云邊協(xié)同下變電站繼電保護(hù)故障信息采集系統(tǒng)

朱峰奎

（中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院，北京 100048）

為了保證電力系統(tǒng)始終維持安全穩(wěn)定的工作狀態(tài)，繼電保護(hù)裝置應(yīng)運(yùn)而生[1]。變電站繼電保護(hù)裝置作為維護(hù)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的可靠裝置，能夠通過反饋故障信息，起到保護(hù)電力系統(tǒng)及其內(nèi)部工作情況的作用[2]。變電站繼電保護(hù)裝置作為全面支撐電網(wǎng)運(yùn)行的新一代智能設(shè)備，常被應(yīng)用于多專業(yè)電力相關(guān)元件的邏輯分析和節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)度匹配的研究當(dāng)中，成為電力系統(tǒng)不可分割的重要組成部分。相關(guān)領(lǐng)域研究人員為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)潛在問題，已投身到變電站繼電保護(hù)故障信息采集方法的研究之中。

林凌云[3]等人通過變電站繼電保護(hù)裝置釋放的變位信號(hào)和異常信號(hào)構(gòu)建告警信息故障知識(shí)圖譜，并深入分析故障知識(shí)間的邏輯關(guān)系，根據(jù)邏輯關(guān)系定位故障發(fā)生位置，鎖定故障追蹤領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)變電站繼電保護(hù)故障信息采集，該方法存在故障信息采集效率低的問題。于廣[4]等人通過ATT7022E 電能計(jì)量芯片模擬變電站繼電保護(hù)裝置的硬件電路，并利用串口通信設(shè)備測(cè)量硬件電路的電流、電壓和功率，通過STM32 微處理器截獲異常電路，實(shí)現(xiàn)變電站繼電保護(hù)故障信息采集。劉瀟瀟[5]等人通過變換系數(shù)線性投影重建信號(hào)稀疏性較高的低維觀測(cè)向量，并在壓縮傳感的作用下將觀測(cè)向量分割成多組電力數(shù)據(jù)，通過將多組電力數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本傳輸至智能電網(wǎng)采集模型，實(shí)現(xiàn)變電站繼電保護(hù)故障信息采集。

為了解決上述方法中存在的遠(yuǎn)距離失真問題，提出云邊協(xié)同下變電站繼電保護(hù)故障信息采集系統(tǒng)的方法。

1 變電站繼電保護(hù)故障原因

1）操作過電壓

正常情況下，變電站繼電保護(hù)裝置的雜散電壓和電感電壓與裝置啟動(dòng)時(shí)間、裝置關(guān)閉時(shí)間、電流電壓開合截流、電路參數(shù)、電位梯度均有一定相關(guān)性[6]。電力系統(tǒng)的電流、電壓振蕩頻率在受端過載的影響下攀升至幾百萬赫茲時(shí)，繞組匝間的電位梯度會(huì)由于隨機(jī)分布特性失衡而出現(xiàn)總電壓陡度增大、總電壓幅值和頻率雙雙過載的現(xiàn)象[7]，使得變電站繼電保護(hù)裝置的整體操作過程在實(shí)際運(yùn)行工況中出現(xiàn)過負(fù)荷電壓，從而導(dǎo)致故障的產(chǎn)生[8]。雜散電壓的計(jì)算公式如下：

式中，s表示線路截流值；y表示直流電阻；m表示感抗。

電感電壓的計(jì)算公式如下：

式中，h表示串聯(lián)線路的電容量；f表示同步脈沖；τ表示脈沖峰值幅度。

2）電磁單元變壓器斷線

電磁單元變壓器是變電站繼電保護(hù)裝置內(nèi)部連接件的一部分，由分壓電容器和接地線盒組成，能夠通過周期性檢測(cè)和熱像分布起到預(yù)防裝置受潮老化、避免氧化鋅腐蝕瓷套內(nèi)鏈路的作用。當(dāng)電力系統(tǒng)導(dǎo)電回路在制熱型設(shè)備干擾下出現(xiàn)內(nèi)部缺陷時(shí)，電磁單元變壓器整相承受的電壓擊穿直流線路和交流線路，會(huì)導(dǎo)致電磁單元變壓器斷線，變電站繼電保護(hù)裝置發(fā)生故障。分壓電容器的電容值表達(dá)式如下：

式中，to表示消除直流偏置后的電容器相位角；Δ?表示單相燒損故障產(chǎn)生的電壓沖擊；g表示放電后正交功率。

2 繼電保護(hù)故障信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

變電站繼電保護(hù)故障信息采集系統(tǒng)包括故障可視化模塊、云邊協(xié)同下故障信息采集模塊和故障信息優(yōu)化模塊。

2.1.1 故障可視化模塊

故障可視化模塊作為檢索變電站繼電保護(hù)裝置故障原因、生成故障信息的系統(tǒng)起始模塊，由故障原因邏輯圖搭配濾波器[9]組成。該模型的具體建立過程如下：

首先將變電站繼電保護(hù)故障原因視為des 標(biāo)記下的mid 文件，然后確定mid 文件的id 坐標(biāo)和故障通道號(hào)，以此繪制故障原因邏輯圖，將各種導(dǎo)致變電站繼電保護(hù)裝置故障的原因與該原因所能造成的后果一一連接。經(jīng)過總結(jié)的故障原因邏輯圖以簡(jiǎn)報(bào)的形式清晰再現(xiàn)了變電站繼電保護(hù)裝置從故障起始到故障終止的整體過程，有利于判別由抽象元素組成的電力設(shè)備及電網(wǎng)相關(guān)信息。故障可視化模塊操作流程如圖1 所示。

2.1.2 云邊協(xié)同下故障信息采集模塊

云邊協(xié)同計(jì)算框架屬于AR空間分析計(jì)算框架[10]，云邊協(xié)同計(jì)算框架包括三層結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)端、邊緣端和云端。其中，數(shù)據(jù)端由大基數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備組成，且每個(gè)設(shè)備都在邊緣服務(wù)器[11]的作用下，能夠?qū)⒃O(shè)備存儲(chǔ)的大額數(shù)據(jù)傳送至下行模塊。邊緣端由邊緣計(jì)算技術(shù)[12]搭建而成，在成功接收來自數(shù)據(jù)端的下行數(shù)據(jù)后，邊緣計(jì)算技術(shù)啟動(dòng)初步協(xié)同功能，將下行數(shù)據(jù)按照時(shí)間順序排列整齊，隨后共享至云端。云端作為云邊協(xié)同計(jì)算框架的核心結(jié)構(gòu)，并不僅僅存儲(chǔ)來自邊緣端的共享數(shù)據(jù)，還負(fù)責(zé)二次協(xié)同、數(shù)據(jù)清洗[13]和任務(wù)調(diào)度[14]。

以云邊協(xié)同計(jì)算框架為故障信息采集模塊的骨骼結(jié)構(gòu)，分三步采集故障可視化模塊提供的故障信息[15]。第一步，將變電站繼電保護(hù)設(shè)備視為數(shù)據(jù)端大基數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之一。已知數(shù)據(jù)端每個(gè)設(shè)備均連接一臺(tái)邊緣服務(wù)器，則與變電站繼電保護(hù)裝置連接的邊緣服務(wù)器除實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)臨時(shí)存儲(chǔ)和傳輸之外，還需要連通上行模塊，實(shí)現(xiàn)變電站繼電保護(hù)故障信息采集。第二步，經(jīng)過采集的變電站繼電保護(hù)故障信息通過邊緣服務(wù)器傳輸至邊緣端，故障信息由一行或多行數(shù)控程序指導(dǎo)有序排列。第三步，系統(tǒng)派發(fā)二次協(xié)同、數(shù)據(jù)清洗和任務(wù)調(diào)度指令，開始初步優(yōu)化故障信息。云邊協(xié)同計(jì)算框架如圖2 所示。

圖2 云邊協(xié)同計(jì)算框架

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

以系統(tǒng)硬件為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)變電站繼電保護(hù)故障信息采集系統(tǒng)的軟件算法，基于云邊協(xié)同下實(shí)現(xiàn)變電站繼電保護(hù)故障信息采集。

云邊協(xié)同下邊緣服務(wù)器接收的繼電保護(hù)故障信息的表達(dá)式如下：

式中，θj表示故障信息傳輸權(quán)重值；x表示通過以太網(wǎng)協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；di表示寄存器接收的故障信息。

通過邊緣端初步協(xié)同、初步處理和篩選收集的數(shù)據(jù)[16]公式如下：

式中，σ表示串口集成度；yi表示高優(yōu)先級(jí)輸出陣列；w表示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸出陣列。

通過云端二次協(xié)同，將數(shù)據(jù)從邊緣端傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行高級(jí)處理，得到處理后的數(shù)據(jù)公式如下：

式中，l3表示二次協(xié)同時(shí)間參數(shù)；v表示二次協(xié)同有效時(shí)段；k表示故障信息協(xié)同頻率。

數(shù)據(jù)清洗公式如下：

式中，-exp(fnm)k表示邊緣節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)；ω2表示云平臺(tái)部署的中心節(jié)點(diǎn)；a表示能源消耗。

云端任務(wù)調(diào)度公式如下：

式中，q表示跨層級(jí)任務(wù)調(diào)度時(shí)延；sj表示云中心故障信息處理壓力。

云端決策信息融合模型的表達(dá)式如下：

式中，Vr表示故障信息的有效凈負(fù)荷；d表示云端波特率；λ3表示串口返回時(shí)間。

通過小波變換組合雙線性插值法在每個(gè)尺度上對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行插值操作，以估計(jì)缺失的故障信息，計(jì)算公式如下：

式中，c′表示噪聲幅值；in表示噪聲激發(fā)頻率；im表示上下包絡(luò)線對(duì)故障信息的修復(fù)度。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

為了驗(yàn)證云邊協(xié)同下變電站繼電保護(hù)故障信息采集系統(tǒng)的整體有效性，需要對(duì)其測(cè)試。以國(guó)內(nèi)某地區(qū)電網(wǎng)為試驗(yàn)對(duì)象，驗(yàn)證算法對(duì)變電站繼電保護(hù)故障信息的采集性能，電力系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 電力系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)

根據(jù)該地區(qū)電力系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)可知，變電站繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)故障的開始時(shí)刻為第100 s，結(jié)束時(shí)刻為第160 s。

3.1 故障信息采集效率

分別采用所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法采集變電站繼電保護(hù)故障信息，通過對(duì)比不同方法的采集開始時(shí)刻和采集結(jié)束時(shí)刻，判斷不同方法對(duì)變電站繼電保護(hù)故障信息的采集效率。不同方法的采集開始時(shí)刻和采集結(jié)束時(shí)刻如表1 所示。

表1 不同方法的采集開始時(shí)刻和采集結(jié)束時(shí)刻

采用所提方法采集變電站繼電保護(hù)故障信息，其采集開始時(shí)刻和采集結(jié)束時(shí)刻與電力系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)完全吻合，說明所提方法能夠及時(shí)采集故障信息，不會(huì)出現(xiàn)采集延遲而造成故障信息采集不完全等問題，即所提方法對(duì)故障信息的采集效率較高。這是因?yàn)樗岱椒ㄔ跇?gòu)建變電站繼電保護(hù)故障信息采集系統(tǒng)前，優(yōu)先分析了變電站繼電保護(hù)裝置發(fā)生故障的原因，并以此為基礎(chǔ)建立了故障可視化模型，為系統(tǒng)提供與故障原因息息相關(guān)的待采信息，這樣根據(jù)故障原因建立的采集系統(tǒng)可信度更高、效果更好。

3.2 變電站主接線采集距離對(duì)系統(tǒng)性能的影響

已知變電站主接線采集距離越遠(yuǎn)，故障信息的采集過程出現(xiàn)失幀現(xiàn)象的頻率越高。分別采用所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法采集遠(yuǎn)距離變電站繼電保護(hù)故障信息，通過對(duì)比不同方法采集到的電壓波形，判斷不同方法對(duì)故障信息的采集性能。不同方法采集到的電壓波形如圖4 所示。

采用文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法采集遠(yuǎn)距離變電站繼電保護(hù)故障信息，二者電壓波形采集結(jié)果雖較為清晰，但波形波動(dòng)明顯，存在失幀現(xiàn)象；而采用所提方法采集遠(yuǎn)距離變電站繼電保護(hù)故障信息，其電壓波形采集結(jié)果清晰、波形平滑，不存在失幀現(xiàn)象，說明所提方法能夠較好地完成遠(yuǎn)距離變電站繼電保護(hù)故障信息的采集工作。

4 結(jié)束語

變電站繼電保護(hù)裝置作為電力系統(tǒng)的跟蹤性故障檢測(cè)裝置，其故障信息能夠間接反映電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，為了消除電力系統(tǒng)安全隱患，設(shè)計(jì)了一種云邊協(xié)同下的變電站繼電保護(hù)故障信息采集系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出，所提方法對(duì)變電站繼電保護(hù)故障信息的采集效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離下故障信息的準(zhǔn)確采集。