基于边缘计算的继电保护动态诊断技术研究与应用.docx

随着电力系统继电保护装置的大量投运，继电保护管理和运维检修业务成倍增长。由于运维检修人员数量相对稳定、信息技术手段欠缺，继电保护安全运行压力增大，因此电网安全运行要求提高与运维信息获取缓慢的矛盾日益突出，现有继电保护运维检修模式难以为继。当前继电保护、测控装置、安自装置、交换机等二次设备需要投入大量的人工巡视、检修试验、异常研判和处置。数字化的继电保护产生了海量数据，数据量大且分散复杂,并且利用效率低。继电保护在运维检修方面存在以下问题：(1)运维人员远离设备，信息化手段欠缺，数据未充分有效利用，不能及时、准确、全面掌握设备状态，不能及时发现异常情况；(2)随着继电保护等二次设备数量增加，运行巡视周期变长，误投、漏投压板风险和定值误整定风险长期存在，它们是电网安全运行的潜在“地雷"；(3)部分告警自动复归、设备运行状态、二次回路状态相关联缺陷缺少监视和诊断分析，继电保护存在拒动和误动风险；(4)由于继电保护运行信息缺乏监视和诊断分析手段，其通信状态、二次回路、电压/电流、纵联通道、装置自检等关键核心业务的主动排雷机制缺失，一旦出现异常会直接导致继电保护异常情况发生。因此，加强对电力系统继电保护的运行管理，强化二次系统自身的状态感知、信息交互、诊断分析和异常预警，是保障电网安全必不可少的环节。为解决上述问题，本文提出了继电保护边缘计算模型和动态诊断技术方案。利用该技术能够在继电保护日常运行过程中，自动、准确地进行异常识别和分析，并通过机器主动准确地发现异常问题，全面提高了继电保护安全运行水平。1、继电保护动态诊断总体架构继电保护在线监视及智能诊断装置基于面向设备的状态在线感知技术，采用云边协同总体框架，并应用IEC61850、103规约进行主子站通信，构建"云-管-边-端”四级结构。该装置通过边缘计算、云边协同模式,实现继电保护全方位在线感知和动态诊断，全面支撑继电保护在线监视及动态诊断应用。该装置总体架构如图1所示。通信规约维电保护在线监视及 /诊断奘图1总体架构S图1总体架构在厂站继电保护运行区域部署边缘代理（继电保护在线监视及智能诊断装置），可以在线采集继电保护、测控装置、安自装置、交换机等二次设备运行数据和状态数据。充分利用继电保护在线监视及智能诊断装置在厂站端就地就近的数据汇集和边缘计算能力，可以动态诊断继电保护通信状态、二次回路、电压/电流、纵联通道、装置自检等异常情况，并能主动发现继电保护隐性故障和异常缺陷。该装置在边缘节点直接生成诊断结果，并通过通信模块上送到继电保护在线监视平台。继电保护在线监视平台解析每种边缘计算动态诊断结果进行应用展示和融合分析，可以全面提升继电保护管控力和在线诊断分析能力，并依靠在线数据进行智能研判，可以对继电保护的运行状态进行动态诊断分析。2、边缘计算模型定义继电保护在线监视及智能诊断装置的边缘计算建模采用扩展通用边缘计算事件节点建模，应用GGIO逻辑节点类,各个子站定义N个GGIO,每一个边缘计算业务定义一个GGIO,在边缘代理默认具备如表1定义的边缘计算功能。边缘计算功能通过定值管理厂家在出厂时默认设置缺省定值，在用户不整定的情况下，不影响边缘代理功能，并支持用户自整定。其定义见表1。表1边缘计算GGIO属性名I属性类型I全称IM/oI描述公用逻辑节点信息ModINCModeM模式BehINSBehaviourM行为HealthINSHealthM健康状态NamPltLPLNameM逻辑节点铭牌诊断信息ComStatusVSSCommunicationStatusM通信状态诊断SecCircuitVSSSecondCircuitStatusM二次回路诊断AnaExceedVSSAnalogsExceedRangeM电流/电压诊断LongitudinalChannelVSSLongitudinalChannelM纵联通道诊断DevAlaVSSDeviceAlarmM装置自检诊断在此边缘计算模型基础上，该装置支持按照固定结构扩展边缘计算业务功能，主站端按照边缘代理侧设置的边缘计算功能增加对应的解析服务即可实现云边协同模式下的继电保护动态诊断。该装置基于边缘计算功能模型，依靠继电保护在线监视及智能诊断装置实时采集和可靠运行，并基于采集的继电保护海量数据开展就地分析和动态诊断。各个边缘计算功能独立运行，生成对应的动态诊断结果，诊断结果以XML文件承载，使用UTF-8格式字符编码，文件命名为“STAT一功能码一告警码一时间信息，在上送到继电保护在线监视平台的传输过程中不对文件进行任何解析和修改，继电保护在线监视平台针对不同类型的边缘计算功能，通过各个边缘计算业务诊断结果的功能码识别对应的业务类型，调用对应的解析服务进行分析展示，实现边缘计算功能可扩展和自整定。各个边缘计算业务功能码如表2所示，定义的边缘计算模型如图2所示。表2边缘计算功能码定义功能码功能描述关键字Ol通信状态诊断ComStatus02二次回路诊断SecCircuit03电流电压诊断AnaExceed04纵联通道诊断LongitudinalChanneI05装置自检诊断DevAla>逻辑设备(LOgiCalDevice)逻辑节点(LogicalNode)管理节点(LNO)通用数据(GGIO)包缘计算(GGIO)通信诊断Stvalqt二次回路诊断电流电压诊断纵联通道诊断装自检诊断图2边缘计算模型3、继电保护动态诊断方案3.1 边缘计算基于以上分析，边缘代理全时段在线监测继电保护的运行数据，强化设备的运行属性监测，并通过对动态数据的诊断分析，实时掌握数据异动及异常发展趋势。边缘计算结构如图3所示。图3边缘计算结构3.2 通信状态诊断继电保护在线监视及智能诊断装置就地端诊断分析与其通信连接的继电保护、测控装置、安自装置、交换机等的继电保护MMS或私有协议通信中断情况，并通过计算分析通信状态的保持时间计算继电保护的通信连通率。当计算分析继电保护的通信连通率大于等于95%且在计算分析时的通信断面正常，则诊断结果为正常状态；当计算分析继电保护的通信连通率为90%至95%,或分析计算时通信断面中断且通信连通率大于等于90%,则诊断结果为异常状态；当计算分析继电保护的通信连通率小于90%,则诊断结果为严重异常状态。根据不同继电保护的连通率的诊断情况，生成对应的诊断报告，将此次诊断周期为异内容，异内容包含：异常的起始时间、结束时间、持续时间、连通率,并将对应过程及断面连通状态上送主站端及时告知运维检修人员。3.3 二次回路诊断继电保护在线监视及智能诊断装置动态采集分析保护装置、测控装置、交换机等二次设备的GOOSE和SV控制块虚回路链路状态、物理实回路链路状态，并结合通道光纤接口监测信息，以及链路异常告警信息进行综合分析，诊断分析二次回路状态，采集分析遥信、遥测数据，如表3所示。表3回路诊断分析数据序号数据集信息名称说明1dsWarningGOOSE总告警GOoSE除检修不一致外的所有异常的总报警2dsCommstateGoOSE数据异常GOoSE异常的信号3GOOSE链路中断链路中断4dsAin过程层光口1发送光强过程层光强5过程层光口1接收光强6过程层光口发送光强7过程层光N接收光强8dsGOOSEGoOSE格式错误GOOSE格式错误严重对象标识9GOOSE丢帧GOOSE丢帧严重对象标识10GOoSE错序GooSE错序对象标识11GOOSEBgGOoSE重复对象标识12GOOSE断链GOOSE断链对象标识13GooSE发送超时GoOSE发送超时对象I14GOoSE重启GooSE重启对象标识15GOoSE配置不一致GOOSE配置不一致对象标识16GoOSE状态异常变化GOoSE状态异常变化对象标识17GOOSE状态虚变GOoSE状态虚变对象标识18SV格式错误SV格式错误严重对象标识19SV丢帧SV丢帧严重对象标识20SV发送超时SV发送超时对象标识21SV断链SV断链对象标识22SV重复SV重复对象标识23SV序号异常变化SV序号异常变化对象标识24SV采样无效位变化SV采样无效位变化对象标识25SV同步信号标志变化SV同步信号标志变化对象标识26SV双AD不一致SV双AD不一致对象标识27SV配置不一致SV配置不一致对象标识28S蜒时通道异常SV延时通道异常对象标识该装置通过建立继电保护物理连接信息和二次逻辑链路关联关系模型，获取继电保护、测控装置对过程层设备的链路中断告警数据，融合分析GOOSE变位告警，研判过程层设备链路中断情况。该装置采集过程层报文分析服务的链路状态报告，研判分析信号发送设备运行状态。判断逻辑链路通断状态变化时，触发链路状态告警信息，判断逻辑链路通断状态变化，判断相关端口状态，判定端口状态告警信息，同时，研判产生链路异常的具体故障点，并通过图形化的方式标识二次回路对应的故障位置，如图4所示。图4回路诊断一图4回路诊断3.4 电压电流回路诊断继电保护在线监视及智能诊断装置就地采集监视电流、电压及其相关告警，同时动态开展A/B套设备间稳态量采样数据同源比对，判断交流采样是否正常，同时融合分析相关遥信告警的输入及遥测同源比对是否异常，判断交流采样是否完好。边缘代理的电压电流诊断功能自整定的缺省值如下：严重异常阈值：交流电流相对误差不大于5%或绝对误差不大于005In为正常，并且在两者诊断分析为都大于的情况下判定为异常；交流电压相对误差不大于5%或绝对误差不大于0005Un为正常思流大于等于0.1In电压大于等于0.01Un,相角的误差8。异常阈值：交流电流相对误差不大于2.5%或绝对误差不大于0.02In,并且当两者都大于判为异常；交流电压相对误差不大于2.5%或绝对误差不大于0.002Un为正常；电流大于等于0.1In,电压大于等于0.01n,相角的误差3在实时运行过程中，该装置获取被测电气量双AD采样值，并分别计算被测电气量双AD采样值每周波的基波有效值和真有效值，判断被测电气量双AD采样值是否有效。判断公式为：AD10>0.05In且AD20>0.05In,其中fADlO为被测电气量第一路AD采样值的基波有效值，AD20为被测电气量第二路AD采样值的基波有效值，In为被测电气量二次额定电压值或电流值。若有效，则判断双AD采样值是否一致,判断方法为：比较被测电气量双AD采样值差值的绝对值是否大于设定阈值，若大于则判断双AD采样值不一致。判断公式为：AD1AD2>K×AD2,其中，AD1为被测电气量第一路AD采样值的真有效值，AD2为被测电气量第二路AD采样值的真有效值，K为整定阈值，支持缺省值设置。若满足IADl-AD2>设定值Xln则判断双AD采样值不一致，其中，AD1、AD2分别为同一路电压或电流的双AD采样值。当判断出双AD采样值不一致后，给出告警信息并记录双AD采样值。3.5 纵联通道诊断继电保护在线监视及智