智能变电站故障过程可视化分析系统设计

耿晓辉 ，侯念国 ，张 辰 ，宋明慧 ，田君茹

（1.国网山东省电力公司淄博供电公司，山东 淄博 255032；2.积成电子股份有限公司，山东 济南 250100）

0 引言

近年来，随着电力系统的高速发展，智能变电站安全稳定运行已成为一个重要课题。继电保护装置作为电力系统重要组成部分，其正确的保护动作逻辑关系直接影响到电网运行的稳定性。当电力系统发生故障时，继电保护装置快速定位并切除故障以确保电网安全运行和稳定性。而造成电网故障的一个重要潜在风险因素是继电保护装置不能正确动作，该风险会严重危害电网系统的安全稳定运行［1-3］。

继电保护工作者一直致力于电力系统故障正确分析和继电保护动作安全性工作。常规的故障分析方法为调取并打印保护装置动作报告和动作录波，根据定义解析故障报文输入输出内容，最后结合装置内部逻辑图分析动作和结果的正确性［4］。该方法工作繁琐，容易出错，故障分析过程不直观、不及时。

为更好地梳理保护装置内部动作逻辑关系，智能变电站信息规范明确提出继电保护中间节点信息概念，要求装置保护动作信息应和该次故障的保护录波和中间节点信息关联，中间节点信息满足逻辑图展示要求，逻辑图宜与保护装置说明书逻辑图一致，以时间为线索可清晰再现故障过程中各保护功能元件的动作逻辑及先后顺序，并提供各保护元件的关键计算量作为动作依据［5］。保护装置的中间节点文件时序应与保护装置的录波文件时序保持一致。智能变电站信息规范仅明确了各中间节点文件的详细内容，没有明确保护逻辑图的设计要求以及保护逻辑图与中间节点数据对应的关联方法。

为此，首先分析智能变电站继电保护装置故障记录的可视化需求，结合智能变电站故障过程可视化分析系统的详细设计，深入研究加密型的G语言用于表达电力系统图元以及继电保护逻辑图，选定SQLite数据库存储保护逻辑图与中间节点数据的关联模型，逻辑图与中间节点数据的关联关系，以及采用IEC 61850标准通信方式实现文件的在线获取等关键技术。通过研制智能变电站故障过程可视化分析系统，为运维人员提供便捷的故障分析支撑。最后总结试点工程应用效果。

1 需求分析

智能变电站安全运行是智能电网稳定、高效运行的基础，与常规变电站相比，站内继电保护装置模型采用IEC 61850通信标准，使得在数据传输、信息化等方面得到很大的提高。但是，在电力系统发生故障时，如何快速分析和定位故障问题，使得故障设备及时切除，以确保电力系统的安全运行。系统除应提供可视化和智能化的故障分析方案外，还应满足不同装置类型、装置升级后的快速高效分析的需求。

1.1 可视化交互

首先，针对继电保护装置动作逻辑分析的“实”到“虚”，通过网络通信技术和计算机技术，仿真演示继电保护装置的本地或远程在线可视化展示和操作。其次，针对继电保护装置的故障录波信息，通过计算机技术，实现可视化的波形视图分析，从直观的波形趋势快速分析故障发生的原因，以及可以从相关数据信息的值分析数据的有效性和准确性，以更便捷的分析故障原因。

1.2 智能化分析

首先充分利用智能变电站标准网络协议实现中间节点文件和故障录波文件的在线实时获取。其次支持保护动作逻辑和故障录波的联动分析，通过联动分析，可以根据动作逻辑情况以及故障录波信息综合分析故障原因，使得快速定位问题，解决问题，排除故障，从而保证电力系统的运行安全。

1.3 自适应性

自适应是指能够自动适应不同型号的装置，同时支持装置型号版本逻辑的升级，支持向前兼容装置型号的逻辑和后续扩展新型号的逻辑。

2 系统设计

基于智能变电站故障问题分析和定位的需求分析，设计了一套基于中间节点文件和故障录波文件，通过可视化操作和智能化分析，实现快速高效分析智能变电站继电保护装置故障原因的系统，即智能变电站故障在线过程可视化分析系统。智能变电站继电保护装置发生故障时，输出中间节点文件和故障录波文件，然后系统通过IEC 61850通信规约获取中间节点文件和故障录波文件进行加载解析，结合预先配置的参数和绘制的逻辑图，实现可视化仿真和故障分析，系统数据流如图1所示。

图1 系统数据流

智能变电站故障过程可视化分析系统包括数据存储、参数配置、逻辑图绘制、自动在线获取故障录波文件和中间节点文件、逻辑图和故障录波可视化展示、逻辑图动态刷新和版本管理自适应功能模块，其功能结构如图2所示。

2.1 数据存储

电力系统图元、逻辑图以及逻辑图与中间节点文件的映射关系是智能变电站故障过程可视化分析系统的重要信息组成部分。

图2 系统功能结构

G语言作为一种可扩展的标准XML纯文本语言，具备描述传统二维图形的能力，支持高效存取、通用性强的优点，适用于存储电力系统图元和逻辑图。同时，从数据安全性角度考虑，为G语言描述的文件进行了加密处理，加密算法采用MD5。逻辑图与中间节点文件的映射关系采用SQLite数据库存储，该数据库具有轻量级、无服务器、零配置、支持跨平台等优点。采用加密性文件和SQLite数据库两种形式存储变电站配置信息，从一定程度上有效保证了软件的安全性。

2.2 参数配置

在绘制逻辑图之前，预先做好逻辑图的模型参数和关联参数的配置工作。具体步骤为：

1）分析继电保护装置的设计逻辑图。根据继电保护装置的设计逻辑图，分析逻辑图的逻辑关系及运算顺序，首先应明确动作事项参与的“与或非”运算的逻辑关系，依据自左向右、自上而下依次递增原则进行标记逻辑运算顺序。其次，明确逻辑图包含的图元类型，包括保护动作事项（逻辑图输入与输出）、逻辑运算（逻辑与、逻辑或、逻辑非）、连接线以及模拟量文本。最后，确定关键词，关键词是指用于确定调用该逻辑图的事项动作，即当系统加载中间节点信息，通过判断动作事项的变位信息以调取并展示逻辑图。

2）创建逻辑图模型。根据逻辑图的分析结果编辑逻辑图模型，逻辑图模型的参数主要包括参与逻辑运算输入输出的动作事项信息，逻辑运算关系信息和模拟量参数。其中动作事项信息包含事项ID、事项名称、事项状态值和状态值类型，状态值类型分为原始值和计算值；逻辑运算关系信息包含当前运算关系的ID、描述、状态值、值类型、运算规则，以及参与运算事项的ID和值类型；模拟量参数信息包含模拟量的ID、描述、值和单位。

3）配置动作事项与逻辑图的关联关系。基于逻辑图的分析，每个逻辑图中均有某些特定的动作事项可以作为识别本逻辑图的识别项，因此，根据选择的动作事项建立与逻辑图的关系，通过关联动作事项的ID寻找逻辑图的序号（keygraid）和名称，从而可以根据中间节点信息中变化的动作事项关联对应逻辑图并展示。

2.3 逻辑图绘制

系统中的逻辑图绘制模块提供了便捷的逻辑图相关的图元绘制按钮，例如输入、输出、与或非关系图元、连接线和模拟量文本图元，如图3所示。

图3 逻辑图绘制模块

首先，绘制图元，通过选择工具栏中提供的图元，在画布上根据需要绘制相应大小的图元。其次，配置图元属性，基于配置的逻辑图模型，为绘制的每个图元配置相关属性。最后，整体布局并保存。逻辑图的绘制完成为逻辑图可视化展示奠定了基础。

2.4 故障记录在线获取

变电站继电保护装置发生保护动作时，装置以IEC 61850报告的形式上送故障录波序号值，该值会根据保护动作次数而依次累加，故可作为装置故障录波文件和中间节点文件在线获取的触发依据。

变电站通信服务模块初始化继电保护装置文件管理线程，遍历读取系统继电保护装置的故障录波序号值，标记为原值Y，启动继电保护装置文件管理线程，定时刷新系统继电保护装置的故障录波序号值，标记为新值X，计算X-Y是否等于1，如果是，则启动装置故障录波文件和中间节点文件在线获取线程，传输方式采用DL/T 860的文件服务，获取到的故障录波和中间节点文件存储于特定位置。继电保护装置故障录波文件和中间节点文件在线获取流程如图4所示。

图4 文件在线获取流程

2.5 逻辑图动态刷新

基于在线获取机制，当有新的中间节点和故障录波文件产生时，系统将自动加载解析新的继电保护装置故障录波文件和中间节点文件，动态展示最新的逻辑图和波形图，供运维人员及时查阅最新信息。图5展示了逻辑图动态刷新界面。

图5 逻辑图动态刷新界面

系统支持自动仿真和手动仿真两种方式。自动仿真是根据中间节点信息文件记录的时刻自动仿真整个过程。手动仿真是通过点击“下一时刻”可以逐时刻的仿真进行分析；系统通过“上一时刻”支持仿真反演的过程；通过“逻辑图返回”可以恢复至逻辑图的初始状态。系统支持绘制的逻辑图缩放、实际大小和移动位置等，也支持故障录波波形图的横向缩放、纵向缩放和波形复位，同时在整个仿真演示过程中，逻辑图仿真和故障录波波形信息是关联的，当出现逻辑仿真出现异常时，系统自动提示告警信息，为运维人员提供便捷的分析操作。

2.6 故障录波可视化展示

逻辑图动态刷新的同时，智能加载相应的故障录波文件，以录波曲线的形式展示于主界面，协助分析故障录波的详细情况，支持谐波分析、矢量分析、录波打印等功能，为事故原因分析及问题解决提供了有效的支撑。

本系统软件支持编码格式的正确转换，解决某些厂家装置的录波文件采用非标准化编码格式而导致波形显示异常的问题，极大提高了软件的兼容性。

逻辑图故障分析过程中，故障时刻记录个数为可枚举的队列，根据故障分析时刻不同，支持逻辑图与波形图的联动更新。而波形联动更新功能受故障时刻记录个数局限性的影响，故本系统同时支持手动模拟动态波形图，便于故障波形的全面分析。

2.7 版本管理自适应

装置中间节点文件记录了装置版本信息，而可视化逻辑图与装置中间节点文件之间通过数据库配置建立了内部关联关系，如果装置升级导致逻辑图发生变化时，需要重新绘制逻辑图，重新建立新逻辑图和装置中间节点文件间的关联关系。考虑到软件版本的兼容性和升级问题，本系统软件采用了版本管理自适应方法。

首先根据装置版本对装置中间节点文件进行归类存储，记录装置信息包括型号和版本信息作为目录索引，绘制装置逻辑图并以keygraid作为逻辑图的唯一标志，然后以图形化界面的方式配置装置信息与逻辑图的映射关系，并保存至模型数据库。这样，当装置版本升级时，只需增量配置逻辑图以及装置信息与逻辑图的映射关系即可快速实现软件升级，有效提高了软件复用度和兼容性。

3 试点应用

所提出的智能变电站故障过程可视化分析系统已经通过出厂验收，并在110 kV龙齐智能变电站工程调试中顺利通过验收，图6为系统现场应用图。

图6 系统现场应用

在本次试点工作中，当装置发生保护动作时，该系统软件能快速做出响应，跳转至发生故障的保护动作逻辑图界面并实时展示当前故障录波波形曲线，用户根据界面提示可快速完成故障分析和问题定位，极大缩短了故障排除时间，软件具有很高的实用性。

4 结语

研究并实践了智能变电站故障过程可视化分析系统，该系统采用了加密型G语言描述和存储基本图元和逻辑图文件，利用轻便灵活的SQLite数据库存储装置中间文件与逻辑图间的映射模型信息，通信服务模块触发式召唤装置故障录波文件和中间节点文件并通知可视化界面动态加载刷新逻辑图和故障波形曲线，支持装置版本管理的自适应性。同时，该系统独立于装置平台之上，充分考虑了软件的安全性、灵活性和可扩展性，操作简单直观、通用性强、可靠性高，利于推广应用。系统解决了智能变电站故障分析实用化程度低、工作量大等问题，提高了智能变电站的设备故障处理效率，试点工程的安全稳定运行为智能变电站在识别和分析故障问题方面积累了丰富的经验。