基于IEC 61850的絕緣故障在線監(jiān)測系統(tǒng)通信研究

蔣程然 王青云 史塨毓

?

基于IEC 61850的絕緣故障在線監(jiān)測系統(tǒng)通信研究

蔣程然 王青云 史塨毓

（南京工程學院電力工程學院，南京 211167）

高壓電力設(shè)備的運行安全是電力系統(tǒng)關(guān)注的重點。本文針對電力系統(tǒng)中高壓電力設(shè)備的絕緣破壞故障，設(shè)計了一套基于IEC 61850標準GOOSE技術(shù)的在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用聲音探頭和超聲波探頭進行信號采集；使用并行長短時記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行故障特征提取和絕緣破壞故障識別與報警；最后，通過IEC 61850標準GOOSE技術(shù)實現(xiàn)了系統(tǒng)通信。實驗和仿真說明，本文提出的方法能夠準確地監(jiān)測局放與破壞兩類絕緣故障，識別精度高，基于系統(tǒng)樣機的通信實驗使用第三方軟件Wireshark抓取并分析了通信報文，證明了通信方案的實時性和可靠性。

高壓電力設(shè)備；絕緣故障；IEC 61850；GOOSE

21世紀以來，我國電網(wǎng)規(guī)模和自動化水平的發(fā)展都極為迅速[1-5]，電力系統(tǒng)的安全與可靠一直是需要考慮的重要問題。高壓電力設(shè)備作為電網(wǎng)的重要組成部分，它的運行安全會直接影響整個輸配電網(wǎng)絡(luò)。對于高壓電力設(shè)備來說，一旦發(fā)生絕緣故障會嚴重影響整個電力系統(tǒng)的安全[6-7]，在高壓電力設(shè)備的絕緣故障監(jiān)測方面，目前工程應(yīng)用大多還處于就地監(jiān)測、本地處理，對設(shè)備的綜合性能要求很高，提高了成本并且不利于與電力系統(tǒng)后臺服務(wù)器的集成。因此，針對高壓電力設(shè)備的絕緣故障實施在線監(jiān)測是極為必要的。文獻[8]針對高壓電力設(shè)備的局部放電現(xiàn)象，設(shè)計了一套基于嵌入式系統(tǒng)的紫外內(nèi)窺在線監(jiān)測系統(tǒng)。文獻[9]提出使用超聲波、超高頻及高頻電流等3種方法對局部放電現(xiàn)象進行監(jiān)測，經(jīng)試驗運行，完成了對故障信號的提取及定位。文獻[10]根據(jù)GIS（gas insulated switchgear）設(shè)備局部放電現(xiàn)象，分析了超高頻/超聲波監(jiān)測技術(shù)的適宜性和準確性。文獻[11]結(jié)合一起GIS電纜終端典型局放異常事例，分析了查找GIS電纜終端氣隙缺陷的方法。

傳統(tǒng)的絕緣故障檢測是通過閾值判別進行故障診斷，傳感器測量精度越高、抗干擾能力越強則故障識別越準確，但這種方式難以客觀高效地識別設(shè)備不同的狀態(tài)。本文使用并行長短時記憶（long short-term memory, LSTM）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行故障特征提取和絕緣破壞故障識別，長短時神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)解決了隨著時間間隔的增加容易出現(xiàn)梯度爆炸或梯度彌散的問題，并行運算的方式對監(jiān)測系統(tǒng)采集到的兩類數(shù)據(jù)進行處理，節(jié)約了運算資源，提高了識別效率。在系統(tǒng)通信方面，本文采用了IEC 61850標準GOOSE機制[12-13]，對絕緣故障監(jiān)測IED進行了建模分析，實現(xiàn)了系統(tǒng)的通信，使該系統(tǒng)能夠符合國際化變電站的通信標準，利于監(jiān)測系統(tǒng)與變電站服務(wù)器的集成管理。實驗和仿真說明，本文提出的方案能夠高效的判別高壓電力設(shè)備不同的運行狀態(tài)，具有識別精度高、實時性好等優(yōu)點。

1 絕緣故障信號采集與診斷

高壓電力設(shè)備在發(fā)生絕緣故障時，會伴隨有電壓、電流、溫度、聲音等現(xiàn)象，本文根據(jù)可聽聲和超聲波兩類信號對高壓電力設(shè)備內(nèi)部的絕緣狀況進行在線監(jiān)測，采用并行長短時記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行故障識別。建立識別模型流程如圖1所示。

圖1 建立識別模型流程圖

上述方法經(jīng)過Zernike矩陣計算得到Mel譜（ZMSF）參數(shù)后結(jié)合的輔助特征集合，對特征集合及其方差進行統(tǒng)計函數(shù)計算，輔助特征集合中包含的參數(shù)有：短時平均能量、短時平均幅度函數(shù)、短時平均過零率、短時自相關(guān)函數(shù)、MFCC梅爾倒譜相關(guān)參數(shù)、共振峰相關(guān)參數(shù)、線譜對LSP參數(shù)以及基音頻率。

首先將信號進行預處理，即進行分幀、加窗處理，本文使用漢明窗，實現(xiàn)公式為

得到分幀后的數(shù)據(jù)()，表示幀數(shù)，表示幀長。之后對數(shù)據(jù)進行短時傅里葉變換，得到傅里葉變化()，對其取模后再算其平方值，然后將所得譜線能量通過Mel濾波器，求取Mel譜能量，對數(shù)化后即可獲得能量參數(shù)()，對能量參數(shù)進行Zernike矩計算：

（2）

式中，為第個Mel濾波器（共個）；為DCT后的譜線，最后將pq()與DCT() 組合獲得ZMSF特征。然后再對數(shù)據(jù)進行其他特征提取和統(tǒng)計計算，得到數(shù)據(jù)集。

將預先獲取的可聽聲和超聲波兩類數(shù)據(jù)集放入上述并行LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中訓練，得出高壓電力設(shè)備正常工作狀態(tài)、局部放電狀態(tài)和絕緣破壞故障狀態(tài)的三套訓練參數(shù)，建立絕緣故障識別模型。并行LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)循環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2所示。長短時神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模塊圖如圖3所示。

并行LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法核心是引入新狀態(tài)C以期控制信息的變化，時刻，狀態(tài)C通過遺忘門確定c-1有多少成分保留于c中，并通過輸入門確定x有多少成分保留于c中；狀態(tài)S，輸出門通過控制單元c確定輸出o中有多少成分輸出到s。再同時輸入兩路數(shù)據(jù)，并且運算結(jié)果通過互饋控制器互相反饋，其中一方的運算結(jié)果終止或者加強另一方的運算，能夠節(jié)約運算資源并提高識別效率。

圖2 并行長短時神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)循環(huán)結(jié)構(gòu)圖

圖3 長短時神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模塊圖

輸入門實現(xiàn)公式為

遺忘門實現(xiàn)式為

輸出門中，首先需要計算經(jīng)過了輸入門和遺忘門的狀態(tài)C，所以c的實現(xiàn)公式為

為確定c保留在s中的成分，輸出的實現(xiàn)公 式為

這里o為時刻的輸出層上的狀態(tài)，最后經(jīng)過輸出門，保留在隱層上的成分為

2 系統(tǒng)設(shè)計與建模

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

在系統(tǒng)整體設(shè)計方面，考慮到絕緣故障在線監(jiān)測的技術(shù)特點，并結(jié)合IEC 61850信息分層的概念，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，系統(tǒng)采用雙處理器設(shè)計，在下行探頭采集到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳輸至參數(shù)采集IED，完成參數(shù)采集及初步處理，之后通過RS 485技術(shù)與絕緣故障監(jiān)測IED進行通信。絕緣故障監(jiān)測IED接收到上傳數(shù)據(jù)后，使用上述診斷方法進行故障識別，根據(jù)識別情況通過IEC 61850標準GOOSE通信技術(shù)完成數(shù)據(jù)的遠程傳輸及上送。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 IED信息建模

信息建模是IEC 61850實現(xiàn)統(tǒng)一標準、不同廠商設(shè)備之間實現(xiàn)互操作的重要基礎(chǔ)，IEC 61850標準采用了分層分類的建模思想，將每一個智能電子設(shè)備（intelligent electronic device, IED）用于通信交換的數(shù)據(jù)信息模型建模為共5個層次的信息模型，即服務(wù)器（Server）、邏輯設(shè)備（Logical Device）、邏輯節(jié)點（Logical Node）、數(shù)據(jù)（Data）以及數(shù)據(jù)屬性（Data Attribute）5層結(jié)構(gòu)，從上到下為包含關(guān)系，其信息模型的具體定義由IEC 61850-7-2/3/4三個部分完成。根據(jù)建模要求，將絕緣故障監(jiān)測IED按照功能分解成一個個功能模塊，每個功能模塊就是一個邏輯節(jié)點，多個邏輯節(jié)點的協(xié)同工作就能共同完成絕緣故障監(jiān)測IED的全部功能。列舉其模型的主要邏輯節(jié)點見表1。

表1 絕緣故障監(jiān)測IED相關(guān)邏輯節(jié)點及說明

序號邏輯節(jié)點類邏輯節(jié)點功能描述M/O 1LLN0管理邏輯節(jié)點訪問邏輯設(shè)備公共信息M 2LPHD物理設(shè)備邏輯節(jié)點建模物理設(shè)備公共信息M 3STMP溫度監(jiān)測監(jiān)測環(huán)境溫度O 4IARC日志存檔設(shè)備日志O 5SIFM絕緣故障監(jiān)測監(jiān)測可聽聲或超聲波信號M 6GGIO輸入、輸出無特殊邏輯節(jié)點描述的通用信息O

序號數(shù)據(jù)名公共數(shù)據(jù)類（CDC）描述 1ModeINC模式 2BehINS行為 3HealthINS健康狀態(tài) 4NamePltLPL邏輯節(jié)點銘牌 5InsuAlmSPS絕緣故障報警 6DschAcuSPS可聽聲監(jiān)測 7DschUltrSPS超聲波檢測

3 實驗與仿真

3.1 絕緣故障識別算法仿真

在現(xiàn)場共采集40次設(shè)備正常運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，每次采集50條，每條數(shù)據(jù)3min，將之裁剪為10s的片段，共36000條正常運行數(shù)據(jù)樣本；同理，采集到10次局放狀態(tài)數(shù)據(jù)樣本，每次采集10條3min數(shù)據(jù)，共1800條10s數(shù)據(jù)樣本；采集到100條10s絕緣破壞故障數(shù)據(jù)樣本。采集時可聽聲信號采用專業(yè)錄音麥克風進行錄音，采樣率48kHz；超聲波信號采用PXR04諧振式高靈敏度聲發(fā)射傳感器提取，采樣頻率160kHz。利用以上數(shù)據(jù)樣本分別建立訓練和識別數(shù)據(jù)集，在進行特征提取及訓練后，采用LSTM算法進行分類判斷。設(shè)定正常狀態(tài)為YB1，局部放電狀態(tài)為YB2，絕緣破壞故障狀態(tài)為YB3，仿真識別結(jié)果見表3。數(shù)據(jù)表明本文提出的方法可靠且識別精度高。

表3 基于LSTM的仿真識別結(jié)果

3.2 基于IEC 61850的系統(tǒng)實驗

本文在絕緣故障監(jiān)測IED側(cè)為實現(xiàn)GOOSE報文發(fā)送，選用了W5500網(wǎng)絡(luò)接口芯片，芯片集成了TCP/IP協(xié)議棧，10/100M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）及物理層（PHY），在配置Socket使用的協(xié)議模式時，配置使用MACRAW模式并使用Socket 0即可完成GOOSE報文的發(fā)送。

在服務(wù)器側(cè)（PC）為實現(xiàn)GOOSE機制，采用WinPcap（windows packet capture）底層協(xié)議包實現(xiàn)：①捕獲原始數(shù)據(jù)包；②根據(jù)用戶的需求，對數(shù)據(jù)包進行過濾；③通過網(wǎng)絡(luò)將原始數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。基于以上分析，系統(tǒng)運行及通信流程圖如圖5所示。

本文將每一幀GOOSE報文分為3個部分：GOOSE數(shù)據(jù)塊、GOOSE報文幀頭以及GOOSE報文APDU。3個部分各定義為一個結(jié)構(gòu)體，每次發(fā)送報文時，先給GOOSE報文幀頭結(jié)構(gòu)體和GOOSE數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)體賦值，再給APDU結(jié)構(gòu)體中的時間變量和計數(shù)變量賦值，然后把GOOSE數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)集賦值給APDU中對應(yīng)的變量，最后將GOOSE報文幀頭結(jié)構(gòu)體和APUD結(jié)構(gòu)體整合，完成報文的打包。

根據(jù)IEC 61850標準，GOOSE機制報文之間最小間隔為2ms，心跳報文之間間隔5s，所以本實驗設(shè)定3條報文之間間隔為2ms及5s。搭建樣機，發(fā)送報文后，通過第三方軟件Wireshark進行抓包驗證。如圖6所示，GOOSE報文之間延時誤差分別為0.081ms和0.037ms。使用TCP/IP協(xié)議棧，對同樣的報文設(shè)定同樣的時間間隔，通過Wireshark進行抓包，結(jié)果如圖7所示，TCP報文之間延時誤差分別為41.06ms和348.113ms。所以GOOSE機制在實時性上明顯更為優(yōu)越。

圖5 系統(tǒng)通信流程圖

圖6 Wireshark抓取GOOSE報文

基于樣機，模擬發(fā)生絕緣破壞故障，監(jiān)測服務(wù)器顯示報警，抓取報警報文內(nèi)容如圖8所示，Data數(shù)據(jù)設(shè)定正常為0，局部放電狀態(tài)為1，絕緣破壞故障為2，數(shù)據(jù)傳輸正確。

圖7 Wireshark抓取TCP報文

圖8 報警報文內(nèi)容解析

4 結(jié)論

對高壓電力設(shè)備進行絕緣故障在線監(jiān)測對電力系統(tǒng)的安全運行有著重要的意義，通過在線監(jiān)測能夠完成與變電站后臺服務(wù)器的集成，降低成本的同時提高了檢修效率。本文使用并行長短時記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對絕緣破壞故障進行特征提取和故障識別，并從通信的角度出發(fā)，基于IEC 61850標準和絕緣故障監(jiān)測進行研究，根據(jù)設(shè)備的功能建立了信息模型，并根據(jù)GOOSE技術(shù)的特點和需求設(shè)計了相應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，闡述了在線監(jiān)測系統(tǒng)的通信流程和實現(xiàn)方案，并與TCP協(xié)議進行了對比分析，為今后的研究和開發(fā)工作提供了參考價值。

[1] 祝碧賢. 500千伏變電站二次系統(tǒng)智能化改造研究[D]. 華北電力大學, 2017.

[2] 李大鵬. 基于IEC 61850訂閱發(fā)布方法的在線監(jiān)測信息系統(tǒng)[J]. 電氣技術(shù), 2014, 15(2): 86-89.

[3] 唐濤. 電力系統(tǒng)廠站自動化技術(shù)的發(fā)展與展望[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2004(4): 92-97.

[4] 朱何榮, 熊慕文, 孫園園, 等. 基于IEC 61850的智能化電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的研制[J]. 電氣技術(shù), 2013, 14(2): 58-63.

[5] 張旭, 劉逸凡, 寇新民, 等. 基于Lib IEC 61850庫的智能變電站SF6狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電氣技術(shù), 2018, 19(1): 90-93.

[6] 唐炬, 楊東, 曾福平, 等. 基于分解組分分析的SF6設(shè)備絕緣故障診斷方法與技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J]. 電工技術(shù)學報, 2016(20): 41-45.

[7] 周軍, 朱博楠, 楊圣強, 等. 基于動態(tài)差值法的直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測技術(shù)[J]. 電工技術(shù)學報, 2015, 30(1): 235-241.

[8] 文軍, 何為, 李春輝, 等. 高壓電力設(shè)備放電在線監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 電力自動化設(shè)備, 2010(6): 135-139.

[9] 張智, 施曉芬, 賈全倉. 局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)研制與超聲定位研究[J]. 工業(yè)儀表與自動化裝置, 2014(5): 40-44.

[10] 姚勇, 岳彥峰, 黃興泉. GIS超高頻/超聲波局放檢測方法的現(xiàn)場應(yīng)用[J]. 高電壓技術(shù), 2008, 34(2): 422-424.

[11] 任志剛, 叢光, 李華春, 等. GIS電纜終端缺陷綜合局放診斷與分析[J]. 高壓電器, 2014(3).

[12] IEC 61850. Communication networks and systems for power utility automation[S]. Ed 2.0, 2010.

[13] IEC 61850. Communication networks and systems in substations[S]. Ed 1.0, 2003.

[14] 高志遠, 黃海峰, 徐昊亮, 等. IEC 61850應(yīng)用剖析及其發(fā)展探討[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2018(1): 162-169.

[15] 任雁銘, 操豐梅. IEC 61850新動向和新應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2013, 37(2): 1-6.

Communication research on insulation fault online monitoring system based on IEC 61850

Jiang Chengran Wang Qingyun Shi Gongyu

(School of Electric Power Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167)

The operational safety of high voltage power equipment is the focus of the power systems. Aiming at the insulation failure of high voltage power equipment in power systems, an online monitoring system based on IEC 61850 standard GOOSE technology is designed in this work. This monitoring system uses sound and ultrasonic probe to collect signals, extracts the characteristics of the fault and identifies the insulation failure using parallel Long Short-Term Memory algorithm. Finally, the system communication is based on the IEC 61850 standard GOOSE technology. Simulation results show that the method proposed in this paper can accurately monitor both Partial Discharge and Destructive failure of insulation. The system prototype based communication experiments use the third party software Wireshark to capture and analyze the communication messages, and experiment results show that the communication scheme is prompt and reliable.

high voltage power equipment; insulation failure; IEC 61850; GOOSE

2018-06-26

蔣程然（1993-），男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)通信和變電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。

南京工程學院校企合作項目（KN16-14）