變電站二次系統(tǒng)故障閉環(huán)定位技術(shù)研究

張宏偉,朱國海,王海龍,張 文,張 莎

(國網(wǎng)甘肅省電力公司金昌供電公司,甘肅 金昌 737100)

0 引言

電網(wǎng)是重要的能源生產(chǎn)、傳輸、消費,以及資源優(yōu)化配置、調(diào)節(jié)、分配的平臺[1]。變電站作為電網(wǎng)的重要組成部分,擔(dān)負(fù)著控制電能流向和變換電壓等級的任務(wù)[2],是電網(wǎng)網(wǎng)架中“承上啟下”的重要環(huán)節(jié)[3]。二次設(shè)備和系統(tǒng)作為變電站的核心組成部分,主要作用是對所有一次設(shè)備進(jìn)行監(jiān)察、測量、保護(hù)、調(diào)節(jié)和控制,是電網(wǎng)中不直接與電能產(chǎn)生聯(lián)系的重要輔助設(shè)備。其安全、可靠是保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、可靠運行的基礎(chǔ)。因此,二次設(shè)備和系統(tǒng)的安裝與聯(lián)調(diào)至關(guān)重要。二次設(shè)備的聯(lián)調(diào)又稱聯(lián)合調(diào)試,主要是將獨立的系統(tǒng)單元組合成一整套具有完整、完善、完備功能的繼電保護(hù)或安全自動裝置系統(tǒng)后,測試系統(tǒng)整體功能是否正確、是否符合規(guī)程和電網(wǎng)安全運行要求、是否存在潛在隱患和故障,以此驗證二次設(shè)備設(shè)計方案是否合理、安裝是否正確[4]。

基于上述背景,關(guān)于變電站二次系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及故障智能診斷定位的研究有很多。例如,文獻(xiàn)[5]提出1種電磁暫態(tài)仿真方法。該方法模擬二次系統(tǒng)電磁暫態(tài)計算過程,以此獲得測試數(shù)據(jù),并分析、判斷二次系統(tǒng)功能是否正常。文獻(xiàn)[6]從風(fēng)險擴(kuò)散的角度,首先針對智能變電站二次系統(tǒng)風(fēng)險構(gòu)建1種評估模型;然后通過建立仿真模擬,分析得出二次系統(tǒng)風(fēng)險擴(kuò)散的特征;最后根據(jù)得到的特征參數(shù)進(jìn)行風(fēng)險評估,判斷二次系統(tǒng)故障出現(xiàn)的概率。文獻(xiàn)[7]針對二次設(shè)備故障,提出1種診斷方法。該方法以被測試變壓器的阻抗值為基礎(chǔ)建立診斷模型,利用該模型對二次設(shè)備故障進(jìn)行檢測。文獻(xiàn)[8]提出1種面向智能變電站的二次系統(tǒng)故障定位方法。該方法無論故障信息是否完備都適用。與采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接對全網(wǎng)元件進(jìn)行故障定位的方法相比,該方法縮小了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練規(guī)模,降低了“不關(guān)鍵”的特征量對故障定位的干擾,突出了“關(guān)鍵”特征量的價值,有效提高了故障定位的準(zhǔn)確率。

結(jié)合目前國內(nèi)外現(xiàn)狀和研究成果,本文提出1種基于閉環(huán)自動驗證模型的變電站二次系統(tǒng)高效聯(lián)調(diào)及故障智能診斷定位技術(shù)。閉環(huán)自動驗證模型指首先構(gòu)建1個二次系統(tǒng)閉環(huán),然后模擬運行,通過采集運行中的數(shù)據(jù)實現(xiàn)故障診斷和定位。應(yīng)用閉環(huán)自動驗證模型模擬不同類型的暫態(tài)故障狀態(tài),可保證故障模擬的全面性。本文在對數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理后,提取信號特征(包括平均值、均方值、峰值、脈沖、歪度),以增強(qiáng)運行數(shù)據(jù)分析的全面性,從而完善故障判定過程、提高故障診斷和定位的精度。

1 故障智能診斷定位技術(shù)

變電站包括兩種類型的電氣設(shè)備,一類是用于直接供電的一次系統(tǒng),另一類是服務(wù)于一次系統(tǒng)的二次系統(tǒng)。在變電站一次系統(tǒng)建設(shè)完成后,需要將二次系統(tǒng)按照設(shè)計方案布設(shè)到變電站系統(tǒng)中。通過二次系統(tǒng)能夠有效實現(xiàn)遠(yuǎn)動對點、主站對點、監(jiān)控后臺對點的自動化;實現(xiàn)智能變電站二次設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)故障診斷分析和精準(zhǔn)定位,以及輔助決策;有效防止和減少由二次設(shè)備系統(tǒng)引起的電網(wǎng)事故;改變目前完全依賴廠家、依賴人工運維經(jīng)驗判斷設(shè)備故障的現(xiàn)狀,減少故障排查時間;提高變電站設(shè)備檢測系統(tǒng)自動化、智能化技術(shù)水平[9]。二次系統(tǒng)布設(shè)需要進(jìn)行高效聯(lián)調(diào),即在系統(tǒng)中運行二次系統(tǒng)。高效聯(lián)調(diào)用于判斷是否存在故障,以此確定二次系統(tǒng)布設(shè)方案的合理性[10]。基于上述背景,本文開展了基于閉環(huán)自動驗證模型的變電站二次系統(tǒng)高效聯(lián)調(diào)及故障智能診斷定位技術(shù)研究,即高效聯(lián)調(diào)、故障智能診斷以及故障精確定位研究。

1.1 變電站二次系統(tǒng)高效聯(lián)調(diào)研究

與其他供電環(huán)節(jié)相比,變電站對運行設(shè)備的整體性、配合度要求更高,一旦某個電氣設(shè)備出現(xiàn)問題,就極易造成整體癱瘓。因此,變電站二次系統(tǒng)必須整體高效聯(lián)調(diào),而不是僅僅進(jìn)行單一設(shè)備調(diào)試。因為單一設(shè)備正常并不代表在組網(wǎng)后也能夠運行正常[11]。在此背景下,為保證變電站整體設(shè)備在正式運行中都能夠正常發(fā)揮功能、縮短調(diào)試周期、及時發(fā)現(xiàn)問題,以降低后期二次系統(tǒng)整改工作量和難度,本文對變電站二次系統(tǒng)進(jìn)行高效聯(lián)調(diào)研究。變電站二次系統(tǒng)高效聯(lián)調(diào)具體步驟如下。

①確定需要進(jìn)行聯(lián)調(diào)的變電站二次系統(tǒng)。

②各廠家向設(shè)計院提供各自裝置的電壓表切換開關(guān)、通用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录?generic object oriented substation event ,GOOSE)輸入/輸出端子。

③根據(jù)調(diào)試大綱完成單裝置測試。

④設(shè)計院根據(jù)各二次系統(tǒng)之間的邏輯聯(lián)系設(shè)計連接線方案。

⑤集成商使用模型檢測工具檢測各廠家裝置的智能電子設(shè)備能力描述(intelligent electronic device capability description,ICD)文件的模型文件一致性。

⑥使用 ICD工具進(jìn)行全站系統(tǒng)的配置,主要根據(jù)設(shè)計圖紙?zhí)峁┑奶摂M端子進(jìn)行電壓表切換開關(guān)、GOOSE鏈接,實現(xiàn)全站設(shè)備模擬現(xiàn)場組網(wǎng),并生成變電站配置描述(substation configuration description,SCD)文件。

⑦各廠家根據(jù)SCD文件生成智能電子設(shè)備實例配置描述(configured intelligent electronic device description,CID)文件和各自內(nèi)部配置文件,將文件下載到保護(hù)裝置,并檢查裝置是否正常工作。若正常,進(jìn)行下一步驟;否則,檢查CID文件及虛擬端子連接是否正確,并回到步驟⑥。

⑧將SCD文件導(dǎo)入后臺自動進(jìn)行信息聯(lián)調(diào),查看裝置是否正常工作。若正常,進(jìn)行下一步驟;否則,檢查CID文件及虛擬端子連接是否正確,并回到步驟⑥。

⑨判斷聯(lián)調(diào)過程是否增加功能。若是,回到步驟⑤;否則,變電站二次系統(tǒng)高效聯(lián)調(diào)過程結(jié)束。

基于上述步驟,本文完成變電站二次系統(tǒng)在變電站系統(tǒng)中的組網(wǎng)聯(lián)調(diào)。

1.2 變電站二次系統(tǒng)故障智能診斷

經(jīng)過聯(lián)調(diào),變電站二次系統(tǒng)在正式投入運行前,必須驗證其是否存在潛在隱患或故障。本文借助實時數(shù)字仿真(real time digital simulation,RTDS)平臺[12]構(gòu)建閉環(huán)自動驗證模型,再利用該模型進(jìn)行變電站二次系統(tǒng)故障診斷。構(gòu)建的閉環(huán)自動驗證模型如圖1所示。

閉環(huán)自動驗證模型進(jìn)行變電站二次系統(tǒng)故障診斷的步驟如下。

(1)閉環(huán)自動驗證模型初始化。

(2)在RTDS平臺上構(gòu)建一次系統(tǒng)(電源、斷路器、變壓器、線路、負(fù)荷)仿真模型。

(3)對一次系統(tǒng)中電氣設(shè)備仿真模型進(jìn)行離散化。

(4)通過設(shè)置故障進(jìn)行一次系統(tǒng)仿真求解,得到閉環(huán)測試過程所需要的電壓和電流值[13]。

(5)在RTDS平臺上構(gòu)建二次系統(tǒng)仿真模型[14]。

(6)設(shè)置二次系統(tǒng)模型的接入關(guān)系以及信息訂閱情況。

(7)將步驟(4)得到的電壓和電流值輸入二次系統(tǒng)模型中。

(8)設(shè)置不同類型暫態(tài)故障,生成如表1所示的測試方案。

表1 測試方案

(9)啟動測試系統(tǒng),執(zhí)行定值功能測試方案,以GOOSE報文方式輸出測試數(shù)據(jù)或者信號。

(10)對測試數(shù)據(jù)或者信號進(jìn)行解析,以形成閉環(huán)測試。測試過程如下。

①對電流、電壓信號去噪。

②提取信號特征。具體的信號特征有5種。其計算式分別如式(1)～式(5)所示。

平均值為:

(1)

均方值為:

(2)

式中:B為電流、電壓信號均方值,用于描述信號能量。

峰值為:

(3)

式中:C為電流、電壓信號峰值,用于描述信號波動特征;X為單峰最大值;X′為有效值。

脈沖為:

(4)

式中:D為電流、電壓信號脈沖,用于描述信號的短暫起伏變化。

歪度為:

(5)

式中:E為電流、電壓信號歪度,用于描述信號的非對稱性[15]。

③構(gòu)建分類器,進(jìn)行故障診斷。

(11)生成測試結(jié)果,完成變電站二次系統(tǒng)故障的自動驗證。

上述步驟基于閉環(huán)自動驗證模型,完成故障自動診斷,以驗證二次系統(tǒng)功能是否符合規(guī)程要求、是否滿足設(shè)計方案。

1.3 變電站二次系統(tǒng)故障精確定位

基于概率計算的變電站二次系統(tǒng)故障定位流程如圖2所示。

圖2 基于概率計算的變電站二次系統(tǒng)故障定位流程圖

圖2中:PK為前K個故障關(guān)聯(lián)的告警信息集;PN為已經(jīng)得到的告警信息集。

故障元件發(fā)生故障概率的計算式如下。

Q=α(fi)×β(fi)

(6)

式中:Q為故障元件發(fā)生故障概率,當(dāng)Q>70%時認(rèn)為發(fā)生故障;α(fi)為告警信息完備度參數(shù);β(fi)為故障概率可靠度參數(shù);fi為強(qiáng)故障元件。

2 技術(shù)應(yīng)用與測試

2.1 試驗設(shè)置

為實現(xiàn)變電站二次系統(tǒng)高效聯(lián)調(diào)及故障智能診斷定位技術(shù)應(yīng)用與測試,二次系統(tǒng)配置如表2所示。

表2 二次系統(tǒng)配置表

表2給出的變電站二次系統(tǒng)為500 kV變電站。根據(jù)表2設(shè)計的變電站二次系統(tǒng)聯(lián)調(diào)方案如圖3所示。

圖3 變電站二次系統(tǒng)聯(lián)調(diào)方案

基于圖1搭建的閉環(huán)測試仿真模型如圖4所示。

圖4 閉環(huán)測試仿真模型

2.2 故障診斷結(jié)果

本文設(shè)置不同設(shè)備各運行1 000次,隨機(jī)選擇故障發(fā)生類型及次數(shù),進(jìn)行故障自動診斷,并統(tǒng)計故障診斷的準(zhǔn)確性。故障診斷結(jié)果如表3所示。

表3 故障診斷結(jié)果

表3中,Gini為基尼系數(shù)。其值越大于60,則故障診斷越準(zhǔn)確。

由表3可知,Gini都達(dá)到60以上。這表明閉環(huán)自動驗證模型在故障診斷中具有良好的有效性和準(zhǔn)確性。

2.3 故障定位結(jié)果

按照表1給出的測試項目,本文在構(gòu)建了仿真模型的基礎(chǔ)上,通過故障生成模型進(jìn)行故障采樣。故障類型共13種,包括合并單元雙采樣模塊某一故障、合并單元輸出端口故障(合保)、合并單元采樣失步、合并單元輸入光口故障、縱聯(lián)通道故障、保護(hù)裝置內(nèi)部存儲器故障、保護(hù)裝置輸入端口故障(合保)、保護(hù)裝置輸出端口故障(保智)、保護(hù)裝置GOOSE板故障、保護(hù)裝置電壓表切換開關(guān)板故障、智能終端GOOSE板故障、智能終端輸入端口故障(保智)、智能終端輸出端口故障。這13種故障依次編號為1～13。本文將故障數(shù)量設(shè)置為一重故障,每種故障持續(xù)2 s以上,采樣了1 056組數(shù)據(jù)以組成數(shù)據(jù)集。不同故障類型的數(shù)字編碼如表4所示。

表4 不同故障類型的數(shù)字編碼

本文將變電站二次系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)集隨機(jī)分為10組,保證每組均覆蓋全部故障類型。其中:7組為訓(xùn)練集;剩余3組為測試集。訓(xùn)練集和測試集采用十折交叉驗證。數(shù)據(jù)集驗證數(shù)字編碼標(biāo)識結(jié)果如表5所示。

表5 數(shù)據(jù)集驗證數(shù)字編碼標(biāo)識結(jié)果

由表5可知:第一組驗證數(shù)字標(biāo)識準(zhǔn)確率為92.31%;第二組準(zhǔn)確率為92.31%;第三組準(zhǔn)確率為100%。

因此,應(yīng)用本文提出的方法在對變電站二次系統(tǒng)故障進(jìn)行定位時,定位結(jié)果僅在第一組和第二組數(shù)據(jù)集數(shù)字標(biāo)識中分別出現(xiàn)了1次定位錯誤,在第三組數(shù)據(jù)集數(shù)字標(biāo)識時全部故障定位成功,平均定位準(zhǔn)確率達(dá)到了94.87%。這說明本文提出的方法具有較好的定位性能。

3 結(jié)論

變電站二次系統(tǒng)聯(lián)調(diào)可以測試各系統(tǒng)單元的性能及其互操作能力,驗證二次系統(tǒng)的可靠性和安全性,測試系統(tǒng)對標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程的執(zhí)行情況。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)、設(shè)備、設(shè)計等方面的突破[16],測量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化等新特點對變電站聯(lián)調(diào)和故障診斷、定位提出了更新、更高的要求[17]。本文提出1種基于閉環(huán)自動驗證模型的變電站二次系統(tǒng)高效聯(lián)調(diào)及故障智能診斷定位技術(shù),創(chuàng)新性地構(gòu)建了閉環(huán)自動驗證模型,設(shè)計了高效聯(lián)調(diào)方案。本文利用RTDS平臺構(gòu)建一次系統(tǒng)(電源、斷路器、變壓器、線路、負(fù)荷)仿真模型,并對仿真模型進(jìn)行離散化,通過設(shè)置故障求解閉環(huán)測試過程所需要的電壓和電流值,生成測試項目。本文模擬二次系統(tǒng)故障診斷過程,通過計算故障發(fā)生概率,準(zhǔn)確分析故障診斷結(jié)果并精確定位故障節(jié)點[18-19]。測試結(jié)果表明,本文提出的研究方法具備二次系統(tǒng)聯(lián)調(diào)高效、智能故障診斷準(zhǔn)確、故障定位精確等優(yōu)勢,對提高變電站,特別是智能變電站的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運行具有重要的借鑒意義。