在智能變電站中，傳統(tǒng)變電站設備間的電纜已經(jīng)由光纖取代，傳統(tǒng)的二次回路已經(jīng)由通信網(wǎng)絡取代，光數(shù)字信號取代了傳統(tǒng)的電氣信號，實現(xiàn)了二次設備的網(wǎng)絡化。這種變化導致裝置間的連接不再直觀，大量端子間一對一的連接匯總于同一根光纖中，簡單直觀的電氣信號已不復存在，通信網(wǎng)絡中存在大量且復雜的數(shù)據(jù)報文，使熟悉傳統(tǒng)回路的運維檢修人員在查找故障時無從下手。

將在智能變電站二次設備之間采用的傳輸效率更高的光纖連接與電纜相比，光纖傳輸信號能夠更容易實現(xiàn)在線監(jiān)測，這為智能變電站二次回路在線監(jiān)測與故障定位提供了良好的基礎，而智能變電站信息高度集成也使得故障檢修變得極為復雜?；诖耍疚奶岢隽酥悄茏冸娬径位芈吩诰€監(jiān)測與故障診斷的方法。

1  當前智能變電站的運維現(xiàn)狀和問題

當前，對智能變電站二次回路的檢修主要依賴運維人員的定期檢修，智能化的優(yōu)勢并沒有得到很好體現(xiàn)。定期檢修采取的是單純按照時間間隔進行維修的方式，不考慮設備的實際運行情況，而是對所有設備進行全面的檢修。這種方式不僅浪費了大量的人力、物力和財力，而且縮短了設備的有效使用時間，同時也增加了設備出現(xiàn)維修故障的風險。這種檢修方式對于兩次定檢之間的設備故障無法及時發(fā)現(xiàn)，容易造成事故。

當智能變電站某處設備發(fā)生故障時，設備會產(chǎn)生大量的告警信息，運維人員面對故障產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)報文，很難迅速定位故障的準確位置，通常只能按照運維人員的經(jīng)驗進行逐一排查，工作量大，而且對于運維人員的綜合分析能力有著很高的要求。

以智能變電站中某一個SV或者GOOSE鏈路中斷為例，首先需要人工確定和核實中斷鏈路的發(fā)送方和接收方。一般220kV智能變電站的智能設備數(shù)量在100臺以上，110kV智能變電站智能設備數(shù)量在40臺以上。

通常情況是發(fā)現(xiàn)某個保護設備異常，無法收到某個SV或者GOOSE報文，然后通過查看比對變電站配置描述（substation configuration description, SCD）文件找到與其關聯(lián)的設備以及相關的控制塊引用名（GoCBRef）、GOOSE應用標識（Appid）等相關信息，再通過抓取過程層報文進行人工分析來確認問題是否真的存在，然后一步步查找問題。若還要確認相關物理鏈路是否存在故障，則需要通過光功率計對物理鏈路進行逐一排查。

智能變電站二次設備間存在大量SV、GOOSE報文交互，依靠運維人員來完成大量報文的排查，不僅效率低，而且準確性也無法保證，對于某些較為復雜的故障或者偶發(fā)性無規(guī)律的故障，通過人工排查定位故障點更加困難。

2  二次回路在線監(jiān)測與故障定位系統(tǒng)架構

在智能變電站中實現(xiàn)二次回路在線監(jiān)測和故障定位，主要依賴于對網(wǎng)絡中的大量數(shù)據(jù)報文進行獲取并綜合分析。智能變電站二次回路在線監(jiān)測與故障定位系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1  智能變電站二次回路在線監(jiān)測與故障定位系統(tǒng)架構

整個系統(tǒng)結構包括智能變電站的過程層、間隔層和站控層設備，其中虛線框中是二次回路在線監(jiān)測與故障定位系統(tǒng)的主要組成部分。系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)管理單元和數(shù)據(jù)采集單元兩部分，數(shù)據(jù)管理單元和數(shù)據(jù)采集單元都部署在變電站的二區(qū)網(wǎng)絡中。

對于網(wǎng)采網(wǎng)跳模式，保護設備、智能終端和數(shù)據(jù)采集單元均從過程層網(wǎng)絡獲取SV、GOOSE數(shù)據(jù)；對于點對點模式，保護設備和數(shù)據(jù)采集單元直連CT獲取模擬量數(shù)據(jù)，智能終端直連保護設備獲取GOOSE跳閘信號。

數(shù)據(jù)管理單元通過獲取站控層A、B網(wǎng)中的制造報文規(guī)范（manufacturing message specification, MMS）數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)據(jù)得到整個站的運行數(shù)據(jù)，通過對全站的數(shù)據(jù)進行監(jiān)視和分析得到全站設備的運行狀況，當出現(xiàn)故障時，能夠準確地定位故障點及獲取相關參數(shù)，從而實現(xiàn)快速故障定位。

3  二次回路在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集

二次回路在線監(jiān)測與故障定位系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)管理單元從智能變電站站控層網(wǎng)絡和過程層網(wǎng)絡獲取，無論對于組網(wǎng)模式還是點對點模式，智能變電站的網(wǎng)絡報文數(shù)量都較為龐大，存在大量的冗余數(shù)據(jù)和非重要的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生較大壓力，所以需要對數(shù)據(jù)進行篩選和過濾。

實現(xiàn)二次回路在線監(jiān)測需要采集設備的保護運行狀態(tài)信息、告警信息、保護動作信息、SV/GOOSE鏈路狀態(tài)信息：保護運行狀態(tài)信息包括裝置自身軟硬件的狀態(tài)信息、壓板、開關量、裝置溫度、光口光強、電源電壓信息、裝置的采樣值信息；告警信息包括采樣值、開關量等異常告警以及裝置自身的異常告警；保護動作信息包括保護自身的動作信號和動作出口信號；SV/GOOSE鏈路狀態(tài)信息包括各個設備接收報文的狀態(tài)信息以及報文格式異常信息。

上述信息包括站控層的MMS數(shù)據(jù)和過程層的SV/GOOSE數(shù)據(jù)，站控層的MMS數(shù)據(jù)可以由數(shù)據(jù)管理單元通過MMS來直接獲取，或者通過訂閱和周期性上送來接收保護設備發(fā)送的MMS報文數(shù)據(jù)。過程層的SV/GOOSE信息數(shù)據(jù)量龐大，但可直接應用于二次回路狀態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)較少，所以由數(shù)據(jù)采集單元實時監(jiān)控過程層網(wǎng)絡中的SV、GOOSE報文并記錄，當數(shù)據(jù)管理單元需要時，直接從數(shù)據(jù)采集單元獲取。

4  二次回路的可視化顯示

隨著智能變電站技術的發(fā)展，智能變電站中的所有IED設備按照IEC 61850標準建模，智能變電站的全站配置信息集成在全站系統(tǒng)配置文件SCD中。SCD中的二次回路信息包含GOOSE、SV發(fā)布/訂閱的控制塊配置、DO的內(nèi)部短地址、物理端口描述、虛端子循環(huán)冗余校驗（cyclic redundancy check, CRC）及版本信息等。

為了實現(xiàn)智能變電站二次回路可視化，需要將SCD中智能二次設備組成的過程層網(wǎng)絡剝離開來[10]，獲取過程層網(wǎng)絡虛端子連接信息和物理光纖連接信息，然后使用建模圖元在軟件界面上顯示。借助二次回路可視化，可以快速在可視化界面上定位故障位置，從而直接找到實際的故障位置。

二次回路可視化主要包括以下兩個部分。

1）二次回路可視化第一部分：以圖形元素建模IED以及二次回路中虛端子和物理光纖連接。

（1）IED圖形元素建模。將IED設備自身的各種狀態(tài)（如壓板、開關量、采集量、面板燈狀態(tài)等數(shù)據(jù)）以圖形化元素在軟件界面上虛擬出來，得到裝置運行狀態(tài)顯示界面，通過裝置運行狀態(tài)界面可以實時監(jiān)控裝置的各項運行參數(shù)，如圖2所示。

圖2  裝置運行狀態(tài)界面 

（2）虛端子和物理光纖連接圖形建模。根據(jù)SCD中過程層網(wǎng)絡數(shù)據(jù)和變電站現(xiàn)場光纖的連接狀況，對二次回路中的虛端子連接信息和物理連接信息進行建模，通過圖形化建模以虛擬的線路來圖形化顯示設備之間的虛端子連接和物理連接，得到全站的物理連接圖和虛實回路圖，分別如圖3和圖4所示。

物理連接圖中每一根圖形化線路代表實際現(xiàn)場中的一根光纖，從圖中可以清楚看到全站的光纖連接狀況，同時可以顯示光纖中傳輸?shù)膱笪氖瞻l(fā)情況，以及光纖發(fā)送端、接收端光口光強信息。虛實回路圖中每一根線路代表一組虛端子連接，運維人員從圖中可以清楚看到全站設備之間發(fā)送的數(shù)據(jù)報文具體信息的走向。

圖3  全站物理連接圖

圖4  全站虛實回路圖 

2）二次回路可視化第二部分：將二次回路可視化界面中的動態(tài)圖元與對應的站控層MMS告警信號關聯(lián)起來。

二次回路可視化界面中所有動態(tài)圖元都被關聯(lián)到實際對應的MMS報文信號，通過訂閱獲取和周期性上送的MMS報文來獲取圖元的當前狀態(tài)，從而動態(tài)地顯示該圖元，使運維人員能夠清楚地觀察到二次回路的實時變化狀態(tài)。當設備出現(xiàn)故障時，大量看不見摸不著的報文數(shù)據(jù)就會轉化成動態(tài)可見的圖形顯示出來，運維人員可以根據(jù)圖形化界面輕松找到故障的位置。

5  二次回路的故障定位

5.1  SV/GOOSE鏈路故障定位

二次設備經(jīng)過一段時間的運行后，由于故障、維修、設備老化等原因，導致二次設備的運行狀態(tài)相對于設備剛投運時的狀態(tài)有所下滑[11]。二次回路中大多數(shù)故障出現(xiàn)在過程層中，過程層中的SV/GOOSE報文產(chǎn)生的告警經(jīng)常是由于某個IED設備在某個時間段內(nèi)沒有收到有效的SV、GOOSE報文而產(chǎn)生相應的MMS告警。

例如：當某個IED設備GOOSE鏈路斷鏈時，該IED設備無法接收到相應的GOOSE報文，就會通過站控層的MMS報文上送相應的鏈路斷鏈告警報文，于是，數(shù)據(jù)管理單元通過訂閱MMS報文獲取到SV、GOOSE鏈路的異常數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)管理單元在接收到該GOOSE斷鏈的報文后，進行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)基本信息定位是哪個IED發(fā)出的鏈路異常告警，再根據(jù)可視化中動態(tài)圖元與MMS告警信號的關聯(lián)關系，找到該報文對應的具體虛擬光纖線路圖元，通過標紅以及打叉的方式將該線路以及線路中異常數(shù)據(jù)走向表示出來，如圖5所示，這樣就可以得到一個基本的故障區(qū)域。

圖5中標紅以及打叉顯示的是某兩個IED之間的某根光纖連接存在異常，可能是物理斷鏈，也可能是該光纖中傳輸?shù)哪硞€數(shù)據(jù)報文異常而導致的邏輯斷鏈。點擊異常光纖可查看該光纖的詳細數(shù)據(jù)，包括光纖中傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)報文的通信狀態(tài)，如圖6所示，根據(jù)此信息可定位該光纖中具體邏輯鏈路異常的位置，再根據(jù)此邏輯鏈路異常信息定位具體設備。

在圖5中點擊光口，可以查看具體的光口信息，包括當前光口光強以及光口光強的告警信息，如圖7所示。根據(jù)此信息可以判斷此光纖是否存在物理斷鏈，在對存在問題的物理設備進行更換后，即可消除告警。

圖5  間隔光纖鏈路監(jiān)測

圖6  光纖異常信息

圖7  光口信息

當二次回路中出現(xiàn)SV/GOOSE鏈路異常時，數(shù)據(jù)管理單元對保護設備發(fā)出的斷鏈告警MMS報文信息進行分析，將現(xiàn)場實際鏈路狀況以動態(tài)圖形化界面顯示在運維人員面前，運維人員可通過可視化光纖連接圖快速定位。

5.2  二次回路設備板卡的故障定位

將智能變電站中每個IED設備的板卡面板進行圖形建模，然后根據(jù)變電站現(xiàn)場設備的實際情況，通過圖形化方式將每一個IED設備板卡面板清晰地顯示在可視化界面中，包括板卡面板中的每一個插件和端口。

將每個插件和端口圖元關聯(lián)到對應的MMS故障信號，數(shù)據(jù)管理單元訂閱這些MMS報文，當背板中的端口或插件出現(xiàn)故障時，IED設備就會發(fā)出故障MMS報文，數(shù)據(jù)管理單元收到這些MMS報文后定位具體設備的端口和插件，將該板卡標紅顯示，并根據(jù)故障類型給出具體處理建議，如圖8所示。

圖8  二次回路設備板卡的故障定位

當設備長時間運行出現(xiàn)物理性損壞時，運維人員可通過可視化界面直觀查看故障位置及故障類型，從而快速定位故障，消除故障。