在智能變電站中，傳統(tǒng)變電站設(shè)備間的電纜已經(jīng)由光纖取代，傳統(tǒng)的二次回路已經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)取代，光數(shù)字信號(hào)取代了傳統(tǒng)的電氣信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化。這種變化導(dǎo)致裝置間的連接不再直觀，大量端子間一對一的連接匯總于同一根光纖中，簡單直觀的電氣信號(hào)已不復(fù)存在，通信網(wǎng)絡(luò)中存在大量且復(fù)雜的數(shù)據(jù)報(bào)文，使熟悉傳統(tǒng)回路的運(yùn)維檢修人員在查找故障時(shí)無從下手。

將在智能變電站二次設(shè)備之間采用的傳輸效率更高的光纖連接與電纜相比，光纖傳輸信號(hào)能夠更容易實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，這為智能變電站二次回路在線監(jiān)測與故障定位提供了良好的基礎(chǔ)，而智能變電站信息高度集成也使得故障檢修變得極為復(fù)雜。基于此，本文提出了智能變電站二次回路在線監(jiān)測與故障診斷的方法。

1 當(dāng)前智能變電站的運(yùn)維現(xiàn)狀和問題

當(dāng)前，對智能變電站二次回路的檢修主要依賴運(yùn)維人員的定期檢修，智能化的優(yōu)勢并沒有得到很好體現(xiàn)。定期檢修采取的是單純按照時(shí)間間隔進(jìn)行維修的方式，不考慮設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況，而是對所有設(shè)備進(jìn)行全面的檢修。這種方式不僅浪費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力，而且縮短了設(shè)備的有效使用時(shí)間，同時(shí)也增加了設(shè)備出現(xiàn)維修故障的風(fēng)險(xiǎn)。這種檢修方式對于兩次定檢之間的設(shè)備故障無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，容易造成事故。

當(dāng)智能變電站某處設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量的告警信息，運(yùn)維人員面對故障產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)報(bào)文，很難迅速定位故障的準(zhǔn)確位置，通常只能按照運(yùn)維人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行逐一排查，工作量大，而且對于運(yùn)維人員的綜合分析能力有著很高的要求。

以智能變電站中某一個(gè)SV或者GOOSE鏈路中斷為例，首先需要人工確定和核實(shí)中斷鏈路的發(fā)送方和接收方。一般220kV智能變電站的智能設(shè)備數(shù)量在100臺(tái)以上，110kV智能變電站智能設(shè)備數(shù)量在40臺(tái)以上。

通常情況是發(fā)現(xiàn)某個(gè)保護(hù)設(shè)備異常，無法收到某個(gè)SV或者GOOSE報(bào)文，然后通過查看比對變電站配置描述（substation configuration description, SCD）文件找到與其關(guān)聯(lián)的設(shè)備以及相關(guān)的控制塊引用名（GoCBRef）、GOOSE應(yīng)用標(biāo)識(shí)（Appid）等相關(guān)信息，再通過抓取過程層報(bào)文進(jìn)行人工分析來確認(rèn)問題是否真的存在，然后一步步查找問題。若還要確認(rèn)相關(guān)物理鏈路是否存在故障，則需要通過光功率計(jì)對物理鏈路進(jìn)行逐一排查。

智能變電站二次設(shè)備間存在大量SV、GOOSE報(bào)文交互，依靠運(yùn)維人員來完成大量報(bào)文的排查，不僅效率低，而且準(zhǔn)確性也無法保證，對于某些較為復(fù)雜的故障或者偶發(fā)性無規(guī)律的故障，通過人工排查定位故障點(diǎn)更加困難。

2 二次回路在線監(jiān)測與故障定位系統(tǒng)架構(gòu)

在智能變電站中實(shí)現(xiàn)二次回路在線監(jiān)測和故障定位，主要依賴于對網(wǎng)絡(luò)中的大量數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行獲取并綜合分析。智能變電站二次回路在線監(jiān)測與故障定位系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能變電站二次回路在線監(jiān)測與故障定位系統(tǒng)架構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括智能變電站的過程層、間隔層和站控層設(shè)備，其中虛線框中是二次回路在線監(jiān)測與故障定位系統(tǒng)的主要組成部分。系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)管理單元和數(shù)據(jù)采集單元兩部分，數(shù)據(jù)管理單元和數(shù)據(jù)采集單元都部署在變電站的二區(qū)網(wǎng)絡(luò)中。

對于網(wǎng)采網(wǎng)跳模式，保護(hù)設(shè)備、智能終端和數(shù)據(jù)采集單元均從過程層網(wǎng)絡(luò)獲取SV、GOOSE數(shù)據(jù)；對于點(diǎn)對點(diǎn)模式，保護(hù)設(shè)備和數(shù)據(jù)采集單元直連CT獲取模擬量數(shù)據(jù)，智能終端直連保護(hù)設(shè)備獲取GOOSE跳閘信號(hào)。

數(shù)據(jù)管理單元通過獲取站控層A、B網(wǎng)中的制造報(bào)文規(guī)范（manufacturing message specification, MMS）數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)據(jù)得到整個(gè)站的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過對全站的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視和分析得到全站設(shè)備的運(yùn)行狀況，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，能夠準(zhǔn)確地定位故障點(diǎn)及獲取相關(guān)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)快速故障定位。

3 二次回路在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集

二次回路在線監(jiān)測與故障定位系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)管理單元從智能變電站站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)獲取，無論對于組網(wǎng)模式還是點(diǎn)對點(diǎn)模式，智能變電站的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文數(shù)量都較為龐大，存在大量的冗余數(shù)據(jù)和非重要的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生較大壓力，所以需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和過濾。

實(shí)現(xiàn)二次回路在線監(jiān)測需要采集設(shè)備的保護(hù)運(yùn)行狀態(tài)信息、告警信息、保護(hù)動(dòng)作信息、SV/GOOSE鏈路狀態(tài)信息：保護(hù)運(yùn)行狀態(tài)信息包括裝置自身軟硬件的狀態(tài)信息、壓板、開關(guān)量、裝置溫度、光口光強(qiáng)、電源電壓信息、裝置的采樣值信息；告警信息包括采樣值、開關(guān)量等異常告警以及裝置自身的異常告警；保護(hù)動(dòng)作信息包括保護(hù)自身的動(dòng)作信號(hào)和動(dòng)作出口信號(hào)；SV/GOOSE鏈路狀態(tài)信息包括各個(gè)設(shè)備接收報(bào)文的狀態(tài)信息以及報(bào)文格式異常信息。

上述信息包括站控層的MMS數(shù)據(jù)和過程層的SV/GOOSE數(shù)據(jù)，站控層的MMS數(shù)據(jù)可以由數(shù)據(jù)管理單元通過MMS來直接獲取，或者通過訂閱和周期性上送來接收保護(hù)設(shè)備發(fā)送的MMS報(bào)文數(shù)據(jù)。過程層的SV/GOOSE信息數(shù)據(jù)量龐大，但可直接應(yīng)用于二次回路狀態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)較少，所以由數(shù)據(jù)采集單元實(shí)時(shí)監(jiān)控過程層網(wǎng)絡(luò)中的SV、GOOSE報(bào)文并記錄，當(dāng)數(shù)據(jù)管理單元需要時(shí)，直接從數(shù)據(jù)采集單元獲取。

4 二次回路的可視化顯示

隨著智能變電站技術(shù)的發(fā)展，智能變電站中的所有IED設(shè)備按照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)建模，智能變電站的全站配置信息集成在全站系統(tǒng)配置文件SCD中。SCD中的二次回路信息包含GOOSE、SV發(fā)布/訂閱的控制塊配置、DO的內(nèi)部短地址、物理端口描述、虛端子循環(huán)冗余校驗(yàn)（cyclic redundancy check, CRC）及版本信息等。

為了實(shí)現(xiàn)智能變電站二次回路可視化，需要將SCD中智能二次設(shè)備組成的過程層網(wǎng)絡(luò)剝離開來，獲取過程層網(wǎng)絡(luò)虛端子連接信息和物理光纖連接信息，然后使用建模圖元在軟件界面上顯示。借助二次回路可視化，可以快速在可視化界面上定位故障位置，從而直接找到實(shí)際的故障位置。

二次回路可視化主要包括以下兩個(gè)部分。

1）二次回路可視化第一部分：以圖形元素建模IED以及二次回路中虛端子和物理光纖連接。

（1）IED圖形元素建模。將IED設(shè)備自身的各種狀態(tài)（如壓板、開關(guān)量、采集量、面板燈狀態(tài)等數(shù)據(jù)）以圖形化元素在軟件界面上虛擬出來，得到裝置運(yùn)行狀態(tài)顯示界面，通過裝置運(yùn)行狀態(tài)界面可以實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，如圖2所示。

圖2 裝置運(yùn)行狀態(tài)界面

（2）虛端子和物理光纖連接圖形建模。根據(jù)SCD中過程層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和變電站現(xiàn)場光纖的連接狀況，對二次回路中的虛端子連接信息和物理連接信息進(jìn)行建模，通過圖形化建模以虛擬的線路來圖形化顯示設(shè)備之間的虛端子連接和物理連接，得到全站的物理連接圖和虛實(shí)回路圖，分別如圖3和圖4所示。

物理連接圖中每一根圖形化線路代表實(shí)際現(xiàn)場中的一根光纖，從圖中可以清楚看到全站的光纖連接狀況，同時(shí)可以顯示光纖中傳輸?shù)膱?bào)文收發(fā)情況，以及光纖發(fā)送端、接收端光口光強(qiáng)信息。虛實(shí)回路圖中每一根線路代表一組虛端子連接，運(yùn)維人員從圖中可以清楚看到全站設(shè)備之間發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文具體信息的走向。

圖3 全站物理連接圖

圖4 全站虛實(shí)回路圖

2）二次回路可視化第二部分：將二次回路可視化界面中的動(dòng)態(tài)圖元與對應(yīng)的站控層MMS告警信號(hào)關(guān)聯(lián)起來。

二次回路可視化界面中所有動(dòng)態(tài)圖元都被關(guān)聯(lián)到實(shí)際對應(yīng)的MMS報(bào)文信號(hào)，通過訂閱獲取和周期性上送的MMS報(bào)文來獲取圖元的當(dāng)前狀態(tài)，從而動(dòng)態(tài)地顯示該圖元，使運(yùn)維人員能夠清楚地觀察到二次回路的實(shí)時(shí)變化狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，大量看不見摸不著的報(bào)文數(shù)據(jù)就會(huì)轉(zhuǎn)化成動(dòng)態(tài)可見的圖形顯示出來，運(yùn)維人員可以根據(jù)圖形化界面輕松找到故障的位置。

5 二次回路的故障定位

5.1 SV/GOOSE鏈路故障定位

二次設(shè)備經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行后，由于故障、維修、設(shè)備老化等原因，導(dǎo)致二次設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)相對于設(shè)備剛投運(yùn)時(shí)的狀態(tài)有所下滑[11]。二次回路中大多數(shù)故障出現(xiàn)在過程層中，過程層中的SV/GOOSE報(bào)文產(chǎn)生的告警經(jīng)常是由于某個(gè)IED設(shè)備在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)沒有收到有效的SV、GOOSE報(bào)文而產(chǎn)生相應(yīng)的MMS告警。

例如：當(dāng)某個(gè)IED設(shè)備GOOSE鏈路斷鏈時(shí)，該IED設(shè)備無法接收到相應(yīng)的GOOSE報(bào)文，就會(huì)通過站控層的MMS報(bào)文上送相應(yīng)的鏈路斷鏈告警報(bào)文，于是，數(shù)據(jù)管理單元通過訂閱MMS報(bào)文獲取到SV、GOOSE鏈路的異常數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)管理單元在接收到該GOOSE斷鏈的報(bào)文后，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)基本信息定位是哪個(gè)IED發(fā)出的鏈路異常告警，再根據(jù)可視化中動(dòng)態(tài)圖元與MMS告警信號(hào)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，找到該報(bào)文對應(yīng)的具體虛擬光纖線路圖元，通過標(biāo)紅以及打叉的方式將該線路以及線路中異常數(shù)據(jù)走向表示出來，如圖5所示，這樣就可以得到一個(gè)基本的故障區(qū)域。

圖5中標(biāo)紅以及打叉顯示的是某兩個(gè)IED之間的某根光纖連接存在異常，可能是物理斷鏈，也可能是該光纖中傳輸?shù)哪硞€(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文異常而導(dǎo)致的邏輯斷鏈。點(diǎn)擊異常光纖可查看該光纖的詳細(xì)數(shù)據(jù)，包括光纖中傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)報(bào)文的通信狀態(tài)，如圖6所示，根據(jù)此信息可定位該光纖中具體邏輯鏈路異常的位置，再根據(jù)此邏輯鏈路異常信息定位具體設(shè)備。

在圖5中點(diǎn)擊光口，可以查看具體的光口信息，包括當(dāng)前光口光強(qiáng)以及光口光強(qiáng)的告警信息，如圖7所示。根據(jù)此信息可以判斷此光纖是否存在物理斷鏈，在對存在問題的物理設(shè)備進(jìn)行更換后，即可消除告警。

圖5 間隔光纖鏈路監(jiān)測

圖6 光纖異常信息

圖7 光口信息

當(dāng)二次回路中出現(xiàn)SV/GOOSE鏈路異常時(shí)，數(shù)據(jù)管理單元對保護(hù)設(shè)備發(fā)出的斷鏈告警MMS報(bào)文信息進(jìn)行分析，將現(xiàn)場實(shí)際鏈路狀況以動(dòng)態(tài)圖形化界面顯示在運(yùn)維人員面前，運(yùn)維人員可通過可視化光纖連接圖快速定位。

5.2 二次回路設(shè)備板卡的故障定位

將智能變電站中每個(gè)IED設(shè)備的板卡面板進(jìn)行圖形建模，然后根據(jù)變電站現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)際情況，通過圖形化方式將每一個(gè)IED設(shè)備板卡面板清晰地顯示在可視化界面中，包括板卡面板中的每一個(gè)插件和端口。

將每個(gè)插件和端口圖元關(guān)聯(lián)到對應(yīng)的MMS故障信號(hào)，數(shù)據(jù)管理單元訂閱這些MMS報(bào)文，當(dāng)背板中的端口或插件出現(xiàn)故障時(shí)，IED設(shè)備就會(huì)發(fā)出故障MMS報(bào)文，數(shù)據(jù)管理單元收到這些MMS報(bào)文后定位具體設(shè)備的端口和插件，將該板卡標(biāo)紅顯示，并根據(jù)故障類型給出具體處理建議，如圖8所示。

圖8 二次回路設(shè)備板卡的故障定位

當(dāng)設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行出現(xiàn)物理性損壞時(shí)，運(yùn)維人員可通過可視化界面直觀查看故障位置及故障類型，從而快速定位故障，消除故障。

總結(jié)

智能變電站的全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了有力條件，通過對二次回路的圖形建模，將復(fù)雜的二次回路以圖形化的方式展示，極大地方便了運(yùn)維人員對于全站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的檢測。

通過將可視化界面中的圖元和智能變電站網(wǎng)絡(luò)中的報(bào)文信號(hào)關(guān)聯(lián)起來，使可視化界面能夠動(dòng)態(tài)地顯示二次回路中各個(gè)設(shè)備的狀態(tài)，將原本復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文清晰有條理地展現(xiàn)出來，當(dāng)出現(xiàn)告警故障時(shí)，運(yùn)維人員就能夠快速定位故障位置，達(dá)到快速消除故障的目的。