基于二次系統(tǒng)狀態(tài)的智能變電站高可視化全景調(diào)測平臺研究

于立濤, 張?zhí)? 王黎, 胡薇, 郝福友

(1.國網(wǎng)青島供電公司， 青島 266000；2.山東安信源信息技術(shù)有限公司， 濟(jì)南 250100)

0 引言

而對于智能電網(wǎng)，智能變電站是非常關(guān)鍵的組成部分與重要支持?，F(xiàn)階段我國既已投入的智能變電站規(guī)模不斷擴(kuò)大，并在智能變電站標(biāo)準(zhǔn)制定、方案設(shè)計、設(shè)備研發(fā)、運行維護(hù)等各個方面都是實現(xiàn)了一定的突破性發(fā)展。但是，智能變電站二次設(shè)備的實現(xiàn)與應(yīng)用方式依舊產(chǎn)生了巨大變化，特別是調(diào)試與施工等方面，差異十分顯著，從而使得智能變電站二次系統(tǒng)的調(diào)試難度有所增加，涉獵范圍明顯擴(kuò)大，調(diào)試設(shè)備隨之增多，進(jìn)而直接阻礙了智能變電站工程施工效率與質(zhì)量。因此，深入探究智能變電站二次系統(tǒng)集成調(diào)測具有十分重要的現(xiàn)實意義。在智能變電站逐漸普遍化的形勢下，對變電站二次系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)測，選取科學(xué)合理的、高效的調(diào)測方法，能夠有效降低變電站的構(gòu)造實踐，具備較高的應(yīng)用價值。而且在智能變電站數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的不斷發(fā)展形勢下，以信息為基礎(chǔ)的自主采集與檢測等性能，能夠?qū)崿F(xiàn)智能變電站的二次系統(tǒng)高可視化全景調(diào)測。所以，本文進(jìn)行了基于二次系統(tǒng)狀態(tài)的智能變電站高可視化全景調(diào)測平臺設(shè)計，實現(xiàn)了對二次設(shè)備的直觀有效調(diào)控，提高了變電站的運行效率與質(zhì)量。[1]

1 可視化平臺

新型智能變電站可視化平臺是以全體業(yè)務(wù)作為基礎(chǔ)，針對變電站基礎(chǔ)運行數(shù)據(jù)與高級應(yīng)用進(jìn)行可視化管理。

1.1 結(jié)構(gòu)與功能

就相關(guān)設(shè)計要求，一體化信息平臺是智能變電站中唯一并統(tǒng)一的信息平臺，其融合了傳統(tǒng)多個變電站子系統(tǒng)的有效功能，即綜合自動化、動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、保護(hù)信息管理系統(tǒng)等等，通過融合實現(xiàn)橫向設(shè)備與子站信息共享，縱向數(shù)據(jù)與源端維護(hù)，進(jìn)而在一定程度上保證了變電站的運行效率與穩(wěn)定性、可靠性。一體化信息平臺架構(gòu)設(shè)計具體如圖1所示。

圖1 一體化信息平臺架構(gòu)示意圖

基于這一平臺，統(tǒng)一管理運行數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)保護(hù)信息遠(yuǎn)動。

就結(jié)構(gòu)而言，一體化平臺主要包含四部分，即硬件接口、數(shù)據(jù)庫、通信模塊、第三方應(yīng)用。其中，硬件接口連接底層設(shè)備，與采集狀態(tài)狀態(tài)、開關(guān)量信息相關(guān)聯(lián)。在經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)通信之后，在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行保存，以平臺為基礎(chǔ)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)信息抽調(diào)應(yīng)用，同時還支持基于第三方應(yīng)用與平臺相連接，以此將平臺的多元化功能充分發(fā)揮出來。具體功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 一體化業(yè)務(wù)平臺功能結(jié)構(gòu)

智能變電站一體化業(yè)務(wù)平臺主要基于三大技術(shù)，即全景數(shù)據(jù)庫技術(shù)、通信標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù) 、信息可視化技術(shù)，集成數(shù)據(jù)歸一化模塊與數(shù)據(jù)校驗?zāi)K。針對外部提供相關(guān)接口，即應(yīng)用程序編程接口、查詢語言接口、標(biāo)準(zhǔn)化通信接口，從而向?qū)崟r與非實時數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，并傳輸文件。

1.2 技術(shù)

1.2.1 全景數(shù)據(jù)庫技術(shù)

一體化平臺業(yè)務(wù)應(yīng)用都是基于全景信息數(shù)據(jù)，所以，站內(nèi)應(yīng)先構(gòu)建全景信息平臺，全面融入不同系統(tǒng)資源，即暫穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、圖像運行工況等等，從而使得系統(tǒng)監(jiān)控成本大大降低。變電站二次設(shè)備與一次之間根本不需要通信接口，能夠即插即用。上級主站與子系統(tǒng)能夠利用通信接口，將變電站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)取出來加以利用，信息采集方式十分靈活，維護(hù)成本非常低。全景信息平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能具體如圖3所示。

1.2.2 通信標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)

通信標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)主要是以統(tǒng)一平臺為基礎(chǔ)，統(tǒng)一通信協(xié)議、設(shè)備與通信流。與IEC61850標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備之間通信，需要應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與通信接口。而非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備通信，則應(yīng)利用智能接口協(xié)議轉(zhuǎn)換方式實現(xiàn)通信。通信標(biāo)準(zhǔn)化主要包含兩大部分，即站內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化與站外標(biāo)準(zhǔn)化，其中站內(nèi)平臺與系統(tǒng)間交互，而站外平臺則與調(diào)控主站等上級系統(tǒng)交互。

圖3 全景信息平臺系統(tǒng)示意圖

1.2.3 信息可視化技術(shù)

信息可視化技主要通過可視化模型抽象信息，將應(yīng)用程序差異摒除，在應(yīng)用時，只需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)接口加載，促使各種應(yīng)用的可視化具備一定的擴(kuò)展基礎(chǔ)。智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)具有了較優(yōu)的可視化展示與人機交互界面，可以充分發(fā)揮其各種功能，即數(shù)據(jù)訪問、存儲、圖形展示、人機界面操控、告警直傳等。[2]

2 智能變電站三維全景高可視化

2.1 三維全景可視化

采用三維全景形式，展示智能變電站所處場景、設(shè)備運行維護(hù)信息等，以此促使智能變電站設(shè)備與數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)三維可視化管理?；谌S全景技術(shù)，動態(tài)化展示變電站，其與現(xiàn)場實際狀況完全相符，并且能夠放大設(shè)備，清楚觀察表計讀數(shù)和壓板定值。同時還可以和電力PMS系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等實現(xiàn)集成，通過在全景模型中實時觀察PMS數(shù)據(jù)，幫助運行維護(hù)人員全面了解設(shè)備的性能，以此實時監(jiān)控變電站設(shè)備與運行維護(hù)數(shù)據(jù)信息。

2.2 三維全景實景仿真

在全景中可以全角度瀏覽變電站設(shè)備，并支持實時查看PMS數(shù)據(jù)，有助于相關(guān)人員通過全景模型觀察學(xué)習(xí)設(shè)備的詳細(xì)數(shù)據(jù)信息，并充分了解設(shè)備功能與性能參數(shù)。通過動態(tài)場景融合技術(shù)，實現(xiàn)場景的有機融合，相關(guān)人員能夠隨時共享關(guān)于設(shè)備巡視、倒閘操作等各個方面的知識培訓(xùn)，支持多人之間聯(lián)機VR場景進(jìn)行學(xué)習(xí)。[3]

2.3 智能變電站信息可視化

在智能變電站中，有許多設(shè)備監(jiān)控與數(shù)據(jù)子系統(tǒng)，各個系統(tǒng)相互協(xié)作運轉(zhuǎn)，相互彌補，共同承擔(dān)著監(jiān)控智能變電站設(shè)備運行的任務(wù)，以為智能變電站正常有序運行提供重要保障。但是，各數(shù)據(jù)系統(tǒng)之間都是相互獨立的，無法顯示在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺上，在平時工作中，需要同時打開多個系統(tǒng)，并在系統(tǒng)間相互切換，才能夠獲得有效數(shù)據(jù)信息，在日常運行維護(hù)或出現(xiàn)故障的時候，難以綜合分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)狀況，幫助日常巡檢與發(fā)生故障后的數(shù)據(jù)處理，這就在很大程度上影響了巡檢與故障排除工作的開展，因此，應(yīng)基于統(tǒng)一的可視化監(jiān)控平臺整合多項數(shù)據(jù)系統(tǒng)。[4]

3 基于二次系統(tǒng)狀態(tài)的智能變電站高可視化全景調(diào)測平臺設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)

基于二次系統(tǒng)狀態(tài)的智能變電站高可視化全景調(diào)測平臺具體如圖4所示。

圖4 調(diào)測平臺結(jié)構(gòu)圖

首先，可以融合SCD配置模型所反饋的靜態(tài)信息與報文事件，并對變電站IED與外部信息的交互接口狀態(tài)進(jìn)行實時檢測，以此獲得變電站二次系統(tǒng)所存在的問題。[5]其次，對保護(hù)與遙控過程等業(yè)務(wù)流程進(jìn)行全方位檢測。再次，對變電站重點事件進(jìn)行關(guān)聯(lián)性探究，獲得造成二次設(shè)備故障的主要原因，并利用科學(xué)合理的操作技術(shù)調(diào)測故障事件。[6]最后，基于三維可視化技術(shù)，在三維場景中進(jìn)行報警和推圖等，直觀形象地描述設(shè)備的狀態(tài)信息，以此保證維修人員有效分析設(shè)備運行狀態(tài)。[7]

3.2 智能移動調(diào)測終端的應(yīng)用

調(diào)測平臺主要利用移動終端針對智能變電站進(jìn)行調(diào)測，促使其成為分析重點，智能移動調(diào)測終端可以進(jìn)一步為二次系統(tǒng)調(diào)試奠定堅實的基礎(chǔ)，以促使系統(tǒng)調(diào)測的可視化水平得到明顯提升。此終端設(shè)備融合了以ARM微處理器和安卓系統(tǒng)為基礎(chǔ)的平板技術(shù)、嵌入式FPGA技術(shù)，其中FPGA技術(shù)能夠?qū)崟r操作變電站的通信報文。

智能移動調(diào)測終端屬性為：觸摸屏為8寸，可以進(jìn)行室外作業(yè)；基于安卓系統(tǒng)進(jìn)一步強化處理分析；通過大量的連接口和智能站通信系統(tǒng)之間實現(xiàn)有效通信，從而實現(xiàn)各種變電站內(nèi)部數(shù)據(jù)調(diào)測的通信；所包括的工業(yè)電池具備十分強大的續(xù)航能力；集成了各種性能的APP，全面分析和調(diào)控智能變電站二次設(shè)備的運行狀態(tài)。

智能移動終端調(diào)測具體如圖5所示。

圖5 智能移動調(diào)測終端

從中可知，通過利用智能移動調(diào)試終端，能夠從后臺SCD管理與控制系統(tǒng)中，獲得SCD文件和配置信息。針對智能變電站二次系統(tǒng)信息，進(jìn)行高可視化展示與深入探究，從而實現(xiàn)智能變電站二次系統(tǒng)設(shè)備信息的全過程高可視化分析與處理?；谥悄芤苿诱{(diào)測終端可以收集到變電站中的各種報文，并與SCD靜態(tài)配置信息相融合，以此對變電站二次系統(tǒng)進(jìn)行高可視化全景調(diào)測。[8-10]

3.3 信息數(shù)據(jù)平臺設(shè)計

智能變電站二次系統(tǒng)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)平臺具體如圖6所示。

主要包含二次設(shè)備狀態(tài)在線檢測與離線數(shù)據(jù)信息。智能變電站二次設(shè)備狀態(tài)在線檢測能夠檢測到融合單元、通信系統(tǒng)、繼電保護(hù)等相關(guān)內(nèi)容，并基于通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信息到數(shù)據(jù)平臺上。離線數(shù)據(jù)主要是由歷史數(shù)據(jù)和屬性的不足所組成的，所謂歷史數(shù)據(jù)包括狀態(tài)巡檢數(shù)據(jù)、設(shè)備故障記錄、設(shè)備檢修數(shù)據(jù)等。以智能變電站二次系統(tǒng)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)平臺為基礎(chǔ)，可以實時分析二次系統(tǒng)的設(shè)備運行狀況及其中所存在的風(fēng)險，以此獲得最佳方案，實現(xiàn)二次系統(tǒng)實時調(diào)測。[11]

圖6 智能變電站二次設(shè)備綜合數(shù)據(jù)平臺

4 基于二次系統(tǒng)狀態(tài)的智能變電站高可視化全景調(diào)測平臺實現(xiàn)

4.1 檢修方案

基于二次系統(tǒng)狀態(tài)的智能變電站高可視化全景調(diào)測平臺的狀態(tài)檢修流程主要為：其一，根據(jù)二次系統(tǒng)設(shè)備老化失效模型，設(shè)置在設(shè)備穩(wěn)定性分析中必需的數(shù)據(jù)信息。其二，設(shè)置需檢測的二次設(shè)備檢測點向各個方面進(jìn)行轉(zhuǎn)移的變換率。其三，基于隨機過程原理，以輸入產(chǎn)生對各個狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)概率與時間為基礎(chǔ)進(jìn)行計算。另外，還應(yīng)以設(shè)備即時狀態(tài)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，獲得設(shè)備的穩(wěn)定性分析指標(biāo)與運行周期。其四，針對設(shè)備歷史工作狀況和狀態(tài)在線檢測結(jié)果做進(jìn)一步詳細(xì)分析，以判斷設(shè)備的健康穩(wěn)定狀態(tài)。其五，想要獲得智能變電站二次設(shè)備的檢修方案，應(yīng)以設(shè)備即時運行狀態(tài)為基礎(chǔ)深入分析，并對各種檢索方案成本與效益進(jìn)行分析，以此獲取最佳檢修方案。其六，以檢修方案實施的靈敏性為基礎(chǔ)，進(jìn)一步改進(jìn)檢修方案，并以目標(biāo)優(yōu)化為基礎(chǔ)，獲取檢修方案中各種參數(shù)的最優(yōu)值。其七，利用蒙特卡洛法進(jìn)行分析，從而獲得各種設(shè)備狀態(tài)工作時間的排列。并適當(dāng)調(diào)整設(shè)備狀態(tài)模型中的參數(shù)，進(jìn)而為改進(jìn)檢修方案提供幫助。[12-13]

4.2 結(jié)果分析

基于OPEN3000調(diào)度自動化系統(tǒng)對智能變電站二次系統(tǒng)高可視化全景調(diào)測平臺進(jìn)行檢測，系統(tǒng)能夠?qū)崟r收集平臺的運行狀態(tài)信息，還可以通過診斷程序獲得總結(jié)報告。此平臺能夠十分準(zhǔn)確地獲得故障數(shù)據(jù)信息，則代表著其可以實現(xiàn)智能變電站二次系統(tǒng)高可視化全景調(diào)測。在驅(qū)動平臺診斷程序之后，先檢索故障區(qū)域，利用繼電保護(hù)設(shè)備動作邏輯與原理，能夠有效緩解設(shè)備故障集，通過詳細(xì)分析獲得故障設(shè)備，并進(jìn)一步深入分析故障，從而獲得故障設(shè)備及其狀態(tài)，進(jìn)而生成分析報告。這就說明此平臺實現(xiàn)了對設(shè)備故障的直觀形象顯示，具備良好的可視化性能。[15]

5 總結(jié)

綜上所述，在我國電網(wǎng)建設(shè)中，智能變電站是關(guān)鍵所在，其與二次設(shè)備系統(tǒng)目標(biāo)之間息息相關(guān)。在智能變電站數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化不斷發(fā)展的影響下，以信息自主采集和檢測等相關(guān)性能為基礎(chǔ)，進(jìn)一步實現(xiàn)智能變電站的二次系統(tǒng)高可視化全景調(diào)測，從而構(gòu)建基于二次系統(tǒng)狀態(tài)的智能變電站高可視化全景調(diào)測平臺，以此更加直觀、科學(xué)有效地進(jìn)行二次設(shè)備調(diào)控，提高變電站的運行效率。而且，通過在平臺中融入智能移動調(diào)測，能夠?qū)崿F(xiàn)二次設(shè)備調(diào)測可視化檢測功能的強化，更加準(zhǔn)確地調(diào)整智能變電站二次系統(tǒng)故障，進(jìn)而保證智能變電站二次系統(tǒng)得以正常有序運行。