刁 扬，张荣海

（广东电网有限责任公司韶关供电局，广东 韶关 512000）

目前，智能变电站的建设开展得如火如荼，智能变电站技术也在不断优化和升级。智能变电站具有良好的数据采集功能和网络交互特性，站内具有统一的数据模型和通信平台，且智能变电站设备信号种类多、数量大、信号精细度高，智能设备的信息可相互印证[1-2]。

国内学者对智能变电站信号分析进行了一定的研究。文献[3]对智能变电站的特殊信号进行了总结，还对智能变电站的特殊信号提出了故障预判和处理措施[3]。文献[4]研究了变电站智能告警专家系统，实现了对告警信息进行综合推理模糊和分析[4]。文献[5]提出基于PAT的智能变电站保护信息交互建模，建立告警信号与保护信号树，对各告警信号下的保护系统进行校验[5]。文献[6]提出一种基于模糊Petri 网络的智能告警专家系统推理机制，通过对具有关联性的告警信号的模糊推理，得出接近于事实的结论，帮助值班运行人员快速地对事故进行判断，定位并排除[6]。文献[7]提出了基于变电站一次设备模型及IEC 61850 标准建立故障推理模型，实现故障推理模型与具体的监控系统平台解耦的思路，并研究将故障推理模型与程序代码相分离的思路，最后设计了基于模型驱动模式实现变电站智能告警的技术路线和分层分布式的智能告警高级应用总体架构[7]。文献[8]等提出一种对系统的故障分析有严谨的理论依据的智能告警方法与系统，采用智能的自适应故障解搜索算法，有效地实现智能变电站的智能告警功能[8]。文献[9]描述了智能告警信号处理系统在调度集控一体化系统中的应用，其中运用到了一些专家系统，知识库，逻辑推理等原理和方法[9]。文献[10]过对变电站告警信息与故障之间关系的研究，将变电站的故障和异常情况分为两类，利用典型220 kV 变电站PSCAD 仿真模型，获得故障条件下的告警相关数据和信息，实现了变电站智能告警系统基本界面的开发[10]。文献[11]以江苏省南通电网实现“地县一体化系统”为背景，基于Open3000系统基础之上，结合二次开发了监控告警专家处理系统[11]。文献[12]阐述了智能变电站中状态检测技术系统的组成以及智能变电站状态检测专家系统与告警系统等相关内容，认为设备状态检测技术在智能变电站设备运行维护中的作用不可替代[12]。

在数字南网的建设背景下，变电站二次设备向数字化转型，新建变电站的保护装置均采用智能设备，智能设备信号的种类、数量均比常规设备多，其中异常信号的验证须要人工进站检查，验证的及时性可能受影响，且须耗费大量人力物力。实现基于自动化的智能变电站信号分析与处理系统后，可减轻现场人员工作负担，提高异常信号处理效率，有效缩短设备异常的处理时间，提升系统运维质量。因此,实现智能变电站信号的自动分析和处理具有重大意义。

1 智能变电站信号自动分析与处理系统架构

1.1 智能变电站信号

智能变电站信号分为保护动作事件、一次设备异常、二次设备异常、二次回路异常、设备一般变位等，反映变电站中所有设备的运行状态。信号以硬接点或软报文的形式通过测控装置、保护装置发出，在智能变电站站控层网络可获取以上所有信号。

1.2 系统设计原则

为对信号进行综合分析和验证，设计并构建了基于自动化的智能变电站信号分析与处理系统，在系统设计过程中，主要遵循2点原则。

自动化系统安全原则：该系统仅读取自动化系统的信号内容，无需电网一、二次设备控制权限，不涉及修改自动化系统数据库配置及内容。

可扩展性原则：该系统除了能应用在特定智能变电站进行信号外，还能移植到其他厂站，后续还应该能应用在主站自动化系统或主站保信系统进行信号分析和处理，因此在系统设计时应能适应各个厂站及主站场景的应用。

1.3 系统架构

该系统通过Python 实现，基于字典建立信号分析模型，自动推送解决方案。系统部署在变电站后台监控机，供变电运行人员使用。系统架构如图1所示。

图1 系统架构

信号输入后，首先对产生信号的设备溯源，找到对应的检查信号表和运算操作表，判断是否为误发信号，如果是误发信号则丢弃，如果不是，则继续判断是否为异常信号。如果不是异常信号则丢弃，如果是异常信号，推荐异常处理方案。

2 智能变电站信号自动分析与处理系统设计

2.1 智能变电站信号数据字典

为了高效地对智能变电站信号进行分析，本文基于字典结构对智能变电站信号进行数据字典设计。字典是一种可变容器模型，可以存储任意的数据类型对象，由关键码和关联数据组成，通过关键码可以对字典进行检索，从而获取到目标数据值[13]。基于字典这种数据结构对智能变电站信号的信号表、检查信号表、分析运算操作表及一场处理方案表设计数据字典，形成智能变电站信号库。

字典结构能够实现动态地进行数据添加，当变电站内有新间隔扩建时，对应新增大量信号数据，利用字典结构能方便地对各种信号实现动态添加，降低信号库日常维护的工作量。由于在智能变电站信号分析的流程中，分析的目标对象存储在计算机内的数据类型并不一致，如信号、异常信号处理方案等数据类型为文本型数据，而分析运算操作则为逻辑型数据。利用字典结构进行智能变电站信号数据字典设计能够存储任意类型对象，并将不同的数据类型集成，减小数据存储的分散性，提高数据存储的集成性。由于智能变电站信号具有唯一性，同信号在不同间隔会带有对应间隔的标签，且信号值仅有0和1，因此可以将其作为关键码。若不能快速有效地判别异常信号并给出解决方案，将有可能导致故障时保护误动或拒动，扩大故障影响范围。基于字典结构可以十分方便地通过关键码来搜索对应的值，查询速度快，能提高故障处理的时效性，有效限制电网故障的发展，降低因处理不及时导致的损失。

基于字典结构的智能变电站信号数据字典设计结构如表1所示。

表1 智能变电站信号数据字典

智能变电站信号数据字典描述的是须要分析的目标智能变电站信号，通过基于字典结构的数据封装，能够保持数据的一致性和完整性。用户不须要了解数据字典的内部结构，关注其输入和输出，即输入为智能变电站信号及信号值，输出为对应的异常处理方案，可以降低各部分之间的耦合性，提高了集成性和稳定性。

2.2 智能变电站信号分析算法

在接收到智能变电站信号后，须要对智能变电站信号进行分析和处理。本文设计了一套智能变电站信号分析与处理流程，将传统作业的一系列流程用计算机程序实现，推进信号分析和处理的程序化、流程化和自动化。

具体的智能变电站信号分析算法流程步骤一到五。

步骤一，信号设备溯源：收到信号后，对信号进行溯源，找到发出信号的设备，以确认该设备所在的间隔。

步骤二，匹配分析内容：确认设备所在的间隔后，找到对应信号的检查信号表和运算操作表，以后续进行信号误发判断。

步骤三，信号误发判断：确定信号发生的设备间隔后，对该信号进行复核，确认该信号对应的异常或故障实际发生。对应检查信号按照运算操作表进行逻辑运算，运算结果为0则判断收到的信号为误发信号，丢弃该信号，若运算结果为1则进行步骤四。

步骤四，异常信号判断：对应检查信号按照运算操作表进行逻辑运算，运算结果为1 时，判断该信号为异常信号。

步骤五，异常处理方案推荐：判断信号实际为异常信号后，根据异常处理方案表推荐对应的异常处理方案，协助运行或专业班组人员及时处理缺陷。

3 智能变电站信号自动分析与处理系统仿真测试与展示

对系统测试是为了验证系统预设功能的实现程度和可用性，检查系统错误并进行修正，保证系统设计和实现的质量，最终产出一个完整实用的系统。由于未接入实际运行环境，因此在本文中采用模拟仿真实际运行环境下的智能信号分析流程进行系统测试，包括智能变电站信号仿真库的设计与构建、仿真测试环境设置及测试结果展示3部分内容。

3.1 智能变电站信号仿真库

为了测试智能变电站信号自动分析与处理系统的有用性和准确性，本文构建了基于500 kV丹霞变电站的智能变电站信号仿真库，用该智能变电站信号仿真库来进行智能变电站信号自动分析与处理系统的测试。智能变电站信号仿真库详细内容如表2所示。

表2 智能变电站信号仿真库

在该智能变电站信号仿真库中，构建了5 种信号形成信号表，分别是控制回路断线、闭锁重合闸、断路器气室气压低闭锁、事故总信号和智能终端检修不一致告警。控制回路断线是指智能终端通过监视TWJ 与HWJ 开入来判断控制回路情况，当TWJ与HWJ开入都为0时，智能终端发出控制回路断线信号。接收到控制回路断线信号时，检查对应间隔的TWJ和HWJ信号并对值进行与非运算，若运算结果为0，则为误发信号；若信号值为1，则为异常信号，应检查开关机构箱远方就地把手及其他异常信号，并通知专业班组。闭锁重合闸是指当发生遥合/手合、遥跳/手跳、三跳启失灵不启重合、三跳不启失灵不启重合、闭重开入的事件时，应输出闭锁重合闸信号给本套保护。接收到闭锁重合闸信号时，检查压力低闭重开入、电缆直跳信号TJF、STJ信号和SHJ信号并对值进行或运算，若运算结果为0，则为误发信号；若信号值为1，则为异常信号，应立即联系专业班组。断路器气室气压低闭锁是指断路器气室气压降低过程中，先发出断路器气室气压低告警信号，气压继续降低，发出断路器气室气压低闭锁信号。接收到断路器气室气压低闭锁信号时，检查断路器气室气压低告警和断路器气室气压低闭锁信号并对值进行与的运算，若运算结果为0，则为误发信号；若信号值为1，则为异常信号，应检查SF6表压力判断SF6气体压力是否低于闭锁值，并通知检修班组。事故总信号是指装置手合或者遥合后，断路器辅助接点为分位时，装置报“事故总“告警。接收到事故总信号时，检查TWJ 与KKJ 开入并对值进行与的运算，若运算结果为0，则为误发信号；若信号值为1，则为异常信号，应检查发生一次故障的间隔，并联系专业班组及对应专责。智能终端检修不一致告警是指当智能终端装置检修压板开入与GOOSE 发送方检修位不同时为“0”或“1”时，装置发出“检修不一致告警”。接收到智能终端检修不一致告警信号时，检查保护装置的检修硬压板开入和智能终端的检修压板开入并对值进行异或计算，若运算结果为0，则为误发信号；若信号值为1，则为异常信号，此时若一次设备在运行状态，则应退出检修压板；若一次设备在检修状态，则投入相应检修压板。

3.2 系统仿真测试设置

在智能变电站信号自动分析与处理系统中，由于暂未接入运行系统，因此无法得到在实际运行环境中的测试结果。但为了验证本文提出系统的可用性和正确性，本文对该系统进行仿真测试。

模拟信号发生：在系统仿真测试的过程中，采用随机数来模拟信号发生的过程。在随机的时间内，接收到由0变为1的信号是随机的。因为异常信号的发生具有一定的时间随机性和空间随机性。时间随机性指的是不确定信号或异常信号何时发生；空间随机性指的是不确定哪台设备会产生信号或异常信号。因此在模拟信号发生的时候，程序通过随机数来实现具有一定的合理性。

模拟信号值：在系统仿真测试的过程中，同样采用随机数来模拟信号值的产生。在实际操作中，信号值仅有两种形态：0 和1。因为信号值为1 的情况发生具有一定的随机性，即任何时刻都可能发生这种情况，所以利用程序设置随机选择信号值为0或1具有一定的合理性。

多组信号测试：单组测试的结果具有一定的随机性，为了降低随机性，提高系统的可靠性，本文进行了多组测试，设置进行5组测试。

每组多个信号测试：在进行一组测试的时候，仅产生一个信号完成智能变电站信号自动分析与处理流程，其结果的说服力和准确性会受到质疑。因此，为了增加测试结果的可靠性和功能实现的完整性，在每组测试中，模拟随机产生30个信号及信号值进行分析。

系统界面显示：设置系统界面仅显示接收到信号值为1的信号。当信号值为0时，不须要进行信号分析，因此设置其不在系统界面上进行显示；当信号值为1 时，不论其是误发信号还是真实的异常信号，均须对其进行分析，因此将分析结果展示在系统界面上。

3.3 系统仿真测试结果展示

3.3.1 单组信号测试结果

单组测试中，设置模拟随机产生30个信号及随机产生其对应的信号值进行测试。

在本组测试中，30个信号中出现了16个信号值为1的智能变电站信号，须要对其进行分析和处理。在界面中会将详细的信号出现时间点、信号、误发检查操作（操作1）和解决方法进行展示。

点击误发检查操作，即弹出针对该信号进行的误发检查具体操作。

对于已经被判定为异常的信号，点击解决方案，系统提示操作人员针对该异常信号可以进行的解决方案。

当通过检查后发现，信号为误发信号，点击解决方案，即弹出“信号错误，检查信号错误原因”提示。

处理过的信号会变为灰色。操作人员可以通过界面展示清晰地区分已处理信号和未处理信号，从而避免重复操作，提高工作效率。

通过程序计算，单组30 个信号计算时间约为0.5213 s，若采用常规人工方式去检查相关信号进行异常信号的验证，将花费大量的时间去进行相关的检查。因此，采用本系统对信号进行信号验证与处理将节省大量人力。

3.3.2 多组信号测试结果

多组信号测试中，将进行5 组测试，具体的测试结果如表3所示。

表3 多组信号测试结果

从表3 中可以看出，在仿真测试的情况下，系统对30个信号的处理时间相近，在极短时间内本系统就能计算出误发信号，并将异常信号的解决方案推送到界面，极大地提升了工作效率。

4 优化方向及应用前景

4.1 专家诊断功能

目前该系统只实现了信号误发判断，并未对信号发生的原因进行深入分析。利用智能变电站充足的软报文信号，可实现异常信号的专家诊断功能，对设备缺陷精准定位，分析出发生异常的原因，并针对性地给出解决方案。完善系统的专家诊断功能将极大提升异常信号处理的效率，对电网的安全稳定运行有着重要意义。

4.2 多平台应用

目前该系统根据厂站端自动化系统进行构想，信号分析范围较小。而主站自动化系统、保信主站系统能同时接收到不同变电站的信号，在进行电网故障联合分析的时候，应用该信号处理系统将能更准确地定位故障发生的位置及故障发生的原因，对快速恢复电网的正常运行方式有很大的帮助。

4.3 异常处理方案推送

目前该系统仅能在信号接收端进行异常处理方案推送，专业班组未进站时难以获取该方案，不能有针对性地进行工作前准备工作。后续在系统中增加异常处理方案推送模块，将异常信号发生的原因和处理方案自动推送至设备运维人员处，将提高缺陷消除的及时性。

5 结束语

本文通过分析班组人员处理智能变电站信号的过程，利用计算机技术，设计并实现了一个智能变电站信号的自动分析与处理系统。提出利用字典数据结构对智能变电站信号进行集成和存储，形成智能变电站信号库，并实现了整个智能变电站信号分析与处理自动化流程。在对系统进行仿真测试中，基于500 kV丹霞变电站构建智能变电站信号库，并对其进行仿真测试，包括功能测试和性能测试。测试结果验证了该系统的分析处理正确性和高效性，具有一定的应用价值，能够提高工作效率。

针对智能变电站发展的需要，对该系统的未来优化方向进行了阐述。今后研究工作中将对系统进行优化和完善，并接入实际运行环境进行测试。