虛實結合的500 kV智能變電站一鍵順控聯合驗收平臺研究與應用

李廣淵，顧 穎，郭小江

(國網冀北電力有限公司北京超高壓公司,北京 房山 102488)

一鍵順控技術是近幾年在變電站興起的倒閘操作模式，該種倒閘操作模式，具備操作項目軟件預制、操作任務模塊式搭建、設備狀態自動判別、防誤聯鎖智能校核、操作步驟一鍵啟動和操作過程自動順序執行等功能。一鍵順控技術有利于提升倒閘操作的安全性，有利于減人增效，有利于杜絕操作中的人為失誤，因而在國家電網有限公司系統得到了快速推廣，截至2021年4月，國家電網有限公司系統共建設變電站一鍵順控1154座，完成一鍵順控技術改造3026座，一鍵順控技術仍在蓬勃發展中。

目前隔離開關的“雙位置確認”主要有行程開關法、壓力傳感器法、姿態測量法，視頻圖像識別以上方法均可以反映設備的實際運行狀態，因而在一鍵順控改造獲得了運用。但是這些方法共同的特點是驗收時依賴于設備的實際位置改變。因而設備驗收依賴于停電計劃，500 kV變電站由于在系統中處在核心地位，停電為部分停電，依據輸變電設備狀態檢修試驗規程，對于停電試驗，試驗周期最長為基準周期的1.5倍再加1。輸變電設備基準周期為3年的，在危及運行的異常缺陷且最后一次評價為正常狀態的停電例行試驗周期可以延長，但試驗周期最長不超過5.5年。這樣變電站全部設備停電一輪的設備基本上5～6年，專門為一鍵順控驗收申請停電受制于電力系統的停電計劃平衡和停電窗口，很難實現，相比一鍵順控的改造進度而言，驗收進度高度滯后，制約了一鍵順控技術的應用。但目前國內外還沒有在一次設備帶電的情況下，進行一鍵順控系統功能邏輯、位置判據驗證的相關研究。因而研制一種不依賴于停電的驗收平臺，很有必要。

1 基于視頻圖像識別的500 kV智能變電站一鍵順控系統簡介

某500 kV變電站是連接天津和冀北電網的樞紐站，為一個智能站，安裝兩組120 MVA主變，500 kV系統為3/2斷路器接線，HGIS設備；220 kV為雙母線雙分段設備，GIS設備；66 kV單母線接線帶無功補償設備，全部為敞開式設備。在2020年9月開始進行一鍵順控改造，施工改造完成過后，由于受停電窗口影響，未能及時進行停電驗收。該站改造的一鍵順控系統，是基于視頻圖像識別的500 kV智能變電站一鍵順控系統，其網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 某站基于圖像識別的的500 kV智能變電站一鍵順控系統

這套系統由順控主機、智能防誤主機、主要判據和輔助判據組成，順控主機實現操作項目軟件預制、操作任務模塊式搭建操作步驟一鍵啟動和操作過程自動順序執行，智能防誤主機實現操作任務的智能防誤校核，該系統設備位置的主要判據來源于監控系統的遙測和遙信，在變電站投產已經進行了調試和運行，確保其正確性。設備位置的輔助判據來源于高清視頻和智能機器人聯合自動巡檢系統平高，屬于基于圖像識別的輔助判據。4個模塊通過變電站的MMS網連接。

一鍵順控圖像識別系統由高清攝像機、硬盤錄像機、順控視頻分析主機、轉換裝置（通信網管）、正向隔離裝置、測控裝置組成，通過圖像識別完成輔助判據確認。

2 聯合驗收平臺設計的目的、設計原則及網絡拓撲結構

一鍵順控系統驗收的目的在于驗收設備位置雙確認的正確性，驗收五防規則的完善性，驗證一鍵順控發生的連續性，驗證一鍵順控倒閘操作任務完成的流暢度，驗證一鍵順控倒閘操作票的正確性。依據一鍵順控形成合理的倒閘操作流程。因而一鍵順控平臺在設計上應滿足高效性與安全性，高效性是指的通過平臺實現不依賴于停電的驗收，安全性指的是在驗收過程中保證系統的、網絡的、人身的安全。

考慮以上要求，采用虛實結合的驗收方式，一鍵順控系統的順控主機、智能防誤主機、圖像識別采用工程設備，設備位置所需的遙測遙信，圖像姿態則采用虛擬仿真的形式。

考慮網絡安全要求，構建虛擬以太網，順控主機、智能防誤主機、圖像識別系統與仿真測試系統不能利用智能站現有的MMS網絡，應通過離線組網實現智能站MMS仿真系統、順控輔助判據驗證系統與一鍵順控系統的相互組網，滿足智能站一鍵順控系統離線驗收硬件條件，搭建聯合驗收平臺。

圖2 一鍵順控功能離線驗收平臺搭建網絡拓撲結構圖

2.1 MMS仿真測試系統

結合國內外研究現狀及成果，智能變電站一鍵順控功能測試驗收平臺的研發應設計智能變電站MMS仿真測試系統使之為一鍵順控驗證提供完整的與實際變電站運行特性一致的仿真環境。

2.1.1 基于DOM的SCD文件解析

SCD為變電站IEC 61850標準中substation configuration description的縮寫，即全站系統配置文件。SCD文件采用XML語言進行編寫，對于XML文件的解析目前有兩種方案。一種是DOM方案，另一種是SAX方案。前者的優點是訪問方便，缺點是占用內存較大；后者的優點是內存占用小，缺點是訪問不方便。考慮到SCD文件本身不會特別大，所以本方案采用DOM方案進行解析。

2.2.2 基于MMS協議的多裝置仿真技術

制造報文規范（MMS）是國際標準化組織制定的應用層的通信標準,適用于多種工業領域。最新國際標準IEC 61850作為未來電力系統無縫通信體系的基礎,其底層映射到MMS，IEC 61850只應用了MMS基礎規范的其中一部分，因此MMS仿真測試系統采用基于MMS協議的多裝置仿真技術。

2.2.3 基于圖模一體化的穩態實時潮流計算

位置雙確認要求測試系統仿真模擬出倒閘操作后的潮流數據，電力系統潮流計算屬于穩態分析范疇，不涉及系統元件的動態特性和過渡過程。因此其數學模型不包含微分方程，采用高階非線性方程。通過對電力二次設備建模，包括電流互感器、電壓互感器、開關算法、信號轉換器等，二次算法模型，負責從潮流計算獲取一次數據，轉換為監控后臺需要的數據。負責接收遙控指令下發給潮流計算模塊，潮流計算模塊重新調整拓撲結構，計算潮流數據，將數據上送算法模型，最終通過MMS協議上送給一鍵順控主機。

圖3 變電站實際設備與測試系統對照圖

某變電站在2015年投產，變電站監控系統經過調試與變電站實際設備信號完全一致，以此為基準，通過MMS仿真測試系統與變電站監控系統信號一一對應，確保虛擬遙信、遙測的完全正確實時上行以及一鍵順控主機對于MMS仿真測試系統的閉環控制，實現對“一鍵順控票”的逐項、逐條的驗證，保證一鍵順控操作票的測試驗證結果與站內現場實際操作結果一致。

2.2 雙位置確認的驗收

2.2.1 斷路器的雙確認

依據國家電網“在運變電站一鍵順控改造技術規范”，斷路器的雙確認采用遙測+遙信的方式。

開關分位：區監控開關分位，本間隔三相電流由有電流（＞門檻值）變無電流（＜門檻值）。

開關合位：區監控開關合位，本間隔三相電流由無電流（＜門檻值）變有電流（＞門檻值）

因而斷路器的雙確認驗收可由MMS仿真系統模擬。

2.2.2 隔離開關的雙確認

依據國家電網“變電站一鍵順控技術導則”隔離開關的雙確認采用遙信+圖像識別輔助判據遙信判斷依據。

隔離開關分位：區監控隔離開關分位，公用測控隔離開關分位由0→1，公用測控隔離開關合位由1→0。

隔離開關合位：區監控隔離開關合位，公用測控隔離開關分位由1→0，公用測控隔離開關合位由0→1。

特別指出，對于GIS隔離開關圖像識別輔助判據來源于DVR的圖像識別。

在隔離開關的合分過程中，當ABC三項任意一項失敗時，狀態節點輸出均為1，故此時只要SCADA信號輸入為分時直接輸出001，SCADA信號輸入為合時直接輸出011。表1中“任何一項失敗”4種分類為詳細解釋，輸出僅有001和011。

表1 “任何一項失敗”4種分類為詳細解釋，輸出僅有001和011

隔離開關的雙確認驗收采用MMS仿真系統模擬遙信變位，GIS隔離開關（DS）姿態模擬器模擬圖像識別的模式。

2.3 GIS隔離開關（DS）姿態模擬器的研制

以前在工程應用中，基于圖像識別的的500 kV智能變電站一鍵順控系統的圖像識別成功率不高，分析原因，一是隔離開關的分閘樣本不足，由于電氣設備大部分時間為運行狀態，因而隔離開關分閘的樣本數量遠少于合閘的樣本數量。二是圖像識別易受天氣、日照等影響，包括早晨、中午、黃昏、夜晚、陰天、雨天、霧天、雪天，設備位置呈現不同形態，影響到圖像識別成功率。歸根結底的原因仍是樣品不足。

這就需要研制不依賴于倒閘操作的三維的GiS隔離開關（DS）姿態模擬器，給圖像識別系統提供盡可能多的學習樣本，做到多角度、多場景、多環境模擬一次設備分合位置姿態變化，提高圖像識別成功率。

一鍵順控驗收中隔離開關位置雙確認的驗收方法為：一鍵順控主機進行模擬倒閘操作——智能變電站MMS仿真系統向順控主機提供隔離開關變位的仿真信息，DS姿態模擬器提供隔離開關位置模擬的圖像識別信息，該圖像識別信息經過視頻主機，轉化為開關量，從而完成隔離開關模擬變位的判斷。

研制的GIS成套電氣裝置中DS姿態視頻模擬器有操作手柄、面板、分合閘位置指示、拐臂機構、阻尼器、限位器、固定螺絲等零件構成，安裝在GIS成套電氣裝置中DS的機構葙正面，運維人員轉動手柄進行操作，可以模擬產生和GIS成套電氣裝置中DS分合閘高度相似位置的指示，DVR采集到模擬的刀閘位置后，由視頻主機計算并由測控裝置上傳轉化開關量，作為一鍵順控的刀閘輔助判據，供一鍵順控裝置判斷。

DS姿態視頻模擬器不影響設備的實際運行，不會降低設備的性能，可提供聯合驗收平臺不依賴倒閘操作的刀閘位置輔助判據，圖4所示。

圖4 隔離開關位置雙確認的驗收邏輯

3 聯合驗收平臺的測試

2021年11月2日，聯合驗收平臺在500 kV某變電站進行了驗收測試。

首先進行分步測試，重點測試MMS仿真系統和圖像識別系統輔助判據，圖5所示。

圖5 GIS成套電氣裝置中DS姿態視頻模擬器

3.1 一鍵順控MMS仿真測遙測遙信測試流程

順控主機與仿真測試系統通過MMS協議連接；順控主機開始順控操作，并下發投退軟壓板、開關分合遙控指令；

測試主機接收遙控指令，并進行邏輯判斷；

測試主機改變潮流拓撲結構；

測試主機上送遙信、遙測數據；

順控主機接收數據，并進行順控邏輯驗證；

順控主機下發下一個遙控操作，依次往復，直至順控執行完畢。

3.2 輔助判據圖像識別系統測試

綜自系統（順控后臺主機），預置信號采用基于UDP協議，通過9300端口，以E文件方式，通過正向隔離裝置內網網口0，將分合閘位置信息傳送到Ⅳ區順控視頻分析主機（順控視頻分析主機通過交換機接入正向隔離外網網口0）。

順控視頻分析主機接受到隔離開關分合遙信預置信號，根據聯動方案，調用攝像機，觀察隔離開關外觀全景，確保操作前狀態清晰可見，后臺同步錄像。

順控后臺下達操作信號，隔離開關進行變位，隔離開關變位后，同時順控后臺發送變位信號至順控視頻主機。

順控視頻分析主機接收到遙信隔離開關分合變位信號，根據聯動方案，調用攝像機，對隔離開關進行視頻分析。分析結果通過通信網管轉換，采用無源接點返回測控裝置，并保持隔離開關狀態，返回隔離開關信號

現場實際會對一組開關隔離開關使用不止一個攝像頭進行分析，包括室外開關隔離開關和室內開關分合指示器。

支持對多個攝像頭的分析結果進行組合判斷：所有分析結果成功且一致時，組合輸出結果（分、合）；存在任何一個分析失敗或者結果不一致時，組合輸出結果（失敗）。

輔助判定反饋給綜自系統，如果與主判據匹配，則綜自系統自動執行后續操作，否則綜自系統會彈出告警，人工介入。

3.3 分步測試后，進行綜合測試

綜合測試由一鍵順控主機、智能防誤主機、MMS仿真測試系統、圖像識別別系統、刀閘姿態模擬器等離線協同完成。操作人員使用一鍵順控主機選擇當前設備態及目標設備態，調用一鍵順控主機內提前預制的操作票，經智能防誤主機和一鍵順控主機防誤雙校核后，由一鍵順控主機將操作指令通過MMS仿真測試系統下發指令上傳虛擬遙測遙信信息，刀閘姿態模擬器發生虛擬位置改變，實現一鍵順控主機主機完成操作序列。

以某站的5011間隔和2211間隔進行綜合測試，操作任務為5011斷路器由運行轉冷備用，5011斷路器由冷備用轉運行，2211由運行轉冷備用；2211由冷備用轉運行，如圖6所示。

圖6 5011開關由運行轉冷備用順控典型操作任務

經過測試，虛實結合的500 kV智能變電站一鍵順控聯合驗收平臺完全符合要求，用于某站工程驗收實際，在11月完成一鍵順控改造，順利投產，如圖7所示。

圖7 5011-2隔離開關雙確認虛擬測試平臺驗證結果

4 結束語

對于基于圖像識別的的500 kV智能變電站而言，能夠通過MMS仿真測試系統與圖像識別系統線下組網和研制刀閘姿態模擬器構建實現虛實結合的500 kV智能變電站一鍵順控聯合驗收平臺，其驗收效果和系統停電實傳相同。

虛實結合的500 kV智能變電站一鍵順控聯合驗收平臺，不依賴于系統停電，大大加快了基于圖像識別的一鍵順控技術改造的驗收進度，從而對于一鍵順控改造的投產進度給與有力推進。

一鍵順控系統技術改造應用中需要進一步完善規范，及時應對一鍵順控操作對于倒閘操作“八要八步”的沖擊。