基于深度學(xué)習(xí)的站用交直流電源系統(tǒng)故障診斷方法

鄧剛，葉 偉，程 磊，宋海波

（安徽南瑞繼遠(yuǎn)電網(wǎng)技術(shù)有限公司，安徽合肥 230031）

交直流電源系統(tǒng)主要向變電所設(shè)備供電，是電力系統(tǒng)中安全傳輸?shù)年P(guān)鍵[1]。該系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，就會(huì)引發(fā)電網(wǎng)事故。交流、直流電源系統(tǒng)中普遍存在的問題有蓄電池插座無保險(xiǎn)絲或保險(xiǎn)絲未報(bào)警，電池出口保險(xiǎn)絲報(bào)警信號未上載到控制部門等，因此，有必要對電源系統(tǒng)的故障狀態(tài)進(jìn)行診斷。

文獻(xiàn)[2]方法提出了基于遺傳算法的多核函數(shù)最小二乘支持向量機(jī)的控制圖模式識別方法，有效地解決了小樣本模式分類問題。但是，當(dāng)該方法用于HVDC 電源診斷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)混合故障現(xiàn)象；文獻(xiàn)[3]提出了一種改進(jìn)的FFT-BP 算法，解決了小信號的偏移問題，利用預(yù)處理得到的諧波參數(shù)信息，其運(yùn)算速度更快，但受到干擾信號的影響，診斷結(jié)果不準(zhǔn)確。

為解決以往方法存在的問題，結(jié)合深度學(xué)習(xí)方法，診斷站用交直流電源系統(tǒng)故障。

1 基于深度學(xué)習(xí)故障診斷原理

基于深度學(xué)習(xí)的系統(tǒng)故障診斷結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于深度學(xué)習(xí)的系統(tǒng)故障診斷結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，在完成無監(jiān)督學(xué)習(xí)之后，將每層訓(xùn)練后的數(shù)據(jù)進(jìn)行組合排列，形成深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)[4]。將深度學(xué)習(xí)方法應(yīng)用于電站交直流供電系統(tǒng)的故障診斷中，不需要設(shè)置診斷樣本數(shù)，而是在診斷過程中不斷增加數(shù)據(jù)量，直到設(shè)置的虛警率控制系數(shù)和目標(biāo)閾值皆達(dá)到最大值，停止校準(zhǔn)[5]。

經(jīng)過有監(jiān)督微調(diào)過程后，輸出不同故障診斷結(jié)果，設(shè)故障變量為隨機(jī)變量X，其標(biāo)準(zhǔn)取值范圍如下所示：

式（1）中，k表示故障種類，其是隨機(jī)變量中的一種概率分布。

2 站用交直流電源系統(tǒng)故障診斷方案設(shè)計(jì)

2.1 直流回路接地故障

在t時(shí)刻，構(gòu)建如下假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停?/p>

H0：Xt服從P0(Xt)，系統(tǒng)正常；

H1：Xt服從Pk(Xt)，系統(tǒng)出現(xiàn)了故障。

當(dāng)站用交直流電源系統(tǒng)正接地或者負(fù)接地時(shí)，只存在一個(gè)接地點(diǎn)，不能形成回路，也不會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)跳閘問題，不會(huì)影響設(shè)備的正常使用[6-9]。然而，當(dāng)接地點(diǎn)一側(cè)的母線電壓逐漸降低后，另一側(cè)的非接地點(diǎn)母線電壓持續(xù)上升，絕緣裝置會(huì)發(fā)出報(bào)警信號。此時(shí)，設(shè)備雖然可以正常工作，但必須盡快清理接縫，否則兩點(diǎn)接地后的開關(guān)就被拒動(dòng)或誤動(dòng)，將導(dǎo)致嚴(yán)重的電網(wǎng)事故[10]。

跳閘回路直流系統(tǒng)接地情況如圖2 所示。

圖2 跳閘回路直流系統(tǒng)接地情況

由圖2 可知，正接地是指在電源正極側(cè)發(fā)生的接地，負(fù)接地是指在電源負(fù)極側(cè)發(fā)生的接地。圖2中，共有A、B、C、D、E、F 六個(gè)接地點(diǎn)，每個(gè)接地點(diǎn)的位置各不相同。當(dāng)斷路器處于合位時(shí)，A 為正接地點(diǎn)，F(xiàn) 為負(fù)接地點(diǎn)，B、C、D、E 為回路中的接地點(diǎn)[11]。依據(jù)圖2 所示的結(jié)構(gòu)，對故障原因進(jìn)行詳細(xì)分析，并確定斷路器無法穩(wěn)定工作時(shí)的觸點(diǎn)閉合狀態(tài)[12]。

2.1.1 正接地分析

假設(shè)A 點(diǎn)發(fā)生正接地，討論B、C、D、E 四個(gè)位置發(fā)生接地時(shí)的情況。

1）當(dāng)A、B兩點(diǎn)直接接地時(shí)，保護(hù)裝置中的GOOSE接地點(diǎn)處于短接狀態(tài)，此時(shí)，繼電器處于閉合狀態(tài)，當(dāng)閉合器獲取電流后才能開始工作。這時(shí)，觸點(diǎn)處于閉合狀態(tài)，因而，線圈接通，斷路器誤以為是電源供電，誤以為產(chǎn)生電源故障[13]。

2）當(dāng)A、C 兩點(diǎn)直接接地時(shí)，繼電器出現(xiàn)了短接情況，此時(shí)，線圈接通后，產(chǎn)生電流，斷路器出現(xiàn)誤跳現(xiàn)象。

3）A、D 兩點(diǎn)接地時(shí)，電流線圈短路，造成斷路器誤跳閘。

4）當(dāng)A、E 兩點(diǎn)接地時(shí)，兩操作手柄之間的距離縮短，此時(shí)，保護(hù)不動(dòng)作，斷路器自動(dòng)跳閘，則為誤跳閘[14]。

2.1.2 負(fù)接地分析

假設(shè)F 點(diǎn)發(fā)生正接地，討論B、C、D、E 四個(gè)位置發(fā)生接地時(shí)的情況。

1）當(dāng)繼電器短路后，F(xiàn)、B 兩點(diǎn)直接接地，此時(shí)，保護(hù)裝置向系統(tǒng)發(fā)送跳閘預(yù)警信號。GOOSE 接地點(diǎn)處于閉合狀態(tài)，然而由于出口處的繼電器短路，使得出口處的繼電器無法正常工作，最終出現(xiàn)跳閘故障[15]。

2）當(dāng)F、C 兩點(diǎn)直接接地時(shí)，斷路器常觸點(diǎn)斷開，此時(shí)線圈短路，出口處的繼電器無法正常工作，最終出現(xiàn)跳閘故障。

3）當(dāng)F、D 兩點(diǎn)直接接地時(shí)，線圈短路，出口處的繼電器無法正常工作，最終出現(xiàn)跳閘故障。

4）當(dāng)F、E 兩點(diǎn)直接接地時(shí)，GOOSE 接地點(diǎn)處于閉合狀態(tài)，插座繼電器通電，直流電流需要通過電阻和信號燈返回負(fù)極[16]。當(dāng)電流分配時(shí)，線圈勵(lì)磁電流不足，斷路器工作不正常，斷路器故障。

2.1.3 正接地和負(fù)接地同時(shí)發(fā)生

當(dāng)A、F 兩點(diǎn)直接接地時(shí)，產(chǎn)生了電源短路現(xiàn)象，導(dǎo)致1KD 和2KD 空轉(zhuǎn)斷開，整個(gè)直流回路失去保護(hù)。為此，當(dāng)接觸點(diǎn)直接接地后，無論是正接地還是負(fù)接地，都會(huì)引起斷路器出現(xiàn)錯(cuò)誤執(zhí)行現(xiàn)象。

2.2 寄生回路故障

針對寄生回路故障，應(yīng)計(jì)算t+l時(shí)的對數(shù)似然概率，公式為：

式（2）中，Pk表示出現(xiàn)誤報(bào)警的概率，P0表示漏報(bào)警的概率。

設(shè)定檢驗(yàn)停止法則為：

式（3）中，H0表示校驗(yàn)停止法不成立即被否定的概率，H1表示校驗(yàn)停止法則成立并被接受的概率。

由式（2）可得LR的遞推公式為

式（4）中，當(dāng)LRt+1?(lnT(H0),lnT(H1))時(shí)，則應(yīng)立即停止檢驗(yàn)，反之，則繼續(xù)檢驗(yàn)。當(dāng)檢驗(yàn)停止時(shí)，依據(jù)式（5）進(jìn)行判決：

式（5）中，依據(jù)判決接受H0時(shí)，該時(shí)刻的系統(tǒng)是正常的，無故障情況發(fā)生；接受H1時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)寄生回路故障。

2.2.1 直流串接

設(shè)第一組的站用交直流電源系統(tǒng)正極通過電阻后，直接與第二組的站用交直流電源系統(tǒng)負(fù)極連接，即+KM1 通過電阻R1和-KM2 連通，其等效電路如圖3 所示。

圖3 直流串接等效電路

由圖3 可知，+KM1 和-KM2 是通過電阻連接的，其依靠兩個(gè)觸點(diǎn)直接形成串聯(lián)回路。結(jié)合圖3 中的箭頭所示，蓄電池組1 與+KM1 串聯(lián)，通過電阻R1、平衡電阻直接與-KM1 連接，同理，蓄電池組2 連接情況與蓄電池組1 一致。設(shè)計(jì)直流串接等效電路，會(huì)降低母線的電壓，使得兩個(gè)蓄電池組的負(fù)極電壓快速升高，造成開關(guān)誤動(dòng)。

2.2.2 交流串接

交流串接指的是站用交直流電源系統(tǒng)出現(xiàn)了直流與交流電器連接現(xiàn)象，為此，需設(shè)置-KM1 通過一個(gè)R2電阻串接的等效電路，交流串接等效電路如圖4 所示。

圖4 交流串接等效電路

由圖4 可知，在-KM1 端通過電阻R2與開關(guān)串聯(lián)后，蓄電池組1 依賴觸點(diǎn)形成寄生回路。當(dāng)出現(xiàn)寄生故障問題時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出直流接地的報(bào)警信號，然而該電路并未直接接地，因此，需通過直流母線的絕緣裝置發(fā)出預(yù)警信號。通過測量電阻R2可知，電阻值會(huì)明顯減小，這是寄生電路故障的固有特征，以此對寄生電路進(jìn)行故障診斷。

3 實(shí)例分析

對湖北電網(wǎng)站用交直流電源系統(tǒng)進(jìn)行全面排查，以專項(xiàng)研究形式重點(diǎn)分析基于深度學(xué)習(xí)的站用交直流電源系統(tǒng)故障診斷方法研究的合理性。

站用交直流電源系統(tǒng)故障診斷管理主機(jī)界面如圖5 所示。

由圖5 可知，裝置面板上存在兩個(gè)故障情況指示燈，結(jié)合專業(yè)人員協(xié)同過程，進(jìn)行站用交直流電源系統(tǒng)故障診斷。

圖5 故障診斷管理主機(jī)界面

3.1 單條饋線接地故障實(shí)例分析

在110 kV 變電站智能終端設(shè)備一處接地點(diǎn)，模擬單條饋線接地故障，模擬過程如下。

外場絕緣監(jiān)測裝置顯示“饋線1 單元2-1 故障”，絕緣監(jiān)測裝置告警燈亮。接線員接線后用拉路法檢查，接通110 kV 電源開關(guān)后，接地故障立刻消失；關(guān)閉電源后，報(bào)警裝置再次發(fā)生報(bào)警，由此可確定直流電源系統(tǒng)故障是由電源控制回路引起的。

根據(jù)上述模擬的情況，分析單條饋線接地故障下的電壓變化，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 單條饋線接地故障下的電壓變化

由圖6 可知，使用基于文獻(xiàn)[1]方法、文獻(xiàn)[2]方法的電壓駐波比與實(shí)際值相差較大，在饋線長度2.0 m處存在最大誤差；該文方法使用下的電壓變化值與實(shí)際值誤差較小，誤差僅為0.01，由此可知，使用該方法單條饋線接地故障下的電壓變化診斷結(jié)果更加精準(zhǔn)。

3.2 母線單極接地故障實(shí)例分析

在110 kV 變電站設(shè)備饋電屏母線上，設(shè)置一處接地點(diǎn)，模擬母線單極接地故障，模擬過程如下：當(dāng)絕緣監(jiān)測裝置出現(xiàn)故障時(shí)，故障燈亮起。接線員使用接地法檢測絕緣裝置，并確定電源開關(guān)是否能夠正常開啟，通電后查看故障，故障并未消失，則說明故障是由于饋線支路口觸點(diǎn)直接接地引起的。

分析母線單極接地故障下的電壓變化，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 母線單極接地故障下的電壓變化

由圖7 可知，文獻(xiàn)[3]方法使用后的電壓駐波比與實(shí)際值相差最大，其次是文獻(xiàn)[2]方法。而該文方法使用后的診斷結(jié)果較為精準(zhǔn)，誤差為0.005，由此可知，使用該方法母線單極接地故障下的電壓變化診斷結(jié)果更加精準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

以深度學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，診斷站用交直流電源系統(tǒng)故障，充分挖掘電源故障特征在空域和空時(shí)域的相關(guān)性，彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法只考慮故障特征在空域相關(guān)性的不足。

今后的工作重點(diǎn)是將供電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)故障診斷過程可視化，保證在直流供電系統(tǒng)直接接地時(shí)，若產(chǎn)生故障，可立即采取相應(yīng)措施，避免開關(guān)誤動(dòng)作。