魏佳紅　張亮紅　李艷　鄭惠文

摘要：變電站直流系統(tǒng)的可靠性直接影響保護控制設(shè)備的安全運行。針對變電站直流回路缺乏完整的監(jiān)視，故障時信息雜亂的問題，建立了變電站直流回路狀態(tài)監(jiān)測與智能診斷架構(gòu)，通過變電站端的采集、監(jiān)視和診斷實現(xiàn)站端的智能告警，通過調(diào)度端進行全網(wǎng)變電站端的直流狀態(tài)評估。

關(guān)鍵詞：直流回路;建模技術(shù);專家系統(tǒng);智能診斷;邏輯推理

中圖分類號：TM63;TM76? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）05-0072-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.05.020

引言

變電站的直流系統(tǒng)是全站繼電保護設(shè)備、測控裝置、安穩(wěn)裝置等控制系統(tǒng)的中樞，由蓄電池組、充電機屏、饋電屏等組成，為站內(nèi)的保護、測控及其他自動裝置、通信設(shè)備、斷路器的跳合閘回路、信號回路及事故照明回路提供直流電源[1-2]。變電站直流電源系統(tǒng)的正常運行與否直接關(guān)系到全站保護控制系統(tǒng)的正常運行以及站內(nèi)測控信息的遠傳。變電站直流母線失壓，會導(dǎo)致繼電保護設(shè)備、安全自動裝置、通信設(shè)備等無法正常工作，若此時本站繼電保護快速段動作范圍內(nèi)電力系統(tǒng)發(fā)生故障，則會造成下一級變電站保護越級跳閘，停電范圍擴大[3-6];同時，因測控信息無法上送調(diào)度，運行人員無法了解變電站的運行狀態(tài)。

直流二次空開的跳閘會引起二次裝置失電、通信中斷，繼電保護、安穩(wěn)功能缺失，嚴重威脅電網(wǎng)安全運行。針對此問題，部分220 kV智能變電站中增加了對直流二次回路中空開的觸點位置的采樣和記錄。但一個典型的220 kV智能站內(nèi)直流空開數(shù)量很多，約有500個，每個空開又有2～3種可能的狀態(tài)，空開的位置量大點多，邏輯復(fù)雜，未有明確的故障診斷結(jié)果推送，調(diào)度人員無法對空開變位含義進行實時的解釋和判斷。

直流配電屏為變電站的直流子系統(tǒng)提供工作電源，正常運行時，蓄電池組處于浮充狀態(tài);當交流失電或系統(tǒng)需要大電流供電時，蓄電池組迅速切入，向事故負荷、自動裝置、保護裝置及通信裝置等提供電力。作為變電站直流系統(tǒng)的備用能源，保證直流不全停的最后一道防線，蓄電池在電力系統(tǒng)中的地位十分重要，需在正常運行中監(jiān)測其狀態(tài)，提前預(yù)防其可能發(fā)生的故障。

針對變電站直流回路健康運行的需求，本文構(gòu)建了一套完整的變電站直流回路智能診斷方案，包括直流電源的建模，利用智能診斷技術(shù)，實現(xiàn)變電站直流回路智能診斷及告警。

1? ? 總體架構(gòu)

1.1? ? 直流電源回路狀態(tài)監(jiān)測的需求

變電站直流回路狀態(tài)監(jiān)測的對象包括直流電源設(shè)備和直流用電裝置。

直流電源設(shè)備由交流電源、充電機和蓄電池組組成，需監(jiān)測交流電源工況、交流進線開關(guān)狀態(tài)、絕緣、單體電池電壓、充電機充電模塊狀態(tài)等。

直流用電裝置主要包括繼電保護、測控及其他自動裝置的電源、控制回路電源、操作回路電源和事故照明負荷等。

1.2? ? 直流電源智能診斷系統(tǒng)架構(gòu)

變電站直流電源智能診斷系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)包括集成在變電站端監(jiān)控系統(tǒng)中的直流電源信息采集、監(jiān)視與診斷模塊和調(diào)度端站用直流電源狀態(tài)評估模塊兩部分。調(diào)度端站用直流電源狀態(tài)評估模塊包括通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和工作站，通信服務(wù)器實現(xiàn)主站與站端的通信，數(shù)據(jù)服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和存儲，應(yīng)用服務(wù)器完成應(yīng)用功能。

調(diào)度端功能塊包括信息采集模塊、監(jiān)視功能模塊和狀態(tài)評估模塊3個部分，如圖2所示。

子站端完成站內(nèi)直流電源狀態(tài)采集、監(jiān)測、展示與故障診斷等功能，并實現(xiàn)與調(diào)度端的通信，如圖3所示。

1.3? ? 診斷結(jié)果

變電站端利用變電站直流回路模型，基于SVG圖形[7]形成站用直流回路的人機交互界面，供監(jiān)視人員對直流回路進行監(jiān)視。站端SVG文件遠傳到調(diào)度端，調(diào)度端可遠程呈現(xiàn)站端直流回路的狀態(tài)。

直流回路的診斷結(jié)果在人機交互界面上直觀展示，文字加圖形的形式可以方便運行人員確認故障點和故障可能的原因。同時，站端診斷結(jié)果信息也遠傳到調(diào)度端。

2? ? 直流回路建模

直流回路建模用于解決直流回路采集信息的標準化通信問題。直流回路建模需考慮直流回路狀態(tài)監(jiān)視、智能診斷以及狀態(tài)評估的需求。

2.1? ? 建模語言

變電站直流回路建模采用變電站配置描述語言（Substation Configuration Language，簡稱SCL）[8]。SCL語言基于可擴展標記語言（XML），可擴展的含義就是用戶可以根據(jù)需要創(chuàng)建自己的標記符。SCL的應(yīng)用使得變電站設(shè)備自描述、設(shè)備在線配置及互操作可以方便地實現(xiàn)。

2.2? ? 建模對象范圍定義

直流電源系統(tǒng)建模的范圍要滿足變電站直流回路運維的需求，包括設(shè)備名稱、裝置類型、設(shè)備描述、制造廠商、設(shè)備的制造參數(shù)及運行狀態(tài)等。

對于用電設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)，可由測控裝置采集，也可由獨立的位置采集裝置采集。位置采集裝置在IED設(shè)備下建GGIO邏輯節(jié)點（LN），在LN下建一個或多個位置（pos）數(shù)據(jù)對象（DO），DO下則是空開的位置數(shù)據(jù)（DA）。

直流電源設(shè)備有分離式的，也有一體化的。當采集信息來自于一個IED設(shè)備時，建模模型可一致，在IED下建多個邏輯節(jié)點，包括交流進線、充電機、蓄電池組等;在LN下根據(jù)設(shè)備的參數(shù)建立DO和DA。若為分離式，采用多IED采集時，則不同的LN建立在不同的IED之下。

變電站一體化電源是將直流電源、電力用交流不間斷電源和電力用逆變電源、通信用直流變換電源等裝置組合為一體，共享直流電源的蓄電池組的成套設(shè)備。以一體化直流電源為例，表1定義了該設(shè)備的基本屬性。

變電站分離式直流電源回路包括的設(shè)備比較多，如中低壓交流電源、通信電源、逆變電源、直流母線、直流電源、蓄電池組、蓄電池單體、充電裝置、整流模塊等。在每個設(shè)備之下，建立對應(yīng)的監(jiān)測信息元素。

3? ? 智能診斷技術(shù)

智能變電站的直流回路智能診斷技術(shù)是通過專家知識庫完成的[9-10]。直流回路智能診斷過程包括以下幾個步驟：

（1）智能變電站直流回路運行數(shù)據(jù)采集;

（2）對直流信息建模，采用IEC 61850標準上送至變電站站控層網(wǎng)絡(luò);

（3）站控層的診斷子機配置有專家知識庫，通過診斷的單事件推理模型及多事件關(guān)聯(lián)分析模型診斷出直流回路的告警類型;

（4）告警信息在站端展示，同時將診斷結(jié)果及原始原因上送到調(diào)度端。

3.1? ? 診斷專家?guī)?/p>

智能變電站直流回路診斷專家?guī)斓闹饕饔檬墙柚谥绷骰芈愤\維專家工作經(jīng)驗的總結(jié)，形成對直流回路事故的判斷、推理以及處理模型。

知識庫是專家系統(tǒng)的核心，用來儲存專家提供的大量的專業(yè)領(lǐng)域知識。智能診斷結(jié)果的有效性反映了專家系統(tǒng)性能，提高專家系統(tǒng)性能的關(guān)鍵在于在已歸納的專家知識的基礎(chǔ)上不斷修正和完善知識庫，提高知識庫的質(zhì)量。知識庫支持用戶對知識條目的存貯、檢索和修正等功能。

直流回路智能診斷專家?guī)炷軌驅(qū)崿F(xiàn)對變電站直流設(shè)備、用電設(shè)備及回路告警、異常和故障的判斷和處理。在知識庫構(gòu)建過程中，對直流電源設(shè)備，要了解其回路構(gòu)成、設(shè)備運行原理、測控信息點以及診斷的理論依據(jù);對用電設(shè)備，要構(gòu)建直流回路的拓撲結(jié)構(gòu)，明確設(shè)備間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。同時，也要了解直流設(shè)備、裝置及回路的操作方法、異常時故障報告的含義，在此基礎(chǔ)上確認故障后的處理措施。

直流回路診斷知識庫的結(jié)構(gòu)如表2所示。

3.2? ? 推理診斷

直流系統(tǒng)故障推理診斷能有效提高運維人員對直流故障的處理水平，減輕設(shè)備的檢修工作量。直流故障推理診斷建立在診斷專家?guī)旎A(chǔ)之上，推理診斷專家系統(tǒng)是一種產(chǎn)生式的專家系統(tǒng)，它針對當前問題的條件或已知的信息，并將其與知識庫中的規(guī)則進行反復(fù)比對，以推理出問題的最佳求解結(jié)果。其基本形式為P→Q，其中P是產(chǎn)生式的前提條件，Q是一組結(jié)論，當前提P被滿足時，則可推出結(jié)論Q。

推理方式通常分為正向推理與反向推理兩種。正向推理是由一個或N個前提引出一個結(jié)論;反向推理是先要假設(shè)一個結(jié)論成立，自頂向下進行推理，直到它的生成條件得到滿足。直流回路智能診斷采用正向推理。

推理診斷一般采用推理模型。推理模型有些比較簡單，單一故障是由單一原因所致，如某IED設(shè)備空開接點斷開，導(dǎo)致該IED設(shè)備裝置異常。但也有很多異常是由多事件導(dǎo)致的，這就需要人工制訂規(guī)則實現(xiàn)推理模型。多事件推理模型由多層次的與門、或門、非門等一系列邏輯回路組成，當關(guān)聯(lián)的異常信號滿足推理模型的輸出時，得出推理結(jié)果。

圖4為蓄電池本體故障推理，是關(guān)聯(lián)多事件推理的典型應(yīng)用。蓄電池組在線監(jiān)測，對蓄電池單體電池電壓、電流、內(nèi)阻及蓄電池組總電壓、環(huán)境溫度等各項運行參數(shù)進行監(jiān)控，當蓄電池整組電池或部分電池失效時，能及時發(fā)現(xiàn)問題，以免保護及自動裝置因失電而拒動，影響電網(wǎng)安全。

4? ? 結(jié)語

變電站直流系統(tǒng)的可靠性直接影響繼電保護和其他控制設(shè)備運行。IEC 61850標準對變電站內(nèi)直流建模很少涉及，本文通過對變電站直流回路包括直流電源與用電設(shè)備建模，將監(jiān)測信息上送到變電站站控層，實現(xiàn)了直流回路的可觀測和直流回路信息的展示。同時，信息遠傳到調(diào)度端，為未來實現(xiàn)直流回路的狀態(tài)評價打下了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本文對直流回路智能告警也進行了一定的研究，后續(xù)此方向還有很大的進步空間。

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收稿日期：2021-12-21

作者簡介：魏佳紅（1989—），女，河北石家莊人，碩士研究生，工程師，研究方向：系統(tǒng)通信設(shè)計。

張亮紅（1990—），女，山西運城人，碩士研究生，工程師，研究方向：變電二次設(shè)計。

李艷（1993—），女，山西呂梁人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：系統(tǒng)通信設(shè)計。