí)間計(jì)算繼電保護(hù)的通信連通率。當(dāng)計(jì)算分析繼電保護(hù)的通信連通率大于等于95%且在計(jì)算分析時(shí)的通信斷面正常，則診斷結(jié)果為正常狀態(tài)；當(dāng)計(jì)算分析繼電保護(hù)的通信連通率為90%至95%，或分析計(jì)算時(shí)通信斷面中斷且通信連通率大于等于90%，則診斷結(jié)果為異常狀態(tài)；當(dāng)計(jì)算分析繼電保護(hù)的通信連通率小于90%，則診斷結(jié)果為嚴(yán)重異常狀態(tài)。根據(jù)不同繼電保護(hù)的連通率的診斷情況，生成對(duì)應(yīng)的診斷報(bào)告，將此次診斷周期為異內(nèi)容，異內(nèi)容包含：異常的起始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、連通率，并將對(duì)應(yīng)過(guò)程及斷面連通狀態(tài)上送主站端及時(shí)告知運(yùn)維檢修人員^[6]。

3.3　二次回路診斷

繼電保護(hù)在線監(jiān)視及智能診斷裝置動(dòng)態(tài)采集分析保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、交換機(jī)等二次設(shè)備的GOOSE和SV控制塊虛回路鏈路狀態(tài)、物理實(shí)回路鏈路狀態(tài)，并結(jié)合通道光纖接口監(jiān)測(cè)信息，以及鏈路異常告警信息進(jìn)行綜合分析，診斷分析二次回路狀態(tài)，采集分析遙信、遙測(cè)數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 回路診斷分析數(shù)據(jù)

該裝置通過(guò)建立繼電保護(hù)物理連接信息和二次邏輯鏈路關(guān)聯(lián)關(guān)系模型，獲取繼電保護(hù)、測(cè)控裝置對(duì)過(guò)程層設(shè)備的鏈路中斷告警數(shù)據(jù)，融合分析GOOSE變位告警，研判過(guò)程層設(shè)備鏈路中斷情況。該裝置采集過(guò)程層報(bào)文分析服務(wù)的鏈路狀態(tài)報(bào)告，研判分析信號(hào)發(fā)送設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)^[7]。判斷邏輯鏈路通斷狀態(tài)變化時(shí)，觸發(fā)鏈路狀態(tài)告警信息，判斷邏輯鏈路通斷狀態(tài)變化，判斷相關(guān)端口狀態(tài)，判定端口狀態(tài)告警信息，同時(shí)，研判產(chǎn)生鏈路異常的具體故障點(diǎn)，并通過(guò)圖形化的方式標(biāo)識(shí)二次回路對(duì)應(yīng)的故障位置，如圖4所示。

圖4 回路診斷

3.4　電壓電流回路診斷

繼電保護(hù)在線監(jiān)視及智能診斷裝置就地采集監(jiān)視電流、電壓及其相關(guān)告警，同時(shí)動(dòng)態(tài)開(kāi)展A/B套設(shè)備間穩(wěn)態(tài)量采樣數(shù)據(jù)同源比對(duì)，判斷交流采樣是否正常，同時(shí)融合分析相關(guān)遙信告警的輸入及遙測(cè)同源比對(duì)是否異常，判斷交流采樣是否完好。邊緣代理的電壓電流診斷功能自整定的缺省值如下：

嚴(yán)重異常閾值：交流電流相對(duì)誤差不大于5%或絕對(duì)誤差不大于0.05In為正常，并且在兩者診斷分析為都大于的情況下判定為異常；交流電壓相對(duì)誤差不大于5%或絕對(duì)誤差不大于0.005Un為正常；電流大于等于0.1In，電壓大于等于0.01Un，相角的誤差8°。

異常閾值：交流電流相對(duì)誤差不大于2.5%或絕對(duì)誤差不大于0.02In,并且當(dāng)兩者都大于判為異常；交流電壓相對(duì)誤差不大于2.5%或絕對(duì)誤差不大于0.002Un為正常；電流大于等于0.1In，電壓大于等于0.01Un，相角的誤差3°^[8]。

在實(shí)時(shí)運(yùn)行過(guò)程中，該裝置獲取被測(cè)電氣量雙AD采樣值，并分別計(jì)算被測(cè)電氣量雙AD采樣值每周波的基波有效值和真有效值，判斷被測(cè)電氣量雙AD采樣值是否有效。判斷公式為：AD10>0.05In且AD20>0.05In，其中，AD10為被測(cè)電氣量第一路AD采樣值的基波有效值，AD20為被測(cè)電氣量第二路AD采樣值的基波有效值，In為被測(cè)電氣量二次額定電壓值或電流值。若有效，則判斷雙AD采樣值是否一致，判斷方法為：比較被測(cè)電氣量雙AD采樣值差值的絕對(duì)值是否大于設(shè)定閾值，若大于則判斷雙AD采樣值不一致。判斷公式為：|AD1-AD2|>K×AD2，其中，AD1為被測(cè)電氣量第一路AD采樣值的真有效值，AD2為被測(cè)電氣量第二路AD采樣值的真有效值，K為整定閾值，支持缺省值設(shè)置。若滿(mǎn)足|AD1-AD2|＞設(shè)定值×In則判斷雙AD采樣值不一致，其中，AD1、AD2分別為同一路電壓或電流的雙AD采樣值。當(dāng)判斷出雙AD采樣值不一致后，給出告警信息并記錄雙AD采樣值。

3.5　縱聯(lián)通道診斷

繼電保護(hù)在線監(jiān)視及智能診斷裝置就地基于采集的通道通信數(shù)據(jù)，診斷分析縱聯(lián)通道通信情況及具體的通道信息，判斷縱聯(lián)通道狀態(tài)。在日常繼電保護(hù)運(yùn)行過(guò)程中，該裝置通過(guò)動(dòng)態(tài)診斷遙信告警的輸入、縱聯(lián)通道傳輸信息及遙測(cè)是否越上下限來(lái)判斷縱聯(lián)通道是否正常。

對(duì)于專(zhuān)用通道丟幀數(shù)加誤幀數(shù)大于1，即兩次通道斷面數(shù)據(jù)的差值丟幀數(shù)和誤幀數(shù)大于1時(shí)，當(dāng)復(fù)用通道丟幀數(shù)加誤幀數(shù)在某個(gè)斷面大于10時(shí)，該裝置研判分析通道出現(xiàn)異常。

復(fù)用或?qū)Ｓ猛ǖ姥訒r(shí)兩次巡檢差值大于1ms，通道告警遙信發(fā)生，或一個(gè)巡檢周期內(nèi)專(zhuān)用通道延時(shí)超過(guò)5ms，復(fù)用通道延時(shí)超過(guò)12ms，并且結(jié)合采集的保護(hù)動(dòng)作數(shù)據(jù)，在丟幀或誤幀前后2s內(nèi)如果監(jiān)視分析到發(fā)生過(guò)保護(hù)啟動(dòng)，該裝置研判分析通道出現(xiàn)嚴(yán)重異常。

3.6　裝置自檢診斷

當(dāng)前繼電保護(hù)具備海量的自檢數(shù)據(jù)，可以對(duì)繼電保護(hù)、測(cè)控裝置等繼電保護(hù)裝置溫度、電源電壓、端口發(fā)送/接收光強(qiáng)、光纖縱聯(lián)通道光強(qiáng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，運(yùn)行趨勢(shì)突變分析和狀態(tài)趨勢(shì)預(yù)測(cè)，分析繼電保護(hù)自身狀態(tài)漸變過(guò)程，并通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、越限判斷、同期差值越限比對(duì)等診斷手段，進(jìn)行繼電保護(hù)自身狀態(tài)的就地診斷和主動(dòng)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)自身異常發(fā)展趨勢(shì)的智能告警和及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

當(dāng)前廠站中大量使用光纖接口，存在發(fā)熱量大、光功率衰弱缺陷嚴(yán)重的缺陷。因光衰是一個(gè)漸變過(guò)程，依靠人工巡視難以發(fā)現(xiàn)。該裝置通過(guò)動(dòng)態(tài)在線監(jiān)視采集和分析光口光強(qiáng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，以及斜率陡變分析可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)保護(hù)裝置的光口功率衰減問(wèn)題，然后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)并及時(shí)更換，避免了保護(hù)誤動(dòng)作或拒動(dòng)事故的發(fā)生。

同時(shí)，對(duì)于數(shù)字化的繼電保護(hù)，其電源模塊將不再六年更換，因此及時(shí)發(fā)現(xiàn)電源問(wèn)題非常重要，但電源模塊的缺陷很難直接通過(guò)電壓數(shù)值反映出來(lái)。電源模塊出問(wèn)題前往往表現(xiàn)為帶載能力下降（或稱(chēng)虛電），當(dāng)裝置進(jìn)行大量計(jì)算或機(jī)箱溫度高時(shí)，其電壓會(huì)出現(xiàn)稍大幅度的跌落。依靠繼電保護(hù)在線監(jiān)視與診斷裝置在就地側(cè)實(shí)時(shí)采集機(jī)箱溫度、電網(wǎng)故障事件以及保護(hù)裝置啟動(dòng)的記錄數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)融合分析開(kāi)展“邊緣計(jì)算”，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)警電源模塊的此類(lèi)缺陷。

4　結(jié)語(yǔ)

本文依據(jù)繼電保護(hù)在線監(jiān)視及智能診斷裝置在500kV、220kV、110kV不同電壓等級(jí)廠站的實(shí)際應(yīng)用，并結(jié)合邊緣計(jì)算技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，提出了一種基于邊緣計(jì)算的繼電保護(hù)動(dòng)態(tài)診斷的解決方案，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備運(yùn)行巡視工作在線監(jiān)視和在線分析。該裝置在站端進(jìn)行“邊緣計(jì)算”高效、準(zhǔn)確，可以與云端繼電保護(hù)在線監(jiān)視平臺(tái)應(yīng)用進(jìn)行協(xié)同互動(dòng)，形成繼電保護(hù)專(zhuān)業(yè)管理與設(shè)備運(yùn)維業(yè)務(wù)的橫向聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)巡檢的方式由“定期人工就地巡檢”向“遠(yuǎn)程自動(dòng)在線巡檢”轉(zhuǎn)變，大幅減少了運(yùn)維工作量，并切實(shí)緩解了運(yùn)維檢修人員工作量與承載能力之間的矛盾，節(jié)約了通行開(kāi)支，有效降低了繼電保護(hù)巡檢工作對(duì)運(yùn)維人員的技術(shù)能力的要求，進(jìn)一步提升了繼電保護(hù)的專(zhuān)業(yè)管理能力和運(yùn)檢管理穿透力。

作者簡(jiǎn)介：

朱星宇（2003-），男，浙江寧波人，現(xiàn)就讀于云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，研究方向?yàn)殡姎夤こ碳捌渥詣?dòng)化。

向　敏（1978-），男，湖南常寧人，高級(jí)工程師，現(xiàn)就職于國(guó)能浙江寧海發(fā)電有限公司，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動(dòng)化方面的研究。

冷雪梅（1979-），女，云南麗江人，副教授，現(xiàn)就職于云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃方面的研究。（本文通訊作者）

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年11月刊