考虑信息可靠性的智能变电站故障分析及快速验证方法

本发明涉及变电站，尤其涉及考虑信息可靠性的智能变电站故障分析及快速验证方法。

背景技术：

1、变电站是电力信息物理融合系统的重要组成，其内部既有基于ict的计算机网络设施，又有大量电网一、二次系统中的物理设备，变电站的网络安全对于保障电力系统的稳定运行而言十分重要，智能变电站二次系统是监测智能变电站状态、保障变电站安全稳定运行、调整运行方式的重要部分，将变电站全站信息统筹并规划监测电力系统中发生的故障或异常情况，包括发出报警信号，或直接将故障部分隔离、切除，对于整个电网安全运行意义重大，智能变电站在给工作人员提供便利的同时，发生故障时保护系统也会产生海量的多维数据，数据的有效性和真实性较低，维护人员难以在短时间内诊断出具体故障。

2、与普通站相比，智能变电站保护系统设备间的连接不再依靠光缆等硬接线连接，而是依托iec61850协议“三层两网”的网络架构实现设备间的通信，因此设备之间相互连接的虚拟链路出现故障时更加难以辨别，同时智能变电站二次系统的故障种类繁多，仅凭借保护测控装置提供的信息判断具体故障准确性较低，随着通信网络的快速发展，网络攻击形式也日益复杂，保护系统作为维护变电站安全运行的重要组成，成为了攻击者对变电站实施网络攻击的首要目标，常通过虚假数据注入、数据篡改、漏洞利用等网络攻击手段干扰保护系统正常运行，影响运维人员和一次系统设备做出错误反应，造成变电站乃至整体电力系统失电，因此，在智能变电站保护系统生成故障信息后，需快速验证故障信息全生命周期的数据真实性，为工作人员的判断和维修提供便利条件。

3、本发明通过立足变电站二次回路，建立变电站多维数据安全评估体系，将二次系统数据在通过二次回路前进行预检测，考虑变电站一二次系统特性和网络结构，对站内故障信息快速定位并验证其可靠性，便于变电站运维人员厘清故障原因并快速做出有效反应，防范二次系统设备失灵、网络攻击造成的直接危害和潜在风险，增强变电站系统韧性。

技术实现思路

1、基于上述目的，本发明提供了考虑信息可靠性的智能变电站故障分析及快速验证方法。

2、考虑信息可靠性的智能变电站故障分析及快速验证方法，包括以下步骤：

3、s1，数据生成与采集：定期记录一次设备的运行参数，包括变压器电压和回路电流，并通过过程层设备对运行参数进行初步处理和本地存储，同时建立多维数据安全检测评估体系以保证数据的真实性和准确性；

4、s2，通信网络结构与数据传输：采用三层两网的冗余通信网结构并通过保护ab套的冗余结构强化链路可靠性；

5、s3，故障信息解析与处理：利用快速解析scd文件来生成和更新变电站的网络拓扑结构，从而监控设备状态并识别故障信号，生成相应的告警；

6、s4，故障响应与运维监控：运维人员利用scada系统和故障信息进行故障设备的位置分析，实现对变电站全站的实时监控和故障处理。

7、进一步的，所述s1中的数据生成与采集包括：

8、s11，数据采集：在智能变电站的运行过程中，二次回路根据设定的量测周期记录一次设备的运行参数，运行参数是监控和控制一次回路的基础；

9、s12，数据处理和上传：采集到的运行参数在过程层通过合并单元和智能终端进行处理，经过初步分析和整合后，运行参数通过保护测控装置传输，上传至站控层，为运维人员提供实时监控和控制信息；

10、s13，多维数据安全检测评估：建立多维数据安全检测评估体系，以确保过程层提供的运行参数的真实性和有效性，在获得运行参数后，设备进行本地数据分析和存储，对运行参数进行预处理；

11、s14，耦合数据分析：对变电站二次系统的运行数据进行耦合分析处理，分析同类运行数据是否处于规定范围内，并检查不同类型运行数据之间的耦合关系，若耦合指标异常关联，表明变电站的一次设备与二次系统存在故障。

12、进一步的，所述s13中的多维数据安全检测评估包括：

13、s131，建立多维数据安全评估体系：针对智能变电站二次系统的运行数据的质量、特征及分布特点，建立涵盖数据准确性、完整性、一致性、及时性、正确性和冗余度的多维数据安全评估体系，实现变电站内运行参数的预处理和可靠性验证；

14、s132，数据预处理与评估：对采集周期内的运行参数进行预处理，筛选出作为数据评估依据的信息，通过划分数据集并进行聚类，降低数据规模，同时保证信息完整性，并根据多维数据安全评估体系对预处理后的运行参数进行计算；

15、s133，数据一致性计算：采用变电站保护测控装置的方法和规则，对运行数据进行一致性计算，通过计算运行数据的偏离程度判断运行数据的一致性，对同类运行数据和非同类运行数据进行一致性检测，识别并上报异常的运行数据；

16、s134，故障信息处理与上传：若采集周期内的运行参数不满足多维数据安全评估体系的可靠性验证，则视为变电站出现故障，并将验证的故障信息通过光纤直接上送至站控层，同时，将运行参数本地备份作为溯源依据，通过合并单元和智能终端上传至变电站通信网络。

17、进一步的，所述同类运行数据一致性检测包括：

18、数据集划分：将运行数据划分为数据集p，数据集p有n个不同类型运行数据m＝{m1,m2,...mn}，mn含有n个样本数mi＝{mi1,mi2,...min}；

19、一致性检测：通过将数据集中全部运行数据通过散点图利用最小二乘法拟合，再用拟合后的预测值验证同类运行数据的偏移值，拟合后的偏移序列bi的计算公式为：

20、

21、其中，yi为同类运行数据的第i个拟合值，yi′为同类运行数据的第i个预测值；

22、异常检测与上报：基于变电站平稳运行需求，设置最大偏移阈值fc，若|bi|>fc，则认为运行数据异常，对数据集中全部运行数据进行检测后，对故障的运行数据进行整合评估，将故障相关信息上传至变电站网络。

23、进一步的，所述非同类运行数据一致性检测包括：

24、回归方程建立：选取数据集中的某一类型运行数据作为因变量vi，其他类型运行数据列为自变量xki，建立回归方程定性检测运行数据偏移程度，计算公式为：

25、

26、其中，β0为随机误差，β1,β2,…,βp为回归系数；

27、一致性检测与评估：通过回归方程求解因变量的预测值，基于变电站平稳运行需求，设置最大偏移阈值fz，若|bi|>fz，则认为运行数据异常，对数据集中全部运行数据进行检测后，对故障的运行数据进行整合评估，并将故障相关信息上传至变电站网络。

28、进一步的，所述s2中的通信网络结构与数据传输包括：

29、s21，冗余通信网结构的建立：智能变电站采用三层两网的冗余通信网结构，监测网络装置以及信息流，及时将故障信息上传至站控层；

30、s22，保护ab套的冗余结构：通过保护ab套的冗余结构，增强通信链路的可靠性，过程层采集装置对运行参数进行预处理，电子式互感器数据经过安全验证后，通过双套独立的合并单元输出sv采样报文至过程层sv交换机；

31、s23，数据的独立采集与控制：使用双套独立的智能终端，独立采集并控制一次设备(如断路器、刀闸等)，运行参数通过过程层交换机进入过程层网络，过程层网络采用goose网络和sv网络独立运行，提高通信链路的稳定性；

32、s24，间隔层和站控层的数据传输：间隔层设备(继电保护装置和测控装置)采用双重化配置，分别对接过程层网络a和网络b上传的一次设备开关量信号以及变电站中连续变化的物理量(如电压、电流、功率等)的模拟信号，并通过站控层交换机上传至站控层，站控层mms网络采用双重化配置，间隔层设备提供两个以太网口分别连接至mmsa网和mmsb网；

33、s25，数据的呈现与监控：变电站运行数据通过二次系统呈现至站控层监视主机，运维人员实现实时监控和故障处理。

34、进一步的，所述s3中的故障信息解析与处理包括：

35、s31，快速解析scd文件：解析scd文件，获取变电站一次设备与二次系统的状态和逻辑关系，包括电子设备(ied)之间的sv和goose报文发布与订阅关系、电子设备(ied)输入输出虚端子的交互和逻辑连接信息；

36、s32，生成网络拓扑结构：根据解析的scd文件生成以变电站设备为结点的网络拓扑结构，解析通信链路信息，更新故障信息状况，若通信链路异常或中断，将生成新的网络拓扑结构并提示告警信号；

37、s33，故障设备整合：分析sv或goose报文信息，通过变电站设备间的虚拟端子连接，确定二次系统网络通信中断的故障设备；

38、s34，故障信息分析与上报：使用scd文件分析故障相关设备，计算故障设备的位置概率，将故障定位预测和告警信息上传至监视主机，并记录继电保护动作和自动故障处置信息，供运维人员参考。

39、进一步的，所述s33中的故障设备整合包括：

40、s331，初始数据集：使用scd文件分析与故障信息相关的所有变电站设备，形成故障信息相关设备的初始数据集e，表示为：

41、e＝{e1,e2,e3,...,en}；

42、s332，构建通信关系矩阵：构建通信关系矩阵m，定义通信关系函数f(ei,ej)为本次故障事件设备ei与设备ej间的通信关联，计算公式为：

43、

44、s333，构建关联数据集：关联数据集体现设备间的物理连接和逻辑连接关系，基于变电站二次系统网络自身结构和故障信息，获取故障设备的位置概率，计算公式为：

45、mn＝[f(en,e1)f(en,e2)...f(en,en)]；

46、s334，生成故障后的数据集：故障后的数据集表示为：

47、p＝[f1,f2,...fn]t；

48、其中，故障信息包含设备en相关数据，则相应的f值为1，若无数据关联则为0。

49、进一步的，所述故障设备的位置概率的计算公式为：

50、sn＝mn×p；

51、其中，sn的值越大，则本次故障来源于设备n。

52、进一步的，所述s4中的故障响应与运维监控包括：

53、s41，监控运行：运维人员利用监视主机和远动组成的变电站scada系统操作终端，实现变电站全站运行状况监控；

54、s42，故障检测与初步响应：当过程层多维数据安全检测评估体系的结果异常或站控层出现故障信息时，运维人员分析故障并及时处置；

55、s43，过程层数据异常处理：过程层运行参数异常时，通过直连站控层光纤将故障的运行参数呈现至监视主机，协助运维人员判断故障原因；

56、s44，综合故障分析：当过程层和站控层均出现故障信息，且异常数据与故障信息吻合时，则判断一次设备出现故障；

57、s45，预检测数据异常处理：当过程层预检测运行参数异常，而站控层未出现故障信息时，则判断变电站一次设备出现故障，且遭受外界网络攻击掩盖一次设备故障；

58、s46，通信链路故障处理：当过程层数据正常，而站控层出现故障信息时，则判断变电站二次系统通信链路出现故障；

59、s47，故障修复与恢复：在修复二次系统故障后，调整一次设备开关量至正常状态，直至变电站一次设备与二次系统稳定后完成人工检修。

60、本发明的有益效果：

61、本发明，在现有变电站二次系统数据处理方法基础上增加了底层量测数据安全评估预检测步骤，既保证了底层量测数据的可靠性，也为故障信息溯源验证提供了基础，提高了变电站系统发现故障、分析故障和处理故障的能力。

62、本发明，确保变电站二次系统数据全生命周期的可靠性，选取数据生成和数据处理两个关键节点，在分析系统信息时既考虑了变电站一二次系统交互关系，又将变电站一二次系统故障明确隔离，有助于运维人员确定故障来源，及时做出有效反应，防止故障蔓延对电力系统造成严重威胁。