CN113437805B - 一种基于二次回路在线监测的站域可视化防误预警方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于二次回路在线监测的站域可视化防误预警方法，该预警方法包括以下步骤：(1)建立二次电缆回路可视化在线监测模块；(2)建立二次回路采集通讯设备IED模型；(3)二次电缆回路可视化在线监测方(4)光纤回路可视化在线监测；(5)跳合闸反校。本发明实现了二次回路的全工况在线监测，实时预测跳合闸回路的故障，并发出预警信息，定位潜在的故障点，能够及时通知运维检修人员做好电网事故的防范工作或及时做好事故后的处理工作，消除了因二次回路问题存在的安全隐患，减少了电网跳闸机率，提高了二次回路运行管控能力，也提高了运维检修人员日常运维、故障检修的效率和准确性。

Description

一种基于二次回路在线监测的站域可视化防误预警方法
技术领域
本发明属于电力领域，具体涉及一种基于二次回路在线监测的站域可视化防误预警方法。
背景技术
随着人们生活水平的不断提高，智能化家居的不断普及，导致用电量的急剧攀升，从而电网建设规模也在不断壮大，如何有效保障电网安全稳定运行是电网建设工作的重中之重。电网安全稳定运行是基于变电站内继电保护装置二次回路正确性这一大前提，但是，目前变电站内继电保护装置二次回路主要存在以下问题：
近年来电网建设规模不断加大，如何有效保障电网安全稳定运行是电网建设工作的重中之重。电网安全稳定运行是基于变电站内继电保护装置二次回路正确性这一大前提，但是，目前变电站内继电保护装置二次回路存在以下问题：
(1)无论是智能变电站内的虚回路，还是常规变电站内的二次电缆回路，均呈现出结构复杂的特点，无法有效、直观地实时显示二次回路状态，给运维检修人员的日常作业带来极大地困扰，对电网的安全稳定运行存在一定的隐患；
(2)继电保护装置在“九统一”后，二次回路逻辑相较以往存在较大差异，在变电站技改或改扩建工作中，由于缺乏对二次回路进行实时在线监测的有效技术手段，极易造成二次电缆回路(常规变电站)或虚回路(智能变电站)连接错误，导致相关安全事故时有发生，严重影响电网安全、可靠、稳定运行；
(3)变电站内继电保护装置的二次回路正确性的校验工作量较大、验证周期较长，且部分隐蔽性缺陷往往在校验工作中难以得到有效验证，而二次回路一旦出现问题，往往造成继电保护装置误动或者拒动，给电网安全、可靠、稳定运行带来种种压力。
目前无论是常规变电站还是智能变电站，站内均缺乏二次回路可视化或者实例化的拓扑图，同时还缺乏基于该拓扑图基础上的二次回路在线监测的站域可视化防误预警方法。本发明在现有断路器跳合闸回路监测方法的基础上，用霍尔电流传感器监测跳合闸回路电流的数值变化，分析断路器跳合闸回路的运行状态，设计了基于现场数字量信息采集的支持二次回路在线监测的站域可视化防误预警方法。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种基于二次回路在线监测的站域可视化防误预警方法。该防误预警方法消除因二次回路问题存在的安全隐患，减少电网跳闸机率，提高二次设备运行管控能力。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于二次回路在线监测的站域可视化防误预警方法，所述防误预警方法主要包括以下步骤：
(1)建立二次电缆回路可视化在线监测模块：基于网络技术建立分层分布式结构的二次电缆回路可视化在线监测模块，所述二次电缆回路可视化在线监测模块主要包括电流传感器和二次回路采集通讯设备、管理单元、采集单元和交换机；
(2)建立二次回路采集通讯设备IED模型：将采集的数据按照IEC61850标准进行描述，嵌入采用结构化控制语言形式保存的IED各项功能参数的ICD文件，IEC61850标准下IED信息建模的步骤结合实际采集监测量，建立IED信息模型；
(3)二次电缆回路可视化在线监测：依据基尔霍夫电流定律，流入回路与流出回路电流相等原理，所述二次回路采集通讯设备根据采集到的回路的正电源侧电流和负电源侧电流，通过比对计算，判断二次电缆回路是否存在漏电流情况，并采用多种预警方式来实现对二次电缆回路的趋势预测、全程监视及故障精准定位。
(4)光纤回路可视化在线监测：智能化变电站光纤链路分点对点直连回路和组网光纤链路回路，对于点对点光纤链路，可采用间接判别方式实现光纤链路监测与诊断，对于组网方式光纤链路，可结合SV、GOOSE、MMS信息综合判别实现光纤链路监测与诊断并实现光纤物理链路展示；
(5)跳合闸反校：S1、在所述MMS信号中获取到保护启动信号时，开始执行跳合闸反校；S2、在保护启动的前3秒后10秒时间范围内，通过过程层网络获取保护跳闸、合闸GOOSE通道由OFF到ON的变位状态，并记录变位时间，线路分相跳闸则分别记录ABC三相的变位时间，并且计算跳合闸时刻与保护启动时刻的时间差；S3、在与步骤S2同样的时间范围内选择智能终端GOOSE通道中的跳闸、合闸反校信号，记录信号从OFF到ON的变位时刻，分相跳闸则分别记录ABC三相的反校信号发生时刻；S4、在与步骤S2同样的时间范围内选择所述智能终端跳闸、合闸确认信号，记录信号从OFF到ON的变位时刻，分相跳闸则分别记录ABC三相的确认信号发生时刻；S5、在与步骤S2同样的时间范围内，对于跳闸的反校，选择开关位置信号从ON到OFF的变位状态，对于合闸的反校，选择开关位置信号从OFF到ON的变位状态，记录上述的各自变位时刻，并计算信号与保护启动时刻的时间差；S6、通过计算每个信号与保护启动信号时间差的差值，校验跳合闸过程时间是否满足要求，以及信号发生时序是否正确。
进一步的，所述步骤(1)中通过电流传感器对现场二次电缆回路的电流进行感知，然后通过二次回路采集通讯设备对二次电缆回路的电流传感器数据进行采集、存储、处理，最终上传系统。
进一步的，所述步骤(1)中电流传感器采用的是开环式零磁通电流传感器；
进一步的，所述步骤(1)中所述二次回路采集通讯设备设置在断路器机构箱或智能智能终端柜。
进一步的，所述步骤(1)中管理单元主要由X86双核嵌入式平台、32位RISC架构CPU+嵌入式高实时性操作系统和高速超大规模FPGA三部分构成；所述采集单元主要由32位RISC架构CPU+嵌入式高实时性操作系统和高速超大规模FPGA两部分构成。
进一步的，所述X86双核嵌入式平台上位机系统，用于实现人机交互界面功能和MMS通讯管理、测试分析功能；所述采集单元中的32位RISC架构CPU+嵌入式高实时性操作系统和高速超大规模FPGA为下位机系统，用于实现模拟量、开关量采集和分析处理功能。
进一步的，所述管理单元和采集单元之间采用上下位1000M背板以太网总线通讯方式；所述CPU和超大规模FPGA之间采用双总线通讯方式。
进一步的，所述步骤(3)中的预警方式为电流越线预警、趋势预警、突变量预警、同期数据比对预警四种预警方式。
进一步的，所述电流越线预警是对因跳合闸回路异常情况导致其电流增加或减小，达到系统中预设置预警门槛值的上线或下线，系统发出预警；所述趋势预警是对跳合闸回路的电流进行采样数据分析，当在一定预期时间内预计采样数据超过预警定值，则系统发出预警；所述突变量预警是对跳合闸回路的电流进行采用差值分析，当前后两个采样点之间的数据突变差值大于设置定值时，系统发出预警；所述同期数据比对预警是对跳合闸回路的电流进行历史相同时期的数据比对，当同期数据差值超高设定值时，系统发出预警。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
(1)本发明在现有断路器跳合闸回路监测方法的基础上，用霍尔电流传感器监测跳合闸回路电流的数值变化，分析断路器跳合闸回路的运行状态，通过解析SCD文件以及二次回路采集通讯设备IED建模技术可实现继电保护装置二次虚回路的可视化在线监测，能有效查看虚链路所对应的物理光纤回路、端口信息及连接的交换机信息；利用二次回路在线监测数据，实现了二次回路的全工况监视，实时预测跳合闸回路的故障，并发出预警信息，定位潜在的故障点，能够及时通知运维人员做好电网事故的防范工作或及时做好事故后的处理工作，消除了因二次回路问题存在的安全隐患，减少了电网跳闸机率，提高了二次回路运行管控能力。
(2)本发明基于现有IEC61850智能化变电站生产、运维，利用二次回路的可视化在线监测技术以及跳合闸反校方法，能够对过程层光纤回路故障进行定位，并以不同颜色和状态表示回路的正常、异常、中断等工况，为电网运维检修人员提高了日常运维、故障检修的效率和准确性，对提高辖区内智能化变电站运维水平具有积极的社会意义和经济意义。
附图说明
图1是本发明二次电缆回路可视化在线监测模块的结构示意图；
图2是本发明二次电缆回路可视化在线监测系统的结构示意图；
图3是本发明电流越线预警示意图；
图4是本大明趋势预警示意图；
图5是本发明突变量预警示意图；
图6是本发明同期数据比对预警示意图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
一种基于二次回路在线监测的站域可视化防误预警方法，所述防误预警方法主要包括以下步骤：
(1)建立二次电缆回路可视化在线监测模块：采用基于网络技术建立的分层分布式结构建立二次电缆回路可视化在线监测模块，所述模块结构如图1所示，其主要包括电流传感器和二次回路采集通讯设备、管理单元、采集单元和交换机，通过电流传感器对现场二次电缆回路的电流进行感知，然后通过二次回路采集通讯设备对二次电缆回路的电流传感器数据进行采集、存储、处理，最终上传系统，所述电流传感器采用的是开环式零磁通电流传感器，其具有优越的电性能,精度高、线性度动态特性好、工作频带宽，而且体积小，不会对断路器跳合闸回路的正常运行造成影响，开环式零磁通电流传感器测量范围为100mA、1A、5A、10A、50A、100A、200A、300A、600A、1KA、2KA、5KA，额定输出为0-20mA，整体精度：0.1％、0.01％(可选)、0.001％(可选)，测量带宽：DC-1MHz(3dB)，稳定度：±5ppm/年，工作温度：-40℃～+85℃，供电电源：+5V、±5V、+12V、+15V、±15V、+24V、±24V，线性度：0.001％/10ppm、5ppm(可选)、2ppm(可选)，稳定度：0.1％、0.001％(可选)，测量一致性：0.1％、0.001％(可选)；所述二次回路采集通讯设备设置在断路器机构箱或智能智能终端柜，现场的二次回路采集通讯设备是其核心部件；如图3所示，所述管理单元主要由X86双核嵌入式平台、32位RISC架构CPU+嵌入式高实时性操作系统和高速超大规模FPGA三部分构成；所述采集单元主要由32位RISC架构CPU+嵌入式高实时性操作系统和高速超大规模FPGA两部分构成；所述X86双核嵌入式平台上位机系统，用于实现人机交互界面功能和MMS通讯管理、测试分析功能；所述采集单元中的32位RISC架构CPU+嵌入式高实时性操作系统和高速超大规模FPGA为下位机系统，用于实现模拟量、开关量采集和分析处理功能；所述管理单元和采集单元之间采用上下位1000M背板以太网总线通讯方式，通讯协议基于TCP/IP协议，通讯容量大，通讯机制稳定可靠；所述CPU和超大规模FPGA之间采用双总线通讯方式；
(2)建立二次回路采集通讯设备IED模型：将采集的数据按照IEC61850标准进行描述，嵌入采用结构化控制语言形式保存的IED各项功能参数的ICD文件，IEC61850标准下IED信息建模的步骤结合实际采集监测量，建立IED信息模型；根据IEC61850标准定义的所有逻辑节点类型描述如表1所示，扩展的基于订阅覆盖的路由(SCBR)逻辑节点(断路器在线监测)数据描述如表2所示；
表1 IEC61850标准定义的所有逻辑节点类型
表1逻辑节点类型描述
逻辑节点 名称 节点说明
LLN0 逻辑零节点 为逻辑装置的公用信息建模
LHPD 物理装置信息 为物理装置的公用信息建模
GGIO 输入量 描述电流输入量
SCBR 在线监测信息 在线监测的逻辑节点
表2扩展的基于订阅覆盖的路由逻辑节点描述
(3)二次电缆回路可视化在线监测：依据基尔霍夫电流定律，流入回路与流出回路电流相等原理，所述二次回路采集通讯设备根据采集到的回路的正电源侧电流和负电源侧电流，通过比对计算，判断二次电缆回路是否存在漏电流情况，并采用电流越线预警、趋势预警、突变量预警、同期数据比对预警四种预警方式来实现对二次电缆回路的趋势预测、全程监视及故障精准定位；
1)所述电流越线预警对跳闸回路电流、合闸回路电流、跳合闸回路的正电源侧电流、跳合闸回路的负电源侧电流，进行实时数据监测，当采样值高于高定值(YHset)时产生越上限预警，当采样值小于低定值(YLset)时产生越下限预警，如图3所示，t1时刻y1>YHset产生越上限预警，t2时刻y2<YLset产生越下限预警；
2)所述趋势预警是对跳闸回路电流、合闸回路电流、跳合闸回路的正电源侧电流、跳合闸回路的负电源侧电流，进行历史采样数据分析，从而预估出其发展趋势，当在一定预期时间内预计采样数据超过预警定值，则系统发出预警；如图4所示，x轴表示时间，y轴表示数据，从当前时间t1向前追溯到t2时刻得到一系列成对的数据(x1,y1.x2,y2...xm,ym)，将这些数据描绘在x-y直角坐标系中，可以用这些点去拟合成一条直线，令这条直线方程如式1-1，
Yi＝a0+a1X (式1-1)
其中：a0、a1是任意实数，利用最小二乘法确定a0和a1的值，把a0、a1代入式1-1中，拟合出直线方程后，可以根据此方程算出在t3时刻此直线会与越限边界定值高定值或低定值相交；如果t3发生的时刻距离当前采样时刻的时间差小于一定时间则告警，即t3-t1<ΔTset则告警；
3)所述突变量预警是对跳闸回路电流、合闸回路电流、跳合闸回路的正电源侧电流、跳合闸回路的负电源侧电流，采样差值分析，当前后两个采样点之间的数据突变差值大于设置定值，系统发出告警；如图5所示，其具体的算法如下：
a、t1时刻采样数据为y1，前一采样点t2时刻采样数据为y2；
b、两个数据的采样差值为Δy＝|y1-y2|；
c、当Δy大于设置定值Δset时，系统会产生告警；
4)如图6所示，所述同期数据比对预警对跳闸回路电流、合闸回路电流、跳合闸回路的正电源侧电流、跳合闸回路的负电源侧电流进行历史相同时期的数据比对，当同期数据差值超高设定值时，系统发出预警；为了消除单个采样点给算法带来的误差，可以采取向前求和n个采样点再求均值的方法来处理，具体算法如下：
d、当前t1时刻的采样数据为d1，m天前的相同采样时刻t2的采样数据为d1’；
e、向前追溯n个采样点，数据分别为d1、d2、d3、……dn，d1’、d2’、d3’、……dn’；
f、前后采样点的均值为
g、前后的采样均值的差值为Δy＝|y1-y2|；
h、当Δy大于设置定值Yset时，系统会产生告警；
(4)光纤回路可视化在线监测：智能化变电站光纤链路分点对点直连回路和组网光纤链路回路，对于点对点光纤链路，可采用间接判别方式实现光纤链路监测与诊断，对于组网方式光纤链路，可结合SV、GOOSE、MMS信息综合判别实现光纤链路监测与诊断并实现光纤物理链路展示，本发明在光纤链路建模基础上，还进行间隔继电保护相关IED设备虚回路实时状态监测并可视化展示，在线实时监测过程层SV、GOOSE虚回路的状态、压板状态，为运维检修人员提供直观的虚回路状态变化及信号状态，提供更加直观准确的防误预警；
(5)跳合闸反校：通过上述步骤(1)-(4)建立的二次回路在线监测可视化防误预警方法后，为了确保预警方法的准确、及时，还需要在作出预警之前进行二次回路的跳合闸反校，主要包括以下几步：
S1、在所述MMS信号中获取到保护启动信号时，开始执行跳合闸反校；
S2、在保护启动的前3秒至后10秒的时间范围内，通过过程层网络获取保护跳闸、合闸GOOSE通道由OFF到ON的变位状态，并记录变位时间，每个信号都作为跳闸回路或合闸回路反校分组的信号起点，线路分相跳闸则分别记录ABC三相的变位时间；计算跳合闸时刻与保护启动时刻的时间差，若有启失灵信号，可将信号作为单独分组，也可归于对应相别组进行校验；若未找到跳合闸和后面的信号，该组不进行校验；若跳合闸信号没有但后面的信号有，则告警跳合闸信号丢失或相序错误；
S3、在与步骤S2同样的时间范围内选择智能终端GOOSE通道中的跳闸、合闸反校信号，即智能终端发出的确认收到保护跳合闸命令的信号，记录信号从OFF到ON的变位时刻，分相跳闸则分别记录ABC三相的反校信号发生时刻；计算反校信号时刻与保护启动时刻的时间差；
S4、在与步骤S2同样的时间范围内选择所述智能终端跳闸、合闸确认信号，即智能终端发出的确认跳合闸开关量正确输出的回采信号，记录信号从OFF到ON的变位时刻，分相跳闸则分别记录ABC三相的确认信号发生时刻；计算确认信号时刻与保护启动时刻的时间差；
S5、在与步骤S2同样的时间范围内，对于跳闸的反校，选择开关位置信号从ON到OFF的变位状态，对于合闸的反校，选择开关位置信号从OFF到ON的变位状态，记录上述的各自变位时刻，并计算信号与保护启动时刻的时间差；
S6、通过计算每个信号与保护启动信号时间差的差值，校验跳合闸过程时间是否满足要求，以及信号发生时序是否正确，确保系统发出的二次回路在线监测可视化防误预警的准确性和及时性。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种基于二次回路在线监测的站域可视化防误预警方法，其特征在于，所述防误预警方法主要包括以下步骤：
(1)建立二次电缆回路可视化在线监测模块：基于网络技术建立分层分布式结构的二次电缆回路可视化在线监测模块，所述二次电缆回路可视化在线监测模块主要包括电流传感器和二次回路采集通讯设备、管理单元、采集单元和交换机；
(2)建立二次回路采集通讯设备IED模型：将采集的数据按照IEC61850标准进行描述，嵌入采用结构化控制语言形式保存的IED各项功能参数的ICD文件，IEC61850标准下IED信息建模的步骤结合实际采集监测量，建立IED信息模型；
(3)二次电缆回路可视化在线监测：依据基尔霍夫电流定律，流入回路与流出回路电流相等原理，所述二次回路采集通讯设备根据采集到的回路的正电源侧电流和负电源侧电流，通过比对计算，判断二次电缆回路是否存在漏电流情况，并采用多种预警方式来实现对二次电缆回路的趋势预测、全程监视及故障精准定位。
(4)光纤回路可视化在线监测：智能化变电站光纤链路分点对点直连回路和组网光纤链路回路，对于点对点光纤链路，可采用间接判别方式实现光纤链路监测与诊断，对于组网方式光纤链路，可结合SV、GOOSE、MMS信息综合判别实现光纤链路监测与诊断并实现光纤物理链路展示；
(5)跳合闸反校：S1、在所述MMS信号中获取到保护启动信号时，开始执行跳合闸反校；S2、在保护启动的前3秒后10秒时间范围内，通过过程层网络获取保护跳闸、合闸GOOSE通道由OFF到ON的变位状态，并记录变位时间，线路分相跳闸则分别记录ABC三相的变位时间，并且计算跳合闸时刻与保护启动时刻的时间差；S3、在与步骤S2同样的时间范围内选择智能终端GOOSE通道中的跳闸、合闸反校信号，记录信号从OFF到ON的变位时刻，分相跳闸则分别记录ABC三相的反校信号发生时刻；S4、在与步骤S2同样的时间范围内选择所述智能终端跳闸、合闸确认信号，记录信号从OFF到ON的变位时刻，分相跳闸则分别记录ABC三相的确认信号发生时刻；S5、在与步骤S2同样的时间范围内，对于跳闸的反校，选择开关位置信号从ON到OFF的变位状态，对于合闸的反校，选择开关位置信号从OFF到ON的变位状态，记录上述的各自变位时刻，并计算信号与保护启动时刻的时间差；S6、通过计算每个信号与保护启动信号时间差的差值，校验跳合闸过程时间是否满足要求，以及信号发生时序是否正确。
2.根据权利要求1所述的一种基于二次回路在线监测的站域可视化防误预警方法，其特征在于，所述步骤(1)中通过电流传感器对现场二次电缆回路的电流进行感知，然后通过二次回路采集通讯设备对二次电缆回路的电流传感器数据进行采集、存储、处理，最终上传系统。
3.根据权利要求1所述的一种基于二次回路在线监测的站域可视化防误预警方法，其特征在于，所述步骤(1)中电流传感器采用的是开环式零磁通电流传感器。
4.根据权利要求1所述的一种基于二次回路在线监测的站域可视化防误预警方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述二次回路采集通讯设备设置在断路器机构箱或智能智能终端柜。
5.根据权利要求1所述的一种基于二次回路在线监测的站域可视化防误预警方法，其特征在于，所述步骤(1)中管理单元主要由X86双核嵌入式平台、32位RISC架构CPU+嵌入式高实时性操作系统和高速超大规模FPGA三部分构成；所述采集单元主要由32位RISC架构CPU+嵌入式高实时性操作系统和高速超大规模FPGA两部分构成。
6.根据权利要求5所述的一种基于二次回路在线监测的站域可视化防误预警方法，其特征在于，所述X86双核嵌入式平台上位机系统，用于实现人机交互界面功能和MMS通讯管理、测试分析功能；所述采集单元中的32位RISC架构CPU+嵌入式高实时性操作系统和高速超大规模FPGA为下位机系统，用于实现模拟量、开关量采集和分析处理功能。
7.根据权利要求6所述的一种基于二次回路在线监测的站域可视化防误预警方法，其特征在于，所述管理单元和采集单元之间采用上下位1000M背板以太网总线通讯方式；所述CPU和超大规模FPGA之间采用双总线通讯方式。
8.根据权利要求1所述的一种基于二次回路在线监测的站域可视化防误预警方法，其特征在于，所述步骤(3)中的预警方式为电流越线预警、趋势预警、突变量预警、同期数据比对预警四种预警方式。
9.根据权利要求8所述的一种基于二次回路在线监测的站域可视化防误预警方法，其特征在于，所述电流越线预警是对因跳合闸回路异常情况导致其电流增加或减小，达到系统中预设置预警门槛值的上线或下线，系统发出预警；所述趋势预警是对跳合闸回路的电流进行采样数据分析，当在一定预期时间内预计采样数据超过预警定值，则系统发出预警；所述突变量预警是对跳合闸回路的电流进行采用差值分析，当前后两个采样点之间的数据突变差值大于设置定值时，系统发出预警；所述同期数据比对预警是对跳合闸回路的电流进行历史相同时期的数据比对，当同期数据差值超高设定值时，系统发出预警。
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