基于調(diào)控云平臺(tái)的變電站二次系統(tǒng)故障主動(dòng)預(yù)警技術(shù)

李澤科，林靜懷，李軍良，余斯航，李兆祥

（1.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司電力調(diào)度控制中心，福建福州 350000；2.福建和盛高科技產(chǎn)業(yè)有限公司，福建福州 350000；3.南瑞集團(tuán)（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司信息化系統(tǒng)研發(fā)部，北京 100192；4.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院電網(wǎng)技術(shù)中心，福建福州 350000）

電力調(diào)度主機(jī)作為核心電網(wǎng)的一級(jí)控制設(shè)備，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)電信號(hào)參量的運(yùn)行與傳輸速度，也可以聯(lián)合其他電網(wǎng)元件，對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷電壓進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配。調(diào)控云平臺(tái)由電量終端、調(diào)控云框架、服務(wù)平臺(tái)等多個(gè)連接結(jié)構(gòu)共同組成，可以直接控制電力調(diào)度主機(jī)[1]。其中，電量終端實(shí)現(xiàn)了由高壓交流電到低壓直流電的轉(zhuǎn)換，可以在提供點(diǎn)電荷傳輸信號(hào)的同時(shí)，協(xié)調(diào)電網(wǎng)高壓終端與低壓終端之間的連接關(guān)系，保證電信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)斷電供應(yīng)狀態(tài)[2]。調(diào)控云框架為電力調(diào)度主機(jī)提供了穩(wěn)定的連接環(huán)境，其核心框架體系外部負(fù)載了多個(gè)小型電信號(hào)處理裝置，可以在電量匱乏階段，短暫地為下級(jí)服務(wù)平臺(tái)提供電信號(hào)參量，從而使得調(diào)控云平臺(tái)內(nèi)的電壓負(fù)荷始終保持相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值狀態(tài)。

二次系統(tǒng)是指由DCS 自動(dòng)控制、繼電保護(hù)、調(diào)度自動(dòng)化等應(yīng)用模塊共同組成的變電調(diào)控結(jié)構(gòu)，可以借助電流互感器、電壓互感器與一次用電設(shè)備取得電量聯(lián)系[3]。在變電站體系中，為保證二次系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，需要接入大量的變壓器主機(jī)，然而隨著電信號(hào)輸入量的增大，變電設(shè)備的實(shí)際功率水平也會(huì)不斷增大，當(dāng)其實(shí)際功率數(shù)值超過額定功率則會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的電力系統(tǒng)癱瘓問題。為避免上述情況的發(fā)生，文獻(xiàn)[4]提出基于Apriori 算法的故障診斷技術(shù)，利用電度表監(jiān)測(cè)電網(wǎng)環(huán)境中的電信號(hào)傳輸情況，再根據(jù)電信號(hào)回流量統(tǒng)計(jì)變壓器主機(jī)的實(shí)際功率水平。然而該方法的應(yīng)用能力有限，并不能有效解決因功率超載而導(dǎo)致的電力系統(tǒng)癱瘓問題。為應(yīng)對(duì)上述情況，針對(duì)基于調(diào)控云平臺(tái)的變電站二次系統(tǒng)故障主動(dòng)預(yù)警技術(shù)展開研究。

1 基于調(diào)控云平臺(tái)的變電故障特征提取

變電站二次系統(tǒng)的故障特征提取需要以調(diào)控云平臺(tái)為基礎(chǔ)，根據(jù)IaaS 架構(gòu)連接形式，對(duì)云變電系數(shù)、故障數(shù)據(jù)集合進(jìn)行同步求解。

1.1 IaaS架構(gòu)

IaaS 架構(gòu)作為調(diào)控云平臺(tái)的基本模型，包含多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，在DNS 主機(jī)、負(fù)載均衡設(shè)備的共同作用下，調(diào)節(jié)變電站二次系統(tǒng)中的電量傳輸信號(hào)，從而使得電網(wǎng)HADOOP 集群滿足電流與電壓的應(yīng)用需求[5-6]。IaaS 架構(gòu)的具體連接模型如圖1 所示。

圖1 變電站調(diào)控云平臺(tái)的IaaS架構(gòu)

在變電站二次系統(tǒng)中，IaaS 架構(gòu)同時(shí)負(fù)責(zé)傳輸電壓與電流信號(hào)，所以DNS 主機(jī)模塊必須包含電壓服務(wù)器、電流服務(wù)器兩類調(diào)控設(shè)備，而負(fù)載均衡設(shè)備作為DNS 主機(jī)的附屬結(jié)構(gòu)，也必須同時(shí)包含與電壓服務(wù)器匹配的動(dòng)態(tài)電容及與電流服務(wù)器匹配的靜態(tài)電容元件。

1.2 云變電系數(shù)

云變電系數(shù)可以用來描述變電站二次系統(tǒng)調(diào)控云平臺(tái)對(duì)于電量信號(hào)的瞬時(shí)承載能力，在IaaS 架構(gòu)DNS 主機(jī)、負(fù)載均衡設(shè)備均處于穩(wěn)定連接狀態(tài)的情況下，云變電系數(shù)的計(jì)算數(shù)值越大，表示云平臺(tái)調(diào)控主機(jī)對(duì)于電量信號(hào)的承載能力越強(qiáng)[7-8]。設(shè)i表示一個(gè)隨機(jī)選取的電量信號(hào)標(biāo)記系數(shù)，在變電站二次系統(tǒng)調(diào)控云平臺(tái)中，i系數(shù)的最小取值結(jié)果只能等于自然數(shù)“1”。ui表示基于系數(shù)i的電量信號(hào)變頻傳輸特征，u0表示電量信號(hào)變頻傳輸特征的初始取值，uˉ表示電量信號(hào)變頻傳輸特征在IaaS 架構(gòu)中的平均取值，χ表示電網(wǎng)二次回路中的變電信號(hào)定義系數(shù)。聯(lián)立上述物理量，可將云變電系數(shù)表達(dá)式定義為：

1.3 故障數(shù)據(jù)集合

在變電站二次系統(tǒng)調(diào)控云平臺(tái)中，故障數(shù)據(jù)集合必須包含所有可能出現(xiàn)的故障信息參量，且任意兩個(gè)數(shù)據(jù)信息之間不得存在明顯的關(guān)聯(lián)性[9]。由于故障信息參量在數(shù)據(jù)集合中的排列方式并不固定，所以在提取變電故障特征時(shí)，需要建立所選信息參量與既定故障表現(xiàn)行為之間的對(duì)應(yīng)數(shù)值映射關(guān)系[10]。規(guī)定e表示故障數(shù)據(jù)集合中一個(gè)隨機(jī)故障特征指標(biāo)，r表示故障信息參量的取值范圍度量值，α表示區(qū)間劃分系數(shù)，wα表示基于系數(shù)α的變電故障特征參量，β表示基于調(diào)控云平臺(tái)的故障信息參量提取系數(shù)，聯(lián)立式（1），可將變電站二次系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)集合?表示為：

求解故障數(shù)據(jù)集合表達(dá)式時(shí)，要求系數(shù)α、系數(shù)wα、系數(shù)β的取值均不能為零，而系數(shù)e的取值則必須屬于[1,+∞)的數(shù)值區(qū)間。

2 變電站二次系統(tǒng)的故障預(yù)警方法

2.1 故障數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則

設(shè)δ、ε表示兩個(gè)不相等的關(guān)聯(lián)信息標(biāo)度值[11-12]，在變壓器故障信息均值恒為Aˉ的情況下，可將故障數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)特征sδ、sε分別表示為：

式中，Aδ表示基于系數(shù)δ的變壓器故障信息參量，Aε表示基于系數(shù)ε的變壓器故障信息參量。

聯(lián)立式（2）、式（3），可將基于調(diào)控云平臺(tái)的變電站二次系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則表達(dá)式定義為：

式中，?表示關(guān)聯(lián)值度量向量，R1、R2分別表示兩個(gè)隨機(jī)選取的故障數(shù)據(jù)定標(biāo)值，且R1∈?、R2∈?的取值條件同時(shí)成立，ΔT表示故障數(shù)據(jù)的單位檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)向量

為實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器故障表現(xiàn)行為的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，在求解風(fēng)險(xiǎn)向量表達(dá)式時(shí)[13-14]，要求度量值指標(biāo)的取值屬于(-∞,+∞)的數(shù)值區(qū)間。

風(fēng)險(xiǎn)向量計(jì)算表達(dá)式為：

式中，ΔB1、ΔB2表示兩個(gè)不相等的點(diǎn)電荷累積量，γ?表示二次變電回路中的故障信息提取特征值，H表示故障表現(xiàn)行為的風(fēng)險(xiǎn)性系數(shù)，f表示故障行為的風(fēng)險(xiǎn)性度量指標(biāo)。

2.3 預(yù)警建模條件

預(yù)警建模條件的建立應(yīng)參考故障行為表現(xiàn)指標(biāo)c的取值[15-16]。一般來說，若故障行為表現(xiàn)指標(biāo)c取值小于零，預(yù)警建模表達(dá)式的計(jì)算結(jié)果恒等于零；若故障行為表現(xiàn)指標(biāo)c取值大于1，預(yù)警建模表達(dá)式的計(jì)算結(jié)果恒等于1；若故障行為表現(xiàn)指標(biāo)c取值大于零小于1，預(yù)警建模條件的求解表達(dá)式如下：

式中，vc表示基于故障行為表現(xiàn)指標(biāo)c的判別向量。至此，完成對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)參量的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)基于調(diào)控云平臺(tái)的變電站二次系統(tǒng)故障主動(dòng)預(yù)警方法的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

3 實(shí)例分析

3.1 前期準(zhǔn)備

以CD4051 型號(hào)的三相調(diào)壓交流電源作為電量輸出裝置，將其與GN-P1W 的變壓設(shè)備相連，模擬變電站二次系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，具體的實(shí)驗(yàn)電路如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)電路

當(dāng)電壓或電流值異常增大時(shí)，預(yù)警指示燈亮起，相關(guān)人員可根據(jù)指示燈判斷模擬變電站二次系統(tǒng)是否發(fā)生故障。

3.2 數(shù)據(jù)處理

該實(shí)驗(yàn)以變壓設(shè)備的功率作為研究變量，表1記錄了不同情況下的變壓設(shè)備額定功率數(shù)值。

表1 額定功率

分析表1 可知，隨著變壓器內(nèi)阻數(shù)值的增大，其額定電壓水平始終保持為220 V，但電流值卻在不斷增大，導(dǎo)致變壓器額定功率也呈現(xiàn)出不斷增大的變化態(tài)勢(shì)。

3.3 結(jié)果分析

變壓器實(shí)際功率與額定功率之間的比值關(guān)系，可以反映出電力系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。分別利用基于調(diào)控云平臺(tái)的變電站二次系統(tǒng)故障主動(dòng)預(yù)警方法、基于Apriori 算法的故障診斷方法對(duì)圖2 所示電路進(jìn)行控制，前者為實(shí)驗(yàn)組、后者為對(duì)照組。當(dāng)預(yù)警指示燈亮起時(shí)，記錄當(dāng)前時(shí)刻的電流表與電壓表示數(shù)，計(jì)算變壓設(shè)備的實(shí)際功率水平，將所得結(jié)果與變壓設(shè)備額定功率進(jìn)行對(duì)比。

圖3、圖4 反映了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組預(yù)警時(shí)刻的電壓表與電流表示數(shù)。

圖3 電壓表示數(shù)

圖4 電流表示數(shù)

功率對(duì)比詳情如表2 所示。

表2 功率對(duì)比

分析表2 可知，當(dāng)變壓器內(nèi)阻等于7.5×107Ω時(shí)，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組變壓器實(shí)際功率對(duì)于額定功率的占比率同時(shí)達(dá)到最大值，但明顯對(duì)照組占比率更高，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)照組占比率均值也始終高于實(shí)驗(yàn)組。

4 結(jié)束語(yǔ)

變電站二次系統(tǒng)故障主動(dòng)預(yù)警技術(shù)在調(diào)控云平臺(tái)的基礎(chǔ)上，根據(jù)云變電系數(shù)求解結(jié)果，建立故障數(shù)據(jù)集合，聯(lián)合故障數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則，判斷風(fēng)險(xiǎn)向量的取值合理性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用這種新型預(yù)警方法，當(dāng)變壓器功率達(dá)到其額定功率的95%時(shí)會(huì)發(fā)出警報(bào)。由變壓器過載引發(fā)的電力系統(tǒng)癱瘓問題得到較好解決，對(duì)于維護(hù)變電系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性可以起到明顯的促進(jìn)性影響作用。