基于數(shù)字孿生技術(shù)的開關(guān)操作箱二次虛回路故障精準(zhǔn)定位方法

孔令斌，張鵬望，張 靜

（中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司大理局，云南 大理）

引言

開關(guān)操作箱是電力系統(tǒng)關(guān)鍵的一種輔助裝置，主要的作用就是針對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和控制。二次虛回路故障是開關(guān)操作箱實(shí)際運(yùn)行過程中較為常見的一種故障類型，其覆蓋范圍廣、影響力大，如果不及時(shí)做出維護(hù)處理，會(huì)影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。參考文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]中分別設(shè)計(jì)了基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的二次回路故障定位方法、基于ER 算法的二次回路故障定位方法。二者雖然可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的定位目標(biāo)及任務(wù)，但是整體的效率較低，此外，傳統(tǒng)的定位方法大多設(shè)定為單向形式，定位結(jié)果易出現(xiàn)誤差[3]。為此，提出基于數(shù)字孿生技術(shù)的開關(guān)操作箱二次虛回路故障精準(zhǔn)定位方法。

1 設(shè)計(jì)開關(guān)操作箱二次虛回路故障數(shù)字孿生定位方法

1.1 明確二次虛回路故障特征

二次虛回路故障主要是由電氣元件、電纜、電路以及端子排等異常導(dǎo)致的，逐步擴(kuò)大為不可控的故障問題，所以特征的提取也需要結(jié)合上述的因素?？梢韵仍诙位芈返膶?dǎo)線中設(shè)置一定數(shù)量的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、信息的采集。隨后，當(dāng)出現(xiàn)故障問題時(shí)，對(duì)開關(guān)操作箱的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，這部分主要包括電流、電壓、電阻等大幅度變化，具體的特征表現(xiàn)見表1。

表1 二次虛回路故障特征表

1.2 設(shè)計(jì)多元件自檢告警BPA 定位結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的開關(guān)操作箱二次虛回路故障告警定位結(jié)構(gòu)多設(shè)定為單向形式，告警的速度較慢，導(dǎo)致維護(hù)不及時(shí)，故障的范圍增大，此次采用多元件自檢告警的方式，利用BPA 框架實(shí)現(xiàn)故障定位結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。先結(jié)合實(shí)際的故障定位需求，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的自檢告警BPA定位結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 多元件自檢告警BPA 定位結(jié)構(gòu)圖示

基于故障定位的要求，設(shè)置自檢告警的結(jié)構(gòu)的保護(hù)定位標(biāo)準(zhǔn)。

在發(fā)生故障時(shí)：

（1） 分析開關(guān)操作箱二次虛回路處于拒動(dòng)還是誤動(dòng)狀態(tài)。

（2） 發(fā)生故障時(shí)，結(jié)合元件自檢告警狀態(tài)，縮小故障的定位范圍，統(tǒng)計(jì)拒動(dòng)（誤動(dòng)）關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。

（3） 發(fā)生故障時(shí)，結(jié)合BPA 框架，測(cè)算出可以元件的舉證值，進(jìn)行前后標(biāo)準(zhǔn)的比對(duì)，獲取故障數(shù)據(jù)。

結(jié)合上述設(shè)定的自檢告警的保護(hù)定位標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前開關(guān)操作箱二次虛回路出現(xiàn)故障，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，針對(duì)多元件先進(jìn)行自檢告警BPA 定位分析處理，針對(duì)過程中存在的實(shí)際故障情況，不斷縮小實(shí)際的異常位置以及區(qū)域，為后續(xù)的故障定位奠定基礎(chǔ)條件。

1.3 構(gòu)建數(shù)字孿生開關(guān)操作箱二次虛回路故障定位模型

結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建開關(guān)操作箱二次虛回路故障定位模型。當(dāng)前先利用上述設(shè)計(jì)的自檢告警的保護(hù)定位標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)操作箱出現(xiàn)故障的位置進(jìn)行模糊標(biāo)定，同時(shí)獲取對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)、信息。隨后，通過數(shù)字孿生技術(shù)，在初始的模型中建立故障定位的映射，在合理的可信度范圍之內(nèi)，針對(duì)故障集合進(jìn)行舉證處理，并明確當(dāng)前的故障范圍，如下所示：

式中，K 表示模型識(shí)別的故障范圍，ΔU 表示定向故障感應(yīng)差值，η 表示感應(yīng)定位次數(shù)，S 表示覆蓋范圍，T表示重復(fù)定位次數(shù)。結(jié)合當(dāng)前測(cè)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型識(shí)別的故障范圍的計(jì)算?；诖朔秶淖兓{(diào)整模型的識(shí)別定位區(qū)域，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，改變對(duì)應(yīng)的映射條件，形成完整的模型定位結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2 數(shù)字孿生開關(guān)操作箱二次虛回路故障定位模型圖

結(jié)合圖2，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字孿生開關(guān)操作箱二次虛回路故障定位模型流程的設(shè)計(jì)。通過數(shù)字孿生技術(shù)的輔助，在不同的映射條件下，結(jié)合定位需求，改變對(duì)應(yīng)的故障識(shí)別定位目標(biāo)，降低定位誤差的沖突概率，確保定位結(jié)果的真實(shí)可靠，進(jìn)一步強(qiáng)化模型的故障定位能力。

1.4 舉證測(cè)驗(yàn)處理實(shí)現(xiàn)故障定位

開關(guān)操作箱二次虛回路形成的故障范圍一般較大，關(guān)聯(lián)問題也較難控制，各虛回路常常會(huì)出現(xiàn)交叉、重疊的故障狀態(tài)。針對(duì)當(dāng)前的故障元器件，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，設(shè)置故障定位的舉證規(guī)則，具體如下：當(dāng)舉證值為0 時(shí)，元器件狀態(tài)處于穩(wěn)定，當(dāng)舉證值大于0時(shí)，操作箱中的元器件A 與元器件B 進(jìn)行矩陣，一般形成的舉證值1～2，說明當(dāng)前的開關(guān)操作箱存在故障情況，需要通過模型進(jìn)行輔助定位識(shí)別，進(jìn)行多維測(cè)驗(yàn)分析，獲取最終的故障定位結(jié)果。

2 方法測(cè)試

此次主要是對(duì)基于數(shù)字孿生技術(shù)的開關(guān)操作箱二次虛回路故障精準(zhǔn)定位方法的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析與驗(yàn)證研究，考慮到最終測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性與可靠性，采用對(duì)比的方式展開分析，選定G 電力系統(tǒng)作為測(cè)試的主要目標(biāo)對(duì)象，參考文獻(xiàn)設(shè)定傳統(tǒng)圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開關(guān)操作箱二次虛回路故障定位測(cè)試組、傳統(tǒng)ER算法開關(guān)操作箱二次虛回路故障定位測(cè)試組以及此次所設(shè)計(jì)的數(shù)字孿生開關(guān)操作箱二次虛回路故障定位測(cè)試組。結(jié)合當(dāng)前設(shè)置，對(duì)最終得出的結(jié)果比照研究，接下來，基于數(shù)字孿生技術(shù)，進(jìn)行初始測(cè)試環(huán)境的搭建。

2.1 測(cè)試準(zhǔn)備

結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，對(duì)選定的G 電力系統(tǒng)內(nèi)部的開關(guān)操作箱的故障情況測(cè)試環(huán)境進(jìn)行關(guān)聯(lián)搭建處理。首先，進(jìn)行在控制程序中設(shè)定一個(gè)MU 合并單元，接入母差線路保護(hù)裝置，連接智能終端，設(shè)計(jì)一個(gè)智能化的控制程序。標(biāo)定出物理光纖回路，形成基礎(chǔ)性的智能保護(hù)監(jiān)測(cè)。其次，設(shè)定該開關(guān)操作箱二次回路共11 個(gè)元件，12 條線路，A1-A12 是二次回路中的12條虛回路。

當(dāng)前可以先明確故障識(shí)別定位的覆蓋范圍，并將12 條虛回路劃分為6 個(gè)測(cè)試區(qū)域，每一個(gè)區(qū)域部署一定數(shù)量的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間互相搭建，形成循環(huán)性的監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)?；诋?dāng)前的故障定位需求，設(shè)置測(cè)試控制指標(biāo)與參數(shù)，見表2。

表2 虛回路故障定位測(cè)試控制指標(biāo)與參數(shù)表

結(jié)合表2，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛回路故障定位測(cè)試控制指標(biāo)與參數(shù)的設(shè)置與調(diào)整。隨即，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，相對(duì)當(dāng)前開關(guān)操作箱的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、信息進(jìn)行采集，匯總之后，以待后續(xù)的比對(duì)應(yīng)用。接下來，在當(dāng)前的故障識(shí)別定位裝置中設(shè)置統(tǒng)一型號(hào)的傳感器，便于實(shí)時(shí)信息、數(shù)據(jù)的周期性采集，建立穩(wěn)定的孿生測(cè)試環(huán)境。

2.2 測(cè)試過程及結(jié)果分析

在上述搭建的測(cè)試環(huán)境之中，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，對(duì)開關(guān)操作箱二次虛回路故障精準(zhǔn)定位方法進(jìn)行具體測(cè)試和驗(yàn)證分析。首先，可以在控制程序中建立一個(gè)物理模型，并依據(jù)開關(guān)操作箱的運(yùn)行，設(shè)計(jì)一個(gè)輔助性的仿真程序。制定虛擬化的故障測(cè)試指令，共12 條，每一條的故障指令形成的二次虛回路虛擬性測(cè)試故障均是不同的，這樣做的目的在于確保最終故障定位結(jié)果的真實(shí)性與可靠性。其次，在虛擬空間中構(gòu)建故障識(shí)別映射，同時(shí)提取同周期開關(guān)操作箱二次虛回路的故障特征信號(hào)，并設(shè)定數(shù)字孿生動(dòng)態(tài)感知故障定位的測(cè)試原理，具體見圖3。

圖3 數(shù)字孿生動(dòng)態(tài)感知故障定位測(cè)試原理結(jié)構(gòu)圖示

結(jié)合圖3，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字孿生動(dòng)態(tài)感知故障定位測(cè)試原理結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐性分析。隨后，以此為基礎(chǔ)，將制定的虛擬故障測(cè)試指令導(dǎo)入當(dāng)前的測(cè)試環(huán)境之中，按照順序執(zhí)行指令，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，先對(duì)當(dāng)前的故障位置進(jìn)行感應(yīng)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)故障告警，過程中結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，依據(jù)實(shí)際的通信狀態(tài)，對(duì)虛回路故障元器件進(jìn)行舉證，測(cè)算出對(duì)應(yīng)的舉證值，如下所示：

式中，D 表示故障回路舉證值，K 表示異常覆蓋范圍，n表示可識(shí)別區(qū)域，n 表示告警次數(shù)，o 表示重復(fù)識(shí)別區(qū)域。結(jié)合當(dāng)前測(cè)試，得出故障回路舉證值，結(jié)合當(dāng)前各個(gè)階段故障回路舉證值的變動(dòng)，判定實(shí)際的故障程度，并縮小故障的定位范圍。舉證值過小，說明故障的范圍較小，反之，舉證值較大，對(duì)應(yīng)的故障范圍相對(duì)較大。結(jié)合各個(gè)周期的矩陣值變動(dòng)情況，利用專業(yè)的設(shè)備故障異常數(shù)據(jù)，并結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，進(jìn)行二次故障定位，同時(shí)計(jì)算出當(dāng)前故障定位誤動(dòng)次數(shù)，如下所示：

式中，N 表示故障定位誤動(dòng)次數(shù)，Q 表示故障關(guān)聯(lián)范圍，D 表示定位重復(fù)感應(yīng)次數(shù)，k 表示轉(zhuǎn)換比，w1和w2分別表示基礎(chǔ)定位區(qū)域和重復(fù)定位區(qū)域。結(jié)合當(dāng)前測(cè)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試結(jié)果的比對(duì)分析，見表3。

表3 測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析表

結(jié)合表3，得出以下結(jié)論：針對(duì)選定的6 個(gè)測(cè)試區(qū)域，對(duì)比于傳統(tǒng)圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開關(guān)操作箱二次虛回路故障定位測(cè)試組、傳統(tǒng)ER 算法開關(guān)操作箱二次虛回路故障定位測(cè)試組，此次所設(shè)計(jì)的數(shù)字孿生開關(guān)操作箱二次虛回路故障定位測(cè)試組最終得出的故障定位誤動(dòng)次數(shù)被控制在5 以下，說明在數(shù)字孿生技術(shù)的輔助下，所設(shè)計(jì)的故障定位方法更具針對(duì)性，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

結(jié)束語

綜上所述，便是對(duì)基于數(shù)字孿生技術(shù)的開關(guān)操作箱二次虛回路故障精準(zhǔn)定位方法的設(shè)計(jì)與實(shí)踐性分析，與初始的開關(guān)操作箱二次虛回路故障精定位形式相比對(duì)，此次結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，設(shè)計(jì)更為靈活、多變的輔助故障識(shí)別、定位結(jié)構(gòu)，大幅度縮短電力系統(tǒng)的故障排查時(shí)間和維護(hù)時(shí)間，加強(qiáng)對(duì)設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)的把控，提高故障定位處理的準(zhǔn)確性和效率。與此同時(shí)，在數(shù)字孿生技術(shù)的輔助支持下，定位的范圍也得到了擴(kuò)展延伸，在復(fù)雜的環(huán)境下，系統(tǒng)也可以精準(zhǔn)識(shí)別到具體的故障位置，獲取對(duì)應(yīng)的異常數(shù)據(jù)、信息，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)與行業(yè)邁入一個(gè)新的發(fā)展臺(tái)階。