基于多源數(shù)據(jù)融合的電網(wǎng)故障輔助分析

吳 漾，孔慶波

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司，貴陽550000；2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司信息中心，貴陽550000）

隨著我國電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)運行中不斷涌入了更多的設(shè)備，如智能電子設(shè)備、故障錄波器和一些保護設(shè)備，導(dǎo)致電網(wǎng)負荷越來越大[1]，故障發(fā)生時系統(tǒng)自動傳來的大量不必要信息，嚴(yán)重阻礙了故障的及時分析。另外，信息缺失以及設(shè)備所提供的信息量有限等因素也嚴(yán)重影響了故障分析的準(zhǔn)確性[2]。因此，及時對復(fù)雜的故障問題進行分析解決，保證其可以更加安全穩(wěn)定的運行具有重要意義[3-4]。如何通過異構(gòu)多信息源數(shù)據(jù)融合得到有效的故障輔助分析信息，逐漸成為研究的熱點。文獻[5]對變電綜合自動化領(lǐng)域的優(yōu)化設(shè)計進行了分析，簡化了系統(tǒng)配置也有效提高了自動化水平，但不能綜合利用錄波器的模擬量信息和開關(guān)量信息。文獻[6]對國調(diào)的電網(wǎng)故障分析系統(tǒng)進行了分析，該系統(tǒng)呈現(xiàn)的信息量與故障程度呈正相關(guān)，但存在信息介入不規(guī)范、應(yīng)用區(qū)分不充分的問題。文獻[7]對國外KJT公司的OPEN 系統(tǒng)進行分析，其與故障分析系統(tǒng)類似，具備數(shù)據(jù)倉庫的結(jié)構(gòu)，可以及時對故障進行分析并處理，同時也存在一些不足，如故障診斷方法老舊、沒有綜合利用異構(gòu)信息等。本文基于多源數(shù)據(jù)融合的電網(wǎng)故障分析為中心展開，研究了一些故障分析算法，提出并仿真驗證了所提電網(wǎng)故障分析方法，以期為電網(wǎng)的故障輔助分析提供更加準(zhǔn)確有效的途徑，有著重要的理論參考價值。

1 電網(wǎng)故障輔助分析系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由主站和子站構(gòu)成，整體呈現(xiàn)出分布分層的趨勢，而構(gòu)成總系統(tǒng)的主站位于調(diào)度端，其余子站全部位于變電站內(nèi)，如圖1所示。子站系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進行過濾分級、協(xié)議轉(zhuǎn)換，并對設(shè)備進行監(jiān)控和管理，然后上傳至主站一些有效的信息。子站可實現(xiàn)故障的簡單分析；而主站可實現(xiàn)跟EMS/SCADA 系統(tǒng)的所有上傳數(shù)據(jù)進行共享，將子站上傳來的信息數(shù)據(jù)進行集中整理，實現(xiàn)高級應(yīng)用并傳至不同的功能區(qū)域。主站和子站之間是通過公用電話網(wǎng)、電力數(shù)據(jù)網(wǎng)等一些廣義上的通信網(wǎng)絡(luò)進行連接從而形成一個整體。

圖1 總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure

1.2 系統(tǒng)子站結(jié)構(gòu)和功能

系統(tǒng)的子站通過將不同接口的錄波器和保護裝置接線接入工控機，在一臺工控機上選擇開發(fā)模式，采用了內(nèi)置或者外置的擴展接口卡。其中的工控機起到了重要作用，如數(shù)據(jù)分析、信息采集和數(shù)據(jù)存儲，實現(xiàn)和主機的通信。該結(jié)構(gòu)在不影響網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和變電站內(nèi)設(shè)備正常運行的情況下，可以將保護接入子站系統(tǒng)，通過轉(zhuǎn)換裝置以光纖的方式。而保護管理機在物理連接上支持以太網(wǎng)、LonWorks、RS-458、RS-232 等方式與錄波器，自動裝置，保護裝置進行連接，將其他設(shè)備上傳來的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的格式。

在子站可以實現(xiàn)簡單的分析功能，如對信息進行協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)和轉(zhuǎn)換，對錄波器及保護等設(shè)備的信息采集等，其功能可分為故障分析、運行管理、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)采集等模塊。

1.2.1 故障分析功能

實現(xiàn)一些簡單的故障分析功能，如單端測距功能、利用本地信息和模糊Petri 網(wǎng)的故障診斷、波形顯示以及將分析結(jié)果做成簡報上傳至主站。

1.2.2 運行管理

首先對信息進行采集，然后保存到數(shù)據(jù)庫中，進行查詢和控制。而主要采集的信息包括很多，主要分為通信狀態(tài)、異常警告、保護動作等，最后將這些采集的信息跟主站進行連接，進行下一步操作，如查詢一些歷史記錄，修改某些定值等。

1.2.3 信息分級過濾

子站在發(fā)生故障時，會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，如果將所有這些數(shù)據(jù)都上傳至主站，不僅給工作人員帶來許多不方便，且會造成網(wǎng)絡(luò)擁堵，所以根據(jù)需求對這些信息數(shù)據(jù)進行分級處理和過濾是非常有必要的。

對信息進行處理主要分為等待查詢信息和主動上傳信息兩大類。等待查詢信息滿足完整性和準(zhǔn)確性，主要用于對故障發(fā)生后的分析；而主動上傳信息則是在故障發(fā)生的第一時間進行上傳。響應(yīng)的上傳規(guī)則，如表1所示。

表1 上傳規(guī)則Tab.1 Upload rules

第1 級信息并非故障時的信息，主要用于定值的校核以及設(shè)備的維護，與電力系統(tǒng)的故障沒有直接相關(guān)；第2 級信息主要為等待查詢信息，主要用于故障后的分析；第3、4 級信息為主動上傳的信息，所形成的故障簡報主要為繼保和運行人員提供故障分析結(jié)論，如保護行為分析、故障診斷等。

1.2.4 格式轉(zhuǎn)換

由于所有設(shè)備的型號不同，出自不同的廠家，通信協(xié)議自然存在很大的差異。利用保護管理機作為通信介質(zhì)對數(shù)據(jù)進行高效利用，不但方便了數(shù)據(jù)的采集和高效利用，還可以統(tǒng)一保護并接入保護管理機。

1.3 系統(tǒng)主站結(jié)構(gòu)和功能

主站可以和以下的子站全部進行連接，之后彼此之間可以通信并傳達消息，如圖2所示。

圖2 主站結(jié)構(gòu)Fig.2 Main station structure

兩站之間常用通信有2 種方式：一種是由電力通信網(wǎng)或公用電話以撥號的方式進行通信；另一種是由電力數(shù)據(jù)網(wǎng)通過IP/TCP 方式進行通信。目前國內(nèi)的電力發(fā)展迅速，所有的變電站大都被光纖覆蓋，所以第二種成為主要的通信方式。

單獨設(shè)置的數(shù)據(jù)服務(wù)器可以避免訪問頻繁及數(shù)據(jù)量大的弊端，提高數(shù)據(jù)應(yīng)用的效率。配備了2臺通信服務(wù)器，且都與公用電話網(wǎng)和電力數(shù)據(jù)網(wǎng)連通，可以保證故障信息的可靠上傳，提高子站和主站之間數(shù)據(jù)交換及通信的可靠性。

由于對于信息分析的需求越來越多，所以我們更加精確地設(shè)計了其主要功能，使得這些功能在配合設(shè)備運行時可以對分析人員及操作人員帶來更多的方便，主要的功能模塊分為以下幾種：

綜合分析模塊該模塊主要由顯示的波形分析后，經(jīng)過故障選項算法進行計算，向故障分析系統(tǒng)傳送更準(zhǔn)確的信息，方便用戶更精確地對故障進行診斷分析。

數(shù)據(jù)庫模塊該模塊能夠存儲電網(wǎng)的原始配置參數(shù)，同時刷新存儲所包含的信息并實現(xiàn)對于數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的備份以備查詢。

信息管理模塊該模塊包含報警信息、查詢統(tǒng)計、裝置的設(shè)備動作管理、圖形界面管理、WEB 信息發(fā)布等功能，可以顯示告警信息并對歷史的故障數(shù)據(jù)進行更有效的查詢，以此對設(shè)備的狀態(tài)進行密切監(jiān)視，同時通過圖形化的界面向用戶和其他系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)。

通信模塊該模塊主要包括子站數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)共享、GPS 對時的功能，保證信息上傳、共享及同步的可靠性。

2 基于多數(shù)據(jù)融合的電網(wǎng)故障輔助分析

2.1 開關(guān)量故障度

通過推理開關(guān)量信息并利用模糊Petri 網(wǎng)得到各個元件的故障概率，同時需要對結(jié)果進行歸一化處理，第i 個元件的開關(guān)量故障度即為PDi。

2.2 能量故障度

通過Hilbert 變換并利用頻率和瞬時幅值，取前3 個IMF 分量，得到所有IMF 分量的能量表征。發(fā)生故障即會產(chǎn)生這一個頻段的能量變化，然后根據(jù)這些變化對其進行詳細的量化分析。

假設(shè)發(fā)生故障時，第i（i=1，2，…，n）個設(shè)備元件的固有能量定義為Ei1，…，Eik，…，Eil則：

2.3 頻率故障度

故障發(fā)生時，電網(wǎng)中的信號會摻雜很多高頻率的暫態(tài)信息，導(dǎo)致頻率變化極大。根據(jù)容易由頻率變化而引起改變的HHT，對于發(fā)生故障線路詳細的進行分析。

假設(shè)發(fā)生故障時，將第i（i=1，2，…，n）個設(shè)備元件的固有頻率定為fi1，…，fik，…，fil，則定義：

2.4 幅值故障度

一旦發(fā)生故障，每一條線路中就會因為短路電流的存在而產(chǎn)生極大變化的幅值，根據(jù)這些幅值變化特性進行分析，通過比較前后幅值的不同和變化值對故障程度進行精確的輔助分析。

假設(shè)發(fā)生故障時，將第i（i=1，2，…，n）個設(shè)備元件的瞬時頻率定義：

此時的AiFiWi并不能作為理論證據(jù)，歸一化處理得到第i 個元件的輔助故障度、頻率故障度以及能量故障度。

2.5 基于多數(shù)據(jù)融合的電網(wǎng)故障輔助分析

根據(jù)繼電器保護故障信息系統(tǒng)獲取電氣量，并通過SCADA 系統(tǒng)對開關(guān)量信息進行獲取，獲取了這些信息之后詳細的對其進行處理和提取。通過HHT 對電氣量進行分析，利用Petri 對開關(guān)量進行精準(zhǔn)的分析，最后通過證據(jù)理論在決策融合層對故障度進行診斷融合，得到結(jié)果，輔助分析流程，如圖3所示。

3 仿真分析

以我國北方的某次真實電網(wǎng)故障為基礎(chǔ)，對本文所提到的分析方法進行了仿真分析。本次的電路故障是發(fā)生在L1 線路上，因為關(guān)聯(lián)的斷路器和保護裝置的動作，有6 條路線發(fā)生了跳閘，電網(wǎng)的接線情況如圖4所示。

本次的故障過程解析為

（1）L11處出現(xiàn)短路即AC 接地，B15處的距離保護、高頻、零序同時發(fā)生動作，故Q11斷路器跳開；

圖3 輔助分析流程Fig.3 Flow chart for auxiliary analysis

圖4 仿真分析接線圖Fig.4 Simulation and analysis wiring diagram

（2）B11處的斷路器并沒有斷開，所以導(dǎo)致B18處的保護動作觸發(fā)了Q17處的的斷路器；

（3）L14處的零序保護動作觸發(fā)了Q13、Q14處的斷路器，通過分析認為是誤動。

（4）B11、B2處的保護沒有發(fā)生動作，使得Q0、Q2處的斷路器并沒有跳開，導(dǎo)致1-4 號表電器沒有發(fā)生斷路動作。

（5）B11處的保護器沒有發(fā)生動作，使得Q7、Q8、Q24處的斷路器跳開，同時L15，B1處的保護器誤動致使跳閘。

根據(jù)以上方法對這次故障進行詳細的分析，對于每一條線路都根據(jù)所提到的HHT法進行信息提取，如開關(guān)量、能量、頻率、幅值等，最后對結(jié)果進行融合分析處理，如表2所示。

表2 融合分析結(jié)果Tab.2 Fusion analysis results

由此結(jié)果可以得出，本次故障的發(fā)生主要原因確實是發(fā)生在L1線路上，其余線路問題全部屬于非故障因素，和實際狀況相同，沒有異議。此外，不按照多源數(shù)據(jù)融合的辦法進行分析的話，僅僅通過開關(guān)量故障進行分析，會認為L1、L4、L12處的元件均為發(fā)生故障，得出很不精確的結(jié)果。

4 結(jié)語

基于多源數(shù)據(jù)融合的電網(wǎng)故障分析為中心展開，研究了一些故障分析算法，并仿真驗證了所提電網(wǎng)故障分析方法，得出了以下結(jié)論：①基于SQL Server2008和Visual C++6．0 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，改進了分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能，并且在此基礎(chǔ)上提出了具體的設(shè)計改進方案；②對基于多數(shù)據(jù)融合的電網(wǎng)故障輔助分析方法進行了研究，利用模糊Petri 網(wǎng)對開關(guān)量進行分析，并利用HHT 算法對電氣量進行分析后，融合這些算法所提取的表征，可以得到更加精確的分析結(jié)果；③最后通過實際故障仿真案例驗證了所提分析方法，確實有效提高了故障輔助分析方法的精準(zhǔn)度，可以有效的避免斷路器及保護器的誤動、拒動所帶來的負面影響，為更有效的故障輔助分析提供了理論指導(dǎo)。