智能继电保护数字孪生模型构建及应用.pdf
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1、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,
2、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 modelin
3、g 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 analy
4、zes 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 s
5、elf-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 c
6、onfiguring 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
7、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
8、,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
9、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
10、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 refere
11、nce(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
12、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
13、-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
14、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 IC
15、D 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
16、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
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