配電終端自診斷方法研究

吳棟萁,凌萬水,楊 濤,黃曉明,成曉瀟

(1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014；2.上海金智晟東電力科技有限公司，上海 200233)

0 引言

配電終端是配電自動(dòng)化現(xiàn)場監(jiān)測與控制設(shè)備，其可靠性對(duì)配電自動(dòng)化至關(guān)重要[1-2]。配電終端在實(shí)際運(yùn)行過程中，出現(xiàn)故障的原因較多，惡劣運(yùn)行環(huán)境(潮濕多雨等)、人為因素(參數(shù)配置錯(cuò)誤等)、管理因素(桿塔傾塔)等都可能導(dǎo)致配電終端局部或整體發(fā)生故障[3-5]。一般而言，只有在配電終端完全離線、遙控拒動(dòng)等故障情況下，運(yùn)維人員才能得知配電終端發(fā)生故障，從而降低了配電終端的可靠性[6-8]。

文獻(xiàn)[9-11]依據(jù)國家電網(wǎng)公司配電自動(dòng)化、實(shí)用化驗(yàn)收準(zhǔn)則，對(duì)配電自動(dòng)化、實(shí)用化驗(yàn)收內(nèi)容與考核評(píng)價(jià)指標(biāo)分別進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[12-14]提出終端與主站注入的故障啟動(dòng)條件的測試方法。目前，關(guān)于配電終端的研究大多集中在饋線自動(dòng)化和配電自動(dòng)化指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，對(duì)配電終端故障自診斷的方法鮮有文獻(xiàn)加以研究。

配電終端故障自診斷能夠及時(shí)、正確地對(duì)終端各種異常狀態(tài)或故障狀態(tài)給出診斷，從而預(yù)防或消除故障，保證配電終端安全可靠運(yùn)行。本文提出了一種基于狀態(tài)序列進(jìn)行故障自診斷的方法。根據(jù)檢測配電終端的運(yùn)行狀態(tài)生成狀態(tài)序列，依據(jù)狀態(tài)判定規(guī)則和故障定義對(duì)狀態(tài)序列進(jìn)行狀態(tài)判定與故障識(shí)別，生成故障信息判別向量與故障信息向量，從而支持對(duì)監(jiān)控服務(wù)器和調(diào)試服務(wù)器進(jìn)行故障狀態(tài)反演。

1 配電終端自診斷方法

配電終端主要由中央處理單元、操作控制回路、通信模塊、電源模塊(充電器和蓄電池)與采集單元組成，其組成如圖1所示。

圖1 配電終端組成圖 Fig.1 Composition diagram of power distribution terminal

根據(jù)自診斷的定義，可以將自診斷的過程分為自監(jiān)控與故障識(shí)別兩個(gè)階段，如圖2所示。自監(jiān)控階段需要系統(tǒng)對(duì)自身的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控；故障識(shí)別階段需要對(duì)可能發(fā)生的故障進(jìn)行定義，描述每一故障的特征，并通過對(duì)不同故障間關(guān)聯(lián)關(guān)系的分析建立故障模型，使得系統(tǒng)可以根據(jù)故障模型，從異常狀態(tài)中快速找出導(dǎo)致異常的故障。

圖2 配電終端自診斷過程圖 Fig.2 Self-diagnostic process of power distribution terminal

為了快速識(shí)別故障以及故障類型，本文通過使用監(jiān)控單元來監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)的狀態(tài)。這種監(jiān)控方式簡單快速。例如，一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)可以是配電終端某模塊的物理指標(biāo)，如采集模塊的測量值；也可以是系統(tǒng)內(nèi)某變量或預(yù)設(shè)置的關(guān)鍵變量，如限值整定參數(shù)。全部關(guān)鍵點(diǎn)監(jiān)測值評(píng)判狀態(tài)構(gòu)成了在某一時(shí)刻的狀態(tài)向量M=(M[1],M[2],…,M[n])，即系統(tǒng)在該時(shí)刻的狀態(tài)。其中，M[i]為關(guān)鍵點(diǎn)i在當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)值評(píng)判值，其狀態(tài)評(píng)價(jià)評(píng)判依據(jù)為自診斷故障模型。

故障識(shí)別模塊依據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)判定和轉(zhuǎn)換規(guī)則，形成故障模塊向量D=(D[1],D[2],…,D[n])。其中，D[i]為配電終端i模塊的故障狀態(tài)。終端可向監(jiān)控服務(wù)器發(fā)送該數(shù)據(jù)向量，通知其自診斷結(jié)果。

(1)

2 配電終端自診斷系統(tǒng)

2.1 配電終端核心模塊自診斷原理和方法

配電終端自診斷主要包括中央處理單元、操作控制回路、通信模塊、電源模塊和采集模塊的診斷。在自診斷過程中，如果發(fā)現(xiàn)故障，立即報(bào)警，顯示故障內(nèi)容或故障代碼，并將診斷結(jié)果發(fā)送至監(jiān)控服務(wù)器。下面詳細(xì)介紹主要模塊的故障自診斷原理和方法。

(1)中央處理單元。

中央處理單元是配電終端的核心，主要負(fù)責(zé)配電終端數(shù)據(jù)采集、故障分析、發(fā)送遙控命令以及通信處理等任務(wù)。

①任務(wù)運(yùn)行狀態(tài)自診斷。

在中央處理單元運(yùn)行的過程中，可能會(huì)出現(xiàn)由于環(huán)境問題(如高溫潮濕等因素)或者軟件Bug造成任務(wù)狀態(tài)運(yùn)行異常的現(xiàn)象。通過軟件運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測程序，判斷軟件任務(wù)運(yùn)行是否正常。其在狀態(tài)判定向量中對(duì)應(yīng)的編號(hào)為M[1]。

②參數(shù)自診斷。

參數(shù)自診斷主要包括診斷配電終端系統(tǒng)參數(shù)(IP地址、設(shè)備地址)和限值整定參數(shù)(防抖時(shí)間、遙控保持時(shí)間、越死區(qū)值)。診斷方法是將終端內(nèi)參數(shù)與自診斷模塊中參數(shù)進(jìn)行自診斷。其在狀態(tài)判定向量中對(duì)應(yīng)的編號(hào)為M[2]。

③對(duì)時(shí)自診斷。

通過設(shè)計(jì)自診斷對(duì)時(shí)中斷程序，在中斷恢復(fù)后將對(duì)時(shí)結(jié)果與程序進(jìn)行比較判定。若相同，則全球定位系統(tǒng)(global position system,GPS)對(duì)時(shí)無故障。其在狀態(tài)判定向量中對(duì)應(yīng)的編號(hào)為M[3]。

(2)操作控制回路。

通過采集中央處理器下發(fā)的遙控指令與采集模塊采集得到遙測狀態(tài)，并進(jìn)行智能比對(duì)，判斷兩者的因果關(guān)系是否匹配。其在狀態(tài)判定向量中對(duì)應(yīng)的編號(hào)為M[4]。

(3)通信模塊自診斷。

配電終端通信模塊自診斷包含上行通信和下行通信兩個(gè)部分。通信模塊故障自診斷方法是返送校驗(yàn)。自診斷模塊向主站或上下游智能設(shè)備發(fā)出詢問命令，通過檢驗(yàn)該模塊能否收到回應(yīng)，判定模塊是否故障。其在狀態(tài)判定向量中對(duì)應(yīng)的編號(hào)分別為M[5]、M[6]。

(4)電源模塊自診斷。

電源模塊的自診斷功能包括檢測電源電網(wǎng)側(cè)是否失電、接入的蓄電池是否失壓或者欠壓。其在狀態(tài)判定向量中對(duì)應(yīng)的編號(hào)分別為M[7]、M[8]、M[9]。

(5)采集模塊自診斷。

配電終端的采集量包括遙測和遙信數(shù)據(jù)。遙測量又包括電壓值和電流值。為方便描述采集模塊自診斷模型，設(shè)遙測數(shù)據(jù)為ξ、閾值為ε、平均值為θ，設(shè)定差值大于δ為離群數(shù)據(jù)，則采集模塊自診斷判定原則如下：

若|ξ-θ|>θ，表示數(shù)據(jù)遠(yuǎn)離均值，則判定采集單元故障；

若ξ>ε，表示數(shù)據(jù)大于閥值，則判定采集單元故障；

若ξ=0，表示數(shù)據(jù)為0，則判定傳感器探頭失效故障。

上述三種故障類型在狀態(tài)判定向量中對(duì)應(yīng)的編號(hào)分別為M[10]、M[11]、M[12]。

通過對(duì)配電終端工作原理、故障自診斷過程以及故障自診斷系統(tǒng)進(jìn)行分析，建立的狀態(tài)判定向量征兆類型及對(duì)應(yīng)屬性值如表1所示。故障識(shí)別向量及對(duì)應(yīng)屬性值如表2所示。

表1 狀態(tài)判定向量征兆類型及對(duì)應(yīng)屬性值Tab.1 State decision vector symptom type andcorresponding attribute values

表2 故障識(shí)別向量故障類型及證兆類型Tab.2 Fault identification vector fault type and symptom type

2.2 故障自診斷算法

配電終端的自診斷啟動(dòng)包括持續(xù)診斷、周期診斷以及監(jiān)控診斷三種方式。根據(jù)自診斷模型及向量數(shù)據(jù)屬性，自診斷算法流程如圖3所示。

圖3 自診斷算法流程圖 Fig.3 Flowchart of self-diagnostic algorithm

在自診斷命令啟動(dòng)后，由自診斷模塊的各監(jiān)控模塊持續(xù)采集功能模塊中的狀態(tài)信息M[i]，并將其存入狀態(tài)緩存序列中。定義在j時(shí)刻生成狀態(tài)序列為Sj，則在(j+1)時(shí)刻生成狀態(tài)序列為Sj+1。在(j+1)時(shí)刻，將Sj與Sj+1序列中的值分別按照自診斷模型進(jìn)行故障狀態(tài)判定，生成狀態(tài)判定向量值；若此時(shí)判定結(jié)果全為0，則此時(shí)自診斷結(jié)果為無故障；若存在非零項(xiàng)，則需進(jìn)一步進(jìn)行故障識(shí)別。

(2)

3 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)上述內(nèi)容設(shè)計(jì)了配電終端，并進(jìn)行了小范圍對(duì)比試點(diǎn)應(yīng)用。將560臺(tái)終端安裝在實(shí)施區(qū)域共140條線路上。其中，65條線路共260臺(tái)配電終端啟動(dòng)了自診斷模式，其他線路上的300臺(tái)配電終端未啟動(dòng)自診斷模式。

按供電公司對(duì)配電自動(dòng)化新建區(qū)域的規(guī)定，投運(yùn)3個(gè)月內(nèi)必須對(duì)新建區(qū)域內(nèi)的開關(guān)進(jìn)行一次遙控操作。因此，對(duì)連續(xù)100天的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，啟動(dòng)自診斷模式的配電終端有內(nèi)部故障發(fā)生時(shí)，可以在5 s內(nèi)給監(jiān)視人員發(fā)送預(yù)警。對(duì)于未啟動(dòng)自診斷模式的配電終端，除了通信故障可以在主站上得到及時(shí)反饋外，其他故障只能等待遙控失敗或者故障處理失敗時(shí)才能被發(fā)現(xiàn)，從而降低了遙控成功率和自愈成功率。運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比如表3所示。啟動(dòng)自診斷模式的配電終端遙控成功率提升約5.4%，對(duì)應(yīng)配電區(qū)域饋線啟動(dòng)率提高22.2%，饋線自動(dòng)化成功率提高30.2%。試驗(yàn)結(jié)束后，所有終端全部啟動(dòng)自診斷模式。

表3 運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.3 Comparison of operating data

4 結(jié)束語

本文提出了一種配電終端自診斷方法。在介紹配電終端的原理與故障特性的基礎(chǔ)上，分析了配電終端的中央處理單元、通信模塊、電源模塊、操作控制回路以及采集模塊工作原理。詳細(xì)給出了各模塊的故障自診斷原理和方法，最后定義了狀態(tài)判定向量與故障識(shí)別向量的征兆與屬性值。該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)狀態(tài)緩存序列中數(shù)據(jù)的判定與識(shí)別。

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