基于調(diào)控云數(shù)據(jù)分析的二次故障智能診斷系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

王 達(dá)，高 林，張愛平，李 萌，張 沛

（國網(wǎng)山東省電力公司德州供電公司，山東 德州 253000）

0 引言

繼電保護(hù)設(shè)備是保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要裝備，是保障電網(wǎng)安全、設(shè)備穩(wěn)定的重要技術(shù)手段［1-3］。繼電保護(hù)二次回路是測量、控制、保護(hù)和自動裝置等系統(tǒng)并接的回路，是變電站內(nèi)連接一次設(shè)備和二次設(shè)備的重要紐帶［4］。作為繼電保護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，二次回路發(fā)生問題將直接影響繼電保護(hù)設(shè)備正確運行，使其無法發(fā)揮有效作用。二次回路嚴(yán)重故障將使一次系統(tǒng)失去保護(hù)甚至停運，威脅電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行［5-6］。因此，當(dāng)二次回路存在缺陷時，檢修人員應(yīng)迅速、準(zhǔn)確對其進(jìn)行消除，確保電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，繼電保護(hù)裝置可正確動作。

繼電保護(hù)裝置及其二次回路的運行狀態(tài)可通過遙信量進(jìn)行監(jiān)測，遠(yuǎn)動裝置將站內(nèi)遙信、遙測等數(shù)據(jù)上送至主站側(cè)，監(jiān)控人員通過上送的數(shù)據(jù)實時監(jiān)測變電站內(nèi)設(shè)備運行情況。當(dāng)繼電保護(hù)設(shè)備或二次回路出現(xiàn)缺陷時，相關(guān)遙信數(shù)據(jù)等缺陷信息上送至主站側(cè)，監(jiān)控人員接收到缺陷信息后，通知檢修人員到現(xiàn)場消除缺陷。然而，二次系統(tǒng)回路接線復(fù)雜、節(jié)點繁多、環(huán)節(jié)多、涉及面廣，給檢修人員對缺陷類型判定和故障點定位過程帶來困難［7-11］。多數(shù)情況下，檢修人員到達(dá)現(xiàn)場后，要根據(jù)缺陷信息，細(xì)致分析保護(hù)回路原理，理清回路中各節(jié)點間的關(guān)系，才有可能判斷出缺陷原因，進(jìn)行針對性消除。在當(dāng)前變電站數(shù)量眾多、檢修人員力量不足現(xiàn)狀下，復(fù)雜的缺陷判定過程明顯影響缺陷消除效率，間接增加繼電保護(hù)設(shè)備帶缺陷運行時間，難以達(dá)到快速、準(zhǔn)確消除變電站二次缺陷的目的，且當(dāng)前未見指導(dǎo)電力系統(tǒng)二次缺陷處理的相關(guān)研究。

在此背景下，為提高變電站二次故障消除缺陷效率和準(zhǔn)確率，減少繼電保護(hù)帶缺陷運行時間，設(shè)計一種基于調(diào)控云數(shù)據(jù)分析的二次故障智能診斷系統(tǒng)。當(dāng)監(jiān)控報某變電站缺陷信號時，通過對調(diào)控云中上送的遙信數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，快速診斷出缺陷類型并確定可能的故障點位置，同時給檢修人員提供缺陷處置建議，從而達(dá)到快速、準(zhǔn)確消除變電站二次缺陷的目的。

1 二次故障智能診斷系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)部署

二次故障智能診斷系統(tǒng)通過對接入D5000 告警數(shù)據(jù)的辨識清洗、二次系統(tǒng)缺陷信息解析及聚類，結(jié)合調(diào)控云缺陷庫分析出相關(guān)缺陷信息特征點集，構(gòu)建缺陷信息分析及處理方法庫，實現(xiàn)二次系統(tǒng)缺陷信息自動識別、故障點診斷、缺陷輔助處置等功能。

二次故障智能診斷系統(tǒng)在調(diào)控云平臺申請兩臺虛擬機，其中應(yīng)用虛擬機用于部署二次故障智能診斷系統(tǒng)及分析服務(wù)，數(shù)據(jù)存儲虛擬機用于存儲二次故障智能診斷系統(tǒng)分析結(jié)果數(shù)據(jù)及中間數(shù)據(jù)。為滿足電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)的要求，系統(tǒng)部署在安全I(xiàn)II 區(qū)，通過調(diào)控云平臺單點登錄，實現(xiàn)IV 區(qū)用戶在內(nèi)網(wǎng)系統(tǒng)瀏覽器中對二次故障智能診斷系統(tǒng)的訪問。具體部署方式如圖1所示。

圖1 二次故障智能診斷系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)部署Fig.1 Network deployment of secondary fault intelligent diagnosis system

1.2 系統(tǒng)應(yīng)用功能

二次故障智能診斷系統(tǒng)主要有4種功能。

1）二次系統(tǒng)缺陷信息識別功能。

依據(jù)機器學(xué)習(xí)及電網(wǎng)事件分析技術(shù)，通過開關(guān)、隔離開關(guān)變位、設(shè)備告警等關(guān)鍵信息與設(shè)備遙測數(shù)據(jù)、遙控操作數(shù)據(jù)的互校驗和雙確認(rèn)，自動過濾設(shè)備檢修調(diào)試、人工遙控操作及無功調(diào)壓操作等正常告警信息，對剩余真實反映設(shè)備異常的告警信息進(jìn)行分析。

2）缺陷故障點位置輔助診斷功能。

基于調(diào)控云平臺缺陷庫，分析二次缺陷信息特征點，考慮不同組合遙信發(fā)出時對應(yīng)的故障原因，形成二次系統(tǒng)缺陷信息規(guī)則庫，對二次故障點位置進(jìn)行輔助診斷。

3）缺陷輔助處置功能。

通過缺陷信息識別及故障點定位，結(jié)合缺陷處置方法的辨識，提出若干缺陷處置策略，對二次設(shè)備缺陷處置提供輔助決策，輔助安排人員、工器具、材料等。

4）缺陷處理反饋功能。

消除缺陷后，檢修人員在系統(tǒng)中填寫缺陷處置反饋用于系統(tǒng)存檔，完善缺陷輔助處置建議。之后同一缺陷發(fā)出后，檢修人員可參考之前缺陷處理過程，進(jìn)行針對性排查。

1.3 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

二次故障智能診斷系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)分為內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)存儲層、基礎(chǔ)服務(wù)層、服務(wù)接入層和人機交互層，具體如圖2所示。

圖2 二次故障智能診斷系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)Fig.2 Technical architecture of secondary fault intelligent diagnosis system

內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)層提供數(shù)據(jù)接入服務(wù)，分別接入電網(wǎng)模型、信息點表、告警信息、遙測數(shù)據(jù)、遙控操作數(shù)據(jù)等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以及缺陷庫、狀態(tài)斷面等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)存儲層提供數(shù)據(jù)存儲服務(wù)，將電網(wǎng)模型、信息點表、告警信息、遙測數(shù)據(jù)、遙控操作數(shù)據(jù)和缺陷信息存儲在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，將狀態(tài)斷面存儲在分布式文件系統(tǒng)中，將分析結(jié)果數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中。

基礎(chǔ)服務(wù)層提供數(shù)據(jù)治理服務(wù)，實現(xiàn)可疑數(shù)據(jù)辨識、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化清洗、系統(tǒng)模型構(gòu)建、缺陷庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化等。

服務(wù)接入層提供數(shù)據(jù)分析和推送服務(wù)，實現(xiàn)二次系統(tǒng)缺陷特征點分析、二次故障點辨識、缺陷處置特征點分析。

人機交互層提供人機交互服務(wù)，實現(xiàn)缺陷信息識別、二次故障點定位、缺陷輔助處置、缺陷處理反饋等移動終端側(cè)應(yīng)用功能。

1.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)

二次故障智能診斷系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)包括調(diào)控云平臺中的電網(wǎng)模型、告警信息、遙測數(shù)據(jù)以及缺陷庫數(shù)據(jù)和D5000 中的信息點表、狀態(tài)斷面以及遙控操作數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)需求如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)需求Table 1 Data requirements

1.5 二次系統(tǒng)缺陷信息規(guī)則庫制定

二次故障智能診斷系統(tǒng)對缺陷故障點的判定和處置建議依賴于預(yù)先給出的二次系統(tǒng)缺陷判定規(guī)則。須全面考慮不同組合遙信發(fā)生時對應(yīng)的故障原因及相應(yīng)的缺陷處置方法，形成二次系統(tǒng)缺陷信息規(guī)則庫，作為系統(tǒng)判定依據(jù)。

繼電保護(hù)二次回路的狀態(tài)通過遙信量進(jìn)行監(jiān)測，不同的二次缺陷類型可由不同數(shù)量、不同組合的遙信量反映。例如，二次回路中較為常見且對繼電保護(hù)系統(tǒng)影響較大的缺陷之一是控制回路斷線，當(dāng)發(fā)生控制回路斷線時，從保護(hù)裝置的保護(hù)出口到斷路器跳合閘線圈的操作回路出現(xiàn)了異常。此時如果電力系統(tǒng)發(fā)生故障，繼電保護(hù)裝置無法將相應(yīng)的斷路器跳開，對電力系統(tǒng)危害較大［9-11］。引發(fā)控制回路斷線信號的原因有很多，且伴隨控制回路斷線信號同時發(fā)出的其他遙信不同，反映的缺陷類型也不同。

表2 給出包括控制回路斷線信號在內(nèi)的7 種遙信，不同信號組合發(fā)生時的缺陷類型及缺陷處置建議。表2 中，C1 代表控制回路斷線，C2 代表斷路器位置與實際不對應(yīng)，C3 代表壓力低閉鎖重合閘，C4代表保護(hù)裝置氣壓低閉鎖重合閘，C5 代表壓力低閉鎖合/分閘，C6 代表斷路器氣壓低報警，C7 代表斷路器氣壓低閉鎖。“√”表示該條遙信已發(fā)，“×”表示信號未發(fā)。

表2 二次系統(tǒng)缺陷信息規(guī)則庫（部分）Table 2 Secondary system defect information rule base（partial）

如表2 所示，伴隨控制回路斷線（C1）共發(fā)的遙信不同，缺陷產(chǎn)生原因以及所需的缺陷處置方法也就不同。以表2 形式為例，全面匯總不同組合的遙信發(fā)生時，所對應(yīng)的缺陷故障原因以及相應(yīng)的缺陷處置規(guī)則，形成二次系統(tǒng)缺陷信息規(guī)則庫，作為二次故障智能診斷系統(tǒng)的判定依據(jù)。

2 二次故障智能診斷系統(tǒng)需求分析

2.1 數(shù)據(jù)存儲需求

二次故障智能診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源主要包括調(diào)控云數(shù)據(jù)、D5000 系統(tǒng)數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)分為模型類數(shù)據(jù)和運行類數(shù)據(jù)。模型類數(shù)據(jù)主要為電網(wǎng)模型，數(shù)據(jù)來源為調(diào)控云平臺；運行類數(shù)據(jù)主要來源為調(diào)控云平臺的告警信息、遙測數(shù)據(jù)以及缺陷庫數(shù)據(jù)和來源為D5000 系統(tǒng)的信息點表、狀態(tài)斷面以及遙控操作數(shù)據(jù)。按照數(shù)據(jù)存儲3 年、每年大致10%的遞增計算，運行類數(shù)據(jù)所需存儲空間如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)存儲計算Table 3 Data storage calculation

2.2 硬件資源需求

二次故障智能診斷系統(tǒng)的運行須收集、整理多個系統(tǒng)中數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大、系統(tǒng)的運算處理復(fù)雜，需較高的配置確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，具體參數(shù)如表4所示。

表4 系統(tǒng)硬件配置Table 4 System hardware configuration

3 二次故障智能診斷系統(tǒng)應(yīng)用展示

3.1 系統(tǒng)頁面展示

系統(tǒng)首頁集中展示變電站設(shè)備告警信息、斷路器位置狀態(tài)等故障分析結(jié)果，內(nèi)容包括變電站名稱、設(shè)備間隔雙重名稱、相關(guān)信號上送時間等信息，同時給出缺陷分析結(jié)論、檢修建議以及備品備件準(zhǔn)備建議。在主頁面中可通過“變電站”進(jìn)行一個或多個變電站選擇，支持按照本周、本月、本年、任意時間段對歷史分析結(jié)果進(jìn)行搜索。系統(tǒng)主頁面內(nèi)容如圖3所示。

圖3 二次故障智能診斷系統(tǒng)主頁面Fig.3 Main page of secondary fault intelligent diagnosis system

在主頁面中通過“事件分析”可查看事件詳情。具體分為檢修調(diào)試事件、操作及伴生事件、自動電壓控制（automatic voltage control，AVC）動作事件和跳閘事件。

檢修調(diào)試事件判定規(guī)則為設(shè)備在冷備用狀態(tài)，對應(yīng)的快速接地開關(guān)在合閘位置，同步依據(jù)置檢修牌狀態(tài)，判定設(shè)備為檢修狀態(tài)。在檢修狀態(tài)期間，對設(shè)備發(fā)出的所有告警信息置檢修態(tài)，將所有信號合并為檢修調(diào)試事件。通過“事件分析”—“檢修調(diào)試”，查看具體的檢修調(diào)試詳情，包括檢修時段內(nèi)所有的告警信息，如圖4所示。

圖4 檢修調(diào)試事件詳情Fig.4 Details of maintenance and debugging events

操作及伴生事件判定規(guī)則為開關(guān)、隔離開關(guān)等在分、合狀態(tài)轉(zhuǎn)換操作中，由于接點抖動等原因產(chǎn)生的短時間內(nèi)動作后立即復(fù)歸，此類信號判定為操作及伴生信號。通過“事件分析”—“操作及伴生”，查看具體的操作及伴生詳情，如圖5所示。

圖5 操作及伴隨事件詳情Fig.5 Details of operation and accompanying events

AVC 動作即自動電壓無功控制，主要依據(jù)電容器、電抗器等投入/退出狀態(tài)，對AVC 動作進(jìn)行判定。通過點擊“事件分析”—“AVC 動作”，查看具體AVC動作詳請，如圖6所示。

圖6 檢修調(diào)試事件詳情Fig.6 Details of AVC events

跳閘事件以變電站遙信為主要數(shù)據(jù)，自動過濾檢修相關(guān)信號，對有效的遙信進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。以設(shè)備保護(hù)動作信號為辨識起點和中心，通過預(yù)設(shè)一定的時間間隔，搜索該事件間隔內(nèi)保護(hù)動作信息前后相關(guān)的開關(guān)分閘信號，如果有，則可初步確定發(fā)生故障跳閘事件。基于分析出故障跳閘事件為起點，將跳閘設(shè)備間隔內(nèi)相關(guān)聯(lián)的保護(hù)重合閘出口、間隔事故總、全站事故總、開關(guān)合閘等關(guān)鍵信息納入本次故障跳閘事件中，判斷跳閘事件具體過程。通過點擊“事件分析”—“跳閘”，可查看跳閘事件詳情，如圖7所示。

圖7 跳閘事件詳情Fig.7 Trip event details

3.2 系統(tǒng)實際應(yīng)用測試

2022年2月23日17：18德州地區(qū)220 kV 禹城變電站220 kV 禹鐵線213 間隔上送開關(guān)控制回路斷線、開關(guān)壓力低閉鎖重合閘、保護(hù)裝置氣壓低閉鎖重合閘遙信信息如圖8 所示。系統(tǒng)對上送缺陷信息分析后給出缺陷分析結(jié)論、檢修建議及備品備件準(zhǔn)備建議，檢修人員按照建議備齊檢修物資，到達(dá)現(xiàn)場后按照系統(tǒng)檢修建議完成消除缺陷，并將缺陷處理過程反饋至系統(tǒng)，如圖9 所示。整個缺陷信息確認(rèn)、故障點查找及缺陷處理過程在到達(dá)現(xiàn)場后20 min 內(nèi)完成，消除缺陷效率相較于以往同類缺陷處理顯著提高。

圖8 220 kV禹城站上送缺陷信息Fig.8 Defect information submitted to 220 kV Yucheng substation

圖9 缺陷處理反饋填寫Fig.9 Filling for defect handling feedback

據(jù)統(tǒng)計，二次故障智能診斷系統(tǒng)在德州地區(qū)部署測試的2022年1月—3月，德州地區(qū)市管變電站共發(fā)生二次缺陷33 次，平均單次缺陷處理效率提高60%以上，有效減少設(shè)備帶缺陷運行時間，保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

4 結(jié)束語

二次故障智能診斷系統(tǒng)實現(xiàn)對二次系統(tǒng)缺陷信息搜集及處置的全過程閉環(huán)管理。當(dāng)二次缺陷發(fā)生后，系統(tǒng)可快速列出故障點可能存在位置，同時給出缺陷處置建議，指導(dǎo)檢修人員提前準(zhǔn)備消除缺陷所需的備品備件，到達(dá)現(xiàn)場后展開高效消除缺陷工作。消除缺陷后，檢修人員通過在系統(tǒng)中給出缺陷處置反饋，完善系統(tǒng)缺陷信息，給下一次同類缺陷處置提供參考性建議。在德州地區(qū)部署測試結(jié)果表明，二次故障智能診斷系統(tǒng)的應(yīng)用有效提高二次缺陷處理效率，縮短設(shè)備帶缺陷運行時間，保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。下一步研究重點為繼續(xù)完善二次系統(tǒng)缺陷信息規(guī)則庫，實現(xiàn)缺陷類型全方位覆蓋，細(xì)化缺陷處置建議，使系統(tǒng)在實際消除缺陷中更好地發(fā)揮指導(dǎo)作用。