基于大數據挖掘的電氣二次保護數據分析與應用

摘要：智能電網推進了電力系統信息化和數字化建設，電力系統電氣二次回路設備及其保護裝置在運維過程中會產生大量數據信息，通過數據挖掘可以實現系統的智能化監控，為電網的穩定運行提供重要保障。繼電保護是電力系統正常運行的重要保障，將大數據挖掘技術與電氣二次保護數據相結合可以更好地實現電力系統的智能化發展。文章提出一種基于大數據的電氣二次回路故障診斷策略，采用云計算對電氣二次保護數據進行處理和分析。該方法具有較強的數據分析能力，實現了二次回路的運行監控和故障診斷，有效提升了電力系統供電安全性和可靠性，具有較好的應用前景和實用價值。

關鍵詞：大數據；繼電保護；二次回路；數據挖掘

中圖分類號：TP311 文獻標志碼：A

0 引言

隨著經濟的發展，電網規模不斷擴大，用戶對用電安全性和可靠性要求不斷提高。電氣二次保護是電力系統安全運行的重要保障，繼電保護作為電力系統的重要保護裝置，可對系統故障進行及時排查并解決，以保證二次回路設備及線路的安全穩定運行，同時繼電保護裝置可向操作人員發送預警信號，對故障位置進行隔離，切除故障部分。近年來，智能電網發展迅速，電網實際運行中不可避免地發生接地和短路等故障，因此須要根據二次回路設備以及保護裝置的運行狀態對系統進行監控，通過對相關數據信息的采集和處理，實現故障診斷及預測，從而提高智能化運行水平［1-2］。

1 電氣二次保護

1.1 電氣二次保護特點

電力系統具有多變性和復雜性特點，運行過程中難免出現故障，結合我國目前電力系統應用情況，繼電保護對電力系統電氣二次回路具有重要影響，是電網安全穩定運行的重要保障。繼電保護系統的主要任務是對故障進行快速準確的判斷并及時處理，二次回路繼電保護系統結構比較復雜，一般由繼電保護裝置、測量裝置和電源裝置構成，電氣二次回路將一次側電壓降低，通過繼電保護可以對二次回路電壓進行進一步降低，從而實現高電壓以低電壓的形式輸出，有利于電氣二次回路設備的維護［3］。

1.2 保護原理

電氣二次設備或者線路異常時，通過繼電保護裝置對其進行判斷和處理，故障發生時通過自動化控制將故障設備或線路從系統中切除，從而保證剩余設備及線路的正常運行。繼電保護系統通過采集裝置對電壓和電流等信號進行采集，通過設定的邏輯對保護動作進行判斷。繼電保護裝置結構如圖1所示。

測量部分對系統電氣信號進行采集，根據信號的變化規律及故障特征設定保護值，通過邏輯部分對系統是否正常運行進行判定，如果系統運行異常甚至出現故障時，執行機構接收繼電保護裝置發出的動作信號，將故障設備或線路切除，為二次回路內剩余設備正常運行提供保證［4］。

2 大數據技術及其應用

2.1 大數據技術

得益于信息技術和通信技術的發展，通信速率越來越快，相關數據量也不斷增加。大數據具有容量大、種類多等特點，通過數據挖掘可以實現數據價值的最大限度發揮。電力系統的大數據是伴隨智能電網和信息化通信技術的發展而形成的，其數據復雜性和靈活性較高，復雜性主要體現在異構數據的接入需 要新的方法支撐，而靈活性是指通過對其模型進行分析即可滿足實際需求。對于電氣二次保護，采用大數據技術可以對保護數據進行整合并分類，通過數據分析結果實現保護性能的提升，電力系統大數據具有重要作用，對電力行業的發展具有一定的推動作用。

大數據技術主要針對數據形態進行分析，根據數據的特點及其分布狀態對相關業務的發展方向進行判斷，從而為決策提供參考。一般采用方差、中位數和標準差等方法對數據形態進行描述，利用二項分布和泊松分布對數據概率分布進行計算。當數據量較少時可以采用模型和結構法對數據的相關信息進行分析，數據量較大時通常采用數據挖掘的方法對數據中的相關信息進行提?。?］。

2.2 云計算技術

數據通過云計算技術可以實現與服務器工作模式保持一致，在保證網絡硬件設備運行平穩的條件下，可以對服務器資源和數據進行整合。結合智能電網特點和各層結構功能，采用云計算技術進行電氣二次保護，可以實現海量數據信息的交互，通過網絡的作用達到集中計算力的目標，云計算環境下可以實現多種業務的同時進行。當某個數據資源節點發生異常時，相關業務將繼續進行，能保證其他數據維持當前狀態，云計算的獨立性優勢可以為網絡的冗余性提供保障［6］。

2.3 電氣二次保護應用

大數據技術可以對電氣二次保護的相關運行數據進行采集和處理，通過歷史數據和實時數據的對比分析，對故障及異常狀態特征進行提取，根據特征進行繼電保護算法優化，從而提升保護動作的正確性和靈敏性，采用大數據技術還可以對故障進行實時監測并快速切除，提升電力系統運行的穩定性和可靠性。

3 電氣二次保護故障診斷

電氣二次保護能夠對故障進行準確判斷并及時切除，為電力系統正常運行提供重要保障，通過大數據技術對保護數據進行挖掘，實現電氣二次回路設備及線路的全面故障診斷。

3.1 診斷策略

通過電氣二次保護數據分析實現故障診斷可以更好地服務電力企業的運維管理，包括二次回路設備運行數據、繼電保護數據以及系統運維數據，對上述數據進行挖掘和分析，對有價值的數據進行提取，保證數據信息價值的充分發揮。按分層原則對診斷策略進行設計，由數據采集層、數據存儲層和數據分析層構成。

（1）采集層。采用傳感器對電氣二次回路相關設備電壓、電流等電氣信號進行采集，并通過模數轉換將其變成數字量。

（2）存儲層。通過網絡接收采集層的數據，以數據庫的方式對其進行分類和整合，通過文件系統對數據進行存儲。

（3）分析層。根據數據特征從專家庫調取與之對應的分析策略，對二次回路設備的運行狀態數據進行分析，從而實現故障診斷和預警。

3.2 數據預處理

為了保證數據的完整性，采用相鄰補全算法對缺失的數據進行修復，根據時間序列數組前后數據連續的特點，提取數組中缺失段相鄰的k個樣本，對其求平均值，缺失數據采用平均值替換。

缺失數據在數組中的距離采用式（1）進行計算：

式中，Xj=｛xj1，xj2，xj3，....，xjm｝為第j個數據樣本點前m維數據；Xi=｛xi1，xi2，xi3，....，xim｝為第i個數據樣本點前m維數據；xjn和xin分別為第j個和第i個數據樣本點的第n維屬性。

為了保證上述數組取值范圍在［0，1］內，對其進行歸一化處理，如式（2）所示：

式中，yi表示歸一化后的輸出結果；xi表示輸入值；min（x）和max（x）分別表示數組最小值和最大值。

3.3 診斷流程

基于知識庫的故障診斷，根據系統結構、故障特征和設備參數等信息建立知識庫，通過知識庫可以對故障類型進行判斷并給出具體處理方法，同時還可以對故障原因進行歸納，診斷流程如圖2所示。

首先對系統數據進行檢測，為了保證數據的質量和完整性，對其進行預處理并提取故障特征，然后對有效的特征數據進行篩選，通過診斷模型對故障進行定位并對其類型進行判定，將故障監測結果導入知識庫，對歷史數據進行挖掘，結合知識庫的專家知識和經驗對故障原因進行判定，從而確定故障原因并給出診斷建議。

4 算例分析

依托某變電站電氣二次保護數據對回路電容式電壓互感器進行故障診斷，通過大數據挖掘技術提取互感器電壓異常時的數據，獲取互感器參數及型號，根據運行時間對互感器的靜態數據、實時數據和歷史數據進行提取，對當前數據和歷史數據進行對比，通過知識庫對故障原因進行分析，從而完成互感器電壓預警，如圖3所示。

根據電氣二次回路互感器故障的診斷結果，分析驗證了基于大數據挖掘的故障診斷方法的正確性。

5 結語

本文基于大數據技術對繼電保護數據進行了挖掘和分析，介紹了電氣二次保護的特點及保護原理，對大數據技術在電氣二次保護中的應用進行了說明，詳細介紹了基于知識庫與保護數據相結合的電氣二次故障診斷策略，該方法可有效提升電力系統的智能化水平，為電氣設備故障智能診斷提供了技術支撐，對電力系統的發展和運行具有重要意義。

參考文獻

［1］秦海波.電力系統中的電氣二次及繼電保護探討［J］.科技資訊，2023（10）：25-28.

［2］李海龍.電力系統繼電保護二次回路檢修問題及對策［J］.電力設備管理，2024（4）：17-19.

［3］王奇，鄧陽.電力系統繼電保護二次回路技術應用研究［J］.電力設備管理，2024（3）：38-40.

［4］張瑞程，張仁尊，王書源，等.基于大數據的電力系統繼電保護自動化技術的研究［J］.自動化應用，2024（2）：36-38，9.

［5］徐琳瑋，顧文侃，陳志樑.電力系統繼電保護二次回路的檢修策略探討［J］.通信電源技術，2023（17）：243-245.

［6］陸郁強.基于大數據分析的電力變電站故障診斷與維護策略研究［J］.電氣技術與經濟，2023（8）：218-220.

Analysis and application of electrical secondary protection data based on big data mining

Abstract： The intelligent grid promotes the information and digital construction of the power system， and the secondary circuit equipment and its protection device of the power system will produce a large amount of data and information during the operation and maintenance. Through data mining， the intelligent monitoring of the system can be realized， which provides an important guarantee for the stable operation of the power grid. Relay protection is an important guarantee for the normal operation of power system. The combination of big data mining technology and secondary protection data can better realize the intelligent development of power system. In this paper， a monitoring strategy of electrical secondary circuit based on big data is proposed， and cloud computing is used to process and analyze the data of electrical secondary protection. This method has strong data analysis ability， realizes the operation monitoring and fault diagnosis of the secondary circuit， improves the security and reliability of power supply effectively， and has good application prospect and practical value.

Key words： big data; relay protection; secondary circuit; data mining