SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要：在城市变电站小型化的要求下，保测合智纵向集成的智能变电站成为新趋势，而过程网是智能变电站实时信息的交互中心，准确快速地诊断与定位过程网故障能及时排除二次系统隐患，保障变电站的安全可靠运行。为此，以某110kV智能变电站为对象，针对保测合智纵向集成的智能变电站过程网的故障诊断与定位方法开展研究，根据信源/信宿矩阵、端口物理/逻辑联接矩阵，构建保测合智纵向集成的智能变电站IED的端口报文信息传输链条模型；并基于此，针对不同类型的过程网络故障类型分析了基于SV或GOOSE报文异常告警信息的过程网络故障特征，从而形成过程网络的异常故障类型辨识与故障定位判据，最终提出了一种保测合智纵向集成的智能变电站过程网的故障诊断与定位方法，为保测合智纵向集成的智能变电站过程网实时信息传输链条模型的构建提供了方法。
关键词：智能变电站；保测合智；纵向集成；过程网络；故障诊断
Fault Diagnosis and Location Method of Process Network of Intelligent Substation with Vertical Integration
Li Ying1，Wang Weiquan1，Zhang Liang1，Liang Zhujian1，Xu Zhenli2，Liang Yuansheng2
(1.Zhaoqing Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co.,Ltd.,Zhaoqing,Guangdong 526000,China;2.School of Electric Power,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)
Abstract:Under the requirement of miniaturization of urban substations,the intelligent substation with vertical integration of protection,measurement,merge unit and intelligence unit has become a new trend.The process network is the interactive center of real-time information of the intelligent substation.The accurate and rapid diagnosis and location of process network failure can timely identify the hidden dangers of the secondary system,and ensure the safe and reliable operation of the substation.Therefore,this paper took a 110 kV intelligent substation with vertical integration as the research object and analyzed the fault diagnosis and location of process network.The port information model of the intelligent substation IED based on vertical integration according to the source/sink matrix and the port physical/logical connection matrix was constructed.Based on this,for different types of process network failure,the fault characteristics of process network were analyzed,and the criteria for identification and location were formed.Then a fault diagnosis and location method of intelligent substation process network with vertical integration was proposed.It provides a method for the construction of the real-time information chain model of the intelligent substation process network with the vertical integration.
Key words:intelligent substation;protection,measurement,merge unit and intelligence unit;vertical integration;process network;fault diagnosis
0引言
智能变电站的过程网络为变电站的状态信息采集提供了高可靠的实时通信网络，智能变电站二次设备之间的物理端口与逻辑端口通过虚端子连接实现关联表述，过程网络的拓扑以及信息流都可在线获取，为实现智能变电站过程网络的状态检测与故障诊断提供了重要的技术基础[1-5]。
智能变电站过程网的IED设备采用虚连接技术，具备虚回路异常告警功能，当发生异常告警时，智能变电站后台监控系统可获得IED设备的网络端口报文的异常状态信息[6-9]。但仅依靠IED端口的报文异常告警并不能诊断异常故障类型和故障的位置，不利于网络故障的快速恢复。对此，专家学者围绕智能变电站过程网络的信息传输环节提出了故障辨识和定位方法。例如，在网络性能测试与实验方面，搭建过程网测试系统对变电站在正常工作和极端运行条件下的过程网进行性能监测，考虑了变电站的基本运行工况，能进行雪崩试验等极端运行环境下的试验项目[10]。在过程网络故障辨识方面，采用故障特征描述模型与故障分析程序分离的设计方法，根据报文类型动态加载其故障模型，及时发现网络通信故障[11]；利用模糊正态分布函数将状态的特征信息和性能相关联，反映继保装置运行状态的变化，及时发现网络的通信故障及其评价结果[12]；还有基于保护内部加工信息构建反映继电保护系统状态特征的精简数据指标集,对继电保护进行在线状态评价[13]；通过建立在线运检继电保护描述模型来描述继电保护状态信息及其关联关系，对继电保护的状态进行监测和故障定位[14]。上述方法为智能变电站的二次设备提出了现实可行的在线检测和故障辨识方法。
近年来，随着智能变电站小型化、集成化的发展趋势，提出了将保护、测控、合并单元和智能终端纵向集成为一个装置[15-18]，因其具有占地面积小、电缆使用量大大降低、设备维护难度降低等的优点，适合应用在物理空间有限的小型变电站。由于保测合智(保护、测控、合并单元及智能终端)纵向集成装置将保护和测控下放到过程层，改变了智能变电站母线保护和站域保护的信息传输链路，原有的物理与逻辑关联模型不再适用。
为此，本文以保测合智纵向集成的智能变电站为研究对象，根据信源矩阵、信宿矩阵、端口物理联接矩阵和逻辑联接矩阵，构建保测合智纵向集成的智能变电站IED的端口报文信息传输链条模型。基于此，针对不同类型的过程网络故障类型，分析基于SV或GOOSE报文异常告警信息的过程网络故障特征，从而形成过程网络的异常故障类型辨识与故障定位判据，提出一种四合一架构的智能变电站过程网的故障诊断与定位方法。
1保测合智纵向集成智能变电站的信息流
智能变电站的电气采样、开关状态和控制指令等实时信息通过9-2SV报文和GOOSE报文以广播的形式汇集于过程网，相关间隔设备通过对通信报文控制块的订阅实现实时信息交互的虚连接。这种报文的虚连接关系信息保存于智能变电站的全站配置文件(SCD)，提供了完整的二次系统设备与端口的物理与逻辑的连接关系，可以建立以端口为基本单元的端口描述模型和端口逻辑关系模型。
本文以保测合智纵向集成的某110 kV智能变电站为例，分析建立保测合智纵向集成的智能变电站二次系统的信息传输链条。该站的一次主接线图如图1所示，包含110 kV和10 kV两个电压等级，均采用单母线分段接线方式，各段母线各布置一回线路间隔和一台主变间隔；其中线路间隔采用了四合一装置，分段断路器间隔和主变间隔采用了合智一体装置；110 kV母线差动保护将各间隔的信息以星型接法连接到主交换机，该站配备了智能录波器(RECV)，用于收集过程网络的实时信息，提供智能变电站的二次系统在线监测功能。利用SCD文件不难获得全站的IED与端口的物理和逻辑关联关系，如图2所示。为便于分析，将每个报文都以其发送端口的编号和报文类型来命名，如gocb2是指端口2发出的GOOSE报文。
2保测合智纵向集成的过程网异常故障诊断与定位方法
2.1端口描述模型与报文信源和信宿矩阵
IED端口、SV和GOOSE报文在图2中均作了标注。根据SCD文件的虚端子连接信息，可知各端口的发送报文和接收报文情况，通过建立端口描述模型Y存储这些信息。本文以线路1间隔、110 kV母线的分段断路器间隔和110 kV母线间隔为例，列出相关IED端口的描述：
由此可得端口报文的信源矩阵S和端口报文信宿矩阵R。同样地，受篇幅所限，本文只列出端口物理关联矩阵相关的gocb2、gocb29、gocb30、sv2、sv4和sv29这6种报文，考虑GOOSE报文和SV报文可分配为同一物理网络的不同虚拟VLAN，因此将信源矩阵S和S×3、信宿矩阵R和R×3，按GOOSE和SV进行区分，其中元素分别为：
2.2设备端口的物理与逻辑连接矩阵
根据过程网各交换机的拓扑信息可构建出过程网络和IED设备的端口物理关联矩阵D 19×19和端口逻辑关联矩阵C19×19；相关间隔的物理关联模型和端口逻辑关联模型的元素为：
由图2，端口物理关联矩阵D中，取值为1的元素包含：d1,3、d2,5、d3,1、d4,6、d5,2、d6,4、d7,33、d29,31、d30,35、d31,29、d33,7、d35,30、d37,39、d39,37、d41,42、d42,41，表示了端口的物理关联关系；端口逻辑关联矩阵C中，取值为1的元素包括：c5,7、c5,37、c6,7、c6,37、c7,5、c7,6、c31,35、c31,41、c32,35、c33,35、c34,35、c35,31、c35,32、c35,33、c35,34、c35,36、c36,35、c37,5、c37,6、c42,31、c42,35，表示了端口的逻辑关联关系。
通过端口物理关联模型可得二次系统端口之间的关系，通过端口逻辑关联模型可得各端口的逻辑关系，结合物理链路和虚拟连接关系，可以进一步生成信息传输链条。
2.3端口报文的信息传输链条
SV和GOOSE报文从发送端到订阅端可能经过的路径如图3所示。
因此，设每种报文的传输端口集合为：
P m={m,⋯,i,⋯,n}
式中：下标“报文m”为报文名称(包含报文类型与发送端口m)；上标n为报文m的接收端口，该集合包含了报文m从发送端口m到接收端口n所经历的所有端口。
由图3可知，根据物理关联矩阵和端口逻辑关联矩阵，可生成每种报文的传输端口集合。本文仍以2.1节相关间隔为例论述报文的传输端口集合的获取过程。
(1)由信源矩阵S和S×3，得到各报文的发送端口写入Pm集合中；例如S×3的第一行为gocb2，发送端口为2，将“2”置入P集合。
(2)报文经过物理介质传输至交换机，由端口物理关联矩阵D 19×19可得：
由S和S得到报文经过的交换机端口，将新增端口添加到Pm集合。
(3)报文经交换机传输，由端口逻辑关联矩阵C 19×19可得：
由S和S得到各报文经过的交换机端口，将新增端口添加到Pm集合。
(4)报文从交换机出来再经过物理介质传输，由端口物理关联模型D 19×19可得：
由S和S得到各报文经过的端口，将新增端口添加到Pm集合。
(5)若报文仍存在未送达的信源端口，继续并重复步骤2到4。从而可以得到各报文传输链条的端口集合。
由图2所示，间隔1、110 kV母线分段断路器间隔和110 kV母线间隔经过程网传输的报文包含gocb2、sv2、sv4、gocb29、sv29、gocb30共6种报文，由上述步骤可得上述报文所经历的过程网络端口集合为：P=P={2,5,7,30,33,35}；P=P={2,5,37,39}；P={4,6,7,30,33,35}；P={4,6,37,39}；P=P={29,30,31,35}；P=P={29,30,41,42}；P ocb30={2,5,7,33,35,36}；P={29,30,31,35}；P={30,35,41,42}。
2.4过程网络异常故障诊断与定位判据
基于所得的各报文传输链条的端口集合，可根据IED设备的过程网报文丢失时的异常告警，对所有异常报文的端口集合进行并集处理，得到疑似问题端口；再根据正常报文的端口集合进行并集处理，得到正常端口，并从疑似问题端口中排除正常端口，从而缩小问题端口的范围，搜索逻辑为：
式中：Pk为异常告警的端口报文对应的信息链条端口集合；Pl为正常端口报文的信息链条端口集合。
然后，根据故障端口集合，本文按同一时间发生2个或以上环节故障的事件为小概率事件，即以单一环节故障为判断原则，故障类型包括：网络端口或光纤通道异常、交换机异常和虚拟局域网VLAN异常。
3算例分析
假设过程网采用SV和GOOSE共网，并采用VLAN划分。
(1)算例1：端口或光纤通道故障
假设图2所示过程网端口5(或端口2或光纤通道2-5发生故障)，此时受影响的端口报文包括端口39的gocb2/sv2、端口30的gocb2/sv2和端口2的gocb30，后台系统获得这3个报文链路断链的告警信息，分别从SV和GOOSE网分别进行诊断。
于是由P P和Pocb30可得疑似故障端口集合：
其余GOOSE报文均正常，因此从中剔除7、33、35、37、39，可将故障端口缩小到：
同理：
剔除7、35、30、37、39，可将故障端口缩小到：
由于SV和GOOSE的VLAN异常都定位在端口2、5或光纤2-5，因此认为是物理端口2、5或光纤2-5的异常，结果正确。
(2)算例2：交换机失效
假设间隔1的交换机异常，GOOSE和SV的VLAN都不能正常传输，后台系统发出端口2的gocb30、端口39的gocb2/sv2、端口30的gocb2/sv2/sv4链路的断链告警，由此可得：
可见，SV和GOOSE的VLAN都存在多个端口故障，均处于间隔1的交换机，因此可故障定位在间隔1交换机故障。结果正确。
(3)算例3：中心交换机失效
母线间隔的中心交换机故障，后台告警为包括端口15、22、12、2、41、29的gocb30报文链路；以及端口30的相关sv和gocb链路，结果为：
均为母线间隔中心交换机的端口，判定为中心交换机异常，结果正确。
(4)算例4：交换机间的连线异常
若光纤7-33异常；后台告警有：端口2的gocb30、端口30的gocb2sv2sv4；其余均正常。特别地，由于各间隔装设了智能录波器(RECV)，能检测各自间隔的sv和gocb报文，交换机间的连线异常不影响智能录波器对间隔报文的收集，SV和GOOSE的VLAN异常端口集结果都为：
可判定为光纤7-33异常、或端口7或端口33异常，结果正确。
4结束语
本文提出了保测合智纵向集成的智能变电站过程网络信息传输环节的故障诊断和定位方法，利用变电站后台管理系统的IED设备端口报文的异常告警信息，建立端口描述模型与报文信源和信宿矩阵，生成设备端口的物理与逻辑连接矩阵，得到端口报文的信息传输链条模型，从而建立过程网络异常故障诊断与定位判据。基于所提判据的过程网故障诊断与定位方法，相比于原有的端口报文异常告警信息，可最大限度缩小过程网络的故障范围，能准确判定故障位置，大大降低了现场运维和检修的难度，有利于快速排除二次系统传输链路的故障。
参考文献：
[1]韩小涛,尹项根,张哲.故障树分析法在变电站通信系统可靠性分析中的应用[J].电网技术,2004(1):56-59.
[2]高磊,卜强生,袁宇波,等.基于二次回路比对的智能变电站调试及安全措施[J].电力系统自动化,2015,39(20):130-134.
[3]孔军,朱海峰,潘芸,等.基于实时信息的智能变电站二次设备状态综合评价[J].机电工程技术,2023,52(4):221-226.
[4]王超,王慧芳,张弛,等.数字化变电站继电保护系统的可靠性建模研究[J].电力系统保护与控制,2013,41(3):8-13.
[5]曹帅.智能变电站继电保护系统可靠性分析[J].机电工程技术,2021,50(7):94-96.
[6]嵇建飞,袁宇波,王立辉,等.某110 kV智能变电站合并单元异常情况分析及对策[J].电工技术学报,2015,30(16):255-260.
[7]王涛,张尚,顾雪平,等.电力系统运行状态的趋势辨识[J].电工技术学报,2015,30(24):171-180.
[8]许伟国,张亮.数字化变电站网络通信在线故障诊断系统的设计与应用[J].电力自动化设备,2010,30(6):121-124.
[9]李瑞琦,胡凯.PLC在变电站变压器自动化控制的应用研究[J].装备制造技术,2020(7):164-166.
[10]刘昊昱,左群业,张保善.智能变电站过程层网络性能测试与分析[J].电力系统保护与控制,2012,40(18):112-116.
[11]许伟国,张亮.数字化变电站网络通信在线故障诊断系统的设计与应用[J].电力自动化设备,2010,30(6):121-124.
[12]吴姜,蔡泽祥,胡春潮,等.基于模糊正态分布隶属函数的继电保护装置状态评价[J].电力系统保护与控制,2012,40(5):48-52.
[13]陈星田,熊小伏,齐晓光,等.一种用于继电保护状态评价的大数据精简方法[J].中国电机工程学报,2015,35(3):538-548.
[14]龙翩翩.智能变电站继电保护失效模型与在线运检方法研究[D].广州:华南理工大学,2017.
[15]朱萍,郭朝云,尹星,等.220 kV智能变电站二次功能就地化纵向集成设计[J].电力勘测设计,2018(1):59-63.
[16]罗振威,刘永欣,余栋斌,等.智能变电站二次系统集成优化设计[J].电气技术,2017(8):84-88.
[17]陈玉兰,揭萍,方存洋,等.新型保护测控一体化装置的研制[J].电力系统自动化,2005,29(23):83-86.
[18]曹亮,陈小卫,肖筱煜.新一代智能变电站二次设备集成方案[J].电力建设,2013,34(6):26-30.
关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！ 文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/ligonglunwen/63571.html
