CN104360183A - 一种智能变电站仿真二次回路的异常检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能变电站仿真二次回路的异常检测方法，属于电力系统自动化技术领域。本发明采用虚拟元件法实现二次电气回路的仿真，根据仿真二次回路中各虚拟元件的状态确定仿真二次回路的拓扑结构；根据得到的仿真二次回路拓扑结构通过环状拓扑的方法沿电流的方向建立二次回路的判断逻辑；按照所建立的判断逻辑对仿真二次回路中各虚拟元件的状态进行判断，从而检测出仿真二次回路是否异常以及异常的原因。本发明利用环状拓扑方法对智能变电站仿真系统二次回路状态进行分析，实现了智能变电站仿真系统二次回路虚拟元件及回路异常状态的准确检测，增强了仿真系统的培训效果，提高了智能变电站仿真系统的自动化水平。

Description

一种智能变电站仿真二次回路的异常检测方法

技术领域

本发明涉及一种智能变电站仿真二次回路的异常检测方法，属于电力系统自动化技术领域。

背景技术

作为智能电网发展过程中的重要环节，随着智能变电站功能的不断完善，新技术的不断应用，智能变电站的建设已经到达了关键时期。相比较智能变电站的发展，智能变电站仿真系统的建设仍处于较低的水平，其中二次电气回路的仿真和模拟是智能变电站虚拟仿真的重点和难点。尤其是在异常缺陷仿真方面，不仅要求能对相对独立的电气设备模拟简单的故障，而且要针对二次电气回路以及整体设计原理进行仿真和模拟，这无疑增加了智能变电站仿真的难度。

智能变电站仿真系统仿真手段包括物理仿真、软件仿真以及混合仿真等几种。目前仿真系统实现二次电气回路完全仿真的情况尚不多见，且主要通过物理仿真形式实现。对于二次电气回路仿真的困难在于以下几个方面：

1)二次电气回路牵涉设备、元件众多，不仅包括电源屏、保护屏、测控屏，而且包括模拟操作屏等多种屏体和设备。通过物理仿真形式实现时，不仅仿真成本高，而且仿真的效果和作用有限，受实际培训场景限制影响较大；

2)二次电气回路与变电站设计规范及实际物理设备接线形式紧密相关，不同回路电气特性区别较大，物理仿真形式仿真难度较高；

3)由于继电器元件特性和微机保护回路隔离设计限制，二次电气回路的仿真效果容易受相关二次电气驱动回路状态影响，二次电气仿真效果独立分析特性不强。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能变电站仿真二次回路的异常检测方法，以实现智能变电站仿真系统二次回路虚拟元件及回路异常状态的准确判断。

本发明为解决上述技术问题而提供一种智能变电站仿真二次回路的异常检测方法，该异常检测方法包括以下步骤：

1)根据建立的仿真二次回路中各虚拟元件的状态确定仿真二次回路的拓扑结构；

2)根据得到的仿真二次回路拓扑结构通过环状拓扑的方法沿电流的方向建立二次回路的判断逻辑；

3)按照所建立的判断逻辑对仿真二次回路中各虚拟元件的状态进行判断，从而检测出仿真二次回路是否异常以及异常的原因。

所述步骤1)中的仿真二次回路的建立过程如下：

A)采用虚拟元件法对智能变电站二次回路中各组成元件进行等效模拟得到各组成元件对应的虚拟元件；

B)将各虚拟元件按照其电气特性进行连接得到虚拟二次回路，即为所要建立的仿真二次回路。

所述步骤A)中得到的各虚拟元件的物理特性最大程度接近于元件实际电气特性。

所述的步骤2)中的环状拓扑指的是在一个封闭的结构中，传输媒体从一个端用户到另一个端用户，直到将所有的端用户连成环型，这种结构中数据在环路中沿着一个方向在各个节点间传输，信息从一个节点传到另一个节点。

所述的二次回路状态检测包括装置运行时和装置停运/检修时的二次回路。

本发明的有益效果是:本发明采用虚拟元件法实现二次电气回路的仿真，根据仿真二次回路中各虚拟元件的状态确定仿真二次回路的拓扑结构；根据得到的仿真二次回路拓扑结构通过环状拓扑的方法沿电流的方向建立二次回路的判断逻辑；按照所建立的判断逻辑对仿真二次回路中各虚拟元件的状态进行判断，从而检测出仿真二次回路是否异常以及异常的原因。本发明利用环状拓扑方法对智能变电站仿真系统二次回路状态进行分析，实现了智能变电站仿真系统二次回路虚拟元件及回路异常状态的准确检测，增强了仿真系统的培训效果，提高了智能变电站仿真系统的自动化水平。

附图说明

图1是两路选择选择开关虚拟元件示意图；

图2是两路选择开关虚拟元件示意图；

图3是多路选择开关虚拟元件示意图；

图4是空气开关虚拟元件示意图；

图5是压板虚拟元件示意图；

图6是开入光耦虚拟元件示意图；

图7是继电器开出节点虚拟元件示意图；

图8是操作机构开出节点虚拟元件示意图；

图9是控制电源、合闸电源虚拟元件示意图；

图10是10PT二次侧虚拟元件示意图；

图11是CT二次侧虚拟元件示意图；

图12是合闸线圈、分闸线圈虚拟元件示意图；

图13是位置指示灯虚拟元件示意图；

图14是装置电源插件虚拟元件示意图；

图15是导线虚拟元件示意图；

图16是端子虚拟元件示意图示意图；

图17是元件展示示例图；

图18是本发明实施例中装置电源回路以及展示界面示例图；

图19是本发明实施例中装置电源回路异常示例示意图；

图20是本发明实施例中装置电源回路二级界面展示图；

图21是本发明实施例中装置运行时环状拓扑判断过程示意图；

图22是本发明实施例中虚拟元件判断示意图；

图23是本发明实施例中装置停运/检修时环状拓扑判断过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

本发明通过对智能变电站真实二次回路元件及其组成进行等效模型分解、泛化，采用虚拟元件的形式，同时利用环状拓扑方法对智能变电站仿真系统二次回路状态进行分析，以实现智能变电站仿真系统二次回路虚拟元件及回路异常状态的准确判断和展示。该方法的具体实现过程如下：

1.建立仿真二次回路

虚拟元件

智能变电站二次回路由节点、组件、端子和导线等不同元件组成，元件不仅包括屏体上的空开、切换把手、转换开关、压板等附件设备，而且包括与之相关的保护装置、辅助操作箱、测控装置、电源装置及操作机构的相关组件和节点部分，包括保护装置、辅助操作箱、测控装置的开入光耦、开出节点、电源插件、电源屏的输出电源支路以及操作机构的继电器动作线圈、动作节点等。

在进行智能变电站二次电气回路仿真时，需要使用最接近上述节点、组件、端子和导线的等效物理模型来表示，称之为虚拟元件。其中虚拟元件的物理特性将遵循实际元件的电气特性，并假定设备正常工作时均处于理想工作状态，以减少等效物理模型的复杂程度，这种表示方法也即虚拟元件法。

组成元件对应的虚拟元件本发明通过虚拟元件法来实现二次回路各种元件的仿真，同时针对每种虚拟元件均设计了相应的虚拟元件状态，包括正常状态和异常状态，其中异常状态非唯一。

1)两路选择开关

两路选择开关多用于“非此即彼”的情况，即：不是A，即是B。常用的两路选择开关包括直流切换把手、远方控制把手、联锁切换把手、调压控制把手、同期控制把手等。

两路选择开关在用作远方控制把手、联锁切换把手、调压控制把手、同期控制把手等情况时，不考虑回路的运行特性，可以按照回路切换的表示方法进行表示，如图1所示。在用作直流切换把手时，由于装置电源的零输入响应曲线呈指数递减特性，不会突然变化为0，所以在选择直流回路时候，由于A，B两种状态的转换几乎是同步的(理论上时间差即选择开关的两路触点的转换动作时间，一般不超过1S)所以直流切换把手的转换操作不会造成在线运行装置电源的失电，所以也可以使用上述表示方法表示，应用时注意是同时两付节点动作即可，如图2所示。

2)多路选择开关

多路选择开关用于“多选一”的情况，即A，B，C等多项选择中只选择其一。常用的多路选择开关包括断路器控制把手、综合重合闸把手等。

多路选择开关在用作断路器控制把手时，部分支路触点仅仅用作电气分离使用如预分、预合等，而且触点选择时仅需要保持数秒，待回路导通后即可断开，所以我们可以按照短路切换的方法进行表示，如图3所示。

3)空气开关

空气开关用于控制装置电源的通断，在直流电源异常的情况下(如过流、短路等)具有自动跳闸的功能，能够有效的保护IED装置不被损坏。空气开关包含两付节点，用于同时切除或投入直流电源的正极和负极。其状态分为两种，闭合和拉开，如图4所示。闭合时，直流电源的正、负极同时接入相应的回路支路，在其他回路支路正常导通且无短路的情况下，装置开始工作、启动；拉开时，直流电源的正、负极同时从回路中切除，装置关电、停止动作。

4)压板

压板用于表示屏体硬连接片的连接情况。屏体压板分为两种，一种是检修压板，作为装置的功能压板，能够直接正电引至装置的检修开入光耦，驱动装置检修开入动作并上传监控系统；一种是出口压板，用于闭锁装置出口正电的开出，为装置的出口动作提供隔离。常见压板的动作状态有两种：闭合和拉开，如图5所示。闭合时候，压板两侧的电气属性一致；断开时，该压板所表示的回路支路中断。

5)开入光耦

开入光耦作为保护装置、测控装置等输入回路元件，主要用作实现测控的开关量输入采集功能。在回路支路各部分连通正确时，如图6所示，能够通过正向直流电压驱动开入光耦动作(反向则光耦截止)，从而实现测控装置开入告警。

6)开出节点

开出节点作为保护装置、测控装置、操作机构等输出回路元件，可实现测控的开关量输出功能，也可用作一次设备位置辅助触点信号、告警信号的开关量输出功能。对于保护装置、测控装置的开出节点，在回路支路各部分连通正确时，能够通过继电器工作线圈驱动开出节点动作，从而实现保护装置、测控装置开出回路动作。其开出特性呈脉冲输出性质，保持时间可设定，如图7所示。对于操作机构位置及告警开出节点，在回路支路各部分连通正确时，其开出特性为常开辅助接点性质，如图8所示。

7)双端口电源

对于直流屏控制电源、合闸电源等直流电压源，在不考虑电压源阻抗的情况下，可以将相应电压源等效为理想电压源，如图9所示。电压互感器的一次绕组并接于一次系统，电压互感器相当于一个付边开路的变压器，二次负载变化并不会影响一次系统的相应电压。在不考虑PT互感器一次侧的情况下，与二次电气回路相连的PT互感器二次侧等效为一个非理想独立电压源，其极性端即等效电源正极，匹配阻抗值决定于等效电源的驱动能力，如图10所示。根据互感器特性，可知PT互感器二次侧不允许短路。电流互感器的一次绕组串接于一次系统，电流互感器相当于一个付边短路的变压器，二次负载变化并不会影响一次系统的相应电流。所以在不考虑CT互感器一次侧的情况下，与二次电气回路相连的CT互感器二次侧等效为一个非理想独立电流源，其极性端与电流源流出方向一致，匹配导纳值大小可不予考虑，如图11所示。根据互感器特性，可知CT互感器二次侧不允许开路。

8)双端口网络负载

在断路器操动机构中，在不计入各类辅助开关、转换把手触点以及防误触点的情况下，对于断路器合闸机构和分闸机构的电气特性存在主要影响的即合闸线圈、分闸线圈和分合闸回路的分压电阻。因此，根据分合闸线圈的电气特性(电压滞后电流)，将断路器复杂的控制回路元件进行分析、简化，分别抽象为合闸线圈、分闸线圈两种等效感性负载，如图12所示。对于位置指示灯，由于其纯电阻特性，所以可以将其认为纯电阻负载，如图13所示。对于测控装置、保护装置及其他智能设备来说，由于目前的装置电源插件均包含有大量的电容元件，均具有短暂的储能能力，其电气特性呈现为容性负载(电压超前电流)，假定智能设备均采用模块化设计，在不考虑装置电源插件与其他插件的耦合情况下，假定装置电源插件为等效容性负载，其阻抗值大小可任意匹配，如图14所示。

9)导线

导线用于表示回路的支路，常见导线有两种状态：导通和断开，如图15所示。导通后，则导线两侧的端子或电气设备连接，形成有效的连接支路，导线两侧的电气属性一致；断开，则支路终端，导线两侧属性不一致。

10)端子

端子用于表示支路转接情况，常见端子有两种状态：紧固和松动，如图16所示。其中紧固状态下，端子导通，两侧电气属性一致；松动后，端子断开，两侧电气属性不一致。

虚拟元件的状态

回路的状态与支路状态有关，而支路又由节点、组件、端子和导线等不同元件组成，所以最终回路的状态决定于元件的状态。

对于两路选择开关来说，如直流切换把手、远方控制把手、同期控制把手、调压控制把手等，存在着I母/II母、远方/就地、同期/非同期等两种互斥的工作状态。由于两种工作状态的反逻辑特性，所以在某个条件下其中一种状态是判定为正常状态的话，则另一种工作状态默认为异常状态；条件变化后，正常状态和异常状态翻转；

对于多路选择开关来说，如断路器控制把手，存在至少3种以上的工作状态，由于工作状态的唯一性，所以在某个条件下一个状态为正常时，则其余的状态均判定为异常；

对于空气开关来说，也存在着闭合和断开两种逻辑互斥的工作状态，所以判定可根据不同条件进行正常状态和异常状态的判定；

对于压板来说，同样存在这闭合和断开两种逻辑互斥的工作状态，所以要根据不同条件判定元件为异常状态或正常状态；

对于装置或机构内部节点，如开入光耦、开出继电器节点、装置直流电源插件以及合闸线圈、分闸线圈等，其电气特性的好坏决定了元件的工作状态正常与否，所以其状态与元件的外部设置有关，默认我们设置元件为正常状态；

对于直流电源，如控制电源、合闸电源等，尽管其不存在状态的转换选择情况，但是根据元件的物理模型设置情况，其仍存在一种正常状态和多种异常状态情况。其异常状态包括接地、绝缘降低、过流等多种状态，且每种异常状态对应不同的异常处理逻辑，如启动装置告警、提示用户、驱动空开跳闸等；

对于互感器二次侧线圈等，一般情况下均装设有熔断器和低压断路器，因此在不考虑熔断器熔断和低压断路器跳闸的原因的情况下，根据元件的电气特性，互感器二次侧线圈仅存在一种正常状态和一种异常状态，且其状态与外部设置有关，默认设置元件为正常状态；

对于导线，存在导通和断开两种状态，同时存在着导线之间短接的状态，其中导通为唯一正常的工作状态，其余均判定为异常工作状态，进而触发不同的异常处理逻辑。

对于端子，存在紧固和松动两种工作状态，其中紧固为唯一正常的工作状态，松动为唯一异常工作状态。

2.根据采用上述方式建立的仿真二次回路中各虚拟元件的状态确定仿真二次回路的拓扑结构，该过程中主要是通过比较各虚拟元件两端的电气特性实现。

3.根据得到的仿真二次回路拓扑结构通过环状拓扑的方法沿电流的方向建立二次回路的判断逻辑。

环状拓扑(Ring Topology)指的是在一个封闭的结构中，传输媒体从一个端用户到另一个端用户，直到将所有的端用户连成环型。这种结构中数据在环路中沿着一个方向在各个节点间传输，信息从一个节点传到另一个节点。由于环状拓扑中信息传输以单向方式操作，所以环路中分为上游端用户和下游端用户两种。

由于信息流在网中是沿着固定方向流动的，两个节点仅有一条道路，故简化了路径选择的控制；环路上各节点都是自举控制，故控制软件相对简单；适应于局域网，对实时性要求高的环境。

环路中任意一个节点故障，将会造成全网瘫痪；基于此原理即可实现回路状态的判断，不必实现等同于电气回路的具体量值分析，即可有效反应当前回路的状态特性；同时环状拓扑网络的实时性高，二次回路存在故障时，回路检测模块即能够立刻检测到；针对环状拓扑有唯一的方向，此处我们假定方向与虚拟二次回路中的电子流动方向相同，即从直流电源的正极指向电源的负极，在进行回路环状拓扑分析时设定此方向为正方向。

4.按照所建立的判断逻辑对仿真二次回路中各虚拟元件的状态进行判断，从而检测出仿真二次回路是否异常以及异常的原因。

如图20所示，本实施例分别以装置运行时和装置停运/检修时对二次回路状态进行检测为例。

1)装置运行时，装置电源二次回路状态检测过程如下。

建立判断逻辑：

I电源输出DC220V电压？->导线W3导通？->端子P1紧固？->导线W5导通？->切换把手K0-1闭合？->导线W9导通？->空开KK-1闭合？->导线W11导通？->测控电源插件ok？->导线W12导通？->空开KK-2闭合？->导线W10导通？->切换把手K0-3闭合？->导线W7导通？->端子P3紧固？->导线W4导通？

检测结果：

通过环状拓扑模块对上述逻辑结果进行判断，若所有逻辑均满足，则在I电源供电情况下，装置电源二次回路状态为正常，所以虚拟元件状态也正常；若导线W11中断，则上述逻辑“导线W11导通？”将无法满足，所以在I电源供电情况下，整个电源二次回路状态为异常，W11虚拟元件状态也判断正常，此时即可根据仿真业务需求，进行虚拟元件状态的直观展示，或者由培训人员根据虚拟元件两侧端子状态自行判断，得出判断结果后与环状拓扑模块提前给出的结果做比较，达到仿真培训的目的，如图22所示。

2)装置停运时或检修时，装置电源二次回路状态判断同上原理，如图23所示，可以得出在I路直流停止供电，测控装置检修情况下的装置电源二次回路状态，并准确判断回路异常的原因。

本发明利用环状拓扑方法对智能变电站仿真系统二次回路状态进行分析，实现了智能变电站仿真系统二次回路虚拟元件及回路异常状态的准确检测，增强了仿真系统的培训效果，提高了智能变电站仿真系统的自动化水平。

Claims (5)

1.一种智能变电站仿真二次回路的异常检测方法，其特征在于，该异常检测方法包括以下步骤：

1)根据建立的仿真二次回路中各虚拟元件的状态确定仿真二次回路的拓扑结构；

2)根据得到的仿真二次回路拓扑结构通过环状拓扑的方法沿电流的方向建立二次回路的判断逻辑；

3)按照所建立的判断逻辑对仿真二次回路中各虚拟元件的状态进行判断，从而检测出仿真二次回路是否异常以及异常的原因。

2.根据权利要求1所述的智能变电站仿真二次回路的异常检测方法，其特征在于，所述步骤1)中的仿真二次回路的建立过程如下：

A)采用虚拟元件法对智能变电站二次回路中各组成元件进行等效模拟得到各组成元件对应的虚拟元件；

B)将各虚拟元件按照其电气特性进行连接得到虚拟二次回路，即为所要建立的仿真二次回路。

3.根据权利要求2所述的智能变电站仿真二次回路的异常检测方法，其特征在于，所述步骤A)中得到的各虚拟元件的物理特性最大程度接近于元件实际电气特性。

4.根据权利要求2所述的智能变电站仿真二次回路的异常检测方法，其特征在于，所述的步骤2)中的环状拓扑指的是在一个封闭的结构中，传输媒体从一个端用户到另一个端用户，直到将所有的端用户连成环型，这种结构中数据在环路中沿着一个方向在各个节点间传输，信息从一个节点传到另一个节点。

5.根据权利要求4所述的智能变电站仿真二次回路的异常检测方法，其特征在于，所述的二次回路状态检测包括装置运行时和装置停运/检修时的二次回路。