基于神經(jīng)網(wǎng)絡的繼電保護設(shè)備健康狀況分析模型

何葵東，薄 宇，閆孟達

（五凌電力有限公司，湖南 長沙 410000）

1 繼電保護設(shè)備系統(tǒng)分類

目前，對繼電保護設(shè)備進行分類的方法主要是根據(jù)繼電保護設(shè)備被保護對象的特性及各種保護原理，如劃分為線路保護、母線保護、變壓器保護及發(fā)電機保護等。這種劃分往往容易使人忽略了保護裝置的共性，本文的研究目的為研究出一種繼電保護健康狀況模型，對所有保護裝置的健康狀況進行分析，故以上分類方法對本文不適用。

為了研究一種對所有保護裝置都適用的繼電保護健康狀況模型，需要對繼電保護設(shè)備構(gòu)成硬件回路進行分析。繼電保護設(shè)備均由如下系統(tǒng)構(gòu)成，電源系統(tǒng)、采樣回路、開入開出回路、CPU及定值。電源系統(tǒng)往往由一個或多個開關(guān)電源構(gòu)成；采樣回路主要由交流電流回路、交流電壓回路及直流電壓回路構(gòu)成；開入開出回路主要包括外部開關(guān)量輸入、壓板投入回路、轉(zhuǎn)換開關(guān)輸入回路、跳閘出口回路及操作回路等。

2 繼電保護健康狀況模型設(shè)計

根據(jù)繼電保護設(shè)備構(gòu)成將繼電保護健康狀況模型分為如下四個子模塊，即電源健康狀況分析、采樣回路健康狀況分析、開入開出回路健康狀況分析及CPU和定值健康狀況分析。

根據(jù)各個子模塊特點，以分布式采集、集中式管理為手段，通過Modbus、61850等通信協(xié)議，收集保護裝置中的各種數(shù)據(jù)，再根據(jù)各個子模塊需要，通過分類形成各個子模塊的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。采用數(shù)據(jù)擬合法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡等方法對大數(shù)據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行處理，形成對各個系統(tǒng)健康狀況分析的子模塊，最終建立繼電保護設(shè)備健康狀況模型。

形成繼電保護健康狀況模型后，實時收集繼電保護保護裝置的各種數(shù)據(jù)，分類后輸入各個子模塊；通過各個子模塊內(nèi)部計算及對比，即可實現(xiàn)對各個子模塊健康狀況的分析，最終達到判斷繼整個繼電保護設(shè)備健康狀況、提前發(fā)現(xiàn)各種設(shè)備隱性缺陷及為實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)檢修提供決策依據(jù)的目的[1]。

3 繼電保護健康狀況模型實現(xiàn)

3.1 電源健康狀況分析模塊

繼電保護設(shè)備電源在正常運行時由于電源負荷穩(wěn)定，溫度只與環(huán)境溫度有關(guān)。對于繼電保護設(shè)備電源健康狀況的分析，主要利用電源老化或運行異常時會出現(xiàn)溫度升高的特點來監(jiān)測電源工況。在電源模塊內(nèi)部安裝一個自帶電源的無線溫度傳感器探頭來測量電源溫度，并在繼電保護設(shè)備屏柜內(nèi)安裝一個溫度傳感器測量環(huán)境溫度。通過兩個傳感器，測量現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)，主要包括時間、裝置本體溫度、裝置本體溫度變化率、環(huán)境溫度及環(huán)境溫度變化率。通過采集變量，確定裝置的實時運行工況[2]。

本文以電廠某變壓器保護裝置為例，采集現(xiàn)場4 320組保護裝置運行溫度數(shù)據(jù)，包括時間、裝置本體溫度、裝置本體溫度變化率、環(huán)境溫度、環(huán)境溫度變化率及裝置運行狀態(tài)。采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡建立電源故障監(jiān)測的數(shù)學模型，建立過程包括數(shù)據(jù)預處理、相關(guān)性分析、神經(jīng)網(wǎng)絡訓練以及神經(jīng)網(wǎng)絡預測四部分。

3.1.1 數(shù)據(jù)預處理

檢測到的保護裝置運行數(shù)據(jù)可能會受到檢測裝置的影響，使得數(shù)據(jù)存在不完整及不一致的特性，影響所建立模型的準確性，因此要進行數(shù)據(jù)預處理。數(shù)據(jù)預處理包括數(shù)據(jù)的異常值剔除、缺失值填補及數(shù)據(jù)的歸一化處理。數(shù)據(jù)剔除與數(shù)據(jù)歸一化處理在Matlab中編程實現(xiàn)，缺失值的填補在統(tǒng)計軟件SPSS中實現(xiàn)。

3.1.2 數(shù)據(jù)的歸一化處理

采集到的繼電保護設(shè)備的數(shù)據(jù)有溫度、時間、溫度變化率及運行狀態(tài)，各種數(shù)據(jù)的范圍及單位不同，數(shù)據(jù)量綱的不同會造成數(shù)據(jù)分析的錯誤，所以要進行數(shù)據(jù)歸一化。

3.1.3 保護裝置電源監(jiān)測模型的建立

將數(shù)據(jù)預處理后的數(shù)據(jù)選取4 300組數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，最終選取裝置溫度、裝置溫度變化率、環(huán)境溫度及環(huán)境溫度變化率作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入，輸出為裝置運行工況。BP學習算法的基本思想是：通過一定的算法調(diào)整網(wǎng)絡的權(quán)值，使得網(wǎng)絡的實際輸出盡可能接近期望輸出[3]。

3.2 采樣回路健康狀況分析模塊

對于采樣回路健康狀況的分析，主要通過通信網(wǎng)絡采集多個保護裝置大量采樣數(shù)據(jù)，形成采樣大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。利用MATLAB數(shù)據(jù)擬合法，形成采樣系統(tǒng)數(shù)據(jù)區(qū)間。當正常運行時，采樣值在該區(qū)間內(nèi)波動；當采樣值超出該波動區(qū)間時，發(fā)出告警，通知專業(yè)人員處理。

本文以1個主變保護裝置、1個故障錄波裝置為例進行說明，采集針對不同有功時刻的電流數(shù)值，采集大量數(shù)據(jù)，再通過MATLAB軟件對所采集的數(shù)據(jù)進行模擬整合，當有功發(fā)生變化時所測得的電流會在一定的范圍值進行波動，并標記出其波動的上下限值。正常情況下，采樣值會在其上下限值內(nèi)波動，當采樣值超出上限或低于下限，則反映采樣回路出現(xiàn)問題。

對于電壓值，則針對無功不同時記錄當時電壓值，通過MATLAB軟件對所采集的數(shù)據(jù)進行模擬整合，當有功發(fā)生變化時所測得的電壓會在一定的范圍值進行波動，并標記出其波動的上下限值。正常情況下，采樣值會在其上下限值內(nèi)波動，當采樣值超出上限或低于下限，則反映采樣回路出現(xiàn)問題。

3.3 CPU和定值健康狀況分析模塊

對于CPU的健康狀況分析，主要利用CPU老化或運行異常時會出現(xiàn)溫度升高的特點。在CPU模塊內(nèi)部安裝一個自帶電源的無線溫度傳感器探頭來測量CPU溫度，并在繼電保護設(shè)備屏柜內(nèi)安裝一個溫度傳感器來測量環(huán)境溫度，將以上兩個溫度采集后通過通信網(wǎng)絡傳輸?shù)缴衔粰C數(shù)據(jù)庫內(nèi)，形成CPU溫度與環(huán)境溫度的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。由于CPU正常運行時，CPU溫度往往與環(huán)境溫度有關(guān)，對以上兩個溫度采用與電源健康狀況分析模塊同樣的神經(jīng)網(wǎng)絡算法進行處理，形成CPU健康狀況分析模塊。

選取CPU當前溫度值、CPU溫度上升率、當前環(huán)境溫度及環(huán)境溫度上升率作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入，下一時刻的CPU溫度作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡的輸出。正常運行時采集CPU溫度與環(huán)境溫度通過通信網(wǎng)絡輸入CPU健康狀況分析模塊，該模塊根據(jù)環(huán)境溫度得到一個CPU溫度的預測值，與實際的CPU溫度進行對比。當兩者相差的絕對值在一定范圍內(nèi)時，判斷CPU運行正常；當超出該范圍時，判斷CPU運行可能出現(xiàn)異常，發(fā)出告警，通知專業(yè)人員提前進行檢查。

3.4 開入開出回路健康狀況分析模塊

開入回路主要分為兩類，一種為硬壓板開入，另一種為與被保護設(shè)備運行狀態(tài)相關(guān)的開關(guān)量輸入。對于硬壓板開入，可以采用與定值同樣的處理方法，即先建立硬壓板數(shù)據(jù)庫，再利用通信網(wǎng)絡將保護裝置采集到的硬壓板數(shù)據(jù)傳到上位機，與數(shù)據(jù)庫內(nèi)硬壓板數(shù)值進行比較，當有異常時立即通知專業(yè)人員處理。對于與被保護設(shè)備運行狀態(tài)相關(guān)的開關(guān)量輸入，如出口斷路器、滅磁開關(guān)等信號，則利用電流或電壓來判斷開關(guān)量狀態(tài)。當判斷有電流時，即為運行狀態(tài)，通過通信網(wǎng)絡采集到的保護裝置開關(guān)量輸入回路數(shù)據(jù)應與運行狀態(tài)一致，否則應發(fā)出告警。

由于開出回路主要包括保護裝置跳、合閘接點、操作箱相關(guān)回路及斷路器控制回路等，部分回路較為復雜，又由于該回路采用直流電壓，所以對該部分設(shè)備的健康狀況分析主要通過直流對地電壓監(jiān)測來進行。需設(shè)計一個專用測量電路，以測量該回路的對地電壓。當正常運行時，由于負荷波動及直流回路絕緣監(jiān)測等原因，該回路對正、負對地電壓往往在一個范圍內(nèi)波動，測量回路一段時間后，采集大量電壓數(shù)據(jù)，形成該回路的電壓大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，再通過數(shù)據(jù)擬合法，擬合出該系統(tǒng)的在合閘或跳閘狀態(tài)的直流電壓波動區(qū)間。當在合閘或跳閘狀態(tài)時，測量直流電壓超出該狀態(tài)下的波動區(qū)間，則發(fā)出告警，通知專業(yè)人員檢查處理。

安裝好電壓表后，通過電壓表采集多組數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)擬合法進行擬合，形成電壓波動區(qū)間。

正常運行，當斷路器在合閘狀態(tài)時，電壓表V1測量直流電壓數(shù)值在直流正電壓波動數(shù)據(jù)區(qū)間波動，電壓表V2、V3測量直流電壓數(shù)值在直流負電壓波動區(qū)間波動，一旦電壓波動超過通過大數(shù)據(jù)擬合的數(shù)據(jù)波動區(qū)間，則證明該回路存在故障，應發(fā)出告警，通知專業(yè)人員處理。當斷路器在分閘狀態(tài)時，電壓表V1、V3測量直流電壓數(shù)值在直流正電壓波動數(shù)據(jù)區(qū)間波動，電壓表V2測量直流電壓數(shù)值在直流負電壓波動區(qū)間波動，一旦電壓波動超過通過大數(shù)據(jù)擬合的數(shù)據(jù)波動區(qū)間，則證明該回路存在故障，應發(fā)出告警，通知專業(yè)人員處理。

4 結(jié) 論

繼電保護設(shè)備的健康狀況直接影響到電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，自動判斷繼電保護設(shè)備健康狀況，提前發(fā)現(xiàn)各種繼電保護設(shè)備隱性缺陷是保障電力系統(tǒng)安全的直接需求。