基于能觀性分析的繼電保護系統狀態評估與智能運維

饒 贇，熊 楠，陳懷藺，石平燈

（貴州電網有限責任公司貴安供電局，貴安 550025）

繼電保護是保障電力系統安全穩定運行的基礎。隨著智能變電站等新技術的推廣，繼電保護系統的數據信息傳遞及處理方式發生了根本變化，傳統的繼電保護系統運行評估體系面臨變革[1-2]。目前，對繼電保護系統的評估主要是通過定期檢修實現，即到達預設檢修周期后，對繼電保護系統實施一系列測試，根據測試結果分析當前繼電保護系統的運行狀態是否滿足要求[3]。該評估方式需要對相關一次間隔停電，影響電力系統的運行可靠性。同時，標準固定的測試項目與周期無法兼顧不同類型設備、不同個體特征設備以及設備不同壽命階段的故障特征。另一方面，目前對繼電保護系統評估仍主要依賴人工測試，效率低、自動化水平低，且倒閘操作和人工測試過程中可能存在操作不當風險等問題。

隨著狀態監測技術的發展和設備信息開放程度的提高，基于在線監測補充或者取代定期檢修已經成為繼電保護系統狀態評估的一個主要發展趨勢[4-5]。隨著智能變電站等信息共享技術的推廣應用，在更大空間尺度和更小時間尺度上獲取繼電保護系統的運行狀態數據成為可能，對這些數據深入挖掘可以及早發現設備與系統隱患，大大提高了繼電保護系統狀態評估的效率和準確性[6-8]。進一步，在狀態評估的基礎上，開展繼電保護系統的狀態檢修進而實現智能運維正在成為發展潮流[10-12]。

針對繼電保護系統狀態評估和智能運維問題，相關學者開展了許多探索工作。文獻[13]基于在線采集繼電保護裝置狀態信息，設計了狀態檢修體系結構，為電網繼電保護設備提供最佳維修時機和檢測策略。文獻[14]結合繼電保護設備歷史和實時信息，建立了基于組合賦權法的模糊綜合狀態評估模型。文獻[15]基于環境信息、監測信息和巡檢信息，提出了繼電保護系統狀態評價指標體系。文獻[16]利用狀態檢修結果，求解變電站最小經濟損失進而確定狀態檢修策略。上述方法利用的數據基礎是繼電保護設備的狀態監測信息，但缺少如何選取有效繼電保護監測信息的科學方法。

如何選取并充分利用狀態監測量，成為繼電保護系統狀態評估與智能運維的重要基礎，這本質上是繼電保護系統狀態的能觀性問題。為此，本文構建了繼電保護系統的能觀性評價模型，揭示了監測水平、狀態評估水平與能觀性水平之間的關系。為提升繼電保護系統的能觀性水平，本文形成繼電保護系統全景信息智能監測與基于全景數據的狀態評估方法，從數據獲取與智能評價兩個方面提升繼電保護系統狀態評估與智能運維成效。進一步，基于本文的狀態評估與智能運維方法，研發了主子站狀態監測系統，并完成了試點應用。

1 繼電保護系統能觀性分析

能觀性是控制理論中一個重要的概念，描述的是在有限時間內通過觀察對象系統某一時刻的輸出變量Y(t0)辨識出該系統狀態變量Xi的能力，它反映了對象系統的輸出對其內部結構、狀態和本質的觀測能力[17]。

借助能觀性的概念，繼電保護系統的能觀性分析指的是：①根據操作指令評價某一時間斷面內設備功能能否得到正確完成，即繼電保護系統能否正確反映一次系統的狀態并完成期望的管控需求；②根據狀態監測量或狀態評估結果反映出某一時間斷面內繼電保護設備狀態（設備硬件狀態和拓撲連接狀態）的能力。

1.1 繼電保護系統的狀態變量

繼電保護系統由保護設備與通信網絡二次回路組成。對于繼電保護系統的運維，需要借助于繼電保護系統的信號呈現與功能效果實現對設備及系統的功能評價與狀態評價。因此，繼電保護系統的運維與評估，需要依托于繼電保護系統的狀態監測信息以及操作指令分析完成，如圖1所示。

圖1 繼電保護系統運維與評估處理過程Fig.1 Process of operation/maintenance and assessment for relay protection system

在控制理論中，狀態變量X={X1,X2,…,Xi,…}是完整描述系統且含變量數最少的一組變量[18]。對于繼電保護系統狀態評估與智能運維問題而言，這組狀態變量應該是狀態評估所關心的對象。根據圖論，繼電保護系統可以抽象成為一個由節點和邊構成的有向圖，根據節點、邊以及節點的屬性可以唯一確定該有向圖[19]。因此，本文將繼電保護系統的“節點”“邊”以及“節點屬性”的狀態視為繼電保護系統的狀態變量，這里的“節點”指的是繼電保護系統中的設備，“邊”指的是設備之間的拓撲連接，即繼電保護系統通信網絡，“節點屬性”指的是設備功能。

1.2 繼電保護系統的能觀性水平

繼電保護系統的輸出變量與控制變量間的關系無法用一組線性微分方程或差分方程來描述，顯然也不滿足疊加定律，為適應繼電保護系統的非線性，實現系統的能觀性評價，因此本文定義繼電保護系統狀態評估的能觀性概念如下。

1.2.1 監測水平Lm

繼電保護系統的監測水平指的是輸出量的開放程度。由于未開放輸出量所對應的狀態變量不能觀，因此監測水平越高，表示可用于狀態評估的動作結果和狀態監測量越多，繼電保護系統的能觀性相對則越大。假設某一繼電保護系統共有M(M=MD+MB+MP)個狀態監測量，其中有MD個設備狀態監測量，MB個拓撲狀態監測量和MP個設備功能評估量，則有

式中：Lm∈(0,1)，[0，0.33）對應低監測水平，[0.33，0.66）對應中監測水平，[0.66，1]對應高監測水平；α1、α2和 α3（0＜α1,α2,α3＜1）為信息開放比例，表示已開放信息量同狀態監測量總量的比例。

1.2.2 狀態評估水平La

繼電保護系統的狀態評估水平指的是對已開放狀態監測量的狀態評估程度。狀態評估水平越高，表示對狀態監測量的進一步處理程度越高。假設對已開放的狀態監測量、拓撲狀態監測量和設備功能評估量三者的狀態評估比例分別為β1、β2和β3(0＜β1,β2,β3＜1)，表示直接用于狀態評估的信息量同已開放的信息總量的比例，則有

式中，La∈[0,1]，[0，0.33）對應低狀態評估水平，[0.33，0.66）對應中狀態評估水平，[0.66，1]對應高狀態評估水平。

1.2.3 能觀性水平Lo

根據上文對能觀性水平的定義，在已開放的狀態監測量中用于狀態評估的監測量信息可分為兩類：一類是通過單條信息本身直接評估繼電保護系統狀態，另一類是通過多源數據融合方式間接評估系統狀態。假設在已開放但未直接用于狀態評估的監測量中存在K%的信息可通過多源數據融合方式間接評估系統狀態，則繼電保護系統的能觀性水平推導關系式為

由式（1）～（3）可知，Lm、La和 Lo三者的關系可以用圖2表示。

圖2 能觀性水平、監測水平與狀態評估水平的關系Fig.2 Relationship among observability level，monitoring level and condition assessment level

綜上所述，繼電保護系統的能觀性水平既與監測水平相關，也與狀態評估水平相關，因此提高繼電保護系統的能觀性水平，一方面要提高狀態監測量的開放程度，一方面要盡可能多地處理狀態監測量得到狀態評估結果。下文將從這兩個方面展開闡述。

2 基于全景信息的繼電保護系統監測建模

2.1 繼電保護系統全景信息監測模型

繼電保護系統的全景信息監測模型集成了其內所有與設備、設備連接以及設備功能相關的屬性，為了進一步實現繼電保護系統狀態評估，本文提出保繼電保護系統全景信息監測模型，并用多元組Ω表示為

式中：D是繼電保護系統設備集合（節點集合）；T是繼電保護系統的通信網絡集合。

2.1.1 繼電保護系統設備集合D

設繼電保護系統內有N臺設備，則可用D1,D2,…,DN表示各設備，即D={D1,D2,…,DN}。根據繼電保護系統各設備的特點，第i臺繼電保護系統設備Di還應包括設備狀態S、功能參數屬性C、設備性能F、設備端口P等內容，即

式中：若設備狀態異常，則S=1，否則為0；C為功能參數屬性，以保護裝置與量測裝置為例，部分設備參數及其表示方法如表1所示；F為設備性能，就繼電保護系統而言，其功能主要指繼電保護裝置的“選擇性”、“速動性”、“靈敏性”和“可靠性”，分別用“ Fsel”、“ Fsp”、“ Fsen”和“ Fre”表示，定義多元組F表示保護系統的功能，如式（7）所示，就電壓-頻率控制而言，需要關注控制效果即目標電壓頻率偏離量“ Fdel_U”、“ Fdel_f”、響應時間“ Fres_T”等，則對于控制系統與設備，其性能模型如式（8）所示；P為設備端口集合，包括該設備所有端口信息，如式（9）所示，其中porti(i=1,2,…,n)表示第i個端口信息。

表1 典型繼電保護系統設備參數Tab.1 Equipment parameters of typical relay protection system

2.1.2 通信網絡集合T

支路的組成方式有兩種，如圖3所示。

圖3 支路的組成方式Fig.3 Composition of branch

圖3（a）所示為物理支路，常規站繼電保護系統內設備之間由電纜cable或光纖fiber實現點對點直連，而在智能站繼電保護系統內設備間支路主要由光纖fiber和端口port組成。定義物理支路描述多元組P_Branchij表示支路Branchij對應物理元件，則有

式中，“＜＞”內為物理元件的標準化命名。

圖3（b）所示為邏輯支路，邏輯支路主要存在于智能站繼電保護系統內，邏輯支路主要由VLAN等網絡連接組成，定義邏輯支路描述多元組L_Branchij表示支路Branchij對應的邏輯元件，則有

式中，“＜＞”內為VLAN的標準化命名。

此外，支路的通斷狀態還受壓板的控制，定義壓板描述多元組S_Branchij表示支路Branchij對應壓板，包括出口硬壓板、檢修硬壓板、接受軟壓板、功能軟壓板等，即

式中，“＜＞”內為壓板的標準化命名。

繼電保護系統內的物理支路或邏輯支路承載著各類信息流。根據IEC 61850規范，一次系統的采樣值信息通過SV報文在過程層網絡中傳輸，保護、控制命令及開關狀態等信息通過GOOSE報文在過程層網絡中傳輸，而在站控層中主要傳輸制造報文規范MMS報文等。本文用信息描述多元組I_Branchij表示與支路Branchij方向及連接源宿相同的信息集，即

式中，“＜＞”內表示信息的規范命名。

上述要素主要用于描述繼電保護系統拓撲的靜態屬性，這些屬性在保護系統設計階段就能確定。為了描述拓撲的動態屬性，定義SBranchij表示支路Branchij的實際狀態，則有

式中：Scable、Sfibre、Sport、SVLAN和Sstrap分別為上述所提的電纜、光纖、端口、VLAN和壓板等實際狀態；SN表示網絡狀態；SI表示信息狀態。綜上，保護系統通信網絡集合可以表示為

2.2 最小輸出變量集

根據繼電保護系統能觀性解釋及全景信息監測模型分析，可以抽象出滿足繼電保護系統能觀性的最小輸出變量集Y*，以實現對繼電保護系統狀態的全方位把控，保護系統最小輸出變量集如表2所示。

表2 繼電保護系統最小輸出變量集Tab.2 Minimum output variable set for relay protection system

通過分析最小輸出變量集可以知道，可直接獲得的輸出變量均為繼電保護系統的靜態屬性，可以通過解析配置文件得到，如智能站內的SCD文件，將這部分輸出變量集記為YD；并非所有輸出變量都可以直接獲得，將這部分輸出變量集記為YU，比如繼電保護系統設備的功能必須通過一定的分析評估獲得。為了得到YU，還需要獲取一定的狀態監測量YM。若某繼電保護系統能獲得的輸出變量為Y，Y與YD、YU和YM的關系如圖4所示。

圖4 靜態屬性獲取與狀態評估Fig.4 Static property acquisition and condition assessment

因此，當式（16）成立時，認為該保護系統監測水平達到完全能觀水平，否則該繼電保護系統不完全能觀，能觀性水平可以由式（1）～（3）衡量。

3 基于全景監測信息的繼電保護系統狀態評估

根據繼電保護系統能觀性描述以及實際工程運維需求，可以抽象出滿足繼電保護系統能觀性的全景監測信息集，如表3所示。

表3 全景監測信息集Tab.3 Panorama monitoring information set

由此形成的繼電保護系統運行狀態評估方法如圖5所示。其中設備健康狀態監測、拓撲狀態監測和功能狀態監測具體闡述如下。

圖5 運行狀態評估方法Fig.5 Assessment method for operation condition

3.1 設備健康狀態監測

對于狀態監測量中的一致性屬性信息，如定值與壓板等，均可以利用一致性檢測元件實現評估，一致性檢測元件的工作原理是：達到預設的狀態監測時間觸發值后，根據實時采集的一致性屬性設備狀態監測量，一一比對預先存儲的參數，若發現不一致則啟動異常告警。這個預先存儲的參數可以是運行方式規劃階段制定好的參數，也可以是上一次狀態監測結束后的無異常參數。一致性狀態監測如圖6所示。

圖6 一致性狀態監測Fig.6 Consistency monitoring

3.2 拓撲狀態監測

繼電保護系統的功能實現有賴于信息的正確傳輸，設備之間的信息傳輸異常往往會影響業務實施的準確性和可靠性，甚至對電力系統產生嚴重的影響。因此，對繼電保護系統設備間拓撲的異常甄別和故障定位是繼電保護系統運維工作中一項非常重要的內容。

拓撲故障主要指的是通信故障，造成的后果主要為延時、誤碼和中斷，上述三類故障均可能會導致數據包丟包。根據SV、GOOSE和MMS報文的計數機制，若某報文發生了丟包，則會發送相應的丟包告警。但由于一條報文需要經過多條信道才能到達信宿，根據該報文丟包告警并不能單獨判斷哪一條信道發生了故障。目前，監控后臺只能通過間隔層裝置上送的告警信號監視SV、GOOSE和MMS鏈路的狀態，無法直接監視過程層網絡內各通信節點的狀態。

考慮到多點故障發生的概率較低，假設在同一個時間網絡中只存在一個單點故障。在實際工程應用中，一條信道往往承載著多條報文信息，因此如果某信道發生故障后，通常情況下不只一條鏈路的報文會受到影響。通過分析報文斷鏈的告警信息，如果b條報文鏈路受到影響，而報文鏈路的總數為a，則故障定位分析矩陣G可通過公式獲得。

式中：DN×N為N臺設備之間連接關系；J為告警信息支路矩陣，jij為I_Branchij中含有告警信息的個數；K為正常信息支路矩陣，kij表示I_Branchij中含有信息總數與含有告警信息個數之差，即正常傳輸信息個數。故障定位分析矩陣G中的最大元素gij表示最有可能發生故障的支路，如果最大元素不止一個，則最有可能發生故障的支路為最大元素對應共同告警信息的初始支路。

此外，根據保護系統全景信息監測模型中S_Branchij是否更新來判斷支路發生故障的進一步原因：①若S_Branchij未發生變化，則引起支路Branchij故障的原因可以縮小為P_Branchij對應光纖及光纖兩端的端口；②若S_Branchij發生了變化，則可能為軟壓板狀態變位導致信息傳輸發生中斷。

3.3 功能狀態監測

繼電保護系統處理實際業務時，不同業務關注的功能效果不同，為統一表示，功能異常從執行邏輯以及執行效果兩個層面衡量。

（1）執行邏輯層面的作用是，為完成繼電保護系統某一項功能，需要特定設備參與功能決策，因此，參與執行業務功能的期望設備應與實際發生動作的設備相匹配。

（2）執行效果層面的作用是，繼電保護系統執行某相業務都有其完成的目標閾，從執行效果判斷，可以分析設備是否動作準確與合理。

4 工程實施

4.1 繼電保護狀態監測與評估系統

為了減少運維主站端和調度端的數據傳輸和分析壓力，本文設計了一種基于廠站端就地分析設備健康狀態和基于主站端分析設備功能的主子站狀態監測與評估系統MSCMS（master-substation condition monitoring system）。整個系統由分布在廠站端的狀態監測子系統CMS（condition monitoring subsystem）和主站端的狀態監測主站CMM（condition monitoring master server）構成。該系統架構與繼電保護系統實際部署環境并不沖突，如繼電保護系統采用主子站架構部署，則狀態監測主站可以搭載在運維主站，狀態監測子站可以搭載在運維子站中；若保護系統采用大數據平臺模式架構，則狀態監測主站可以搭載與大數據平臺層。

在廠站端中，每個變電站部署1套狀態監測子系統，系統由信息采集單元ICU（information collection unit）和信息分析單元IAU（information analysis unit）單元組成。系統跨接在站控層和過程層，信息采集單元可以實時采集到各間隔層設備、一次設備、過程層網絡、站控層網絡的全景狀態監測信息。狀態監測分析單元是保護系統的就地化狀態監測和分析中心，可以通過輸入SCD文件得到繼電保護系統運行方式模型，并根據信息采集單元提供的實時狀態監測信息進行設備健康績效分析。因此，廠站端狀態監測系統通過抓取本地信息可以獨立判斷保護系統狀態。

在主站端CMM中，狀態監測平臺匯聚著從各廠站端狀態監測系統經由狀態監測服務器MS（monitoring server）上送的狀態評價信息以及保護動作信息，利用跨間隔數據綜合判斷繼電保護系統的功能狀態，并將其返回至相應的狀態監測子站，全景信息監測系統架構如圖7所示。

圖7 全景信息監測系統架構設計Fig.7 Architecture design of panoramic information monitoring system

變電站間部署著由高可靠性光纖通信網絡組成的調度數據網，主子站狀態監測系統可以利用這個調度數據網進行信息交互。代理系統之間的通信機制可以參照發布/訂閱者模式，信息交互的方式包括查詢、通知和更新3類。主子站狀態監測系統的信息流如圖8所示。

圖8 繼電保護系統狀態評估信息流Fig.8 Information flow in condition assessment on relay protection system

4.2 測試結果

4.2.1 測試場景

為了測試主子站狀態監測與評估系統的有效性，根據圖7和圖8所示的系統設計，開發了樣機裝置及相關軟件，并在基于IEC 61850的110 kV智能變電站進行測試。測試場景如圖9所示。

圖9 測試場景Fig.9 Test scenario

4.2.2 運維效果

上述MSCMS在實際工程中完成試點運行，在安裝運行繼電保護系統運行狀態評估裝置前，設備狀態監測量與壓板狀態不開放，運維方式主要是定期檢查。安裝運行繼電保護系統運行狀態評估裝置后，為了更全面獲取保護系統的監測信息，增設了設備分布式測溫傳感器、絕緣在線檢測器等設備，并開放了壓板狀態的上送。現將安裝前和安裝后的運維效果進行對比，總結如表4、表5所示。

表4 監測時間間隔運維效果對比Tab.4 Comparison of operation and maintenance results about monitoring time intervals

表5 監測內容的運維效果對比Tab.5 Comparison of operation and maintenance results about monitoring contents

由表4可以看出，安裝MSCMS后監測時間間隔有了極大的縮短：與采取日常巡視相比，安裝MSCMS后監測時間縮短為原值的1/6；與采取季度檢查相比，安裝后監測時間間隔縮短為原值的1/540；與定期檢查相比，安裝后監測時間間隔縮短為原值的1/6 570。由表5可以看出，監測內容安裝前需要依靠人工日常巡視、季度巡視和定期檢查的項目分別有14、10和11項。安裝MSCMS后，需要依靠人工的日常巡視項目減少至5項（液晶屏檢查、裝置有無異常聲響及異常氣味、檢查戶外端子箱防水防潮、檢查戶外端子箱封堵、檢查戶外端子排接線等）；需要依靠人工定期檢查內容縮減為1項，即外觀及絕緣檢查。

5 結語

為有效分析、獲取繼電保護系統需要監測的內容，以及高效地提升運維系統監測與評估系統狀態的能力，本文從能觀性角度，分析了監測水平與狀態評估水平與能觀性水平之間的關系，達到對繼電保護系統狀態評估與智能運維需求。進一步地，從能觀性提升的目標出發，討論繼電保護系統全景信息監測方法與基于全景數據的狀態評估方法，有效提升了繼電保護系統的能觀性水平。依照本文基于能觀性分析的狀態評估與智能運維方法，形成了主子站狀態檢測系統，并完成了試點應用，肯定了基于能觀性分析的狀態評估與智能運維方法在提升運維效率與處理復雜告警中的優勢作用。