基于地理区域模型的变电站维护辅助系统及方法与流程

1.本发明涉及一种变电站维护辅助系统，尤其是一种基于地理区域模型的变电站巡视和故障排查辅助系统，还涉及一种基于该系统的维护方法。


背景技术：

2.随着已投运变电站数量的逐年递增，相应的巡视和故障排查工作量急速增长。在运行维护人员数量有限且技能和经验水平参差不齐的情况下，很难确保相关工作的有序开展，特别是当变电站内部地理区域较多且复杂，设备地点和运行状态信息获取不详尽时，很可能给巡视和故障排查工作带来困难，更严重者甚至会导致误入带电间隔等危险事件的发生。
3.在高电压（500kv及以上）等级的新建变电站，通常会设置智能巡检机器人或高清的智能摄像头等来辅助完成部分巡视和故障排查工作。该方式虽然可以使问题在一定程度上得到缓解，但由于投资较高，户外巡视受环境天气等因素影响较大，易损坏、调试复杂且需要新增专用的通信信道，无法广泛应用于大量已投运的低电压（110kv及以下）等级变电站。针对大量的在运低电压等级的变电站，如何在确保运行维护人员人身安全的情况下，以相对较少的投入最大程度提高其巡视和故障排查工作的效率是一个亟需解决的难题。
4.另一方面，随着各地区对供电可靠性要求的日益提升，针对已投运变电站的例行检修停电时间被进一步缩短，其中站内的保护装置、网关机等关键设备在非必要的情况下不允许退出运行，更不允许更换装置参数和重新开展调试工作。那么即使存在能够辅助运行维护人员开展巡视和故障排查工作的系统，针对数量巨大的已投运变电站，如何在确保全站不停电、关键二次设备不退出运行的情况下完成系统接入也成为一个亟待攻克的难关。
5.专利cn112350441a 中公开了一种变电站在线智能巡视系统及方法，主要提供了一种变电站在线智能巡视系统及方法，利用光学巡视系统、机器人巡视系统、环境监控系统和传感参数系统的协同工作，解决了单纯依靠机器人巡检存在巡视盲区、单一视频覆盖范围小等问题，属于在机器人巡视水平上优化提升的范畴，系统复杂程度和投资成本将更高，且系统部署实施调试复杂，无法应用于大量的已投运变电站。
6.专利cn110807460a中公开了一种基于图像识别的变电站智能巡视系统及其应用方法，利用在线监测子站、在线监测主站、智能运维主站、图像识别服务器和移动运维终端的协同工作，来完成设备状态的自动辨识，对发现异常的设备再由巡视人员进行二次确认，可以在一定程度上提高巡视效率，但其系统从设计上要求远方的主站端和变电站端的数据通信和多方配合，除要求新增专用的通信信道外，还会在安装部署时涉及主站端、变电站端多个系统的同步调试要求，虽然可应用于新建变电站，但对于已投运变电站来讲都是不可接受的，与本发明所涉及系统处于不同的变电站应用场景。


技术实现要素：

7.本发明提出了一种基于地理区域模型的变电站维护辅助系统及方法，其目的是：在不影响已投变电站运行的情况下，实现辅助系统的部署以及对变电站巡视和故障排查工作的辅助。
8.本发明技术方案如下：一种基于地理区域模型的变电站维护辅助系统，包括主系统、一体化组态工具和无线终端；所述主系统用于采集和处理实时数据，通过与无线终端进行数据交互来辅助维护人员进行维护，并记录维护人员的行为信息；所述一体化组态工具用于将变电站的地理区域模型与站内实际设备及数据点相关联，并将关联结果发送给所述主系统作为数据处理的基础，还用于为主系统进行参数配置；所述无线终端用于接收维护人员的操作指令并将指令传送给主系统，还用于展示主系统发送的信息。
9.作为上述系统的进一步改进：所述主系统包括数据采集模块、数据处理模块、综合分析模块、巡视任务处理模块、模型处理模块、行为处理模块、数据库模块和无线加密通信模块；所述数据采集模块用于采集外部传入的实时数据并传递给数据处理模块；所述数据处理模块用于将实时数据解析转换成结构化数据并传递给综合分析模块和巡视任务处理模块；所述综合分析模块用于基于结构化数据进行分析，得到包括设备运行状态、故障信息和故障处置建议在内的结果数据，并将该结果数据传递给模型处理模块；所述巡视任务处理模块用于根据数据库模块中保存的巡视任务参数生成辅助巡视工作的巡视指引数据，并将巡视指引数据通过无线加密通信模块传递给无线终端；所述模型处理模块用于管理变电站地理区域模型，并基于一体化组态工具发送的关联结果生成变电站地理区域图，还用于基于综合分析模块传入的结果数据在地理区域图上标记故障点和故障范围、并生成安全巡视路线；所述行为处理模块用于接收无线加密通信模块传入的无线终端请求数据，基于数据库模块中的数据给出请求应答，并将无线终端上维护人员的行为操作记录存入数据库模块；所述数据库模块用于存储维护人员的配置信息、巡视任务和故障处置的规则、以及维护人员的行为操作记录；所述无线加密通信模块用于采用加密方式与无线终端进行交互。
10.作为上述系统的进一步改进：所述一体化组态工具包括建模工具、关联工具和配置工具；所述建模工具用于以图形化的方式建立变电站地理区域模型并传递给关联工具；所述关联工具用于利用变电站配置文件将站内实际设备及数据点与变电站地理区域图模型中的对象关联，并将关联结果传递给模型处理模块；所述配置工具用于实现维护人员用户参数、巡视任务参数和故障处置规则的配置
及在数据库模块中的保存。
11.本发明还公开了一种基于上述的变电站维护辅助系统的变电站维护方法，包括以下步骤：s1、使用建模工具进行变电站地理区域的建模；s2、使用关联工具进行变电站内部设备及数据点与地理区域模型的关联；s3、使用配置工具进行维护人员用户参数、巡视任务参数和故障处置规则的配置；s4、主系统利用端口镜像、报文镜像或新增通信规约的方式采集站内实时数据；s5、主系统利用实时数据进行分析，给出故障信息、故障处置建议及巡视指引数据；s6、根据无线终端所展示的故障信息、故障处置建议及巡视指引数据，进行巡视和故障排查工作；s7、生成巡视和故障排查记录存档。
12.作为上述维护方法的进一步改进：步骤s1中，建模的对象包括区域对象模型和设备对象模型，所述设备对象模型包括一次设备对象模型、二次设备对象模型和辅助装置对象模型；所述区域对象模型包含所属区域的坐标属性和尺寸属性；所述设备对象模型包含设备的额定参数属性。
13.作为上述维护方法的进一步改进：步骤s2中，对于智能变电站，导入变电站的scd文件，提取一次设备、二次设备和数据点信息进行关联；对于常规变电站，导入变电站的设备参数表和数据点表文件进行关联；关联时，将站内已有设备与地理区域模型中对应的设备对象模型进行关联并补全所需的模型属性；将数据点按照类型分别关联到一次设备对象模型、二次设备对象模型和区域对象模型上，实现数据点、站内设备和设备所在区域的多级关联绑定。
14.作为上述维护方法的进一步改进：步骤s3中，所述维护人员用户参数包括用户类别、用户名和身份验证参数；所述巡视任务参数包括需要巡视的设备、需要抄录的实时数据以及需要上装和存档的文件；所述故障处置规则，是指故障类型与需要采取的处置操作指示之间的对应关系。
15.作为上述维护方法的进一步改进：步骤s4中采集数据时，对于已投运的智能变电站，如果站内配有报文记录装置，则利用报文记录装置所接入的交换机镜像端口，通过增设二级镜像交换机手段将数据报文镜像到主系统中，主系统依据全站scd文件和镜像后的数据报文完成实时数据的采集；对于未设置报文记录装置的变电站，则通过站内监控后台获取实时数据。
16.作为上述维护方法的进一步改进：步骤s5中的分析过程为：当实时数据中出现告警信号数据时，根据关联关系定位所关联的一次设备和二次设备所在的区域，再根据告警级别和类型确定涉及的危险区域范围，并在地理区域图上进行标记，指导维护人员躲避该危险区域，告警信号复归后取消危险区域标记；当实时数据中无告警信号时，利用同源数据比对、差流比对和数据趋势算法定期进行设备潜在隐形故障的判定，以便在维护人员开展工作时给出预警，提示需额外关注的设备。
17.作为上述维护方法的进一步改进：步骤s6中，维护人员通过携带的无线终端登入变电站维护辅助系统，身份验证通过后，系统将自动记录工作开始时间，无线终端自动同步变电站地理区域图、安全巡视路线和故障范围；当维护人员开展巡视工作时，按照系统规划的安全巡视路线逐个完成相关设备的巡视工作；当运行维护人员开展故障排查工作时，按照无线终端上故障范围的指示，进入故障区域，结合变电站维护辅助系统给出的故障处置建议进行处置。
18.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：（1）该辅助系统的应用，可以有效提升运行维护人员巡视和故障排查工作的效率，提高工作的规范性和安全性；（2）本系统安装部署简单，全站无需例行停电检修，也不涉及变电站内保护装置、网关机等关键设备的退出运行和重新调试，所涉及的镜像交换机、监控后台只需配合完成已有数据的镜像或转发，无需修改已投运参数，安装部署完成后无需开展全站通讯重新调试工作，不影响已投变电站的正常运行；（3）本系统构成简单，不涉及复杂的视频识别、人工智能、三维实景建模等复杂技术，无需配备巡检机器人、智能摄像头等高级设备，无需新增通信信道，投资成本低，适用于大量的已投运变电站，有很好的应用前景和工程实用价值。
附图说明
19.图1为变电站维护辅助系统的架构图；图2为维护方法的流程图。
具体实施方式
20.下面结合附图详细说明本发明的技术方案：如图1，一种基于地理区域模型的变电站维护辅助系统，它包括：1、巡视和故障排查主系统：用于采集、处理实时数据，开展巡视和故障排查辅助工作，记录用户工作时间和行为等信息。
21.2、一体化组态工具：用于变电站地理区域建模、模型的关联和参数配置等。
22.3、无线终端：用于接收人员的操作输入指令，展示巡视和故障排查主系统传递来的信息。
23.进一步的，巡视和故障排查主系统，包括：1
‑
1、数据采集模块：用于采集外部传入的实时数据传递给数据处理模块。
[0024]1‑
2、数据处理模块：用于将实时数据解析转换成结构化数据，并传递给综合分析模块和巡视任务处理模块。
[0025]1‑
3、综合分析模块：内部集成多种算法，利用传入的结构化数据计算得到设备运行状态、隐性和显性故障、故障处置建议等结果数据，并传递给模型处理模块。
[0026]1‑
4、巡视任务处理模块：根据数据库模块中保存的巡视任务，生成辅助巡视工作的巡视指引数据以开展巡视辅助工作，将工作成果传递给无线加密通信模块。
[0027]1‑
5、模型处理模块：管理变电站地理区域模型，生成变电站地理区域图，结合综合分析模块传入的结果数据，在地理区域图上标记故障点和故障范围，计算安全巡视路线等。
[0028]1‑
6、行为处理模块：接收无线加密通信模块传入的无线终端请求数据，从数据库
模块中读取用户配置等参数给出请求应答，并将人员的行为操作记录存入数据库模块。
[0029]1‑
7、数据库模块：存储运行维护人员用户配置、巡视任务和故障处置规则等参数，以及人员的行为操作记录等。
[0030]1‑
8、无线加密通信模块：采用加密方式与无线终端进行交互，将系统产生的地理区域图、实时数据和文件等传递给无线终端。
[0031]
所述一体化组态工具具体包括：2
‑
1、建模工具：以图形化的方式建立变电站地理区域模型并传递给关联工具。
[0032]2‑
2、关联工具：利用scd、设备参数表、数据点表等变电站配置文件，将站内实际设备和数据点与变电站地理区域图模型中的对象关联，并将关联结果传递给模型处理模块。
[0033]2‑
3、配置工具：配置运行维护人员用户参数、巡视任务和故障处置规则等参数保存于数据库模块中。
[0034]
所述无线终端，用于接收人员的操作输入指令，并通过无线加密通信模块与模型处理模块和行为处理模块交互，展示无线加密通信模块传递来的地理区域图、实时数据和文件等信息。
[0035]
如图2，利用上述维护辅助系统开展变电站维护工作时，包括以下步骤：步骤s1、使用变电站地理区域建模工具对变电站内部对象进行建模，需建模的对象包括：变电站(substation)，围墙(wall)、大门(door)、道路(road)、开关场(switcharea)、多层建筑(building)、小室(room)、屏柜(cabinet)等区域对象模型，还包括变压器(transformer)、开关(breaker)等一次设备，保护、测控装置等二次设备(conductingdevice)，消防装置、电子围栏等辅助装置(auxiliarydevice)。区域对象模型支持嵌套子区域对象模型，如变电站(substation)内允许嵌套多层建筑(building)，多层建筑(building)内允许嵌套小室(room)，小室(room)内允许嵌套屏柜(cabinet)等，变电站(substation)对象为最上层父区域对象，其下每种子区域对象模型需要包含所属父区域的相对坐标(以父区域对象西南角为坐标原点)、本区域的长度、宽度、高度等尺寸属性。每种设备对象模型除包含之前所述属性之外，还应包括设备型号、生产厂家、投运日期、额定参数(如额定电压、额定功率)等属性。
[0036]
使用建模工具建模的过程是采用可视化的图形绘制方式实现，绘制时，可参照变电站基建设计图纸和实地勘察相结合的方式开展工作，绘制顺序从变电站(substation)对象开始逐层递进；当选择父区域对象时，只允许绘制或编辑该父区域对象内部子对象，如选择某一小室(room)对象，将只允许绘制该小室(room)内部的屏柜(cabinet)、摄像头和消防装置等辅助装置(auxiliarydevice)对象，全部对象绘制完成后可生成变电站地理区域模型，进一步生成变电站地理区域图。
[0037]
建模主要用于定位设备、确定安全范围和规划合理巡视路线等。
[0038]
步骤s2、建模工作完成后，需要将变电站的实际设备和实际的数据点与变电站地理区域模型中的设备对象进行关联，该关联工作使用关联工具完成。
[0039]
对于智能变电站，可以使用关联工具导入全站scd文件，提取其中的一次设备、二次设备和数据点信息用于关联；对于常规变电站，使用关联工具导入其设备参数表和数据点表文件用于关联，当所需文件不存在、内容不完整或格式非标准时，需补充完善相关文件后再导入并关联。
[0040]
关联时，将站内已有设备与模型中对应的设备对象进行映射并补全所需的模型对象属性，如投运日期、额定参数属性；将数据点按照类型分别关联到一次设备对象模型、二次设备对象模型和区域模型上，以达到数据点、站内设备和设备所在地理区域的多级关联绑定，如将数据点中的变压器轻瓦斯告警点关联到变压器(transformer)对象上，将继保小室室内温度量测点关联到小室(room)对象上，将电压、电流等量测点关联到相应的一次设备上。
[0041]
步骤s3、当步骤s1和步骤s2完成后，使用配置工具根据该变电站所属运行维护单位的实际情况配置运行维护人员用户参数，包括用户类别、用户名、密码、指纹等参数。其中，用户类别至少包括系统管理员、故障处置员和巡视员；系统管理员负责其他类别人员的管理和运行维护记录的管理，故障处置员负责故障排查和处置工作，巡视员负责日常巡视工作。
[0042]
之后根据该地区的运行维护规程和变电站内实际情况配置巡视任务参数，包括需要巡视的设备，需要抄录的实时数据，需要上装和存档的文件等。其中，配置需要巡视的设备用于本系统生成安全快捷的巡视路线，配置需要抄录的实时数据用于在巡视工作开始时自动记录并打印实时数据，配置需要上装和存档的文件用于在巡视工作开始时自动从特定装置或系统获取所需文件传送到无线终端。
[0043]
最后根据该地区故障处置规定配置故障处置规则参数，规则内容为在发生某一类故障时，运行维护人员需要采取的紧急处置操作指示，用于人员进站排查故障时给出处置建议。
[0044]
步骤s4、当步骤s1、步骤s2和步骤s3完成后，将进入采集数据接入阶段。
[0045]
对于已投运的智能变电站，如果站内配有网络分析仪等报文记录装置，可以利用其所接入的交换机镜像端口，通过增设二级镜像交换机等手段将数据报文镜像到本系统中，本系统依据全站scd文件和镜像数据报文完成实时数据的采集。
[0046]
对于未设置报文记录装置的变电站，可以通过站内监控后台获取实时数据，需要与监控后台厂家协商通过镜像后台数据报文或新增通信规约的方式，将实时数据传入本系统以完成站内实时数据的采集。
[0047]
在部署过程中，原有已运行交换机设备无需断电或插拔网线，只需在报文记录装置或后台监控系统一端增设二级镜像交换机。
[0048]
在安装部署过程中，相关设备应处于检修态，以免误发控制类命令。
[0049]
由于整个过程中未改变任何在运设备的参数，所以本系统接入后，相关设备无需重新调试。
[0050]
步骤s5、上述步骤都完成后，系统进入运行阶段，系统根据采集的实时数据对相关的一次和二次设备开展定期的综合分析，综合分析的内容包括：当实时数据中的告警信号数据出现时，根据关联关系定位其关联的一次设备和二次设备所在区域，进一步根据告警级别、告警类型、相关实时测量值等确定其可能导致的危险区域范围并在地理区域图上进行标记，当运行维护人员入站工作时指导其躲避该危险区域，告警信号复归后取消危险区域标记；当实时数据中无告警信号时，利用同源数据比对、差流比对和数据趋势算法定期开展站内潜在隐形故障的判定，以便在运行维护人员开展工作时给出预警，提示其需要重点巡视该设备。
[0051]
步骤s6、本系统支持以无线加密通信的方式接入一个或多个无线终端设备。考虑到巡视和故障排查工作频度不高，可通过在变电站大门内增设无线启动开关的方式控制无线通信的开启和关闭，无线信号覆盖范围有限或强度不够时，可通过加设增强设备的方式解决。
[0052]
当运行维护人员进站工作后，首先启动无线通信开关，利用无线终端登入本系统。身份验证通过后，系统将自动记录工作开始时间，无线终端自动从系统同步变电站地理区域图、安全巡视路线和故障发生区域等信息展示给人员，其中的地理区域图为二维平面图，展示效果与导航地图类似。
[0053]
当运行维护人员开展巡视工作时，可以按照系统规划的安全路线逐个完成相关设备的巡视工作，避免遗漏设备、走重复路线或误入危险区域，同时系统按照配置好的巡视任务开展实时数据抄录打印和所需文件的上装和存档等辅助巡视工作，工作完成后推送信号给无线终端，由其负责同步到无线终端上以备存档。
[0054]
当运行维护人员开展故障排查工作时，可以按照无线终端上故障发生区域的指示，在最短时间内安全地进入故障区域，结合系统给出的故障处置意见开展故障排查工作；步骤s7、当运行维护人员完成工作离开变电站所属区域时，即本系统与无线终端通讯中断或人员主动断开通讯时，系统自动关闭无线通信开关和记录人员的工作结束时间，并将该运行维护人员在此段工作时间内的操作记录存储于本系统中，以供系统管理员在需要时调阅和备份。当系统管理员登入本系统时，可以查阅和下载所有的运行维护记录。
[0055]
综上，本系统可以合理定位站内设备的地理位置，规划安全的巡视和故障排查路线，记录运行维护人员的工作时间和行为，代替人工完成部分巡视数据抄录和文件备份等工作，以此提高已投运变电站巡视和故障排查工作的效率和安全性。另外，本系统还支持在已投运变电站全站不停电、关键二次设备不退出运行，无需增设通信信道和重新调试通信功能的情况下完成部署接入。
[0056]
在实施例中所展示的系统和方法也可以通过其它的方式实现。例如，使用与变电站地理区域模型原理类似的方式代替变电站地理区域模型，使用通用的无线通讯设备代替专用的无线终端，使用其他的实时数据采集方式（如访问监控后台实时库等）代替本系统的数据采集方式。对本实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是很容易的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。