冉 迪，王來源

國網(wǎng)寧夏電力有限公司超高壓公司，寧夏 銀川 750000

0 引言

近年來，社會建設(shè)與發(fā)展速度加快，各行業(yè)領(lǐng)域的生存與發(fā)展都需要電力資源的支持，人們在生產(chǎn)生活中對電能的依賴性逐漸增強(qiáng)，因此對電網(wǎng)供電安全的要求越來越高。直流系統(tǒng)是變電站二次系統(tǒng)的主要電源，若直流系統(tǒng)發(fā)生故障，會損害電網(wǎng)設(shè)備。盡管目前有多種手段為電網(wǎng)運(yùn)行提供保障，但直流系統(tǒng)仍然會在運(yùn)行中出現(xiàn)斷路器誤動或拒動現(xiàn)象，導(dǎo)致跳閘故障等情況。為了避免故障范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，需要對故障作出正確的判斷，采取有效措施盡快恢復(fù)變電站二次設(shè)備的運(yùn)行[1]。

變電站直流系統(tǒng)的組成包括充電裝置、直流饋線屏、蓄電池等，為了保證變電站直流系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠，直流系統(tǒng)中還安裝了絕緣監(jiān)測裝置、蓄電池電壓監(jiān)測裝置、交竄直監(jiān)測裝置等，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)直流系統(tǒng)的故障并發(fā)出告警信息[2]。為了對變電站直流系統(tǒng)進(jìn)行檢修與維護(hù)，需要對變電站直流系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，并通過相應(yīng)的方法處理不同類型的故障。目前的故障診斷方法的容錯性較低，且實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確度均有待提高，因此需要提出新的故障診斷方法。粗糙集理論具備較強(qiáng)的分類能力，能夠通過知識約簡來簡化決策系統(tǒng)，在變電站故障診斷中得到應(yīng)用。文章對直流系統(tǒng)跳閘故障診斷進(jìn)行研究，為提高變電站直流系統(tǒng)跳閘故障診斷方法的準(zhǔn)確性提供了重要的參考依據(jù)，對推動智能電網(wǎng)建設(shè)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 故障診斷方法

1.1 變電站直流系統(tǒng)故障信息在線監(jiān)測

變電站直流系統(tǒng)的安全性影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，為了保證在可靠運(yùn)行條件下的在線監(jiān)測，在測量時(shí)應(yīng)避免對開關(guān)操作造成影響，避免出現(xiàn)開關(guān)誤操作的情況[3]。對直流系統(tǒng)中交流的竄入進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，當(dāng)交流電竄入直流系統(tǒng)后，直流正負(fù)母線間電壓不會產(chǎn)生明顯變化，而直流母線對地電壓波形為正弦波形，因此對直流系統(tǒng)對地電壓進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)對地電壓變化情況判斷直流系統(tǒng)中是否存在交流電竄入。著重考慮將交流電壓值從疊加的故障電壓中分解測量，可以利用差分電壓法，進(jìn)行電壓采樣，在一個采樣周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)n為

式中：p為交流電竄入直流系統(tǒng)的頻率；Δt為采樣時(shí)間間隔。

將一個周期內(nèi)采集到的電壓和下一個周期采集到的電壓相減，計(jì)算有效竄入直流系統(tǒng)的交流電的電壓值U，具體公式為

式中：Δu1,…,Δun為差值處理后的電壓值；γ為校正系數(shù)；n為采樣次數(shù)。

經(jīng)處理得到交流電竄入直流系統(tǒng)的有效值。通過智能監(jiān)測裝置的自檢功能[4]，根據(jù)模擬量采樣和數(shù)字量采樣的實(shí)時(shí)比較，判斷采樣單元是否正常，確保在線監(jiān)測功能的實(shí)現(xiàn)。

1.2 基于粗糙集的直流系統(tǒng)故障診斷規(guī)則提取

文章基于粗糙集進(jìn)行知識挖掘，便于在變電站直流系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)判斷故障區(qū)域。不同的變電站具有不同的直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，需要獲取變電站直流系統(tǒng)的故障診斷知識，提取變電站直流系統(tǒng)的故障診斷規(guī)則[5]。將變電站直流系統(tǒng)中的故障數(shù)據(jù)作為跳閘故障決策的條件樣本數(shù)據(jù)，構(gòu)建故障樣本集，對其進(jìn)行化簡，刪除冗余知識，獲取診斷規(guī)則。假設(shè)粗糙集合T=（U，R）為故障診斷規(guī)則庫。其中，R為有限集，且不為空集。如果集合R中的元素r為必要元素，則該數(shù)據(jù)為必要數(shù)據(jù)，不進(jìn)行冗余數(shù)據(jù)的刪除處理。若粗糙集中各元素r都是必要的，則該集合為獨(dú)立的，反之，該集合為相關(guān)的。變電站直流系統(tǒng)的故障診斷電路如圖1所示。

圖1中，Rx和Ry分別為正負(fù)母線的對地絕緣電阻，在正常無接地時(shí)，可認(rèn)為其電阻值接近∞；Rb1和Rb2為平衡電阻；Rc1和Rc2為測試橋電阻；h1和h2為繼電器接點(diǎn)；CT1和CTn為電流傳感器。根據(jù)直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立故障樣本決策表，表中條件屬性取值為0時(shí)，未出現(xiàn)直流接地故障；取值為1時(shí)，出現(xiàn)直流接地故障。決策屬性為故障區(qū)域，通過屬性重要度進(jìn)行約簡，將決策表中的冗余記錄刪除。根據(jù)約簡要求完成對變電站直流系統(tǒng)跳閘故障診斷規(guī)則的提取，用于變電站直流系統(tǒng)跳閘故障診斷。

圖1 變電站直流系統(tǒng)故障診斷電路

1.3 建立變電站直流系統(tǒng)跳閘故障診斷模型

根據(jù)故障區(qū)域決策表進(jìn)行約簡后，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為對應(yīng)，建立變電站直流系統(tǒng)跳閘故障診斷模型，實(shí)現(xiàn)故障診斷。文章基于粗糙集理論，對變電站直流系統(tǒng)跳閘故障知識進(jìn)行挖掘，消除數(shù)據(jù)中存在的干擾，完成屬性選擇的優(yōu)化，訓(xùn)練輸入樣本和輸出樣本，建立變電站直流系統(tǒng)跳閘故障診斷區(qū)域的診斷模型。在基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的直流系統(tǒng)跳閘故障診斷模型結(jié)構(gòu)中，造成直流系統(tǒng)跳閘故障的原因有多種，其中，直流系統(tǒng)的接地故障是引起跳閘故障的重要原因。斷路器出現(xiàn)變位信息錯誤和缺失的情況會對跳閘故障區(qū)域和故障點(diǎn)的定位形成一定的干擾，為了盡可能地降低該情況對跳閘故障診斷的影響，需要識別與確定跳閘故障區(qū)域的邊界。在變電站直流系統(tǒng)發(fā)出故障告警后，及時(shí)檢查直流系統(tǒng)中的饋線開關(guān)狀態(tài)，查找故障區(qū)域，監(jiān)測各元件參數(shù)，對參量超過閾值的元件進(jìn)行故障診斷，便于后期變電站運(yùn)維人員的檢修工作。

2 方法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證文章設(shè)計(jì)的方法對變電站直流系統(tǒng)的跳閘故障診斷效果，以110 kV變電站為實(shí)驗(yàn)對象，通過與其他診斷方法對比的方式，分析文章設(shè)計(jì)的方法對變電站直流系統(tǒng)跳閘故障的診斷效果。該110 kV變電站包括母線、充電裝置、直流饋線屏、蓄電池、絕緣監(jiān)測裝置、蓄電池電壓監(jiān)測裝置、交竄直監(jiān)測裝置等。故障屬性約簡利用rose2約簡軟件進(jìn)行。所用計(jì)算機(jī)主機(jī)CPU為intel酷睿i5處理器，2.0 GHz；硬盤Seagate 2 TB，內(nèi)存為4 GB，800 MHz；操作系統(tǒng)為Windows server 2010。首先對直流系統(tǒng)中的交流竄入的交流電壓監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，模擬在直流母線上竄入10～200 V的交流電壓，驗(yàn)證文章設(shè)計(jì)的故障診斷方法在直流系統(tǒng)交流電壓竄入監(jiān)測中的監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確度，具體結(jié)果如表1所示。

表1 直流系統(tǒng)交流竄入監(jiān)測結(jié)果

由表1可知，直流系統(tǒng)母線在發(fā)生交流竄入時(shí)，文章設(shè)計(jì)的跳閘故障診斷方法能夠?qū)涣麟妷簩?shí)現(xiàn)有效監(jiān)測，在竄入的交流電壓不斷增大的條件下，負(fù)母線與大地之間的測量值誤差逐漸減小，且總體上對直流系統(tǒng)母線的交流竄入交流電壓測量值誤差均在5.00%以內(nèi)，證明文章設(shè)計(jì)的方法具有較好的監(jiān)測效果。

在故障監(jiān)測信息準(zhǔn)確的情況下，對不同案例的診斷結(jié)果如表2所示。

表2 不同方法故障診斷結(jié)果對比

由表2可知，不同故障診斷方法的診斷結(jié)果較為一致。在案例4中，由于T1的繼電器保護(hù)信息丟失，傳統(tǒng)方法2出現(xiàn)了錯誤診斷情況；在案例3中，由于斷路器不運(yùn)行，傳統(tǒng)方法1出現(xiàn)錯誤診斷情況。由此可見，文章設(shè)計(jì)的方法在部分故障報(bào)警信息丟失的情況下，仍能得到準(zhǔn)確的故障診斷結(jié)果。為了進(jìn)一步驗(yàn)證不同方法在不同告警信息缺失情況下的故障診斷準(zhǔn)確性，對不確定的告警信息比進(jìn)行定義，具體公式為

式中：G為不確定的告警信息比；K為接收到的告警信息數(shù)量；K1為不確定的告警信息數(shù)量。

將不同診斷方法在不確定的告警信息數(shù)量條件下進(jìn)行測試，共進(jìn)行10輪，對比不同方法在跳閘故障診斷的準(zhǔn)確率precision，具體計(jì)算公式為

式中：f為故障診斷正確數(shù)；b為故障診斷錯誤數(shù)。

根據(jù)式（4）得到不同方法的跳閘故障診斷準(zhǔn)確率。在不確定的告警信息比在2%以內(nèi)時(shí)，不同方法的準(zhǔn)確率均為100%；在不確定的告警信息比逐漸提高后，文章設(shè)計(jì)的方法的跳閘故障診斷準(zhǔn)確率有所下降，但總體較為穩(wěn)定，兩種傳統(tǒng)方法的跳閘故障診斷準(zhǔn)確率有大幅度的下降，證明兩種傳統(tǒng)方法受不確定的告警信息比的影響較大。由此可見，文章設(shè)計(jì)的方法在不確定的告警信息比不斷上升的條件下準(zhǔn)確率最高。

驗(yàn)證不同故障診斷方法在診斷過程中的可靠性，文章設(shè)計(jì)的跳閘故障診斷方法能夠?qū)收宵c(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，且跳閘故障點(diǎn)定位所需時(shí)間最短，所需人員最少，證明文章設(shè)計(jì)的方法能夠提高變電站直流系統(tǒng)的安全性和可靠性，方法具有可行性。

3 結(jié)束語

文章通過實(shí)驗(yàn)論證分析進(jìn)行對比研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，直流系統(tǒng)母線在發(fā)生交流竄入時(shí)，文章設(shè)計(jì)的跳閘故障診斷方法能夠?qū)涣麟妷簩?shí)現(xiàn)監(jiān)測，對故障點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，為后面實(shí)現(xiàn)對變電站直流系統(tǒng)跳閘故障的診斷提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。同時(shí)，由于時(shí)間和條件的限制，文章的研究還存在諸多問題，需要在今后的研究中不斷改進(jìn)和完善，如文章對變電站直流系統(tǒng)跳閘故障的預(yù)警內(nèi)容涉及較少，未涉及直流系統(tǒng)跳閘故障處理的內(nèi)容。在未來的研究中，需要深入探索，不斷豐富研究內(nèi)容，提升跳閘故障診斷的準(zhǔn)確度，加強(qiáng)跳閘故障診斷方法的實(shí)用性。