擾動(dòng)激勵(lì)下智能變電站保護(hù)信息交互失效控制

許 嬌，呂飛鵬

(四川大學(xué)電氣工學(xué)院，四川 自貢 643000)

1 引言

科技水平的不斷創(chuàng)新，推進(jìn)了電力企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，也讓電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能化管理[1]。智能變電站能夠充分完成數(shù)字化信息采集與管理，最大限度降低投資成本，提高資源利用率。繼電保護(hù)是為電力企業(yè)及電網(wǎng)運(yùn)行提供保護(hù)的系統(tǒng)，有效預(yù)防電網(wǎng)大面積斷電，保證電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行[2]。

智能變電站繼電保護(hù)突破了傳統(tǒng)繼電保護(hù)采樣-計(jì)算-出口方式，其保護(hù)性能的實(shí)現(xiàn)離不開智能變電站合并單元、保護(hù)設(shè)備、智能終端等設(shè)備信息的有效交互。所以，分析智能變電站保護(hù)信息交互失效原理，并對(duì)失效信息進(jìn)行妥善管控，降低保護(hù)信息交互失效概率，對(duì)提升智能變電站的整體性能具有重要作用。文獻(xiàn)[3]提出一種基于特定條件下集射極飽和壓降V＿(CE(on))的IGBT模塊老化失效狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。首先根據(jù)IGBT模塊飽和壓降的等效模型，結(jié)合IGBT模塊輸出特性曲線的特點(diǎn)，分析得出曲線交點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的V＿(CE(on))不受溫度影響，然后闡明IGBT模塊老化對(duì)V＿(CE(on))的影響關(guān)系，最后分別采用對(duì)IGBT模塊進(jìn)行加速老化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法和人為逐根剪斷鍵合線模擬老化情況的驗(yàn)證方法，對(duì)不同工況下IGBT模塊的V＿(CE(on))進(jìn)行測(cè)量和分析。但是該方法的變電站保護(hù)信息交互失效事件發(fā)生概率較高。文獻(xiàn)[4]提出一種基于進(jìn)程仿真工具PAT的智能變電站保護(hù)信息交互建模與驗(yàn)證方法，分析了多個(gè)廠家保護(hù)裝置的原理，構(gòu)造了保護(hù)系統(tǒng)的告警故障樹，給出了各保護(hù)子功能的工作條件與告警信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用進(jìn)程仿真工具PAT的實(shí)時(shí)系統(tǒng)模塊RTS(Real-Time System Module)，對(duì)各IED的內(nèi)部工作、各IED之間的交互過程等進(jìn)行建模，包括工作條件、各進(jìn)程之間的信息傳遞與時(shí)序等，給出了保護(hù)子功能死鎖與保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行階段的斷言與驗(yàn)證。但是該方法的變電站保護(hù)信息交互失效控制精度較低。

根據(jù)上述方法存在的問題，本文提出一種擾動(dòng)激勵(lì)下智能變電站保護(hù)信息交互失效控制方法。首先使用基于擾動(dòng)激勵(lì)的保護(hù)信息交互故障識(shí)別手段，計(jì)算保護(hù)系統(tǒng)的動(dòng)作可能性和速率，并設(shè)定穿越頻率、穿越時(shí)間、動(dòng)作區(qū)持續(xù)時(shí)間及跳閘回路運(yùn)行時(shí)間為繼電保護(hù)設(shè)備故障的敏感度參數(shù)，為信息交互失效的有效控制提供幫助；其次建立保護(hù)信息交互失效模型，通過分析信息交互失效機(jī)理，獲取信息失效主要緣由，并根據(jù)信息交互失敗和不期望信息交互兩種失效類別設(shè)計(jì)故障樹保護(hù)信息交互失效模型，了解信息交互過程中的缺陷；最后采用模糊DEA理論保護(hù)信息交互失效控制方法，有效保障信息交互的安全性，減少交互失效的發(fā)生概率，為智能變電站的高效率運(yùn)行提供參考借鑒。

2 基于擾動(dòng)激勵(lì)的故障敏感度參數(shù)設(shè)定

擾動(dòng)激勵(lì)模式可以按照變電站繼電保護(hù)評(píng)估模塊的請(qǐng)求簡(jiǎn)化變電站數(shù)據(jù)，繼而獲取指標(biāo)數(shù)據(jù)集，將其用于評(píng)判繼電保護(hù)的運(yùn)行狀況[5]。本文設(shè)計(jì)一種基于繼電保護(hù)運(yùn)作準(zhǔn)則的可量數(shù)字化指標(biāo)機(jī)制。

首先設(shè)定動(dòng)作可能性和速率機(jī)制，將啟動(dòng)距離定義為SD，動(dòng)作距離為OD，啟跳時(shí)間為Tso。啟動(dòng)距離為繼電保護(hù)設(shè)備測(cè)量值和保護(hù)啟動(dòng)的相對(duì)差值，具體描述為

(1)

式中，F(xiàn)sm表示保護(hù)設(shè)備測(cè)量值，F(xiàn)ss表示保護(hù)設(shè)備啟動(dòng)值。動(dòng)作距離是繼電保護(hù)實(shí)測(cè)值和保護(hù)動(dòng)作邊界的相對(duì)差值，可將其記作

(2)

其中，F(xiàn)sd為保護(hù)設(shè)備的動(dòng)作值。

啟跳時(shí)間Tso表示從繼電保護(hù)設(shè)備開啟至發(fā)射跳閘命令的時(shí)間，如式(3)所示

Tso=To-Ts

(3)

式中，To為跳閘命令的發(fā)出時(shí)段，Ts為開啟時(shí)間。穿越頻率、穿越時(shí)間、動(dòng)作區(qū)持續(xù)時(shí)間及跳閘回路運(yùn)行時(shí)間是反應(yīng)繼電保護(hù)設(shè)備故障的敏感度參數(shù)。穿越頻率表示保護(hù)設(shè)備從啟動(dòng)保護(hù)開始至故障修復(fù)的全部過程動(dòng)作的邊界數(shù)量。假設(shè)Sing是一個(gè)符號(hào)函數(shù)，若OD函數(shù)處于正轉(zhuǎn)負(fù)或負(fù)轉(zhuǎn)正的情況下，那么Sing(OD)的值增加1，具體可以表示為

TF=∑Sing(OD)

(4)

穿越時(shí)間代表從保護(hù)初始階段至設(shè)備第一次超出整定值的時(shí)間，具體可以表示為

Tsi=Ti-Ts

(5)

式中，Ti為保護(hù)設(shè)備測(cè)量值第一次超出整定值的時(shí)段。

動(dòng)作區(qū)持續(xù)時(shí)間表示保護(hù)測(cè)量值維持在動(dòng)作區(qū)域內(nèi)的時(shí)間，表達(dá)式為

Tip=Tp-Ti

(6)

式中，Tp代表保護(hù)設(shè)備測(cè)量值在故障時(shí)第一次返回值的時(shí)段。跳閘回路運(yùn)行時(shí)間是指從保護(hù)發(fā)射跳閘指令至斷路器斷開，保護(hù)測(cè)量值第一次不高于返回值的時(shí)間差，將其記作

Top=Tp-To

(7)

式中，To為保護(hù)設(shè)備輸出跳閘命令的時(shí)間。

通過上述過程，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)保護(hù)系統(tǒng)的安全隱患，準(zhǔn)確判斷出智能變電站系統(tǒng)是否存在保護(hù)信息交互故障，為保護(hù)信息交互失效的有效挖掘提供幫助。

3 保護(hù)信息交互失效模型構(gòu)建

3.1 信息交互失效分析

繼電保護(hù)信息交互失效是指繼電保護(hù)信息無法有效的從信息發(fā)布方輸送至信息訂閱方，或者繼電保護(hù)信息在傳送時(shí)發(fā)生改變，甚至訂閱方接收到錯(cuò)誤信息[6]。下面對(duì)信息交互失效的集中因素進(jìn)行詳細(xì)介紹。

過程層網(wǎng)絡(luò)具備通信網(wǎng)的共性問題，很有可能出現(xiàn)架構(gòu)不完整、配置錯(cuò)誤、網(wǎng)絡(luò)丟幀等性能問題。通常情況下，網(wǎng)絡(luò)斷鏈會(huì)致使信息輸送物理介質(zhì)無效，繼而形成信息交互失敗現(xiàn)象。

虛擬相連關(guān)系隱含在SCD文件內(nèi)，具備一定的抽象性，由于模型文件的設(shè)定、裝配和下裝都是通過人工實(shí)現(xiàn)的，所以人員操作失誤引發(fā)的虛擬相連關(guān)系錯(cuò)誤是很普遍的現(xiàn)象。如果重要虛擬相連關(guān)系出現(xiàn)漏洞，對(duì)應(yīng)信息在報(bào)文接收端會(huì)被拒絕，導(dǎo)致信息交換失敗。

在壓板中，軟壓板沒有可見斷聯(lián)點(diǎn)，和工程人員運(yùn)行維護(hù)習(xí)慣有較大差別，所以不可避免的出現(xiàn)誤操作行為。如果軟壓板漏退，那么應(yīng)該斷開的信息交互維修域和運(yùn)行域依舊具備信息關(guān)聯(lián)，形成不期望信息交互。反之，如果軟壓板誤退，極有可能形成本該在同一運(yùn)行域?qū)崿F(xiàn)信息交互的兩個(gè)裝置斷開部分或全部信息關(guān)聯(lián)，造成信息交互失敗。此外，使用檢修壓板、光纖和軟壓板結(jié)合實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)隔離，很容易因?yàn)榇钆洳划?dāng)導(dǎo)致漏隔離及誤隔離。

報(bào)文可靠性決斷功能由軟件完成，使用報(bào)文品質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)報(bào)文可靠性進(jìn)行評(píng)估，其功能精確性依賴于檢測(cè)的嚴(yán)格性。如果不對(duì)此項(xiàng)工作進(jìn)行改進(jìn)，報(bào)文接收端會(huì)受到失效報(bào)文，也就是不期望信息交互。

由于時(shí)鐘源遺失、采樣通道阻礙、網(wǎng)絡(luò)異常等原因的不可控性，信息極易出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)[7]。此外，保護(hù)設(shè)備等IED裝置依靠報(bào)文品質(zhì)信息判別異常報(bào)文，若品質(zhì)信息出現(xiàn)錯(cuò)誤，那么報(bào)文可靠性決斷出現(xiàn)錯(cuò)誤，致使設(shè)備收到異常報(bào)文，形成不期望信息交互。

3.2 基于故障樹的保護(hù)信息交互失效模型

通過上述分析可以看出，信息交互失效包含信息交互失敗(T1)及不期望信息交互(T2)兩種失效類別。前者包含信息交互通道失效(A1)和信息異常(A2)，后者包含不期望信息交互關(guān)聯(lián)存在(A3)及異常報(bào)文處理錯(cuò)誤(A4)。而形成A1失效的因素有B1、B2、B3，形成A2失效的因素僅有C1，形成A3失效的因素包含B2和B3，形成A4失效的因素有B2、B3。這樣就能構(gòu)建一個(gè)保護(hù)信息交互失效模型，如圖1所示。

圖1 保護(hù)信息交互失效模型

通過建立保護(hù)信息交互失效模型，可以找出智能變電站保護(hù)信息交互過程中容易產(chǎn)生失效的薄弱環(huán)節(jié)，為后續(xù)信息交互失效的精準(zhǔn)控制提供先決條件。

4 基于模糊DEA理論的保護(hù)信息交互失效控制

采用基于模糊DEA理論的保護(hù)信息交互失效控制方法，可以有效增強(qiáng)智能變電站繼電保護(hù)力度，對(duì)保護(hù)信息交互進(jìn)行精準(zhǔn)管理及控制，減少保護(hù)信息交互失效事件的發(fā)生。

模糊理論是一種利用數(shù)學(xué)方式表達(dá)邊界不清楚事物的理論[8]。在保護(hù)信息交互失效控制體系中，具備模糊性的指標(biāo)有定檢狀況、設(shè)備缺陷狀況、運(yùn)行環(huán)境和家族性資料，對(duì)應(yīng)的因素集合就是上面四個(gè)指標(biāo)，將其定義為

U={u1，u2，u3，u4}

(8)

進(jìn)行失效控制的過程中，考慮專家建議和運(yùn)維人員經(jīng)驗(yàn)，將控制評(píng)估狀況劃分成良好、一般、注意、異常、極其異常五個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)的評(píng)估集合為

V={v1，v2，v3，v4}

(9)

模糊理論量化主要是明確每個(gè)定性指標(biāo)關(guān)于統(tǒng)一評(píng)估集合的隸屬度函數(shù)，通常使用的隸屬度函數(shù)分布有三角形、梯形、正態(tài)等。與其它函數(shù)對(duì)比，模糊正態(tài)隸屬度函數(shù)能夠很好地呈現(xiàn)出裝置形態(tài)特征信息及性能，真實(shí)反映出目前裝置的運(yùn)行狀態(tài)，以便對(duì)保護(hù)信息交互失效進(jìn)行精準(zhǔn)控制[9]。將模糊正態(tài)隸屬度函數(shù)記作

(10)

其中，r(u)表示參變量u的隸屬度，μ表示分布期望值，σ表示高斯函數(shù)寬度。按照高斯函數(shù)特征，函數(shù)曲線下99.86%的可靠度在μ的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差3σ之間，一般將6σ當(dāng)作各個(gè)隸屬度函數(shù)的定義域。為了使計(jì)算更加簡(jiǎn)便，將因素集合內(nèi)的參變量轉(zhuǎn)變?yōu)樵礁咴絻?yōu)型。

將指標(biāo)極其異常和注意隸屬度函數(shù)作為例子[10]，將兩個(gè)指標(biāo)的計(jì)算解析式描述為

(11)

(12)

DEA是運(yùn)籌學(xué)的延伸，它把工程效率理念加入到多輸入及輸出系統(tǒng)的控制效率評(píng)價(jià)中，利用數(shù)學(xué)的分形規(guī)劃模型推算出每個(gè)決策單元相對(duì)于生產(chǎn)前沿面的偏差度，以此來權(quán)衡對(duì)應(yīng)效率，然后經(jīng)過最優(yōu)化流程獲取權(quán)重，提高保護(hù)信息交互失效控制速度。

DEA理論中使用最多的模型是CCR模型。若擁有n個(gè)互相獨(dú)立的決策單元DMUj，各個(gè)決策單元共有m種投入xj=(x1j，x2j，…，xmj)T及s種產(chǎn)出yj=(y1j，y2j，…，ysj)T，那么第k個(gè)決策單元的對(duì)應(yīng)控制評(píng)估模型為

(13)

(14)

構(gòu)建一個(gè)輸出帶權(quán)重收斂模糊控制模型

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

使用模糊DEA控制評(píng)估模型可以得到控制評(píng)估值bj，然后使用最大隸屬度手段得到與最高評(píng)估值bmax=max{bj|j=1，2，3，4}相對(duì)應(yīng)的判斷集因子vj作為最終的保護(hù)信息交互失效控制結(jié)果，其表達(dá)式為

(20)

5 仿真研究

為了驗(yàn)證本文提出擾動(dòng)激勵(lì)下智能變電站保護(hù)信息交互失效控制方法的可靠性，實(shí)驗(yàn)使用Onos 1.3.0控制器為智能變電站網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，mininet 2.2.0為數(shù)據(jù)平面，VMware 12為繼電保護(hù)系統(tǒng)載體。電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示。

圖2 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

通過繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行電力系統(tǒng)繼電保護(hù)故障信息采集，采樣數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)故障信息

采用文獻(xiàn)[3]方法、文獻(xiàn)[4]方法和本文方法，對(duì)變電站保護(hù)信息交互失效控制精度進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4 保護(hù)信息交互失效控制精度對(duì)比

從圖4中可知，本文方法的保護(hù)信息交互失效控制精度一直保持在95%，而文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法在時(shí)間為25s時(shí)，控制精度均呈下降趨勢(shì)，是因?yàn)槲墨I(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法沒有對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行全局故障識(shí)別檢測(cè)，無法保證交互信息失效的時(shí)效性，因此控制精度較低。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的有效性，對(duì)文獻(xiàn)[3]方法、文獻(xiàn)[4]方法和本文方法的變電站保護(hù)信息交互失效事件發(fā)生概率進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖5 失效事件發(fā)生概率對(duì)比

圖5為三種方法的變電站保護(hù)信息交互失效事件發(fā)生概率對(duì)比，從圖中可以看出，文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的變電站保護(hù)信息交互失效事件發(fā)生概率較高，而本文方法的變電站保護(hù)信息交互失效事件發(fā)生概率較低，說明本文方法在擾動(dòng)激勵(lì)下智能變電站保護(hù)信息交互失效控制效果較好，可以確保智能變電站的平穩(wěn)運(yùn)作。

6 結(jié)論

針對(duì)智能變電站保護(hù)信息交互失效的問題，提出一種擾動(dòng)激勵(lì)下智能變電站保護(hù)信息交互失效控制方法。通過基于擾動(dòng)激勵(lì)的繼電保護(hù)設(shè)備故障的敏感度參數(shù)設(shè)定，明確交互失效故障的發(fā)生，利用故障樹構(gòu)建保護(hù)信息交互失效模型，探尋交互失效的根本原因，通過模糊DEA理論對(duì)交互失效現(xiàn)象進(jìn)行精準(zhǔn)控制，降低變電站保護(hù)信息交互失效事件發(fā)生概率，維護(hù)智能變電站的安全運(yùn)行。