基于AI加速模塊的換流站控制保護(hù)二次回路預(yù)警系統(tǒng)

周 源 鞠 翔 劉英男 李亞錦

（1. 中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司昆明局，昆明 650000；2. 山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，濟(jì)南 250061）

0 引言

自三峽直流輸電工程建設(shè)以來，我國(guó)直流輸電技術(shù)高速發(fā)展，相繼建成了數(shù)個(gè)特高壓直流工程。直流輸電工程是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，直流輸電控制保護(hù)技術(shù)是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-3]。

近幾年，直流控制保護(hù)二次回路隱蔽故障導(dǎo)致的繼電保護(hù)不正確動(dòng)作事件多次發(fā)生[4-6]：文獻(xiàn)[4]分析了電流二次回路中性線開路和電流二次回路兩點(diǎn)接地導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作原因，并提出繼電保護(hù)采用獨(dú)立二次回路的方案；文獻(xiàn)[5]介紹了二次回路空開異常導(dǎo)致?lián)Q相失敗和直流電壓采集傳感器故障引起直流電壓波動(dòng)而導(dǎo)致閉鎖的事故案例；文獻(xiàn)[6]分析了直流線路電壓測(cè)量異常情況下對(duì)控制保護(hù)系統(tǒng)的影響。

針對(duì)直流控制保護(hù)二次回路隱蔽性故障，研究人員提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施和智能化方法。文獻(xiàn)[7]采用因果網(wǎng)絡(luò)診斷測(cè)量，對(duì)換流站保護(hù)控制設(shè)備的的互感器數(shù)據(jù)進(jìn)行異常識(shí)別[7]。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了交流二次回路、開關(guān)量輸入二次回路、斷路器操作二次回路等繼電保護(hù)相關(guān)重要二次回路的狀態(tài)在線檢測(cè)方法。上述研究?jī)?nèi)容僅從設(shè)備角度進(jìn)行研究，未從站級(jí)運(yùn)維角度考慮，對(duì)換流站控制保護(hù)二次回路進(jìn)行系統(tǒng)全面監(jiān)測(cè)。

綜上，本文提出一種基于AI邊緣計(jì)算的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析預(yù)警系統(tǒng)，在故障錄波器裝置端配置每秒鐘可進(jìn)行16萬(wàn)億次計(jì)算的AI加速模塊，搭建換流站控制保護(hù)多源數(shù)據(jù)模型，在故障錄波器端采用統(tǒng)計(jì)分析和波形分析的多維數(shù)據(jù)處理算法，對(duì)換流站控制保護(hù)二次回路數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線計(jì)算，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)二次回路隱蔽性缺陷并預(yù)警。

1 換流站控制保護(hù)多源在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

1.1 在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源

換流站控制保護(hù)多源在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括故障錄波數(shù)據(jù)和保護(hù)裝置采集的電氣量：故障錄波數(shù)據(jù)從故障錄波裝置采集、保護(hù)裝置數(shù)據(jù)從保信子站和直流保護(hù)裝置采集、控制數(shù)據(jù)從站控系統(tǒng)采集。

1.2 換流站直流控制保護(hù)多源數(shù)據(jù)模型

換流站保護(hù)二次回路數(shù)據(jù)按照交流場(chǎng)和直流場(chǎng)進(jìn)行劃分，采集數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 ±800kV直流場(chǎng)保護(hù)采集數(shù)據(jù)

（續(xù)表1）

表2 500kV交流場(chǎng)保護(hù)采集數(shù)據(jù)

2 多維度分析算法

采用統(tǒng)計(jì)分析算法和波形分析算法，在AI邊緣計(jì)算終端對(duì)監(jiān)測(cè)量進(jìn)行快速計(jì)算分析。

2.1 統(tǒng)計(jì)分析算法

統(tǒng)計(jì)分析算法對(duì)控制保護(hù)電氣量依次進(jìn)行閾值比較、趨勢(shì)分析和橫向?qū)Ρ取?/p>

1）閾值比較分析算法，獲取直流站控系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)下，對(duì)采集控制保護(hù)電氣量進(jìn)行閾值比較，當(dāng)電氣量大于閾值時(shí)進(jìn)入波形異常分析算法流程，監(jiān)測(cè)電氣量的閾值在不同運(yùn)行模式下，對(duì)應(yīng)不同的閾值向量，在不同運(yùn)行模式下，電氣量閾值不同，見表3。

表3 運(yùn)行模式及電氣量閾值

2）趨勢(shì)分析算法是在直流控制系統(tǒng)中獲取運(yùn)行模式、電流指令、電壓指令、功率指令，在相同運(yùn)行模式下對(duì)不同時(shí)間尺度的電氣量進(jìn)行變化率計(jì)算，計(jì)算的變化率根據(jù)當(dāng)前的電壓、電流和功率控制指令閾值進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)監(jiān)測(cè)量相鄰時(shí)刻的監(jiān)測(cè)值進(jìn)行差值比較，并比較閾值，當(dāng)差值大于閾值時(shí)，進(jìn)入橫向?qū)Ρ确治鏊惴ā?/p>

當(dāng)前時(shí)刻的監(jiān)測(cè)值的變化率為

式中：xt為當(dāng)前時(shí)刻t的狀態(tài)量x的監(jiān)測(cè)值；x0為切換到該運(yùn)行模式初始時(shí)刻的狀態(tài)量x的監(jiān)測(cè)值。

3）橫向?qū)Ρ仁菍?duì)雙重化或三重化配置的保護(hù)裝置電氣量進(jìn)行比對(duì)，即兩套或三套保護(hù)裝置上采集的電氣量來自相同測(cè)點(diǎn)不同互感器線圈，則有

式中，W1和W2為同一測(cè)量點(diǎn)不同線圈采集的電氣量。偏差ΔW大于閾值時(shí)異常。當(dāng)t時(shí)刻和t?1時(shí)刻的同一監(jiān)測(cè)量|ΔWt?ΔWt?1|＞δ時(shí)，判斷異常。同一時(shí)刻監(jiān)測(cè)量各項(xiàng)的差值大于閾值，則進(jìn)入波形異常分析算法流程。

2.2 波形分析算法

波形分析算法是對(duì)發(fā)現(xiàn)的采集的控制保護(hù)二次回路異常電氣量進(jìn)行波形特征量提取，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為設(shè)備運(yùn)行特征量，特征量為波形上某一給定數(shù)據(jù)窗所提取出的特征信息，表征給定數(shù)據(jù)窗的局部某個(gè)特征，特征提取的變量包括瞬時(shí)值、有效值、諧波、直流分量、差流、頻率、電阻、測(cè)距、時(shí)間、跳閘等，從而將波形特征對(duì)應(yīng)到故障特征，給出故障點(diǎn)和故障原因[9]。

根據(jù)突變量原理確定故障發(fā)生時(shí)刻，為故障前后特征量提取做好準(zhǔn)備。錄波數(shù)據(jù)記錄故障前后的波形數(shù)據(jù)，為了提取準(zhǔn)確的故障前后特征信息，區(qū)分故障前后的數(shù)據(jù)非常重要，這涉及如何準(zhǔn)確地判斷故障時(shí)刻的問題[10-13]。

故障的發(fā)生必然會(huì)導(dǎo)致波形的突變，基于這一現(xiàn)象，AI加速模塊采用突變?cè)韥砼袛喙收习l(fā)生的時(shí)刻。為了快速準(zhǔn)確查找到故障時(shí)刻，本文采用有效值突變檢測(cè)和采樣值斜率突變檢測(cè)相結(jié)合的方法，即以周波為單位計(jì)算有效值并判斷相鄰周波是否有突變，一旦檢測(cè)出有效值發(fā)生突變，在發(fā)生有效值突變的周波內(nèi)采用前后兩周波采樣值的斜率突變值來判斷準(zhǔn)確的突變點(diǎn)，這種突變檢測(cè)方法既可保證快速性也可保證準(zhǔn)確性。

2.3 站級(jí)監(jiān)控分析流程

換流站控制保護(hù)二次回路站級(jí)監(jiān)控分析流程如圖1所示，控制保護(hù)二次回路監(jiān)測(cè)電氣量采用統(tǒng)計(jì)分析算法進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常電氣量后，進(jìn)入波形分析算法。

圖1 換流站控制保護(hù)二次回路站級(jí)監(jiān)控分析流程

考慮控制保護(hù)二次回路缺陷的小樣本特點(diǎn)，本文基于大量正常波形數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)建立正常波形樣本庫(kù)，特征量包括電氣監(jiān)測(cè)量和波形提取的狀態(tài)量。利用聚類算法獲得多維度分析指標(biāo)下的預(yù)警閾值。將AI加速模塊上傳的數(shù)據(jù)加入樣本集，可以動(dòng)態(tài)修改閾值，適應(yīng)環(huán)境的變化，從而更加準(zhǔn)確地辨識(shí)缺陷。其中聚類算法屬于常規(guī)通用算法，在此不再闡述。所述站級(jí)監(jiān)控分析算法通過閉環(huán)修正，不斷提高算法模型的識(shí)別精度；通過將參數(shù)傳輸?shù)紸I加速模塊，提高AI加速模塊的本地識(shí)別精度。

3 工程方案

根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[14-16]，設(shè)計(jì)了基于AI邊緣計(jì)算的換流站二次保護(hù)多維度分析系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 換流站控制保護(hù)多維度分析系統(tǒng)架構(gòu)

AI加速模塊通過站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)IEC 61850協(xié)議獲取交直流保護(hù)裝置、故障錄波器和直流控制系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)量，分析系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3 基于AI邊緣計(jì)算的換流站二次保護(hù)多維度分析系統(tǒng)

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

某±800kV換流站有96套交流保護(hù)裝置和86套直流保護(hù)裝置，該換流站為運(yùn)行站，為驗(yàn)證該系統(tǒng)的有效性，只對(duì)500kV站用變間隔低壓側(cè)電壓進(jìn)行采集監(jiān)測(cè)。

每個(gè)采集量分別有兩套獨(dú)立的保護(hù)采集裝置，加裝1套交流保護(hù)AI加速模塊，AI加速模塊通過網(wǎng)線與保護(hù)采集裝置連接，通過IEC 61850協(xié)議進(jìn)行通信，61850模型配置如圖4所示。

圖4 61850模型配置

對(duì)站用變低壓側(cè)電壓A和B套裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)量見表4。其中自產(chǎn)零序電壓為計(jì)算值，外接零序電壓為測(cè)量值，根據(jù)文獻(xiàn)[17]測(cè)量元件誤差：橫向屏間同間隔互感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，同一測(cè)量位置的不同傳感器間測(cè)量值誤差不大于5%或相位誤差不大于31°。根據(jù)上述規(guī)定，結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置計(jì)算閾值，通過AI加速模塊進(jìn)行分析預(yù)警。

表4 站用變間隔監(jiān)測(cè)量

部署后AI加速模塊獲取A和B套測(cè)量裝置的監(jiān)測(cè)量，每5min對(duì)監(jiān)測(cè)量進(jìn)行橫向?qū)Ρ扔?jì)算，加速模塊可根據(jù)計(jì)算結(jié)果，判斷采集裝置的正常異常狀態(tài)，超出閾值及時(shí)預(yù)警，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及計(jì)算橫向差值見表5。通過AI加速模塊，對(duì)站用變間隔電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。

表5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及計(jì)算橫向差值

針對(duì)站用變，單獨(dú)加裝零序電壓傳感器采集外接零序電壓，監(jiān)測(cè)其有效值，當(dāng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)AI加速模塊將外接零序電壓與計(jì)算的自產(chǎn)零序電壓進(jìn)行比較，當(dāng)外接零序電壓小于自產(chǎn)零序電壓，且持續(xù)時(shí)間超過設(shè)定值時(shí)，則預(yù)警二次回路零序電壓斷線異常。外接零序電壓趨勢(shì)圖如圖5所示。

圖5 外接零序電壓趨勢(shì)圖

5 結(jié)論

本文提出一種基于AI邊緣計(jì)算的故障錄波器的換流站二次回路智能分析子站，通過搭建換流站控制保護(hù)多源數(shù)據(jù)模型，采用AI加速模塊，對(duì)換流站二次回路數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)換流站交直流控制保護(hù)系統(tǒng)二次回路多維度分析及缺陷預(yù)警。

本文在某±800kV換流站的站用變間隔低壓側(cè)進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試部署，針對(duì)站用變低壓側(cè)電壓測(cè)量回路，給出了相應(yīng)的采集方式、監(jiān)測(cè)量和相應(yīng)的故障判斷方法。后續(xù)研究擴(kuò)展到整個(gè)換流站控制保護(hù)二次回路參量的采集監(jiān)測(cè)，擴(kuò)大數(shù)據(jù)樣本庫(kù)，通過AI加速模塊快速的計(jì)算能力，及時(shí)預(yù)警換流站二次回路隱蔽缺陷。