基于粗糙集的變電站直流系統跳閘故障診斷方法研究

冉 迪，王來源

國網寧夏電力有限公司超高壓公司，寧夏 銀川 750000

0 引言

近年來，社會建設與發展速度加快，各行業領域的生存與發展都需要電力資源的支持，人們在生產生活中對電能的依賴性逐漸增強，因此對電網供電安全的要求越來越高。直流系統是變電站二次系統的主要電源，若直流系統發生故障，會損害電網設備。盡管目前有多種手段為電網運行提供保障，但直流系統仍然會在運行中出現斷路器誤動或拒動現象，導致跳閘故障等情況。為了避免故障范圍進一步擴大，需要對故障作出正確的判斷，采取有效措施盡快恢復變電站二次設備的運行[1]。

變電站直流系統的組成包括充電裝置、直流饋線屏、蓄電池等，為了保證變電站直流系統運行的穩定可靠，直流系統中還安裝了絕緣監測裝置、蓄電池電壓監測裝置、交竄直監測裝置等，便于及時發現直流系統的故障并發出告警信息[2]。為了對變電站直流系統進行檢修與維護，需要對變電站直流系統進行故障診斷，并通過相應的方法處理不同類型的故障。目前的故障診斷方法的容錯性較低，且實時性和準確度均有待提高，因此需要提出新的故障診斷方法。粗糙集理論具備較強的分類能力，能夠通過知識約簡來簡化決策系統，在變電站故障診斷中得到應用。文章對直流系統跳閘故障診斷進行研究，為提高變電站直流系統跳閘故障診斷方法的準確性提供了重要的參考依據，對推動智能電網建設具有現實意義。

1 故障診斷方法

1.1 變電站直流系統故障信息在線監測

變電站直流系統的安全性影響電力系統的穩定運行，為了保證在可靠運行條件下的在線監測，在測量時應避免對開關操作造成影響，避免出現開關誤操作的情況[3]。對直流系統中交流的竄入進行監測時，當交流電竄入直流系統后，直流正負母線間電壓不會產生明顯變化，而直流母線對地電壓波形為正弦波形，因此對直流系統對地電壓進行監測，根據對地電壓變化情況判斷直流系統中是否存在交流電竄入。著重考慮將交流電壓值從疊加的故障電壓中分解測量，可以利用差分電壓法，進行電壓采樣，在一個采樣周期內的采樣點數n為

式中：p為交流電竄入直流系統的頻率；Δt為采樣時間間隔。

將一個周期內采集到的電壓和下一個周期采集到的電壓相減，計算有效竄入直流系統的交流電的電壓值U，具體公式為

式中：Δu1,…,Δun為差值處理后的電壓值；γ為校正系數；n為采樣次數。

經處理得到交流電竄入直流系統的有效值。通過智能監測裝置的自檢功能[4]，根據模擬量采樣和數字量采樣的實時比較，判斷采樣單元是否正常，確保在線監測功能的實現。

1.2 基于粗糙集的直流系統故障診斷規則提取

文章基于粗糙集進行知識挖掘，便于在變電站直流系統出現故障時及時判斷故障區域。不同的變電站具有不同的直流系統結構，需要獲取變電站直流系統的故障診斷知識，提取變電站直流系統的故障診斷規則[5]。將變電站直流系統中的故障數據作為跳閘故障決策的條件樣本數據，構建故障樣本集，對其進行化簡，刪除冗余知識，獲取診斷規則。假設粗糙集合T=（U，R）為故障診斷規則庫。其中，R為有限集，且不為空集。如果集合R中的元素r為必要元素，則該數據為必要數據，不進行冗余數據的刪除處理。若粗糙集中各元素r都是必要的，則該集合為獨立的，反之，該集合為相關的。變電站直流系統的故障診斷電路如圖1所示。

圖1中，Rx和Ry分別為正負母線的對地絕緣電阻，在正常無接地時，可認為其電阻值接近∞；Rb1和Rb2為平衡電阻；Rc1和Rc2為測試橋電阻；h1和h2為繼電器接點；CT1和CTn為電流傳感器。根據直流系統結構，建立故障樣本決策表，表中條件屬性取值為0時，未出現直流接地故障；取值為1時，出現直流接地故障。決策屬性為故障區域，通過屬性重要度進行約簡，將決策表中的冗余記錄刪除。根據約簡要求完成對變電站直流系統跳閘故障診斷規則的提取，用于變電站直流系統跳閘故障診斷。

圖1 變電站直流系統故障診斷電路

1.3 建立變電站直流系統跳閘故障診斷模型

根據故障區域決策表進行約簡后，以神經網絡為對應，建立變電站直流系統跳閘故障診斷模型，實現故障診斷。文章基于粗糙集理論，對變電站直流系統跳閘故障知識進行挖掘，消除數據中存在的干擾，完成屬性選擇的優化，訓練輸入樣本和輸出樣本，建立變電站直流系統跳閘故障診斷區域的診斷模型。在基于神經網絡的直流系統跳閘故障診斷模型結構中，造成直流系統跳閘故障的原因有多種，其中，直流系統的接地故障是引起跳閘故障的重要原因。斷路器出現變位信息錯誤和缺失的情況會對跳閘故障區域和故障點的定位形成一定的干擾，為了盡可能地降低該情況對跳閘故障診斷的影響，需要識別與確定跳閘故障區域的邊界。在變電站直流系統發出故障告警后，及時檢查直流系統中的饋線開關狀態，查找故障區域，監測各元件參數，對參量超過閾值的元件進行故障診斷，便于后期變電站運維人員的檢修工作。

2 方法驗證

為了驗證文章設計的方法對變電站直流系統的跳閘故障診斷效果，以110 kV變電站為實驗對象，通過與其他診斷方法對比的方式，分析文章設計的方法對變電站直流系統跳閘故障的診斷效果。該110 kV變電站包括母線、充電裝置、直流饋線屏、蓄電池、絕緣監測裝置、蓄電池電壓監測裝置、交竄直監測裝置等。故障屬性約簡利用rose2約簡軟件進行。所用計算機主機CPU為intel酷睿i5處理器，2.0 GHz；硬盤Seagate 2 TB，內存為4 GB，800 MHz；操作系統為Windows server 2010。首先對直流系統中的交流竄入的交流電壓監測結果進行分析，模擬在直流母線上竄入10～200 V的交流電壓，驗證文章設計的故障診斷方法在直流系統交流電壓竄入監測中的監測結果準確度，具體結果如表1所示。

表1 直流系統交流竄入監測結果

由表1可知，直流系統母線在發生交流竄入時，文章設計的跳閘故障診斷方法能夠對交流電壓實現有效監測，在竄入的交流電壓不斷增大的條件下，負母線與大地之間的測量值誤差逐漸減小，且總體上對直流系統母線的交流竄入交流電壓測量值誤差均在5.00%以內，證明文章設計的方法具有較好的監測效果。

在故障監測信息準確的情況下，對不同案例的診斷結果如表2所示。

表2 不同方法故障診斷結果對比

由表2可知，不同故障診斷方法的診斷結果較為一致。在案例4中，由于T1的繼電器保護信息丟失，傳統方法2出現了錯誤診斷情況；在案例3中，由于斷路器不運行，傳統方法1出現錯誤診斷情況。由此可見，文章設計的方法在部分故障報警信息丟失的情況下，仍能得到準確的故障診斷結果。為了進一步驗證不同方法在不同告警信息缺失情況下的故障診斷準確性，對不確定的告警信息比進行定義，具體公式為

式中：G為不確定的告警信息比；K為接收到的告警信息數量；K1為不確定的告警信息數量。

將不同診斷方法在不確定的告警信息數量條件下進行測試，共進行10輪，對比不同方法在跳閘故障診斷的準確率precision，具體計算公式為

式中：f為故障診斷正確數；b為故障診斷錯誤數。

根據式（4）得到不同方法的跳閘故障診斷準確率。在不確定的告警信息比在2%以內時，不同方法的準確率均為100%；在不確定的告警信息比逐漸提高后，文章設計的方法的跳閘故障診斷準確率有所下降，但總體較為穩定，兩種傳統方法的跳閘故障診斷準確率有大幅度的下降，證明兩種傳統方法受不確定的告警信息比的影響較大。由此可見，文章設計的方法在不確定的告警信息比不斷上升的條件下準確率最高。

驗證不同故障診斷方法在診斷過程中的可靠性，文章設計的跳閘故障診斷方法能夠對故障點進行準確預測，且跳閘故障點定位所需時間最短，所需人員最少，證明文章設計的方法能夠提高變電站直流系統的安全性和可靠性，方法具有可行性。

3 結束語

文章通過實驗論證分析進行對比研究，實驗結果表明，直流系統母線在發生交流竄入時，文章設計的跳閘故障診斷方法能夠對交流電壓實現監測，對故障點進行準確預測，為后面實現對變電站直流系統跳閘故障的診斷提供實驗基礎。同時，由于時間和條件的限制，文章的研究還存在諸多問題，需要在今后的研究中不斷改進和完善，如文章對變電站直流系統跳閘故障的預警內容涉及較少，未涉及直流系統跳閘故障處理的內容。在未來的研究中，需要深入探索，不斷豐富研究內容，提升跳閘故障診斷的準確度，加強跳閘故障診斷方法的實用性。