基于SCD对象模型的智能变电站二次检修安全措施生成方法研究

李辉，丁希亮，朱维钧，陈鑫，刘海峰

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；2.山东容弗新信息科技有限公司，山东济南250101)

基于SCD对象模型的智能变电站二次检修安全措施生成方法研究

李辉1，丁希亮2，朱维钧1，陈鑫2，刘海峰1

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；2.山东容弗新信息科技有限公司，山东济南250101)

结合智能变电站技术特点对当前二次检修在安全措施编制上存在的问题进行了深入的剖析，提出了一种典型二次安全措施语义与SCD文件对象模型智能匹配的安全措施票生成方法。通过提取典型二次检修安全措施中的检修场景要素、实施对象、操作对象实现典型票的形式化；通过解析SCD文件中虚回路、软压板对象并结合检修场景与典型票中实施对象和操作对象进行自动匹配，解决了二次安全措施票自动生成的效率问题；通过图形化展示实施对象、操作对象及匹配结果，一方面方便了工作人员现场确认SCD文件中未建模的光纤和硬压板，另一方面可作为无典型安全措施票的特殊检修场景下安全措施票编写的指导。最后，以某220 kV双母接线智能变电站线路间隔停电条件下的线路保护首次检修为例，对方案的可行性进行了实施验证。

智能变电站；二次检修；安全措施；SCD文件；语义匹配

二次检修安全措施作为应对智能变电站投运后的消缺、检修、升级及改扩建等现场工作的技术保障，对确保智能变电站一、二次设备的安全及电网的稳定运行具有重要意义。压板和回路是二次检修安全措施中的主要操作对象，而在采用光纤通信和基于IEC 61850信息建模的智能变电站二次系统中，常规变电站中可见的 “硬接线”变成了 “光纤”，“实端子” 变成了 “虚端子”， “硬压板” 变成了 “软压板”，并引入了 “检修压板” 的概念，使得二次回路和压板的关联不再直观。更关键的是各类 “软压板”和 “检修压板”对装置之间互操作关系的影响也远比常规站复杂〔1－8〕，这些新的变化给从事智能变电站二次检修安全措施编制、执行的工作人员带来了很大的困难。

针对以上状况，国家电网公司相继制定并发布了文献 〔9〕 《国家电网公司电力安全工作规程(变电部分)》、文献 〔10〕 《智能变电站继电保护和电网安全自动装置现场工作保安规定》，国网湖南省电力公司也制定并发布了文献 〔11〕《湖南电网智能变电站继电保护和安全自动装置检修安全措施实施规范》。同时，行业内科研机构及相关单位根据智能变电站的技术特点，也开展了相关研究并提出了多种技术方案〔12－15〕。 如文献 〔12〕 针对现有智能变电站检修二次安全措施存在安全性低、易导致保护误闭锁等问题，提出了利用打开连片、解芯线方式隔断场地二次电回路；利用先退软压板断开数字通道设置第一道防线；利用后拔光纤形成明显断点 (或投检修压板启用智能变电站检修机制)设置首次检修 (或定检)二次安全措施的第二道防线的220 kV智能变电站分间隔停电检修二次安全措施新思路。文献 〔13〕提出了一种基于二次回路文件比对的过程层调试方案和安全措施生成方法。此方法通过分析不同版本配置文件中二次回路的差异，划分试验设备和运行设备的分界面，有效指导改扩建工程二次系统调试及安全措施的制定。但总的来看，智能变电站二次检修安全措施相关研究成果存在的问题:

1)大部分方案提出了一些通用的原则或技术要求。而在现场实际工作中，需要二次检修人员结合检修场景和具体变电站的设计图纸手工编制二次安全措施票。由于现场二次检修人员技术水平参差不齐及智能变电站运维检修工作量的不断增加，完全手工编制、校核二次安全措施票的准确性及效率已经不能满足实际工作需要，甚至会造成安全事故。

2)个别方案是基于智能变电站SCD配置文件中的数据模型自动生成安全措施票，但由于SCD数据模型的不完整性，需要做硬压板、光纤回路等大量的补充建模工作，尤其是已投运变电站建模数据的正确性难以得到保障，进而影响检修安全措施的可靠性。

1 影响二次安全措施自动生成的原因

1)运行规程中的编制原则或者典型二次检修安全措施都是通用的和抽象的，制票人需要深入理解这些规则；

2)运行规程中的规则不能覆盖所有检修场景和所有变电站；

3)智能变电站的 “软压板”与 “虚回路”是通过SCD文件进行建模的，现场不可见，不够直观；

4)智能变电站装置之间光纤回路、硬压板(二次连片)等对象在SCD中未建模，制票人无直观可用的变电站模型数据；

5)二次安全措施的操作条目数量大，手工编制容易出错。

2 智能变电站二次检修安全措施生成方法

安全措施的描述一般为 “拔出XX线路保护装置上，连接XX线路合并单元的直采光纤”、 “XX保护退出XX压板”等语义。通过对典型安全措施深入研究可见，抽象的典型安全措施内容描述都是在确定电压等级、确定接线方式的变电站内，对某一特定类型的装置在特定的一次设备运行情况下开展某种检修工作时，用一定的安全措施隔离待检修设备与在运行设备之间的互操作关系，以确保在运行设备的安全。典型安全措施中把这种联系定义为实施对象。而实施对象的具体执行，需要通过对一个或多个具体的操作对象进行操作来完成。在智能变电站中，操作对象可分为四类:

1)退出保护装置的某功能压板；

2)投入装置的检修压板；

3)退出装置之间通信的软压板或硬压板 (或打开回路连片)；

4)拔掉装置之间通信的光纤。

最终完整的安全措施就是操作对象的有序组合，待检设备A相关的实施对象和操作对象的关系见表1。

表1 安全措施对象示意图

因此，典型安全措施可以进行形式化描述，形成计算机可以理解的语义规则，然后检修人员在实际编制具体的安全措施时，可以结合变电站电压等级、接线方式、待检设备类型、一次设备运行情况、检修工作类型等要素匹配合适的语义规则，即将语义规则中的通用实施对象和操作对象模型化为变电站中具体的实施对象和操作对象实例，进而可以自动生成检修作业应开展的安全措施票。

实施对象实例、操作对象实例中的功能压板、软压板、检修压板在SCD文件中都有标准方法描述，可以方便的通过计算机建模，用于与通用语义规则进行匹配；光纤、二次连片等操作对象未在SCD文件中描述，无法做到模型化匹配，但是光纤、二次连片在现场都是物理的、可见的、方便现场校核的，可在匹配时作出标识，在自动化生成的安全措施序列作为待确认项，这样既避免了大量的补充建模工作，又能给现场编制和执行安全措施票以指导。

3 建模关键技术及实现

基于上述思路，基于SCD对象模型的智能变电站二次检修安全措施生成方法总体上分为四部分，如图1所示:

图1 技术方案流程图

1)典型二次检修安全措施形式化，即将规程中的各种典型二次检修安全措施转化成计算机能够识别的语义规则，为语义匹配提供基础；

2)变电站数据对象模型化，即基于SCD文件将具体变电站的实施对象、操作对象进行模型化，这是语义匹配的数据基础；

3)语义规则与变电站实例对象的语义匹配，即将通用语义规则中的通用实施对象和操作对象具体化为SCD文件中定义的实施对象实例和操作对象实例；

4)安全措施票的编辑调整及确认，给工作人员提供图形化的界面，展示各个实施对象和操作对象，尤其是展示语义规则与实例对象的匹配结果，供工作人员进行现场确认，经确认后打印出最终可执行的二次检修安全措施票。

3.1 典型二次检修安全措施形式化

1)变电站设计方案定义。变电站的设计方案主要考虑如下维度的要素:电压等级、主接线方式、保护配置、采样形式 (电子式互感器或常规互感器)、是否采用合并单元、是否采用智能终端。

2)检修模式定义。检修模式要考虑一次设备停电范围 (全站停电、电压等级停电、间隔停电、不停电)、检修类型 (首次检修、例行试验、消缺升级)。

3)安全措施实施对象和操作对象形式化。在运行规程中，每种设计方案的变电站，每种设备类型 (母线保护、线路保护、主变保护、合并单元、智能终端、备自投等)在确定的检修模式下要进行的安全措施都做了详细的规定，这里需要结合运行规程对安全措施中的实施对象和操作对象进行识别并将其逐一模型化、对象化。

其中实施对象形式化为: 〔一次停电范围〕〔待检设备〕 〔检修类型〕.{〔起始间隔类型〕 〔起始装置类型〕to〔目的间隔类型〕 〔目的装置类型〕 of〔实施对象语义〕 }。

实施对象语义是实施对象的逻辑语义，是语义匹配的关键字，表2是线路保护与母线保护的实施对象语义示例。

操作对象形式化为:〔实施对象〕.{〔起始间隔类型〕〔起始装置类型〕.〔操作对象〕or〔目的间隔类型〕〔目的装置类型〕.〔操作对象〕}。

表2 安全措施实施对象的语义

3.2 变电站数据对象模型化

变电站数据对象模型化的主要过程是解析SCD文件，将各类数据对象模型化。

1)变电站设计方案类型确定。即确定变电站电压等级、设计方案、保护配置、采样形式 (电子式互感器或常规互感器)、是否采用合并单元、是否采用智能终端。

2)间隔和装置模型化。基于目前国内各个集成商配置SCD时的IED命名规范，提取SCD文件中定义各类二次设备类型及所属间隔。例如PM代表母线保护、PL代表线路保护。

3)实施对象模型化。解析SCD文件，任意两个装置之间存在通信关系，包括GOOSE收发和SV收发，都定义为装置之间存在实施对象，然后将同类虚信号进行合并形成一组的虚信号，定义一组虚信号组成为一个实施对象，分组依据语义中的匹配关键字，见表3。

表3 安全措施实施对象提取的语义规则

4)操作对象模型化。提取SCD文件中的软压板、检修压板，且建立压板与实施对象的关联关系。根据文献 〔16〕中对虚端子及软压板的语义，定义虚回路及软压板的查找规则。对于采用通用语义 (如:逻辑节点为GGIO，DO为SPCS)定义的虚回路及软压板，采用desc的模糊匹配方式定义查找规则，通过查找规则完成压板实施对象的建模，对于个别SCD文件中压板命名不规范，导致建模失败的情况，支持人工配置调整。

3.3 语义规则与变电站实例对象的语义匹配

语义规则与变电站实例对象的语义匹配首先需要确定待检设备、检修模式，基于检修场景信息匹配可用的典型安全措施语义规则，然后将典型二次检修安全措施语义规则一一匹配到已经模型化的变电站各个实施对象和操作对象实例，具体过程如图2所示。

图2 智能匹配过程

1)选定某个变电站的某一个待检设备并设置检修模式，即明确一次停电状况和设备检修类型；

2)基于一次设备停电范围、检修类型、变电站接线方式等信息匹配可用的典型二次检修安全措施语义规则；

3)基于语义规则进行实施对象的语义匹配，匹配方法是依据语义规则中各实施对象的逻辑语义与已经模型化的变电站数据对象进行智能匹配。例如，将典型安全措施中的 〔线路保护〕至 〔母线保护〕的 〔启动失灵〕” 匹配为 “〔PL2203 220 kV汉昌线路保护〕至 〔PM2201 220 kVⅠⅡ段母线保护〕 的 〔启动失灵〕 ”；

4)基于语义规则进行操作对象的语义匹配，即将语义规则中定义的实例对象关联的操作对象与已经匹配的变电站实施对象关联的软压板、虚回路进行匹配，匹配基于关键字进行。例如，语义规则中实施对象关联的操作对象为 “退出 〔线路保护〕上连接 〔线路合并单元〕的 〔采样接收压板〕”匹配为 “退出 〔PL2203汉昌线路保护〕上连接〔ML2203线路合并单元〕的 〔SV接收软压板1〕”。

3.4 安全措施票的编辑调整及确认

安全措施票的编辑调整及确认首先是展示待检修装置关联的各个实施对象及操作对象，其次展示与典型语义规则的匹配结果，使检修工作人员能够非常清晰的看到待检修设备与关联设备之间的可执行的安全措施即可打开的压板或可拔出的光纤以可见断口的形式直观展示。

操作对象的匹配会出现三种结果:

1)SCD文件中已经建模，语义规则库中的操作对象能够与SCD文件中的数据对象进行匹配，例如跳闸出口软压板。这种情况下匹配结果直接将通用操作对象替换成具体的操作对象实例。

2)SCD文件中已经建模，但由于描述不规范等原因，语义规则中的通用操作对象未能与实例操作对象进行匹配，这种情况下要标识为 “待确认”，供工作人员现场确认应匹配的操作对象是否存在，如存在则可选为安全措施，如不存在，则通过拔光纤来断开联系。

3)由于SCD文件中未建模，语义规则中的某些通用操作对象无法进行模型化匹配，在自动生成的安全措施票中会按照典型安全措施语义中定义好的通用操作对象的顺序直接列出来，且标识为“待确认”(如表4所示)，供工作人员现场确认要操作的对象实例，例如光纤和二次连片。

图形化展示界面如图3所示，对适配结果进行了详细的展示。图中按顺序标号列出了本次检修安全措施中所有的操作对象。其中表示的是光纤端口，表示的是措施中要拔掉的光纤端口，即可见断口。表示的是压板，是措施中要退出的压板，即可见断口。如果压板对象未匹配成功，会在具体的压板上加标识，加了标识的压板形如需要现场确认。

图3 安全措施票图形化展示界面

4 工程应用

选取220 kV双母线接线方式下保护装置双套配置且采用传统互感器＋合并单元＋智能终端设计方案的一个变电站案例，以其线路保护PL2203在间隔停电状况下的首次检修为例，说明二次安全措施编制的实施过程。

1)典型二次检修安全措施形式化。线路保护首次检修工作，一般是配合一次设备停电才能下达批复计划，且进行间隔首次检修即一般该间隔所有二次设备均需要进行检修，检修场景是一次设备停电，双套 “线路保护＋合并单元＋智能终端”停运检修模式”。典型检修安全措施形式化的语义规则见表4所示。

2)语义匹配后的安全措施。语义匹配后的安全措施见表5所示。

表4 安全措施语义规则示例

表5 匹配后的安全措施

①拔掉220 kV汉昌线合并单元 〔ML2203〕至220 kV母线合并单元 〔MM2201〕直采光纤；

②退出220 kVⅠ，Ⅱ段母线保护 〔PM2201〕汉昌线间隔失灵GOOSE接收软压板 (未匹配，待确认)；

③退出220 kVⅠ，Ⅱ段母线保护 〔PM2201〕支路10＿SV接收软压板；

④拔掉220 kV汉昌线智能终端 〔IL2203〕至220 kVⅠ，Ⅱ段母线保护 〔PM2201〕的间隔直跳光纤 (待确认)；

⑤拔掉220 kV汉昌线保护 〔PL2203〕至线路对侧保护光纤 (与SCD未匹配，待确认)。

自动生成的可打印版本的安全措施票，由打印在安全措施票和表5可知，对于SCD文件中未建模的二次回路连片和光纤，在自动生成的安全措施票中按照典型安全措施语义中定义好的通用操作对象的顺序被直接罗列出来，且被标识为 “待确认”，只需由现场人员确认即可；对于母线保护汉昌线间隔的 “失灵GOOS接收软压板”由于SCD中描述不规范等原因，语义规则中的通用操作对象未能与实例操作对象进行匹配，这种情况下需要工作人员现场确认应匹配的操作对象是否存在，如存在则可选为安全措施，如不存在，则通过拔光纤来断开联系。考虑到检修工作开始前必须经过实际现场查勘，核实安全措施是否恰当，而二次回路压板及光纤等均为直观可见且易于现场检查的，故本文所提方案所增加的现场工作量并不大。

5 分析与讨论

与现有方案相比，本文所提方案以检修任务类型 (首次检修、例行试验等)作为二次检修安全措施票的基本单元，以回路、压板为基本匹配对象，将典型票中的二次安全措施与SCD文件中的压板、虚回路进行匹配。根据SCD文件的完整程度和标准化程度的不同，匹配成功的压板和回路自动转换成二次检修安全措施，匹配失败的自动筛选并缩小选择范围，辅助人工进行匹配，并在人工匹配成功后生成二次检修安全措施。这样既避免了大量的补充建模工作，又能给现场编制和执行安全措施票以指导，有效预防因对二次检修措施及变电站二次模型理解不够可能导致的安全事故。

本文提出的典型二次安全措施语义与SCD文件对象模型智能匹配的安全措施票生成方法，待完善的地方主要有:

1)典型安全措施语义库不完整问题

如前所述，典型安全措施语义库是针对经常出现的典型检修场景制定的安全措施语义规则，而工程现场的检修场景是千差万别的，一定会出现某种特殊的检修场景无可用的典型安全措施语义规则和可依据的情况。针对这个问题，本文的建议是通过图形化直观展示待检修设备与相关设备的实施对象和操作对象，给工作人员以指导。

2)SCD模型不完整问题

鉴于当前的建模标准，SCD文件中描述的数据范围有限，以下数据对象是缺失的:电流、电压互感器；断路器操作机构；线路保护对侧站的线路保护装置；光纤回路和光纤端口；电流、电压互感器与合并单元之间的回路连片。

针对这个问题，不建议强制补充建模，而是在生成的安全措施票中给出提示，由工作人员现场确认。随着标准的逐步完善，待SCD建模的范围扩展后，变电站全景数据对象模型化会得到更好的解决。

6 结束语

在充分研究二次检修安全措施的实际需要基础上，通过形式化的典型安全措施语义与SCD文件中变电站数据对象语义匹配方法实现了智能变电站安全措施的自动生成，对SCD文件数据挖掘保证了二次检修安全措施编制效率和完整性，在变电站数据对象模型化模块中预留了随着SCD文件标准化和完整性提升而实现全模型匹配的接口，具备可实施性和推广价值，将会大大提高检修安全措施编制效率，提升电网的安全运行水平。

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Research on the Method of Generating Safety Measures for Secondary Maintenance of Smart Substation Based on SCD Object Model

LI Hui1，DING Xiliang2，ZHU Weijun1，CHEN Xin2，LIU Haifeng1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.Shandong Roof innovation technology Co.，Ltd.，Jinan 250101，China)

Considering the technical features of smart substation，the problems in compiling safety measures of secondary maintenance are analyzed.And a generation method of safety measures ticket by intelligently matching typical secondary safety measures semantic and SCD document object model is proposed.By extracting the contextualfactor，implementation object and operation object from typical secondary maintenance safety measures，the typical tickets are formalized.Through analyzing the virtual circuits，object of the soft binder plate from SCD file，and combining with automatically match of maintenance scenes with typical ticket implementation objects and operation objects，the efficiency problem with secondary safety measures automatic generation is solved.Also，by graphical display of implementation object，operation object and matching result，the optical fiber and the hard binder plate which are not modeled in SCD file can be easily confirmed at maintenance scene. Meanwhile，the graphical display can be used as reference for the special maintenance scenarios of non-typical safety measures ticket.Finally，the feasibility of proposed method is verified by an example of first inspection of line protection in a smart substation with 220 kV double bus connection.

smart substation；secondary maintenance；isolation measures；SCD file；semantic match

TM63

:B

:1008-0198(2017)02-0001-06

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.02.001

2016-09-21 改回日期:2016-10-31

国网湖南省电力公司科技项目 (5216A5140026)

李辉(1983)，山东泰安人，博士，高级工程师，主要研究方向为高压直流输电、电力系统继电保护及自动化技术。

丁希亮(1982)，山东滨州人，硕士研究生，主要研究方向为智能变电站及相关技术。