CN107505535A - 一种变电站二次系统数据信息分析系统与分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种变电站二次系统数据信息分析系统，根据变电站二次系统数据来源对其划分时间和空间分布特性，然后分析这些数据信息存在的约束关系，从空间维纵向上提炼出信息冗余关系和约束关系，从时间维横向上提炼出信息约束关系，这些时空分布特性和约束关系可以用于对二次设备监测及运维时数据的正确性和有效性进行智能诊断。本发明从变电站二次系统数据信息的时空分布特性着手，切合网络化二次系统的特点。同时，技术方案中利用信息约束关系可以为变电站二次系统的在线监测和故障诊断提供更具体更丰富的信息。另外，还可以根据数据信息标注的时空分布特性迅速定位故障发生的具体空间维和时间维，提高运维的效率。

Description

一种变电站二次系统数据信息分析系统与分析方法

技术领域

本申请属于电力系统技术领域，尤其涉及变电站二次系统的数据分析。

背景技术

随着智能电网的进一步发展，变电站二次设备之间的网络通信成为了变电站二次系统信息共享和交互的主要方式，变电站各类功能的实现依赖于二次系统数据信息的网络传输和处理。然而，目前对二次系统数据信息的监测是根据二次系统业务割裂进行的，保护控制系统、SCADA系统等各子系统分别根据本系统输入的信息以及自身发送的告警信息等实现故障诊断和定位，缺乏立足于二次系统整体的数据信息综合分析方法。因此，如何最大限度地发挥变电站信息数字化和通信网络化的优势，在变电站全景信息开放基础上构建二次系统智能运维数据信息描述方法，是构建变电站二次系统智能运维体系的重要基础。

数量庞大的二次系统数据信息之间往往存在丰富的关联关系，挖掘这些关联关系有利于辅助二次系统的故障分析。有研究者基于应用场景的需求分析对继电保护设备的数据信息进行分类，并定义数据传送方式。该思路可以扩展至二次系统，从二次系统整体上划分数据信息的种类并标注，在此基础上尝试挖掘数据信息之间的约束关系，这些约束关系能够丰富二次系统故障诊断的判断依据，提高二次系统运维效率。

现阶段网络通信为变电站二次系统的信息共享和交互提供了便利条件，海量的二次系统数据信息通过网络上送至站内站控层和主站。二次系统数据信息反映二次系统离散的事件以及分立的业务，二次系统各业务利用较单一的数据信息进行孤立管理和分析，为故障诊断等高级应用提供数据支撑。

现有技术存在这样一个问题，就是对二次系统数据信息缺乏有效的分析手段，没有立足于丰富的信息关联关系，缺少更加科学的数据分析和决策方法，造成信息海量而知识匮乏的现状。解决问题的关键，在于挖掘数据信息之间的约束关系，可以根据二次系统数据信息的时间和空间分布特性，综合建立数据信息之间的关联，为故障诊断提供较全面的数据信息支撑。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提出一种基于时空分布特性和约束关系的变电站二次系统数据信息分析方法，它可以根据数据信息的来源分析其时空分布特性和约束关系，便于校验二次设备监测及运维时数据的正确性和有效性，进而为实现二次系统智能诊断提供便利条件。

本申请具体采用以下技术方案：

一种变电站二次系统数据分析系统，包括二次系统数据信息采集模块、二次系统数据信息时空分布特性分析模块、二次系统数据信息关联关系提取模块和智能诊断模块；其特征在于：

所述二次系统数据信息采集模块负责获取变电站二次系统数据信息，并将所采集的二次系统数据信息上传至二次系统数据信息时空分布特性分析模块；

所述二次系统数据信息时空分布特性分析模块负责对二次系统数据信息采集模块上传的数据信息分析时空分布特性，并为这些数据信息标注时空分布特性；然后将标注好时空分布特性的数据信息上传至二次系统数据信息约束关系分析模块；

所述二次系统数据信息约束关系分析模块分析数据信息之间的约束关系，最后，将这些数据信息以及数据信息之间的约束关系发送到二次系统智能诊断模块；

所述二次系统智能诊断模块数据信息时空分布特性和约束关系进行智能诊断，并将诊断得到的二次系统异常告警结果展示给运维人员。

本发明进一步包括以下优选方案：

所述时空分布特性包括时间维和空间维，即时间分布和空间分布，其时间分布包括设备制造、设计、集成、调试和运维五个阶段，空间分布包括信息采集环节、信息传输环节、间隔层业务处理环节和执行环节四个环节。

所述数据信息之间的约束关系包括空间维的信息冗余关系和信息约束关系，以及时间维上的信息约束关系。

所述智能诊断模块进一步包括智能诊断算法适配子模块、算法解析子模块和智能诊断结果输出子模块；

其中，智能诊断算法适配子模块负责对具有不同约束关系的变电站二次系统数据信息自动匹配相应的智能诊断算法，并将这些变电站二次系统数据信息以及对应的智能诊断算法发送到算法解析子模块；算法解析子模块负责解析智能诊断算法的结果，并将结果反馈到智能诊断结果输出子模块；智能诊断结果输出子模块负责将智能诊断得到的异常告警结果展示给运维人员。

本申请还公开了一种基于前述二次系统数据分析系统的变电站二次系统数据分析方法，其特征在于，所述分析方法包括以下步骤：

步骤1：采集变电站二次系统数据信息；

步骤2：根据二次系统数据信息的来源分析其时空分布特性，并在数据信息对应报文的空缺字段标注时空分布特性；

步骤3：分析二次系统数据信息之间的关联关系，包括：空间维纵向上的信息冗余关系、空间维纵向上的信息约束关系和时间维横向上的信息约束关系；

步骤4：对具有不同约束关系的变电站二次系统数据信息自动匹配相应的智能诊断算法；

步骤5：根据匹配的智能诊断算法对变电站二次系统进行诊断；

步骤6：根据智能诊断算法分析结果并结合数据信息时空分布特性快速定位故障，并将结果展示给运维人员。

进一步优选地：

在步骤3中，空间维纵向上的信息冗余关系：在变电站二次系统的信息采集环节、信息传输环节、间隔层业务处理环节和执行环节中，若两个数据信息之间存在空间维纵向上的冗余关系，则两个来自不同环节的数据信息始终保持一致；变电站二次系统内存在大量的数据信息“一发多收”现象，对于变电站全生命周期的同一个时间阶段，在空间维纵向上存在大量的信息冗余关系；

空间维纵向上的信息约束关系：二次系统中继电保护装置的工作按照“测量-逻辑-执行”的顺序进行，一次系统如果发生异常，相应地继电保护装置、录波装置应当正常启动，继电保护装置发送跳闸命令，断路器断开，从而切除故障；对于变电站全生命周期的同一个时间阶段，从信息采集环节到执行环节满足一系列信息逻辑上的约束关系；

时间维横向上的信息约束关系：变电站二次系统全生命周期的每个阶段都有可能产生隐患或故障，隐患一旦出现，就会不断地继承和发展，直到有施加于二次系统的外在的措施将其消除；在时间维横向上部分数据信息之间应当满足相应的约束关系。

在步骤4中，所述智能诊断算法是预先设置的，包括基于空间维纵向上信息冗余关系的智能诊断算法，基于空间维纵向上信息约束关系的智能诊断算法和基于时间维横向上信息冗余关系的智能诊断算法；

对于满足空间维纵向上信息冗余关系的信息，匹配基于空间维纵向上信息冗余关系的智能诊断算法；对于满足空间维纵向上信息约束关系的信息，匹配基于空间维纵向上信息约束关系的智能诊断算法；对于满足时间维横向上信息冗余关系的信息，匹配基于时间维横向上信息冗余关系的智能诊断算法。

根据匹配好的智能诊断算法和信息，对二次系统进行诊断；其中基于空间维纵向上信息冗余关系的智能诊断算法用于判断出理论上应当满足这种信息冗余关系的信息发生了异常，即一旦这些信息之间不再满足冗余关系，立即发出告警信息；

基于空间维纵向上信息约束关系的智能诊断算法能判断出哪些理论上应当满足这种信息约束关系的信息发生了异常，即一旦这些信息之间不再满足约束关系，立即发出告警信息；

基于时间维横向上信息冗余关系的智能诊断算法能判断出哪些理论上应当满足这种信息冗余关系的信息发生了异常，即一旦这些信息之间不再满足冗余关系，立即发出告警信息。

若智能诊断算法判断出存在信息异常，则根据异常信息标注的时空分布特性，及时定位到二次系统的相应的时间分布，以及空间分布，从而确定故障的时空分布，并把结果告知运维人员，方便运维人员定位排查故障。

本申请具有以下有益的技术效果：

本发明提出的基于时空分布特性和约束关系的变电站二次系统数据分析方法，从变电站二次系统数据信息的时空分布特性着手，切合网络化二次系统的特点，非常适用于网络化二次系统的在线监测和故障分析。同时，本发明技术方案中根据数据信息的时空分布特性从空间维纵向上提炼出信息冗余关系和约束关系，从时间维横向上提炼出信息约束关系，利用这些信息约束关系可以为变电站二次系统的在线监测和故障诊断提供更具体更丰富的信息。另外，进行故障诊断时还可以根据数据信息标注的时空分布特性迅速定位故障发生的具体空间维和时间维，提高运维的效率。

附图说明

图1是变电站二次系统数据分析系统结构框图；

图2为二次系统数据信息的时间分布示意图；

图3为二次系统数据信息的空间分布示意图；

图4为变电站二次系统数据信息时空分布特性分析模型；

图5为变电站二次系统数据分析方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本申请的技术方案做进一步详细介绍。

图1所示为变电站二次系统数据分析系统，该数据分析系统由1个数据信息输入模块，2个数据信息分析模块和1个智能诊断模块组成，下面根据这些模块进一步阐释本发明提出的基于时空分布特性和约束关系的变电站二次系统数据分析方法。

变电站二次系统数据信息采集模块

该模块负责获取变电站二次系统数据信息，并发送到变电站二次系统数据信息时空分布特性分析模块和变电站二次系统数据信息约束关系提取模块。以继电保护系统为例，根据继电保护信息规范，继电保护可上送的信息包括继电保护动作信息、各类告警信号、状态变位信息、在线监测信息、中间节点信息等。大量变电站二次系统数据信息可为在线监测、故障诊断等应用提供信息来源。

变电站二次系统数据信息时空分布特性分析模块

该模块负责分析变电站二次系统数据信息的时空分布特性并为其标注这些时空分布特性。

时间分布特性即为变电站二次系统全生命周期，包括设备制造、设计、集成、调试和运维五个阶段(如图2所示)，每个时间阶段对应不同的工作内容，因此产生的数据信息也会不同。

空间分布特性主要指数据信息在变电站二次系统的传输处理过程，包括信息采集环节、信息传输环节、间隔层业务处理环节和执行环节(如图3所示)。在智能变电站中，信息采集环节主要指合并单元采集并汇集一次系统电流电压数值，智能终端采集并汇集一次系统开关量信息，以及变电站各二次设备自检信息、告警信息的采集等；信息传输环节主要指合并单元和智能终端汇集的采样值和开关量信息通过过程层网络传输至间隔层的继电保护装置、测控装置等设备的过程；间隔层业务处理包括继电保护分析一次系统信息、测控装置传输四遥信息、录波装置记录故障发生时一次系统采样值变化以及保护动作信息等；执行环节一般指继电保护装置下发跳闸命令至相应断路器动作的过程。

可见，变电站二次系统数据信息在横向上表现为时间维度的不同分布，纵向上表现为二次系统运行过程中的各个阶段，每个数据信息都能根据其产生来源分析出时空分布，相同的数据信息可能有不同的时空分布特性，例如同样是表示“线路1的A相电流值”，可能对应继电保护逻辑分析阶段、测控装置上送遥测阶段等，对海量的数据信息标注时空分布特性有利于分析故可能导致变电站二次系统故障发生的隐患及其所属具体环节，便于故障定位。

如图4中所示，根据变电站二次系统数据信息产生的来源标注其时空分布，该时空分布属性可以记录在报文空缺未定义字段，随报文上送至主站或监控中心子站，以此构建变电站二次系统数据信息时空分布特性分析模型。

变电站二次系统数据信息约束关系分析模块

该模块负责分析变电站二次系统数据信息的约束关系，并发送到变电站二次系统智能诊断模块中的算法适配子模块。

空间维纵向上的信息冗余关系

两个数据信息之间存在冗余关系指的是两个数据信息始终保持一致。变电站二次系统内存在大量的信息“一发多收”现象，对于智能变电站而言，二次系统信息转发过程中组播、广播信息现象十分普遍，同一互感器采集模拟量由光纤以太网组播至所有配置端口。在同一个VLAN内的SV信息组播机制下，同一个VLAN内的二次设备收到的采样值信息具有冗余的关系，一次系统采样值将会经由合并单元汇集并传输至过程层网络，并最终通过网络传输至继电保护装置、测控装置、录波装置、计量装置和PMU等。如图5所示描述了智能变电站二次系统内的信息冗余关系。

因此，对于变电站全生命周期的同一个时间阶段，在空间维纵向上往往存在大量的信息冗余关系。时空分布特性标注为的变电站二次系统数据信息为智能诊断的重要分析基础，这些信息之间若存在冗余关系，则可以根据冗余信息之间是否保持一致来分析这些数据信息是否存在异常。

空间维纵向上的信息约束关系

二次系统中继电保护装置的工作按照“测量-逻辑-执行”的顺序进行，一次系统如果发生异常，相应地继电保护装置、录波装置应当正常启动，继电保护装置发送跳闸命令，断路器断开，从而切除故障。因此从信息采集环节到执行环节满足一系列信息约束关系，如下表1所示为当一次系统发生单向短路故障时数据信息在空间维纵向上的约束关系。

表1空间维纵向上的信息约束关系(一次系统发生单相短路故障时)

时空分布特性标注为的变电站二次系统数据信息为智能诊断的重要分析基础，这些信息之间若存在上述空间维纵向上的约束关系，则可以根据信息之间是否满足这些约束关系来分析二次系统是否存在异常。

时间维横向上的信息约束关系

变电站二次系统全生命周期包括设备制造、设计、集成、调试和运维五个阶段，每个阶段都有可能产生隐患或故障，隐患一旦出现，就会不断地继承发展，直到有施加于二次系统的外在的措施将其消除。因此在时间维横向上部分数据信息之间应当满足一定的约束关系。以设备制造阶段虚端子模型有误为例，这个信息在时间维横向上会发展成其他阶段的不同表现形式，如下表2所示：

表2时间维横向上的信息约束关系(虚端子模型有误)

该模块主要根据数据信息时空分布特性分析模块标注的时空分布来分析变电站二次系统数据信息的约束关系，还可以通过建立知识库迅速匹配数据信息之间的约束关系，并将这些约束关系发送到变电站二次系统智能诊断模块。

变电站二次系统智能诊断模块

该模块主要利用前序几个模块得出的数据信息时空分布特性和约束关系结果进行智能诊断，该模块包括智能诊断算法适配子模块、算法解析子模块和智能诊断结果输出子模块。

智能诊断算法适配子模块负责对具有不同约束关系的变电站二次系统数据信息自动匹配相应的智能诊断算法，并将这些变电站二次系统数据信息以及对应的智能诊断算法发送到算法解析子模块；算法解析子模块负责解析智能诊断算法的结果，并将结果反馈到智能诊断结果输出子模块；智能诊断结果输出子模块负责将智能诊断得到的异常告警结果清晰地展示给运维人员，因此运维人员可以有针对性地关注存在异常的变电站二次系统数据信息，有针对性地实现在线监测，从而提高运维工作的效率。

本发明重点在于变电站二次系统数据信息的时空分布特性和约束关系分析方法，因此智能诊断模块的具体操作和算法在本发明不展开详述。

本发明还公开了一种基于时空分布特性和约束关系的变电站二次系统数据分析方法，涉及变电站二次设备监测及运维技术领域。所述方法共分6个步骤：

1)采集变电站二次系统数据信息；

2)根据二次系统数据信息的来源分析其时空分布特性，并在数据信息对应报文的空缺字段标注时空分布特性；

3)分析二次系统数据信息之间的关联关系，包括：空间维纵向上的信息冗余关系、空间维纵向上的信息约束关系和时间维横向上的信息约束关系；

4)对具有不同约束关系的变电站二次系统数据信息自动匹配相应的预先设置的智能诊断算法，包括基于空间维纵向上信息冗余关系的智能诊断算法，基于空间维纵向上信息约束关系的智能诊断算法和基于时间维横向上信息冗余关系的智能诊断算法；

5)根据匹配的智能诊断算法对变电站二次系统进行诊断；智能诊断算法能判断出哪些理论上应当满足某种信息关联关系的信息发生了异常，即一旦这些信息之间不再满足某种关联关系，立即发出告警信息；

6)若智能诊断算法判断出存在信息异常，则根据异常信息标注的时空分布特性，可以迅速定位到二次系统的哪个时间分布以及哪个空间分布，从而确定故障的时空分布，并把结果告知运维人员，方便运维人员定位排查故障。

本发明能提高变电站二次设备监测及运维的作用，保证电网安全稳定运行，具有极其重要的意义。

申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种变电站二次系统数据分析系统，包括二次系统数据信息采集模块、二次系统数据信息时空分布特性分析模块、二次系统数据信息关联关系提取模块和智能诊断模块；其特征在于：

所述二次系统数据信息采集模块负责获取变电站二次系统数据信息，并将所采集的二次系统数据信息上传至二次系统数据信息时空分布特性分析模块；

所述二次系统数据信息时空分布特性分析模块负责对二次系统数据信息采集模块上传的数据信息分析时空分布特性，并为这些数据信息标注时空分布特性；然后将标注好时空分布特性的数据信息上传至二次系统数据信息约束关系分析模块；

所述二次系统数据信息约束关系分析模块分析数据信息之间的约束关系，最后，将这些数据信息以及数据信息之间的约束关系发送到二次系统智能诊断模块；

所述二次系统智能诊断模块数据信息时空分布特性和约束关系进行智能诊断，并将诊断得到的二次系统异常告警结果展示给运维人员。

2.根据权利要求1所述的变电站二次系统数据分析系统，其特征在于：

所述时空分布特性包括时间维和空间维，即时间分布和空间分布，其时间分布包括设备制造、设计、集成、调试和运维五个阶段，空间分布包括信息采集环节、信息传输环节、间隔层业务处理环节和执行环节四个环节。

3.根据权利要求2所述的变电站二次系统数据分析系统，其特征在于：

所述数据信息之间的约束关系包括空间维的信息冗余关系和信息约束关系，以及时间维上的信息约束关系。

4.根据权利要求1所述的变电站二次系统数据分析系统，其特征在于：

所述智能诊断模块进一步包括智能诊断算法适配子模块、算法解析子模块和智能诊断结果输出子模块；

其中，智能诊断算法适配子模块负责对具有不同约束关系的变电站二次系统数据信息自动匹配相应的智能诊断算法，并将这些变电站二次系统数据信息以及对应的智能诊断算法发送到算法解析子模块；算法解析子模块负责解析智能诊断算法的结果，并将结果反馈到智能诊断结果输出子模块；智能诊断结果输出子模块负责将智能诊断得到的异常告警结果展示给运维人员。

5.一种基于权利要求1-4任一项权利要求所述的二次系统数据分析系统的变电站二次系统数据分析方法，其特征在于，所述分析方法包括以下步骤：

步骤1：采集变电站二次系统数据信息；

步骤2：根据二次系统数据信息的来源分析其时空分布特性，并在数据信息对应报文的空缺字段标注时空分布特性；

步骤3：分析二次系统数据信息之间的关联关系，包括：空间维纵向上的信息冗余关系、空间维纵向上的信息约束关系和时间维横向上的信息约束关系；

步骤4：对具有不同约束关系的变电站二次系统数据信息自动匹配相应的智能诊断算法；

步骤5：根据匹配的智能诊断算法对变电站二次系统进行诊断；

步骤6：根据智能诊断算法分析结果并结合数据信息时空分布特性快速定位故障，并将结果展示给运维人员。

6.根据权利要求5所述的变电站二次系统数据分析方法，其特征在于：

在步骤3中，空间维纵向上的信息冗余关系：在变电站二次系统的信息采集环节、信息传输环节、间隔层业务处理环节和执行环节中，若两个数据信息之间存在空间维纵向上的冗余关系，则两个来自不同环节的数据信息始终保持一致；变电站二次系统内存在大量的数据信息“一发多收”现象，对于变电站全生命周期的同一个时间阶段，在空间维纵向上存在大量的信息冗余关系；

空间维纵向上的信息约束关系：二次系统中继电保护装置的工作按照“测量-逻辑-执行”的顺序进行，一次系统如果发生异常，相应地继电保护装置、录波装置应当正常启动，继电保护装置发送跳闸命令，断路器断开，从而切除故障；对于变电站全生命周期的同一个时间阶段，从信息采集环节到执行环节满足一系列信息逻辑上的约束关系；

时间维横向上的信息约束关系：变电站二次系统全生命周期的每个阶段都有可能产生隐患或故障，隐患一旦出现，就会不断地继承和发展，直到有施加于二次系统的外在的措施将其消除；在时间维横向上部分数据信息之间应当满足相应的约束关系。

7.根据权利要求5所述的变电站二次系统数据分析方法，其特征在于：

在步骤4中，所述智能诊断算法是预先设置的，包括基于空间维纵向上信息冗余关系的智能诊断算法，基于空间维纵向上信息约束关系的智能诊断算法和基于时间维横向上信息冗余关系的智能诊断算法；

对于满足空间维纵向上信息冗余关系的信息，匹配基于空间维纵向上信息冗余关系的智能诊断算法；对于满足空间维纵向上信息约束关系的信息，匹配基于空间维纵向上信息约束关系的智能诊断算法；对于满足时间维横向上信息冗余关系的信息，匹配基于时间维横向上信息冗余关系的智能诊断算法。

8.根据权利要求5所述的变电站二次系统数据分析方法，其特征在于：

根据匹配好的智能诊断算法和信息，对二次系统进行诊断；其中基于空间维纵向上信息冗余关系的智能诊断算法用于判断出理论上应当满足这种信息冗余关系的信息发生了异常，即一旦这些信息之间不再满足冗余关系，立即发出告警信息；

基于空间维纵向上信息约束关系的智能诊断算法能判断出哪些理论上应当满足这种信息约束关系的信息发生了异常，即一旦这些信息之间不再满足约束关系，立即发出告警信息；

基于时间维横向上信息冗余关系的智能诊断算法能判断出哪些理论上应当满足这种信息冗余关系的信息发生了异常，即一旦这些信息之间不再满足冗余关系，立即发出告警信息。

9.根据权利要求5所述的变电站二次系统数据分析方法，其特征在于：

若智能诊断算法判断出存在信息异常，则根据异常信息标注的时空分布特性，及时定位到二次系统的相应的时间分布，以及空间分布，从而确定故障的时空分布，并把结果告知运维人员，方便运维人员定位排查故障。