蔣程然 王青云 史塨毓

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基于IEC 61850的絕緣故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信研究

蔣程然 王青云 史塨毓

（南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，南京 211167）

高壓電力設(shè)備的運(yùn)行安全是電力系統(tǒng)關(guān)注的重點(diǎn)。本文針對(duì)電力系統(tǒng)中高壓電力設(shè)備的絕緣破壞故障，設(shè)計(jì)了一套基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)GOOSE技術(shù)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用聲音探頭和超聲波探頭進(jìn)行信號(hào)采集；使用并行長(zhǎng)短時(shí)記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行故障特征提取和絕緣破壞故障識(shí)別與報(bào)警；最后，通過IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)GOOSE技術(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)通信。實(shí)驗(yàn)和仿真說明，本文提出的方法能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)局放與破壞兩類絕緣故障，識(shí)別精度高，基于系統(tǒng)樣機(jī)的通信實(shí)驗(yàn)使用第三方軟件Wireshark抓取并分析了通信報(bào)文，證明了通信方案的實(shí)時(shí)性和可靠性。

高壓電力設(shè)備；絕緣故障；IEC 61850；GOOSE

21世紀(jì)以來，我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模和自動(dòng)化水平的發(fā)展都極為迅速[1-5]，電力系統(tǒng)的安全與可靠一直是需要考慮的重要問題。高壓電力設(shè)備作為電網(wǎng)的重要組成部分，它的運(yùn)行安全會(huì)直接影響整個(gè)輸配電網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于高壓電力設(shè)備來說，一旦發(fā)生絕緣故障會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)電力系統(tǒng)的安全[6-7]，在高壓電力設(shè)備的絕緣故障監(jiān)測(cè)方面，目前工程應(yīng)用大多還處于就地監(jiān)測(cè)、本地處理，對(duì)設(shè)備的綜合性能要求很高，提高了成本并且不利于與電力系統(tǒng)后臺(tái)服務(wù)器的集成。因此，針對(duì)高壓電力設(shè)備的絕緣故障實(shí)施在線監(jiān)測(cè)是極為必要的。文獻(xiàn)[8]針對(duì)高壓電力設(shè)備的局部放電現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一套基于嵌入式系統(tǒng)的紫外內(nèi)窺在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[9]提出使用超聲波、超高頻及高頻電流等3種方法對(duì)局部放電現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)，經(jīng)試驗(yàn)運(yùn)行，完成了對(duì)故障信號(hào)的提取及定位。文獻(xiàn)[10]根據(jù)GIS（gas insulated switchgear）設(shè)備局部放電現(xiàn)象，分析了超高頻/超聲波監(jiān)測(cè)技術(shù)的適宜性和準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[11]結(jié)合一起GIS電纜終端典型局放異常事例，分析了查找GIS電纜終端氣隙缺陷的方法。

傳統(tǒng)的絕緣故障檢測(cè)是通過閾值判別進(jìn)行故障診斷，傳感器測(cè)量精度越高、抗干擾能力越強(qiáng)則故障識(shí)別越準(zhǔn)確，但這種方式難以客觀高效地識(shí)別設(shè)備不同的狀態(tài)。本文使用并行長(zhǎng)短時(shí)記憶（long short-term memory, LSTM）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行故障特征提取和絕緣破壞故障識(shí)別，長(zhǎng)短時(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)解決了隨著時(shí)間間隔的增加容易出現(xiàn)梯度爆炸或梯度彌散的問題，并行運(yùn)算的方式對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的兩類數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，節(jié)約了運(yùn)算資源，提高了識(shí)別效率。在系統(tǒng)通信方面，本文采用了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)GOOSE機(jī)制[12-13]，對(duì)絕緣故障監(jiān)測(cè)IED進(jìn)行了建模分析，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的通信，使該系統(tǒng)能夠符合國(guó)際化變電站的通信標(biāo)準(zhǔn)，利于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與變電站服務(wù)器的集成管理。實(shí)驗(yàn)和仿真說明，本文提出的方案能夠高效的判別高壓電力設(shè)備不同的運(yùn)行狀態(tài)，具有識(shí)別精度高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。

1 絕緣故障信號(hào)采集與診斷

高壓電力設(shè)備在發(fā)生絕緣故障時(shí)，會(huì)伴隨有電壓、電流、溫度、聲音等現(xiàn)象，本文根據(jù)可聽聲和超聲波兩類信號(hào)對(duì)高壓電力設(shè)備內(nèi)部的絕緣狀況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，采用并行長(zhǎng)短時(shí)記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行故障識(shí)別。建立識(shí)別模型流程如圖1所示。

圖1 建立識(shí)別模型流程圖

上述方法經(jīng)過Zernike矩陣計(jì)算得到Mel譜（ZMSF）參數(shù)后結(jié)合的輔助特征集合，對(duì)特征集合及其方差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)函數(shù)計(jì)算，輔助特征集合中包含的參數(shù)有：短時(shí)平均能量、短時(shí)平均幅度函數(shù)、短時(shí)平均過零率、短時(shí)自相關(guān)函數(shù)、MFCC梅爾倒譜相關(guān)參數(shù)、共振峰相關(guān)參數(shù)、線譜對(duì)LSP參數(shù)以及基音頻率。

首先將信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，即進(jìn)行分幀、加窗處理，本文使用漢明窗，實(shí)現(xiàn)公式為

得到分幀后的數(shù)據(jù)()，表示幀數(shù)，表示幀長(zhǎng)。之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換，得到傅里葉變化()，對(duì)其取模后再算其平方值，然后將所得譜線能量通過Mel濾波器，求取Mel譜能量，對(duì)數(shù)化后即可獲得能量參數(shù)()，對(duì)能量參數(shù)進(jìn)行Zernike矩計(jì)算：

（2）

式中，為第個(gè)Mel濾波器（共個(gè)）；為DCT后的譜線，最后將pq()與DCT() 組合獲得ZMSF特征。然后再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行其他特征提取和統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得到數(shù)據(jù)集。

將預(yù)先獲取的可聽聲和超聲波兩類數(shù)據(jù)集放入上述并行LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中訓(xùn)練，得出高壓電力設(shè)備正常工作狀態(tài)、局部放電狀態(tài)和絕緣破壞故障狀態(tài)的三套訓(xùn)練參數(shù)，建立絕緣故障識(shí)別模型。并行LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)循環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2所示。長(zhǎng)短時(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模塊圖如圖3所示。

并行LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法核心是引入新狀態(tài)C以期控制信息的變化，時(shí)刻，狀態(tài)C通過遺忘門確定c-1有多少成分保留于c中，并通過輸入門確定x有多少成分保留于c中；狀態(tài)S，輸出門通過控制單元c確定輸出o中有多少成分輸出到s。再同時(shí)輸入兩路數(shù)據(jù)，并且運(yùn)算結(jié)果通過互饋控制器互相反饋，其中一方的運(yùn)算結(jié)果終止或者加強(qiáng)另一方的運(yùn)算，能夠節(jié)約運(yùn)算資源并提高識(shí)別效率。

圖2 并行長(zhǎng)短時(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)循環(huán)結(jié)構(gòu)圖

圖3 長(zhǎng)短時(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模塊圖

輸入門實(shí)現(xiàn)公式為

遺忘門實(shí)現(xiàn)式為

輸出門中，首先需要計(jì)算經(jīng)過了輸入門和遺忘門的狀態(tài)C，所以c的實(shí)現(xiàn)公式為

為確定c保留在s中的成分，輸出的實(shí)現(xiàn)公 式為

這里o為時(shí)刻的輸出層上的狀態(tài)，最后經(jīng)過輸出門，保留在隱層上的成分為

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建模

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

在系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方面，考慮到絕緣故障在線監(jiān)測(cè)的技術(shù)特點(diǎn)，并結(jié)合IEC 61850信息分層的概念，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，系統(tǒng)采用雙處理器設(shè)計(jì)，在下行探頭采集到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳輸至參數(shù)采集IED，完成參數(shù)采集及初步處理，之后通過RS 485技術(shù)與絕緣故障監(jiān)測(cè)IED進(jìn)行通信。絕緣故障監(jiān)測(cè)IED接收到上傳數(shù)據(jù)后，使用上述診斷方法進(jìn)行故障識(shí)別，根據(jù)識(shí)別情況通過IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)GOOSE通信技術(shù)完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸及上送。

圖4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 IED信息建模

信息建模是IEC 61850實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、不同廠商設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)互操作的重要基礎(chǔ)，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)采用了分層分類的建模思想，將每一個(gè)智能電子設(shè)備（intelligent electronic device, IED）用于通信交換的數(shù)據(jù)信息模型建模為共5個(gè)層次的信息模型，即服務(wù)器（Server）、邏輯設(shè)備（Logical Device）、邏輯節(jié)點(diǎn)（Logical Node）、數(shù)據(jù)（Data）以及數(shù)據(jù)屬性（Data Attribute）5層結(jié)構(gòu)，從上到下為包含關(guān)系，其信息模型的具體定義由IEC 61850-7-2/3/4三個(gè)部分完成。根據(jù)建模要求，將絕緣故障監(jiān)測(cè)IED按照功能分解成一個(gè)個(gè)功能模塊，每個(gè)功能模塊就是一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)，多個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)的協(xié)同工作就能共同完成絕緣故障監(jiān)測(cè)IED的全部功能。列舉其模型的主要邏輯節(jié)點(diǎn)見表1。

表1 絕緣故障監(jiān)測(cè)IED相關(guān)邏輯節(jié)點(diǎn)及說明

序號(hào)邏輯節(jié)點(diǎn)類邏輯節(jié)點(diǎn)功能描述M/O 1LLN0管理邏輯節(jié)點(diǎn)訪問邏輯設(shè)備公共信息M 2LPHD物理設(shè)備邏輯節(jié)點(diǎn)建模物理設(shè)備公共信息M 3STMP溫度監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度O 4IARC日志存檔設(shè)備日志O 5SIFM絕緣故障監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)可聽聲或超聲波信號(hào)M 6GGIO輸入、輸出無特殊邏輯節(jié)點(diǎn)描述的通用信息O

序號(hào)數(shù)據(jù)名公共數(shù)據(jù)類（CDC）描述 1ModeINC模式 2BehINS行為 3HealthINS健康狀態(tài) 4NamePltLPL邏輯節(jié)點(diǎn)銘牌 5InsuAlmSPS絕緣故障報(bào)警 6DschAcuSPS可聽聲監(jiān)測(cè) 7DschUltrSPS超聲波檢測(cè)

3 實(shí)驗(yàn)與仿真

3.1 絕緣故障識(shí)別算法仿真

在現(xiàn)場(chǎng)共采集40次設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，每次采集50條，每條數(shù)據(jù)3min，將之裁剪為10s的片段，共36000條正常運(yùn)行數(shù)據(jù)樣本；同理，采集到10次局放狀態(tài)數(shù)據(jù)樣本，每次采集10條3min數(shù)據(jù)，共1800條10s數(shù)據(jù)樣本；采集到100條10s絕緣破壞故障數(shù)據(jù)樣本。采集時(shí)可聽聲信號(hào)采用專業(yè)錄音麥克風(fēng)進(jìn)行錄音，采樣率48kHz；超聲波信號(hào)采用PXR04諧振式高靈敏度聲發(fā)射傳感器提取，采樣頻率160kHz。利用以上數(shù)據(jù)樣本分別建立訓(xùn)練和識(shí)別數(shù)據(jù)集，在進(jìn)行特征提取及訓(xùn)練后，采用LSTM算法進(jìn)行分類判斷。設(shè)定正常狀態(tài)為YB1，局部放電狀態(tài)為YB2，絕緣破壞故障狀態(tài)為YB3，仿真識(shí)別結(jié)果見表3。數(shù)據(jù)表明本文提出的方法可靠且識(shí)別精度高。

表3 基于LSTM的仿真識(shí)別結(jié)果

3.2 基于IEC 61850的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

本文在絕緣故障監(jiān)測(cè)IED側(cè)為實(shí)現(xiàn)GOOSE報(bào)文發(fā)送，選用了W5500網(wǎng)絡(luò)接口芯片，芯片集成了TCP/IP協(xié)議棧，10/100M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）及物理層（PHY），在配置Socket使用的協(xié)議模式時(shí)，配置使用MACRAW模式并使用Socket 0即可完成GOOSE報(bào)文的發(fā)送。

在服務(wù)器側(cè)（PC）為實(shí)現(xiàn)GOOSE機(jī)制，采用WinPcap（windows packet capture）底層協(xié)議包實(shí)現(xiàn)：①捕獲原始數(shù)據(jù)包；②根據(jù)用戶的需求，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行過濾；③通過網(wǎng)絡(luò)將原始數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。基于以上分析，系統(tǒng)運(yùn)行及通信流程圖如圖5所示。

本文將每一幀GOOSE報(bào)文分為3個(gè)部分：GOOSE數(shù)據(jù)塊、GOOSE報(bào)文幀頭以及GOOSE報(bào)文APDU。3個(gè)部分各定義為一個(gè)結(jié)構(gòu)體，每次發(fā)送報(bào)文時(shí)，先給GOOSE報(bào)文幀頭結(jié)構(gòu)體和GOOSE數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)體賦值，再給APDU結(jié)構(gòu)體中的時(shí)間變量和計(jì)數(shù)變量賦值，然后把GOOSE數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)集賦值給APDU中對(duì)應(yīng)的變量，最后將GOOSE報(bào)文幀頭結(jié)構(gòu)體和APUD結(jié)構(gòu)體整合，完成報(bào)文的打包。

根據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，GOOSE機(jī)制報(bào)文之間最小間隔為2ms，心跳報(bào)文之間間隔5s，所以本實(shí)驗(yàn)設(shè)定3條報(bào)文之間間隔為2ms及5s。搭建樣機(jī)，發(fā)送報(bào)文后，通過第三方軟件Wireshark進(jìn)行抓包驗(yàn)證。如圖6所示，GOOSE報(bào)文之間延時(shí)誤差分別為0.081ms和0.037ms。使用TCP/IP協(xié)議棧，對(duì)同樣的報(bào)文設(shè)定同樣的時(shí)間間隔，通過Wireshark進(jìn)行抓包，結(jié)果如圖7所示，TCP報(bào)文之間延時(shí)誤差分別為41.06ms和348.113ms。所以GOOSE機(jī)制在實(shí)時(shí)性上明顯更為優(yōu)越。

圖5 系統(tǒng)通信流程圖

圖6 Wireshark抓取GOOSE報(bào)文

基于樣機(jī)，模擬發(fā)生絕緣破壞故障，監(jiān)測(cè)服務(wù)器顯示報(bào)警，抓取報(bào)警報(bào)文內(nèi)容如圖8所示，Data數(shù)據(jù)設(shè)定正常為0，局部放電狀態(tài)為1，絕緣破壞故障為2，數(shù)據(jù)傳輸正確。

圖7 Wireshark抓取TCP報(bào)文

圖8 報(bào)警報(bào)文內(nèi)容解析

4 結(jié)論

對(duì)高壓電力設(shè)備進(jìn)行絕緣故障在線監(jiān)測(cè)對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著重要的意義，通過在線監(jiān)測(cè)能夠完成與變電站后臺(tái)服務(wù)器的集成，降低成本的同時(shí)提高了檢修效率。本文使用并行長(zhǎng)短時(shí)記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)絕緣破壞故障進(jìn)行特征提取和故障識(shí)別，并從通信的角度出發(fā)，基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)和絕緣故障監(jiān)測(cè)進(jìn)行研究，根據(jù)設(shè)備的功能建立了信息模型，并根據(jù)GOOSE技術(shù)的特點(diǎn)和需求設(shè)計(jì)了相應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，闡述了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信流程和實(shí)現(xiàn)方案，并與TCP協(xié)議進(jìn)行了對(duì)比分析，為今后的研究和開發(fā)工作提供了參考價(jià)值。

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Communication research on insulation fault online monitoring system based on IEC 61850

Jiang Chengran Wang Qingyun Shi Gongyu

(School of Electric Power Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167)

The operational safety of high voltage power equipment is the focus of the power systems. Aiming at the insulation failure of high voltage power equipment in power systems, an online monitoring system based on IEC 61850 standard GOOSE technology is designed in this work. This monitoring system uses sound and ultrasonic probe to collect signals, extracts the characteristics of the fault and identifies the insulation failure using parallel Long Short-Term Memory algorithm. Finally, the system communication is based on the IEC 61850 standard GOOSE technology. Simulation results show that the method proposed in this paper can accurately monitor both Partial Discharge and Destructive failure of insulation. The system prototype based communication experiments use the third party software Wireshark to capture and analyze the communication messages, and experiment results show that the communication scheme is prompt and reliable.

high voltage power equipment; insulation failure; IEC 61850; GOOSE

2018-06-26

蔣程然（1993-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)通信和變電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

南京工程學(xué)院校企合作項(xiàng)目（KN16-14）