变电站故障过程可视化分析系统设计

王萌

(陕西能源职业技术学院 智能制造与信息工程学院, 陕西 咸阳 712000)

0 引言

随着社会经济的飞速发展，人们日常生活以及工业生产的用电需求逐渐增长，受益于科学技术水平的提高，电力系统逐渐智能化，设备越来越多、电网系统的规模越来越大，这就对变电站的稳定性以及安全性提出了挑战。因此，在电力系统中，如何快速准确地定位故障位置是必须要解决的难题，除此之外，还可以利用继电保护装置确保系统运行稳定，继电保护装置在电力系统出现故障后会对故障进行快速的定位与切除，对电网运行的稳定性产生直接影响。继电保护装置动作的正确与否会对电网的安全稳定产生严重危害。

1 现状分析

电力系统故障正确分析和准确继电保护动作的执行是继电保护的重点工作，采用保护装置动作报告和动作录波的常规方法主要是在解析故障报文内容的基础上根据相关的定义以及设备装置的内部结构逻辑分析保护动作的准确性，这种方法过程比较复杂，准确性不高，而且实时性差、分析过程不能可视化。另外一种方法是基于中间节点信息概念梳理保护装置的内部逻辑关系，利用各类元件的故障时间线实现动作逻辑重现(以关键计算量作为动作依据)，录波文件时序需同中间节点文件(详细内容由电站信息规范明确)时序相一致，但这种方法也存在缺点，保护逻辑的设计要求不明确，关联中间节点的数据与保护逻辑的方法难以实现[1]。因此本文致力于研究变电站的故障过程可视化分析，采用加密语言绘制继电保护逻辑图，采用SQLite数据库存储与中间节点相关的模型数据，采用IEC 61850标准通信协议实现数据实时获取，为变电站故障定位以及原因分析提供技术支持，以此提升电网运行的稳定性和安全性。

2 系统整体设计

2.1 功能设计

目前变电站为满足智能化发展需求通常采用数字化的信息传递形式，二次回路在编辑展示过程中抽象成不可见的虚连接的文本信息，对运维管理及检修维护过程提出了挑战，对电力系统中各种设备故障的及时发现、防止故障扩大化意义重大。稳定高效运行的电网系统需以变电站安全运行作为基础，站内继电保护装置模型不同于常规变电站,以IEC 61850作为通信标准，显著提升了信息化水平以及数据传输效率[2]。系统在功能上主要实现以下3个方面。

(1) 可视化交互：利用通讯技术以及信息技术实现继电保护装置的本地动作及远程动作的仿真，对故障录波可以通过可视化波形判断数据精确性。根据波形趋势对故障原因进行直观快速的分析过程。

(2) 智能化分析：相关文件(包括中间节点及故障录波)提高变电站标准网络协议的充分利用实现在线实时获取过程。通过构建其故障录波信息与保护逻辑关联，实现故障根因联动分析，确保定位迅速、提高解决效率[3]。

(3) 兼容性：系统需具备向前兼容能力，实现不同型号的继电装置的自适应要求，支持版本升级、支持扩展。

2.2 系统设计

根据上述定位及分析故障问题的需求，本文完成了基于故障录波和中间节点文件的变电站故障过程可视化分析系统的设计，做到故障快速定位，可视化智能分析。在输出中间节点及故障录波文件的基础上利用IEC 61850 通信协议对继电保护装置实现信息获取、加载、解析，根据预先绘制的逻辑图以及各类设备的相关参数进行仿真，系统的整体架构如图1所示。

图1 系统整体架构

系统在整体功能框架上的功能模块主要包括：数据存储模块、逻辑图模型及关联信息的参数配置模块、绘制逻辑图模块、文件获取模块、保护逻辑及故障录波的可视化展示模块、实时刷新模块以及版本兼容模块[4],如图2所示。

图2 系统功能结构框架

(1) 数据存储：该可视化分析系统的关键信息构成基于映射关系(包括电力系统图元、逻辑图、中间节点文件)，可扩展且通用性强的G 语言(XML 纯文本语言的一种)能够有效地对二维图形进行描述并支持高效存取，能够满足电力系统图元和逻辑图的存储需求，本文利用MD5算法对描述文件进行加密，利用SQLite 数据库存储映射关系，在传输过程中利用加密文件传递配置信息，以确保系统的安全稳定的运行[5]。

(2) 参数配置：预先绘制逻辑图模型，并设置关联参数。主要操作步骤如下。

首先，设计逻辑图，分析逻辑关系及运算顺序，明确动作事项之间的逻辑关系。其次，确定图元类型，包括保护动作事项、连接线、逻辑运算、模拟量文本，确定动作事项的关键词，根据动作事项变化判断是否执行调取操作。再次，创建逻辑图模型，模型的主要参数包括逻辑关系、动作事项以及模拟量参数。逻辑关系主要包括ID 、运算关系、规则、状态以及类型；动作事项主要包括ID、名称、状态以及类型；模拟量参数主要包括ID、模拟值以及单位；最后，配置动作事项和逻辑模型的关联。将逻辑图设定为识别项，将联动中间节点信息作为变化项，确定序号以及名称后进行逻辑图的对应与关联[6]。

(3) 绘制逻辑图：根据需求在工具栏上绘制输入、输出、关系等图元按钮。根据逻辑图模型配置图元属性，对整体布局进行保存。

(4) 文件获取：实现故障录波文件的采集，为后续分析奠定基础。

(5) 可视化展示：实现保护逻辑以及故障录波的可视化直观展示，使分析过程更加清晰。

(6) 实时刷新：实时刷新最新数据，确保数据准确性。

(7) 版本兼容：实现不同型号保护装置的自适应管理，提升系统兼容性[7]。

3 主要功能模块的实现

3.1 故障记录的在线获取

展开保护动作的继电保护装置会立即上送故障录波序号值(采用IEC 61850报告形式，随着保护动作次数依次累加)，将其作为触发依据获取中间节点、故障录波文件，获取流程如图3所示。

图3 在线获取文件流程

首先，利用通信服务模块的文件管理程序初始化保护装置，读取故障录波的原始序号值记作Y；然后，对序号值定时刷新记作X，代表新的值。最后，针对中间节点文件和故障录波，在X-Y=1的情况下启动在线获取线程，采用DL/T 860方式获取录波文件和中间节点文件[8]。

3.2 实时刷新

根据故障录波文件的获取流程，在出现新文件时，系统可对继电保护装置的相关文件进行实时刷新，重新解析并展示最新图形，以此确保数据的实时性与准确性，为运维人员

提供最精准的故障信息。系统采用模拟动态波形图的方式降低对联动更新的影响[9]。中间节点的文件中记录了版本信息，一旦检测到关联信息变化，则更新逻辑模型。

3.3 可视化展示

系统支持两种故障仿真展示方式：自动方式是根据中间节点文件记录的时刻定时仿真，手动方式可以按照时间逐条仿真。在仿真过程中，逻辑图与故障录波波形图有所关联，系统支持逻辑图的缩放和位置移动，故障录波波形图支持横向、纵向缩放、波形复位。并在逻辑仿真存在异常时发出告警，以便采取后续处理措施。

3.4 版本兼容

系统具有高兼容性，对于非标准化编码的情况也同样适用，可识别不同型号装置的录波文件。系统版本管理采用自适应模式，根据装置版本分类存储，利用图形化界面创建索引，实现与逻辑模型的相互映射并在模型数据库中保存，升级装置版本时通过逻辑图及映射关系的增量配置即可快速实现，从而使系统的复用度和兼容性得以有效提升[10]。

4 总结

为了实现可视化变电站故障分析，提高实时性，构建了变电站故障过程可视化分析系统，单独装置在平台之上，操作简单直观、通用性强，采用加密 G 语言描述逻辑图文件，兼顾安全性与系统灵活性，增强系统可扩展性。采用SQLite 数据库存储中间节点文件与逻辑图模型的映射关系，通过通信服务模块管理装置的中间节点文件，支持可视化展示逻辑图、故障波形曲线，支持定时刷新，支持自适应版本升级。系统既可以减少变电站的故障分析工作量，又可以提升故障处理的时效。