基于多源數據融合的電網故障輔助分析

吳 漾，孔慶波

（1.貴州電網有限責任公司，貴陽550000；2.貴州電網有限責任公司信息中心，貴陽550000）

隨著我國電力系統的快速發(fā)展，電網運行中不斷涌入了更多的設備，如智能電子設備、故障錄波器和一些保護設備，導致電網負荷越來越大[1]，故障發(fā)生時系統自動傳來的大量不必要信息，嚴重阻礙了故障的及時分析。另外，信息缺失以及設備所提供的信息量有限等因素也嚴重影響了故障分析的準確性[2]。因此，及時對復雜的故障問題進行分析解決，保證其可以更加安全穩(wěn)定的運行具有重要意義[3-4]。如何通過異構多信息源數據融合得到有效的故障輔助分析信息，逐漸成為研究的熱點。文獻[5]對變電綜合自動化領域的優(yōu)化設計進行了分析，簡化了系統配置也有效提高了自動化水平，但不能綜合利用錄波器的模擬量信息和開關量信息。文獻[6]對國調的電網故障分析系統進行了分析，該系統呈現的信息量與故障程度呈正相關，但存在信息介入不規(guī)范、應用區(qū)分不充分的問題。文獻[7]對國外KJT公司的OPEN 系統進行分析，其與故障分析系統類似，具備數據倉庫的結構，可以及時對故障進行分析并處理，同時也存在一些不足，如故障診斷方法老舊、沒有綜合利用異構信息等。本文基于多源數據融合的電網故障分析為中心展開，研究了一些故障分析算法，提出并仿真驗證了所提電網故障分析方法，以期為電網的故障輔助分析提供更加準確有效的途徑，有著重要的理論參考價值。

1 電網故障輔助分析系統

1.1 系統的總體結構

系統由主站和子站構成，整體呈現出分布分層的趨勢，而構成總系統的主站位于調度端，其余子站全部位于變電站內，如圖1所示。子站系統對采集到的數據進行過濾分級、協議轉換，并對設備進行監(jiān)控和管理，然后上傳至主站一些有效的信息。子站可實現故障的簡單分析；而主站可實現跟EMS/SCADA 系統的所有上傳數據進行共享，將子站上傳來的信息數據進行集中整理，實現高級應用并傳至不同的功能區(qū)域。主站和子站之間是通過公用電話網、電力數據網等一些廣義上的通信網絡進行連接從而形成一個整體。

圖1 總體結構Fig.1 Overall structure

1.2 系統子站結構和功能

系統的子站通過將不同接口的錄波器和保護裝置接線接入工控機，在一臺工控機上選擇開發(fā)模式，采用了內置或者外置的擴展接口卡。其中的工控機起到了重要作用，如數據分析、信息采集和數據存儲，實現和主機的通信。該結構在不影響網絡結構和變電站內設備正常運行的情況下，可以將保護接入子站系統，通過轉換裝置以光纖的方式。而保護管理機在物理連接上支持以太網、LonWorks、RS-458、RS-232 等方式與錄波器，自動裝置，保護裝置進行連接，將其他設備上傳來的數據信息轉化成統一的格式。

在子站可以實現簡單的分析功能，如對信息進行協議轉發(fā)和轉換，對錄波器及保護等設備的信息采集等，其功能可分為故障分析、運行管理、數據處理和數據采集等模塊。

1.2.1 故障分析功能

實現一些簡單的故障分析功能，如單端測距功能、利用本地信息和模糊Petri 網的故障診斷、波形顯示以及將分析結果做成簡報上傳至主站。

1.2.2 運行管理

首先對信息進行采集，然后保存到數據庫中，進行查詢和控制。而主要采集的信息包括很多，主要分為通信狀態(tài)、異常警告、保護動作等，最后將這些采集的信息跟主站進行連接，進行下一步操作，如查詢一些歷史記錄，修改某些定值等。

1.2.3 信息分級過濾

子站在發(fā)生故障時，會產生大量的數據，如果將所有這些數據都上傳至主站，不僅給工作人員帶來許多不方便，且會造成網絡擁堵，所以根據需求對這些信息數據進行分級處理和過濾是非常有必要的。

對信息進行處理主要分為等待查詢信息和主動上傳信息兩大類。等待查詢信息滿足完整性和準確性，主要用于對故障發(fā)生后的分析；而主動上傳信息則是在故障發(fā)生的第一時間進行上傳。響應的上傳規(guī)則，如表1所示。

表1 上傳規(guī)則Tab.1 Upload rules

第1 級信息并非故障時的信息，主要用于定值的校核以及設備的維護，與電力系統的故障沒有直接相關；第2 級信息主要為等待查詢信息，主要用于故障后的分析；第3、4 級信息為主動上傳的信息，所形成的故障簡報主要為繼保和運行人員提供故障分析結論，如保護行為分析、故障診斷等。

1.2.4 格式轉換

由于所有設備的型號不同，出自不同的廠家，通信協議自然存在很大的差異。利用保護管理機作為通信介質對數據進行高效利用，不但方便了數據的采集和高效利用，還可以統一保護并接入保護管理機。

1.3 系統主站結構和功能

主站可以和以下的子站全部進行連接，之后彼此之間可以通信并傳達消息，如圖2所示。

圖2 主站結構Fig.2 Main station structure

兩站之間常用通信有2 種方式：一種是由電力通信網或公用電話以撥號的方式進行通信；另一種是由電力數據網通過IP/TCP 方式進行通信。目前國內的電力發(fā)展迅速，所有的變電站大都被光纖覆蓋，所以第二種成為主要的通信方式。

單獨設置的數據服務器可以避免訪問頻繁及數據量大的弊端，提高數據應用的效率。配備了2臺通信服務器，且都與公用電話網和電力數據網連通，可以保證故障信息的可靠上傳，提高子站和主站之間數據交換及通信的可靠性。

由于對于信息分析的需求越來越多，所以我們更加精確地設計了其主要功能，使得這些功能在配合設備運行時可以對分析人員及操作人員帶來更多的方便，主要的功能模塊分為以下幾種：

綜合分析模塊該模塊主要由顯示的波形分析后，經過故障選項算法進行計算，向故障分析系統傳送更準確的信息，方便用戶更精確地對故障進行診斷分析。

數據庫模塊該模塊能夠存儲電網的原始配置參數，同時刷新存儲所包含的信息并實現對于數據庫中數據的備份以備查詢。

信息管理模塊該模塊包含報警信息、查詢統計、裝置的設備動作管理、圖形界面管理、WEB 信息發(fā)布等功能，可以顯示告警信息并對歷史的故障數據進行更有效的查詢，以此對設備的狀態(tài)進行密切監(jiān)視，同時通過圖形化的界面向用戶和其他系統傳送數據。

通信模塊該模塊主要包括子站數據采集、數據共享、GPS 對時的功能，保證信息上傳、共享及同步的可靠性。

2 基于多數據融合的電網故障輔助分析

2.1 開關量故障度

通過推理開關量信息并利用模糊Petri 網得到各個元件的故障概率，同時需要對結果進行歸一化處理，第i 個元件的開關量故障度即為PDi。

2.2 能量故障度

通過Hilbert 變換并利用頻率和瞬時幅值，取前3 個IMF 分量，得到所有IMF 分量的能量表征。發(fā)生故障即會產生這一個頻段的能量變化，然后根據這些變化對其進行詳細的量化分析。

假設發(fā)生故障時，第i（i=1，2，…，n）個設備元件的固有能量定義為Ei1，…，Eik，…，Eil則：

2.3 頻率故障度

故障發(fā)生時，電網中的信號會摻雜很多高頻率的暫態(tài)信息，導致頻率變化極大。根據容易由頻率變化而引起改變的HHT，對于發(fā)生故障線路詳細的進行分析。

假設發(fā)生故障時，將第i（i=1，2，…，n）個設備元件的固有頻率定為fi1，…，fik，…，fil，則定義：

2.4 幅值故障度

一旦發(fā)生故障，每一條線路中就會因為短路電流的存在而產生極大變化的幅值，根據這些幅值變化特性進行分析，通過比較前后幅值的不同和變化值對故障程度進行精確的輔助分析。

假設發(fā)生故障時，將第i（i=1，2，…，n）個設備元件的瞬時頻率定義：

此時的AiFiWi并不能作為理論證據，歸一化處理得到第i 個元件的輔助故障度、頻率故障度以及能量故障度。

2.5 基于多數據融合的電網故障輔助分析

根據繼電器保護故障信息系統獲取電氣量，并通過SCADA 系統對開關量信息進行獲取，獲取了這些信息之后詳細的對其進行處理和提取。通過HHT 對電氣量進行分析，利用Petri 對開關量進行精準的分析，最后通過證據理論在決策融合層對故障度進行診斷融合，得到結果，輔助分析流程，如圖3所示。

3 仿真分析

以我國北方的某次真實電網故障為基礎，對本文所提到的分析方法進行了仿真分析。本次的電路故障是發(fā)生在L1 線路上，因為關聯的斷路器和保護裝置的動作，有6 條路線發(fā)生了跳閘，電網的接線情況如圖4所示。

本次的故障過程解析為

（1）L11處出現短路即AC 接地，B15處的距離保護、高頻、零序同時發(fā)生動作，故Q11斷路器跳開；

圖3 輔助分析流程Fig.3 Flow chart for auxiliary analysis

圖4 仿真分析接線圖Fig.4 Simulation and analysis wiring diagram

（2）B11處的斷路器并沒有斷開，所以導致B18處的保護動作觸發(fā)了Q17處的的斷路器；

（3）L14處的零序保護動作觸發(fā)了Q13、Q14處的斷路器，通過分析認為是誤動。

（4）B11、B2處的保護沒有發(fā)生動作，使得Q0、Q2處的斷路器并沒有跳開，導致1-4 號表電器沒有發(fā)生斷路動作。

（5）B11處的保護器沒有發(fā)生動作，使得Q7、Q8、Q24處的斷路器跳開，同時L15，B1處的保護器誤動致使跳閘。

根據以上方法對這次故障進行詳細的分析，對于每一條線路都根據所提到的HHT法進行信息提取，如開關量、能量、頻率、幅值等，最后對結果進行融合分析處理，如表2所示。

表2 融合分析結果Tab.2 Fusion analysis results

由此結果可以得出，本次故障的發(fā)生主要原因確實是發(fā)生在L1線路上，其余線路問題全部屬于非故障因素，和實際狀況相同，沒有異議。此外，不按照多源數據融合的辦法進行分析的話，僅僅通過開關量故障進行分析，會認為L1、L4、L12處的元件均為發(fā)生故障，得出很不精確的結果。

4 結語

基于多源數據融合的電網故障分析為中心展開，研究了一些故障分析算法，并仿真驗證了所提電網故障分析方法，得出了以下結論：①基于SQL Server2008和Visual C++6．0 數據庫系統，改進了分析系統的結構功能，并且在此基礎上提出了具體的設計改進方案；②對基于多數據融合的電網故障輔助分析方法進行了研究，利用模糊Petri 網對開關量進行分析，并利用HHT 算法對電氣量進行分析后，融合這些算法所提取的表征，可以得到更加精確的分析結果；③最后通過實際故障仿真案例驗證了所提分析方法，確實有效提高了故障輔助分析方法的精準度，可以有效的避免斷路器及保護器的誤動、拒動所帶來的負面影響，為更有效的故障輔助分析提供了理論指導。