变电二次设备健康状态指标评价及检修系统优化

冯哂玮谈梦婷

第一作者简介：冯哂玮（1987-），女，工程师。研究方向为变电二次检修（继电保护）。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.025

摘要：该文以110 kV变电站为例，设计变电二次设备健康状态指标评价及检修系统，从二次设备健康模型的构建分析入手，介绍二次设备健康模型的结构及构建方法。然后阐述二次设备状态评价指标的选择方式，提出利用层次分析法确定二次设备状态评价模型的指标权重，利用模糊综合评价理论，结合运用层次分析方法对二次设备的状态进行评价，并给出变电站站端二次设备在线监视系统的实现路径。此系统用于实时监测二次设备的运行状态，并对二次设备可用性、安全性、设备性能进行持续性评价，最后分析此系统实际运行效果，验证此系统能够及时发现二次设备故障问题，利于保障变电站所有设备的安全与稳定运行。

关键词：变电站；二次设备；状态评价；检修优化；系统设计

中图分类号：TM76 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）12-0112-04

Abstract： Taking 110 kV substation as an example， this paper designs the health status index evaluation and maintenance system of secondary equipment in substation. Starting with the construction and analysis of the health model of secondary equipment， this paper introduces the structure and construction method of the health model of secondary equipment. Then， the selection method of secondary equipment condition evaluation index is expounded， and the index weight of secondary equipment condition evaluation model is determined by analytic hierarchy process （AHP）. Based on the analytic hierarchy process method， the state of secondary equipment is evaluated， and the realization path of on-line monitoring system of secondary equipment in substation is given. The system is used to monitor the operation status of secondary equipment in real time， and to continuously evaluate the availability， safety and performance of secondary equipment. Finally， the actual operation effect of the system is analyzed. It is verified that the system can find the fault of secondary equipment in time， which is conducive to ensuring the safe and stable operation of all equipment in the substation.

Keywords： substation; secondary equipment; condition evaluation; maintenance optimization; system design

电力系统中，二次设备的主要功能是对一次设备进行测量、监控与保护，是电力系统运行安全性、稳定性与经济性的重要保障。二次设备实际应用中也可能发生故障，需要采用故障诊断、状态评估等技术对二次设备进行状态评价与检修。由于二次设备种类、数量较多，状态评价指标难以确定，为防止状态评价时出现主观因素干扰而产生模糊性认知，有必要采用模糊综合评价方法进行二次设备健康状态指标评价及检修优化设计。

1 工程概况

某110 kV智能变电站是我国国家电网华中地区的国产芯智能变电站，由国产化装置芯片，操作系统及通信协议构建而成。该智能变站电于2022年完成建设并开始运行。此变电站建设为钢结构模块化形式，不仅占地面积较小，并且能够实现智能化调节与自动化控制，还具有智能预警等多重功能。变电站共安装了2台40 MVA的有载调压主变压器，采用3回110 kV出线及10回10 V出线。为提高二次回路对一次一回控制、测量、保护与调节的智能性与有效性，该智能变电站建立了变电二次设备健康状态指标评价及检修系统，用于对二次设备健康状态指标进行评价，从而为检修技术优化提供支持。

2 变电二次设备健康状态指标评价及检修优化系统建立

2.1 构建变电二次设备健康模型

变电二次设备健康模设计时，要求能够有效获取过运行状态、安全状态、业务相关数据，在此基础上对电力二次设备运行状态是否健康做出评价，从而为设备检修管理奠定基础[1]。该智能变电站的二次设备健康模型包含3个部分，一是数据模型，包含资源数据、运行信息、功能业务服务数据、规则数据。二是资源模型，由子系统、设备、公共基础设施3部分构成，主要作用是描述站端软件系统资源及支持设施资源。三是依赖关系模型，可基于资源模型划分二次系统的业务，主要功能是分析与定位二次设备故障。模型构建时，首先应设置健康模型基类，描述所有监测对象的共同属性，以设备名或设备ID标记各个二次设备。然后从健康模型基类上衍生出类的第二层，以监控对象类别作为设备必备监控信息的设定依据，之后再从第二层中继承类的第三层，所有处于监控范围内的二次设备均属于二层类或三层类的实例之一。表1为交换机设备的健康模型。

表1 交换机设备健康模型

2.2 变电二次设备运行状态数据采集

由于该智能变电站具有多种类型的二次设备，其中通信系统采用通信管控系统实施管理，无需再采取其他监视方式，而测控装置、电源系统、断电保护装置等其他二次设备均需结合设备类型选用对应的数据采集方式。主要采用变电站通信规约、socket通信方式采集数据，可选用网络接口接入、串口接入2种接入方式。需要将二次安全防护设备划分为2个区，再集中采集各个区的数据，并采用日志告警规范接入数据。可以结合应用多种信息采集方式，如Agent、SNMP等，数据采集时要获取全站所有通信报文，并将后台转发状态量、模拟量等数据接入系统。采集的数据应涵盖采样模块、电源模块、存储IC器件、CPU负载率、内存负载率、时钟系统和磁盘运行等设备状态信息，还要收集MMS通信链路状态、报文正确性监测结果等MMS信息，并应获取SV信息、GOOSE信息、以太网交换机信息，以便了解间隔层设备接收SV报文、处理GOOSE信息时是否存在异常，并监测以太网交换机的在线运行状态[2]。

2.3 变电二次设备健康状态指标分析

2.3.1 二次设备健康状态指标分析方法及要求

因该智能变电站的二次设备数量大、类型多，采取定期或不定期采集设备运行信息的状态评价方式，可能无法得出准确的状态评价结果。因此，应选取采样率稳定性强、可真实反映设备健康状态运行信息的评价指标，并确定指标值及评价得分映射关系，合理设定指标权重。目前健康状态指标权重计算方法较多，本文选用层次分析法作为二次设备健康状态指标权重的计算方式。选取健康状态评价指标时，要综合考虑各指标受限条件，并选用可行性评估方法，还应确保评估结论能对评估对象真实状况进行反映。

2.3.2 二次设备状态评估指标确定及权重分配

二次设备状态评估应以可用性、安全性、性能优越性3个方面为核心，可用性评估应包含缺陷情况、反措执行情况、运行时间3个指标，而二次系统安全性评估中，应涵盖报文合规性、网络通信安全、操作系统安全和安全设备防护措施4个指标。二次系统性能评估应设定设备自身状态、网络交换机及网络端口状态、MMS网络监视、SV网络监视和GOOSE网络监视5个指标。应根据监测指标状态量确定二次设备状态评价结果，并综合专家观点，根据历史信息、结合相关文字资料，以指标体系为依据构建二次设备健康状态评价指标体系。按照上述步骤、采用层次分析法计算出的二次设备中间隔层设备健康状态评价指标权重分配结果见表2。

表2 二次设备中间隔层设备权重配置

2.4 模型构建步骤及算例分析

模糊综合评价模型可以实现定性评价向定量评价的转换，可为二次设备检修决策科学制定提供可靠信息支持。模糊综合评价模型的构建要经过4个步骤，分别是建立评价对象因素集、确定评价对象评语集、构建模糊关系矩阵和计算评价因素权重向量[3]。以该智能变电站二次设备安全性评价为例，设定可用性、安全性、设备性能3个指标，先对安全性指标进行评价，构建评价因素集，因素集中涵盖4个因素，即报文合规性、通信行为合法性、操作系统安全性和网络安全防护措施。二次设备状态分类描述后，建立的评语集应涵盖4个评价等级，分别是正常（90～100分）、注意（80～89分）、异常（70～79分）、严重（0～69分）。由专家对二次设备进行状态评价后，构建模糊关系矩阵，再结合得到的指标权重，计算出模糊评价集，再进行归一化处理，可得出二次设备安全性总评分集为91.58。按照相同的方法，分别求出二次设备可用性为90.44、设备性能为88.52，将这3个得分分别与相应的权重值相乘，便可得出二次设备的状态评价总分，即89.52，由此可判定此二次设备的安全状态并无异常。

2.5 变电二次设备健康状态指标评价及检修系统的实现

2.5.1 运行状态信息收集与输出功能的实现

信息收集有2种方式，一是网络报文捕获，用于分析全站通信报文，可获取设备在线运行状态、通信状态信息，抓取GOOSE、MMS所携带的应用信息[4]。二是日志记录，此方式应用时要求全部设备均能采用规定格式向外发送日志，可根据健康模型需求数据自主定义规划。站端系统应具备与站端设备、网络设备之间相互传送状态信息的功能，能监控间隔层测控装置、保护设备、主机服务器以及保信设备等各类二次设备的通信状态，并能监视站控层、数据网边界网络、安全设备运行情况，能对站内设备诊断并传送的告警信息进行监测与识别。装置网络数据采集内容有3个，一是采集纵向加密、拨号服务器等类型设备运行、警报及日志信息，二是获取变电站自系统及保信系统运行报警信息，三是对站控层及数据网之间交换机的网络数据记录进行收集。

2.5.2 监测设备及系统的实现

1）Windows服务器监测。将Agent代理服务程序安装于Windows服务上，选用可拓展性接口，并进行多类指标采集，自定义各监测站点的采集频次，采集间隔为60 s及600 s。在不使用Agent代理监测方式的情况下，还可利用WMI监测方式，将WMI服务账户添加于Windows服务器中，配置SNMP服务共同体名称，在服务启动后，无需代理即可实施监测，但因采用的是服务方式监测法，因而相较于Agent代理监测方式而言，数据采集量相对较少。

2）Unix服务器监测。由于Agent代理程序不能安装在Unix服务器中，因而此服务器需要采取非代理方式进行监测，可利用SSH服务监测法，应用此监测方法时，需要以Unix系统支持的系统命令为依据，对各个脚本进行编写，并有效采集CPU、内存、文件系统、网络连接情况以及进程等相关信息[5]。

3）网络设备监测。变电二次设备的网络设备主要由路由器、交换机以及防火墙等结构组成，这些设备需要采用SNMP服务方式实施监测。主要用于获取系统基本信息、网络端口流量信息、网络连通状态信息、电源信息以及风扇信息等，除此之外也可以采集系统内存以及CPU信息。

4）电力二次安全防护设备监测。针对二次安全防护设备而言，主要采用SYSLOG监测方式对二次设备的日志信息进行获取，并了解二次设备的安全性能、获取相关的告警信息。防火墙设备主要是监测系统、管理、安全三方面信息，而纵向加密设备需要在系统、管理信息获取的基础上，再对通信日志数据进行采集。而正/反隔离装置，则要采集系统、安全两方面信息。

5）数据库监测。主要用于采集各类型数据库信息，如Oracle数据库、Myspl数据库等。监测时需要将监测模块安装于装置内部，基于JDBC数据源模拟功能查找用户，并建立远程连接，对用户数据库实施监测，通过语句查询，获取数据库性能相关数据信息。配置时，需将用户名添加到被测数据库系统上，并设置相匹配的访问密码，并为用户赋予选择与显示权限[6]。

2.5.3 智能站网络报文记录分析功能的实现

1）报文记录。网络报文的监测、采集、存储及统计主要依靠网络记录分析模块进行，报文的采集利用单向光法。由于变电网络结构各异，网络记录仪可以运用多种类型的采集方式进行报文收集，交换机主要用于采集SV报文及GOOSE报文，而镜像端口可设置于MMS交换机上，用于采集MMS报文，或是利用点对点方式采集交换机组网报文。采集到的报文根据不同采集通道存储于相对应的硬盘之中，报文需要先行压缩再存储，主要利用网络记录仪的文件传输功能输出，所有支持61850的设备均可从网络中获取历史报文。

2）在线监视。变电站网络报文的通信以通信协议为依据，获取到的报文先与这些标准进行对比，根据对比发现的异常报文找出运行状态异常的二次设备。监测协议流量可对变电站网络运行状态做出判断，通过网络记录分析仪实时收集与分析网络流量，便可获取各种主要协议流量。再将统计得到的流量存储在数据库中，能够可视化展示网络流量并生成网络流量图。变电站SCL文件可定义GOOSE链路地址、报文传送时间间隔及内容，可通过报文与定义内容对比发现异常的网络或配置。而SV报文主要用于采集采样值，在网络记录分析模块支持下，解析多种不同格式的报文，SV报文及SCL报文均可监测报文编码的正确性、文件配置统一性、网络传输稳定性等。

3）离线分析。离线分析程序有多种过滤方式，可以定位历史报文，并具有网络数据包分析、诊断及展示功能。可将网络分析仪连接到多台网络记录仪上，利用IP地址对各个记录仪进行分辨，变电站所有历史数据均可在网络记录仪中存储，且可存储不同格式的报文。网络记录分析模块能够解析全部以太网报文协议，并能根据通信链路归类数据包，还能分析链路内容，发现可疑报文时可以发出提示，利于二次设备故障点排查及故障原因的快速分析。数据传输时需分割为多个小数据包，离线分析程序会对对应数据包逐一获取，之后于最后一个数据包处合并接收到的所有数据包。网络记录分析模块可对零散报文进行重组，并对构成的新MMS通信链路进行解析，能分析协议信息及ACSI映射，发现错误时会给出提示并提出合理的处理建议。网络分析仪还可重组GOOSE链路，或是对GOOSE协议信息进行解析并绘制出GOOSE传输状态变化曲线。除此之外，离线程序还能解析SV报文及其他常用协议，并具有报文过滤、检索、统计及导出功能。

3 变电二次设备健康状态指标评价及检修系统的应用效果

智能变电站传统二次设备健康状态监测方法是每月实行二至三次定期巡检，主要检查二次设备运行定值、压板投退状态，并对告警提示进行观察，巡检时发现故障问题后会向继保、通信班组汇报，并及时进行故障排查与检修，每月记录一次巡检表单，并对本月巡检情况进行总结分析，每年年底实施一次二次设备状态全面评估。而该智能变电站应用的是二次设备健康状态监测系统，运维管理人员可利用调度主站、巡维中心工作站，对二次设备运行状态进行实时监测，可采用可视化形式展示二次设备运行状态量，通过系统的逻辑判断给出二次设备综合告警信息，二次设备状态监控周期较短，二次设备运行监管中基本不会出现真空期。同时，巡检时，可采用监测系统，采用量化数据的形式展示二次设备运行状态，并能利用系统调阅详细的巡检表单检查内容，且表单中设置了二次设备SV状态、GOOSE状态等检查项目，二次设备健康状态评估时，系统可以提供更加全面、及时的信息数据，二次设备评估更加精准，可为检修优化提供可靠依据。总体来看，二次设备监测状态系统的运行效果能够达到二次设备健康状态智能化监测、检修技术有效优化的目标。

4 结束语

二次设备健康状态指标评价是二次设备故障及时发现与处理的基础，是二次设备检修优化的重要依据。本文设计的二次设备健康状态指标评价系统，选用二次设备可用性、安全性、设备性能3个一级评价指标，并利用层次分析法确定各指标的权重，基于模糊综合评价模型，计算得出各个指标的得分，从而得到最终的二次设备状态评价结论。基于这一理论构建了二次设备健康状态评估系统，分别给出了运行状态信息收集与输出、监测设备及系统、网站报文记录分析等功能的实现方法，此系统能够用于二次设备在线监视及状态评估，并且具备综合告警功能，可为变电站运维管理及设备状态检修工作高效开展提供有力支持。

参考文献：

[1] 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.