南京國電南自電網自動化有限公司的劉戈、紀陵、劉文彪，在2023年第7期《電氣技術》上撰文，針對當前智慧變電站中的繼電保護裝置在運維業務配置中存在效率低、裝置執行故障診斷定位不夠正確的問題，提出一種面向繼電保護運維業務的繼電保護數字孿生建模技術並進行應用探索。該技術透過分析繼電保護運維業務需求，從運維業務、物理空間、資訊物理融合這三個維度構建面向繼電保護運維的數字孿生模型，實現繼電保護業務能力、圖形能力的自發現、自描述，支撐繼電保護運維繫統對繼電保護裝置的快速接入與配置、裝置執行故障快速定位的功能，使繼電保護運維業務接入和配置的效率進步90%以上，裝置故障定位也可精準到外掛級別。
繼電保護是保障堅強智慧電網安全的第一道防線，全面晉升繼電保護裝置的運維水平是必然要求。在當前的繼電保護運維業務系統建設過程中，存在大量業務配置工作需要人工完成，效率低下；此外，實現對繼電保護裝置故障的快速、可靠、正確定位，對電網快速恢復執行具有重要意義。針對上述問題，相關學者進行了探索。有文獻提出擬定科學運維方案、正視線路保護、做好風險評估、運用智慧運維繫統等加強治理的方式來改善、晉升配置和運維效率。有文獻提出透過系統規格描述（system specification description, SSD）模型檔案、一/二次裝置模型和智慧錄波器能力描述模型（intelligent electronic device capability description, ICD）檔案，使用組態配置工具天生智慧錄波器需要的標準化格局配置檔案，並將該檔案下裝到智慧錄波器，透過遠端配置的方式進步配置效率。有文獻提出一種基於動態卷積神經網路（dynamic convolutional neural network, DCNN）的智慧錄波器配置資訊自動化對映方法，實現依據描述文字分類結果自動化對映地址配置資料，從而進步配置效率。有文獻提出一種基於TextCNN（text convolutional neural network）模型的錄波器自配置方法，透過TextCNN模型強盛的語義分析能力，有效進步了錄波器配置準確度。有文獻透過提取三層兩網報文中的有效資料進行同源資料線上校驗與趨勢監測、保護動作閉環監督、裝置執行狀態健康評估，結合二次網路拓撲建模技術與故障診斷技術，實現二次裝置故障定位功能。但是，以上文獻均無法很好地解決繼電保護運維繫統對智慧繼電保護運維業務配置效率低、繼電保護裝置故障定位不精準的問題。鑑於此，本文提出一種繼電保護數字孿生建模技術，透過構建繼電保護典型業務能力模型、物理空間模型及資訊物理融合模型並將其作為智慧繼電保護裝置內部的基礎模型，實現繼電保護裝置業務能力、圖形能力的自發現、自描述，支撐繼電保護運維業務功能自配置、繼電保護裝置故障快速定位。1 總體技術架構資訊物理系統（cyber-physical systems, CPS）和數字孿生（digital twin, DT）技術是資訊物理融合的首選方式。CPS已被廣泛用於電力系統中電力裝置的執行控制中，DT技術也被大量應用在電網一次裝置的執行模擬方面，但是在電網繼電保護運維方面目前鮮有涉及，本文重點採用DT技術進行繼電保護運維方面的探索和應用。基於數字孿生的理論體系，透過分析智慧繼電保護的典型業務特徵，結合智慧繼電保護的ICD模型規範，提取其業務特徵模型；透過對智慧繼電保護硬體的抽象建模，建立智慧繼電保護裝置及其部件尺寸、位置的物理空間模型；結合智慧繼電保護裝置ICD模型中的reference（基於ICD模型中ldInst、prefix、lnClass、inst、DO、DA組成的描述某一資料的惟一字串）資訊，實現物理空間模型與ICD模型中資訊資料的虛實對映，天生智慧繼電保護裝置的資訊物理融合模型。將以上建立的業務模型、資訊物理融合模型作為智慧繼電保護裝置的基礎模型放入裝置中，結合對智慧繼電保護裝置的實時資料感知，在繼電保護業務系統中實現面向繼電保護裝置運維的數字孿生體，支撐智慧繼電保護運維業務自配置、故障快速診斷定位等智慧應用。總體技術架構如圖1所示。圖1 總體技術架構2 智慧繼電保護數字孿生建模透過對智慧繼電保護的典型運維業務建模、物理建模、資訊物理融合建模，構建面向智慧繼電保護運維業務的數字孿生模型，實現智慧繼電保護裝置典型運維業務能力、圖形化能力的自發現、自描述。2.1 運維業務建模1）繼電保護ICD模型分析ICD檔案描述了詳細智慧電子裝置（intelligent electronic device, IED）的功能和工程能力，包含模型自描述資訊。在智慧變電站高速發展的近十年，海內電力行業持續進行智慧繼電保護裝置的ICD模型標準化工作，主要有國家標準GB/T 32890—2016《繼電保護IEC 61850工程應用模型》、行業標準DL/T 860《電力自動化通訊網路和系統》、DL/T 1146《DL/T 860實施技術規範》。這些規範一致要求採用可辨識的、標準化的邏輯節點（logical node, LN）模型來描述智慧繼電保護裝置不同的功能邏輯屬性，並要求採用不同的資料物件（data object, DO）模型描述智慧繼電保護中不同型別的資料、採用同一的資料屬性（data attribute, DA）描述DO的資料型別。基於規範要求，從LN、DO、DA的維度，ICD模型可細分為執行狀態模型、告警資訊模型、故障資訊模型、動作資訊模型、監測資訊模型和其他型別模型，以及更進一步地對這些分類模型中的資料物件及其屬性進行細分，這些明顯特徵為運維業務模型的構建提供了基礎支撐。2）繼電保護運維業務分析為了保障智慧繼電保護系統的安全可靠執行，需要按期對智慧繼電保護裝置進行檢查和維護，以便及時發現智慧繼電保護裝置的異常並進行相應處置。海內擁有數目龐大的智慧變電站，日常需要運維治理大量的智慧繼電保護裝置，透過調研分析海內相關企業的智慧繼電保護裝置典型運維業務，本文總結和梳理了典型運維業務需求，包括：通訊狀態檢查、二次迴路鏈路狀態檢查、電流電壓回路檢查、開入量檢查、壓板狀態檢查、定值檢查、縱聯通道檢查、版本資訊檢查、裝置自檢資訊檢查、對時狀態檢查、保護動作診斷情況檢查和保護功能檢查。3）繼電保護運維業務建模方案基於上述智慧繼電保護ICD模型及其典型運維業務需求可以發現，智慧繼電保護裝置ICD模型基本有與運維業務需求對應的特徵模型，但是缺少對應的運維業務特徵量，如上限值、下限值、基準值、判定方法等。為了構建智慧繼電保護運維業務模型，依據當前國家標準、行業標準中給出的LN、DO、DA定義，從繼電保護運維業務的維度，對智慧繼電保護裝置ICD模型中的業務特徵模型進行識別和抽取，形成智慧繼電保護典型運維業務模型。繼電保護運維業務模型構建技術路線如圖2所示。圖2 繼電保護運維業務模型構建技術路線運維業務模型採用層次化結構進行設計，模型包括版本資訊管理模型、規則描述模型、電網結構模型和裝置業務描述模型。IPFCD物件是整個模型的根物件；版本資訊管理模型包括Header、History、Hitem物件，描述運維業務模型的變更歷史資訊；規則描述模型包括judgerule_Restriction、Xs_enum物件，描述運維業務使用的演算法模型；電網結構模型包括Station、VoltageLevel、Bay、Voltage物件，描述變電站的電網結構特徵；裝置業務配置模型包括IED、Function、DataItem、Item、Val、VoltageSwitchPlate、BranchBay物件，描述智慧繼電保護典型運維業務的特徵模型及其特徵量。典型運維業務模型層次結構如圖3所示。下面以智慧繼電保護裝置的電壓電流回路巡視業務為例，說明其業務模型的構建過程。電壓電流回路巡視的目的是對智慧繼電保護裝置的取樣電流、電壓及相關告警進行分析判斷和穩態量同源比對，來判定裝置的交流取樣是否正常。圖3 典型運維業務模型層次結構步驟一：透過繼電保護運維業務特徵分析，提取歸納規則知識要求。遙測點抽取規則見表1，告警點抽取規則見表2。表1 遙測點抽取規則表2 告警點抽取規則步驟二：根據表1和表2的規則知識和ICD模型分析，遙丈量對應的邏輯節點類為“MMXU”，保護電壓對應的DO模型為“PhV”，保護電流對應的DO模型為A，A相對應的DA為“phsA”，B相對應的DA為“phsB”，C相對應的DA為“phsC”，同期電壓對應的DA為“SynV”；告警點對應的邏輯節點類為“GGIO”，且其對應的DO無顯著特徵，無法直接從邏輯節點類和其資料物件識別對應的業務模型，但是由於ICD模型規範中對這部分描述有明確要求，可透過分析描述特徵的方式識別出來。透過以上方法，可從裝置ICD模型中抽取出電壓電流回路巡視的運維業務特徵模型。步驟三：上述步驟提取的運維業務特徵模型還不能直接形成電壓電流回路巡視業務模型，必需加入必要的業務特徵資料，需要為每一個輸入特徵資料安排一個惟一有明確含義的識別符號，以便下游的運維業務應用能夠根據識別符號識別出資料的詳細含義，如賦予特徵資料“保護電壓A相”一個識別符號“Ua”，再加上如最大值、最小值、基準值、通道號、支路號、判別方法等運維業務判定前提及其特徵量，終極形成電壓電流回路巡視業務模型。以上構建電壓電流回路巡視業務模型的方法，合用於智慧繼電保護的其他典型運維業務場景，然後把構建的運維業務模型進行儲存，並使用固定的業務名稱作為模型檔案的名稱。電壓電流回路巡視業務模型固定命名為“SAMPatrol”、二次迴路鏈路狀態巡視業務模型固定命名為“SCPatrol”、開入量巡視業務模型固定命名為“DIPatrol”，軟壓板巡視業務模型固定命名為“SPPatrol”、定值巡視業務模型固定命名為“STPatrol”、版本校核業務模型固定命名為“VPatrol”、縱聯通道巡視業務模型固定命名為“Patrol”、裝置自檢巡視業務模型固定命名為“SIPatrol”、對時狀態巡視業務模型固定命名為“TPatrol”、保護動作診斷業務模型固定命名為“TDPatrol”、保護功能巡視業務模型固定命名為“PFPatrol”、錄波檔案通道資訊巡視業務模型固定命名為“WCSet”。2.2 繼電保護資訊物理融合建模針對智慧繼電保護裝置物理裝置圖形視覺化能力不足的缺點，定義智慧繼電保護裝置的各個外掛、面板、端子排、端子、光纖介面、網路介面、面板指示燈、外掛指示燈、把手、面板、按鈕等部件的物理模型，描述智慧繼電保護裝置自身及其部件的物理位置、大小及功能資訊。本文提出基於可擴充套件向量圖形（scalable vector graphics, SVG）技術對繼電保護裝置進行物理維度的建模，天生繼電保護裝置的前視物理空間模型和後視物理空間模型。智慧繼電保護的部件分解建模方案如圖4所示。圖4 智慧繼電保護的部件分解建模方案智慧繼電保護的資訊物理融合模型旨在透過智慧繼電保護裝置的物理與資訊系統的互通與深度融合，為擴充套件智慧繼電保護的應用業務提供底層資料基礎，實現超越智慧繼電保護傳統應用的執行效果與機能水平。透過構建智慧繼電保護的資訊物理融合模型，可以擴充套件智慧繼電保護的應用業務。智慧繼電保護資訊物理融合建模示意圖如圖5所示。圖5 智慧繼電保護資訊物理融合建模示意圖基於以上提出的繼電保護裝置物理維度的抽象建模，結合繼電保護ICD模型，進一步構建繼電保護裝置的物理與資訊融合模型。在繼電保護裝置的物理空間模型中，透過擴充套件屬性xlink:ref屬性作為物理和資訊的聯絡關係通道，屬性值採用ICD模型中reference表示，格局為ldInst/prefix+lnClass+ inst$fc$doName，假如該資料物件存在daName，那麼格局為ldInst/ prefix+lnClass+lnInst $fc$doName$daName。3 智慧繼電保護數字孿生模型應用基於以上構建的面向智慧繼電保護運維業務的數字孿生模型，在智慧繼電保護運維業務功能自配置、繼電保護裝置故障定位場景中進行應用探索。3.1 智慧繼電保護業務自配置在繼電保護出產階段將建立的智慧繼電保護數字孿生模型作為基礎模型存放到裝置指定目錄中，此目錄支援透過IEC 61850的檔案服務進行訪問。繼電保護運維繫統在需要接入智慧繼電保護裝置時，首先透過IEC 61850檔案服務的方式獲取繼電保護裝置中指定目錄的檔案列表；然後根據檔案列表資訊採用IEC 61850檔案服務的方式讀取列表中所有檔案到繼電保護運維繫統中；接著繼電保護運維繫統透過召喚的模型檔名稱識別出該檔案所描述的詳細運維業務型別；繼電保護業務系統根據模型檔名稱所對應的運維業務型別啟動對應的運維業務程序，解析運維業務模型檔案，識別模型檔案中的運維特徵模型及對應的各種特徵量，並根據這些內容開始運維任務；最後運維業務程序和繼電保護之間進行實時資料互動，進入正常的運維業務執行狀態。在繼電保護運維繫統接入智慧繼電保護系統的過程中，利用智慧繼電保護的數字孿生模型，實現了繼電保護業務的自發現和自配置。繼電保護運維業務自動接入示意圖如圖6所示。圖6 繼電保護運維業務自動接入示意圖透過在實驗室驗證，與當前手動進行繼電保護運維業務配置的方式比擬，採用智慧繼電保護的數字孿生模型，使配置時間有效縮短，繼電保護運維繫統接入繼電保護的效率晉升了93%。兩種接入方式的對比見表3。表3 兩種接入方式的對比3.2 智慧繼電保護裝置故障快速診斷定位繼電保護的圖形視覺化監督是進行裝置執行故障定位的快捷手段。在繼電保護運維業務系統的建設階段，透過讀取繼電保護裝置中的資訊物理融合模型，具備了透過圖形視覺化方式進行裝置執行狀態監督的能力，結合執行時智慧繼電保護裝置與對應運維繫統之間的實時資料互動，繼電保護運維繫統中實時展示繼電保護裝置自身及其各個部件的執行狀態。當裝置有異常發生時，自轉動出該繼電保護裝置圖形介面，並在圖形中凸起展示異常部件及其異常資料，輔助運維職員進行裝置故障定位，從而達到繼電保護裝置故障快速診斷定位的目的。繼電保護裝置故障快速診斷定位流程如圖7所示。圖7 繼電保護裝置故障快速診斷定位流程以繼電保護裝置的外掛溫度診斷為例，基於繼電保護裝置的資訊物理融合模型，當實時監測到繼電保護裝置的某外掛溫度超過閾值時，主動透過圖形化的方式展示異常外掛。繼電保護外掛問題異常圖形化展示如圖8所示。圖8 繼電保護外掛問題異常圖形化展示4 結論本文提出了一種面向繼電保護運維業務的數字孿生建模方案並進行了應用探索。首先分析智慧繼電保護的ICD模型和智慧繼電保護的典型運維業務型別，進而構建智慧繼電保護的運維業務模型，基於SVG技術構建智慧繼電保護裝置及其部件的物理空間模型，描述其大小、空間位置及聯絡關係關係；接著構建智慧繼電保護裝置及其部件的物理空間模型與ICD模型的聯絡關係關係，從而建立了智慧繼電保護裝置的資訊物理融合模型。將業務模型、資訊物理融合模型作為智慧繼電保護裝置基礎模型的一部分，與ICD模型一起放到智慧繼電保護裝置的固定目錄中，使繼電保護裝置具備典型運維業務能力、圖形化能力自發現、自描述的能力，有效解決了繼電保護運維繫統接入智慧繼電保護配置效率低、裝置故障定位不夠精準的問題，具有廣闊的應用遠景。本工作成果發表在2023年第7期《電氣技術》，論文標題為“智慧繼電保護數字孿生模型構建及應用”，作者為劉戈、紀陵、劉文彪。
#繼電保護#
南京國電南自電網自動化有限公司的劉戈、紀陵、劉文彪，在2023年第7期《電氣技術》上撰文，針對當前智慧變電站中的繼電保護裝置在運維業務配置中存在效率低、裝置執行故障診斷定位不夠正確的問題，提出一種面向繼電保護運維業務的繼電保護數字孿生建模技術並進行應用探索。該技術透過分析繼電保護運維業務需求，從運維業務、物理空間、資訊物理融合這三個維度構建面向繼電保護運維的數字孿生模型，實現繼電保護業務能力、圖形能力的自發現、自描述，支撐繼電保護運維繫統對繼電保護裝置的快速接入與配置、裝置執行故障快速定位的功能，使繼電保護運維業務接入和配置的效率進步90%以上，裝置故障定位也可精準到外掛級別。
繼電保護是保障堅強智慧電網安全的第一道防線，全面晉升繼電保護裝置的運維水平是必然要求。在當前的繼電保護運維業務系統建設過程中，存在大量業務配置工作需要人工完成，效率低下；此外，實現對繼電保護裝置故障的快速、可靠、正確定位，對電網快速恢復執行具有重要意義。針對上述問題，相關學者進行了探索。有文獻提出擬定科學運維方案、正視線路保護、做好風險評估、運用智慧運維繫統等加強治理的方式來改善、晉升配置和運維效率。有文獻提出透過系統規格描述（system specification description, SSD）模型檔案、一/二次裝置模型和智慧錄波器能力描述模型（intelligent electronic device capability description, ICD）檔案，使用組態配置工具天生智慧錄波器需要的標準化格局配置檔案，並將該檔案下裝到智慧錄波器，透過遠端配置的方式進步配置效率。有文獻提出一種基於動態卷積神經網路（dynamic convolutional neural network, DCNN）的智慧錄波器配置資訊自動化對映方法，實現依據描述文字分類結果自動化對映地址配置資料，從而進步配置效率。有文獻提出一種基於TextCNN（text convolutional neural network）模型的錄波器自配置方法，透過TextCNN模型強盛的語義分析能力，有效進步了錄波器配置準確度。有文獻透過提取三層兩網報文中的有效資料進行同源資料線上校驗與趨勢監測、保護動作閉環監督、裝置執行狀態健康評估，結合二次網路拓撲建模技術與故障診斷技術，實現二次裝置故障定位功能。但是，以上文獻均無法很好地解決繼電保護運維繫統對智慧繼電保護運維業務配置效率低、繼電保護裝置故障定位不精準的問題。鑑於此，本文提出一種繼電保護數字孿生建模技術，透過構建繼電保護典型業務能力模型、物理空間模型及資訊物理融合模型並將其作為智慧繼電保護裝置內部的基礎模型，實現繼電保護裝置業務能力、圖形能力的自發現、自描述，支撐繼電保護運維業務功能自配置、繼電保護裝置故障快速定位。1 總體技術架構資訊物理系統（cyber-physical systems, CPS）和數字孿生（digital twin, DT）技術是資訊物理融合的首選方式。CPS已被廣泛用於電力系統中電力裝置的執行控制中，DT技術也被大量應用在電網一次裝置的執行模擬方面，但是在電網繼電保護運維方面目前鮮有涉及，本文重點採用DT技術進行繼電保護運維方面的探索和應用。基於數字孿生的理論體系，透過分析智慧繼電保護的典型業務特徵，結合智慧繼電保護的ICD模型規範，提取其業務特徵模型；透過對智慧繼電保護硬體的抽象建模，建立智慧繼電保護裝置及其部件尺寸、位置的物理空間模型；結合智慧繼電保護裝置ICD模型中的reference（基於ICD模型中ldInst、prefix、lnClass、inst、DO、DA組成的描述某一資料的惟一字串）資訊，實現物理空間模型與ICD模型中資訊資料的虛實對映，天生智慧繼電保護裝置的資訊物理融合模型。將以上建立的業務模型、資訊物理融合模型作為智慧繼電保護裝置的基礎模型放入裝置中，結合對智慧繼電保護裝置的實時資料感知，在繼電保護業務系統中實現面向繼電保護裝置運維的數字孿生體，支撐智慧繼電保護運維業務自配置、故障快速診斷定位等智慧應用。總體技術架構如圖1所示。圖1 總體技術架構2 智慧繼電保護數字孿生建模透過對智慧繼電保護的典型運維業務建模、物理建模、資訊物理融合建模，構建面向智慧繼電保護運維業務的數字孿生模型，實現智慧繼電保護裝置典型運維業務能力、圖形化能力的自發現、自描述。2.1 運維業務建模1）繼電保護ICD模型分析ICD檔案描述了詳細智慧電子裝置（intelligent electronic device, IED）的功能和工程能力，包含模型自描述資訊。在智慧變電站高速發展的近十年，海內電力行業持續進行智慧繼電保護裝置的ICD模型標準化工作，主要有國家標準GB/T 32890—2016《繼電保護IEC 61850工程應用模型》、行業標準DL/T 860《電力自動化通訊網路和系統》、DL/T 1146《DL/T 860實施技術規範》。這些規範一致要求採用可辨識的、標準化的邏輯節點（logical node, LN）模型來描述智慧繼電保護裝置不同的功能邏輯屬性，並要求採用不同的資料物件（data object, DO）模型描述智慧繼電保護中不同型別的資料、採用同一的資料屬性（data attribute, DA）描述DO的資料型別。基於規範要求，從LN、DO、DA的維度，ICD模型可細分為執行狀態模型、告警資訊模型、故障資訊模型、動作資訊模型、監測資訊模型和其他型別模型，以及更進一步地對這些分類模型中的資料物件及其屬性進行細分，這些明顯特徵為運維業務模型的構建提供了基礎支撐。2）繼電保護運維業務分析為了保障智慧繼電保護系統的安全可靠執行，需要按期對智慧繼電保護裝置進行檢查和維護，以便及時發現智慧繼電保護裝置的異常並進行相應處置。海內擁有數目龐大的智慧變電站，日常需要運維治理大量的智慧繼電保護裝置，透過調研分析海內相關企業的智慧繼電保護裝置典型運維業務，本文總結和梳理了典型運維業務需求，包括：通訊狀態檢查、二次迴路鏈路狀態檢查、電流電壓回路檢查、開入量檢查、壓板狀態檢查、定值檢查、縱聯通道檢查、版本資訊檢查、裝置自檢資訊檢查、對時狀態檢查、保護動作診斷情況檢查和保護功能檢查。3）繼電保護運維業務建模方案基於上述智慧繼電保護ICD模型及其典型運維業務需求可以發現，智慧繼電保護裝置ICD模型基本有與運維業務需求對應的特徵模型，但是缺少對應的運維業務特徵量，如上限值、下限值、基準值、判定方法等。為了構建智慧繼電保護運維業務模型，依據當前國家標準、行業標準中給出的LN、DO、DA定義，從繼電保護運維業務的維度，對智慧繼電保護裝置ICD模型中的業務特徵模型進行識別和抽取，形成智慧繼電保護典型運維業務模型。繼電保護運維業務模型構建技術路線如圖2所示。圖2 繼電保護運維業務模型構建技術路線運維業務模型採用層次化結構進行設計，模型包括版本資訊管理模型、規則描述模型、電網結構模型和裝置業務描述模型。IPFCD物件是整個模型的根物件；版本資訊管理模型包括Header、History、Hitem物件，描述運維業務模型的變更歷史資訊；規則描述模型包括judgerule_Restriction、Xs_enum物件，描述運維業務使用的演算法模型；電網結構模型包括Station、VoltageLevel、Bay、Voltage物件，描述變電站的電網結構特徵；裝置業務配置模型包括IED、Function、DataItem、Item、Val、VoltageSwitchPlate、BranchBay物件，描述智慧繼電保護典型運維業務的特徵模型及其特徵量。典型運維業務模型層次結構如圖3所示。下面以智慧繼電保護裝置的電壓電流回路巡視業務為例，說明其業務模型的構建過程。電壓電流回路巡視的目的是對智慧繼電保護裝置的取樣電流、電壓及相關告警進行分析判斷和穩態量同源比對，來判定裝置的交流取樣是否正常。圖3 典型運維業務模型層次結構步驟一：透過繼電保護運維業務特徵分析，提取歸納規則知識要求。遙測點抽取規則見表1，告警點抽取規則見表2。表1 遙測點抽取規則表2 告警點抽取規則步驟二：根據表1和表2的規則知識和ICD模型分析，遙丈量對應的邏輯節點類為“MMXU”，保護電壓對應的DO模型為“PhV”，保護電流對應的DO模型為A，A相對應的DA為“phsA”，B相對應的DA為“phsB”，C相對應的DA為“phsC”，同期電壓對應的DA為“SynV”；告警點對應的邏輯節點類為“GGIO”，且其對應的DO無顯著特徵，無法直接從邏輯節點類和其資料物件識別對應的業務模型，但是由於ICD模型規範中對這部分描述有明確要求，可透過分析描述特徵的方式識別出來。透過以上方法，可從裝置ICD模型中抽取出電壓電流回路巡視的運維業務特徵模型。步驟三：上述步驟提取的運維業務特徵模型還不能直接形成電壓電流回路巡視業務模型，必需加入必要的業務特徵資料，需要為每一個輸入特徵資料安排一個惟一有明確含義的識別符號，以便下游的運維業務應用能夠根據識別符號識別出資料的詳細含義，如賦予特徵資料“保護電壓A相”一個識別符號“Ua”，再加上如最大值、最小值、基準值、通道號、支路號、判別方法等運維業務判定前提及其特徵量，終極形成電壓電流回路巡視業務模型。以上構建電壓電流回路巡視業務模型的方法，合用於智慧繼電保護的其他典型運維業務場景，然後把構建的運維業務模型進行儲存，並使用固定的業務名稱作為模型檔案的名稱。電壓電流回路巡視業務模型固定命名為“SAMPatrol”、二次迴路鏈路狀態巡視業務模型固定命名為“SCPatrol”、開入量巡視業務模型固定命名為“DIPatrol”，軟壓板巡視業務模型固定命名為“SPPatrol”、定值巡視業務模型固定命名為“STPatrol”、版本校核業務模型固定命名為“VPatrol”、縱聯通道巡視業務模型固定命名為“Patrol”、裝置自檢巡視業務模型固定命名為“SIPatrol”、對時狀態巡視業務模型固定命名為“TPatrol”、保護動作診斷業務模型固定命名為“TDPatrol”、保護功能巡視業務模型固定命名為“PFPatrol”、錄波檔案通道資訊巡視業務模型固定命名為“WCSet”。2.2 繼電保護資訊物理融合建模針對智慧繼電保護裝置物理裝置圖形視覺化能力不足的缺點，定義智慧繼電保護裝置的各個外掛、面板、端子排、端子、光纖介面、網路介面、面板指示燈、外掛指示燈、把手、面板、按鈕等部件的物理模型，描述智慧繼電保護裝置自身及其部件的物理位置、大小及功能資訊。本文提出基於可擴充套件向量圖形（scalable vector graphics, SVG）技術對繼電保護裝置進行物理維度的建模，天生繼電保護裝置的前視物理空間模型和後視物理空間模型。智慧繼電保護的部件分解建模方案如圖4所示。圖4 智慧繼電保護的部件分解建模方案智慧繼電保護的資訊物理融合模型旨在透過智慧繼電保護裝置的物理與資訊系統的互通與深度融合，為擴充套件智慧繼電保護的應用業務提供底層資料基礎，實現超越智慧繼電保護傳統應用的執行效果與機能水平。透過構建智慧繼電保護的資訊物理融合模型，可以擴充套件智慧繼電保護的應用業務。智慧繼電保護資訊物理融合建模示意圖如圖5所示。圖5 智慧繼電保護資訊物理融合建模示意圖基於以上提出的繼電保護裝置物理維度的抽象建模，結合繼電保護ICD模型，進一步構建繼電保護裝置的物理與資訊融合模型。在繼電保護裝置的物理空間模型中，透過擴充套件屬性xlink:ref屬性作為物理和資訊的聯絡關係通道，屬性值採用ICD模型中reference表示，格局為ldInst/prefix+lnClass+ inst$fc$doName，假如該資料物件存在daName，那麼格局為ldInst/ prefix+lnClass+lnInst $fc$doName$daName。3 智慧繼電保護數字孿生模型應用基於以上構建的面向智慧繼電保護運維業務的數字孿生模型，在智慧繼電保護運維業務功能自配置、繼電保護裝置故障定位場景中進行應用探索。3.1 智慧繼電保護業務自配置在繼電保護出產階段將建立的智慧繼電保護數字孿生模型作為基礎模型存放到裝置指定目錄中，此目錄支援透過IEC 61850的檔案服務進行訪問。繼電保護運維繫統在需要接入智慧繼電保護裝置時，首先透過IEC 61850檔案服務的方式獲取繼電保護裝置中指定目錄的檔案列表；然後根據檔案列表資訊採用IEC 61850檔案服務的方式讀取列表中所有檔案到繼電保護運維繫統中；接著繼電保護運維繫統透過召喚的模型檔名稱識別出該檔案所描述的詳細運維業務型別；繼電保護業務系統根據模型檔名稱所對應的運維業務型別啟動對應的運維業務程序，解析運維業務模型檔案，識別模型檔案中的運維特徵模型及對應的各種特徵量，並根據這些內容開始運維任務；最後運維業務程序和繼電保護之間進行實時資料互動，進入正常的運維業務執行狀態。在繼電保護運維繫統接入智慧繼電保護系統的過程中，利用智慧繼電保護的數字孿生模型，實現了繼電保護業務的自發現和自配置。繼電保護運維業務自動接入示意圖如圖6所示。圖6 繼電保護運維業務自動接入示意圖透過在實驗室驗證，與當前手動進行繼電保護運維業務配置的方式比擬，採用智慧繼電保護的數字孿生模型，使配置時間有效縮短，繼電保護運維繫統接入繼電保護的效率晉升了93%。兩種接入方式的對比見表3。表3 兩種接入方式的對比3.2 智慧繼電保護裝置故障快速診斷定位繼電保護的圖形視覺化監督是進行裝置執行故障定位的快捷手段。在繼電保護運維業務系統的建設階段，透過讀取繼電保護裝置中的資訊物理融合模型，具備了透過圖形視覺化方式進行裝置執行狀態監督的能力，結合執行時智慧繼電保護裝置與對應運維繫統之間的實時資料互動，繼電保護運維繫統中實時展示繼電保護裝置自身及其各個部件的執行狀態。當裝置有異常發生時，自轉動出該繼電保護裝置圖形介面，並在圖形中凸起展示異常部件及其異常資料，輔助運維職員進行裝置故障定位，從而達到繼電保護裝置故障快速診斷定位的目的。繼電保護裝置故障快速診斷定位流程如圖7所示。圖7 繼電保護裝置故障快速診斷定位流程以繼電保護裝置的外掛溫度診斷為例，基於繼電保護裝置的資訊物理融合模型，當實時監測到繼電保護裝置的某外掛溫度超過閾值時，主動透過圖形化的方式展示異常外掛。繼電保護外掛問題異常圖形化展示如圖8所示。圖8 繼電保護外掛問題異常圖形化展示4 結論本文提出了一種面向繼電保護運維業務的數字孿生建模方案並進行了應用探索。首先分析智慧繼電保護的ICD模型和智慧繼電保護的典型運維業務型別，進而構建智慧繼電保護的運維業務模型，基於SVG技術構建智慧繼電保護裝置及其部件的物理空間模型，描述其大小、空間位置及聯絡關係關係；接著構建智慧繼電保護裝置及其部件的物理空間模型與ICD模型的聯絡關係關係，從而建立了智慧繼電保護裝置的資訊物理融合模型。將業務模型、資訊物理融合模型作為智慧繼電保護裝置基礎模型的一部分，與ICD模型一起放到智慧繼電保護裝置的固定目錄中，使繼電保護裝置具備典型運維業務能力、圖形化能力自發現、自描述的能力，有效解決了繼電保護運維繫統接入智慧繼電保護配置效率低、裝置故障定位不夠精準的問題，具有廣闊的應用遠景。本工作成果發表在2023年第7期《電氣技術》，論文標題為“智慧繼電保護數字孿生模型構建及應用”，作者為劉戈、紀陵、劉文彪。
#繼電保護#
南京國電南自電網自動化有限公司的劉戈、紀陵、劉文彪，在2023年第7期《電氣技術》上撰文，針對當前智慧變電站中的繼電保護裝置在運維業務配置中存在效率低、裝置執行故障診斷定位不夠正確的問題，提出一種面向繼電保護運維業務的繼電保護數字孿生建模技術並進行應用探索。該技術透過分析繼電保護運維業務需求，從運維業務、物理空間、資訊物理融合這三個維度構建面向繼電保護運維的數字孿生模型，實現繼電保護業務能力、圖形能力的自發現、自描述，支撐繼電保護運維繫統對繼電保護裝置的快速接入與配置、裝置執行故障快速定位的功能，使繼電保護運維業務接入和配置的效率進步90%以上，裝置故障定位也可精準到外掛級別。
繼電保護是保障堅強智慧電網安全的第一道防線，全面晉升繼電保護裝置的運維水平是必然要求。在當前的繼電保護運維業務系統建設過程中，存在大量業務配置工作需要人工完成，效率低下；此外，實現對繼電保護裝置故障的快速、可靠、正確定位，對電網快速恢復執行具有重要意義。針對上述問題，相關學者進行了探索。有文獻提出擬定科學運維方案、正視線路保護、做好風險評估、運用智慧運維繫統等加強治理的方式來改善、晉升配置和運維效率。有文獻提出透過系統規格描述（system specification description, SSD）模型檔案、一/二次裝置模型和智慧錄波器能力描述模型（intelligent electronic device capability description, ICD）檔案，使用組態配置工具天生智慧錄波器需要的標準化格局配置檔案，並將該檔案下裝到智慧錄波器，透過遠端配置的方式進步配置效率。有文獻提出一種基於動態卷積神經網路（dynamic convolutional neural network, DCNN）的智慧錄波器配置資訊自動化對映方法，實現依據描述文字分類結果自動化對映地址配置資料，從而進步配置效率。有文獻提出一種基於TextCNN（text convolutional neural network）模型的錄波器自配置方法，透過TextCNN模型強盛的語義分析能力，有效進步了錄波器配置準確度。有文獻透過提取三層兩網報文中的有效資料進行同源資料線上校驗與趨勢監測、保護動作閉環監督、裝置執行狀態健康評估，結合二次網路拓撲建模技術與故障診斷技術，實現二次裝置故障定位功能。但是，以上文獻均無法很好地解決繼電保護運維繫統對智慧繼電保護運維業務配置效率低、繼電保護裝置故障定位不精準的問題。鑑於此，本文提出一種繼電保護數字孿生建模技術，透過構建繼電保護典型業務能力模型、物理空間模型及資訊物理融合模型並將其作為智慧繼電保護裝置內部的基礎模型，實現繼電保護裝置業務能力、圖形能力的自發現、自描述，支撐繼電保護運維業務功能自配置、繼電保護裝置故障快速定位。1 總體技術架構資訊物理系統（cyber-physical systems, CPS）和數字孿生（digital twin, DT）技術是資訊物理融合的首選方式。CPS已被廣泛用於電力系統中電力裝置的執行控制中，DT技術也被大量應用在電網一次裝置的執行模擬方面，但是在電網繼電保護運維方面目前鮮有涉及，本文重點採用DT技術進行繼電保護運維方面的探索和應用。基於數字孿生的理論體系，透過分析智慧繼電保護的典型業務特徵，結合智慧繼電保護的ICD模型規範，提取其業務特徵模型；透過對智慧繼電保護硬體的抽象建模，建立智慧繼電保護裝置及其部件尺寸、位置的物理空間模型；結合智慧繼電保護裝置ICD模型中的reference（基於ICD模型中ldInst、prefix、lnClass、inst、DO、DA組成的描述某一資料的惟一字串）資訊，實現物理空間模型與ICD模型中資訊資料的虛實對映，天生智慧繼電保護裝置的資訊物理融合模型。將以上建立的業務模型、資訊物理融合模型作為智慧繼電保護裝置的基礎模型放入裝置中，結合對智慧繼電保護裝置的實時資料感知，在繼電保護業務系統中實現面向繼電保護裝置運維的數字孿生體，支撐智慧繼電保護運維業務自配置、故障快速診斷定位等智慧應用。總體技術架構如圖1所示。圖1 總體技術架構2 智慧繼電保護數字孿生建模透過對智慧繼電保護的典型運維業務建模、物理建模、資訊物理融合建模，構建面向智慧繼電保護運維業務的數字孿生模型，實現智慧繼電保護裝置典型運維業務能力、圖形化能力的自發現、自描述。2.1 運維業務建模1）繼電保護ICD模型分析ICD檔案描述了詳細智慧電子裝置（intelligent electronic device, IED）的功能和工程能力，包含模型自描述資訊。在智慧變電站高速發展的近十年，海內電力行業持續進行智慧繼電保護裝置的ICD模型標準化工作，主要有國家標準GB/T 32890—2016《繼電保護IEC 61850工程應用模型》、行業標準DL/T 860《電力自動化通訊網路和系統》、DL/T 1146《DL/T 860實施技術規範》。這些規範一致要求採用可辨識的、標準化的邏輯節點（logical node, LN）模型來描述智慧繼電保護裝置不同的功能邏輯屬性，並要求採用不同的資料物件（data object, DO）模型描述智慧繼電保護中不同型別的資料、採用同一的資料屬性（data attribute, DA）描述DO的資料型別。基於規範要求，從LN、DO、DA的維度，ICD模型可細分為執行狀態模型、告警資訊模型、故障資訊模型、動作資訊模型、監測資訊模型和其他型別模型，以及更進一步地對這些分類模型中的資料物件及其屬性進行細分，這些明顯特徵為運維業務模型的構建提供了基礎支撐。2）繼電保護運維業務分析為了保障智慧繼電保護系統的安全可靠執行，需要按期對智慧繼電保護裝置進行檢查和維護，以便及時發現智慧繼電保護裝置的異常並進行相應處置。海內擁有數目龐大的智慧變電站，日常需要運維治理大量的智慧繼電保護裝置，透過調研分析海內相關企業的智慧繼電保護裝置典型運維業務，本文總結和梳理了典型運維業務需求，包括：通訊狀態檢查、二次迴路鏈路狀態檢查、電流電壓回路檢查、開入量檢查、壓板狀態檢查、定值檢查、縱聯通道檢查、版本資訊檢查、裝置自檢資訊檢查、對時狀態檢查、保護動作診斷情況檢查和保護功能檢查。3）繼電保護運維業務建模方案基於上述智慧繼電保護ICD模型及其典型運維業務需求可以發現，智慧繼電保護裝置ICD模型基本有與運維業務需求對應的特徵模型，但是缺少對應的運維業務特徵量，如上限值、下限值、基準值、判定方法等。為了構建智慧繼電保護運維業務模型，依據當前國家標準、行業標準中給出的LN、DO、DA定義，從繼電保護運維業務的維度，對智慧繼電保護裝置ICD模型中的業務特徵模型進行識別和抽取，形成智慧繼電保護典型運維業務模型。繼電保護運維業務模型構建技術路線如圖2所示。圖2 繼電保護運維業務模型構建技術路線運維業務模型採用層次化結構進行設計，模型包括版本資訊管理模型、規則描述模型、電網結構模型和裝置業務描述模型。IPFCD物件是整個模型的根物件；版本資訊管理模型包括Header、History、Hitem物件，描述運維業務模型的變更歷史資訊；規則描述模型包括judgerule_Restriction、Xs_enum物件，描述運維業務使用的演算法模型；電網結構模型包括Station、VoltageLevel、Bay、Voltage物件，描述變電站的電網結構特徵；裝置業務配置模型包括IED、Function、DataItem、Item、Val、VoltageSwitchPlate、BranchBay物件，描述智慧繼電保護典型運維業務的特徵模型及其特徵量。典型運維業務模型層次結構如圖3所示。下面以智慧繼電保護裝置的電壓電流回路巡視業務為例，說明其業務模型的構建過程。電壓電流回路巡視的目的是對智慧繼電保護裝置的取樣電流、電壓及相關告警進行分析判斷和穩態量同源比對，來判定裝置的交流取樣是否正常。圖3 典型運維業務模型層次結構步驟一：透過繼電保護運維業務特徵分析，提取歸納規則知識要求。遙測點抽取規則見表1，告警點抽取規則見表2。表1 遙測點抽取規則表2 告警點抽取規則步驟二：根據表1和表2的規則知識和ICD模型分析，遙丈量對應的邏輯節點類為“MMXU”，保護電壓對應的DO模型為“PhV”，保護電流對應的DO模型為A，A相對應的DA為“phsA”，B相對應的DA為“phsB”，C相對應的DA為“phsC”，同期電壓對應的DA為“SynV”；告警點對應的邏輯節點類為“GGIO”，且其對應的DO無顯著特徵，無法直接從邏輯節點類和其資料物件識別對應的業務模型，但是由於ICD模型規範中對這部分描述有明確要求，可透過分析描述特徵的方式識別出來。透過以上方法，可從裝置ICD模型中抽取出電壓電流回路巡視的運維業務特徵模型。步驟三：上述步驟提取的運維業務特徵模型還不能直接形成電壓電流回路巡視業務模型，必需加入必要的業務特徵資料，需要為每一個輸入特徵資料安排一個惟一有明確含義的識別符號，以便下游的運維業務應用能夠根據識別符號識別出資料的詳細含義，如賦予特徵資料“保護電壓A相”一個識別符號“Ua”，再加上如最大值、最小值、基準值、通道號、支路號、判別方法等運維業務判定前提及其特徵量，終極形成電壓電流回路巡視業務模型。以上構建電壓電流回路巡視業務模型的方法，合用於智慧繼電保護的其他典型運維業務場景，然後把構建的運維業務模型進行儲存，並使用固定的業務名稱作為模型檔案的名稱。電壓電流回路巡視業務模型固定命名為“SAMPatrol”、二次迴路鏈路狀態巡視業務模型固定命名為“SCPatrol”、開入量巡視業務模型固定命名為“DIPatrol”，軟壓板巡視業務模型固定命名為“SPPatrol”、定值巡視業務模型固定命名為“STPatrol”、版本校核業務模型固定命名為“VPatrol”、縱聯通道巡視業務模型固定命名為“Patrol”、裝置自檢巡視業務模型固定命名為“SIPatrol”、對時狀態巡視業務模型固定命名為“TPatrol”、保護動作診斷業務模型固定命名為“TDPatrol”、保護功能巡視業務模型固定命名為“PFPatrol”、錄波檔案通道資訊巡視業務模型固定命名為“WCSet”。2.2 繼電保護資訊物理融合建模針對智慧繼電保護裝置物理裝置圖形視覺化能力不足的缺點，定義智慧繼電保護裝置的各個外掛、面板、端子排、端子、光纖介面、網路介面、面板指示燈、外掛指示燈、把手、面板、按鈕等部件的物理模型，描述智慧繼電保護裝置自身及其部件的物理位置、大小及功能資訊。本文提出基於可擴充套件向量圖形（scalable vector graphics, SVG）技術對繼電保護裝置進行物理維度的建模，天生繼電保護裝置的前視物理空間模型和後視物理空間模型。智慧繼電保護的部件分解建模方案如圖4所示。圖4 智慧繼電保護的部件分解建模方案智慧繼電保護的資訊物理融合模型旨在透過智慧繼電保護裝置的物理與資訊系統的互通與深度融合，為擴充套件智慧繼電保護的應用業務提供底層資料基礎，實現超越智慧繼電保護傳統應用的執行效果與機能水平。透過構建智慧繼電保護的資訊物理融合模型，可以擴充套件智慧繼電保護的應用業務。智慧繼電保護資訊物理融合建模示意圖如圖5所示。圖5 智慧繼電保護資訊物理融合建模示意圖基於以上提出的繼電保護裝置物理維度的抽象建模，結合繼電保護ICD模型，進一步構建繼電保護裝置的物理與資訊融合模型。在繼電保護裝置的物理空間模型中，透過擴充套件屬性xlink:ref屬性作為物理和資訊的聯絡關係通道，屬性值採用ICD模型中reference表示，格局為ldInst/prefix+lnClass+ inst$fc$doName，假如該資料物件存在daName，那麼格局為ldInst/ prefix+lnClass+lnInst $fc$doName$daName。3 智慧繼電保護數字孿生模型應用基於以上構建的面向智慧繼電保護運維業務的數字孿生模型，在智慧繼電保護運維業務功能自配置、繼電保護裝置故障定位場景中進行應用探索。3.1 智慧繼電保護業務自配置在繼電保護出產階段將建立的智慧繼電保護數字孿生模型作為基礎模型存放到裝置指定目錄中，此目錄支援透過IEC 61850的檔案服務進行訪問。繼電保護運維繫統在需要接入智慧繼電保護裝置時，首先透過IEC 61850檔案服務的方式獲取繼電保護裝置中指定目錄的檔案列表；然後根據檔案列表資訊採用IEC 61850檔案服務的方式讀取列表中所有檔案到繼電保護運維繫統中；接著繼電保護運維繫統透過召喚的模型檔名稱識別出該檔案所描述的詳細運維業務型別；繼電保護業務系統根據模型檔名稱所對應的運維業務型別啟動對應的運維業務程序，解析運維業務模型檔案，識別模型檔案中的運維特徵模型及對應的各種特徵量，並根據這些內容開始運維任務；最後運維業務程序和繼電保護之間進行實時資料互動，進入正常的運維業務執行狀態。在繼電保護運維繫統接入智慧繼電保護系統的過程中，利用智慧繼電保護的數字孿生模型，實現了繼電保護業務的自發現和自配置。繼電保護運維業務自動接入示意圖如圖6所示。圖6 繼電保護運維業務自動接入示意圖透過在實驗室驗證，與當前手動進行繼電保護運維業務配置的方式比擬，採用智慧繼電保護的數字孿生模型，使配置時間有效縮短，繼電保護運維繫統接入繼電保護的效率晉升了93%。兩種接入方式的對比見表3。表3 兩種接入方式的對比3.2 智慧繼電保護裝置故障快速診斷定位繼電保護的圖形視覺化監督是進行裝置執行故障定位的快捷手段。在繼電保護運維業務系統的建設階段，透過讀取繼電保護裝置中的資訊物理融合模型，具備了透過圖形視覺化方式進行裝置執行狀態監督的能力，結合執行時智慧繼電保護裝置與對應運維繫統之間的實時資料互動，繼電保護運維繫統中實時展示繼電保護裝置自身及其各個部件的執行狀態。當裝置有異常發生時，自轉動出該繼電保護裝置圖形介面，並在圖形中凸起展示異常部件及其異常資料，輔助運維職員進行裝置故障定位，從而達到繼電保護裝置故障快速診斷定位的目的。繼電保護裝置故障快速診斷定位流程如圖7所示。圖7 繼電保護裝置故障快速診斷定位流程以繼電保護裝置的外掛溫度診斷為例，基於繼電保護裝置的資訊物理融合模型，當實時監測到繼電保護裝置的某外掛溫度超過閾值時，主動透過圖形化的方式展示異常外掛。繼電保護外掛問題異常圖形化展示如圖8所示。圖8 繼電保護外掛問題異常圖形化展示4 結論本文提出了一種面向繼電保護運維業務的數字孿生建模方案並進行了應用探索。首先分析智慧繼電保護的ICD模型和智慧繼電保護的典型運維業務型別，進而構建智慧繼電保護的運維業務模型，基於SVG技術構建智慧繼電保護裝置及其部件的物理空間模型，描述其大小、空間位置及聯絡關係關係；接著構建智慧繼電保護裝置及其部件的物理空間模型與ICD模型的聯絡關係關係，從而建立了智慧繼電保護裝置的資訊物理融合模型。將業務模型、資訊物理融合模型作為智慧繼電保護裝置基礎模型的一部分，與ICD模型一起放到智慧繼電保護裝置的固定目錄中，使繼電保護裝置具備典型運維業務能力、圖形化能力自發現、自描述的能力，有效解決了繼電保護運維繫統接入智慧繼電保護配置效率低、裝置故障定位不夠精準的問題，具有廣闊的應用遠景。本工作成果發表在2023年第7期《電氣技術》，論文標題為“智慧繼電保護數字孿生模型構建及應用”，作者為劉戈、紀陵、劉文彪。
#繼電保護#
南京國電南自電網自動化有限公司的劉戈、紀陵、劉文彪，在2023年第7期《電氣技術》上撰文，針對當前智慧變電站中的繼電保護裝置在運維業務配置中存在效率低、裝置執行故障診斷定位不夠正確的問題，提出一種面向繼電保護運維業務的繼電保護數字孿生建模技術並進行應用探索。該技術透過分析繼電保護運維業務需求，從運維業務、物理空間、資訊物理融合這三個維度構建面向繼電保護運維的數字孿生模型，實現繼電保護業務能力、圖形能力的自發現、自描述，支撐繼電保護運維繫統對繼電保護裝置的快速接入與配置、裝置執行故障快速定位的功能，使繼電保護運維業務接入和配置的效率進步90%以上，裝置故障定位也可精準到外掛級別。
繼電保護是保障堅強智慧電網安全的第一道防線，全面晉升繼電保護裝置的運維水平是必然要求。在當前的繼電保護運維業務系統建設過程中，存在大量業務配置工作需要人工完成，效率低下；此外，實現對繼電保護裝置故障的快速、可靠、正確定位，對電網快速恢復執行具有重要意義。針對上述問題，相關學者進行了探索。有文獻提出擬定科學運維方案、正視線路保護、做好風險評估、運用智慧運維繫統等加強治理的方式來改善、晉升配置和運維效率。有文獻提出透過系統規格描述（system specification description, SSD）模型檔案、一/二次裝置模型和智慧錄波器能力描述模型（intelligent electronic device capability description, ICD）檔案，使用組態配置工具天生智慧錄波器需要的標準化格局配置檔案，並將該檔案下裝到智慧錄波器，透過遠端配置的方式進步配置效率。有文獻提出一種基於動態卷積神經網路（dynamic convolutional neural network, DCNN）的智慧錄波器配置資訊自動化對映方法，實現依據描述文字分類結果自動化對映地址配置資料，從而進步配置效率。有文獻提出一種基於TextCNN（text convolutional neural network）模型的錄波器自配置方法，透過TextCNN模型強盛的語義分析能力，有效進步了錄波器配置準確度。有文獻透過提取三層兩網報文中的有效資料進行同源資料線上校驗與趨勢監測、保護動作閉環監督、裝置執行狀態健康評估，結合二次網路拓撲建模技術與故障診斷技術，實現二次裝置故障定位功能。但是，以上文獻均無法很好地解決繼電保護運維繫統對智慧繼電保護運維業務配置效率低、繼電保護裝置故障定位不精準的問題。鑑於此，本文提出一種繼電保護數字孿生建模技術，透過構建繼電保護典型業務能力模型、物理空間模型及資訊物理融合模型並將其作為智慧繼電保護裝置內部的基礎模型，實現繼電保護裝置業務能力、圖形能力的自發現、自描述，支撐繼電保護運維業務功能自配置、繼電保護裝置故障快速定位。1 總體技術架構資訊物理系統（cyber-physical systems, CPS）和數字孿生（digital twin, DT）技術是資訊物理融合的首選方式。CPS已被廣泛用於電力系統中電力裝置的執行控制中，DT技術也被大量應用在電網一次裝置的執行模擬方面，但是在電網繼電保護運維方面目前鮮有涉及，本文重點採用DT技術進行繼電保護運維方面的探索和應用。基於數字孿生的理論體系，透過分析智慧繼電保護的典型業務特徵，結合智慧繼電保護的ICD模型規範，提取其業務特徵模型；透過對智慧繼電保護硬體的抽象建模，建立智慧繼電保護裝置及其部件尺寸、位置的物理空間模型；結合智慧繼電保護裝置ICD模型中的reference（基於ICD模型中ldInst、prefix、lnClass、inst、DO、DA組成的描述某一資料的惟一字串）資訊，實現物理空間模型與ICD模型中資訊資料的虛實對映，天生智慧繼電保護裝置的資訊物理融合模型。將以上建立的業務模型、資訊物理融合模型作為智慧繼電保護裝置的基礎模型放入裝置中，結合對智慧繼電保護裝置的實時資料感知，在繼電保護業務系統中實現面向繼電保護裝置運維的數字孿生體，支撐智慧繼電保護運維業務自配置、故障快速診斷定位等智慧應用。總體技術架構如圖1所示。圖1 總體技術架構2 智慧繼電保護數字孿生建模透過對智慧繼電保護的典型運維業務建模、物理建模、資訊物理融合建模，構建面向智慧繼電保護運維業務的數字孿生模型，實現智慧繼電保護裝置典型運維業務能力、圖形化能力的自發現、自描述。2.1 運維業務建模1）繼電保護ICD模型分析ICD檔案描述了詳細智慧電子裝置（intelligent electronic device, IED）的功能和工程能力，包含模型自描述資訊。在智慧變電站高速發展的近十年，海內電力行業持續進行智慧繼電保護裝置的ICD模型標準化工作，主要有國家標準GB/T 32890—2016《繼電保護IEC 61850工程應用模型》、行業標準DL/T 860《電力自動化通訊網路和系統》、DL/T 1146《DL/T 860實施技術規範》。這些規範一致要求採用可辨識的、標準化的邏輯節點（logical node, LN）模型來描述智慧繼電保護裝置不同的功能邏輯屬性，並要求採用不同的資料物件（data object, DO）模型描述智慧繼電保護中不同型別的資料、採用同一的資料屬性（data attribute, DA）描述DO的資料型別。基於規範要求，從LN、DO、DA的維度，ICD模型可細分為執行狀態模型、告警資訊模型、故障資訊模型、動作資訊模型、監測資訊模型和其他型別模型，以及更進一步地對這些分類模型中的資料物件及其屬性進行細分，這些明顯特徵為運維業務模型的構建提供了基礎支撐。2）繼電保護運維業務分析為了保障智慧繼電保護系統的安全可靠執行，需要按期對智慧繼電保護裝置進行檢查和維護，以便及時發現智慧繼電保護裝置的異常並進行相應處置。海內擁有數目龐大的智慧變電站，日常需要運維治理大量的智慧繼電保護裝置，透過調研分析海內相關企業的智慧繼電保護裝置典型運維業務，本文總結和梳理了典型運維業務需求，包括：通訊狀態檢查、二次迴路鏈路狀態檢查、電流電壓回路檢查、開入量檢查、壓板狀態檢查、定值檢查、縱聯通道檢查、版本資訊檢查、裝置自檢資訊檢查、對時狀態檢查、保護動作診斷情況檢查和保護功能檢查。3）繼電保護運維業務建模方案基於上述智慧繼電保護ICD模型及其典型運維業務需求可以發現，智慧繼電保護裝置ICD模型基本有與運維業務需求對應的特徵模型，但是缺少對應的運維業務特徵量，如上限值、下限值、基準值、判定方法等。為了構建智慧繼電保護運維業務模型，依據當前國家標準、行業標準中給出的LN、DO、DA定義，從繼電保護運維業務的維度，對智慧繼電保護裝置ICD模型中的業務特徵模型進行識別和抽取，形成智慧繼電保護典型運維業務模型。繼電保護運維業務模型構建技術路線如圖2所示。圖2 繼電保護運維業務模型構建技術路線運維業務模型採用層次化結構進行設計，模型包括版本資訊管理模型、規則描述模型、電網結構模型和裝置業務描述模型。IPFCD物件是整個模型的根物件；版本資訊管理模型包括Header、History、Hitem物件，描述運維業務模型的變更歷史資訊；規則描述模型包括judgerule_Restriction、Xs_enum物件，描述運維業務使用的演算法模型；電網結構模型包括Station、VoltageLevel、Bay、Voltage物件，描述變電站的電網結構特徵；裝置業務配置模型包括IED、Function、DataItem、Item、Val、VoltageSwitchPlate、BranchBay物件，描述智慧繼電保護典型運維業務的特徵模型及其特徵量。典型運維業務模型層次結構如圖3所示。下面以智慧繼電保護裝置的電壓電流回路巡視業務為例，說明其業務模型的構建過程。電壓電流回路巡視的目的是對智慧繼電保護裝置的取樣電流、電壓及相關告警進行分析判斷和穩態量同源比對，來判定裝置的交流取樣是否正常。圖3 典型運維業務模型層次結構步驟一：透過繼電保護運維業務特徵分析，提取歸納規則知識要求。遙測點抽取規則見表1，告警點抽取規則見表2。表1 遙測點抽取規則表2 告警點抽取規則步驟二：根據表1和表2的規則知識和ICD模型分析，遙丈量對應的邏輯節點類為“MMXU”，保護電壓對應的DO模型為“PhV”，保護電流對應的DO模型為A，A相對應的DA為“phsA”，B相對應的DA為“phsB”，C相對應的DA為“phsC”，同期電壓對應的DA為“SynV”；告警點對應的邏輯節點類為“GGIO”，且其對應的DO無顯著特徵，無法直接從邏輯節點類和其資料物件識別對應的業務模型，但是由於ICD模型規範中對這部分描述有明確要求，可透過分析描述特徵的方式識別出來。透過以上方法，可從裝置ICD模型中抽取出電壓電流回路巡視的運維業務特徵模型。步驟三：上述步驟提取的運維業務特徵模型還不能直接形成電壓電流回路巡視業務模型，必需加入必要的業務特徵資料，需要為每一個輸入特徵資料安排一個惟一有明確含義的識別符號，以便下游的運維業務應用能夠根據識別符號識別出資料的詳細含義，如賦予特徵資料“保護電壓A相”一個識別符號“Ua”，再加上如最大值、最小值、基準值、通道號、支路號、判別方法等運維業務判定前提及其特徵量，終極形成電壓電流回路巡視業務模型。以上構建電壓電流回路巡視業務模型的方法，合用於智慧繼電保護的其他典型運維業務場景，然後把構建的運維業務模型進行儲存，並使用固定的業務名稱作為模型檔案的名稱。電壓電流回路巡視業務模型固定命名為“SAMPatrol”、二次迴路鏈路狀態巡視業務模型固定命名為“SCPatrol”、開入量巡視業務模型固定命名為“DIPatrol”，軟壓板巡視業務模型固定命名為“SPPatrol”、定值巡視業務模型固定命名為“STPatrol”、版本校核業務模型固定命名為“VPatrol”、縱聯通道巡視業務模型固定命名為“Patrol”、裝置自檢巡視業務模型固定命名為“SIPatrol”、對時狀態巡視業務模型固定命名為“TPatrol”、保護動作診斷業務模型固定命名為“TDPatrol”、保護功能巡視業務模型固定命名為“PFPatrol”、錄波檔案通道資訊巡視業務模型固定命名為“WCSet”。2.2 繼電保護資訊物理融合建模針對智慧繼電保護裝置物理裝置圖形視覺化能力不足的缺點，定義智慧繼電保護裝置的各個外掛、面板、端子排、端子、光纖介面、網路介面、面板指示燈、外掛指示燈、把手、面板、按鈕等部件的物理模型，描述智慧繼電保護裝置自身及其部件的物理位置、大小及功能資訊。本文提出基於可擴充套件向量圖形（scalable vector graphics, SVG）技術對繼電保護裝置進行物理維度的建模，天生繼電保護裝置的前視物理空間模型和後視物理空間模型。智慧繼電保護的部件分解建模方案如圖4所示。圖4 智慧繼電保護的部件分解建模方案智慧繼電保護的資訊物理融合模型旨在透過智慧繼電保護裝置的物理與資訊系統的互通與深度融合，為擴充套件智慧繼電保護的應用業務提供底層資料基礎，實現超越智慧繼電保護傳統應用的執行效果與機能水平。透過構建智慧繼電保護的資訊物理融合模型，可以擴充套件智慧繼電保護的應用業務。智慧繼電保護資訊物理融合建模示意圖如圖5所示。圖5 智慧繼電保護資訊物理融合建模示意圖基於以上提出的繼電保護裝置物理維度的抽象建模，結合繼電保護ICD模型，進一步構建繼電保護裝置的物理與資訊融合模型。在繼電保護裝置的物理空間模型中，透過擴充套件屬性xlink:ref屬性作為物理和資訊的聯絡關係通道，屬性值採用ICD模型中reference表示，格局為ldInst/prefix+lnClass+ inst$fc$doName，假如該資料物件存在daName，那麼格局為ldInst/ prefix+lnClass+lnInst $fc$doName$daName。3 智慧繼電保護數字孿生模型應用基於以上構建的面向智慧繼電保護運維業務的數字孿生模型，在智慧繼電保護運維業務功能自配置、繼電保護裝置故障定位場景中進行應用探索。3.1 智慧繼電保護業務自配置在繼電保護出產階段將建立的智慧繼電保護數字孿生模型作為基礎模型存放到裝置指定目錄中，此目錄支援透過IEC 61850的檔案服務進行訪問。繼電保護運維繫統在需要接入智慧繼電保護裝置時，首先透過IEC 61850檔案服務的方式獲取繼電保護裝置中指定目錄的檔案列表；然後根據檔案列表資訊採用IEC 61850檔案服務的方式讀取列表中所有檔案到繼電保護運維繫統中；接著繼電保護運維繫統透過召喚的模型檔名稱識別出該檔案所描述的詳細運維業務型別；繼電保護業務系統根據模型檔名稱所對應的運維業務型別啟動對應的運維業務程序，解析運維業務模型檔案，識別模型檔案中的運維特徵模型及對應的各種特徵量，並根據這些內容開始運維任務；最後運維業務程序和繼電保護之間進行實時資料互動，進入正常的運維業務執行狀態。在繼電保護運維繫統接入智慧繼電保護系統的過程中，利用智慧繼電保護的數字孿生模型，實現了繼電保護業務的自發現和自配置。繼電保護運維業務自動接入示意圖如圖6所示。圖6 繼電保護運維業務自動接入示意圖透過在實驗室驗證，與當前手動進行繼電保護運維業務配置的方式比擬，採用智慧繼電保護的數字孿生模型，使配置時間有效縮短，繼電保護運維繫統接入繼電保護的效率晉升了93%。兩種接入方式的對比見表3。表3 兩種接入方式的對比3.2 智慧繼電保護裝置故障快速診斷定位繼電保護的圖形視覺化監督是進行裝置執行故障定位的快捷手段。在繼電保護運維業務系統的建設階段，透過讀取繼電保護裝置中的資訊物理融合模型，具備了透過圖形視覺化方式進行裝置執行狀態監督的能力，結合執行時智慧繼電保護裝置與對應運維繫統之間的實時資料互動，繼電保護運維繫統中實時展示繼電保護裝置自身及其各個部件的執行狀態。當裝置有異常發生時，自轉動出該繼電保護裝置圖形介面，並在圖形中凸起展示異常部件及其異常資料，輔助運維職員進行裝置故障定位，從而達到繼電保護裝置故障快速診斷定位的目的。繼電保護裝置故障快速診斷定位流程如圖7所示。圖7 繼電保護裝置故障快速診斷定位流程以繼電保護裝置的外掛溫度診斷為例，基於繼電保護裝置的資訊物理融合模型，當實時監測到繼電保護裝置的某外掛溫度超過閾值時，主動透過圖形化的方式展示異常外掛。繼電保護外掛問題異常圖形化展示如圖8所示。圖8 繼電保護外掛問題異常圖形化展示4 結論本文提出了一種面向繼電保護運維業務的數字孿生建模方案並進行了應用探索。首先分析智慧繼電保護的ICD模型和智慧繼電保護的典型運維業務型別，進而構建智慧繼電保護的運維業務模型，基於SVG技術構建智慧繼電保護裝置及其部件的物理空間模型，描述其大小、空間位置及聯絡關係關係；接著構建智慧繼電保護裝置及其部件的物理空間模型與ICD模型的聯絡關係關係，從而建立了智慧繼電保護裝置的資訊物理融合模型。將業務模型、資訊物理融合模型作為智慧繼電保護裝置基礎模型的一部分，與ICD模型一起放到智慧繼電保護裝置的固定目錄中，使繼電保護裝置具備典型運維業務能力、圖形化能力自發現、自描述的能力，有效解決了繼電保護運維繫統接入智慧繼電保護配置效率低、裝置故障定位不夠精準的問題，具有廣闊的應用遠景。本工作成果發表在2023年第7期《電氣技術》，論文標題為“智慧繼電保護數字孿生模型構建及應用”，作者為劉戈、紀陵、劉文彪。
#繼電保護#
南京國電南自電網自動化有限公司的劉戈、紀陵、劉文彪，在2023年第7期《電氣技術》上撰文，針對當前智慧變電站中的繼電保護裝置在運維業務配置中存在效率低、裝置執行故障診斷定位不夠正確的問題，提出一種面向繼電保護運維業務的繼電保護數字孿生建模技術並進行應用探索。該技術透過分析繼電保護運維業務需求，從運維業務、物理空間、資訊物理融合這三個維度構建面向繼電保護運維的數字孿生模型，實現繼電保護業務能力、圖形能力的自發現、自描述，支撐繼電保護運維繫統對繼電保護裝置的快速接入與配置、裝置執行故障快速定位的功能，使繼電保護運維業務接入和配置的效率進步90%以上，裝置故障定位也可精準到外掛級別。
繼電保護是保障堅強智慧電網安全的第一道防線，全面晉升繼電保護裝置的運維水平是必然要求。在當前的繼電保護運維業務系統建設過程中，存在大量業務配置工作需要人工完成，效率低下；此外，實現對繼電保護裝置故障的快速、可靠、正確定位，對電網快速恢復執行具有重要意義。針對上述問題，相關學者進行了探索。有文獻提出擬定科學運維方案、正視線路保護、做好風險評估、運用智慧運維繫統等加強治理的方式來改善、晉升配置和運維效率。有文獻提出透過系統規格描述（system specification description, SSD）模型檔案、一/二次裝置模型和智慧錄波器能力描述模型（intelligent electronic device capability description, ICD）檔案，使用組態配置工具天生智慧錄波器需要的標準化格局配置檔案，並將該檔案下裝到智慧錄波器，透過遠端配置的方式進步配置效率。有文獻提出一種基於動態卷積神經網路（dynamic convolutional neural network, DCNN）的智慧錄波器配置資訊自動化對映方法，實現依據描述文字分類結果自動化對映地址配置資料，從而進步配置效率。有文獻提出一種基於TextCNN（text convolutional neural network）模型的錄波器自配置方法，透過TextCNN模型強盛的語義分析能力，有效進步了錄波器配置準確度。有文獻透過提取三層兩網報文中的有效資料進行同源資料線上校驗與趨勢監測、保護動作閉環監督、裝置執行狀態健康評估，結合二次網路拓撲建模技術與故障診斷技術，實現二次裝置故障定位功能。但是，以上文獻均無法很好地解決繼電保護運維繫統對智慧繼電保護運維業務配置效率低、繼電保護裝置故障定位不精準的問題。鑑於此，本文提出一種繼電保護數字孿生建模技術，透過構建繼電保護典型業務能力模型、物理空間模型及資訊物理融合模型並將其作為智慧繼電保護裝置內部的基礎模型，實現繼電保護裝置業務能力、圖形能力的自發現、自描述，支撐繼電保護運維業務功能自配置、繼電保護裝置故障快速定位。1 總體技術架構資訊物理系統（cyber-physical systems, CPS）和數字孿生（digital twin, DT）技術是資訊物理融合的首選方式。CPS已被廣泛用於電力系統中電力裝置的執行控制中，DT技術也被大量應用在電網一次裝置的執行模擬方面，但是在電網繼電保護運維方面目前鮮有涉及，本文重點採用DT技術進行繼電保護運維方面的探索和應用。基於數字孿生的理論體系，透過分析智慧繼電保護的典型業務特徵，結合智慧繼電保護的ICD模型規範，提取其業務特徵模型；透過對智慧繼電保護硬體的抽象建模，建立智慧繼電保護裝置及其部件尺寸、位置的物理空間模型；結合智慧繼電保護裝置ICD模型中的reference（基於ICD模型中ldInst、prefix、lnClass、inst、DO、DA組成的描述某一資料的惟一字串）資訊，實現物理空間模型與ICD模型中資訊資料的虛實對映，天生智慧繼電保護裝置的資訊物理融合模型。將以上建立的業務模型、資訊物理融合模型作為智慧繼電保護裝置的基礎模型放入裝置中，結合對智慧繼電保護裝置的實時資料感知，在繼電保護業務系統中實現面向繼電保護裝置運維的數字孿生體，支撐智慧繼電保護運維業務自配置、故障快速診斷定位等智慧應用。總體技術架構如圖1所示。圖1 總體技術架構2 智慧繼電保護數字孿生建模透過對智慧繼電保護的典型運維業務建模、物理建模、資訊物理融合建模，構建面向智慧繼電保護運維業務的數字孿生模型，實現智慧繼電保護裝置典型運維業務能力、圖形化能力的自發現、自描述。2.1 運維業務建模1）繼電保護ICD模型分析ICD檔案描述了詳細智慧電子裝置（intelligent electronic device, IED）的功能和工程能力，包含模型自描述資訊。在智慧變電站高速發展的近十年，海內電力行業持續進行智慧繼電保護裝置的ICD模型標準化工作，主要有國家標準GB/T 32890—2016《繼電保護IEC 61850工程應用模型》、行業標準DL/T 860《電力自動化通訊網路和系統》、DL/T 1146《DL/T 860實施技術規範》。這些規範一致要求採用可辨識的、標準化的邏輯節點（logical node, LN）模型來描述智慧繼電保護裝置不同的功能邏輯屬性，並要求採用不同的資料物件（data object, DO）模型描述智慧繼電保護中不同型別的資料、採用同一的資料屬性（data attribute, DA）描述DO的資料型別。基於規範要求，從LN、DO、DA的維度，ICD模型可細分為執行狀態模型、告警資訊模型、故障資訊模型、動作資訊模型、監測資訊模型和其他型別模型，以及更進一步地對這些分類模型中的資料物件及其屬性進行細分，這些明顯特徵為運維業務模型的構建提供了基礎支撐。2）繼電保護運維業務分析為了保障智慧繼電保護系統的安全可靠執行，需要按期對智慧繼電保護裝置進行檢查和維護，以便及時發現智慧繼電保護裝置的異常並進行相應處置。海內擁有數目龐大的智慧變電站，日常需要運維治理大量的智慧繼電保護裝置，透過調研分析海內相關企業的智慧繼電保護裝置典型運維業務，本文總結和梳理了典型運維業務需求，包括：通訊狀態檢查、二次迴路鏈路狀態檢查、電流電壓回路檢查、開入量檢查、壓板狀態檢查、定值檢查、縱聯通道檢查、版本資訊檢查、裝置自檢資訊檢查、對時狀態檢查、保護動作診斷情況檢查和保護功能檢查。3）繼電保護運維業務建模方案基於上述智慧繼電保護ICD模型及其典型運維業務需求可以發現，智慧繼電保護裝置ICD模型基本有與運維業務需求對應的特徵模型，但是缺少對應的運維業務特徵量，如上限值、下限值、基準值、判定方法等。為了構建智慧繼電保護運維業務模型，依據當前國家標準、行業標準中給出的LN、DO、DA定義，從繼電保護運維業務的維度，對智慧繼電保護裝置ICD模型中的業務特徵模型進行識別和抽取，形成智慧繼電保護典型運維業務模型。繼電保護運維業務模型構建技術路線如圖2所示。圖2 繼電保護運維業務模型構建技術路線運維業務模型採用層次化結構進行設計，模型包括版本資訊管理模型、規則描述模型、電網結構模型和裝置業務描述模型。IPFCD物件是整個模型的根物件；版本資訊管理模型包括Header、History、Hitem物件，描述運維業務模型的變更歷史資訊；規則描述模型包括judgerule_Restriction、Xs_enum物件，描述運維業務使用的演算法模型；電網結構模型包括Station、VoltageLevel、Bay、Voltage物件，描述變電站的電網結構特徵；裝置業務配置模型包括IED、Function、DataItem、Item、Val、VoltageSwitchPlate、BranchBay物件，描述智慧繼電保護典型運維業務的特徵模型及其特徵量。典型運維業務模型層次結構如圖3所示。下面以智慧繼電保護裝置的電壓電流回路巡視業務為例，說明其業務模型的構建過程。電壓電流回路巡視的目的是對智慧繼電保護裝置的取樣電流、電壓及相關告警進行分析判斷和穩態量同源比對，來判定裝置的交流取樣是否正常。圖3 典型運維業務模型層次結構步驟一：透過繼電保護運維業務特徵分析，提取歸納規則知識要求。遙測點抽取規則見表1，告警點抽取規則見表2。表1 遙測點抽取規則表2 告警點抽取規則步驟二：根據表1和表2的規則知識和ICD模型分析，遙丈量對應的邏輯節點類為“MMXU”，保護電壓對應的DO模型為“PhV”，保護電流對應的DO模型為A，A相對應的DA為“phsA”，B相對應的DA為“phsB”，C相對應的DA為“phsC”，同期電壓對應的DA為“SynV”；告警點對應的邏輯節點類為“GGIO”，且其對應的DO無顯著特徵，無法直接從邏輯節點類和其資料物件識別對應的業務模型，但是由於ICD模型規範中對這部分描述有明確要求，可透過分析描述特徵的方式識別出來。透過以上方法，可從裝置ICD模型中抽取出電壓電流回路巡視的運維業務特徵模型。步驟三：上述步驟提取的運維業務特徵模型還不能直接形成電壓電流回路巡視業務模型，必需加入必要的業務特徵資料，需要為每一個輸入特徵資料安排一個惟一有明確含義的識別符號，以便下游的運維業務應用能夠根據識別符號識別出資料的詳細含義，如賦予特徵資料“保護電壓A相”一個識別符號“Ua”，再加上如最大值、最小值、基準值、通道號、支路號、判別方法等運維業務判定前提及其特徵量，終極形成電壓電流回路巡視業務模型。以上構建電壓電流回路巡視業務模型的方法，合用於智慧繼電保護的其他典型運維業務場景，然後把構建的運維業務模型進行儲存，並使用固定的業務名稱作為模型檔案的名稱。電壓電流回路巡視業務模型固定命名為“SAMPatrol”、二次迴路鏈路狀態巡視業務模型固定命名為“SCPatrol”、開入量巡視業務模型固定命名為“DIPatrol”，軟壓板巡視業務模型固定命名為“SPPatrol”、定值巡視業務模型固定命名為“STPatrol”、版本校核業務模型固定命名為“VPatrol”、縱聯通道巡視業務模型固定命名為“Patrol”、裝置自檢巡視業務模型固定命名為“SIPatrol”、對時狀態巡視業務模型固定命名為“TPatrol”、保護動作診斷業務模型固定命名為“TDPatrol”、保護功能巡視業務模型固定命名為“PFPatrol”、錄波檔案通道資訊巡視業務模型固定命名為“WCSet”。2.2 繼電保護資訊物理融合建模針對智慧繼電保護裝置物理裝置圖形視覺化能力不足的缺點，定義智慧繼電保護裝置的各個外掛、面板、端子排、端子、光纖介面、網路介面、面板指示燈、外掛指示燈、把手、面板、按鈕等部件的物理模型，描述智慧繼電保護裝置自身及其部件的物理位置、大小及功能資訊。本文提出基於可擴充套件向量圖形（scalable vector graphics, SVG）技術對繼電保護裝置進行物理維度的建模，天生繼電保護裝置的前視物理空間模型和後視物理空間模型。智慧繼電保護的部件分解建模方案如圖4所示。圖4 智慧繼電保護的部件分解建模方案智慧繼電保護的資訊物理融合模型旨在透過智慧繼電保護裝置的物理與資訊系統的互通與深度融合，為擴充套件智慧繼電保護的應用業務提供底層資料基礎，實現超越智慧繼電保護傳統應用的執行效果與機能水平。透過構建智慧繼電保護的資訊物理融合模型，可以擴充套件智慧繼電保護的應用業務。智慧繼電保護資訊物理融合建模示意圖如圖5所示。圖5 智慧繼電保護資訊物理融合建模示意圖基於以上提出的繼電保護裝置物理維度的抽象建模，結合繼電保護ICD模型，進一步構建繼電保護裝置的物理與資訊融合模型。在繼電保護裝置的物理空間模型中，透過擴充套件屬性xlink:ref屬性作為物理和資訊的聯絡關係通道，屬性值採用ICD模型中reference表示，格局為ldInst/prefix+lnClass+ inst$fc$doName，假如該資料物件存在daName，那麼格局為ldInst/ prefix+lnClass+lnInst $fc$doName$daName。3 智慧繼電保護數字孿生模型應用基於以上構建的面向智慧繼電保護運維業務的數字孿生模型，在智慧繼電保護運維業務功能自配置、繼電保護裝置故障定位場景中進行應用探索。3.1 智慧繼電保護業務自配置在繼電保護出產階段將建立的智慧繼電保護數字孿生模型作為基礎模型存放到裝置指定目錄中，此目錄支援透過IEC 61850的檔案服務進行訪問。繼電保護運維繫統在需要接入智慧繼電保護裝置時，首先透過IEC 61850檔案服務的方式獲取繼電保護裝置中指定目錄的檔案列表；然後根據檔案列表資訊採用IEC 61850檔案服務的方式讀取列表中所有檔案到繼電保護運維繫統中；接著繼電保護運維繫統透過召喚的模型檔名稱識別出該檔案所描述的詳細運維業務型別；繼電保護業務系統根據模型檔名稱所對應的運維業務型別啟動對應的運維業務程序，解析運維業務模型檔案，識別模型檔案中的運維特徵模型及對應的各種特徵量，並根據這些內容開始運維任務；最後運維業務程序和繼電保護之間進行實時資料互動，進入正常的運維業務執行狀態。在繼電保護運維繫統接入智慧繼電保護系統的過程中，利用智慧繼電保護的數字孿生模型，實現了繼電保護業務的自發現和自配置。繼電保護運維業務自動接入示意圖如圖6所示。圖6 繼電保護運維業務自動接入示意圖透過在實驗室驗證，與當前手動進行繼電保護運維業務配置的方式比擬，採用智慧繼電保護的數字孿生模型，使配置時間有效縮短，繼電保護運維繫統接入繼電保護的效率晉升了93%。兩種接入方式的對比見表3。表3 兩種接入方式的對比3.2 智慧繼電保護裝置故障快速診斷定位繼電保護的圖形視覺化監督是進行裝置執行故障定位的快捷手段。在繼電保護運維業務系統的建設階段，透過讀取繼電保護裝置中的資訊物理融合模型，具備了透過圖形視覺化方式進行裝置執行狀態監督的能力，結合執行時智慧繼電保護裝置與對應運維繫統之間的實時資料互動，繼電保護運維繫統中實時展示繼電保護裝置自身及其各個部件的執行狀態。當裝置有異常發生時，自轉動出該繼電保護裝置圖形介面，並在圖形中凸起展示異常部件及其異常資料，輔助運維職員進行裝置故障定位，從而達到繼電保護裝置故障快速診斷定位的目的。繼電保護裝置故障快速診斷定位流程如圖7所示。圖7 繼電保護裝置故障快速診斷定位流程以繼電保護裝置的外掛溫度診斷為例，基於繼電保護裝置的資訊物理融合模型，當實時監測到繼電保護裝置的某外掛溫度超過閾值時，主動透過圖形化的方式展示異常外掛。繼電保護外掛問題異常圖形化展示如圖8所示。圖8 繼電保護外掛問題異常圖形化展示4 結論本文提出了一種面向繼電保護運維業務的數字孿生建模方案並進行了應用探索。首先分析智慧繼電保護的ICD模型和智慧繼電保護的典型運維業務型別，進而構建智慧繼電保護的運維業務模型，基於SVG技術構建智慧繼電保護裝置及其部件的物理空間模型，描述其大小、空間位置及聯絡關係關係；接著構建智慧繼電保護裝置及其部件的物理空間模型與ICD模型的聯絡關係關係，從而建立了智慧繼電保護裝置的資訊物理融合模型。將業務模型、資訊物理融合模型作為智慧繼電保護裝置基礎模型的一部分，與ICD模型一起放到智慧繼電保護裝置的固定目錄中，使繼電保護裝置具備典型運維業務能力、圖形化能力自發現、自描述的能力，有效解決了繼電保護運維繫統接入智慧繼電保護配置效率低、裝置故障定位不夠精準的問題，具有廣闊的應用遠景。本工作成果發表在2023年第7期《電氣技術》，論文標題為“智慧繼電保護數字孿生模型構建及應用”，作者為劉戈、紀陵、劉文彪。
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