方勇靈，陸 榛，宋福海，夏可青，祁 忠

（1.福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，福建 福州 350003；2.福建省電力調(diào)度通信中心，福建 福州 350003；3.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 210003)

0 引言

電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，及時(shí)準(zhǔn)確診斷出電網(wǎng)故障元件對(duì)于電網(wǎng)恢復(fù)供電及可靠運(yùn)行至關(guān)重要。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，尤其是“調(diào)控一體化”的新型運(yùn)行體系建設(shè)，電網(wǎng)故障時(shí)大量的故障信息在短時(shí)間內(nèi)涌入調(diào)度中心，超過(guò)了調(diào)度主站和運(yùn)行人員的處理能力，易使調(diào)度員誤判、漏判。為了適應(yīng)各種簡(jiǎn)單和復(fù)雜事故情況下故障的快速、準(zhǔn)確識(shí)別，需要電力系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行決策參考。準(zhǔn)確、快速的輸電網(wǎng)故障智能分析是實(shí)現(xiàn)事故情況下科學(xué)調(diào)度、盡快排除故障、恢復(fù)供電的重要手段，因此，輸電網(wǎng)繼電保護(hù)故障信息智能分析系統(tǒng)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。

針對(duì)電網(wǎng)故障的智能分析，國(guó)內(nèi)外提出了許多方法：基于遺傳算法的方法、基于解析模型的方法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法、粗糙集理論、模糊集理論、基于Petri 網(wǎng)的方法、基于故障錄波信息、基于數(shù)據(jù)挖掘的方法等，雖取得了不少成果，但分別存在一些不足[3-5]，與需求之間還有一定距離，實(shí)用化比較差。如多側(cè)重于分析方法，未考慮一、二次設(shè)備模型的統(tǒng)一；對(duì)于老站改造的規(guī)約兼容等沒(méi)有具體可行的接口解決方案；未采用可縮放矢量圖形系統(tǒng)技術(shù)等。如何將電網(wǎng)故障診斷的研究逐步推向?qū)嵱没?，將各種理論研究轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品以帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有迫切的意義。

本文根據(jù)現(xiàn)有電網(wǎng)所能獲得的信息，采用合適有效的故障診斷分析推理機(jī)制，同時(shí)兼容新舊變電站以不同通信規(guī)約接入，逐步實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障的智能分析、診斷及決策。通過(guò)在福建電網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用表明，該方案切實(shí)可行，對(duì)構(gòu)建電力系統(tǒng)故障診斷智能輔助決策系統(tǒng)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 繼保信息智能分析系統(tǒng)可行性分析

目前電網(wǎng)已具備開(kāi)展電網(wǎng)故障智能分析專家系統(tǒng)研究的技術(shù)條件，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

a) 國(guó)內(nèi)110kV 及以上電壓等級(jí)保護(hù)基本上實(shí)現(xiàn)了微機(jī)化，變電站中均配置了時(shí)鐘同步裝置，保護(hù)及錄波均可通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將信息上傳至主站，為事故分析提供了必要條件。

b) 隨著近年來(lái)IEC 61850、IEC 61970 通信規(guī)約在電網(wǎng)中應(yīng)用，在數(shù)據(jù)的易用性、兼容性、互操作性和可視化方面取得了突破。

c) 隨著電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化水平的提高及通信技術(shù)的發(fā)展，調(diào)度自動(dòng)化均在開(kāi)展數(shù)據(jù)一體化、數(shù)據(jù)平臺(tái)一體化改造，保護(hù)故障信息系統(tǒng)可以獲得多源的信息，為電網(wǎng)的故障診斷創(chuàng)造了條件[6-8]。

2 主要技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

2.1 繼保故障信息智能分析系統(tǒng)推理機(jī)制

繼電保護(hù)故障信息智能分析是根據(jù)電網(wǎng)一次網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，為每個(gè)一次設(shè)備生成相應(yīng)的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。保護(hù)網(wǎng)絡(luò)指的是由電力系統(tǒng)主設(shè)備及其相關(guān)的斷路器、錄波裝置、保護(hù)等構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)故障情況和知識(shí)庫(kù)，綜合多個(gè)信息子站、EMS系統(tǒng)、錄波系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)信息進(jìn)行故障分析。根據(jù)故障區(qū)域電流、電壓的波形變化，斷路器和保護(hù)的實(shí)際動(dòng)作情況等，利用相關(guān)知識(shí)庫(kù)，分析并評(píng)價(jià)斷路器和保護(hù)的動(dòng)作行為，最終給出電網(wǎng)故障簡(jiǎn)報(bào)，包含相關(guān)故障元件的錄波波形等，具體詳見(jiàn)圖1電網(wǎng)故障診斷分析系統(tǒng)圖。

本文提出，故障診斷分析先以保護(hù)動(dòng)作及斷路器變位等開(kāi)關(guān)信息作為觸發(fā)條件對(duì)故障進(jìn)行初步分析；同時(shí)，根據(jù)初步分析結(jié)果向錄波系統(tǒng)召喚相關(guān)的錄波文件等，如圖1所示。根據(jù)開(kāi)關(guān)量變位信息及保護(hù)和斷路器的故障切除原理，按照保護(hù)動(dòng)作原理進(jìn)行推理、遍歷，計(jì)算各種故障的可信度。根據(jù)推理出的最可靠的故障設(shè)備，對(duì)所有的斷路器和保護(hù)進(jìn)行行為分析，推理出哪些需要?jiǎng)幼鳎男┎恍枰獎(jiǎng)幼?。再結(jié)合實(shí)際的斷路器和保護(hù)的動(dòng)作情況，判斷保護(hù)和斷路器是否正確動(dòng)作，或者是否有拒動(dòng)或者誤動(dòng)的情況。同時(shí)，結(jié)合基于錄波波形信息的繼電保護(hù)故障信息智能分析技術(shù)，通過(guò)連續(xù)考察從故障發(fā)生到切除的整個(gè)過(guò)程中電流（或電壓）的變化水平和變化時(shí)序，并結(jié)合考慮保護(hù)故障切除原理，用以判斷故障的性質(zhì)[9-10]。

圖1 電網(wǎng)故障診斷分析系統(tǒng)圖Fig.1 Diagram of power grid fault diagnosis and analysis system

電網(wǎng)故障綜合判斷根據(jù)基于開(kāi)關(guān)量、保護(hù)信息及模擬量信息的智能分析技術(shù)，構(gòu)成多判據(jù)、分層、混合型繼電保護(hù)故障智能分析技術(shù)，使得分析結(jié)論更為準(zhǔn)確可靠。

2.2 統(tǒng)一一、二次設(shè)備模型

如果沒(méi)有統(tǒng)一的一、二次設(shè)備模型，故障診斷分析系統(tǒng)即使獲得了完備的源信息，也無(wú)法使用。繼電保護(hù)智能分析系統(tǒng)的電網(wǎng)一次模型共享EMS系統(tǒng)的電網(wǎng)模型，保持兩套系統(tǒng)模型的一致性[11-12]。IEC 61970 標(biāo)準(zhǔn)為電力系統(tǒng)信息的標(biāo)準(zhǔn)化提供了技術(shù)規(guī)范，兩套系統(tǒng)均利用基于CIM 標(biāo)準(zhǔn)的XML 文件導(dǎo)出電網(wǎng)模型，供電網(wǎng)智能故障診斷與事故處理輔助決策系統(tǒng)使用。

IEC 61970的CIM模型可以很好地描述電網(wǎng)一次模型，但是CIM模型中關(guān)于電網(wǎng)二次模型的描述過(guò)于簡(jiǎn)單。在電網(wǎng)二次模型部分，CIM模型中定義了 CurrentRelay、SynchrocheckRelay 和 Reclose Sequence 三個(gè)類，分別用于描述電流保護(hù)、同期裝置和重合閘裝置，但仍無(wú)法滿足電網(wǎng)二次模型的建模需要。如果完全按照CIM模型建立保護(hù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)增加一種新的保護(hù)或自動(dòng)裝置時(shí)，就需要從ProtectionEquipment 類擴(kuò)展出相應(yīng)的子類。因此電網(wǎng)二次模型必須根據(jù)電網(wǎng)繼保故障信息智能分析系統(tǒng)的需要，對(duì)現(xiàn)有CIM模型的類、屬性和關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行擴(kuò)展，建立滿足智能保信分析系統(tǒng)需求的電網(wǎng)二次模型，將保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)備信息作為模型數(shù)據(jù)，建立包括電網(wǎng)一、二次設(shè)備模型及參數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，具體詳見(jiàn)圖2。

圖2 保護(hù)裝置模型描述圖Fig.2 Description figure of protection equipment model

2.3 可縮放矢量圖形技術(shù)的應(yīng)用

為增強(qiáng)智能分析系統(tǒng)的易用性和互操作性，本方案提出了采用可縮放矢量圖形技術(shù)，使故障信息系統(tǒng)與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)圖形系統(tǒng)保持一致，易于對(duì)信息系統(tǒng)的維護(hù)和更新，有利于與第三方系統(tǒng)進(jìn)行信息交換。如圖3，基于JavaScript 腳本文件實(shí)現(xiàn)SVG 圖形文檔與SQL 數(shù)據(jù)庫(kù)的連接。SVG 圖形文檔通過(guò)故障診斷軟件包的SQL 數(shù)據(jù)庫(kù)與SCADA系統(tǒng)及故障診斷算法進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換[2]。

圖3 SVG與信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換Fig.3 Data exchange of SVG and relay fault information system

2.4 故障錄波裝置數(shù)據(jù)上傳研究

目前錄波數(shù)據(jù)上傳時(shí)未對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)上傳量大，對(duì)通道壓力較大，且實(shí)時(shí)性差。本方案提出錄波數(shù)據(jù)按通道上傳，通過(guò)對(duì)錄波裝置軟件升級(jí)，使其能夠根據(jù)主站召喚命令，按通道將故障前后幾個(gè)周波相關(guān)部分錄波波形文件上傳至主站，如圖4。

圖4 主站召喚故障錄波波形示意圖Fig.4 Schematic diagram of fault waveform upload

2.5 主子站間通信規(guī)約

新建的電網(wǎng)故障智能分析專家系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)新舊繼電保護(hù)信息系統(tǒng)的平滑過(guò)渡，主站系統(tǒng)應(yīng)能同時(shí)接入新建變電站信息系統(tǒng)子站，同時(shí)兼容現(xiàn)有變電站的保護(hù)信息系統(tǒng)子站。因此主、子站之間通信規(guī)約需支持IEC 61850 和IEC 104+103 兩種通信規(guī)約，如圖5。

圖5 變電站與信息系統(tǒng)主站通信規(guī)約示意圖Fig.5 Schematic diagram of communication protocol between substation and relay fault information system

此外，電網(wǎng)故障智能分析要求所提供的數(shù)據(jù)均應(yīng)帶時(shí)標(biāo)，并對(duì)精度有較高的要求，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。目前500kV 變電站已基本配置了時(shí)間同步對(duì)時(shí)系統(tǒng)，站內(nèi)220kV以上電壓保護(hù)及故障錄波均具備了時(shí)間同步對(duì)時(shí)功能。

3 繼保故障信息智能分析系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3.1 繼保故障信息智能分析系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

以福建電網(wǎng)為工程依托，本文提出了完整的繼保故障信息智能分析系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。其中，為實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)信息與SCADA 信息的快速交互，將繼電保護(hù)故障信息處理系統(tǒng)置于安全I(xiàn)區(qū)。根據(jù)分層分區(qū)的原則，省調(diào)主站系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)500kV 網(wǎng)架的繼電保護(hù)故障信息的智能分析，各地調(diào)負(fù)責(zé)本地區(qū)220kV、110kV 電網(wǎng)繼電保護(hù)故障信息智能分析并將分析結(jié)果上傳至省調(diào)主站。

各地調(diào)調(diào)控一體化平臺(tái)（含EMS、SCADA、保信子站等系統(tǒng)）負(fù)責(zé)該地區(qū)220kV、110kV 電網(wǎng)故障診斷、分析、決策、遠(yuǎn)方不停電修改及核查定值、遠(yuǎn)方壓板投退、波形分析等功能。

各地調(diào)將與鄰近地區(qū)相關(guān)聯(lián)的變電站的遠(yuǎn)動(dòng)信息、保護(hù)及錄波信息通過(guò)三級(jí)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至鄰近地調(diào)。省調(diào)一體化平臺(tái)系統(tǒng)將該地區(qū)500kV 變電站遠(yuǎn)動(dòng)信息、保護(hù)及錄波信息通過(guò)三級(jí)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至各地調(diào)，如圖6。

3.2 繼保故障信息智能分析系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

繼電保護(hù)故障信息智能分析應(yīng)用基于D5000多源全景數(shù)據(jù)平臺(tái)開(kāi)發(fā)。D5000 平臺(tái)為上層應(yīng)用提供了底層消息總線、服務(wù)總線、實(shí)時(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)交換、圖形顯示、歷史庫(kù)等服務(wù)，同時(shí)利用D5000 平臺(tái)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的EMS/SCADA 等系統(tǒng)數(shù)據(jù)，為故障信息智能分析提供必要的開(kāi)關(guān)刀閘信息、電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。福建電網(wǎng)繼電保護(hù)故障信息智能分析系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖7。支撐平臺(tái)具備各種標(biāo)準(zhǔn)接口，為各功能的建設(shè)提供符合標(biāo)準(zhǔn)要求的電網(wǎng)模型、圖形、數(shù)據(jù)等信息，以實(shí)現(xiàn)各應(yīng)用擴(kuò)展功能的無(wú)縫連接。電力系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)筑在統(tǒng)一的支撐平臺(tái)層之上，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能故障診斷與事故處理輔助決策系統(tǒng)的各類應(yīng)用功能。

圖6 福建電網(wǎng)智能故障分析專家系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Overall structural framing of intelligent fault analysis expert system in Fujian power grid

圖7 福建電網(wǎng)繼電保護(hù)故障信息智能分析系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.7 Software structure of relay protection and intelligent fault information analysis system in Fujian power grid

3.3 繼保故障信息智能分析系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

福建電網(wǎng)繼保故障信息置于安全I(xiàn)區(qū)，為避免對(duì)信息系統(tǒng)子站進(jìn)行改造，現(xiàn)有變電站信息系統(tǒng)仍暫時(shí)保留接入現(xiàn)有繼電保護(hù)信息系統(tǒng)（安全I(xiàn)I區(qū)），遠(yuǎn)期結(jié)合繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)子站改造逐步將各子站接入安全I(xiàn)區(qū)新配置的保信系統(tǒng)通信服務(wù)器，本期省調(diào)現(xiàn)有繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)主站與新繼電保護(hù)故障信息智能分析系統(tǒng)之間通過(guò)防火墻聯(lián)接。

3.4 繼保故障信息智能分析系統(tǒng)主要功能

基于以上技術(shù)體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)主要功能包括：子站接入功能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史事件查詢、系統(tǒng)圖形化監(jiān)視、一二次設(shè)備建模、故障信息歸檔分析、故障數(shù)據(jù)預(yù)處理、電網(wǎng)故障綜合智能診斷、電網(wǎng)故障智能分析決策、故障測(cè)距功能、定值管理、遠(yuǎn)方不停電核查定值、全景可視化展現(xiàn)等。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)一、二次設(shè)備智能展示。運(yùn)行人員可以及時(shí)全面了解事故簡(jiǎn)報(bào)、故障診斷及處理建議。該系統(tǒng)自2011年投入運(yùn)行以來(lái)，穩(wěn)定可靠，并在電網(wǎng)故障時(shí)發(fā)揮了積極的作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

為適應(yīng)“調(diào)控一體化”運(yùn)行體系的建設(shè)，改進(jìn)現(xiàn)有輸電網(wǎng)繼電保護(hù)故障信息智能分析系統(tǒng)的不足，本文設(shè)計(jì)了一種繼電保護(hù)故障信息智能分析系統(tǒng)，它采用一體化信息平臺(tái)系統(tǒng)，綜合EMS系統(tǒng)、信息系統(tǒng)及錄波系統(tǒng)信息，基于開(kāi)關(guān)量、模擬量等多元信息對(duì)電網(wǎng)故障綜合分析，統(tǒng)一的一、二次設(shè)備模型，實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)與EMS系統(tǒng)的源端維護(hù)。該系統(tǒng)已在福建電網(wǎng)得到了實(shí)際應(yīng)用，對(duì)構(gòu)建電力系統(tǒng)故障診斷智能輔助決策系統(tǒng)具有一定的指導(dǎo)意義。

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