摘要：在信息网络技术日新月异的时代背景下，直流输电换流站自动化技术发展迅速，网络安全问题日益凸显；同时，自动化系统中海量信息的涌现导致信息茧房效应愈发显著。鉴于此，国电南京自动化股份有限公司的吴世伟、刘文彪、纪陵、檀庭方、张海宁在2024年第11期《电气技术》上撰文

在信息网络技术日新月异的时代背景下，直流输电换流站自动化技术发展迅速，网络安全问题日益凸显；同时，自动化系统中海量信息的涌现导致信息茧房效应愈发显著。鉴于此，国电南京自动化股份有限公司的吴世伟、刘文彪、纪陵、檀庭方、张海宁在2024年第11期《电气技术》上撰文，首先分析海上风电柔性直流输电换流站监控系统的硬件构成和软件功能架构；然后研究基于融合模型的监控应用，并在此基础上设计冗余配置设备时的监控处理方案，研发基于知识模型的事件告警辅助分析优化技术；最后进行换流站监控系统的优化开发，并通过实际案例验证其性能。验证结果表明，该系统可减少重复劳动，提高人员工作效率。

在建设以新能源为主体的新型电力系统的背景下，国网及南网公司积极深化柔性直流输电技术的研究与工程应用。张北柔性直流电网工程、昆柳龙特高压柔性直流输电工程等多项里程碑式工程的成功投产，对电力系统的发展产生了巨大影响。作为柔性直流输电工程的关键组成部分，换流站监控系统在监测设备健康状态、保障电网安全稳定运行方面起到了重要作用。

当前，换流站监控系统面临的问题包括监视对象众多、系统规模庞大、信号逻辑复杂及运行信号频发等。此外，在国内新能源发电基地建设和集团管控的背景下，监控系统形成了本地监控、控制中心集中监控、集团远程监控等多级模式。特别是海上风电柔性直流输电工程，亟需新技术支撑复杂条件下的监控。

数字化技术的迅猛发展为电力行业注入了巨大的活力。随着视频监控、图像分析、红外监视、无人机巡视应用、云边端协同及AI软硬件等技术的飞速进步，换流站分析与治理领域迎来了技术手段的革新。这些技术在态势感知、辅助决策、智能分析等方面的应用取得了丰富的成果。

有文献深入探讨了换流站信息化和智能化的建设路径和方案，总结了人工智能技术与电力结合的路径；有文献采用射频和紫外光检测技术，实现对直流场、交流场、阀厅等关键区域重要设备的全方位监测，通过全景数据采集与利用，提升了换流站电力设备的综合管理水平。针对故障期间的事件顺序记录（sequence events recorder, SER）数量庞大导致分析困难的问题，有文献采用人工智能方法进行优化分析，提高了故障处理的效率。

本文基于融合模型的换流站数据信息，设计冗余配置条件下的监控处理方法，并研发基于知识模型的事件告警辅助分析优化技术。基于上述技术创新，开发海上风电柔性直流输电换流站监控系统，实现对换流站内设备的全方位监测与多源信息接入。该系统的成功应用，不仅可以减少人工操作的重复性，而且可以提升整个系统的运行效率。

1 海上风电柔性直流输电监控系统架构设计

目前，海上风电柔性直流输电换流站监控系统面临的主要挑战包括：①网络安全威胁日益加剧；②多元数据信息缺乏有效的协调与共享机制；③大量事件告警频发、设备联闭锁关系错综复杂，给事件分析带来困难；④一般海上平台离岸较远，受气象影响，可达性差，导致人员检修成本高昂。因此，在海上风电柔性直流输电的复杂场景下，发挥海上平台设备数据信息的作用、提高人员对信息的感知度具有重要意义。

1.1 硬件构成

海上风电换流站在直流输电中扮演着重要的角色，与多种交直流设备紧密相连，从而进行能量的汇集与送出。站内同时配备了多种自动化系统，这些系统涵盖风机配套系统、海上升压站监控系统、海上换流站监控系统、陆地换流站监控系统等，共同保障海上风电系统的高效、稳定运行。

海上风电柔性直流输电监控系统示意图如图1所示，其展示了能量流和信息流的传输过程。换流站监控系统硬件通常包括系统服务器（Server）、操作员工作站（operator workstation, OWS）、工程师站（engin- eering workstation, EWS）、站长工作站（director workstation, DWS）等关键设备。

图1 海上风电柔性直流输电监控系统示意图

1.2 软件架构

在软件方面，换流站监控系统由多个功能模块组成。

其中，人机交互界面用于展示系统状态和操作交互；顺序事件记录与告警处理功能用于捕捉并响应各种异常事件；数据采集和处理功能实现对海量数据的实时收集与高效处理；控制调节功能涵盖对直流系统的启停、状态、运行中和故障时的控制，以及主设备和辅助系统的管理；数据库管理实现数据的安全和有序存储；通信接口功能提供与外部系统的通信联系；维护和自诊断功能增强系统的可维护性和自我修复能力；防误操作功能避免人为错误；用户权限管理功能保障系统的安全性和数据的保密性；制表打印功能满足数据输出的需求。

此外，还有远动功能、同期功能、时间同步功能、文档管理功能等。

本文的换流站监控系统采用平台+应用模式，通过分层设计，使系统易于开发扩展和应用部署。换流站监控系统组成结构如图2所示。系统采用自主可控硬件、国产化操作系统、国产化数据库，以应对当前对于技术安全性的发展要求。软件采用第三方包屏蔽底层差异、支持不同硬件和操作系统，使系统具有跨平台特性。在通用基本功能层之上，该系统可实现基于冗余模型的告警辅助分析等应用功能，进一步提升了系统的自动化水平。

图2 换流站监控系统组成结构

2 换流站监控系统优化设计方案

2.1 基于融合模型的换流站应用设计

IEC 61970—301公共信息模型（common information model, CIM）对电力模型做了定义。近年来，国网公司和南网公司在此基础上进行深入研究和拓展，成功将IEC 61970和IEC 61850在一次模型和二次模型方面进行了有机融合。模型融合为电力系统的统一建模和高效管理提供了有力支持。在关于一次设备、网络拓扑连接的模型中，详细定义了多个关键设备模型，如公司、区域、站、电压等级、间隔、导电设备、量测、端子、连接节点、拓扑母线及拓扑岛等。这些元素共同构成了完备的电力系统描述框架。

在换流站设备方面，直流场设备按照上述规范增加了区域分组，包括换流阀区域、阀组连接开关区域、极母线区域及接地极线路区域等。新增模型有助于提升对直流场设备信息的准确分析与处理。

1）基于融合模型的拓扑着色

（1）由全站配置文件生成一次、二次设备并建立单线图。首先，根据全站配置文件，系统生成一次设备对象，并建立单线图。然后，通过一、二次模型映射关系，将一次设备与二次设备测量点进行对应关联，为后续的拓扑分析提供基础数据。

（2）设备端子融合与节点建立。依据一次设备与设备端子的对应关系，系统将相连设备的重合端子进行合并处理，生成节点对象。

（3）节点关联矩阵建立与拓扑岛识别。系统根据节点和支路设备的连接关系建立节点关联矩阵，通过对节点关联矩阵的深度优先搜索，系统识别并划分出拓扑岛，进而在拓扑岛的基础上，展示站内设备带电运行状态和实现拓扑着色功能。

2）基于融合模型的事件处理

一般监控应用中需要同时展示告警窗口和系统接线图画面，以便在分析事件时能了解系统的运行方式、事件发生的区域范围等。图3展示了基于一、二次模型融合驱动的事件综合分析过程，包含事件分析应用所需的多种信息。

图3 基于一、二次模型融合驱动的事件综合分析过程

其中，一次设备模型直观呈现设备间的拓扑连接关系和设备的层次包含关系等，以便理解系统结构；二次设备模型聚焦于通信采集、点表编码地址和逻辑功能等核心要素，支持数据准确采集和高效处理功能。融合模型及其接口使系统可以访问和表示多种信息，下面举例说明。

例一，结合一次接线图带电着色信息及包含层次关系，告警窗口可以实现分层分类信息展示、相同设备信号归集及知识模板结构化的泛化等。它使系统可以自动访问设备连接关系，进行模型语义识别。基于融合模型，系统能够实现对设备关联关系、带电运行状态、设备健康状态及事件分析等的精准识别与研判，为站内优化运行和故障诊断提供支撑。

例二，冗余告警信息合并。在换流站的三重化保护配置下，对应相同一次设备的三台保护装置会同时发出三条一致的告警信号。此时，依据信号模型中相同的位置点reference信息（61850模型），可以将三条信号合并压缩为一条有效信息。

2.2 冗余装置条件下的主备数据监控技术方案

换流站内控制保护装置的冗余配置方案可以显著提升系统的可靠性，其关键技术在于提供四种状态（主机/备机/离线/测试）之间无缝切换和高效协同的功能。当前技术路线是在装置平台层面实现装置之间的通信交互功能。

本文把装置间协同切换功能迁移到监控主机中实现，目的是保留交流控制保护装置技术路线成熟稳定的优势，并将交流控制保护装置扩展为主备冗余方案，以支持冗余装置之间的切换协同。该方案不仅避免了占用装置资源，还具有丰富的人机交互界面。

此方案中，冗余配置的两套（A、B套）装置独立采集信息并上送至监控系统。监控系统根据预设逻辑选择主机装置，然后把主机装置的信号映射至虚拟装置，并在画面上展示。当进行遥控或遥调操作时，画面从对应的虚拟装置出发寻找，由监控系统选择主机装置，并下发控制命令给主机装置。装置冗余配置时的监控判断逻辑如图4所示，判断逻辑包括网络状态、告警状态、检修状态、数据异常等多种条件，提高了判断的可靠性。

图4 装置冗余配置时监控判断逻辑

2.3 基于时序事件链的告警辅助分析技术

在运行过程中，运行人员需依托详细的事件列表，追踪查找实时信息和历史信息，并进行细致的人工筛选与对比，才能准确掌握当前发生的事件详情。换流站运行时的事件信息数量大，且事件往往伴随多个中间信号同时出现，使事件分析工作费时费力。事件之间的逻辑和单一事件组合之间的关系可以表示为：

式（1）

事件告警辅助分析解析和整合了多元信息，这些信息包括设备所在区域、一/二次设备的关联情况、一次设备的拓扑关系与运行状态、二次压板状态等设备信息，以及事件时序信息、故障简报、录波记录等关键信息。

在分析过程中，系统基于标准模型描述和设备层次结构、连接关系，构建出知识库分析模板，其中知识模板由定义事件发生逻辑的表达式组成。之后，通过信息点表的泛化将知识库模板由局部扩展至全站。接下来，系统监测输入的实时信息，匹配事件信息发生的时序关系及逻辑条件，最终进行综合推理。这一过程将顺序接收的告警信号转化为带有逻辑含义的分析结果，从而提升告警分析的效率。事件告警综合知识库推理示意图如图5所示。

图5 事件告警综合知识库推理示意图

3 试点应用

本文系统采用中科服务器硬件、凝思安全操作系统、基于AI语音第三方离线软件包，实现了将告警文字信息转化为语音流媒体播报信息的功能，以及告警辅助分析功能。其中，告警语音播报软件功能具有分词流畅、语音语调自然和拟人化效果等优点，提升了信息传递效率和准确性。

以保护发出紧急停运命令事件为例，说明告警辅助分析功能。此时，推理模块基于预设条件的逻辑表达式为(@1&@2&@3&@4&@5)，各符号对应的事件见表1，所有符号为真时表达式成立。

表1 各符号对应的事件

在10s的时间窗口内，系统连续收到满足预定义条件的动作信息。经过分析处理后，系统得出“保护发出紧急停运命令”决策结果。为了确保信息的可追溯性，系统将这一过程中的逻辑条件及其时序信息依次显示在次级窗口中。事件告警辅助分析结果窗口如图6所示，图中5条时序事件自动整合为1条高度概括的提示性结论。该方法实现了事件数量的显著压缩，压缩后的数量仅为原始数量的20%。此外，系统可基于特定事件形成处理建议，为运行检修人员提供决策参考。

通过上述改进方法，用户可以迅速准确地识别出设备故障或异常的原因，减少了人工查找和分析的繁琐过程，提升了用户对站内设备运行状态的实时感知度。

图6 事件告警辅助分析结果窗口

综上所述，本文设计的告警事件推理分析模块能从海量时序事件中梳理出结构化和逻辑化信息。目前，该系统已在实时数字仿真实验室稳定运行1年，并成功实现了对海量告警数据的处理功能。

4 结论

多源信息技术的迅速发展及广泛应用，极大地促进了换流站内生产运行过程的自动化水平。这一变化使信号的人机展示和感知方式更为丰富、效果多样，也使信息更加复杂多元。本文基于融合模型的换流站全景数据信息，设计了冗余装置条件下的主备数据监控技术方案及基于时序事件链的告警辅助分析方法。在海上风电柔性直流场景下，换流站监控系统的信号分析过程得以简化。

本文的方案有效降低了人员工作负担，提高了工作效率，为海上风电柔性直流输电换流站的稳定运行提供了技术保障。

未来，在数字化技术的推动下，换流站运行时各个环节的状态数据将更加透明，洞悉变化态势的信息将更为直观，运行生产过程的安全性与可靠性必将得到显著提升。

本工作成果发表在2024年第11期《电气技术》，论文标题为“ 基于融合模型的换流站监控系统事件分析研究 ”，作者为吴世伟、刘文彪、纪陵、檀庭方、张海宁。

来源：电气技术一点号