設(shè)備監(jiān)控信息大數(shù)據(jù)與設(shè)備模型的互校驗及實用化事件分析

高 志，樊銳軼，米 超，王大海，胡慶博，馮 超

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司，河北 石家莊 050000；2.國網(wǎng)石家莊供電公司，河北 石家莊 050000)

隨著大運行和調(diào)控一體化[1-2]，調(diào)控中心集中監(jiān)控變電站數(shù)量劇增，一、二次設(shè)備監(jiān)控信號在主站集中監(jiān)視，監(jiān)視信息以時間羅列，不能直觀準(zhǔn)確反應(yīng)真實設(shè)備故障、異?！笆录?，告警信息包含檢修調(diào)試、操作伴生、誤發(fā)、AVC等干擾信息，也存在漏發(fā)、誤發(fā)信息的情況[3-5]，當(dāng)設(shè)備故障、異常信息發(fā)出時，海量的設(shè)備監(jiān)控數(shù)據(jù)對電力調(diào)控管理提出了新的挑戰(zhàn)。

監(jiān)控人員僅僅依靠人工經(jīng)驗判斷信號之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系及可能發(fā)生的故障、異?！笆录?，缺乏相應(yīng)技術(shù)手段來智能判斷故障、異?！笆录笨赡芙o電網(wǎng)帶來的影響，難以發(fā)現(xiàn)眾多信號中的“關(guān)聯(lián)”屬性，對于較復(fù)雜故障、多重故障以及惡劣天氣條件下引發(fā)的大面積故障難以快速有效的進行精準(zhǔn)分類和處理[6]。同時，對于一、二次設(shè)備的頻發(fā)隱患僅通過當(dāng)值監(jiān)控員人工判斷無法有效的進行全面分析。進行因此非常有必要對遙測、遙信等監(jiān)控信號進行有效梳理和智能化分析，并與外部數(shù)據(jù)相結(jié)合，通過大數(shù)據(jù)平臺的信息管理與綜合分析，提升監(jiān)控信息技術(shù)水平。從以前純粹依賴監(jiān)控人員的經(jīng)驗轉(zhuǎn)變?yōu)橐罁?jù)真實可靠的監(jiān)控數(shù)據(jù)分析進行智能決策，從而快速、準(zhǔn)確判斷電網(wǎng)故障，有效分析設(shè)備隱藏缺陷，全方位提升電網(wǎng)監(jiān)控效率，降低電網(wǎng)安全風(fēng)險。

與此同時，監(jiān)控人員緊依賴于調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)對信息進行分析、處理存在判斷決策的局限性。當(dāng)今智能電網(wǎng)飛速發(fā)展，除電網(wǎng)集中監(jiān)控系統(tǒng)外，電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、PMS、氣象數(shù)據(jù)、可視化巡檢等外部的實時信息逐步建立成統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)管理平臺，利用多元化的數(shù)據(jù)共享，通過信息的規(guī)范化，進行全面的數(shù)據(jù)解析與智能分析，將結(jié)果進行可視化的界面展示，能夠極大的提高調(diào)度監(jiān)控人員的工作效率和決策能力。

在監(jiān)控人員日常監(jiān)視過程中，變電站的變壓器實時負(fù)載率是重點監(jiān)視內(nèi)容之一，但傳統(tǒng)的負(fù)載率監(jiān)視的可靠性受到現(xiàn)場主變相應(yīng)開關(guān)的采樣裝置、測控裝置、遠(yuǎn)動裝置、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的可靠性制約。在海量監(jiān)控信息的監(jiān)控業(yè)務(wù)中，由于相關(guān)裝置異常產(chǎn)生的錯誤數(shù)據(jù)不易發(fā)現(xiàn)。尤其在每年的迎峰度夏期間，監(jiān)視主變負(fù)載率是保證電網(wǎng)承載能力的重要任務(wù)之一，準(zhǔn)確的負(fù)載率數(shù)據(jù)對電網(wǎng)供電可靠性監(jiān)測有重要作用。由于高負(fù)載率主變的相關(guān)遙測數(shù)據(jù)的模值變小，相應(yīng)的過載信息未能呈現(xiàn)給監(jiān)控人員，而導(dǎo)致處理時機延誤，進而發(fā)生主變跳閘甚至損壞重要設(shè)備的情況是存在的[7]。

本文通過采用自然語言解析、機器學(xué)習(xí)、聚類分析等大數(shù)據(jù)分析方法[8-9]，對變電站監(jiān)控信息進入深入挖掘和分析。對監(jiān)控信息校驗及信號事件化處理，通過一、二次設(shè)備監(jiān)控信息關(guān)聯(lián)融合，建立信息與設(shè)備的關(guān)聯(lián)模型；研究監(jiān)控信息智能比對，檢查監(jiān)控信息完整性，以此作為監(jiān)控事件化分析基礎(chǔ)；最后，通過一、二次設(shè)備告警信息，建立事件化模型，發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常缺陷，判斷電網(wǎng)跳閘事件，通過大數(shù)據(jù)平臺的可視化界面推送監(jiān)控人員分析結(jié)果，為電網(wǎng)調(diào)度運行人員對電網(wǎng)突發(fā)事件提供決策支持。

并且本文提出變壓器負(fù)載率智能校驗新算法在主變中、低壓側(cè)開關(guān)遙測值異常情況下，仍能得到正確的主變負(fù)載率計算值，并與傳統(tǒng)負(fù)載率計算值作對比分析，能夠獲得遙測裝置存在的隱患缺陷信息，為遙測系統(tǒng)和設(shè)備本身缺陷的處理提供了重要依據(jù)。

1 監(jiān)控信息關(guān)聯(lián)融合

本文的信息校驗和電網(wǎng)事件化判斷方法所需監(jiān)控信息有賴于監(jiān)控信息關(guān)聯(lián)融合[10]的數(shù)據(jù)構(gòu)建。以設(shè)備為中心，以監(jiān)控信息大數(shù)據(jù)分析方法為基礎(chǔ)，通過一、二次設(shè)備與監(jiān)控信息關(guān)聯(lián)，構(gòu)建統(tǒng)一的設(shè)備信號規(guī)則數(shù)據(jù)庫。依據(jù)《變電站設(shè)備監(jiān)控信息規(guī)范》、變電站一二次設(shè)備及監(jiān)控信號特點及電力系統(tǒng)語言規(guī)范，基于自然語言解析方法對每一條監(jiān)控信息進行結(jié)構(gòu)化關(guān)系識別[11]，通過關(guān)鍵字進行匹配關(guān)聯(lián)。

2 監(jiān)控信息校核

EMS內(nèi)監(jiān)控信息依據(jù)變電站監(jiān)控信息表入庫生成，隨著變電站改擴建，監(jiān)控信息在不斷更新變動，如何保證監(jiān)控信息完整性和實時性，對變電站安全運行至關(guān)重要。本文以監(jiān)控信息表點號為主要判據(jù)，采用基于模糊匹配和關(guān)鍵信息的算法[12]，對系統(tǒng)內(nèi)監(jiān)控信息表與對接EMS系統(tǒng)監(jiān)控信息表進行互相校驗，分析判斷出差異信號、缺失信號及新增信號，對存在問題信號進行篩查和處理，并進行可視化圖形展示，最終保證EMS系統(tǒng)內(nèi)監(jiān)控信號完整性和規(guī)范性。

3 電網(wǎng)跳閘事件化

電網(wǎng)跳閘事件化實現(xiàn)分為如下三個模塊。

3.1 監(jiān)控信號建模

能夠準(zhǔn)確的識別監(jiān)控信號是監(jiān)控信息分析的基礎(chǔ)。由于電網(wǎng)設(shè)備包含多個廠家和型號，各廠家并未采取統(tǒng)一的信號命名方式，各個設(shè)備由于涉及原理、配置方案、故障類型等不同，信息描述有很大的差異。因此需要對監(jiān)控信號進行規(guī)范化建模，確保數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、設(shè)備命名的統(tǒng)一規(guī)范，通過自然語言解析能夠把重要信號進行分析和關(guān)鍵信息篩選和抽取。

如下信號為具體一條信號描述：河北.宜安站220 kV.安牽線231/WXH803G保護遠(yuǎn)方跳閘出口，通過對信號內(nèi)包含信息的解析，所包含信息有：

(1)所屬區(qū)域(河北)；

(2)所屬變電站(宜安站)；

(3)電壓等級(220 kV)；

(4)間隔名稱(安牽線231)；

(5)保護型號(WXH803G)；

(6)信號描述(保護遠(yuǎn)方跳閘出口)。

對于每條信號，總結(jié)分析處有效信息進行建模，如上所示信號構(gòu)建為“區(qū)域.變電站.間隔./保護型號.信號描述”。

3.2 事件建模

對變電站及各電壓等級的事件類型，構(gòu)建包含監(jiān)控信息的打包建模，依此模型為事故判斷的主要參照依據(jù)。例如220 kV線路單相永久故障，主要信號包括：

(1)兩套線路保護的保護出口信號；

(2)線路開關(guān)跳閘信號。

圖2以雙母接線的線路故障為例對跳閘事件過程進行分析。

經(jīng)過對故障分析和信號篩選，收到信號包括如下信號：

(1)線路兩套保護出口信號

(2)231斷路器跳閘信號

(3)其他信號

通過對告警信息分析推理，得出結(jié)果如下：

(1)安牽線線路故障；

(2)231斷路器正常動作。

3.2 事件化分析結(jié)果實現(xiàn)

實現(xiàn)監(jiān)控信息事件化分析，需要通過監(jiān)控信息獲取(數(shù)據(jù)對接)、重要信號抽取、監(jiān)控信息智能分析、結(jié)果統(tǒng)計展示四個步驟。

3.2.1 監(jiān)控信息獲取

監(jiān)控信息智能分析以變電站監(jiān)控信息表為基礎(chǔ)，對獲取所有監(jiān)控信息進行分析。根據(jù)監(jiān)控信息表獲取到完整的監(jiān)控信號模型，為監(jiān)控信號分析提供基礎(chǔ)。EMS系統(tǒng)實時上送的信號為分析對象，與EMS系統(tǒng)內(nèi)信號進行實時對接，實現(xiàn)所有告警信息采集。

3.2.2 重要信號抽取

監(jiān)控信息是監(jiān)視變電站設(shè)備情況的窗口，每天調(diào)控人員需要處理數(shù)以萬計的信號，各變電站信號命名不規(guī)范，給信號分析帶來了一定的障礙，信號誤報、漏報情況時有發(fā)生，并且存在信號大量頻發(fā)占用監(jiān)視窗口的情況，致使信號分析變得更加困難。綜上原因，調(diào)控人員日常工作中，對于大量上送信息分析，很難做到對所有上送信號逐條進行分析。通過對監(jiān)控信號進行建模，通過模糊比對和關(guān)聯(lián)匹配算法將重要信號抽取。信號模型內(nèi)算法基于自學(xué)習(xí)，根據(jù)信號分析結(jié)果不斷融合，根據(jù)情況進行模型修正。

3.2.3 電力設(shè)備狀態(tài)大數(shù)據(jù)共享

電力設(shè)備狀態(tài)大數(shù)據(jù)共享以電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用在線監(jiān)測、PMS缺陷管理臺賬、氣象信息、現(xiàn)場巡檢等信息，進行數(shù)據(jù)的模塊化提取。通過外部數(shù)據(jù)與內(nèi)部數(shù)據(jù)(遙測、遙信)的對接，選取“高敏感度”的信息進行綜合分析，幫助監(jiān)控人員及時掌握設(shè)備異常及故障情況[13-15]。

高敏感度信息例如：

(1)氣象信息：溫度、風(fēng)速、雨量等

(2)巡檢信息：2a輸電設(shè)備信息：導(dǎo)線斷股、絕緣子損傷、導(dǎo)線掛異物等；2b變電設(shè)備：設(shè)備局部放電、設(shè)備過溫等；

(3)缺陷信息：一次設(shè)備缺陷、二次設(shè)備缺陷等。

3.2.4 監(jiān)控信息智能分析

經(jīng)過抽取的重要信號，對無用、干擾信息進行篩選，對頻發(fā)信號進行過濾，數(shù)據(jù)里面包含信號誤報、漏報的情況，開關(guān)誤動作或者拒動作的情況都需要分析。智能分析對如下情況進行智能分析判斷：

(1)電網(wǎng)發(fā)生事故的具體位置；

(2)電網(wǎng)事故引發(fā)保護動作；

(3)開關(guān)是否正常動作；

(4)是否具備重合閘；

(5)重合閘動作是否成功；

(6)保護動作是否切除故障，是否存在風(fēng)險；

(7)是否有誤報信號；

(8)是否有漏報信號；

(9)信號缺失情況；

(10)異常信號分析；

(11)設(shè)備狀態(tài)初步評估；

(12)故障處理及試送決策；

(13)線路“三跨”(跨高速、高鐵、高危用戶)信息可視化智能展示。

通過信號內(nèi)在的關(guān)聯(lián)關(guān)系，告警信息按事件進行自動打包分組和命名，將連續(xù)的監(jiān)控告警信息序列分塊封裝為緊密關(guān)聯(lián)的事件單元，對海量監(jiān)控信息的有序化、條理化管理，對頻發(fā)、誤發(fā)、漏發(fā)等信息進行自動辨識，形成系統(tǒng)、高效的監(jiān)控信息大數(shù)據(jù)資源共享及決策體系。

3.2.5 事件化結(jié)果統(tǒng)計展示

通過智能分析算法，對監(jiān)控信息進行分析處理，對分析結(jié)果進行統(tǒng)計展示。主要包括如下功能：

(1)對電網(wǎng)此時段發(fā)生的故障進行展示，展示發(fā)生變電站、發(fā)生時間、發(fā)生事故、事故信息；

(2)對電網(wǎng)當(dāng)前存在的問題進行分析；

(3)對漏報信號進行展示；

(4)對誤報信號進行展示；

(5)輔助運行人員對事故進行處理。

對設(shè)備監(jiān)控信號進行建模，通過模糊比對和關(guān)聯(lián)匹配算法將重要信息抽取，信號模型內(nèi)算法基于自學(xué)習(xí)，根據(jù)信號分析結(jié)果不斷調(diào)整和完善。

3.3 主變負(fù)載率智能校核

傳統(tǒng)的主變負(fù)載率數(shù)據(jù)依賴于變壓器中低壓側(cè)開關(guān)遙測數(shù)據(jù)，當(dāng)這些數(shù)據(jù)因遠(yuǎn)動、采樣裝置等發(fā)生異常時，會導(dǎo)致負(fù)載率數(shù)據(jù)錯誤。尤其是在迎峰度夏的高溫季節(jié)，由于遙測數(shù)據(jù)比真實數(shù)據(jù)偏低導(dǎo)致的負(fù)載率偏低現(xiàn)象，將會延誤監(jiān)控人員的報送時機，甚至造成主變跳閘以致?lián)p壞。

源頭數(shù)據(jù)利用過少是產(chǎn)生錯誤數(shù)據(jù)且不易被監(jiān)控人員發(fā)現(xiàn)的原因之一，本文采用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，依據(jù)大數(shù)據(jù)平臺負(fù)載率智能校核機制，將負(fù)載率錯誤的變壓器進行直觀展示，能引導(dǎo)監(jiān)控人員及時發(fā)現(xiàn)遙測信息的錯誤，為消除隱患提供必要的依據(jù)。

3.3.1 傳統(tǒng)主變負(fù)載率計算方法

對于內(nèi)橋接線變電站的三繞組變壓器，遙測系統(tǒng)通過采集中、低壓側(cè)有功、無功遙測值，計算得到相應(yīng)主變的視在功率。

1號主變負(fù)載率為：

(1)

2號主變負(fù)載率為：

(2)

從圖4及公式(1)中可以看出，1號變壓器負(fù)載率的可靠性與P1、P2、Q1、Q2的遙測采樣的準(zhǔn)確性直接相關(guān)。若變壓器中、低壓側(cè)開關(guān)的遙測裝置采樣異?；蜻b測值不刷新，1號主變負(fù)載率將變?yōu)椴豢煽繑?shù)據(jù)。而且在電網(wǎng)集中監(jiān)控模式下，遙測采樣異常未有相應(yīng)的光子牌及告警信息，監(jiān)控范圍內(nèi)廠站數(shù)量較多，監(jiān)控員無法及時發(fā)現(xiàn)某變電站相關(guān)遙測缺陷，為事故埋下了隱患。

3.3.2 變壓器自適應(yīng)負(fù)載率計算方法

如圖5所示，內(nèi)橋接線方式的110 kV變電站。進線1、進線2、分段a1開關(guān)視在功率分別為S11、S12、Sa1，110kV1、2段母線的線電壓分別為U11、U12。

潮流矩陣：

(3)

開關(guān)狀態(tài)矩陣：

(4)

主變狀態(tài)矩陣：

(5)

開關(guān)狀態(tài)參數(shù)：

Aij=1ij開關(guān)為運行狀態(tài)

Aij=0ij開關(guān)為非運行狀態(tài)

主變狀態(tài)參數(shù)：

Bi=1i號主變投入運行

Bi=0i號主變退出運行

分段a1開關(guān)視在功率：Sa1=|U11*Ia1|

對于內(nèi)橋接線變電站，不同運行方式下，兩臺主變的視在功率S1、S2可根據(jù)110 kV側(cè)的相關(guān)參數(shù)得到。

上述不同運行方式下主變視在功率如下：

正常運行方式、單主變、單線路單主變：

(6)

單線路：

(7)

其中，S1+2=|S11+S12|。

通過上述分析可得，依據(jù)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)進行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑥亩_定變電站當(dāng)前運行方式。圖6為負(fù)載率智能校核的流程圖。

3.3.3 案例分析

本文采用石家莊電網(wǎng)110 kV富村變電站作為仿真模型。運行方式如下：該變電站為內(nèi)橋接線，兩臺主變?nèi)萘烤鶠?0MVA，110 kV進線為中富線166、中高1線T接線167開關(guān)，分別帶110 kV2段、3段母線運行，正常運行方式下分段102、302、502開關(guān)均為熱備用。

當(dāng)110 kV中富線檢修狀態(tài)時，中高1線T接線167開關(guān)帶2號、3號主變運行，102開關(guān)在運行狀態(tài)。如圖7所示。3號主變的313開關(guān)采樣異常，35 kV3段母線各分路遙測總加值與313開關(guān)遙測值不匹配。

此時，按照傳統(tǒng)負(fù)載率計算方式，3號主變負(fù)載率如下：

按照自適應(yīng)負(fù)載率算法，3號主變負(fù)載率如下：

兩種負(fù)載率算法對比表格如下：

表 兩種負(fù)載率算法對照表

由上表可知，在主變中、低壓側(cè)開關(guān)采樣異常時，傳統(tǒng)負(fù)載率算法不能正確反映主變負(fù)荷情況。尤其在主變重載時，不能滿足過負(fù)荷報警要求，影響調(diào)度負(fù)荷轉(zhuǎn)移的時機。自適應(yīng)負(fù)載率智能校驗算法通過110 kV側(cè)開關(guān)遙測值的對比計算，真實反映出主變視在功率的情況，為負(fù)荷監(jiān)視和潮流控制提供重要依據(jù)，具有可靠性和自適應(yīng)性。

本文采用的變壓器負(fù)載率智能校驗新算法在主變中、低壓側(cè)開關(guān)遙測值不正確的情況下，仍能得到正確的主變負(fù)載率，并與傳統(tǒng)負(fù)載率計算值作對比，反映出遙測存在的隱患缺陷，為消缺處理提供了重要依據(jù)。

4 成果與效益

保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行是各級調(diào)控中心的一項非常重要的工作。如何使用技術(shù)手段保證電網(wǎng)安全可靠運行是關(guān)注的重點。由于設(shè)備存在不通廠家、型號，導(dǎo)致設(shè)備信號復(fù)雜多變，而且設(shè)備不斷更新?lián)Q代，監(jiān)控信息表普遍存在命名不規(guī)范、適應(yīng)性不夠問題，無法對上送的監(jiān)控信息做到智能分析。

本文從實際情況出發(fā)，對這些問題進行深入研究，并給出了很好的解決方案。

4.1 信號規(guī)則

通過對監(jiān)控信號與設(shè)備進行建模，實現(xiàn)信號表校核匹配，保證監(jiān)控信息表統(tǒng)一和完整。通過對信號規(guī)則的匹配完善[16-18]，對新的匹配規(guī)則進行更新，補充完善信號規(guī)則模型庫，進一步提高系統(tǒng)適用性。

4.2 基于數(shù)學(xué)模型建立大數(shù)據(jù)分析體系

對變電站設(shè)備監(jiān)控信息建模，并在此基礎(chǔ)上對監(jiān)控信息表完整性進行校核，確保監(jiān)控信息表規(guī)范統(tǒng)一。電力設(shè)備狀態(tài)大數(shù)據(jù)共享以電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用在線監(jiān)測、PMS缺陷管理臺賬、氣象信息、現(xiàn)場巡檢等信息，同時對上送監(jiān)控信息進行智能分析，能夠基于電網(wǎng)自動分析設(shè)備運行狀態(tài)及當(dāng)前電網(wǎng)發(fā)生故障情況，對上送信號中誤報、漏報進行智能分析，發(fā)現(xiàn)遙信、遙測數(shù)據(jù)的異常，特別在高溫天氣智能校核主變負(fù)載率的異常缺陷。依據(jù)電力設(shè)備狀態(tài)大數(shù)據(jù)共享平臺，結(jié)合在線監(jiān)測、PMS缺陷管理、氣象信息、現(xiàn)場巡檢等信息進行綜合智能分析，將結(jié)果實時進行可視化展示和自動提醒，提高運行人員工作效率，并提升電網(wǎng)安全運行水平。

5 結(jié)語

通過本文提出的基于設(shè)備監(jiān)控信息與設(shè)備模型互校驗及實用化事件分析，利用電力設(shè)備狀態(tài)大數(shù)據(jù)共享平臺，改進了監(jiān)控人員傳統(tǒng)的監(jiān)視和依靠人工分析模式，提高調(diào)控人員分析電網(wǎng)運行情況的能力。有助于監(jiān)控信息統(tǒng)一和規(guī)范，提升監(jiān)控信息和電網(wǎng)安全監(jiān)視的管理水平，減輕運行人員工作壓力和工作強度，提高電網(wǎng)安全運行水平。