云邊協同下變電站繼電保護故障信息采集系統

朱峰奎

（中國電子信息產業發展研究院，北京 100048）

為了保證電力系統始終維持安全穩定的工作狀態，繼電保護裝置應運而生[1]。變電站繼電保護裝置作為維護電力系統安全運行的可靠裝置，能夠通過反饋故障信息，起到保護電力系統及其內部工作情況的作用[2]。變電站繼電保護裝置作為全面支撐電網運行的新一代智能設備，常被應用于多專業電力相關元件的邏輯分析和節點關聯度匹配的研究當中，成為電力系統不可分割的重要組成部分。相關領域研究人員為了及時發現電力系統潛在問題，已投身到變電站繼電保護故障信息采集方法的研究之中。

林凌云[3]等人通過變電站繼電保護裝置釋放的變位信號和異常信號構建告警信息故障知識圖譜，并深入分析故障知識間的邏輯關系，根據邏輯關系定位故障發生位置，鎖定故障追蹤領域，實現變電站繼電保護故障信息采集，該方法存在故障信息采集效率低的問題。于廣[4]等人通過ATT7022E 電能計量芯片模擬變電站繼電保護裝置的硬件電路，并利用串口通信設備測量硬件電路的電流、電壓和功率，通過STM32 微處理器截獲異常電路，實現變電站繼電保護故障信息采集。劉瀟瀟[5]等人通過變換系數線性投影重建信號稀疏性較高的低維觀測向量，并在壓縮傳感的作用下將觀測向量分割成多組電力數據，通過將多組電力數據作為訓練樣本傳輸至智能電網采集模型，實現變電站繼電保護故障信息采集。

為了解決上述方法中存在的遠距離失真問題，提出云邊協同下變電站繼電保護故障信息采集系統的方法。

1 變電站繼電保護故障原因

1）操作過電壓

正常情況下，變電站繼電保護裝置的雜散電壓和電感電壓與裝置啟動時間、裝置關閉時間、電流電壓開合截流、電路參數、電位梯度均有一定相關性[6]。電力系統的電流、電壓振蕩頻率在受端過載的影響下攀升至幾百萬赫茲時，繞組匝間的電位梯度會由于隨機分布特性失衡而出現總電壓陡度增大、總電壓幅值和頻率雙雙過載的現象[7]，使得變電站繼電保護裝置的整體操作過程在實際運行工況中出現過負荷電壓，從而導致故障的產生[8]。雜散電壓的計算公式如下：

式中，s表示線路截流值；y表示直流電阻；m表示感抗。

電感電壓的計算公式如下：

式中，h表示串聯線路的電容量；f表示同步脈沖；τ表示脈沖峰值幅度。

2）電磁單元變壓器斷線

電磁單元變壓器是變電站繼電保護裝置內部連接件的一部分，由分壓電容器和接地線盒組成，能夠通過周期性檢測和熱像分布起到預防裝置受潮老化、避免氧化鋅腐蝕瓷套內鏈路的作用。當電力系統導電回路在制熱型設備干擾下出現內部缺陷時，電磁單元變壓器整相承受的電壓擊穿直流線路和交流線路，會導致電磁單元變壓器斷線，變電站繼電保護裝置發生故障。分壓電容器的電容值表達式如下：

式中，to表示消除直流偏置后的電容器相位角；Δ?表示單相燒損故障產生的電壓沖擊；g表示放電后正交功率。

2 繼電保護故障信息采集系統設計

2.1 系統硬件設計

變電站繼電保護故障信息采集系統包括故障可視化模塊、云邊協同下故障信息采集模塊和故障信息優化模塊。

2.1.1 故障可視化模塊

故障可視化模塊作為檢索變電站繼電保護裝置故障原因、生成故障信息的系統起始模塊，由故障原因邏輯圖搭配濾波器[9]組成。該模型的具體建立過程如下：

首先將變電站繼電保護故障原因視為des 標記下的mid 文件，然后確定mid 文件的id 坐標和故障通道號，以此繪制故障原因邏輯圖，將各種導致變電站繼電保護裝置故障的原因與該原因所能造成的后果一一連接。經過總結的故障原因邏輯圖以簡報的形式清晰再現了變電站繼電保護裝置從故障起始到故障終止的整體過程，有利于判別由抽象元素組成的電力設備及電網相關信息。故障可視化模塊操作流程如圖1 所示。

2.1.2 云邊協同下故障信息采集模塊

云邊協同計算框架屬于AR空間分析計算框架[10]，云邊協同計算框架包括三層結構，即數據端、邊緣端和云端。其中，數據端由大基數物聯網設備組成，且每個設備都在邊緣服務器[11]的作用下，能夠將設備存儲的大額數據傳送至下行模塊。邊緣端由邊緣計算技術[12]搭建而成，在成功接收來自數據端的下行數據后，邊緣計算技術啟動初步協同功能，將下行數據按照時間順序排列整齊，隨后共享至云端。云端作為云邊協同計算框架的核心結構，并不僅僅存儲來自邊緣端的共享數據，還負責二次協同、數據清洗[13]和任務調度[14]。

以云邊協同計算框架為故障信息采集模塊的骨骼結構，分三步采集故障可視化模塊提供的故障信息[15]。第一步，將變電站繼電保護設備視為數據端大基數物聯網設備之一。已知數據端每個設備均連接一臺邊緣服務器，則與變電站繼電保護裝置連接的邊緣服務器除實現數據臨時存儲和傳輸之外，還需要連通上行模塊，實現變電站繼電保護故障信息采集。第二步，經過采集的變電站繼電保護故障信息通過邊緣服務器傳輸至邊緣端，故障信息由一行或多行數控程序指導有序排列。第三步，系統派發二次協同、數據清洗和任務調度指令，開始初步優化故障信息。云邊協同計算框架如圖2 所示。

圖2 云邊協同計算框架

2.2 系統軟件設計

以系統硬件為基礎，設計變電站繼電保護故障信息采集系統的軟件算法，基于云邊協同下實現變電站繼電保護故障信息采集。

云邊協同下邊緣服務器接收的繼電保護故障信息的表達式如下：

式中，θj表示故障信息傳輸權重值；x表示通過以太網協議傳輸的數據；di表示寄存器接收的故障信息。

通過邊緣端初步協同、初步處理和篩選收集的數據[16]公式如下：

式中，σ表示串口集成度；yi表示高優先級輸出陣列；w表示實時數據輸出陣列。

通過云端二次協同，將數據從邊緣端傳輸到云端進行高級處理，得到處理后的數據公式如下：

式中，l3表示二次協同時間參數；v表示二次協同有效時段；k表示故障信息協同頻率。

數據清洗公式如下：

式中，-exp(fnm)k表示邊緣節點接收的數據；ω2表示云平臺部署的中心節點；a表示能源消耗。

云端任務調度公式如下：

式中，q表示跨層級任務調度時延；sj表示云中心故障信息處理壓力。

云端決策信息融合模型的表達式如下：

式中，Vr表示故障信息的有效凈負荷；d表示云端波特率；λ3表示串口返回時間。

通過小波變換組合雙線性插值法在每個尺度上對小波系數進行插值操作，以估計缺失的故障信息，計算公式如下：

式中，c′表示噪聲幅值；in表示噪聲激發頻率；im表示上下包絡線對故障信息的修復度。

3 實驗與結果

為了驗證云邊協同下變電站繼電保護故障信息采集系統的整體有效性，需要對其測試。以國內某地區電網為試驗對象，驗證算法對變電站繼電保護故障信息的采集性能，電力系統后臺數據如圖3所示。

圖3 電力系統后臺數據

根據該地區電力系統后臺數據可知，變電站繼電保護裝置出現故障的開始時刻為第100 s，結束時刻為第160 s。

3.1 故障信息采集效率

分別采用所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法采集變電站繼電保護故障信息，通過對比不同方法的采集開始時刻和采集結束時刻，判斷不同方法對變電站繼電保護故障信息的采集效率。不同方法的采集開始時刻和采集結束時刻如表1 所示。

表1 不同方法的采集開始時刻和采集結束時刻

采用所提方法采集變電站繼電保護故障信息，其采集開始時刻和采集結束時刻與電力系統后臺數據完全吻合，說明所提方法能夠及時采集故障信息，不會出現采集延遲而造成故障信息采集不完全等問題，即所提方法對故障信息的采集效率較高。這是因為所提方法在構建變電站繼電保護故障信息采集系統前，優先分析了變電站繼電保護裝置發生故障的原因，并以此為基礎建立了故障可視化模型，為系統提供與故障原因息息相關的待采信息，這樣根據故障原因建立的采集系統可信度更高、效果更好。

3.2 變電站主接線采集距離對系統性能的影響

已知變電站主接線采集距離越遠，故障信息的采集過程出現失幀現象的頻率越高。分別采用所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法采集遠距離變電站繼電保護故障信息，通過對比不同方法采集到的電壓波形，判斷不同方法對故障信息的采集性能。不同方法采集到的電壓波形如圖4 所示。

采用文獻[3]方法和文獻[4]方法采集遠距離變電站繼電保護故障信息，二者電壓波形采集結果雖較為清晰，但波形波動明顯，存在失幀現象；而采用所提方法采集遠距離變電站繼電保護故障信息，其電壓波形采集結果清晰、波形平滑，不存在失幀現象，說明所提方法能夠較好地完成遠距離變電站繼電保護故障信息的采集工作。

4 結束語

變電站繼電保護裝置作為電力系統的跟蹤性故障檢測裝置，其故障信息能夠間接反映電力系統的運行狀態，為了消除電力系統安全隱患，設計了一種云邊協同下的變電站繼電保護故障信息采集系統。經實驗驗證得出，所提方法對變電站繼電保護故障信息的采集效率高，能夠實現遠距離下故障信息的準確采集。