智能继电保护数字孪生模型构建及应用.pdf

第 24 卷 第 7 期 2023 年 7 月 电 气 技 术 Electrical Engineering Vol.24 No.7Jul.2023 智能继电保护数字孪生模型构建及应用 刘 戈 纪 陵 刘文彪（南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211106）摘要 针对当前智能变电站中的继电保护装置在运维业务配置中存在效率低、设备运行故障诊断定位不够准确的问题，提出一种面向继电保护运维业务的继电保护数字孪生建模技术并进行应用探索。该技术通过分析继电保护运维业务需求，从运维业务、物理空间、信息物理融合这三个维度构建面向继电保护运维的数字孪生模型，实现继电保护业务能力、图形能力的自发现、自描述，支撑继电保护运维系统对继电保护装置的快速接入与配置、设备运行故障快速定位的功能，使继电保护运维业务接入和配置的效率提高 90%以上，设备故障定位也可精准到插件级别。关键词：数字孪生；继电保护；信息物理融合；自描述 Construction and application of digital twin model for smart relay protection LIU Ge JI Ling LIU Wenbiao(Nanjing SAC Power Grid Automation Co.,Ltd,Nanjing 211106)Abstract A digital twin modeling technology for relay protection is proposed and applied to explore the problems of low efficiency and inaccurate equipment operation fault diagnosis and positioning in the operation and maintenance business configuration of relay protection devices in current smart substation.This technology analyzes the requirements of relay protection operation and maintenance business,and constructs a digital twin model for relay protection operation and maintenance from three dimensions:operation and maintenance business,physical space,and information physical integration.It realizes self-discovery and self-description of relay protection business capabilities and graphical capabilities,and supports the rapid access and configuration of relay protection devices and equipment operation fault location functions of the relay protection operation and maintenance system.The efficiency of accessing and configuring relay protection operation and maintenance services is improved by more than 90%,and equipment fault localization can also be precise to the plug-in level.Keywords：digital twin;relay protection;fusion of cyberspace and physical space;self-described 0 引言 继电保护是保障坚强智能电网安全的第一道防线1，全面提升继电保护设备的运维水平是必然要求。在当前的继电保护运维业务系统建设过程中，存在大量业务配置工作需要人工完成，效率低下；此外，实现对继电保护设备故障的快速、可靠、准确定位，对电网快速恢复运行具有重要意义2-4。针对上述问题，相关学者进行了探索。文献5提出拟定科学运维方案、重视线路保护、做好风险评估、运用智能运维系统等加强管理的方式来改善、提升配置和运维效率。文献6提出通过系统规格描述（system specification description,SSD）模型文件、一/二次设备模型和智能录波器能力描述模型（intelligent electronic device capability description,ICD）文件，使用组态配置工具生成智能录波器需要的标准化格式配置文件，并将该文件下装到智能录波器，通过远程配置的方式提高配置效率。文献7提 出 一 种基 于 动态 卷积 神 经网 络（dynamic convolutional neural network,DCNN）的智能录波器84 电 气 技 术 第 24 卷 第 7 期 配置信息自动化映射方法，实现依据描述文本分类结果自动化映射地址配置数据，从而提高配置效率。文献8提出一种基于 TextCNN（text convolutional neural network）模型的录波器自配置方法，通过TextCNN 模型强大的语义分析能力，有效提高了录波器配置准确度。文献9通过提取三层两网报文中的有效数据进行同源数据在线校验与趋势监测、保护动作闭环监视、设备运行状态健康评估，结合二次网络拓扑建模技术与故障诊断技术，实现二次设备故障定位功能。但是，以上文献均无法很好地解决继电保护运维系统对智能继电保护运维业务配置效率低、继电保护设备故障定位不精准的问题。鉴于此，本文提出一种继电保护数字孪生建模技术，通过构建继电保护典型业务能力模型、物理空间模型及信息物理融合模型并将其作为智能继电保护装置内部的基础模型，实现继电保护装置业务能力、图形能力的自发现、自描述，支撑继电保护运维业务功能自配置、继电保护设备故障快速定位。1 总体技术架构 信息物理系统（cyber-physical systems,CPS）和数字孪生（digital twin,DT）技术是信息物理融合的首选方式10。CPS 已被广泛用于电力系统中电力设备的运行控制中11，DT 技术也被大量应用在电网一次设备的运行仿真方面，但是在电网继电保护运维方面目前鲜有涉及，本文重点采用 DT 技术进行继电保护运维方面的探索和应用。基于数字孪生的理论体系，通过分析智能继电保护的典型业务特征，结合智能继电保护的 ICD 模型规范，提取其业务特征模型；通过对智能继电保护硬件的抽象建模，建立智能继电保护装置及其部件尺寸、位置的物理空间模型；结合智能继电保护装置 ICD 模型中的 reference（基于 ICD 模型中ldInst、prefix、lnClass、inst、DO、DA 组成的描述某一数据的惟一字符串）信息，实现物理空间模型与 ICD 模型中信息数据的虚实映射，生成智能继电保护装置的信息物理融合模型；将以上建立的业务模型、信息物理融合模型作为智能继电保护装置的基础模型放入装置中，结合对智能继电保护装置的实时数据感知，在继电保护业务系统中实现面向继电保护装置运维的数字孪生体，支撑智能继电保护运维业务自配置、故障快速诊断定位等智能应用。总体技术架构如图 1 所示。图 1 总体技术架构 2 智能继电保护数字孪生建模 通过对智能继电保护的典型运维业务建模、物理建模、信息物理融合建模，构建面向智能继电保护运维业务的数字孪生模型，实现智能继电保护装置典型运维业务能力、图形化能力的自发现、自描述。2.1 运维业务建模 1）继电保护 ICD 模型分析 ICD 文件描述了具体智能电子设备（intelligent electronic device,IED）的功能和工程能力，包含模型自描述信息。在智能变电站高速发展的近十年，国内电力行业持续进行智能继电保护装置的 ICD 模型标准化工作，主要有国家标准 GB/T 328902016继电保护 IEC 61850 工程应用模型、行业标准DL/T 860 电力自动化通信网络和系统、DL/T 1146DL/T 860 实施技术规范12-14，这些规范一致要求采用可辨识的、标准化的逻辑节点（logical node,LN）模型来描述智能继电保护装置不同的功能逻辑属性，并要求采用不同的数据对象（data object,DO）模型描述智能继电保护中不同类型的数据、采用统一的数据属性（data attribute,DA）描述 DO 的数据类型。基于规范要求，从 LN、DO、DA 的维度，ICD模型可细分为运行状态模型、告警信息模型、故障信息模型、动作信息模型、监测信息模型和其他类型模型，以及更进一步地对这些分类模型中的数据对象及其属性进行细分，这些显著特征为运维业务模型的构建提供了基础支撑。2）继电保护运维业务分析 为了保障智能继电保护系统的安全可靠运行，需要定期对智能继电保护装置进行检查和维护，以便及时发现智能继电保护装置的异常并进行相应处置。国内拥有数量庞大的智能变电站，日常需要运维管理大量的智能继电保护装置，通过调研分析国2023 年 7 月 刘 戈等 智能继电保护数字孪生模型构建及应用 85 内相关企业的智能继电保护装置典型运维业务，本文总结和梳理了典型运维业务需求，包括：通信状态检查、二次回路链路状态检查、电流电压回路检查、开入量检查、压板状态检查、定值检查、纵联通道检查、版本信息检查、装置自检信息检查、对时状态检查、保护动作诊断情况检查和保护功能检查。3）继电保护运维业务建模方案 基于上述智能继电保护 ICD 模型及其典型运维业务需求可以发现，智能继电保护装置 ICD 模型基本有与运维业务需求对应的特征模型，但是缺少对应的运维业务特征量，如上限值、下限值、基准值、判断方法等。为了构建智能继电保护运维业务模型，依据当前国家标准、行业标准中给出的 LN、DO、DA 定义，从继电保护运维业务的维度，对智能继电保护装置 ICD 模型中的业务特征模型进行识别和抽取，形成智能继电保护典型运维业务模型。继电保护运维业务模型构建技术路线如图 2 所示。图 2 继电保护运维业务模型构建技术路线 运维业务模型采用层次化结构进行设计，模型包括版本信息管理模型、规则描述模型、电网结构模型和装置业务描述模型。IPFCD 对象是整个模型的根对象；版本信息管理模型包括 Header、History、Hitem 对象，描述运维业务模型的变更历史信息；规则描述模型包括 judgerule_Restriction、Xs_enum 对象，描述运维业务使用的算法模型；电网结构模型包括 Station、VoltageLevel、Bay、Voltage 对象，描述变电站的电网结构特征；装置业务配置模型包括IED、Function、DataItem、Item、Val、VoltageSwitchPlate、BranchBay 对象，描述智能继电保护典型运维业务的特征模型及其特征量。典型运维业务模型层次结构如图 3 所示。下面以智能继电保护装置的电压电流回路巡视业务为例，说明其业务模型的构建过程。电压电流回路巡视的目的是对智能继电保护装置的采样电流、电压及相关告警进行分析判断和稳态量同源比对，来判断装置的交流采样是否正常。图 3 典型运维业务模型层次结构 步骤一：通过继电保护运维业务特征分析，提取归纳规则知识要求。遥测点抽取规则见表 1，告警点抽取规则见表 2。表 1 遥测点抽取规则 数据集信息名称 参引特征 保护电压 A 相 PROT/BusMMXU1$MX$PhV$phsA保护电压 B 相 PROT/BusMMXU1$MX$PhV$phsB保护电压 C 相 PROT/BusMMXU1$MX$PhV$phsC保护电流 A 相 PROT/BusMMXU1$MX$A$phsA保护电流 B 相 PROT/BusMMXU1$MX$A$phsB保护电流 C 相 PROT/BusMMXU1$MX$A$phsC差动电流 A 相 ICaPROT/meaMMXU4$MX$A$phsA差动电流 B 相 ICbPROT/meaMMXU4$MX$A$phsBdsRelayAin差动电流 C 相 ICcPROT/meaMMXU4$MX$A$phsC 表 2 告警点抽取规则 数据集信息名称 参引特征 dsAlarm模拟量采集错 PROT/DevChkGGIO1$ST$Alm4PT 断线 PROT/DevAlmGGIO2$ST$Alm18同期电压异常 PROT/DevAlmGGIO2$ST$Alm19CT 断线 PROT/DevAlmGGIO2$ST$Alm12长期有差流 PROT/DevAlmGGIO2$ST$Alm9通道一长期有差流PROT/ALMGGIO10$ST$Alm5 dsWarning通道二长期有差流PROT/ALMGGIO10$ST$Alm8 步骤二：根据表 1 和表 2 的规则知识和 ICD 模型分析，遥测量对应的逻辑节点类为“MMXU”，保护电压对应的 DO 模型为“PhV”，保护电流对应的 DO 模型为 A，A 相对应的 DA 为“phsA”，B 相86 电 气 技 术 第 24 卷 第 7 期 对应的 DA 为“phsB”，C 相对应的 DA 为“phsC”，同期电压对应的 DA 为“SynV”；告警点对应的逻辑节点类为“GGIO”，且其对应的 DO 无明显特征，无法直接从逻辑节点类和其数据对象识别对应的业务模型，但是因为 ICD 模型规范中对这部分描述有明确要求，可通过分析描述特征的方式识别出来。通过以上方法，可从装置 ICD 模型中抽取出电压电流回路巡视的运维业务特征模型。步骤三：上述步骤提取的运维业务特征模型还不能直接形成电压电流回路巡视业务模型，必须加入必要的业务特征数据，需要为每一个输入特征数据安排一个惟一有明确含义的标识符，以便下游的运维业务应用能够根据标识符识别出数据的具体含义，如赋予特征数据“保护电压 A 相”一个标识符“Ua”，再加上如最大值、最小值、基准值、通道号、支路号、判别方法等运维业务判断条件及其特征量，最终形成电压电流回路巡视业务模型。以上构建电压电流回路巡视业务模型的方法，适用于智能继电保护的其他典型运维业务场景，然后把构建的运维业务模型进行存储，并使用固定的业务名称作为模型文件的名称。电压电流回路巡视业务模型固定命名为“SAMPatrol”、二次回路链路状态巡视业务模型固定命名为“SCPatrol”、开入量巡视业务模型固定命名为“DIPatrol”，软压板巡视业务模型固定命名为“SPPatrol”、定值巡视业务模型固定命名为“STPatrol”、版本校核业务模型固定命名为“VPatrol”、纵联通道巡视业务模型固定命名为“Patrol”、装置自检巡视业务模型固定命名为“SIPatrol”、对时状态巡视业务模型固定命名为“TPatrol”、保护动作诊断业务模型固定命名为“TDPatrol”、保护功能巡视业务模型固定命名为“PFPatrol”、录波文件通道信息巡视业务模型固定命名为“WCSet”。2.2 继电保护信息物理融合建模 针对智能继电保护设备物理装置图形可视化能力不足的缺点，定义智能继电保护装置的各个插件、面板、端子排、端子、光纤接口、网络接口、面板指示灯、插件指示灯、把手、面板、按钮等部件的物理模型，描述智能继电保护装置自身及其部件的物理位置、大小及功能信息。本文提出基于可扩展矢量图形（scalable vector graphics,SVG）技术对继电保护装置进行物理维度的建模，生成继电保护装置的前视物理空间模型和后视物理空间模型。智能继电保护的部件分解建模方案如图 4 所示。图 4 智能继电保护的部件分解建模方案 智能继电保护的信息物理融合模型旨在通过智能继电保护装置的物理与信息系统的互通与深度融合，为扩展智能继电保护的应用业务提供底层数据基础，实现超越智能继电保护传统应用的运行效果与性能水平。通过构建智能继电保护的信息物理融合模型，可以扩展智能继电保护的应用业务。智能继电保护信息物理融合建模示意图如图 5 所示。图 5 智能继电保护信息物理融合建模示意图 基于以上提出的继电保护设备物理维度的抽象建模，结合继电保护 ICD 模型，进一步构建继电保护设备的物理与信息融合模型。在继电保护设备的物理空间模型中，通过扩展属性 xlink:ref 属性作为物理和信息的关联通道，属性值采用 ICD 模型中 reference表示，格式为 ldInst/prefix+lnClass+inst$fc$doName，2023 年 7 月 刘 戈等 智能继电保护数字孪生模型构建及应用 87 如果该数据对象存在 daName，那么格式为 ldInst/prefix+lnClass+lnInst$fc$doName$daName。3 智能继电保护数字孪生模型应用 基于以上构建的面向智能继电保护运维业务的数字孪生模型，在智能继电保护运维业务功能自配置、继电保护设备故障定位场景中进行应用探索。3.1 智能继电保护业务自配置 在继电保护生产阶段将建立的智能继电保护数字孪生模型作为基础模型存放到装置指定目录中，此目录支持通过 IEC 61850 的文件服务进行访问。继电保护运维系统在需要接入智能继电保护装置时，首先通过 IEC 61850 文件服务的方式获取继电保护装置中指定目录的文件列表；然后根据文件列表信息采用 IEC 61850 文件服务的方式读取列表中所有文件到继电保护运维系统中；接着继电保护运维系统通过召唤的模型文件名称识别出该文件所描述的具体运维业务类型；继电保护业务系统根据模型文件名称所对应的运维业务类型启动对应的运维业务进程，解析运维业务模型文件，识别模型文件中的运维特征模型及对应的各种特征量，并根据这些内容开始运维任务；最后运维业务进程和继电保护之间进行实时数据交互，进入正常的运维业务运行状态。在继电保护运维系统接入智能继电保护系统的过程中，利用智能继电保护的数字孪生模型，实现了继电保护业务的自发现和自配置。继电保护运维业务自动接入示意图如图 6 所示。图 6 继电保护运维业务自动接入示意图 通过在实验室验证，与当前手动进行继电保护运维业务配置的方式相比，采用智能继电保护的数字孪生模型，使配置时间有效缩短，继电保护运维系统接入继电保护的效率提升了 93%。两种接入方式的对比见表 3。表 3 两种接入方式的对比 接入方式 配置时间/天 效率提升/%手动接入方式 15 采用数字孪生模型 1 93 3.2 智能继电保护设备故障快速诊断定位 继电保护的图形可视化监视是进行设备运行故障定位的快捷手段。在继电保护运维业务系统的建设阶段，通过读取继电保护装置中的信息物理融合模型，具备了通过图形可视化方式进行设备运行状态监视的能力，结合运行时智能继电保护装置与对应运维系统之间的实时数据交互，继电保护运维系统中实时展示继电保护装置自身及其各个部件的运行状态。当装置有异常发生时，自动弹出该继电保护装置图形界面，并在图形中突出展示异常部件及其异常数据，辅助运维人员进行设备故障定位，从而达到继电保护设备故障快速诊断定位的目的。继电保护设备故障快速诊断定位流程如图 7 所示。图 7 继电保护设备故障快速诊断定位流程 以继电保护装置的插件温度诊断为例，基于继电保护装置的信息物理融合模型，当实时监测到继电保护装置的某插件温度超过阈值时，主动通过图形化的方式展示异常插件。继电保护插件问题异常图形化展示如图 8 所示。图 8 继电保护插件问题异常图形化展示 88 电 气 技 术 第 24 卷 第 7 期 4 结论 本文提出了一种面向继电保护运维业务的数字孪生建模方案并进行了应用探索。首先分析智能继电保护的 ICD 模型和智能继电保护的典型运维业务类型，进而构建智能继电保护的运维业务模型，基于 SVG 技术构建智能继电保护设备及其部件的物理空间模型，描述其大小、空间位置及关联关系；接着构建智能继电保护设备及其部件的物理空间模型与 ICD 模型的关联关系，从而建立了智能继电保护设备的信息物理融合模型；将业务模型、信息物理融合模型作为智能继电保护装置基础模型的一部分，与 ICD 模型一起放到智能继电保护装置的固定目录中，使继电保护装置具备典型运维业务能力、图形化能力自发现、自描述的能力，有效解决了继电保护运维系统接入智能继电保护配置效率低、设备故障定位不够精准的问题，具有广阔的应用前景。参考文献 1 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修回日期：2023-06-09 作者简介 刘 戈（1983），男，广东省梅州市兴宁市人，硕士，高级工程师，主要从事电力系统建模、设备状态研判等工作。