基于殘差決策的主網(wǎng)繼電保護(hù)隱性故障檢測(cè)

余光海

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司湛江供電局，廣東湛江 524002）

殘差是指數(shù)理統(tǒng)計(jì)中擬合值參量與實(shí)際觀察值之間的物理系數(shù)差，蘊(yùn)含了大量與數(shù)學(xué)模型相關(guān)的假設(shè)信息條件，可用于判斷模型樣本的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在回歸模型保持正確的情況下，可將殘差常量等同于誤差系數(shù)的實(shí)際觀測(cè)值[1-2]。從應(yīng)用角度來(lái)看，殘差系數(shù)的存在必須符合參量假設(shè)條件，且隨著物理計(jì)算量的增大，殘差數(shù)值始終保持著原有的參量誤差性質(zhì)。根據(jù)殘差系數(shù)所提供的信息，來(lái)考察數(shù)學(xué)模型應(yīng)用合理性的方法，被稱為殘差決策。將該方法應(yīng)用于電力系統(tǒng)的主網(wǎng)繼電保護(hù)中，對(duì)其中隱藏的故障進(jìn)行檢測(cè)，具有較好的效果。

對(duì)于主網(wǎng)繼電保護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，由于電網(wǎng)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)張，各級(jí)應(yīng)用設(shè)備的層次體系也會(huì)逐漸變得更加復(fù)雜。在此情況下，主網(wǎng)繼電保護(hù)結(jié)構(gòu)極易出現(xiàn)較為嚴(yán)重的隱性故障問(wèn)題。為避免上述情況的發(fā)生，傳統(tǒng)疊加分析型檢測(cè)方法通過(guò)正序、逆序同步執(zhí)行的方式，計(jì)算突變電子向量的實(shí)際操作能力，再根據(jù)靈敏性電阻的阻值接入水平，確定隱形故障實(shí)時(shí)所處位置。然而此方法的檢測(cè)速率過(guò)慢，很難完全適應(yīng)電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)張需求。

為解決此問(wèn)題，提出基于殘差決策的主網(wǎng)繼電保護(hù)隱性故障檢測(cè)方法。利用主觀決策條件，分析小電流接地的穩(wěn)態(tài)形式，再借助DSP 檢測(cè)主板，確定檢測(cè)差動(dòng)量數(shù)值的真實(shí)性與有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用所提方法可有效提升隱性故障檢測(cè)的效果，具有一定的可行性。

1 主網(wǎng)繼電隱性故障分析

主網(wǎng)繼電隱性故障分析以故障數(shù)據(jù)采集作為起始環(huán)節(jié)，通過(guò)生成繼電殘差值的方式，建立實(shí)際主觀決策條件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主網(wǎng)繼電隱性故障的檢測(cè)。

1.1 主網(wǎng)繼電隱性故障數(shù)據(jù)采集

主網(wǎng)繼電隱性故障數(shù)據(jù)包含故障發(fā)生時(shí)間、故障所處位置、故障類型等多項(xiàng)信息條件，能夠?yàn)殡娋W(wǎng)繼電主機(jī)提供檢測(cè)意見(jiàn)，并根據(jù)意見(jiàn)制定維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。一方面，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)傳輸環(huán)境的合理構(gòu)建，另一方面也可避免隱形故障因子的不當(dāng)傳輸導(dǎo)致主網(wǎng)繼電保護(hù)設(shè)備出現(xiàn)故障。在殘差決策理論支持下，主網(wǎng)繼電結(jié)構(gòu)具備極高的復(fù)雜度等級(jí)，且隨著電子傳輸量的不斷增大，待采集的故障數(shù)據(jù)總量也會(huì)逐漸增多，最終甚至?xí)耆^(guò)繼電主機(jī)所具備的數(shù)據(jù)承載條件[3-4]。在此情況下，為獲得更為準(zhǔn)確的主網(wǎng)繼電隱性故障數(shù)據(jù)采集結(jié)果，應(yīng)同時(shí)預(yù)設(shè)隱形故障行為的檢測(cè)類型，并根據(jù)該行為在既定檢測(cè)節(jié)點(diǎn)處的傳輸速率水平，確定已采集數(shù)據(jù)信息的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

設(shè)β代表隱形故障的檢測(cè)類型系數(shù)，λ代表既定檢測(cè)節(jié)點(diǎn)處的故障數(shù)據(jù)傳輸速率，聯(lián)立上述物理量，可將主網(wǎng)繼電保護(hù)隱性故障數(shù)據(jù)采集結(jié)果表示為：

其中，U代表電網(wǎng)繼電裝置兩端的負(fù)載電壓數(shù)值，I代表電網(wǎng)環(huán)境中的傳輸電流值，代表既定的電子量特征。

1.2 繼電殘差值生成

繼電殘差值描述了供電網(wǎng)隱形故障行為的實(shí)際發(fā)生幾率，由于主網(wǎng)繼電隱性故障數(shù)據(jù)采集結(jié)果的不確定性，繼電殘差值的存在形式也并不能保持完全穩(wěn)定的狀態(tài)。因此，為得到有效的隱性故障檢測(cè)結(jié)果，應(yīng)在現(xiàn)有傳輸電子量條件的基礎(chǔ)上，分別計(jì)算電壓差降、電流差量的具體數(shù)值水平，再根據(jù)數(shù)值參量所屬的數(shù)值區(qū)間，對(duì)最終檢測(cè)處理所使用的執(zhí)行手段進(jìn)行妥善安排[5-6]。在電網(wǎng)傳輸環(huán)境中，繼電殘差并不能完全代替穩(wěn)定的電壓差數(shù)值，在計(jì)算處理方面也會(huì)受到較多的限制。一方面，需要準(zhǔn)確記錄電網(wǎng)環(huán)境中的電量傳輸情況，另一方面，也需要根據(jù)電量指標(biāo)所處傳輸位置對(duì)其應(yīng)用能力進(jìn)行重新檢測(cè)[7]。

設(shè)q0代表最小的電子量差系數(shù)，qn代表最大的電子量差系數(shù)，n代表傳輸電子量的位置信息，在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（1），可將繼電殘差值生成表達(dá)式定義為：

式中，h1代表第一個(gè)主網(wǎng)電子量故障特征系數(shù)，hn代表第n個(gè)主網(wǎng)電子量故障特征系數(shù)，代表h1與hn的平均值。

1.3 主觀決策條件

主觀決策能夠影響電子量在主網(wǎng)環(huán)境中的傳輸能力，受到繼電行為的影響，主網(wǎng)繼電隱性故障行為的發(fā)生幾率也會(huì)隨之增大。在此情況下，若不能對(duì)已發(fā)生故障行為進(jìn)行有效檢測(cè)，不但會(huì)導(dǎo)致繼電主網(wǎng)陷入絕對(duì)混亂的應(yīng)用環(huán)境，也會(huì)在一定程度上導(dǎo)致電量擊穿等現(xiàn)象出現(xiàn)。不同于傳統(tǒng)的殘差決策思想，主觀決策更注重對(duì)主網(wǎng)繼電能力的保護(hù)，在維護(hù)電量主機(jī)所具備故障檢測(cè)能力的同時(shí)，提升檢測(cè)節(jié)點(diǎn)處的電量傳輸能力，從而使得各類型的隱形故障信息得到準(zhǔn)確剔除[8-9]。

設(shè)代表主網(wǎng)環(huán)境中的電子量參數(shù)系數(shù)，代表隱形故障信息的下限檢測(cè)條件，代表隱形故障信息的上限檢測(cè)條件，聯(lián)立上述物理量，可將主網(wǎng)繼電保護(hù)的主觀決策條件定義為：

其中，μ代表繼電主網(wǎng)中的電量混亂系數(shù)，代表隱形故障信息在單位時(shí)間內(nèi)的檢測(cè)均值量。

2 主網(wǎng)繼電保護(hù)隱性故障檢測(cè)方法

在上述分析基礎(chǔ)上，根據(jù)殘差決策思想，按照DSP 檢測(cè)主板連接、小電流接地穩(wěn)態(tài)分析、檢測(cè)差動(dòng)量計(jì)算的處理流程，實(shí)現(xiàn)基于殘差決策的主網(wǎng)繼電保護(hù)隱性故障檢測(cè)。

2.1 DSP檢測(cè)主板

DSP 檢測(cè)主板左側(cè)包含多個(gè)連接串口，可將核心DSP 元件中的主網(wǎng)繼電隱性故障數(shù)據(jù)傳輸至其他檢測(cè)應(yīng)用設(shè)備中，并可借助AD、MMI、HST31A 三個(gè)完全不同的芯片，對(duì)主電網(wǎng)環(huán)境中傳輸電子量進(jìn)行平均處理，從而使主網(wǎng)繼電隱性故障數(shù)據(jù)得到充分處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)主網(wǎng)繼電能力的有效保護(hù)[10-11]。

AD 芯片負(fù)責(zé)記錄隱性故障數(shù)據(jù)的實(shí)際傳輸需求，并可將已生成的信息記錄反饋至下級(jí)應(yīng)用元件，以供電網(wǎng)主機(jī)的直接調(diào)取與應(yīng)用。MMI 芯片則負(fù)責(zé)與核心DSP元件建立連接，在向上反饋隱性故障數(shù)據(jù)的同時(shí)，向下疏導(dǎo)已存儲(chǔ)的故障信息[12-13]。HST31A芯片則可提供較強(qiáng)的繼電保障能力，在整個(gè)主網(wǎng)環(huán)境中，可時(shí)刻維護(hù)正常電子量的穩(wěn)定傳輸行為。

2.2 小電流接地穩(wěn)態(tài)分析

小電流接地穩(wěn)態(tài)是一種階段性的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，能夠說(shuō)明主網(wǎng)繼電能力在階段性時(shí)間內(nèi)的變化特點(diǎn)，但并不能深入描述主網(wǎng)繼電隱性故障信息的傳輸能力?；跉埐顩Q策思想，主網(wǎng)繼電能力受到DSP 檢測(cè)主板等多個(gè)電量結(jié)構(gòu)體的直接保護(hù)，且出于應(yīng)用安全性考慮，這些元件的工作能力必須具備長(zhǎng)時(shí)間維持穩(wěn)態(tài)的能力，這也是主網(wǎng)繼電功能并不會(huì)受到隱形故障行為強(qiáng)烈影響的主要原因[14]。在不考慮其他干擾條件的情況下，小電流接地穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果受到電量殘差邊界系數(shù)、差異化故障行為指標(biāo)兩項(xiàng)物理量的直接影響。

規(guī)定由cmin、cmax限定的數(shù)字空間能夠?qū)⑺须娮恿繑?shù)據(jù)囊括在內(nèi)，設(shè)電量殘差邊界系數(shù)為，差異化故障行為指標(biāo)為f，聯(lián)立式（3），可將小電流接地穩(wěn)態(tài)分析條件表示為：

其中，ε表示特征穩(wěn)態(tài)權(quán)限量，表示特定情況下的隱形故障行為量化均值。

2.3 差動(dòng)量檢測(cè)

檢測(cè)差動(dòng)量描述了主網(wǎng)繼電隱性故障行為在主網(wǎng)繼電環(huán)境中的電子保護(hù)能力，隨著小電流接地形態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定，差動(dòng)量的數(shù)值水平也會(huì)開(kāi)始呈現(xiàn)緩慢波動(dòng)的狀態(tài)，從而使殘差決策制度能夠?qū)χ骶W(wǎng)繼電設(shè)備的運(yùn)行能力進(jìn)行提升。在不考慮其他干擾條件的情況下，檢測(cè)差動(dòng)量指標(biāo)同時(shí)受到殘差系數(shù)項(xiàng)、隱形故障檢測(cè)指標(biāo)兩項(xiàng)物理量的影響[15-16]。

殘差系數(shù)項(xiàng)可表示為ω，隱形故障檢測(cè)指標(biāo)可表示為?，在主網(wǎng)供應(yīng)環(huán)境中，繼電量指標(biāo)所具備的傳輸能力越強(qiáng)，主網(wǎng)繼電隱性故障行為的表現(xiàn)能力也就越強(qiáng)。在此情況下，為獲得更為準(zhǔn)確的故障檢測(cè)結(jié)果，應(yīng)注重對(duì)電子量系數(shù)的提取，并需要以此為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電行為的保障與維護(hù)。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（4），可將檢測(cè)差動(dòng)量計(jì)算結(jié)果表示為：

式中，B1代表第一個(gè)繼電行為故障指標(biāo)，Bn代表第n個(gè)繼電行為故障指標(biāo)。

至此，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)物理系數(shù)指標(biāo)的計(jì)算與處理，在殘差決策思想的支持下，完成主網(wǎng)繼電保護(hù)隱性故障檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)。

3 應(yīng)用能力分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為驗(yàn)證所提方法的有效性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。分別將實(shí)驗(yàn)組設(shè)備主機(jī)、對(duì)照組設(shè)備主機(jī)與圖1 所示的主網(wǎng)繼電裝置相連。其中，實(shí)驗(yàn)組設(shè)備主機(jī)搭載基于殘差決策的主網(wǎng)繼電保護(hù)隱性故障檢測(cè)算法，對(duì)照組設(shè)備主機(jī)搭載傳統(tǒng)疊加分析型檢測(cè)方法。當(dāng)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)值完全趨于穩(wěn)定后，記錄相關(guān)指標(biāo)參量的具體變化情況。

圖1 主網(wǎng)繼電裝置

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

EDM 指標(biāo)反映了繼電主機(jī)對(duì)于隱性故障行為的實(shí)際檢測(cè)速率，通常情況下，EDM 指標(biāo)數(shù)值越大，繼電主機(jī)對(duì)于隱性故障行為的實(shí)際檢測(cè)速率也就越快。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 EDM指標(biāo)數(shù)值

分析表1 中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)組EDM 指標(biāo)保持先上升、再穩(wěn)定、最后下降的數(shù)值變化趨勢(shì)，且實(shí)驗(yàn)前期的數(shù)值上升幅度明顯大于實(shí)驗(yàn)后期的數(shù)值下降幅度。對(duì)照組EDM 指標(biāo)則在一段時(shí)間的數(shù)值上升狀態(tài)后，開(kāi)始逐漸趨于穩(wěn)定。從極限值角度來(lái)看，實(shí)驗(yàn)組最大值75.9%，與對(duì)照組最大值36.0%相比，上升了39.9%。綜上可知，應(yīng)用基于殘差決策的主網(wǎng)繼電保護(hù)隱性故障檢測(cè)方法后，EDM 指標(biāo)數(shù)值水平得到了有效促進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)繼電主機(jī)對(duì)于隱性故障行為的快速檢測(cè)。

RBS 系數(shù)描述了隱性故障行為對(duì)于繼電主機(jī)的攻擊影響強(qiáng)度，在主網(wǎng)供電能力保持穩(wěn)定的情況下，RBS 系數(shù)值越大，隱性故障行為對(duì)于繼電主機(jī)的攻擊影響強(qiáng)度越高，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 RBS指標(biāo)數(shù)值

分析表2 可知，實(shí)驗(yàn)組RBS 指標(biāo)在一段時(shí)間的數(shù)值穩(wěn)定狀態(tài)后，開(kāi)始呈現(xiàn)下降、上升交替出現(xiàn)的數(shù)值變化趨勢(shì)。對(duì)照組RBS 指標(biāo)在數(shù)值連續(xù)上升后，開(kāi)始呈現(xiàn)小幅穩(wěn)定狀態(tài)，最后又進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值波動(dòng)狀態(tài)。從極限值角度來(lái)看，實(shí)驗(yàn)組最大值為44.2%，與對(duì)照組最大值68.7%相比，下降了24.5%。綜上可知，應(yīng)用基于殘差決策的主網(wǎng)繼電保護(hù)隱性故障檢測(cè)方法后，RBS 指標(biāo)數(shù)值水平得到有效控制，可避免隱性故障行為對(duì)繼電主機(jī)進(jìn)行高強(qiáng)度攻擊。

4 結(jié)束語(yǔ)

在殘差決策的影響下，主網(wǎng)繼電保護(hù)隱性故障檢測(cè)方法中，通過(guò)采集故障數(shù)據(jù)的方式，生成大量繼電殘差值，再借助主觀決策條件，分析小電流接地的穩(wěn)態(tài)形式，由于DSP 主板的存在，檢測(cè)差動(dòng)量數(shù)值結(jié)果也更加符合實(shí)際應(yīng)用需求。從實(shí)用性角度來(lái)看，EDM 指標(biāo)數(shù)值的增大、RBS 指標(biāo)數(shù)值的減小，可提升隱性故障實(shí)際檢測(cè)速率，避免隱性故障對(duì)繼電主機(jī)的影響。