多源數(shù)據(jù)融合的電網(wǎng)綜合智能告警系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

國網(wǎng)河南省電力公司濟(jì)源供電公司 霍明霞 王 鋒 苗 堃

近年來學(xué)術(shù)界和工程界針對電網(wǎng)故障分析和告警技術(shù)的研究，主要集中在建立電網(wǎng)故障分析模型，采用某種算法進(jìn)行計(jì)算推斷電網(wǎng)設(shè)備故障告警結(jié)果、并將告警結(jié)果進(jìn)行分類展示。但目前大多數(shù)故障分析處理方式尚無法滿足調(diào)度機(jī)構(gòu)快速、準(zhǔn)確定位和獲取電網(wǎng)故障信息的需求，主要體現(xiàn)在以下二個(gè)方面。

故障判斷數(shù)據(jù)源較為單一。大多數(shù)故障診斷和告警算法僅采用傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)監(jiān)控，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(SCADA)數(shù)據(jù)作為計(jì)算和判斷故障的依據(jù)，當(dāng)站端基礎(chǔ)數(shù)據(jù)質(zhì)量較差或出現(xiàn)某些特殊情況(如開關(guān)重合閘瞬時(shí)故障、開關(guān)試送電失敗、空載充電線路跳閘等)時(shí)，容易導(dǎo)致故障無法成功報(bào)出(漏報(bào))，即故障正確報(bào)出率不高。

告警報(bào)出模式較為單一。大多數(shù)告警系統(tǒng)僅是依靠機(jī)械的算法邏輯對實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并實(shí)時(shí)報(bào)出故障告警，缺少對告警結(jié)果的實(shí)時(shí)在線甄別和事后離線分析，當(dāng)出現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備檢修開關(guān)傳動(dòng)、二次設(shè)備異常等情況時(shí)，容易導(dǎo)致報(bào)出虛假信息(誤報(bào))，即告警準(zhǔn)確率不高。

1 整體架構(gòu)

綜合智能告警首先需對調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中各類反映電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的告警信息進(jìn)行匯集與整合，并在此基礎(chǔ)之上對告警信息進(jìn)行分析處理，提取出關(guān)鍵告警信息和告警原因，形成智能化的告警信息。

其中底層為一體化的調(diào)度技術(shù)支撐平臺，為上層應(yīng)用提供通用的模型、圖形、數(shù)據(jù)存儲、網(wǎng)絡(luò)通信等基礎(chǔ)服務(wù)。中間層匯集各類數(shù)據(jù)資源以及應(yīng)用分析結(jié)果信息，數(shù)據(jù)資源包括穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)、暫態(tài)數(shù)據(jù)以及雷電和氣象等電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境信息，應(yīng)用分析結(jié)果信息包括靜態(tài)安全分析、短路電流計(jì)算、在線穩(wěn)定分析等告警信息以及輔助決策信息，為上層的綜合智能告警提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和各類告警信息。上層綜合智能告警在此基礎(chǔ)上對中間層提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和告警信息進(jìn)行整合分析、數(shù)據(jù)挖掘和綜合展示，形成實(shí)時(shí)監(jiān)視分析、預(yù)想故障分析以及故障告警分析三大類告警信息，分別告訴調(diào)度運(yùn)行人員當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行方式存在哪些問題，下一時(shí)刻如果發(fā)生故障該如何處理以及故障實(shí)際發(fā)生時(shí)又該如何處置[1]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 告警信息分層分類

以往調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)告警信息零亂、分散，調(diào)度運(yùn)行人員需切換到各個(gè)應(yīng)用功能界面查看告警詳細(xì)信息，操作步驟繁雜，有些情況下甚至?xí)z漏相關(guān)告警，給調(diào)度告警處理增加了難度。同時(shí)缺乏對各類信息的分析整合，提取出反映電網(wǎng)整體運(yùn)行狀態(tài)的告警信息，使得調(diào)度對電網(wǎng)整體運(yùn)行狀態(tài)的感知能力存在不足。

從調(diào)度日常監(jiān)控的業(yè)務(wù)特點(diǎn)出發(fā)，調(diào)度對電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)重點(diǎn)關(guān)注三個(gè)方面，即當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行方式下是否存在告警信息，下一時(shí)刻如果發(fā)生故障該如何處置以及故障真正發(fā)生后的故障位置和故障信息。基于上述分析，有必要將調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的各類告警信息進(jìn)行整合處理，分為實(shí)時(shí)監(jiān)視分析類告警、預(yù)想故障分析類告警以及故障告警分析類告警三大類，其中實(shí)時(shí)監(jiān)視分析側(cè)重于反映電網(wǎng)基態(tài)運(yùn)行方式下的告警信息，以及消除上述告警信息的輔助決策；預(yù)想故障分析側(cè)重于反映當(dāng)前電網(wǎng)在預(yù)想故障(N-1及多重故障)運(yùn)行方式下的告警信息，以及消除上述告警信息的輔助決策；故障告警分析側(cè)重于集中展示當(dāng)前電網(wǎng)發(fā)生故障后的告警信息(包括電網(wǎng)故障簡報(bào)以及故障后的電網(wǎng)越限信息)，以及消除上述告警信息的輔助決策。

這樣劃分的好處是調(diào)度只需關(guān)注告警信息本身，屏蔽了告警信息的來源，其中實(shí)時(shí)監(jiān)視分析類告警主要包括基于穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的潮流、電壓以及頻率越限告警信息，基于PMU數(shù)據(jù)的相角差越限告警信息，基于保信的保護(hù)裝置投退及異常告警信息以及各類實(shí)時(shí)閉環(huán)控制(AGC、AVC)的告警信息；預(yù)想故障分析類告警主要包括基于預(yù)想故障集的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)以及暫態(tài)安全告警信息，基于外部氣象環(huán)境的臺風(fēng)、雷電的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警以及基于電網(wǎng)運(yùn)行方式的設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警；故障告警分析類告警主要包括電網(wǎng)短路故障、機(jī)組跳閘、直流閉鎖以及低頻振蕩等告警信息。

通過對上述告警信息的分層分類，在電網(wǎng)出現(xiàn)告警后，調(diào)度運(yùn)行人員既可從整體上全面感知電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，又可快速定位具體的告警信息；同時(shí)通過服務(wù)總線直接調(diào)用系統(tǒng)自帶的輔助決策功能，可在查看告警信息的同時(shí)調(diào)閱消缺越限的調(diào)整措施，實(shí)現(xiàn)了對電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、告警信息定位以及處理措施的一體化關(guān)聯(lián)分析和綜合展示，顯著提高了調(diào)度告警處理效率和對電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的掌控能力。

2.2 電網(wǎng)在線故障診斷

實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和全面性是衡量電網(wǎng)在線故障診斷軟件質(zhì)量的三個(gè)重要指標(biāo)，即電網(wǎng)一旦發(fā)生故障能夠快速告警，電網(wǎng)正常運(yùn)行情況下不誤告警、實(shí)際故障情況下不漏告警，告警內(nèi)容要包括故障設(shè)備、相別、重合情況、短路電流以及故障測距等故障關(guān)鍵信息。

結(jié)合智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)橫向業(yè)務(wù)集成的特點(diǎn)，即將以往分布在不同系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)監(jiān)控SCADA、動(dòng)態(tài)監(jiān)視WAMS、保護(hù)信息管理系統(tǒng)以及雷電信息管理系統(tǒng)集成在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺基礎(chǔ)之上，并為各類信息的獲取提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，提出了基于三態(tài)數(shù)據(jù)的電網(wǎng)在線綜合故障診斷技術(shù)，優(yōu)化完善了機(jī)組故障跳閘的判斷邏輯，擴(kuò)展了在線故障診斷和雷電信息系統(tǒng)的信息交互，進(jìn)一步提高在線故障診斷的實(shí)用化水平[2]。

2.2.1 機(jī)組故障跳閘邏輯優(yōu)化

受限于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，目前電網(wǎng)在線故障診對機(jī)組故障跳閘判斷正確率整體不高，主要原因包括：計(jì)劃停機(jī)過程中，有些電廠會采用通過保護(hù)動(dòng)作信號觸發(fā)的方式停機(jī)(如，逆功率保護(hù)動(dòng)作聯(lián)跳發(fā)電機(jī)出口開關(guān)以及熱工保護(hù)動(dòng)作聯(lián)跳發(fā)電機(jī)出口開關(guān)等)，從而在主站側(cè)誤判為機(jī)組故障跳閘：由于電廠側(cè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信號接入不完善，機(jī)組故障跳閘絕大部分情況下無事故總信號，為此在機(jī)組故障跳閘判斷邏輯的設(shè)計(jì)上，普遍采用機(jī)組開關(guān)變位和機(jī)組出力突變兩個(gè)邏輯相與的方式進(jìn)行判斷，采用該方式可避免無事故總信號下的漏判，但機(jī)組出力突變的門檻值不易設(shè)定，門檻值較高可能會引起漏判，例如機(jī)組在啟停過程中的異常跳閘，門檻值較低則無法避免機(jī)組計(jì)劃的誤告警。

針對上述情況，對電廠機(jī)組計(jì)劃或緊急停機(jī)的流程和操作規(guī)范進(jìn)行了調(diào)研分析，無論是計(jì)劃或緊急停機(jī)，只要是人工操作停機(jī)，電廠值班員必須在電廠集控臺上執(zhí)行手動(dòng)打閘停機(jī)信號，為此在華北電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中接入人工停機(jī)信號，并在現(xiàn)有機(jī)組跳閘判斷邏輯的基礎(chǔ)之上對該信號進(jìn)行處理，即只要該信號動(dòng)作，屏蔽該信號的機(jī)組跳閘告警，從而避免了人工停機(jī)的誤告警。

2.2.2 雷電信息系統(tǒng)交互

以往由于調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)和雷電信息管理系統(tǒng)是兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)且屬于不同的安全分區(qū)，在信息交互方面存在嚴(yán)重障礙。智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持建設(shè)以后，雷電信息管理系統(tǒng)和調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)各個(gè)應(yīng)用功能都是統(tǒng)一建立在智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺之上，從而為實(shí)現(xiàn)同雷電信息交互提供了方便的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。

當(dāng)電網(wǎng)在線故障診斷功能判斷出線路故障跳閘以后，自動(dòng)將該告警信息發(fā)送給雷電信息管理系統(tǒng)，雷電信息管理系統(tǒng)在接收到該告警信息后，根據(jù)電網(wǎng)實(shí)時(shí)落雷信息判斷線路故障跳閘是否可能由雷擊引起，若由雷擊引起進(jìn)一步給出雷擊點(diǎn)的位置，并將上述信息返回給在線故障診斷。

通過上述信息的交互，調(diào)度運(yùn)行人員一方面可了解線路跳閘的原因，另一方面可掌握線路故障點(diǎn)的位置，從而為線路檢修和快速恢復(fù)供電提供了重要的決策支持，隨著電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)模擴(kuò)大以及互聯(lián)電網(wǎng)建設(shè)，電網(wǎng)運(yùn)行逐漸呈現(xiàn)一體化運(yùn)行特性，局部故障波及全網(wǎng)的幾率顯著增加，對多級調(diào)度間應(yīng)對電網(wǎng)擾動(dòng)的聯(lián)合感知和協(xié)同處理能力提出了新的要求，為此本文從變電站告警直傳和主站間告警實(shí)時(shí)推送兩個(gè)方面開展研究，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障的一點(diǎn)告警、多點(diǎn)響應(yīng)。

2.3 變電站告警信息直傳

目前調(diào)度主站和變電站間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)基本上是采用IEC101和IEC104兩種傳輸規(guī)約，這兩種傳輸規(guī)約安全可靠，得到廣泛應(yīng)用。但兩種規(guī)約是按照數(shù)據(jù)點(diǎn)號進(jìn)行主子站間的匹配工作，因此若要接收變電站側(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)，須在變電站和主站側(cè)分別維護(hù)各自所需數(shù)據(jù)的點(diǎn)號，且須保證主子站間點(diǎn)號的統(tǒng)一。一般情況下單個(gè)500kV變電站的遙信量在5000個(gè)左右、甚至更多，若主站接入全部遙信信號則運(yùn)維工作量巨大，因此目前一般做法是接入開關(guān)、刀閘狀態(tài)信號及一些重要的合并保護(hù)動(dòng)作信號。但若電網(wǎng)發(fā)生故障或設(shè)備異常，則在調(diào)度主站無法全面清晰的掌握各類設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，尤其是面對無人值守變電站，給調(diào)度運(yùn)行帶來了巨大壓力。

解決上述問題的關(guān)鍵是要改變目前按照點(diǎn)號進(jìn)行信息匹配的傳輸模式，采用標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的告警描述語言，從而實(shí)現(xiàn)告警信息的源端維護(hù)和自動(dòng)解析，避免主站側(cè)對告警信息進(jìn)行人工匹配的重復(fù)性工作。

綜合智能告警軟件在接收到變電站告警直傳信息后，對原始告警信息進(jìn)行解析處理，自動(dòng)關(guān)聯(lián)主站側(cè)的一次設(shè)備，為電網(wǎng)在線故障診斷提供更為豐富的告警信息來源。在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，電網(wǎng)在線故障診斷功能一方面能結(jié)合變電站的告警直傳信息進(jìn)行多源信息的綜合處理，提高了故障診斷結(jié)果的可靠性；另一方面通過對變電站告警直傳信息的整合，使得調(diào)度員在主站端可全面掌握變電站側(cè)的詳細(xì)保護(hù)動(dòng)作情況，為調(diào)度事故處理提供了重要的信息支撐，提高了主站側(cè)在線故障診斷功能的實(shí)用性。

2.4 主站間告警信息實(shí)時(shí)推送

變電站告警直傳是主站和子站間的告警信息交互，其傳輸?shù)母婢畔⒅饕窃几婢畔?，而主站間告警信息實(shí)時(shí)推送是實(shí)現(xiàn)上下級調(diào)度主站間故障告警信息的實(shí)時(shí)交互，傳輸?shù)母婢畔⑹墙?jīng)過主站分析處理后的故障簡報(bào)信息。

其傳輸規(guī)約方式和變電站告警直傳一致、不再詳述，下面簡要介紹其傳輸內(nèi)容：傳輸內(nèi)容按照“時(shí)間，故障設(shè)備，故障相別，重合情況，首端短路電流，末端短路電流，首端測距，末端測距”的八段式描述，以實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)接收的主站間告警推送信息為例進(jìn)行說明，例如接收的原始告警信息為2012-11-0415：02：26.120，河北.保北站/500kV保霸I線，A相，重合成功，10.5kA3.7kA18.75km24.6km”，上級調(diào)度系統(tǒng)綜合智能告警軟件在接收到該告警信息后，自動(dòng)對告警信息解析并發(fā)出告警信息，從而實(shí)現(xiàn)上下級調(diào)度間故障告警信息的聯(lián)合感知，為上下級調(diào)度間故障協(xié)同處理提供了重要的技術(shù)支撐。

2.5 可視化技術(shù)

告警信息的可視化水平是衡量告警信息智能化的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，可視化技術(shù)在電力系統(tǒng)中已經(jīng)逐漸得到廣泛應(yīng)用，但從以往調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用效果來看，基本上還是針對單個(gè)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的展示，缺乏從調(diào)度用戶體驗(yàn)的角度進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，形成電網(wǎng)告警信息的整體可視化框架。

電網(wǎng)告警信息可視化最重要的，是要能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)度運(yùn)行人員清晰直觀的感知電網(wǎng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，以及方便快捷的調(diào)閱和處理各類詳細(xì)告警信息。基于上述考慮，本文提出了基于告警面板、地理潮流圖、多窗口和信息層次樹等為主體的可視化展示框架，顯示電網(wǎng)整體運(yùn)行狀態(tài)，中部為地理潮流圖、展示各類具體告警信息，下部為多窗口、顯示告警相關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵信息，左側(cè)為信息層次樹、顯示告警詳細(xì)信息。

綜上，本文針對傳統(tǒng)故障告警方法存在的告警數(shù)據(jù)源及告警判斷模式較為單一的問題，采用調(diào)度主站生產(chǎn)控制大區(qū)不同應(yīng)用模塊與綜合智能告警系統(tǒng)之間進(jìn)行信息交互和數(shù)據(jù)共享的方式，建立“告警可信度+數(shù)據(jù)有效性”雙重組合判斷機(jī)制，對多個(gè)告警數(shù)據(jù)源進(jìn)行壓縮、融合、過濾、提煉及在線綜合分析判斷，顯著提升了電網(wǎng)故障正確報(bào)出率和告警準(zhǔn)確率，同時(shí)以可視化的手段對故障分析結(jié)果進(jìn)行全方位、多層次、多角度的綜合展示，為調(diào)控運(yùn)行人員敏銳感知和及時(shí)處置電網(wǎng)故障、提高電網(wǎng)調(diào)控一體化水平，進(jìn)而提升調(diào)控機(jī)構(gòu)駕馭大電網(wǎng)能力提供了可靠的技術(shù)支撐。