基于典型继电保护语义的安全措施自动生成方法研究

姜 鹏，徐明宇，董尔佳，王鲁昕，穆兴华，崔佳鹏

(国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院，哈尔滨150030)

●电力电子及电力系统自动化●

基于典型继电保护语义的安全措施自动生成方法研究

姜 鹏，徐明宇，董尔佳，王鲁昕，穆兴华，崔佳鹏

(国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院，哈尔滨150030)

目前智能变电站二次检修工作安全措施的生成需要进行大量的数据建模和模型计算，已无法满足安全措施编制的效率要求。为此，提出一种基于典型二次检修继电保护语义的智能变电站二次检修安全措施票自动生成的方法，以提高安全措施生成的效率和正确性。通过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并解析SCD文件,将变电站检修工作的实施对象、操作对象进行模型化，两者均作为语义匹配提供技术数据。再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，完成语义规则与变电站实例对象的语义匹配。最终实现安全措施的自动生成，并通过图形化界面展示各个实施对象和操作对象，有效提升了电网的安全检修水平。

智能变电站、安全措施、语义匹配、继电保护

1 典型继电保护安全措施

智能变电站典型的安全措施的描述一般为“拔掉××保护装置上，连接××合并单元的直采光纤”“××保护退出××软压板”等语义[1-3]。通过对典型安全措施深入研究可见，抽象的典型安措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[4-5]。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，表1说明了待检设备A相关的实施对象和操作对象的关系。

表1 安全措施实施对象和操作对象的关系

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，进而可以自动生成出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，可以方便地通过计算机建模，用于与通用语义规则进行匹配[6]；而光纤、二次连片等操作对象并未在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，在自动化生成的安措序列作为待确认项，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措票以指导。

2 基于典型安全措施语义的安措自动生成

2.1 典型二次检修安全措施形式化

典型二次安全措施的形式化由变电站设计方案定义、检修模式定义以及安措实施对象和操作对象形式化三部分组成。

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。

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(首检、例行试验、消缺升级)。

在运行规程中，对每种设计方案的变电站，每一种设备类型(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进行了详细的规定，这里就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。

实施对象形式化可表示为：

[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]}

操作对象形式化可表示为：

[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]}。

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，线路保护与母线保护的实施对象语义示例如表2所示。

表2 安措实施对象的语义

2.2 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。具体过程为：确定变电站设计方案类型，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[7]。

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的模型。例如PM代表母线保护、PL代表线路保护。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，详见表3。

表3 安措实施对象提取的语义规则

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，确定操作对象的模型。根据Q/GDW1396—2012《IEC61850工程继电保护应用模型》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[8-9]。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，采用模型对象描述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，需要进行人工配置调整。

2.3 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措语义规则，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，具体过程如下：

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，将典型安措中的：“[线路保护]至[母线保护]的[启动失灵]”匹配为“[PL612A 220 kV××线路57211线路保护A套]至[PM220A 220 kV母线保护A套]的[启开关1失灵GOOSE发送软压板]”。

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[PL612A 220 kV××线路57211线路保护A套]上连接[ML612A 220 kV××线路57211线路合并单元A套]的[合并单元直采接收软压板]”。

2.4 安措票的编辑调整及确认

安措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地看到待检修设备与关联设备之间的可执行的安措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，在自动生成的安措票中会按照典型安措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”，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。

3 安全措施自动生成系统

安全措施自动生成系统采用C/S模式开发，在服务器无法连接时客户端可以离线独立运行。服务器端配置在智能变电站配置文件管控系统中，采用Spring+G4Studio框架搭建，由Java语言开发，与客户端采用HTTP+JSON的方式实现数据访问和文件传输。服务器端数据库采用MySQL关系型数据库。

图1 安全措施自动生成系统整体结构

客户端采用Web技术和Node技术整合的方式开发，基于NW.js框架搭建而来，以PC客户端软件的形式提供。客户端数据库采用SQLite文件数据库，便于客户端与服务器端的数据上传和下载。整体结构图如1图所示：整体结构由数据层、业务分析层、服务层、人机交互层以及管理层构成。

1) 数据层。数据层分为公用数据库、典型方案数据库、SCD信息数据库、语义规则库、检修规则、顺序校验规则等。公用数据库主要包括电压等级、接线方式、间隔类型、装置类型等基本信息。典型方案数据库是基于国网“六统一”继电保护装置整理的典型设计数据，主要包含装置的压板、虚端子、虚回路、物理端口等信息。变电站模型数据库主要是存储SCD文件解析后的各类模型化数据对象。语义规则库主要是存储各类形式化的典型二次检修安全措施。检修规则是将不同的检修模式形式化为计算机可以识别的语义。顺序校验规则主要是用于二次检修安全措施的校验。

2) 业务分析层。业务分析层主要是解析SCD文件、变电站数据模型与典型方案的关联以及安全措施的生成。

3) 服务层。服务层主要提供图形化服务和顺序校验服务。

4) 人机交互层。人机交互层主要包括数据实例化调整、安措票编制、压板与虚回路关系图形化配置、安全措施图形化预演、安全措施顺序校验，其中数据实例化调整是考虑当前变电站数据模型与典型方案匹配规则不全而增加的人工确认和调整功能。压板与虚回路关系图形化配置是将变电站数据模型中压板与虚回路进行关联，形成完整回路。安全措施图形化预演是在图形上进行安全措施的演示，辅助运检人员查看安全措施编制是否合理。

5) 管理层。实现安措数据的管理，主要是实现安措中间数据的上传、下载，安措票的查询、上传、下载。同时通过数据接口层与智能变电站配置文件管控系统进行数据交互实现安措数据的统一归档和管理。

4 二次检修安全措施自动生成实例

以220 kV线路保护在一次设备停电状况下首检为例，220 kV朔祥乙线A套保护装置在一次设备停电状况下首检，规范规定线路保护首检(A4类检修)工作在线路间隔一次设备停电状况下进行，采取双套“线路保护+合并单元+智能终端”停运检修模式，二次停电范围为“线路保护装置+线路合并单元+线路智能终端”，二次检修范围为“线路保护装置+线路合并单元+线路智能终端”。二次安全措施实施对象依次为：线路保护发跳闸至线路智能终端，线路保护发启失灵至母线保护，线路合并单元发线路电流电压至线路保护。根据待检装置以及工作类型等可以筛选出对应的典型票，且典型安全措施依次为：退出线路保护GOOSE跳闸出口软压板、退出线路保护GOOSE闭锁重合闸软压板、退出线路保护GOOSE重合闸软压板、退出母线保护线路支路GOOSE失灵开入软压板、退出线路保护启动母差失灵GOOSE出口软压板、投入线路保护检修压板、断开线路保护SV直采尾纤，并用防尘帽罩好尾纤，生成结果如图2所示。

通过典型安全措施可以创建现场工作需要的安全措施，220 kV朔祥乙线A套保护装置在一次设备停电状况下首检基于规则生成的安全措施为：

1) 退出CSC103BE-220kV朔祥乙线57211保护AGO跳闸；

2) 退出CSC103BE-220kV朔祥乙线57211保护AGO闭锁重合闸；

3) 退出CSC103BE-220kV朔祥乙线57211保护AGO合闸出口；

4) 退出SGB750-220kV母线保护A线路1失灵开入；

5) 退出CSC103BE-220kV朔祥乙线57211保护AGO启动失灵；

6) 投入CSC103BE-220kV朔祥乙线57211保护A检修压板；

7) 拔掉CSC103BE-220kV朔祥乙线57211保护A来自CSN-15B-220kV朔祥乙线57211合并单元A SV点对点光口光纤，并用防尘帽罩好光纤头。

图2 线路保护在一次设备停电状况下首检安全措施

在自动生成二次安全措施的同时，系统还将自动生成的安全措施效果图和安全措施具体效果，如3图所示。

图3 安全措施效果图

5 结 论

1) 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，实现了典型票的形式化。

2) 实现了对待处理变电站的基于SCD文件的实施对象、操作对象的模型化；并通过分析智能变电站SCD文件中虚回路、软压板对象及结合检修场景，实现与典型票中实施对象和操作对象的自动匹配，解决了二次安措票自动生成的效率问题。

3) 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措票的特殊检修场景下安措票编写的指导。

4) 实现二次安全措施的自动生成，为现场二次检修人员提供合理的安全措施规则及建议，这将大大提高二次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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Automatic security measure generation method based on typical relay protection semantics

JIANG Peng,XU Mingyu,DONG Erjia,WANG Luxin,MU Xinghua,Cui Jiapeng

(Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co.,Ltd.,Harbin 150030,China)

At present, the security measure generation for secondary maintenance of intelligent substation requires a lot of data modeling and model calculation, which can not meet the efficiency requirements of safety measure compilation. A method to automatically generate the security measures for the secondary maintenance of the intelligent substation based on the typical secondary maintenance relay protection semantics is proposed, in order to improve the efficiency and correctness of the safety measures. By transforming the typical secondary security measures in the program into the semantic rules that can be recognized by the computer, and by analyzing the SCD file, the implementation objects and operation objects of the substation repair work are modeled, both of which provide technical data for semantic matching. And then the general implementation object and the operation object in the universal semantic rule are embodied as the implementation object instance and the operation object instance defined in the SCD file, and the semantic matching of the semantic rule and the substation instance object is completed. And finally the automatic security measure generation is realized, and the implementation of the object and the operation object is displayed through the graphical interface, which effectively improves the safety and maintenance level of the grid.

intelligent substation; security measure; semantic matching; relay protection

2017-06-30。

国网黑龙江省电力有限公司科技项目(52243715000X)。

姜 鹏(1986—)，男，硕士研究生,助理工程师，主要从事变电检修继保二次调试、智能变电站检修方案研究等工作。

TM77

A

2095-6843(2017)05-0377-05

(编辑陈银娥)