第 1 章绪论
1.1 选题背景及研究意义
1.1.1 选题背景
国家电网公司在“十一五”期间提出了建设“统一坚强的智能电网”的目标，而智能变电站正是智能电网的主要组成部分和关键节点，同时国网公司对智能变电站试点成果和经验进行了分析和总结，并逐步推进智能变电站建设工作。2010年国家电网公司全面推行“三集五大”体系建设的发展战略，有序推进人、财、物管理的集约化运作，“减员增效”势必成为公司人才战略的一大突破点。2011年起，国网公司新建工程基本采用智能变电站建设模式。国家电网公司 2015年智能电网项目建设意见指出，国网公司将新建智能变电站 1400座，智能变电站投运规模将创新高。智能变电站的主要特征是智能化的一次设备、网络化的二次设备、标准化的数据交换、状态化的设备检修、自动化的管理运维，二次设备广泛采用智能终端、合并单元等智能电子设备，并且基于 IEC61850（DL/T860）标准进行建模和通信，互操作、网络技术等发展已经趋于成熟和稳定，智能变电站具有很强的交互性[1]，便于监测和分析。高度的可靠性是智能变电站应用于智能电网的最基本、最重要的要求[2]。最新颁布的标准完全涵盖了变电站内部的通信模型，向电力自动化通信网络系统内的通用标准又迈进了更大的一步[3,4]。此外，为适应调控一体化和状态检修的管理要求，智能变电站中与调度直接相关的部分关键设备状态监测量、设备状态监测信息可通过安全 I区、II 区上送调度主站，为全面实现二次设备状态检修创造更为便捷的条件。“十二五”期间，变压器、开关、闸刀、输电线路等一次设备状态检修工作被列为国网公司重点工作，输变电设备在线监测系统建设快速推进，监测数据采集进入自动化阶段。一次设备的状态特征是规律性和不可逆，其监测点已明确化，监测数据的利用和状态评估导则已趋于成熟。在智能变电站的大力建设和 IEC 61850 标准深入推广应用的情况下，国内外对变电站一次设备的状态监测已做了充分的研究[5-6]。相反，二次设备定期检修和状态检修都属于预防性检修[7]，二次设备状态的特征比较复杂和多元化，即有不可逆的硬件状态，也有可逆的软件系统环境，还有多变的设备外部环境状态，这些都导致其监测种类存在争议，监测点也较多，监测数据本身代表的含义也存在模糊性和概率性，使得状态评估导则的条目确立和规则建模都需要大量数据的累积和长期经验总结。目前，二次设备状态检修工作有待进一步提升，二次设备状态检修数据来源尚依靠在运行巡视和专业巡检获得，需要消耗了大量的人力和物力，监测数据采集频度过低、同步性差无法适应智能电子设备的运行特性，状态评估难度大。2015年 2月，国网公司印发了《国家电网公司关于加强电网二次专业管理的意见》（国家电网调〔2015〕134号），文件指出，智能电网技术快速发展，以网络化、信息化、智能化为特征的新技术应用，提升了电网二次系统技术水平，云计算、大数据等新技术日趋成熟，将进一步推动二次专业技术进步。电网二次专业管理必须适应新技术发展。加强二次设备检修管理，落实继电保护状态检修导则，深化继电保护状态评价，积极推广继电保护状态检修。
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1.2 国内外发展动态及研究现状
1.2.1 关于智能变电站二次设备的研究
德国国家委员会 1994年提出了通讯协议设想，IEC、IEEE1998 年和美国 EPRI同意以美国 UCA2.0(utility communication architecture2.0 由美国电科院制定的变电站和馈线设备通信协议体系)为基础，由 IEC 牵头制定一个全球通用的变电站自动化标准，IEC TC95 工作组负责研究 IEC61850 及数据模型。1999年京都 IEC TC57 会议和 2000年的 SPAG会议上均提出将 IEC61850 作为无缝通信标准。国外对于智能变电站目前尚未有明确的定义和统一的认识,但采用 IEC61850标准的变电站在欧洲总体上都被称为下一代变电站(NextGenerationSubstation)”。欧美各国也有着不同的称谓,Intelligentsubstation,SmartSubstation和 Substationofthefuture 均被广泛采用。由于电力需求相对稳定,电网建设速度较慢,加之国外电网公司更多的是商业化运作,智能变电站的发展受到一定制约。国内方面，2004年，变电站自动化系统唯一国际标准（IEC61850）被引入国内电力行业应用。2005年至 2008年，中国陆续印发了电力行业系列标准《变电站通信网络和系统》，并在智能变电站建设中应用。2009 年，国家电网公司编制了《智能变电站技术导则》，指出智能变电站是采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以数字化全站信息、网络化通信平台、标准化信息共享为基本要求，自动完成信息采集、控制、保护、计量、测量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站[9]。樊陈等学者对智能变电站过程层组网方案进行了分析，提出站控层网络实现、站控层内部、间隔层内部以及站控层和间隔层之间的通讯，过程层网络主要完成间隔层内部，过程层内部和过程层与间隔层之间的通讯，站内网络在智能变电站中非常关键，其网络设计的合理性在很大程度上决定了变电站的运行稳定性与可靠性[10]。
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第 2 章相关基础理论
随着智能变电站的推广建设，智能变电站占比不断增加，在国家电网公司“三集五大”体系建设不断深入的大背景下，二次设备状态检修的现有信息采集、状态评估模式存在人力投入大、支撑数据不科学等弊端，无法适应电网发展现状，急需开展智能变电站二次设备及其通信特性的研究，构建一套信息化在线监测系统，利用大数据处理技术，实现二次设备的在线监测，降低人力投入的同时为状态检修提供科学的数据支撑。
2.1 智能变电站体系架构
智能变电站中的智能设备应具有先进、低碳、环保、可靠、集成的特点，基本要求为全站信息实现数字化、采用网络化通信平台、全站施行标准化信息共享，信息采集、监视、控制、保护、测量和计量等基本功能自动完成，并可按需实现电网实时自动控制功能、在线分析决策功能、智能调节功能、协同互动功能等。智能变电站应遵循的基本技术原则如下：（1）智能变电站设备以信息数字化、状态可视化、结构紧凑化、功能集成化为主要技术特征；（2）智能变电站设备应满足“四易”的要求，即：易扩展、易改造、易升级、易维护；（3）智能变电站的设计建设应满足以下应用要求：三级安全稳定标准（DL755）、GB/T14285 保护特性要求、三道防线（DL/T1092）要求；（4）智能变电站的测量、控制、保护装置：满足 GB/T14285、DL/T769、DL/T478、GB/T13729 的相关要求；（5）智能变电站的系统与网络通信应依据 DL/T860 标准，应建立标准化信息模型（包括电网实时同步信息、电能质量、设备状态、保护信息等），其基础数据的一致性和完整性应满足相关规范；（6）宜建立站内统一的规范化、标准化的全站数据信息平台，供各子系统使用，站内数据访问、与远方调度系统数据交互应标准化开展；（7）具备顺序控制功能，满足集约化管理要求，支持与相邻的站、厂、用户之间的协同互动，为各级电网的安全、经济、稳定运行提供必要的支撑；（8）满足二次系统安全防护要求，进行安全分区、通信边界防护，确保控制功能安全；（9）满足无人值班要求。
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2.2 智能变电站的通信
依据智能变电站内应用功能的要求，可分为 SV、GOOSE、PTP、SNTP、MMS、SNMP和 IEC104 等通信协议，在实际应用中还存在一些辅助类通信协议，用以构建网络拓扑或地址表等，如 GMRP、ARP 和 RSTP等。以太网是开放式架构，多种协议都可存在于网上，除了上述可预期的协议之外，还可能存在许多其他不可预期的协议出现，甚至还可能存在一些性质不良的应用，如各种类型的网络攻击、病毒、恶意入侵、广播风暴等出现在网上。这些不可预期的协议，轻则占用网络资源，导致通信性能下降，重则造成网络瘫痪，使得整站功能失效，由于这些不可预期的协议应用不易被察觉，将严重威胁着智能变电站的安全运行。
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第 3章 Z公司二次设备在线监测系统分析........ 15
3.1二次设备状态检修管理的 SWOT 分析......15
3.2监测数据分析与提取.............19
3.3评估导则分析..............26
3.4本章小结...........28
第 4 章二次设备在线监测系统设计..........29
4.1系统设计原则及总体架构.....29
4.2系统详细设计..............33
4.2.1数据模型设计.......33
4.2.2主子站通信设计..............36#p#分页标题#e#
4.2.3系统典型功能设计..........38
4.2.4系统数据支撑过程及关键技术............41
4.3本章小结...........42
第 5章 Z公司二次设备在线监测系统实施效果评价.............. 43
5.1 Z公司二次设备在线监测系统实施效果..............43
5.2基于 AHP 的 Z公司二次设备在线监测系统实施效果评价......45
5.3本章小结...........50
第 5 章 Z 公司二次设备在线监测系统实施效果评价
随着智能变电站建设规模的不断扩大，在综合分析二次设备状态检修以及提高运维效率的总体框架下，Z公司结合生产实际，提出了二次设备在线监测的信息采集模式、二次设备状态评估导则，梳理了信息数据流框架，构建了智能变电站二次设备在线监测系统并开展了试点应用。在专业管理、生产效率提升、队伍建设等多角度展现得到了积极评价。
5.1 Z 公司二次设备在线监测系统实施效果
Z公式二次设备在线监测系统实施后，在信息安全性、工作结果科学性、工作效能提升等方面均有较大的提升。信息安全性指标主要包括数据可用性、数据完整性和数据机密性三个分项指标。Z公司二次设备在线监测系统建成后，二次设备监测及评估数据存储在数据库中，数据可用性、完整性较系统建设前有大幅提升。系统充分考虑二次系统安全防护要求，在安全 I区与安全 III 区之间部署横向隔离装置，确保数据的机密性。系统建设前，Z公司二次设备状态检修信息采集范围主要包括硬件外观情况、风扇运转情况、线缆布置情况、设备接地情况、指示灯运行情况等外部信息以及画面响应时间、传输时间、CPU负荷率、内存利用率、硬盘可用容量、网络连接情况等内部信息。信息采集频度根据设备重要程度确定，分位月底、季度、半年度、年度等采集模式。智能变电站站内网络通信过程涉及多种通信协议，其平均通信速率为 200Mbps，按此计算，一座智能变电站通信数据量为 2.06TB/日、61.79T/月，按每个地区智能站50座计算，其通信数据量达到 103T/日、3090T/月，可谓数据量巨大。系统建设后，Z公司充分考虑智能变电站二次设备网络通信环境，提出了对智能变电站站控层、间隔层、过程层的 MMS、GOOSE、SV、NTP、104、PTPV2、1588 等通信协议的全面监测，依据相关管理规程及运行经验对每种协议的关键通信指标设立了告警触发判据。同时系统对站内二次设备自检信息提出了明确的输出要求并在纳入监测范围，实现全站二次设备行为的全面监测。系统站内数据终端为网络报文记录及分析装置，可对站内所有网络通信过程进行在线侦听、记录，并开展在线分析，实现二次设备监测信息在线实时采集。
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结论
随着电网建设的不断深入，电网运行安全问题越来越重要。同时，智能变电站中二次设备采用网络通信，二次设备运行状态对智能变电站乃至电网安全稳定运行的重要性越发明显。电力系统二次设备的在线监测、故障诊断与状态评估能较好的服务于电网监控，解决二次设备运行过程中难以解决的问题。Z公司以总部发展规划和公司生产实际为出发点，以高效、安全开展智能变电站二次设备状态检修管理工作为最终目标，以技术创新、数据挖掘为工作着力点，国内首家完成了智能变电站二次设备在线监测系统，涵盖了二次设备及通信过程在线监测、二次设备健康状态评估与展示、二次设备模型与实际运行一致性校验、故障定位以及二次设备虚回路可视化展示等功能模块。通过试点应用，系统服务生产实际效果明显。在当前国际、国内发展的大形势下，电力企业必须努力开展内部生产运营方式分析，充分利用新技术、新思路开展生产运营体制革新，建立科学的分析模型和评价导则，形成存在问题的科学剖析，为决策层、管理层、运维层等多个层面提供解决问题的方法和指导，最终实现管理流程、运维流程的优化。论文工作成果如下：
（1）综述了国内外二次设备在线监测和大数据管理的相关文献，阐述了智能变电站体系架构、大数据等方面的相关理论，为全文研究奠定了理论基础；
（2）针对 Z公司在二次设备状态检修管理中存在的突出问题，利用 SWOT 方法对 Z公司二次设备状态检修管理现状进行了全面而深入的分析，对 Z 公司二次设备在线监测系统监测数据的分析与提取、评估导则等进行了科学的分析与提炼；
（3）提出了 Z公司二次设备在线监测系统设计原则及总体架构，对系统数据模型建立、主子站通信过程以及系统典型功能进行了详细的设计，为 Z公司二次设备在线监测系统的构建奠定了基础；
（4）利用层次分析法（AHP）建立了 Z公司智能变电站二次设备在线监测系统的应用与实施效果评价体系，依据该评估体系对 Z公司系统建设后相关指标提升等方面的效果进行了分析，并完成了对 Z公司系统应用与实施效果的评价，对电力系统内相关单位具有良好的借鉴意义。新形势下电力企业要努力摆脱传统固有理念，深化管理理念与技术革新。二次设备状态检修管理在智能变电站模式下产生了新的工作思路，但也存在着诸多的问题和挑战，需要电力从业者继续开展深入研究，为电力企业提供更多科学的管理创新、技术创新经验，促进企业核心竞争力的不断提升。
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参考文献（略）
