一种智能变电站数字化二次回路在线状态评估的方法与流程

本发明涉及一种状态评估方法，具体涉及一种智能变电站数字化二次回路在线状态评估的方法。

背景技术：

随着我国智能变电站建设步伐的进一步加快，变电站智能化二次设备规模也将快速增长，智能变电站采用数字化二次回路代替了传统电缆回路，数字二次回路是构成智能变电站保护控制系统的重要组成部分，如何有效开展智能变电站数字化二次回路的状态评估，是实现智能变电站继电保护状态检修的基础和关键。

智能变电站数字化二次回路采用GOOSE和SV网络信号传输代替了常规变电站装置之间硬电缆接线，数字化二次回路和传统电缆回路在物理结构、传输特性和工作机制都截然不同，当前相关研究中还缺乏对智能变电站数字化二次回路状态评估方法的完整阐述，无法满足智能变电站继电保护系统状态检修应用的需要。此外，智能变电站二次设备及数字化二次回路状态在线监测的深化应用也改变了传统靠人为巡视的模式，为实现二次设备在线状态评估的实现提供了基础，因此，亟需要开展智能变电站数字化二次回路在线状态评估方法的研究。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明为智能变电站数字化二次回路的在线状态评估提供了一种完整的在线状态评估的方法，该方法构建数字化二次回路对象模型，建立数字化二次回路在线状态评价指标体系，可以在线对智能变电站数字化二次回路上各节点状态进行监视和评估，方便发现智能变电站每条数字化二次回路上的薄弱环节，对整个数字化二次回路的健康状态进行综合评价，为智能变电站继电保护系统的整体状态评价和继电保护系统状态检修奠定基础。

本方法采取如下技术方案：

本发明提供一种智能变电站数字化二次回路在线状态评估的方法，所述状态评估方法具体包括以下步骤：

步骤1：面向智能变电站数字化二次回路物理对象构建数字化二次回路对象模型；

步骤2：确定智能变电站数字化二次回路状态评估的关键节点；

步骤3：构建数字化二次回路上的每一个关键节点的状态评价指标；

步骤4：对数字化二次回路上的每一个关键节点评价指标建立相应的评价权重系数；

步骤5：基于继电保护、交换机和二次设备状态自检及在线监测，实现数字化二次回路状态评价指标的在线状态监测；

步骤6：基于数字化二次回路对象模型，建立各条数字化二次回路的状态评估模型和算法，实现对智能变电站每条数字化二次回路在线状态评估。

所述步骤1中，基于IEC 61970CIM面向对象的建模方法，扩展定义智能变电站数字化二次回路所涉及的物理对象模型，构建数字化二次回路连接模型，并通过有向图表示二次回路连接模型，上述扩展的数字化二次回路物理对象类有：

1)光纤通信端口类(Optical fiber Port)

2)光模块类(OpticalModule)

3)光端子(OpticalTerminal)

4)屏柜间光缆类(OpticalCable)

5)屏柜间光缆纤芯类(FibreCore)

6)屏柜内尾纤类(PigtailCable)

7)GOOSE链路类(GOOSELink)

8)SV链路类(SVLink)

数字化二次回路连接模型可以表示为如下的连接关系：

GOOSE链路/SV链路->装置光纤通信端口(发送端)->光模块->尾纤->光端子->光缆纤芯->光端子->尾纤->光模块->装置光纤通信端口(接收端)->GOOSE 链路/SV链路，其中交换机装置采样报文交换，并通过组播方式实现交换机各端口之间的信息传输，因此对于交换机装置还存在在一个组播组范围内的从一个交换机装置通信端口到另外一个或几个交换机装置通信端口之间的GOOSE链路或SV链路交换传输和链路连接的关系，如GOOSE链路/SV链路->交换机通信端口1->交换机通信端口2->GOOSE链路/SV链路。上述整个二次回路连接关系可通过有向图表示，并能确定每个端口流过的链路数。

所述步骤2中，根据智能变电站数字化二次回路结构和工作特性，选择数字化二次回路在线状态评估的关键节点主要包括①保护、测控、合并单元、智能终端等装置光纤通信端口；②光模块；③交换机光纤通信端口。

所述步骤3中，构建数字化二次回路上的每一个关键节点的在线状态评价指标，主要包括如下类型的评估指标：

1)装置光纤通信端口类状态评价指标主要包括：①装置通信端口链路状态；②装置通信端口流量；③装置通信链路丢帧状态；

2)光模块类状态评价指标主要包括：

①端口SFP光模块温度；②端口SFP光模块电压；③端口SFP光模光强；

3)交换机光纤通信端口类状态评价指标主要包括：

①交换机通信端口链路状态；②交换机通信端口流量；③交换机通信端口丢帧率；

按上述所述，智能变电站数字化二次回路在线状态评估指标分成四层，第一层是目标层，构建数字化二次回路在线状态评估指标体系，第二层按照数字化二次回路物理结构分为装置光纤通信端口类状态评价指标、光模块类的状态评价指标、交换机光纤通信端口类的状态评价指标等三类关键评价指标，并用x 表示每条数字化二次回路各关键节点的评价指标值，其中x^a表示装置光纤通信端口类的状态评价指标，x^b表示光模块类的状态评价指标，x^c表示交换机光纤通信端口类的状态评价指标，第三层按照智能变电站数字化二次回路GOOSE、 SV的通信服务映射实现机制，将数字化二次回路各环节按物理层和链路层进行划分，第四层进一步划分出具体的在线状态评价指标。

所述步骤4中，对数字化二次回路评价指标权重系数基于九级标度，采用层次分析法建立评价指标权重系数，Wj表示第j个指标权重系数，其中

∑wj＝1

所述步骤5中，基于继电保护、交换机和二次设备状态自检及在线监测，实现数字化二次回路在线状态评价指标的状态监测数据来源，主要来自①智能变电站继电保护等二次设备关于设备本身在线监测以及装置通信端口的在线监测信息；②交换机设备本身在线监测以及装置通信端口的在线监测、网络报文监测及自检告警信息；③网络分析仪设备对装置通信端口网络报文监测和统计分析信息。基于对上述信息的在线监测，实现数字化二次回路关键节点状态评价指标的在线监测。

所述步骤6中，基于数字化二次回路对象模型及在线状态评价指标，建立各条数字化二次回路的状态评估模型和算法，实现对智能变电站每条数字化二次回路状态评估。所述数字化二次回路的在线状态评估算法模型为：

m为评价指标的个数，wj为第j个指标权重系数，xj为第j个指标的评价值(百分制)。

建立数字化二次回路在线状态评估的评语集L＝[正常，注意，异常，严重异常]，其中L1(正常)＝80～100分，L2(注意)＝71～85分，L2(异常)＝61～70分，L2(严重异常)＝60分以下。

上述数字化二次回路在线状态评估的各评价指标xj的评价模型如下所述：

1)装置(保护设备)温度评价模型，y为在线监测状态评价指标分值；

2)装置(保护设备)通信端口链路状态评价模型，y为在线监测状态评价指标分值；

3)装置(保护设备)通信链路丢帧状态评价模型，y为在线监测状态评价指标分值；

4)装置(保护设备)通信端口端口流量评价模型，y为在线监测状态评价指标分值；

5)端口光模块温度评价模型，y为在线监测状态评价指标分值；

6)端口光模块电压评价模型，y为在线监测状态评价指标分值；

7)端口光模块光强评价模型；

8)交换机通信端口链路状态评价模型；

9)交换机通信链路丢帧率/误码率评价模型；

10)交换机通信端口端口流量评价模型，y为在线监测状态评价指标分值；

11)交换机通信模块温度评价模型，y为在线监测状态评价指标分值。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明通过对智能变电站数字化二次回路物理结构、工作机理、传输特性的分解和分析，提出了层次化的数字化二次回路在线状态评价指标体系，为实施精益化的智能变电站数字化二次回路在线状态评估奠定了基础。

本发明基于智能变电站继电保护二次设备和网络报文在线监测，为智能变电站数字化二次回路提供了一种完整的在线状态评估的方法，可以在线对智能变电站数字化二次回路上各节点状态进行监视和评估，及时发现智能变电站每条数字化二次回路上的薄弱环节，对整个数字化二次回路的健康状态进行综合评价，有效降低了智能变电站运行风险，提高了智能变电站二次运维检修效率，为智能变电站继电保护系统的整体状态评价和继电保护系统状态检修奠定基础。

附图说明

图1是本发明实施例中基于智能变电站数字化二次回路结构分解的智能变电站数字化二次回路对象模型类图。

图2是本发明实施例中构建的智能变电站数字化二次回路在线状态评估层次化指标体系示意图。

图3a是智能变电站典型间隔GOOSE链路通信网络结构示意图。

图3b是智能变电站数字化二次回路表征端口连接的有向图。

图4a－图4k是在线监测状态评价指标值评价模型图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明

本发明提供一种智能变电站数字化二次回路在线状态评估的方法，所述状态评估方法具体包括以下步骤：

步骤1：面向智能变电站数字化二次回路物理对象构建数字化二次回路对象模型；

步骤2：确定智能变电站数字化二次回路状态评估的关键节点；

步骤3：构建数字化二次回路上的每一个关键节点的状态评价指标；

步骤4：对数字化二次回路上的每一个关键节点评价指标建立相应的评价权重系数；

步骤5：基于继电保护、交换机和二次设备状态自检及在线监测，实现数字化二次回路状态评价指标的在线状态监测；

步骤6：基于数字化二次回路对象模型，建立各条数字化二次回路的状态评估模型和算法，实现对智能变电站每条数字化二次回路在线状态评估。

所述步骤1中，基于IEC 61970CIM面向对象的建模方法，扩展定义智能变电站数字化二次回路所涉及的物理对象模型，构建数字化二次回路连接模型，并通过有向图表示二次回路连接模型，上述扩展的数字化二次回路物理对象类有：

1)光纤通信端口类(Optical fiber Port)；

2)光模块类(OpticalModule)；

3)光端子(OpticalTerminal)；

4)屏柜间光缆类(OpticalCable)；

5)屏柜间光缆纤芯类(FibreCore)；

6)屏柜内尾纤类(PigtailCable)；

7)GOOSE链路类(GOOSELink)；

8)SV链路类(SVLink)。

数字化二次回路连接模型可以表示为如下的连接关系：

GOOSE链路/SV链路->装置光纤通信端口(发送端)->光模块->尾纤->光端子->光缆纤芯->光端子->尾纤->光模块->装置光纤通信端口(接收端)->GOOSE 链路/SV链路，其中交换机装置采样报文交换，并通过组播方式实现交换机各端口之间的信息传输，因此对于交换机装置还存在在一个组播组范围内的从一个交换机装置通信端口到另外一个或几个交换机装置通信端口之间的GOOSE链路或SV链路交换传输和链路连接的关系，如GOOSE链路/SV链路->交换机通信端口1->交换机通信端口2->GOOSE链路/SV链路。上述整个二次回路连接关系可通过有向图表示，并能确定每个端口流过的链路数。

图3a是智能变电站典型间隔GOOSE链路通信网络结构示意图。图3b所示，采用有向图表示智能变电站数字化二次回路各关键节点之间的连接关系和数据流向。通过有向图可以方便的找到每条二次回路上关键的节点。如线路保护发给母线保护的启动失灵信号通过GOSSE链路，沿着③->⑦->⑩->⑥的节点和方向发给母线保护。

所述步骤2中，根据附图1所示的智能变电站数字化二次回路结构和工作特性，选择数字化二次回路在线状态评估的关键节点主要包括①保护、测控、合并单元、智能终端等装置光纤通信端口；②光模块；③交换机光纤通信端口。

由于智能变电站采用GOOSE和SV网络信号代替了常规变电站装置之间硬接线的通信方式，采用GOOSE和SV传输保护、测控装置跳合闸命令，采样值信号，以及不同保护装置之间的闭锁和启动失灵等信号。由于采用GOOSE传输保护跳闸等重要的实时性报文，应满足继电保护“可靠性、速动性”的要求，因此 GOOSE在IEC 61850中属于快速报文传输服务。IEC 61850规定GOOSE报文传输的延迟应在4ms以内。为了降低报文处理过程的延时，保证数据传输的实时性，IEC 61850在定义GOOSE服务实现机制时，对原有的TCP/IP协议进行了裁剪，去掉了网络层和传输层。因此智能变电站数字化二次回路网络化信息传输，除了应用层外，仅存在物理层和链路层，物理层为数据传送服务，提供稳定可靠的物理通道，数据链路可以理解为数据通道，物理层为各终端设备间的数据通信提供传输介质及其连接，链路层是为网络层提供数据传送服务。

基于上述基于数字化二次回路物理结构特性分析选择的数字化二次回路在线状态评估的关键节点，以及通过对智能变电站数字化二次回路网络映射服务的特性和网络化数据传输的工作机制和交换机数据交换的工作机理等分析，形成了步骤3中所述的，构建数字化二次回路上的每一个关键节点的在线状态评价指标体系，将智能变电站数字化二次回路在线状态评估指标分成四层，第一层是目标层，构建数字化二次回路在线状态评估指标体系，第二层按照数字化二次回路物理结构分为装置光纤通信端口类状态评价指标、光模块类的状态评价指标、交换机光纤通信端口类的状态评价指标等三类关键评价指标，并用x 表示每条数字化二次回路各关键节点的评价指标值，其中x^a表示装置光纤通信端口类的状态评价指标，x^b表示光模块类的状态评价指标，x^c表示交换机光纤通信端口类的状态评价指标，第三层按照智能变电站数字化二次回路GOOSE、 SV的通信服务映射实现机制，将数字化二次回路各环节按物理层和链路层进行划分，第四层进一步划分出具体的在线状态评价指标，主要包括如下类型的评估指标：

1)装置光纤通信端口类状态评价指标主要包括：①装置通信端口链路状态；②装置通信端口流量；③装置通信链路丢帧状态；

2)光模块类状态评价指标主要包括：

①端口SFP光模块温度；②端口SFP光模块电压；③端口SFP光模光强；

3)交换机光纤通信端口类状态评价指标主要包括：

①交换机通信端口链路状态；②交换机通信端口流量；③交换机通信端口丢帧率；

如上所述，构建的智能变电站数字化二次回路在线状态评估层次化指标体系如图2所示。

所述步骤4中，对数字化二次回路评价指标权重系数基于九级标度，采用层次分析法建立评价指标权重系数，Wj表示第j个指标权重系数，其中

∑wj＝1

j的取值，取决于选取评价指标的总数目，本实施例中，根据本发明所述选取的评价指标，j取值范围为1－11。

所述步骤5中，基于继电保护、交换机和二次设备状态自检及在线监测，实现数字化二次回路在线状态评价指标的状态监测数据来源，主要来自①智能变电站继电保护等二次设备关于设备本身在线监测以及装置通信端口链路状态的在线监测信息；②交换机设备本身在线监测以及装置通信端口的在线监测、网络报文监测及自检告警信息；③网络分析仪设备对装置通信端口网络报文监测和统计分析信息。基于对上述信息的在线监测，实现数字化二次回路关键节点状态评价指标的在线监测。

其中智能变电站继电保护、测控装置、合并单元、智能终端等设备主要包括 a)装置温度、b)通信链路状态、c)装置端口光模块温度、d)装置端口光模块电压、e)装置端口光模块光强等在线状态监测信息的采集；

交换机设备主要包括a)交换机设备通信模块温度、b)交换机端口状态、c) 交换机端口光模块温度、d)交换机端口光模块电压、e)交换机端口输入输出字节数、f)交换机端口输入输出帧数、g)交换机端口速率等在线状态监测信息的采集；

网络分析仪主要包括a)解析出的各通信链路状态、b)解析出的各通信链路流量、c)解析出的各通信链路严重丢帧状态；

基于对上述信息的在线监测，实现数字化二次回路关键节点状态评价指标的在线监测。

所述步骤6中，基于数字化二次回路对象模型及在线状态评价指标，建立各条数字化二次回路的状态评估模型和算法，实现对智能变电站每条数字化二次回路状态评估。所述数字化二次回路的在线状态评估算法模型为：

m为评价指标的个数，wj为第j个指标权重系数，xj为第j个指标的评价值(百分制)。本实施例中，m取11。

建立数字化二次回路在线状态评估的评语集L＝[正常，注意，异常，严重异常]，其中L1(正常)＝80～100分，L2(注意)＝71～85分，L2(异常)＝61～70分，L2(严重异常)＝60分以下。

上述数字化二次回路在线状态评估的各评价指标xj的评价模型如下所述：

1)装置(保护设备)温度评价模型，y为在线监测状态评价指标分值，如图

4a所示；

2)装置(保护设备)通信端口链路状态评价模型，y为在线监测状态评价指标分值，如图4b所示；

3)装置(保护设备)通信链路丢帧状态评价模型，y为在线监测状态评价指标分值，如图4c所示；

4)装置(保护设备)通信端口端口流量评价模型，y为在线监测状态评价指标分值，如图4d所示；

5)端口光模块温度评价模型，y为在线监测状态评价指标分值，如图4e所示；

6)端口光模块电压评价模型，y为在线监测状态评价指标分值，如图4f所示；

7)端口光模块光强评价模型，如图4g所示；

8)交换机通信端口链路状态评价模型，如图4h所示；

9)交换机通信链路丢帧率/误码率评价模型，如图4i所示；

10)交换机通信端口端口流量评价模型，y为在线监测状态评价指标分值，如图4j所示；

11)交换机通信模块温度评价模型，y为在线监测状态评价指标分值，如图 4k所示。

本发明通过对智能变电站数字化二次回路物理结构、工作机理、传输特性的分解和分析，提出了层次化的数字化二次回路在线状态评价指标体系，为实施精益化的智能变电站数字化二次回路在线状态评估奠定了基础。本发明基于智能变电站继电保护二次设备和网络报文在线监测，为智能变电站数字化二次回路提供了一种完整的在线状态评估的方法，可以在线对智能变电站数字化二次回路上各节点状态进行监视和评估，及时发现智能变电站每条数字化二次回路上的薄弱环节，对整个数字化二次回路的健康状态进行综合评价，有效降低了智能变电站运行风险，提高了智能变电站二次运维检修效率，为智能变电站继电保护系统的整体状态评价和继电保护系统状态检修奠定基础。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方法进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。