孫莉君，董科研，許曉峰，徐彥嵩，潘瑰琦，朱珈慧

(1.沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136; 2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司

錦州供電公司 發(fā)展策劃部，遼寧 錦州 121000)

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智能變電站二次設(shè)備故障診斷系統(tǒng)的研究

孫莉君1，董科研2，許曉峰1，徐彥嵩1，潘瑰琦1，朱珈慧1

(1.沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136; 2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司

錦州供電公司 發(fā)展策劃部，遼寧 錦州 121000)

摘要：介紹了智能變電站二次系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，分析了二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的信息采集方法，研究二次系統(tǒng)監(jiān)測評估專家系統(tǒng)，并針對二次系統(tǒng)故障診斷問題，提出了采用規(guī)則推理方法對智能變電站內(nèi)二次通信系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，算例分析為該研究提供了可靠有效的分析。

關(guān)鍵詞：智能變電站；二次系統(tǒng)；專家系統(tǒng)；故障診斷

在電網(wǎng)運(yùn)營的過程中，智能變電站的二次系統(tǒng)是重要環(huán)節(jié)之一。對于當(dāng)前的電力市場而言，由于對經(jīng)濟(jì)效益的追求，往往會導(dǎo)致某些重要元件的運(yùn)行狀況不佳，從而會引起故障，因此，建立完善的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)對于二次系統(tǒng)來說意義非凡。針對以上問題，采取了規(guī)則推理法，對二次通信系統(tǒng)進(jìn)行了故障診斷及狀態(tài)評估，并通過實(shí)驗(yàn)，證明了該方法的可行性。

1二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測信息采集

二次系統(tǒng)監(jiān)測評估信息的采集內(nèi)容需要根據(jù)系統(tǒng)故障和運(yùn)行異常的情況而選取，一般來說二次系統(tǒng)監(jiān)測評估信息主要包括以下幾方面內(nèi)容：二次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測信息；二次設(shè)備動作信息；二次設(shè)備參數(shù)定值維護(hù)信息；二次設(shè)備的有關(guān)操作信息等。

智能變電站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測信息評估可分為要素級、設(shè)備級以及系統(tǒng)級。如圖1所示，監(jiān)測功能的實(shí)現(xiàn)集成于二次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，監(jiān)測環(huán)節(jié)設(shè)置于二次系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)，通過在現(xiàn)有的智能變電站二次系統(tǒng)中添加監(jiān)測手段，實(shí)現(xiàn)對二次系統(tǒng)的周密監(jiān)測評估。

圖1　智能變電站二次設(shè)備監(jiān)測信息

對于系統(tǒng)級的監(jiān)測評估來說，可以根據(jù)二次系統(tǒng)完成的功能來設(shè)計(jì)設(shè)備間配合評估方案。通過三級評估的配置，可以實(shí)現(xiàn)對保護(hù)系統(tǒng)的整體狀態(tài)監(jiān)測，同時(shí)可以從多角度明確系統(tǒng)內(nèi)各組成部分的性能狀態(tài)。

站控層設(shè)置監(jiān)測信息分析評估專家系統(tǒng)，以智能變電站二次系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的校驗(yàn)及監(jiān)測信息為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對智能變電站保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)的綜合評估。

2故障診斷

2.1故障診斷專家系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

故障診斷專家系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫、知識庫、人機(jī)接口以及推理機(jī)等部分構(gòu)成，如圖2所示。

圖2　故障診斷專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該專家系統(tǒng)各部分工作如下：

1) 動態(tài)數(shù)據(jù)庫以及靜態(tài)數(shù)據(jù)庫構(gòu)成數(shù)據(jù)庫，用來存儲智能變電站靜態(tài)配置信息和實(shí)時(shí)監(jiān)測的動態(tài)信息。

2) 知識庫是專家領(lǐng)域知識的集合，存放的知識包含系統(tǒng)工作環(huán)境、系統(tǒng)知識、故障特征值、故障診斷算法、推理規(guī)則等，反映系統(tǒng)的因果關(guān)系，用來進(jìn)行故障推理。

3) 解釋器是根據(jù)推理機(jī)推出的異常以及事故的結(jié)論的可信度來進(jìn)行排序的，同時(shí)會以圖表的方式提供設(shè)備異常以及事故的原因或者處理建議。

4) 知識獲取程序：在建造專家系統(tǒng)的知識庫時(shí)，構(gòu)建知識獲取程序，從而可以自動獲取其想要的知識，實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)功能，完善知識庫。

2.2智能變電站二次系統(tǒng)故障診斷模型

智能變電站的二次系統(tǒng)可以進(jìn)行站內(nèi)的監(jiān)控保護(hù)以及測量等功能，由智能電子設(shè)備與通信網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)建。故障診斷系統(tǒng)會根據(jù)各故障信息之間的邏輯關(guān)系，通過智能算法的推導(dǎo)，確定診斷對象的工作狀態(tài)。依據(jù)此思路，建立了如圖3所示的二次系統(tǒng)的診斷模型。該基本模型中故障診斷所需的特征信息來源于靜態(tài)配置信息、“綜自系統(tǒng)”告警信息和在線監(jiān)測信息，設(shè)備診斷、報(bào)文診斷、配置診斷和綜合診斷則構(gòu)成了一個分布式結(jié)構(gòu)。

圖3　智能變電站二次系統(tǒng)故障診斷模型

各診斷模塊的功能如下：

1) 智能裝置診斷。根據(jù)各設(shè)備的自檢告警信息及監(jiān)控信息診斷其工作狀態(tài)是否發(fā)生故障，設(shè)備故障包括程序故障、硬件故障、ISG故障、開關(guān)機(jī)械故障等。

2) 報(bào)文診斷。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文監(jiān)視告警系統(tǒng)，對故障時(shí)間段內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)異常告警信息進(jìn)行診斷，判斷異常區(qū)域及異常網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通信網(wǎng)絡(luò)故障包括通信鏈路中斷、交換機(jī)故障、報(bào)文異常等。

3) 配置診斷。根據(jù)各IED設(shè)備的配置信息，以變電站配置文件SCD信息為標(biāo)準(zhǔn)，對各IED設(shè)備進(jìn)行配置信息診斷，確定各設(shè)備的工作可靠性。

4) 綜合診斷。各診斷模塊評估結(jié)果最終由綜合診斷模塊進(jìn)行綜合推理，得到完整的評估結(jié)果。評估內(nèi)容涵蓋開關(guān)/保護(hù)異常動作對應(yīng)的二次系統(tǒng)故障原因。

2.3故障診斷推理知識及知識庫

合并單元、保護(hù)裝置、智能開關(guān)機(jī)構(gòu)、測控裝置、通信網(wǎng)絡(luò)通信裝置(主要為交換機(jī))，這些是二次系統(tǒng)故障診斷的主要對象。因此，首先依據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分類，根據(jù)專家系統(tǒng)獲取信息的全面程度，決定其推理規(guī)則的適用范圍，同時(shí)，當(dāng)有新的故障案例出現(xiàn)時(shí)，通過專家系統(tǒng)的學(xué)習(xí)機(jī)制可對規(guī)則庫進(jìn)行更新完善。

2.4二次系統(tǒng)故障推理的基本步驟

1) 根據(jù)報(bào)警對象搜索相關(guān)信息，將這些信息依據(jù)報(bào)警對象進(jìn)行分類，找出最大故障范圍。

2) 根據(jù)告警信息開始同屬性搜索，將相同報(bào)警對象告警信息按照相同屬性分類，確定同屬性告警信息故障范圍。

3) 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行關(guān)聯(lián)對象分類，確定故障區(qū)域。從告警對象開始搜索，直到關(guān)聯(lián)對象為止，搜索到的智能裝置及通信設(shè)備均為可疑故障元件。

4) 根據(jù)已編推理知識進(jìn)行匹配，確定故障裝置或鏈路。對可疑故障元件分別進(jìn)行故障假設(shè)，然后根據(jù)知識庫中相關(guān)推理規(guī)則進(jìn)行規(guī)則前提條件匹配，如果發(fā)現(xiàn)匹配規(guī)則里缺少條件，那么應(yīng)該先按缺少的知識進(jìn)行相關(guān)告警搜索，然后再進(jìn)行匹配程度判斷，最后輸出診斷結(jié)果。

若故障告警信息發(fā)生誤報(bào)或丟失，將得到不可靠或者不完整的故障信息，從而得不到精確的故障診斷結(jié)果。

圖4　二次設(shè)備故障診斷過程

3運(yùn)行仿真

以某智能變電站為例，該變電站的主接線圖如圖5所示，該部分含有4路配有縱差保護(hù)的220 kV進(jìn)線，2臺配有差動保護(hù)和非電量保護(hù)的主變壓器，66 kV側(cè)有5條出線， CB2011為母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)。

圖5　智能變電站主接線

在VC++6.0環(huán)境下，根據(jù)圖6所示的框圖，編制了相應(yīng)的計(jì)算軟件，提高了運(yùn)算準(zhǔn)確度和速度。該軟件可以用來計(jì)算各因素的隸屬度函數(shù)以及其對應(yīng)的模糊綜合評判向量，最終得到診斷結(jié)果，下面簡單介紹該軟件的主界面和運(yùn)行過程以及結(jié)果。

圖6　軟件流程

3.1故障特征

將過程層通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖7)與變電站主接線圖(圖5)結(jié)合來看，1#主變正處于檢修狀態(tài)，將66 kV處的母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)CB2011閉合，2#主變帶110 kV的I段母線負(fù)荷運(yùn)行，此時(shí)由R202和R204檢測到L202與L204出現(xiàn)故障，分別為三相短路接地故障及兩相短路故障，并發(fā)出指令，讓CB204可靠動作，使得后備保護(hù)RT2L動作，從而使得CB22跳閘以切斷故障線路。但此時(shí)保護(hù)R204的動作信息由于某原因出現(xiàn)了缺失，同時(shí)，二次系統(tǒng)在線監(jiān)測系統(tǒng)檢測到斷路器CB204智能組件通信鏈路故障，保護(hù)裝置R204上傳智能組件CB204通信、測控單元CU204上傳智能組件CB204通信以及網(wǎng)絡(luò)分析儀NA上傳智能組件CB204通信信息發(fā)生中斷。

圖7　過程層部分通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.2故障推理

二次系統(tǒng)在線監(jiān)測系統(tǒng)通過故障推理過程得到告警信息：R204、CU204、RB22、NA上傳智能組件CB204通信中斷信息；智能組件CB204上傳R204、CU204、RB22通信中斷信息；66 kV側(cè)間隔交換機(jī)Sw66-1檢測到CB204端口通信鏈路中斷信息，其運(yùn)行結(jié)果如圖8所示。

圖8　運(yùn)行界面

故障推理過程如下：

1) 關(guān)聯(lián)對象搜索，確定最大故障范圍：智能組件CB204的告警信息、保護(hù)裝置R204、測控裝置CU204與保護(hù)裝置RB22。

2) 同屬性信息搜索，確定同屬性告警信息故障范圍：GOOSE通信故障(智能組件CB204 GOOSE通信告警包括：R204、CB204、CommGOOSE、Fault等信息)。

3) 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，疑似故障裝置包括：R204、CB204、CU204、RB22、Sw66-1R204、Sw66-1、CB204、Sw66-1CU204、Sw66-1。

4) 根據(jù)制定的規(guī)則進(jìn)行匹配，發(fā)現(xiàn)僅有(CB204，R204，CommGOOSE，F(xiàn)ault)報(bào)警信息相符，(MU204，R204，CommSV，F(xiàn)ault)、(CU204，CB204，CommGOOSE，True)、(NA，R204，CommSV，F(xiàn)ault)及(NA，R204，CommGOOSE，F(xiàn)ault)信息均不符，匹配度p(R204) =20%<50%，假設(shè)不成立。

①智能組件CB204故障假設(shè)：根據(jù)規(guī)則進(jìn)行匹配，(R204，CB204，CommGOOSE，F(xiàn)ault)、(CU204，CB204，CommGOOSE，F(xiàn)ault)及(NA，R204，CommGOOSE，F(xiàn)ault)信息均相符，匹配度p(CB204)=100%，所以假設(shè)成立，智能組件CB204通信故障。

②同理，p(CU204)=20%<50%，假設(shè)不成立，故CU204無故障；p(RB22)=10%<50%，假設(shè)不成立，故RB22無故障。

③通信鏈路:間隔交換機(jī)Sw66-1所在的通信鏈路(Sw66-1R204、Sw66-1CB204、Sw66-1CU204)的故障假設(shè)：根據(jù)匹配規(guī)則，由于交換機(jī)Sw66-1檢測R204通信端口鏈路故障及保護(hù)R204通信故障信息均不符，其匹配度p(Sw66-1R204)=p(R204)/2=16.7%<50%，因此，假設(shè)不成立，鏈路無故障。

同理，p(Sw66-1CU204)=p(CU204)/2=16.7%<50%，因此，鏈路無故障；p(Sw66-1CB204)=p(CB204)=100%，假設(shè)成立，鏈路Sw66-1CB204故障。故障診斷的結(jié)果如圖9所示。

圖9　運(yùn)行結(jié)果

開關(guān)CB204拒動診斷：將上述故障診斷結(jié)果置入狀態(tài)轉(zhuǎn)移框圖內(nèi)(如圖10所示)，然后進(jìn)行故障搜索，搜索得到結(jié)果為通信鏈路Sw66-1CB204故障，因此，開關(guān)CB204拒動原因?yàn)橥ㄐ沛溌稴w66-1CB204故障。

圖10　狀態(tài)轉(zhuǎn)移框圖

4結(jié)語

根據(jù)智能變電站故障診斷現(xiàn)有的發(fā)展基礎(chǔ)，對其二次系統(tǒng)的故障診斷進(jìn)行了研究，充分利用二次系統(tǒng)在線監(jiān)測的告警信息，從而對故障以及故障的關(guān)聯(lián)原因進(jìn)行分析。為了提高故障診斷系統(tǒng)的適用性和容錯性，提出了一種與智能變電站二次系統(tǒng)在線監(jiān)測結(jié)合的故障診斷方法，并且在變電站中通過運(yùn)行仿真驗(yàn)證了其可行性。

參考文獻(xiàn)

[1]周曙.基于貝葉斯網(wǎng)的電力系統(tǒng)故障診斷方法研究[D].成都:西南交通大學(xué)，2010.

[2]徐建政，李強(qiáng)，李建超.應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的電力系統(tǒng)故障診斷[J]，電力系統(tǒng)自動化，2010,1(22): 91-95.

[3]鄧宏貴，羅安，曹建，等.關(guān)聯(lián)度分析在變壓器故障診斷中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化，2005,29(19): 73-75,89.

[4]張虎.小波分析在電力輸電線路故障錄波裝置中的應(yīng)用研究[D].南京:南京航空航天大學(xué)，2004.

[5]辛建波，廖志偉.基于Multi-agents的智能變電站警報(bào)處理及故障診斷系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011,39(16): 83-88.

[6]潘華君，許曉峰，許東，等.基于模糊評判法的智能變電站二次系統(tǒng)狀態(tài)評估[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014(2)：143-147.

(責(zé)任編輯佟金鍇校對張凱)

Study on Fault Diagnosis Method for Intelligent Substation Secondary System

SUN Li-jun1,DONG Ke-yan2，XU Xiao-feng1,XU Yan-song1,PAN Gui-qi1,ZHU Jia-hui1

(Electronic Department，Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136； 2.Development and Planning Department,Jinzhou Electric Power Supply Comamg of Stae Grid,Jinzhou 121000,Liaoning Province)

Abstract：This article introduces the structure and characteristics of intelligent substation secondary system and analyzes the secondary equipment state monitoring information acquisition,It also studies the secondary system,monitoring and evaluation expert system and the secondary system fault diagnosis problem,put forward the rule-based reasoning method for smart substation within two communication system fault diagnosis,and take an example analysis provides a reliable and efficient analysis for the study.

Key words：Intelligent Substation;Secondary System;Expert System;Fault Diagnosis

中圖分類號：TM76

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-1603(2016)01-0055-06

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.01.011

通訊作者：許曉峰(1960- )，男，遼寧康平人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事電力系統(tǒng)在線監(jiān)測與狀態(tài)評估、無功功率補(bǔ)償?shù)确矫娴难芯俊?/p>

作者簡介：孫莉君(1991- )，女，遼寧大連人，碩士研究生。

收稿日期：2015-07-15