特高壓變電站保護(hù)設(shè)備異常診斷

祁 鵬

（國(guó)家電投集團(tuán)協(xié)鑫濱海發(fā)電有限公司，江蘇鹽城 224500）

0 引言

特高壓變電站工程項(xiàng)目屬于電力工程項(xiàng)目中的重要組成部分，具有電網(wǎng)覆蓋面積較大的特征?；趶V義角度分析，特高壓變電站UHV 與普通變電站之間最大的區(qū)別在于交、直流電壓等級(jí)不同，特高壓變電站的直流電壓在800 kV 及以上，交流電壓在1000 kV 及以上[1]。根據(jù)電網(wǎng)公司提供的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，特高壓變電站對(duì)提高電網(wǎng)的輸送能力具有重要作用。其一回路輸送的電量約相當(dāng)于普通直流變電站輸送電量的5 倍左右，輸送效率優(yōu)勢(shì)顯著，能夠有效節(jié)省輸電所需的土地資源[2]。在特高壓變電站運(yùn)行過(guò)程中，受到各種因素的影響，其保護(hù)設(shè)備可能出現(xiàn)異常運(yùn)行的情況，情況嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)特高壓變電站運(yùn)行故障，存在安全風(fēng)險(xiǎn)與故障隱患[3]。

傳統(tǒng)的變電站保護(hù)設(shè)備異常診斷方法在電力工程的實(shí)際應(yīng)用中不夠完善，尤其是在特高壓變電站工程項(xiàng)目中，設(shè)備異常診斷錯(cuò)誤率較高，無(wú)法保證變電站運(yùn)行的安全性。為保證特高壓變電站工程項(xiàng)目的順利進(jìn)行，提高變電站輸送能力，其保護(hù)設(shè)備異常診斷方法至關(guān)重要?；诖?，本文以某特高壓變電站為例，在現(xiàn)有設(shè)備異常診斷方法的基礎(chǔ)上，提出了一種全新的特高壓變電站保護(hù)設(shè)備異常診斷方法。

1 診斷方法設(shè)計(jì)

1.1 采集設(shè)備異常數(shù)據(jù)

在本文設(shè)計(jì)的特高壓變電站保護(hù)設(shè)備異常診斷方法中，首先需要根據(jù)保護(hù)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況與運(yùn)行中各項(xiàng)性能參數(shù)及技術(shù)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，判斷設(shè)備是否存在異常隱患。若保護(hù)設(shè)備存在異常隱患，則應(yīng)利用相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集手段，全面采集特高壓變電站保護(hù)設(shè)備的異常數(shù)據(jù)，明確異常數(shù)據(jù)的來(lái)源，為后續(xù)的診斷工作提供參考依據(jù)[4]。

通常情況下，特高壓變電站保護(hù)設(shè)備異常診斷數(shù)據(jù)，是由于設(shè)備運(yùn)行中自身出現(xiàn)故障或受到外界因素干擾，導(dǎo)致其運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生改變，引發(fā)保護(hù)設(shè)備開(kāi)關(guān)量與電氣量的動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定變化[5]。綜合考慮保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行特征，本文認(rèn)為可以將SCADA 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)與ENA-CBMS 保護(hù)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)融合，共同監(jiān)測(cè)并采集特高壓變電站保護(hù)設(shè)備的異常數(shù)據(jù)[6]。設(shè)定兩個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作規(guī)則與指令，按照設(shè)備異常信息傳輸順序，實(shí)時(shí)采集并上傳保護(hù)設(shè)備異常數(shù)據(jù)信息。特高壓變電站保護(hù)設(shè)備異常信息傳輸順序如圖1 所示。

圖1 異常信息傳輸順序示意

從圖1 可以看出，變電站保護(hù)設(shè)備異常信息傳輸為單向傳輸方式，從電氣量信息逐步傳輸至繼電保護(hù)裝置信息，最后傳輸至設(shè)備開(kāi)關(guān)量信息的順序。按照異常信息傳輸順序，采集保護(hù)設(shè)備的異常數(shù)據(jù)。

1.2 計(jì)算設(shè)備元件異常度

基于采集到的特高壓變電站保護(hù)設(shè)備異常數(shù)據(jù)，初步掌握了可疑設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)情況。接下來(lái)，對(duì)可疑設(shè)備元件異常度進(jìn)行計(jì)算，反映保護(hù)設(shè)備的異常故障狀況。設(shè)備元件異常度能夠全方位地描述其運(yùn)行狀態(tài)，包括保護(hù)設(shè)備電流變化情況、穿越頻率動(dòng)態(tài)變化、保護(hù)動(dòng)作距離以及起跳時(shí)間等[7]。首先，設(shè)定特高壓變電站出現(xiàn)異常時(shí)，其異常信號(hào)在h 個(gè)尺度上的能量分布分別為Q1、Q2、Q3、…、Qh、Qh+1，此時(shí)設(shè)備元件小波異?？尚哦缺磉_(dá)式為：

其中，Bj（k）表示保護(hù)設(shè)備異常高頻分量；Wh（k）表示保護(hù)設(shè)備在h 尺度下對(duì)應(yīng)的異常低頻分量。

在此基礎(chǔ)上，計(jì)算設(shè)備元件運(yùn)行信號(hào)的異常度：

其中，E（x）表示特高壓變電站保護(hù)設(shè)備元件運(yùn)行信號(hào)異常度，通過(guò)異常度計(jì)算結(jié)果，能夠在快速時(shí)間內(nèi)找出發(fā)出異常信號(hào)的設(shè)備元件，為后續(xù)設(shè)備異常診斷提供了重要幫助[8]。

1.3 建立保護(hù)設(shè)備異常診斷模型

基于上述保護(hù)設(shè)備異常數(shù)據(jù)采集與元件異常度計(jì)算完畢后。在此基礎(chǔ)上，建立特高壓變電站保護(hù)設(shè)備異常診斷模型，通過(guò)模型的迭代訓(xùn)練作用，全面實(shí)現(xiàn)異常診斷的目標(biāo)。本文建立的異常診斷模型的運(yùn)行流程如圖2 所示。

圖2 異常診斷模型運(yùn)行流程

首先將采集到保護(hù)設(shè)備的異常信息數(shù)據(jù)與設(shè)備元件異常度作為檢測(cè)信息輸入到模型中，初步描述特高壓變電站保護(hù)設(shè)備的異常運(yùn)行特征[9]?；诒Ｗo(hù)設(shè)備異常診斷需求與尺度，分析檢測(cè)信息的信息維數(shù)，得出檢測(cè)信息量熵，即特高壓變電站保護(hù)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的一個(gè)異常信號(hào)覆蓋在診斷模型第i 個(gè)格子傳遞的平均信息，其計(jì)算公式為：

其中，X 表示異常診斷模型覆蓋變電站保護(hù)設(shè)備運(yùn)行網(wǎng)路的格子邊長(zhǎng)；Qi（X）表示保護(hù)設(shè)備異常信號(hào)落入第i 個(gè)格子的概率；m 表示異常診斷模型中格子的總數(shù)量。

定義異常診斷信息維數(shù)為：

獲取保護(hù)設(shè)備異常診斷信息維數(shù)后，從中提取設(shè)備的異常特征參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一化處理。分別獲取各類設(shè)備異常特征參數(shù)后，進(jìn)行異常特征參數(shù)融合，輸出融合后的特高壓變電站保護(hù)設(shè)備異常診斷結(jié)果，實(shí)現(xiàn)設(shè)備高精度異常診斷的目標(biāo)。

2 實(shí)驗(yàn)分析

本文針對(duì)特高壓變電站保護(hù)設(shè)備存在的異常問(wèn)題與隱患，提出的診斷方法的全部設(shè)計(jì)流程。在本文設(shè)計(jì)的異常診斷方法投入電力工程實(shí)際應(yīng)用前，需要對(duì)其異常診斷效果做全面分析檢驗(yàn)，確定方法的可行性與有效性后，方可投入實(shí)際工程應(yīng)用，以避免對(duì)特高壓電力工程的安全運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選取某地區(qū)某特高壓變電站工程項(xiàng)目作為此次研究的依托。該變電站工程所在地區(qū)電力需求巨大，屬于特高壓環(huán)網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。某特高壓變電站骨干網(wǎng)電壓等級(jí)為500 kV，當(dāng)前已經(jīng)形成了兩個(gè)電壓等級(jí)為500 kV 的環(huán)網(wǎng)，具有完善的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。該特高壓變電站設(shè)備相關(guān)概況及參數(shù)說(shuō)明如表1 所示。

表1 某特高壓變電站設(shè)備相關(guān)概況說(shuō)明

某特高壓變電站工程項(xiàng)目結(jié)構(gòu)功能較復(fù)雜，建設(shè)周期較長(zhǎng)，受到各類風(fēng)險(xiǎn)源的影響，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。變電站保護(hù)設(shè)備異常隱患與故障隱患較多，導(dǎo)致電網(wǎng)安全得不到保障?；诖耍瑢⒈疚奶岢龅漠惓Ｔ\斷方法應(yīng)用到該工程項(xiàng)目中。

2.2 結(jié)果分析

此次實(shí)驗(yàn)分析中設(shè)置了對(duì)照組，用于檢驗(yàn)本文提出的異常診斷方法的可行性與優(yōu)勢(shì)。將本文提出的保護(hù)設(shè)備異常診斷方法設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組，將文獻(xiàn)［2］、文獻(xiàn)［3］提出的異常診斷方法設(shè)置為對(duì)照組，對(duì)其診斷結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。利用MATLAB 模擬分析軟件，模擬某特高壓工程項(xiàng)目保護(hù)設(shè)備故障。為了避免實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果存在偶然性，在特高壓變電站保護(hù)設(shè)備中總共模擬設(shè)置100處異常故障，保證異常故障類型與位置的隨機(jī)性。設(shè)置特高壓變電站保護(hù)設(shè)備的輸出準(zhǔn)確度為0.5 級(jí)，相電壓輸出功率為70 kW，開(kāi)關(guān)量輸入為7 路。選取保護(hù)設(shè)備異常診斷錯(cuò)誤率為此次診斷效果檢驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算公式為：

其中，Er表示特高壓變電站保護(hù)設(shè)備異常診斷錯(cuò)誤率；qa表示保護(hù)設(shè)備異常診斷專業(yè)知識(shí)誤差值；qt表示保護(hù)設(shè)備異常診斷專業(yè)知識(shí)精確值。異常診斷錯(cuò)誤率Er值越低，表示異常診斷結(jié)果的精確度越高，反之同理。利用上述3 種方法，對(duì)模擬設(shè)置的異常故障進(jìn)行全面診斷。分別進(jìn)行6 組異常診斷測(cè)試，測(cè)定3種方法的異常診斷錯(cuò)誤率并對(duì)比（圖3）。

圖3 異常診斷錯(cuò)誤率對(duì)比結(jié)果

從圖3 的異常診斷錯(cuò)誤率對(duì)比結(jié)果可以看出，在6 組診斷測(cè)試中，本文提出的特高壓變電站保護(hù)設(shè)備異常診斷錯(cuò)誤率明顯低于兩個(gè)對(duì)照組，錯(cuò)誤率均在1%以下。由此可見(jiàn)，本文設(shè)計(jì)的保護(hù)設(shè)備異常診斷方法具有較高的可行性，診斷錯(cuò)誤率較低，精確度較高，能夠在快速時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度異常診斷的目標(biāo)。

3 結(jié)束語(yǔ)

特高壓變電站與普通變電站存在較大的差異，其對(duì)保護(hù)設(shè)備性能的要求也存在一定差異。綜上所述，為改善特高壓變電站保護(hù)設(shè)備異常診斷方法，降低診斷結(jié)果的不精確性與不確定性，縮短診斷周期，提高變電站保護(hù)設(shè)備運(yùn)行性能，提出一種全新的保護(hù)設(shè)備異常診斷方法，實(shí)現(xiàn)了特高壓變電站保護(hù)設(shè)備全過(guò)程、全周期的異常診斷，規(guī)避了診斷中的不確定因素，提高異常診斷結(jié)果精度，對(duì)促進(jìn)特高壓變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。