智能变电站失灵保护二次回路的可视化数字图纸建模方法

王 磊，黄 力，张礼波，周政宇，张克声

(1.贵州电网有限责任公司六盘水供电局，贵州 六盘水 553000；2.武汉映瑞电力科技有限公司，湖北 武汉 430014；3.贵州理工学院电气与信息工程学院，贵州 贵阳 550003)

0 引言

变电站是电力系统中完成电压和电流变换、电能接受和分配的枢纽场所，一旦变电站发生事故，通常会导致大面积停电而造成社会负面影响。失灵是指变电站的断路器本该动作跳闸时拒动，是电网故障情况下又叠加断路器操作失灵的双重故障[1-2]。根据国家标准GB/T 14285--2016的要求，220 kV及以上电压等级电网均应配置断路器失灵保护,变电站开关失灵保护利用故障设备的保护动作信息与拒动断路器的电流信息构成对断路器失灵的判别，以较短的时间切断其他有关的断路器，从而避免大面积停电事故[2]。基于DL/T 860--2004标准，智能变电站可划分为过程层、间隔层、站控层的3层结构。相对于常规变电站，智能变电站的过程层取代了二次电缆回路，智能终端替代了操作箱，这使得所有连接于过程层网络的设备只需在智能终端的配置文件中设置相应连接关系即可相互通信，无需考虑电缆接线问题。因此，启动失灵保护二次回路(后简称为失灵回路)可采用智能终端进行自动识别，通过信号通信转发的方式来完成[3-5]。但是，在当前变电站中用于运检维护失灵回路的图纸是电力设计院通过CAD绘制后，打印出的纸质蓝图。这导致在实际运维工作中，需要工作人员查阅大量分散且繁琐的纸质图纸来查找与失灵回路相关的连线、设备和装置，再通过端子排图与实际接线进行反复对比，才能确认故障点的连接关系及重要接点。由于失灵回路涉及的图纸多，对于同一问题故障点需要多次翻阅不同的纸质蓝图进行排查，这种高度依赖运维人员专业知识和行业经验的工作方式，不仅效率低下，而且当高电压等级的变电站中电流回路数量巨大时，极易造成对失灵回路的漏检和错检，而导致电网运行事故。所以，建立智能变电站失灵回路的数字图纸，实现通过智能终端集中查阅和分析，并最终实现失灵回路的自动化判别和启动，对于及时避免大规模停电事故具有重要的现实意义。

首先，通过收集变电站中与失灵回路相关的设计原图，创建失灵回路属性信息；其次，利用失灵回路属性信息，调用失灵回路关联算法建立各电口间的电线连接信息模型，再通过失灵回路完整性验证算法核实电线连接信息是否正确，以确保形成完整的失灵回路；最后，利用失灵回路可视化图形生成算法，在画布上将电气装置和设备用规定的符号进行表示，将各电口在画布上用电线连接，形成可被智能终端上查阅和分析的失灵回路可视化数字图纸。该可视化数字图纸，将分散的失灵回路设计图纸信息进行数据化、结构化整理，并将失灵回路与相关的电气设备和装置进行了关联。

1 失灵回路属性信息

收集变电站中由设计院提供的失灵回路相关纸质蓝图，包括：失灵回路设计图纸、端子排图、小室位面图、屏柜分布图、柜面布置图、装置背板电口图纸、电缆清册。然后，通过人工查阅和手动录入完成失灵回路属性信息数据库的创建，可获得以下信息：

a.变电站信息。包括电站编号，变电站名称，省份简称，地区简称，变电站简称，电压等级。

b.小室信息。包括小室编号，小室名称，小室描述。

c.屏柜信息。包括屏柜编号，屏柜名称，屏柜描述，小室编号。

d.装置信息。包括装置编号，装置类型，装置所属的屏柜编号。

e.电气设备信息。包括电气设备编号，电气设备名称，电气设备类型(包含正电电源、端子排、压板、节点)，电气设备所属的屏柜编号。

f.电口信息。包括电口编号，电口序号，电口方向(分为发送Tx和接收Rx)，电口所属装置的编号，电口所属电气设备编号。

g.电缆信息。包括电缆编号，电缆名称，电缆起点屏柜编号，电缆终点屏柜编号，电缆规格，电缆芯数，电缆备用芯数。

h.电线信息。包括电线编号，电线名称，电线起点电口编号，电线终点电口编号，电缆编号。

i.短接关系。包括短接关系编号，起点电口编号，终点电口编号，所属装置的编号。

2 失灵回路关联和完整性验证算法

从设计图纸中提取得到与失灵回路相关的电气设备及装置的电口信息后，按照正电电源流经的方向将电口用电线连接起来，建立各电口间的电线连接信息模型。需要注意：如果是经过了2个屏柜的电线，则需要选择对应的电缆信息；遇到多个节点共用1根虚拟电线的情况，需要配置相应的短接关系信息。当上述电线信息全部创建完成后，还需要通过算法将该电线信息模型拼接组成完整的失灵回路，并且核实所创建的电线信息是否正确。失灵回路关联和完整性验证算法流程如图1所示。

图1 失灵保护二次回路关联和完整性验证算法流程

算法的详细步骤说明如下。

a.查询所有设备类型为正电电源的电气设备，通过其编号在电口信息中查询与之相关的电口信息(正电电源是失灵回路的起点，其电口方向为发送Tx)；再从相关的电口信息去查询电线信息，如果存在电线信息，则通过电线信息取得终点电口编号(该电口方向为接收Rx)。

b.首先，根据获取的终点电口编号查询与其他电口是否存在短接关系，若存在则按照短接关系所对应的电口信息查询下一条电线信息，若不存在则查询当前终点电口所属的电气设备信息或者装置信息。其次，如果当前终点电口所属为电气设备，且电口类型是端子排或节点，则查询与之电口序号相同但电口方向相反的电口信息，根据查询到的电口信息去查询下一段电线信息；如果所属为装置信息，则先去查询短接对应关系数据中是否存在短接关系，若存在则根据查询到的电口信息去查询下一段电线信息，若不存在则通过相同该装置下相同电口序号但电口方向不同的电口去查询下一段电线信息。在内存中记录该装置信息和所属的屏柜信息(此信息只会在该流程中存储1次)。

c.不断重复步骤b，直到查询到电口信息所属的装置信息与内存中存储的装置信息相同，将已得到的电线信息存入1个集合中，从而保证了失灵回路的完整性。

d.将步骤c获取的电线集合与系统内存中的装置信息相关联，并存入数据库中，完成整个失灵回路的关联建模。

3 可视化数字图形生成算法

当完成失灵回路关联和完整性验证后，可读取数据库存入的回路模型数据，生成可视化的数字图纸，生成步骤如下所述。

a.根据用户所选的装置信息的装置编号在失灵回路模型数据中查询对应的失灵回路数据集合。

b.将查询到的失灵回路数据集合进行提取遍历，拆分成每条单独的电线信息，通过电线的起点电口编号查询其对应的装置信息或者电气设备信息，根据电线两端所连接的装置信息和电气设备类型在画布上按照国家标准GB/T 4728-2008 《电气简图用图形符号》进行绘制，并画电线进行连接。当查询到电气设备类型是正电电源时，将该电线作为画布上的第1条电线，正电电源为起点(画布上只显示正电电源的名称)，终点则是该电线另一端所连接的装置信息，在画布上绘制该装置的电口符号，并记录其坐标位置。获取第2条电线，判断其起点电口所对应的装置信息是否和第1条线的终点电口对应的装置信息相同，若相同则判断第2条线终点电口所属电气设备类型，如果电气设备类型是端子排，则在画布上绘制该端子排的电口符号，并记录其坐标位置。如果电气设备类型是节点，则在画布绘制节点符号，并记录其坐标位置，如果是压板，则在画布绘制压板符号，并记录其坐标位置。获取第3条电线，判断其是否存在电缆编号，若存在则说明该电线是电缆中的纤芯，终点电口所对应电气设备类型为端子排(因两屏柜之间的电线交互必须是通过端子排连接的)，则在画布上绘制此终点电口符号，并记录其坐标位置。之后，每读取一段电线信息，都需要判断其是否存在电缆编号，若存在就按照该电线是电缆中的纤芯进行处理，若不存在则查询终点电口对应电气设备类型，再用不同符号在画图上进行表示。另外，当电线的终点电口存在短接关系时，则通过短接关系中的终点端口来查找下一条电线信息。

c.通过反复执行步骤b直至将整个集合中的电线信息查找完成，将全部装置和电气设备用不同的符号表示，并完成各电口的电线连接。

d.通过步骤c可以得到国标规定的各装置和电气设备的图形符号及电口信息，通过电口信息获取对应的屏柜信息，将同一屏柜中图形画于同一框内，并在画框的上方填入屏柜的名称及描述信息。至此，失灵回路的可视化数字图纸已经生成。

4 数字图纸生成实例

图2 失灵启动回路原图

启动回路是保障失灵回路正常工作的核心。某变电站失灵启动回路的CAD设计原图如图2所示(它打印出来便是变电站中的纸质蓝图)，以图2中的220 kV水黄Ⅱ回主一保护为例，说明失灵回路如何完成保护动作。线路保护的保护动作节点开出至母线保护失灵开入，7-TAJ2，7-TBJ2和7-TCJ2分别代表断路器A相、B相和C相保护动作节点。12TJQ，22TJQ，12TJR，22TJR代表操作箱中的三相跳闸节点。保护动作节点和三相跳闸节点经过启动失灵硬压板后接入母线保护失灵开入，12LP4/5/6分别为A/B/C相失灵启动压板，4LP2为三相失灵启动压板。当220 kV水黄Ⅱ回主一保护单相或者三相动作跳闸时，以上节点均会闭合，闭合后正电+KM通过硬压板直接到达母线保护装置，装置会收到A相启动失灵、B相启动失灵、C相启动失灵或三相启动失灵开入，从而完成失灵判别中的保护动作。当运维人员需要对失灵回路进行检修时，必须依据自身的专业知识和经验对图纸进行多次翻阅进行问题查找。这种检修方式不仅效率低下，而且非常容易出现错误和遗漏，进而造成电网运行的安全隐患。根据CAD设计原图，可以创建数字化图纸，其生成步骤如下描述。

a.收集图纸资料，从失灵回路蓝图中提取并创建与生成数字化图纸相关的属性信息，诸如变电站、屏柜、装置、设备、电口和电线等信息。除变电站和屏柜名称等信息外，还需要创建：正电电源，名称为+KM；220 kV母线保护B套信息，创建B套装置电口信息1B2，1A30，1A28和1A26，端子排信息SD及SD的12，31，33，35，36等电口信息；创建电缆信息3E-130G和3E-136；创建220 kV水黄II回主二保护的装置及电口信息，创建对侧屏柜端子排信息1D及1D 的47，46，48，49，50，51电口信息，压板信息12LP4，12LP5，12LP6，创建节点信息7-TAJ2，7-TBJ2，7TCJ2，创建装置1×7-c6，1×7-c20，1×7-c22，1×7-c24电口信息；创建220 kV水黄II回主一保护的装置及电口信息，创建端子排信息4D及4D 的173和175电口信息，创建压板信息4LP2，创建节点信息12TJQ，22TJQ，12TJR和22TJR，创建装置4n169和4n170电口信息。

b.根据步骤a中提取的装置信息、设备信息、电口信息和电线信息调用失灵回路关联和验证算法，建立各装置和设备电口间的电线连接信息模型。调用失灵回路关联算法：利用步骤a创建的属性信息，开始创建电线模型。按照正电电源流经的方向将上述信息模型分段进行连接。例如：第1段线是正电电源(+KM)到端子排SD的12Rx口；第2段线是从端子排的12Tx口到对侧屏柜端子排1D的47Rx和46Rx口。以此类推，连接图纸上各电口信息。如果是经过了2个柜子的电线，则需要选择对应的电缆信息；遇到7-TAJ2，7-TBJ2和7-TCJ2多个节点的情况，需要配置短接关系信息模型，在连接完1×7-c6到7-TAJ2的电线后，需要将7-TAJ2的Rx口和7-TBJ2及7TCJ2的Tx口短接起来，即创建短接关系信息模型。调用完整性验证算法：当各电口间的电线信息创建完成后，通过验证算法核实所创建的电线信息是否正确，确保将该电线信息模型拼接组成完整的失灵回路。

c.调用可视化数字图纸生成算法。根据步骤a中的信息属性名称和步骤b中生成的完整失灵回路模型，调用可视化数字图纸生成算法依照各电气设备、装置和节点的图形符号，在画图上在规定的坐标上进行标注，并依据步骤b中创建的电线信息，在画布上将各设备、装置和节点画上相应的电线进行连接，再将属于同一屏柜中图形画于同一框内，并在画框的上方填入屏柜的名称及描述信息。

通过以上步骤，生成了如图3所示的可在智能终端上查阅和调用的可视化数字图纸。

图3 失灵启动回路数字图纸

由于电气设备和装置已与失灵回路进行了关联，便可实现单独分析与某一设备、装置相关联的失灵回路，从而可进一步提升工作效率和故障分析的准确率。

5 结束语

通过创建失灵回路属性信息，利用失灵回路关联、完整性验证算法和可视化数字图形生成算法，生成了智能变电站失灵回路的可视化数字图纸。生成的数字图纸将大量分散的失灵回路纸质蓝图的信息进行了数据化和结构化的整合，并将失灵回路与电气设备、装置相关联。现场运维调试人员可通过智能终端集中查阅数字图纸分析失灵回路的故障点，还可通过某一设备、装置分析与之关联的失灵回路，从而提高了工作效率，降低了漏检、错检率。本文工作为下一步在智能终端的实现失灵回路自动化判别和启动打下了基础。