CN108808850B - 基于iec61850的智能变电站告警智能分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于IEC61850的智能变电站告警智能分析方法，由厂家给出的智能变电站中的智能设备保护逻辑获取智能设备的功能和功能影响因子，生成保护逻辑的功能逻辑表达式，根据报文信息判断功能影响因子状态是否改变，如果改变则获取功能影响因子作用的功能逻辑表达式并计算得到功能逻辑表达式的结果，与预先得到的功能状态的结果进行匹配，得到功能的当前状态；最后进行故障定位，对由告警事件所影响的设备做出标识。本发明可以适应不同智能变电站的告警诊断和故障定位，帮助运维人员及时发现故障或隐患。

Description

基于IEC61850的智能变电站告警智能分析方法

技术领域

本发明属于智能变电站技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于IEC61850的智能变电站告警智能分析方法。

背景技术

随着经济的发展和社会的进步，人们对电能的需求不断增加。随着国家对环境监管的严格把控以及能源政策的出台，对电能质量的要求也不断提高。分布式能源的提出使得传统电力网络已经难以满足发展的要求。作为国家经济发展和能源政策的重要组成部分，智能电网在促进可再生能源发展和低碳经济反面发挥了巨大的作用。智能变电站作为智能电网的重要节点，也不断引起人们的注意。

与传统变电站相比，智能变电站实现了全站信息化、自动化和互动化，以IEC61850(电力系统自动化领域全球通用标准)为统一规约实现了各种应用以统一的规约通信方式交互到统一的信息平台，实现了信息资源的共享。其一次设备智能化与二次系统网络化，以及其典型的“三层两网结构”在信息交互和共享上起到了巨大的作用。“三层两网”分为站控层、过程层与间隔层，站控层为监控后台和与之相连的中心交换机，过程层为保护装置、测控装置以及过程层交换机，间隔层为智能终端与合并单元；“两网”指以GOOSE(通用变电站对象事件)为通信规范的过程层网络以及以MMS(制造报文规范)为通信规范的站空层网络。站控层网络通过以太网进行信息交互，过程层网络以交换机组网与光纤点对点直连的形式进行信息交互。“三层两网”结构利于智能变电站二次系统的故障诊断和隐患分析。当故障发生或存在隐患时，智能设备以报文的形式发送告警信息。通过对报文信息的解读以及推理，能够让运维人员快速的定位到故障位置，原因边界的划分并展开排查。然而，目前在智能变电站中使用的二次系统运维辅助设备多为网络报文记录仪和故障录波器，这两种装置的功能是相关报文的抓取和故障时电流电压波形的存储，其对智能变电站网络信息的利用还处在抓取、存储的阶段，都致力与故障后靠运维人员分析故障原因，且所存储的报文数量巨大且只进行了简单的分类，不符合智能变电站智能化的要求。智能变电站缺少能够在故障前帮助运维人员进行隐患排查，在故障后能够快速方便的进行故障原因分析且能够根据网络报文进行预测性分析的有效工具。

在已有的对智能变电站故障诊断和定位系统的研究中，偏重于应用人工智能算法进行逻辑分析以及只针对单一的变电站进行分析，忽略了各个厂家智能设备的保护逻辑和各个智能变电站的不同情况，这样的系统不具备对不同智能变电站自适应能力。

另外，由于各个厂家生产的智能设备保护逻辑略有不同，导致智能变电站中对报文的中文描述也各有差异，在一个存在不同厂家生产的智能设备的变电站，运维人员往往要通过查看厂家说明书才能理解报文所包涵的信息。在发生严重故障的情况下，这无疑威胁着智能变电站的运行安全。在故障诊断系统的制作和运行过程中，不能兼容不同厂家的描述也会对运行结果产生不利的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于IEC61850的智能变电站告警智能分析方法，可以适应不同智能变电站的告警诊断和故障定位，帮助运维人员及时发现故障或隐患。

为实现以上发明目的，本发明基于IEC61850的智能变电站告警智能分析方法包括以下步骤：

S1：由厂家给出的智能变电站中的智能设备保护逻辑获取智能设备的功能和功能影响因子，功能影响因子是能够影响智能设备功能集合中功能的且在全站系统配置文件SCD中数据集描述的报文，智能设备功能集合是该智能设备所有的、会由压板、控制字和告警影响的功能集合，然后生成保护逻辑的功能逻辑表达式，即决定某个功能状态时所有影响因子之间的与或非关系；

S2：根据接收到的报文信息，从历史库中查询相应的功能影响因子上一时刻的状态，判断功能影响因子状态是否改变，如果未改变，则不作任何操作，如果改变，则历史库中存入该功能影响因子的新状态以及对应的时刻，并记录该时刻作为时标，获取功能影响因子作用的功能逻辑表达式，从历史库中获取功能逻辑表达式中所有功能影响因子在时标时刻的状态，如果某个功能影响因子在时标时刻的状态不存在，则查询上一时刻的状态；根据所有功能影响因子的状态计算得到功能逻辑表达式的结果；

S3：根据步骤S2得到的功能逻辑表达式的结果与预先得到的功能状态的结果进行匹配，得到功能的当前状态；

S4：进行故障定位，对由告警事件所影响的设备做出标识。

本发明基于IEC61850的智能变电站告警智能分析方法，由厂家给出的智能变电站中的智能设备保护逻辑获取智能设备的功能和功能影响因子，生成保护逻辑的功能逻辑表达式，根据报文信息判断功能影响因子状态是否改变，如果改变则获取功能影响因子作用的功能逻辑表达式并计算得到功能逻辑表达式的结果，与预先得到的功能状态的结果进行匹配，得到功能的当前状态；最后进行故障定位，对由告警事件所影响的设备做出标识。本发明可以适应不同智能变电站，不需要改变编码告警智能分析系统，能够在故障时进行故障定位和原因分析，也能够在未故障时对告警信息进行逻辑推理，起到在故障发生之前的预警作用。能够帮助运维人员实时的发现故障或隐患的位置，也能够对故障发生后的原因分析起到辅助性的作用。

附图说明

图1是本发明基于IEC61850的智能变电站告警智能分析方法的具体实施方式流程图；

图2是智能变电站语义库的树形结构示意图；

图3是某保护装置通道二纵联零序保护功能的继电保护原理框图；

图4是功能影响因状态获取时时标的作用示例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明基于IEC61850的智能变电站告警智能分析方法的具体实施方式流程图。如图1所示，本发明基于IEC61850的智能变电站告警智能分析方法的具体步骤包括：

S101：生成保护逻辑表达式：

由厂家给出的智能变电站中的智能设备保护逻辑获取智能设备的功能和功能影响因子，功能影响因子是能够影响智能设备功能集合中功能的且在全站系统配置文件SCD中数据集描述的报文，智能设备功能集合是该智能设备所有的、会由压板、控制字和告警影响的功能集合，然后生成保护逻辑的功能逻辑表达式，即决定某个功能状态时所有影响因子之间的与或非关系。

经本发明研究发现，在对功能影响因子与SCD的匹配中存在以下困难：

1、保护逻辑对功能影响因子的描述中，除了IEC61850对LDevice(逻辑设备)和LN(逻辑节点)的规范化以外，中文描述往往是较为通俗的语言。

2、各个厂家对同一种功能影响因子的中文描述往往是存在微小差异的。

人工梳理的方式可以解决以上两点问题，但是数据量大且容易出现差错。更重要的是无法形成适用于所有智能变电站的通用模板。因此，在功能影响因子与SCD数据集描述的匹配过程中，为了减小工作量并形成一个通用的模板，需要对功能影响因子进行模糊识别。为此，可以预先建立一个智能变电站语义库，语义库根据智能变电站的专业词汇之间的相似度，按照筛选条件分层次建立成树结构的模型，在对功能影响因子与SCD数据集描述的相似度计算中，将语义差异化为语义库树结构的节点运算。

图2是智能变电站语义库的树形结构示意图。如图2所示，智能变电站语义库中每层采用特定的标识符表示其意义。第一层由P、C、I、M表示，分别代表保护装置、测控装置、智能终端、合并单元。第二层由00、01、02、03、04、05这6个二位十进制数来表示，分别代表在SCD中对功能影响因子的数据集(Dataset)、硬压板状态(dsRelayDin)、软压板状态(dsRelayEna)、装置告警(dsAlarm)、保护告警信息(dsWarning)、通道告警(dsCommonstate)、控制字(dsSetting)。第三层用A、B、C表示组成中文描述词汇所属的词性，A表示对象，B表示功能，C表示状态或动作。第四层和第五层分别表示语意的从属和相似关系，比如压板包涵了软压板和硬压板，光口包涵了光口1、光口2等等。第四层用小写英文字母表示，第五层用两位十进制数表示。根据本发明的规则，智能变电站中用于描述的专业词汇可以表示为：P00Aa01硬压板。

词语之间的相似度指它们之间的相似程度，相似度在0和1之间，越大则相似度越高。基于以上方法，在进行功能影响因子与SCD数据集描述匹配时，首先在智能变电站语义库中搜索到计算功能影响因子与备选的所有SCD数据集描述对应的节点，然后计算功能影响因子节点与备选的所有SCD数据集描述节点之间的相似度，选择相似度最大的SCD数据集描述作为功能影响因子匹配的SCD数据集描述。

对智能变电站语义相似度计算中，需要考虑的影响因素有两点，一是语义距离，即在语义库的树状模型中，连接功能影响因子与SCD数据集描述两个节点的最短路径长度即是他们的语义距离。两个词的语义距离可以直观的表现他们的相似度，语义距离越大，相似度越低，反之则越高。记功能影响因子节点为x、SCD数据集描述节点为y，节点间语义距离distance(x,y)的表达式如下：

其中，W_i表示从节点x到y的第i条边的权重，i＝1,…,n，n表示节点x到y的边数。

二是节点密度，即两个节点最近的共同祖先节点的个数与层数差的商，它表征了该祖先节点的子节点的细化程度。节点密度越大，其对应的语义相似度越大，反之则越小。节点密度的表达式如下：

density(x,y)＝p/q (2)

其中，density(x,y)density(α,β)表示节点x和y最近共同祖先的子节点密度，p表示节点x和y的最近共同祖先的子节点个数，q表示节点x、y与最近共同祖先所组成的子图的深度。

加上权重系数，基于智能变电站语义库的相似度计算公式为：

α和β表示权重系数，且α+β＝1。图3是某保护装置通道二纵联零序保护功能的继电保护原理框图。根据图3可以得出纵联零序保护功能的逻辑公式为：

其中S代表纵联零序保护功能状态，1表示投入，0表示退出。

A1:SV接收软压板；A2:纵联差动保护；A3:光纤通道二；A4：跳闸出口压板。

B1:纵联差动保护；B2:CT断线。

C1:SV采样丢帧；C2：CT检修不一致；C3：CT双AD不一致；C4：CT品质异常；C5：SV采样中断；C6：通道二差动投退不一致；C7：纵联通道二接收中断；C8：纵联通道二装置混联；C9：纵联通道二混联；C10：通道二自环与整定异常；C11：纵联通道二误码高告警；C12：纵联通道二延时长；C13：CPU通信中断。

D1:定值自检错；D2：RAM值自检错；D3：出口自检错；D4：保护程序校验错；D5：保护CPU插件异常；D6：CPU通信中断。

E1：点对点SV链接中断；E2:点对点SV链路接收不匹配；E3：点对点SV链路延时越限。

对逻辑公式进行化简可得：

在进行告警智能分析时，需要获取每一个功能影响因子状态，根据功能逻辑表达式求出功能状态。

在上诉逻辑表达式中可以发现每一个功能影响因子的作用是独立的，但在某些功能的逻辑表达式也有功能影响因子互相耦合的情况，例如某厂家生产的某线路保护装置的纵联差动保护功能的逻辑表达式如下：

B2:CT断线闭锁差动；C1：CT断线。

这部分的运算优先级为最高。

S102：功能影响因子状态获取：

获取告警报文，采用“激励—响应”的机制触发告警智能分析。“激励”分为两种，一种是通来自SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制)系统获取的实时告警报文，还有一种是根据运维人员的指令从历史库中查询得到的历史条目告警报文。第二种方式是对历史分析结果的回顾，帮助运维人员对历史故障原因和分析结果的查看和分析。根据实时报文和历史条目报文的实标，从历史库中获取时标所对应时刻的功能影响因子状态，如果对应时刻某个功能影响因子状态不存在，则查询前一时刻的值。图4是功能影响因状态获取时时标的作用示例图。如图4所示，在时标时刻不存在功能影响因子状态记录时，会找到上一时刻的值参与计算。即，参与选中时标时刻所参与计算的状态值必定是智能变电站所有功能影响因子在那个时刻所处的状态。如果根据当前报文得到的功能影响因子状态较从历史库中读取的状态发生改变，将该功能影响因子和状态改变时刻存储至历史库中。

“激励—响应”机制优于定时机制的地方在于不会错过时间间隔内出现的告警信息，且按照报文出现的时标获取功能影响因子状态。

S103：基于告警的保护功能诊断：

根据步骤S102得到的功能逻辑表达式的结果与预先得到的功能状态的结果进行匹配，得到功能的当前状态，实现由告警信息对保护功能诊断。该诊断的结果无法量化，在本发明中用不同的颜色表示不同的状态。

对于图2所示保护装置的功能来说，只存在3种状态：投入、退出和闭锁，本实施例中分别用绿色、灰色和红色来表示。根据继电保护逻辑，压板和控制字决定功能是否投入，控制字和告警决定功能是否闭锁。根据功能逻辑表达式，功能影响因子状态由0和1表示。属于硬压板状态、软压板状态的功能影响因子，若压板投入则为1，退出则为0。属于装置告警、保护告警信息、通道告警的功能影响因子为告警信息，若出现则为1，若恢复则为0。

表1是图2所示保护装置的功能诊断结果类型与颜色标识。

在保护装置所有功能影响因子中，属于dsAlarm数据集的信息以及“CPU通讯中断”会使装置所有功能全部闭锁，其他的告警都只会使装置部分功能闭锁。

S104：故障定位：

进行故障定位，对由告警事件所影响的设备做出标识。GOOSE报文可以通过查找SCD文件中的虚端子获取到报文的发出设备和接收设备。但MMS报文是过程层设备到站控层设备的信息，通过以太网传输，在SCD文件中不存在虚端子。本发明对属于MMS报文的告警信息故障定位采用对数据集类型识别和语义判别的方法，具体方法如下。

1、属于硬压板状态、软压板状态、控制字的信息，由于决定本体设备功能投入，因此故障定位到本体。

2、属于装置告警的信息，故障定位到本体。

3、属于保护告警的信息，会影响保护装置与合并单元，进行语义分析得到影响的智能设备。例如含有“CT”、“PT”、“SV”、“同期电压”等字样的会影响保护装置与合并单元，合并单元通过光纤直采的方式将SV采样值发送给保护装置参与保护逻辑，采样功能与CT、PT的工作状态有直接的关系。

4、属于通道告警的信息，表示通讯工况故障，影响智能终端、合并单元和母线。

依照以上规则对功能影响因子进行梳理并一一映射到实际智能变电站二次系统设备中。对智能变电站保护装置与智能终端的直跳光纤端口和保护装置与合并单元的直采光纤端口物理描述的梳理和与图形展示的匹配，能够在发生有关光纤断链等告警时进行快速定位。

在完成故障定位后，可以对故障定位结果进行图形化展示。故障定位能帮助运维人员了解故障影响边界，对影响结果的推理也有一定的帮助。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于IEC61850的智能变电站告警智能分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：由厂家给出的智能变电站中的智能设备保护逻辑获取智能设备的功能和功能影响因子，功能影响因子是能够影响智能设备功能集合中功能的且在全站系统配置文件SCD中数据集描述的报文，智能设备功能集合是该智能设备所有的、会由压板、控制字和告警影响的功能集合，然后生成保护逻辑的功能逻辑表达式，即决定某个功能状态时所有影响因子之间的与或非关系；其中功能影响因子与SCD数据集描述的匹配采用以下方法：

建立智能变电站语义库中每层采用特定的标识符表示其意义：第一层由P、C、I、M表示，分别代表保护装置、测控装置、智能终端、合并单元；第二层由00、01、02、03、04、05这6个二位十进制数来表示，分别代表在SCD中对功能影响因子的数据集(Dataset)、硬压板状态(dsRelayDin)、软压板状态(dsRelayEna)、装置告警(dsAlarm)、保护告警信息(dsWarning)、通道告警(dsCommonstate)、控制字(dsSetting)；第三层用A、B、C表示组成中文描述词汇所属的词性，A表示对象，B表示功能，C表示状态或动作；第四层和第五层分别表示语意的从属和相似关系，第四层用小写英文字母表示，第五层用两位十进制数表示；

在进行功能影响因子与SCD数据集描述匹配时，首先在智能变电站语义库中搜索到计算功能影响因子与备选的所有SCD数据集描述对应的节点，然后根据以下公式计算功能影响因子节点与备选的所有SCD数据集描述节点之间的相似度，选择相似度最大的SCD数据集描述作为功能影响因子匹配的SCD数据集描述；相似度计算公式如下：

其中，Sim(x,y)表示功能影响因子节点x和SCD数据集描述节点y的相似度，α和β表示权重系数，且α+β＝1；distance(x,y)表示功能影响因子节点x和SCD数据集描述节点y的语义距离，其表达式为：

其中，W_i表示从节点x到y的第i条边的权重，i＝1,…,n，n表示节点x到y的边数；

density(x,y)表示节点x和y最近共同祖先的子节点密度，其表达式为：

density(x,y)＝p/q

其中，p表示节点x和y的最近共同祖先的子节点个数，q表示节点x、y与最近共同祖先所组成的子图的深度；

S2：根据接收到的报文信息，从历史库中查询相应的功能影响因子上一时刻的状态，判断功能影响因子状态是否改变，如果未改变，则不作任何操作，如果改变，则历史库中存入该功能影响因子的新状态以及对应的时刻，并记录该时刻作为时标，获取功能影响因子作用的功能逻辑表达式，从历史库中获取功能逻辑表达式中所有功能影响因子在时标时刻的状态，如果某个功能影响因子在时标时刻的状态不存在，则查询上一时刻的状态；根据所有功能影响因子的状态计算得到功能逻辑表达式的结果；

S3：根据步骤S2得到的功能逻辑表达式的结果与预先得到的功能状态的结果进行匹配，得到功能的当前状态；

S4：进行故障定位，对由告警事件所影响的设备做出标识。

2.根据权利要求1所述的智能变电站告警智能分析方法，其特征在于，所述步骤S4中故障定位的具体方法为：

如果告警报文为GOOSE报文，通过查找SCD文件中的虚端子获取到报文的发出设备和接收设备；如果告警报文为MMS报文，其故障定位采用对数据集类型识别和语义判别的方法，具体方法为：

1、属于硬压板状态、软压板状态、控制字的信息，故障定位到本体；

2、属于装置告警的信息，故障定位到本体；

3、属于保护告警的信息，会影响保护装置与合并单元，进行语义分析得到影响的智能设备；

4、属于通道告警的信息，影响智能终端、合并单元和母线。

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