變電二次設備健康狀態指標評價及檢修系統優化

馮哂瑋 談夢婷

第一作者簡介：馮哂瑋（1987-），女，工程師。研究方向為變電二次檢修（繼電保護）。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.025

摘? 要：該文以110 kV變電站為例，設計變電二次設備健康狀態指標評價及檢修系統，從二次設備健康模型的構建分析入手，介紹二次設備健康模型的結構及構建方法。然后闡述二次設備狀態評價指標的選擇方式，提出利用層次分析法確定二次設備狀態評價模型的指標權重，利用模糊綜合評價理論，結合運用層次分析方法對二次設備的狀態進行評價，并給出變電站站端二次設備在線監視系統的實現路徑。此系統用于實時監測二次設備的運行狀態，并對二次設備可用性、安全性、設備性能進行持續性評價，最后分析此系統實際運行效果，驗證此系統能夠及時發現二次設備故障問題，利于保障變電站所有設備的安全與穩定運行。

關鍵詞：變電站；二次設備；狀態評價；檢修優化；系統設計

中圖分類號：TM76? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）12-0112-04

Abstract： Taking 110 kV substation as an example， this paper designs the health status index evaluation and maintenance system of secondary equipment in substation. Starting with the construction and analysis of the health model of secondary equipment， this paper introduces the structure and construction method of the health model of secondary equipment. Then， the selection method of secondary equipment condition evaluation index is expounded， and the index weight of secondary equipment condition evaluation model is determined by analytic hierarchy process （AHP）. Based on the analytic hierarchy process method， the state of secondary equipment is evaluated， and the realization path of on-line monitoring system of secondary equipment in substation is given. The system is used to monitor the operation status of secondary equipment in real time， and to continuously evaluate the availability， safety and performance of secondary equipment. Finally， the actual operation effect of the system is analyzed. It is verified that the system can find the fault of secondary equipment in time， which is conducive to ensuring the safe and stable operation of all equipment in the substation.

Keywords： substation; secondary equipment; condition evaluation; maintenance optimization; system design

電力系統中，二次設備的主要功能是對一次設備進行測量、監控與保護，是電力系統運行安全性、穩定性與經濟性的重要保障。二次設備實際應用中也可能發生故障，需要采用故障診斷、狀態評估等技術對二次設備進行狀態評價與檢修。由于二次設備種類、數量較多，狀態評價指標難以確定，為防止狀態評價時出現主觀因素干擾而產生模糊性認知，有必要采用模糊綜合評價方法進行二次設備健康狀態指標評價及檢修優化設計。

1? 工程概況

某110 kV智能變電站是我國國家電網華中地區的國產芯智能變電站，由國產化裝置芯片，操作系統及通信協議構建而成。該智能變站電于2022年完成建設并開始運行。此變電站建設為鋼結構模塊化形式，不僅占地面積較小，并且能夠實現智能化調節與自動化控制，還具有智能預警等多重功能。變電站共安裝了2臺40 MVA的有載調壓主變壓器，采用3回110 kV出線及10回10 V出線。為提高二次回路對一次一回控制、測量、保護與調節的智能性與有效性，該智能變電站建立了變電二次設備健康狀態指標評價及檢修系統，用于對二次設備健康狀態指標進行評價，從而為檢修技術優化提供支持。

2? 變電二次設備健康狀態指標評價及檢修優化系統建立

2.1? 構建變電二次設備健康模型

變電二次設備健康模設計時，要求能夠有效獲取過運行狀態、安全狀態、業務相關數據，在此基礎上對電力二次設備運行狀態是否健康做出評價，從而為設備檢修管理奠定基礎[1]。該智能變電站的二次設備健康模型包含3個部分，一是數據模型，包含資源數據、運行信息、功能業務服務數據、規則數據。二是資源模型，由子系統、設備、公共基礎設施3部分構成，主要作用是描述站端軟件系統資源及支持設施資源。三是依賴關系模型，可基于資源模型劃分二次系統的業務，主要功能是分析與定位二次設備故障。模型構建時，首先應設置健康模型基類，描述所有監測對象的共同屬性，以設備名或設備ID標記各個二次設備。然后從健康模型基類上衍生出類的第二層，以監控對象類別作為設備必備監控信息的設定依據，之后再從第二層中繼承類的第三層，所有處于監控范圍內的二次設備均屬于二層類或三層類的實例之一。表1為交換機設備的健康模型。

表1? 交換機設備健康模型

2.2? 變電二次設備運行狀態數據采集

由于該智能變電站具有多種類型的二次設備，其中通信系統采用通信管控系統實施管理，無需再采取其他監視方式，而測控裝置、電源系統、斷電保護裝置等其他二次設備均需結合設備類型選用對應的數據采集方式。主要采用變電站通信規約、socket通信方式采集數據，可選用網絡接口接入、串口接入2種接入方式。需要將二次安全防護設備劃分為2個區，再集中采集各個區的數據，并采用日志告警規范接入數據。可以結合應用多種信息采集方式，如Agent、SNMP等，數據采集時要獲取全站所有通信報文，并將后臺轉發狀態量、模擬量等數據接入系統。采集的數據應涵蓋采樣模塊、電源模塊、存儲IC器件、CPU負載率、內存負載率、時鐘系統和磁盤運行等設備狀態信息，還要收集MMS通信鏈路狀態、報文正確性監測結果等MMS信息，并應獲取SV信息、GOOSE信息、以太網交換機信息，以便了解間隔層設備接收SV報文、處理GOOSE信息時是否存在異常，并監測以太網交換機的在線運行狀態[2]。

2.3? 變電二次設備健康狀態指標分析

2.3.1? 二次設備健康狀態指標分析方法及要求

因該智能變電站的二次設備數量大、類型多，采取定期或不定期采集設備運行信息的狀態評價方式，可能無法得出準確的狀態評價結果。因此，應選取采樣率穩定性強、可真實反映設備健康狀態運行信息的評價指標，并確定指標值及評價得分映射關系，合理設定指標權重。目前健康狀態指標權重計算方法較多，本文選用層次分析法作為二次設備健康狀態指標權重的計算方式。選取健康狀態評價指標時，要綜合考慮各指標受限條件，并選用可行性評估方法，還應確保評估結論能對評估對象真實狀況進行反映。

2.3.2? 二次設備狀態評估指標確定及權重分配

二次設備狀態評估應以可用性、安全性、性能優越性3個方面為核心，可用性評估應包含缺陷情況、反措執行情況、運行時間3個指標，而二次系統安全性評估中，應涵蓋報文合規性、網絡通信安全、操作系統安全和安全設備防護措施4個指標。二次系統性能評估應設定設備自身狀態、網絡交換機及網絡端口狀態、MMS網絡監視、SV網絡監視和GOOSE網絡監視5個指標。應根據監測指標狀態量確定二次設備狀態評價結果，并綜合專家觀點，根據歷史信息、結合相關文字資料，以指標體系為依據構建二次設備健康狀態評價指標體系。按照上述步驟、采用層次分析法計算出的二次設備中間隔層設備健康狀態評價指標權重分配結果見表2。

表2? 二次設備中間隔層設備權重配置

2.4? 模型構建步驟及算例分析

模糊綜合評價模型可以實現定性評價向定量評價的轉換，可為二次設備檢修決策科學制定提供可靠信息支持。模糊綜合評價模型的構建要經過4個步驟，分別是建立評價對象因素集、確定評價對象評語集、構建模糊關系矩陣和計算評價因素權重向量[3]。以該智能變電站二次設備安全性評價為例，設定可用性、安全性、設備性能3個指標，先對安全性指標進行評價，構建評價因素集，因素集中涵蓋4個因素，即報文合規性、通信行為合法性、操作系統安全性和網絡安全防護措施。二次設備狀態分類描述后，建立的評語集應涵蓋4個評價等級，分別是正常（90～100分）、注意（80～89分）、異常（70～79分）、嚴重（0～69分）。由專家對二次設備進行狀態評價后，構建模糊關系矩陣，再結合得到的指標權重，計算出模糊評價集，再進行歸一化處理，可得出二次設備安全性總評分集為91.58。按照相同的方法，分別求出二次設備可用性為90.44、設備性能為88.52，將這3個得分分別與相應的權重值相乘，便可得出二次設備的狀態評價總分，即89.52，由此可判定此二次設備的安全狀態并無異常。

2.5? 變電二次設備健康狀態指標評價及檢修系統的實現

2.5.1? 運行狀態信息收集與輸出功能的實現

信息收集有2種方式，一是網絡報文捕獲，用于分析全站通信報文，可獲取設備在線運行狀態、通信狀態信息，抓取GOOSE、MMS所攜帶的應用信息[4]。二是日志記錄，此方式應用時要求全部設備均能采用規定格式向外發送日志，可根據健康模型需求數據自主定義規劃。站端系統應具備與站端設備、網絡設備之間相互傳送狀態信息的功能，能監控間隔層測控裝置、保護設備、主機服務器以及保信設備等各類二次設備的通信狀態，并能監視站控層、數據網邊界網絡、安全設備運行情況，能對站內設備診斷并傳送的告警信息進行監測與識別。裝置網絡數據采集內容有3個，一是采集縱向加密、撥號服務器等類型設備運行、警報及日志信息，二是獲取變電站自系統及保信系統運行報警信息，三是對站控層及數據網之間交換機的網絡數據記錄進行收集。

2.5.2? 監測設備及系統的實現

1）Windows服務器監測。將Agent代理服務程序安裝于Windows服務上，選用可拓展性接口，并進行多類指標采集，自定義各監測站點的采集頻次，采集間隔為60 s及600 s。在不使用Agent代理監測方式的情況下，還可利用WMI監測方式，將WMI服務賬戶添加于Windows服務器中，配置SNMP服務共同體名稱，在服務啟動后，無需代理即可實施監測，但因采用的是服務方式監測法，因而相較于Agent代理監測方式而言，數據采集量相對較少。

2）Unix服務器監測。由于Agent代理程序不能安裝在Unix服務器中，因而此服務器需要采取非代理方式進行監測，可利用SSH服務監測法，應用此監測方法時，需要以Unix系統支持的系統命令為依據，對各個腳本進行編寫，并有效采集CPU、內存、文件系統、網絡連接情況以及進程等相關信息[5]。

3）網絡設備監測。變電二次設備的網絡設備主要由路由器、交換機以及防火墻等結構組成，這些設備需要采用SNMP服務方式實施監測。主要用于獲取系統基本信息、網絡端口流量信息、網絡連通狀態信息、電源信息以及風扇信息等，除此之外也可以采集系統內存以及CPU信息。

4）電力二次安全防護設備監測。針對二次安全防護設備而言，主要采用SYSLOG監測方式對二次設備的日志信息進行獲取，并了解二次設備的安全性能、獲取相關的告警信息。防火墻設備主要是監測系統、管理、安全三方面信息，而縱向加密設備需要在系統、管理信息獲取的基礎上，再對通信日志數據進行采集。而正/反隔離裝置，則要采集系統、安全兩方面信息。

5）數據庫監測。主要用于采集各類型數據庫信息，如Oracle數據庫、Myspl數據庫等。監測時需要將監測模塊安裝于裝置內部，基于JDBC數據源模擬功能查找用戶，并建立遠程連接，對用戶數據庫實施監測，通過語句查詢，獲取數據庫性能相關數據信息。配置時，需將用戶名添加到被測數據庫系統上，并設置相匹配的訪問密碼，并為用戶賦予選擇與顯示權限[6]。

2.5.3? 智能站網絡報文記錄分析功能的實現

1）報文記錄。網絡報文的監測、采集、存儲及統計主要依靠網絡記錄分析模塊進行，報文的采集利用單向光法。由于變電網絡結構各異，網絡記錄儀可以運用多種類型的采集方式進行報文收集，交換機主要用于采集SV報文及GOOSE報文，而鏡像端口可設置于MMS交換機上，用于采集MMS報文，或是利用點對點方式采集交換機組網報文。采集到的報文根據不同采集通道存儲于相對應的硬盤之中，報文需要先行壓縮再存儲，主要利用網絡記錄儀的文件傳輸功能輸出，所有支持61850的設備均可從網絡中獲取歷史報文。

2）在線監視。變電站網絡報文的通信以通信協議為依據，獲取到的報文先與這些標準進行對比，根據對比發現的異常報文找出運行狀態異常的二次設備。監測協議流量可對變電站網絡運行狀態做出判斷，通過網絡記錄分析儀實時收集與分析網絡流量，便可獲取各種主要協議流量。再將統計得到的流量存儲在數據庫中，能夠可視化展示網絡流量并生成網絡流量圖。變電站SCL文件可定義GOOSE鏈路地址、報文傳送時間間隔及內容，可通過報文與定義內容對比發現異常的網絡或配置。而SV報文主要用于采集采樣值，在網絡記錄分析模塊支持下，解析多種不同格式的報文，SV報文及SCL報文均可監測報文編碼的正確性、文件配置統一性、網絡傳輸穩定性等。

3）離線分析。離線分析程序有多種過濾方式，可以定位歷史報文，并具有網絡數據包分析、診斷及展示功能。可將網絡分析儀連接到多臺網絡記錄儀上，利用IP地址對各個記錄儀進行分辨，變電站所有歷史數據均可在網絡記錄儀中存儲，且可存儲不同格式的報文。網絡記錄分析模塊能夠解析全部以太網報文協議，并能根據通信鏈路歸類數據包，還能分析鏈路內容，發現可疑報文時可以發出提示，利于二次設備故障點排查及故障原因的快速分析。數據傳輸時需分割為多個小數據包，離線分析程序會對對應數據包逐一獲取，之后于最后一個數據包處合并接收到的所有數據包。網絡記錄分析模塊可對零散報文進行重組，并對構成的新MMS通信鏈路進行解析，能分析協議信息及ACSI映射，發現錯誤時會給出提示并提出合理的處理建議。網絡分析儀還可重組GOOSE鏈路，或是對GOOSE協議信息進行解析并繪制出GOOSE傳輸狀態變化曲線。除此之外，離線程序還能解析SV報文及其他常用協議，并具有報文過濾、檢索、統計及導出功能。

3? 變電二次設備健康狀態指標評價及檢修系統的應用效果

智能變電站傳統二次設備健康狀態監測方法是每月實行二至三次定期巡檢，主要檢查二次設備運行定值、壓板投退狀態，并對告警提示進行觀察，巡檢時發現故障問題后會向繼保、通信班組匯報，并及時進行故障排查與檢修，每月記錄一次巡檢表單，并對本月巡檢情況進行總結分析，每年年底實施一次二次設備狀態全面評估。而該智能變電站應用的是二次設備健康狀態監測系統，運維管理人員可利用調度主站、巡維中心工作站，對二次設備運行狀態進行實時監測，可采用可視化形式展示二次設備運行狀態量，通過系統的邏輯判斷給出二次設備綜合告警信息，二次設備狀態監控周期較短，二次設備運行監管中基本不會出現真空期。同時，巡檢時，可采用監測系統，采用量化數據的形式展示二次設備運行狀態，并能利用系統調閱詳細的巡檢表單檢查內容，且表單中設置了二次設備SV狀態、GOOSE狀態等檢查項目，二次設備健康狀態評估時，系統可以提供更加全面、及時的信息數據，二次設備評估更加精準，可為檢修優化提供可靠依據。總體來看，二次設備監測狀態系統的運行效果能夠達到二次設備健康狀態智能化監測、檢修技術有效優化的目標。

4? 結束語

二次設備健康狀態指標評價是二次設備故障及時發現與處理的基礎，是二次設備檢修優化的重要依據。本文設計的二次設備健康狀態指標評價系統，選用二次設備可用性、安全性、設備性能3個一級評價指標，并利用層次分析法確定各指標的權重，基于模糊綜合評價模型，計算得出各個指標的得分，從而得到最終的二次設備狀態評價結論。基于這一理論構建了二次設備健康狀態評估系統，分別給出了運行狀態信息收集與輸出、監測設備及系統、網站報文記錄分析等功能的實現方法，此系統能夠用于二次設備在線監視及狀態評估，并且具備綜合告警功能，可為變電站運維管理及設備狀態檢修工作高效開展提供有力支持。

參考文獻：

[1] 孔軍，朱海峰，潘蕓，等.基于實時信息的智能變電站二次設備狀態綜合評價[J].機電工程技術，2023，52（4）：221-226.

[2] 李龍，曹楠.自動化設備健康狀態評價和檢修決策及其系統實現[J].電聲技術，2022，46（7）：92-96.

[3] 龍大海.基于Hadoop智能變電站二次設備狀態監測系統設計[D].大慶：東北石油大學，2021.

[4] 張弛.秦皇島電網二次設備狀態評價方法研究[D].秦皇島：燕山大學，2020.

[5] 夏超.智能變電站二次設備狀態評價方法與系統研究[D].鎮江：江蘇大學，2018.

[6] 王玉磊.智能變電站二次設備風險效能成本多維度綜合評價研究[D].武漢：武漢大學，2017.