基于大數(shù)據(jù)的單站端故障診斷及輔助決策方法

譚文忠，陳 浩，石 輝，梅紅興

（國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力調(diào)度控制中心，湖南 長沙 410004）

0 引言

故障診斷是根據(jù)不同故障的特征量進(jìn)行故障性質(zhì)的判定過程，電網(wǎng)故障診斷的目的就是在故障發(fā)生后能夠迅速、準(zhǔn)確地判斷出故障元件。由于所有電網(wǎng)故障都可分解為基本的元件故障組合，而元件又隸屬于基本間隔單元，所以單元故障是電網(wǎng)組合故障分析的基礎(chǔ)［1-3］。

1 主站單元故障信息處理過程

單元故障信息涉及保護(hù)動作、開關(guān)變位、潮流變化、錄波測距等不同結(jié)構(gòu)類型的數(shù)據(jù)融合［4－5］，從邏輯的角度來看，既涉及間隔層元信息和站控層開關(guān)量等離散數(shù)據(jù)的邏輯耦合，又包含智能終端、故障錄波參數(shù)、PMU及潮流變化等連續(xù)變化過程數(shù)據(jù)的融合［2，6］，根據(jù)電網(wǎng)異常，其故障處置流程，如圖 1 所示?？蓪⒐收线^程信息分解為兩個過程［7］：

1）耦合預(yù)判。根據(jù)故障的狀態(tài)元素邏輯耦合結(jié)果S（k）！作為監(jiān)控員第一次故障匯報的預(yù)判信息（S（k）！ =0 代表“故障”態(tài)，S（k）！=1 代表“正?！睉B(tài)）。

2）融合終判?；隈詈项A(yù)判結(jié)果，綜合故障連續(xù)變化過程數(shù)據(jù)等特征量進(jìn)一步確定故障性質(zhì)，作為監(jiān)控員向調(diào)度第二次故障詳細(xì)匯報的依據(jù)。

圖1 單元故障信息處理過程

2 單元故障信息的融合

單元故障特征辨識過程中涉及多元信息的融合是一個多變量決策問題，其基礎(chǔ)問題是圍繞融合單元和融合結(jié)構(gòu)展開。每個融合單元都涉及3個基本組成部分：信息元、耦合算法／融合方法和決策結(jié)果。信息融合過程中，融合單元都可能采取數(shù)據(jù)、特征、決策等不同的形式，于是形成了數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合 3 個層次的劃分［1-2，6］。

在上述特征量對應(yīng)數(shù)據(jù)中，根據(jù)保護(hù)開關(guān)狀態(tài)、保護(hù)開關(guān)動作時序、節(jié)點(diǎn)電壓、相角、潮流特征的分析處理，來獲取故障診斷結(jié)果［2，6-8］：① SCADA 與RPMS系統(tǒng)中保護(hù)及斷路器動作行為進(jìn)行邏輯耦合得到保護(hù)、斷路器的動作特征z1（k）和故障元件的識別；②SCADA潮流變化信息與WAMS節(jié)點(diǎn)電壓信息進(jìn)行耦合得到故障支路電流特征信息 z2（i，u）；③SCADA電壓變化信息與WAMS電壓、相角信息進(jìn)行耦合得到故障節(jié)點(diǎn)電壓相角特征信息z3（u，θ）。根據(jù)上述②、③任何一個方面與預(yù)想故障下相關(guān)特征匹配程度來辨識故障類型。

由此可得到單元故障特征量多源信息融合決策過程，如圖2所示。

圖2 單元故障信息融合過程

其中，F(xiàn)（x）=z1（k）∩｛max z2（i，u）∪max z3（u，θ）｝

F（x）∈［0，1］，正常態(tài)邏輯值為“1”，異常態(tài)邏輯值為“0”。

3 單站故障診斷和輔助決策流程

根據(jù)單元故障信息觸發(fā)過程和數(shù)據(jù)融合方法［6，8-10］，根據(jù)電網(wǎng)故障特征量按照“節(jié)點(diǎn)電壓相角匹配、支路潮流變化掃描”進(jìn)行動態(tài)在線掃描，進(jìn)而得出了基于電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的單站端電網(wǎng)故障診斷和輔助決策流程［11-13］，如圖 3 所示。

圖3 單站故障診斷和輔助決策流程

該流程具體包括如下步驟：

1）建立專家數(shù)據(jù)庫：包括預(yù)想事故集，以及構(gòu)建與預(yù)想事故集對應(yīng)的專家決策數(shù)據(jù)庫。

2）將事故信息分類為兩類：一類是反映變電設(shè)備運(yùn)行狀況的開關(guān)量信息，二類是事故期間過程數(shù)據(jù)的連續(xù)變化信息。

3）對一類信息以對應(yīng)的狀態(tài)元素描述。

4）對步驟3）所述的各狀態(tài)元素進(jìn)行邏輯耦合，用邏輯與的關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，只要有一個狀態(tài)元素為故障，則該狀態(tài)元素涉及的元件確定為故障元件。

5）對步驟2）所述的二類信息進(jìn)行多源信息融合。

6）將步驟5）的多源信息融合結(jié)果與所述預(yù)想事故集中的相關(guān)特征進(jìn)行匹配，根據(jù)匹配程度辨識故障類型。

7）根據(jù)步驟4）和步驟6）的判斷結(jié)果，依照步驟1）所述的專家決策數(shù)據(jù)庫，進(jìn)一步確定事故發(fā)生的性質(zhì)，并進(jìn)行事故處置的輔助決策。

根據(jù)上述流程，將步驟4）～7）所述的數(shù)據(jù)與變電站監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)圖元進(jìn)行關(guān)聯(lián)，全過程進(jìn)行實(shí)時顯示和跟蹤故障的發(fā)展過程和決策依據(jù)。

4 算例

結(jié)合算例對基于電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的單站端電網(wǎng)故障診斷和輔助決策方法進(jìn)行說明。

某500 kV變電站220 kV線路604斷路器U相故障跳閘重合不成功，主站監(jiān)控顯示604斷路器V、W相合位。

其耦合決策步驟如下：

線路間隔出現(xiàn)故障，狀態(tài)元素表如下表1所示，其中k為狀態(tài)元素的編號，取值為1、2、3…。

根據(jù)狀態(tài)元素的耦合邏輯結(jié)果可知：S1（k）!＝S1（1）·S1（2）·…·S1（5）…·S1（13）＝1·1·…·0·…·1＝0；初步判斷“線路跳閘，重合不成功，非全相運(yùn)行”；再次檢視狀態(tài)元素表可知故障狀態(tài)元素為 “線路604第一／二套保護(hù)U跳閘出口”、“604線路第一／二套保護(hù)重合閘動作出口”；該故障設(shè)備運(yùn)行方式：“運(yùn)行”；故障狀態(tài)元素告警類別：“故障”；故障狀態(tài)元素故障類別：“單站端單純故障”；故障狀態(tài)元素開關(guān)狀態(tài)：“非全相”。

表1 斷路器事故狀態(tài)元素集合表

故障信息融合如表2所示，與建立的專家決策數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，進(jìn)一步得出融合終判：“604線路發(fā)生故障，縱聯(lián)保護(hù)動作跳開604斷路器U相，重合不成功，V、W相合位，非全相運(yùn)行”。

耦合推理：“設(shè)備元件（2）即線路L2發(fā)生U相故障，第一／二套主保護(hù)動作出口，重合不成功，V、W相非全相運(yùn)行”。

處置決策：根據(jù)專家?guī)斓贸鼋K判結(jié)論，即“拉開604斷路器+試送604斷路器+啟動故障處置流程”。

算例2：某500 kV變電站1號主變故障，主變差動保護(hù)動作跳1號主變?nèi)齻?cè)斷路器5011、5012、610、410，主站監(jiān)控顯示1號主變?nèi)齻?cè)斷路器均在分位。

表2 線路故障信息融合

其耦合決策步驟如下：

主變間隔出現(xiàn)故障，狀態(tài)元素表如下表3所示，其中：其中k為狀態(tài)元素的編號，取值為1、2、3…：

表3 主變事故狀態(tài)元素集合表

主變事故狀態(tài)元素S1（k）序號 名稱 狀態(tài)元素取值狀態(tài)元素16 主變高壓側(cè)開關(guān)失靈保護(hù)出口 S2（16） 1 17 主變中壓側(cè)開關(guān)機(jī)構(gòu)三相不一致跳閘出口 S2（17） 1 18 主變中壓側(cè)開關(guān)失靈保護(hù)出口 S2（18） 1 19 主變滅火裝置啟動滅火 S2（19） 1 20 主變高壓側(cè)斷路器A/B/C相分位 S2（20） 0 21 主變中壓側(cè)斷路器A/B/C相分位 S2（21） 0 22 主變低壓側(cè)斷路器A/B/C相分位 S2（22） 0

根據(jù)狀態(tài)元素的耦合邏輯結(jié)果可知：S2（k）!＝S2（1）·S2（2）·…·S2（6）…·S2（22）＝1·1·…·0·…·1＝0；初步判斷“1號主變故障”；再次檢視狀態(tài)元素表可知故障狀態(tài)元素為 “1號主變間隔事故信號”、“主變第一／二套保護(hù)差動保護(hù)出口”、“1號主變高／中／低壓側(cè)斷路器U／V／W相分位”；

故障信息融合：如表4所示，進(jìn)一步得出融合終判“1號主變故障，差動保護(hù)動作跳開三側(cè)斷路器”。

耦合推理結(jié)果為“設(shè)備元件（3）即1號主變發(fā)生本體故障，第一／二套差動保護(hù)動作出口跳開三側(cè)斷路器”。

處置決策：對比之前建立好的對電網(wǎng)的各種異常狀態(tài)所對應(yīng)的解決辦法構(gòu)建專家決策數(shù)據(jù)庫，得“隔離故障+啟動故障處置流程”。

5 結(jié)論

根據(jù)上述分析，將組合電網(wǎng)故障分解為基于單站端單元故障的新一代智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，可以綜合主站開關(guān)變位、保護(hù)動作、故障錄波、行波測距、潮流變化、電網(wǎng)拓?fù)涞榷嘣串悩?gòu)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，并觸發(fā)信息融合智能分析模塊按照“節(jié)點(diǎn)電壓相角匹配、支路潮流變化掃描”與預(yù)想故障集比對，進(jìn)而判斷電網(wǎng)故障性質(zhì)和處置決策，有效避免了對復(fù)雜電網(wǎng)故障在線解算，在處置多線程、多數(shù)據(jù)源的電網(wǎng)異常和故障信息具有顯著優(yōu)勢。

表4 主變故障信息融合