吳 漾，孔慶波

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司，貴陽550000；2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司信息中心，貴陽550000）

隨著我國(guó)電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)運(yùn)行中不斷涌入了更多的設(shè)備，如智能電子設(shè)備、故障錄波器和一些保護(hù)設(shè)備，導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷越來越大[1]，故障發(fā)生時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)傳來的大量不必要信息，嚴(yán)重阻礙了故障的及時(shí)分析。另外，信息缺失以及設(shè)備所提供的信息量有限等因素也嚴(yán)重影響了故障分析的準(zhǔn)確性[2]。因此，及時(shí)對(duì)復(fù)雜的故障問題進(jìn)行分析解決，保證其可以更加安全穩(wěn)定的運(yùn)行具有重要意義[3-4]。如何通過異構(gòu)多信息源數(shù)據(jù)融合得到有效的故障輔助分析信息，逐漸成為研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[5]對(duì)變電綜合自動(dòng)化領(lǐng)域的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)配置也有效提高了自動(dòng)化水平，但不能綜合利用錄波器的模擬量信息和開關(guān)量信息。文獻(xiàn)[6]對(duì)國(guó)調(diào)的電網(wǎng)故障分析系統(tǒng)進(jìn)行了分析，該系統(tǒng)呈現(xiàn)的信息量與故障程度呈正相關(guān)，但存在信息介入不規(guī)范、應(yīng)用區(qū)分不充分的問題。文獻(xiàn)[7]對(duì)國(guó)外KJT公司的OPEN 系統(tǒng)進(jìn)行分析，其與故障分析系統(tǒng)類似，具備數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的結(jié)構(gòu)，可以及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行分析并處理，同時(shí)也存在一些不足，如故障診斷方法老舊、沒有綜合利用異構(gòu)信息等。本文基于多源數(shù)據(jù)融合的電網(wǎng)故障分析為中心展開，研究了一些故障分析算法，提出并仿真驗(yàn)證了所提電網(wǎng)故障分析方法，以期為電網(wǎng)的故障輔助分析提供更加準(zhǔn)確有效的途徑，有著重要的理論參考價(jià)值。

1 電網(wǎng)故障輔助分析系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由主站和子站構(gòu)成，整體呈現(xiàn)出分布分層的趨勢(shì)，而構(gòu)成總系統(tǒng)的主站位于調(diào)度端，其余子站全部位于變電站內(nèi)，如圖1所示。子站系統(tǒng)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾分級(jí)、協(xié)議轉(zhuǎn)換，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和管理，然后上傳至主站一些有效的信息。子站可實(shí)現(xiàn)故障的簡(jiǎn)單分析；而主站可實(shí)現(xiàn)跟EMS/SCADA 系統(tǒng)的所有上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行共享，將子站上傳來的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行集中整理，實(shí)現(xiàn)高級(jí)應(yīng)用并傳至不同的功能區(qū)域。主站和子站之間是通過公用電話網(wǎng)、電力數(shù)據(jù)網(wǎng)等一些廣義上的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接從而形成一個(gè)整體。

圖1 總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure

1.2 系統(tǒng)子站結(jié)構(gòu)和功能

系統(tǒng)的子站通過將不同接口的錄波器和保護(hù)裝置接線接入工控機(jī)，在一臺(tái)工控機(jī)上選擇開發(fā)模式，采用了內(nèi)置或者外置的擴(kuò)展接口卡。其中的工控機(jī)起到了重要作用，如數(shù)據(jù)分析、信息采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)和主機(jī)的通信。該結(jié)構(gòu)在不影響網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和變電站內(nèi)設(shè)備正常運(yùn)行的情況下，可以將保護(hù)接入子站系統(tǒng)，通過轉(zhuǎn)換裝置以光纖的方式。而保護(hù)管理機(jī)在物理連接上支持以太網(wǎng)、LonWorks、RS-458、RS-232 等方式與錄波器，自動(dòng)裝置，保護(hù)裝置進(jìn)行連接，將其他設(shè)備上傳來的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的格式。

在子站可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的分析功能，如對(duì)信息進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)和轉(zhuǎn)換，對(duì)錄波器及保護(hù)等設(shè)備的信息采集等，其功能可分為故障分析、運(yùn)行管理、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)采集等模塊。

1.2.1 故障分析功能

實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的故障分析功能，如單端測(cè)距功能、利用本地信息和模糊Petri 網(wǎng)的故障診斷、波形顯示以及將分析結(jié)果做成簡(jiǎn)報(bào)上傳至主站。

1.2.2 運(yùn)行管理

首先對(duì)信息進(jìn)行采集，然后保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，進(jìn)行查詢和控制。而主要采集的信息包括很多，主要分為通信狀態(tài)、異常警告、保護(hù)動(dòng)作等，最后將這些采集的信息跟主站進(jìn)行連接，進(jìn)行下一步操作，如查詢一些歷史記錄，修改某些定值等。

1.2.3 信息分級(jí)過濾

子站在發(fā)生故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，如果將所有這些數(shù)據(jù)都上傳至主站，不僅給工作人員帶來許多不方便，且會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)擁堵，所以根據(jù)需求對(duì)這些信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)處理和過濾是非常有必要的。

對(duì)信息進(jìn)行處理主要分為等待查詢信息和主動(dòng)上傳信息兩大類。等待查詢信息滿足完整性和準(zhǔn)確性，主要用于對(duì)故障發(fā)生后的分析；而主動(dòng)上傳信息則是在故障發(fā)生的第一時(shí)間進(jìn)行上傳。響應(yīng)的上傳規(guī)則，如表1所示。

表1 上傳規(guī)則Tab.1 Upload rules

第1 級(jí)信息并非故障時(shí)的信息，主要用于定值的校核以及設(shè)備的維護(hù)，與電力系統(tǒng)的故障沒有直接相關(guān)；第2 級(jí)信息主要為等待查詢信息，主要用于故障后的分析；第3、4 級(jí)信息為主動(dòng)上傳的信息，所形成的故障簡(jiǎn)報(bào)主要為繼保和運(yùn)行人員提供故障分析結(jié)論，如保護(hù)行為分析、故障診斷等。

1.2.4 格式轉(zhuǎn)換

由于所有設(shè)備的型號(hào)不同，出自不同的廠家，通信協(xié)議自然存在很大的差異。利用保護(hù)管理機(jī)作為通信介質(zhì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效利用，不但方便了數(shù)據(jù)的采集和高效利用，還可以統(tǒng)一保護(hù)并接入保護(hù)管理機(jī)。

1.3 系統(tǒng)主站結(jié)構(gòu)和功能

主站可以和以下的子站全部進(jìn)行連接，之后彼此之間可以通信并傳達(dá)消息，如圖2所示。

圖2 主站結(jié)構(gòu)Fig.2 Main station structure

兩站之間常用通信有2 種方式：一種是由電力通信網(wǎng)或公用電話以撥號(hào)的方式進(jìn)行通信；另一種是由電力數(shù)據(jù)網(wǎng)通過IP/TCP 方式進(jìn)行通信。目前國(guó)內(nèi)的電力發(fā)展迅速，所有的變電站大都被光纖覆蓋，所以第二種成為主要的通信方式。

單獨(dú)設(shè)置的數(shù)據(jù)服務(wù)器可以避免訪問頻繁及數(shù)據(jù)量大的弊端，提高數(shù)據(jù)應(yīng)用的效率。配備了2臺(tái)通信服務(wù)器，且都與公用電話網(wǎng)和電力數(shù)據(jù)網(wǎng)連通，可以保證故障信息的可靠上傳，提高子站和主站之間數(shù)據(jù)交換及通信的可靠性。

由于對(duì)于信息分析的需求越來越多，所以我們更加精確地設(shè)計(jì)了其主要功能，使得這些功能在配合設(shè)備運(yùn)行時(shí)可以對(duì)分析人員及操作人員帶來更多的方便，主要的功能模塊分為以下幾種：

綜合分析模塊該模塊主要由顯示的波形分析后，經(jīng)過故障選項(xiàng)算法進(jìn)行計(jì)算，向故障分析系統(tǒng)傳送更準(zhǔn)確的信息，方便用戶更精確地對(duì)故障進(jìn)行診斷分析。

數(shù)據(jù)庫(kù)模塊該模塊能夠存儲(chǔ)電網(wǎng)的原始配置參數(shù)，同時(shí)刷新存儲(chǔ)所包含的信息并實(shí)現(xiàn)對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的備份以備查詢。

信息管理模塊該模塊包含報(bào)警信息、查詢統(tǒng)計(jì)、裝置的設(shè)備動(dòng)作管理、圖形界面管理、WEB 信息發(fā)布等功能，可以顯示告警信息并對(duì)歷史的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行更有效的查詢，以此對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行密切監(jiān)視，同時(shí)通過圖形化的界面向用戶和其他系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)。

通信模塊該模塊主要包括子站數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)共享、GPS 對(duì)時(shí)的功能，保證信息上傳、共享及同步的可靠性。

2 基于多數(shù)據(jù)融合的電網(wǎng)故障輔助分析

2.1 開關(guān)量故障度

通過推理開關(guān)量信息并利用模糊Petri 網(wǎng)得到各個(gè)元件的故障概率，同時(shí)需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，第i 個(gè)元件的開關(guān)量故障度即為PDi。

2.2 能量故障度

通過Hilbert 變換并利用頻率和瞬時(shí)幅值，取前3 個(gè)IMF 分量，得到所有IMF 分量的能量表征。發(fā)生故障即會(huì)產(chǎn)生這一個(gè)頻段的能量變化，然后根據(jù)這些變化對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的量化分析。

假設(shè)發(fā)生故障時(shí)，第i（i=1，2，…，n）個(gè)設(shè)備元件的固有能量定義為Ei1，…，Eik，…，Eil則：

2.3 頻率故障度

故障發(fā)生時(shí)，電網(wǎng)中的信號(hào)會(huì)摻雜很多高頻率的暫態(tài)信息，導(dǎo)致頻率變化極大。根據(jù)容易由頻率變化而引起改變的HHT，對(duì)于發(fā)生故障線路詳細(xì)的進(jìn)行分析。

假設(shè)發(fā)生故障時(shí)，將第i（i=1，2，…，n）個(gè)設(shè)備元件的固有頻率定為fi1，…，fik，…，fil，則定義：

2.4 幅值故障度

一旦發(fā)生故障，每一條線路中就會(huì)因?yàn)槎搪冯娏鞯拇嬖诙a(chǎn)生極大變化的幅值，根據(jù)這些幅值變化特性進(jìn)行分析，通過比較前后幅值的不同和變化值對(duì)故障程度進(jìn)行精確的輔助分析。

假設(shè)發(fā)生故障時(shí)，將第i（i=1，2，…，n）個(gè)設(shè)備元件的瞬時(shí)頻率定義：

此時(shí)的AiFiWi并不能作為理論證據(jù)，歸一化處理得到第i 個(gè)元件的輔助故障度、頻率故障度以及能量故障度。

2.5 基于多數(shù)據(jù)融合的電網(wǎng)故障輔助分析

根據(jù)繼電器保護(hù)故障信息系統(tǒng)獲取電氣量，并通過SCADA 系統(tǒng)對(duì)開關(guān)量信息進(jìn)行獲取，獲取了這些信息之后詳細(xì)的對(duì)其進(jìn)行處理和提取。通過HHT 對(duì)電氣量進(jìn)行分析，利用Petri 對(duì)開關(guān)量進(jìn)行精準(zhǔn)的分析，最后通過證據(jù)理論在決策融合層對(duì)故障度進(jìn)行診斷融合，得到結(jié)果，輔助分析流程，如圖3所示。

3 仿真分析

以我國(guó)北方的某次真實(shí)電網(wǎng)故障為基礎(chǔ)，對(duì)本文所提到的分析方法進(jìn)行了仿真分析。本次的電路故障是發(fā)生在L1 線路上，因?yàn)殛P(guān)聯(lián)的斷路器和保護(hù)裝置的動(dòng)作，有6 條路線發(fā)生了跳閘，電網(wǎng)的接線情況如圖4所示。

本次的故障過程解析為

（1）L11處出現(xiàn)短路即AC 接地，B15處的距離保護(hù)、高頻、零序同時(shí)發(fā)生動(dòng)作，故Q11斷路器跳開；

圖3 輔助分析流程Fig.3 Flow chart for auxiliary analysis

圖4 仿真分析接線圖Fig.4 Simulation and analysis wiring diagram

（2）B11處的斷路器并沒有斷開，所以導(dǎo)致B18處的保護(hù)動(dòng)作觸發(fā)了Q17處的的斷路器；

（3）L14處的零序保護(hù)動(dòng)作觸發(fā)了Q13、Q14處的斷路器，通過分析認(rèn)為是誤動(dòng)。

（4）B11、B2處的保護(hù)沒有發(fā)生動(dòng)作，使得Q0、Q2處的斷路器并沒有跳開，導(dǎo)致1-4 號(hào)表電器沒有發(fā)生斷路動(dòng)作。

（5）B11處的保護(hù)器沒有發(fā)生動(dòng)作，使得Q7、Q8、Q24處的斷路器跳開，同時(shí)L15，B1處的保護(hù)器誤動(dòng)致使跳閘。

根據(jù)以上方法對(duì)這次故障進(jìn)行詳細(xì)的分析，對(duì)于每一條線路都根據(jù)所提到的HHT法進(jìn)行信息提取，如開關(guān)量、能量、頻率、幅值等，最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行融合分析處理，如表2所示。

表2 融合分析結(jié)果Tab.2 Fusion analysis results

由此結(jié)果可以得出，本次故障的發(fā)生主要原因確實(shí)是發(fā)生在L1線路上，其余線路問題全部屬于非故障因素，和實(shí)際狀況相同，沒有異議。此外，不按照多源數(shù)據(jù)融合的辦法進(jìn)行分析的話，僅僅通過開關(guān)量故障進(jìn)行分析，會(huì)認(rèn)為L(zhǎng)1、L4、L12處的元件均為發(fā)生故障，得出很不精確的結(jié)果。

4 結(jié)語

基于多源數(shù)據(jù)融合的電網(wǎng)故障分析為中心展開，研究了一些故障分析算法，并仿真驗(yàn)證了所提電網(wǎng)故障分析方法，得出了以下結(jié)論：①基于SQL Server2008和Visual C++6．0 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，改進(jìn)了分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能，并且在此基礎(chǔ)上提出了具體的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案；②對(duì)基于多數(shù)據(jù)融合的電網(wǎng)故障輔助分析方法進(jìn)行了研究，利用模糊Petri 網(wǎng)對(duì)開關(guān)量進(jìn)行分析，并利用HHT 算法對(duì)電氣量進(jìn)行分析后，融合這些算法所提取的表征，可以得到更加精確的分析結(jié)果；③最后通過實(shí)際故障仿真案例驗(yàn)證了所提分析方法，確實(shí)有效提高了故障輔助分析方法的精準(zhǔn)度，可以有效的避免斷路器及保護(hù)器的誤動(dòng)、拒動(dòng)所帶來的負(fù)面影響，為更有效的故障輔助分析提供了理論指導(dǎo)。