变电三维模型在智能变电站二次检修中应用

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摘  要：面对变电站智能化水平不断提升的趋势，二次检修业务开展面临极大挑战。本文从设计源头出发，充分运用三维设计成果，基于SCD和SPCD逻辑模型，根据缺陷信号名称实现完整信号回路自动检索和可视化;综合考虑检查难易度、距下一设备距离、故障率三个维度，采用决策树算法实现设备故障排查优先级的智能化推送，辅助二次检修人员快速定位二次回路故障点。

关键词：三维模型;智能变电站;二次检修

0引言

随着智能变电站推广应用，电缆由光纤替代，物理端子由虚拟端子替代，二次回路看不见、摸不着，快速定位并排除物理故障点变得非常困难，且二次检修工资严重依赖于经验和人员专业水平，二次检修业务开展面临极大挑战。随着国家电网基建部要求新建35kV及以上的输变电工程全面应用三维设计，标志着电网建设正式进入了以BIM技术为代表的数字化时代，为二次智能化检修提供了技术基础。

当前变电三维模型应用于智能变电站二次检修主要面临两大难题：一是基于缺陷信号名称，如何实现二次回路自动检索和可视化，避免二次检修人员翻阅大量图纸资料和配置文件，文献[2]中提到了一种虚实回路的拓扑搜索方法，但仅涉及了IED之间的物理回路，信息量严重不足，文献[3]提到一种纤芯自动搜索算法，实现二次系统物理回路虚实对应方法，但不能基于缺陷信号名称实现二次回路的自动检索;二是基于完整信号回路信息，如何实现智能化引导消缺，减少二次检修作业对人员经验、水平的依赖程度，本部分研究公开信息相对较少。

本文提出了一种基于典型信号名称，实现智能变电站二次回路自动检索和可视化方法，同时基于故障率、设备距离、检查难易程度等多个维度，采用决策树算法实现检修设备优先级推送，实现故障方便、快捷定位和诊断。

1变电站三维模型

变电站三维模型包括物理模型和逻辑模型，物理模型描述变电站电气设备、建（构）筑物及其他设施等物理对象的三维模型，由几何模型及其属性构成。在二次检修作业场景中，主要实现装置位置准确定位和属性信息便捷查询。物理模型的建立基于金曲三维设计软件。

逻辑模型是针对智能变电站电气主接线、二次系统光电物理回路及虚回路（信息链路）等逻辑信息，基于XML语言实现数字化、结构化模型构建、模型存储。逻辑模型可以分为变电站配置描述文件（SCD）和全站物理回路配置文件（SPCD），SCD描述设备间的逻辑回路（也称虚回路）联系，SPCD描述二次设备间的光纤、电缆连接的物理回路（也称实回路）联系。逻辑模型的配置采用自主开发的配置工具。

2 缺陷信号二次回路检索方法

根据典型缺陷信号名称，基于SCD和SPCD文件，实现二次回路的自动检索和可视化，具体步骤为：

（1）基于SCD文件，根据缺陷信号名称查询出信号发送装置，接收装置及接收端口;

（2）基于SPCD文件进行物理回路解析，分为电回路、光纤回路和网线回路三部分进行分别解析。

a.电回路解析

根据典型缺陷信号名称获取信号发生节点（元件）名称，基于SPCD解析出装置（元件）端口信息，以此为起点，向两端检索搜索有直接电气连接的节点信息，直至检索到遥信正电源或电信号接收装置为止。

b.光纤回路解析

根据SCD文件获得的信号接收装置及接收端口信息，从该端口信息出发，直到搜索到信号发生装置或者交换机结束。

若从接收端口获取到交换机，则以此交换机和基于SCD文件解析出的发送装置分别为终点和起点，遍历发送装置所有光纤发送端口，找出同上述交换机有直接光纤回路连接的唯一回路，两部分组合在一起即为该典型信号完整的光纤回路。

c.网线回路解析

以SCD文件解析获得的信号接收装置为起点，检索网线类直连装置信息，直到查找至交换机，同时以监控主机为起点，寻找监控主机至上述交换机中唯一物理传输路径。

电回路、光纤回路和网线回路三部分合并后即为完整的缺陷信号二次回路。

3 检修设备优先级推送方法

决策树是附加概率结果的一个树状的决策图，是直观的运用统计概率分析的图法。机器学习中决策树是一个预测模型，它表示对象属性和对象值之间的一种映射，树中的每一个节点表示对象属性的判断条件，其分支表示符合节点条件的对象。树的叶子节点表示对象所属的预测结果，其实现主要分为特征选择和决策树生成两个步骤。

3.1 特征选择

通过现场调研，选择检查难易度、距下一设备距离、故障率三个维度指标，以110kV线路开关SF6压力低告警信号为例，三个指标值定义如表4.1所示。

4 缺陷信号处理实例

首先选择一个典型110kV线路间隔的逻辑图，以110kV线路开关SF6压力低告警信号为例，依据第4节给出理论依据完成该信号二次回路的自动检索和可视化，并实现检修设备的优先级排序。

4.1 回路自动检索和可视化

首先通过告警信号名称从SCD文件获取发送装置（110kV线路合智一体装置）和接收装置（110kV线路保测一体装置），X1板卡RX01，TX01的两个端口作为解析光纤，网线回路的输入条件。通过GIS设备断路器气室压力表找到确定端口A（1）和B（2）作为解析电路图的输入条件。依据第2节缺陷信号二次回路检索方法即可得到解析结果。

4.2 检修设备优先级推送

筛查某地区历史数据发现，同类型历史缺陷信息共100条，引起缺陷原因中SF6压力表占32条，智能控制柜端子排占32条，过程层交换机占4条，线路保测一体装置占9条，间隔层交换机占4条，站控层交换机占4条。

依据表3-1及式（3-1）～（3-3），根据检查难易度、距下一设备距离、故障率数据计算信息熵，以确认每类数据对结果的影响大小。在没有指标信息的情况下，得出信息熵为0.94bits，有指标信息后，相应信息熵Gain（距下一设备距离）= 0.029; Gain（检查难易度）=0.694;Gain（故障率）=0.048;比较以上四个信息的信息量，检查难易度最大，所以以检查难易度作为第一个节点，不断重复以上计算过程，将整棵树构建完成。

在实际进行故障检修时，二次检修人员可以按照优先级推送顺序进行故障排查，并针对每种装置推送相应的诊断方法，且可定位到相应装置位置，大大降低现场人员工作量，以便快速找到故障设备。并且随着数据量不断增加，整棵决策树也不断变化并且越来越合理。

5 结语

本文从设计源头出发，充分运用三维设计物理模型和逻辑模型成果，基于缺陷信号名称实现完整信号回路的自动搜索及可视化，并综合考虑检查难易度、距下一设备距离、故障率三个维度，智能化地对设备故障排查优先级进行排序，并同步推送装置诊断方法，装置定位和属性信息，且能全程语音搜索，实现了二次检修消缺的智能化辅助。

参考文献：

[1]胡道徐，沃建栋.基于IEC61850智能变电站虚回路体系[J].电力系统自动化，2010，34（17）：78-82.

[2]高磊，杨毅，苏麟等.智能变电站二次系统物理回路建模方法及设计实现[J].电力系统保护与控制，2016，44（24）：130-139

[3]高磊，杨毅，刘玙等.基于举证表的智能变电站过程层通道故障定位方法[J].电力系统自动化，2015， 33（4）：147-151.

作者简介：王永升，男，工程师，注册电气工程师，从事变电设计工作。