基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)設(shè)備健康狀況分析模型

何葵東，薄 宇，閆孟達(dá)

（五凌電力有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

1 繼電保護(hù)設(shè)備系統(tǒng)分類

目前，對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備進(jìn)行分類的方法主要是根據(jù)繼電保護(hù)設(shè)備被保護(hù)對(duì)象的特性及各種保護(hù)原理，如劃分為線路保護(hù)、母線保護(hù)、變壓器保護(hù)及發(fā)電機(jī)保護(hù)等。這種劃分往往容易使人忽略了保護(hù)裝置的共性，本文的研究目的為研究出一種繼電保護(hù)健康狀況模型，對(duì)所有保護(hù)裝置的健康狀況進(jìn)行分析，故以上分類方法對(duì)本文不適用。

為了研究一種對(duì)所有保護(hù)裝置都適用的繼電保護(hù)健康狀況模型，需要對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備構(gòu)成硬件回路進(jìn)行分析。繼電保護(hù)設(shè)備均由如下系統(tǒng)構(gòu)成，電源系統(tǒng)、采樣回路、開(kāi)入開(kāi)出回路、CPU及定值。電源系統(tǒng)往往由一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)電源構(gòu)成；采樣回路主要由交流電流回路、交流電壓回路及直流電壓回路構(gòu)成；開(kāi)入開(kāi)出回路主要包括外部開(kāi)關(guān)量輸入、壓板投入回路、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)輸入回路、跳閘出口回路及操作回路等。

2 繼電保護(hù)健康狀況模型設(shè)計(jì)

根據(jù)繼電保護(hù)設(shè)備構(gòu)成將繼電保護(hù)健康狀況模型分為如下四個(gè)子模塊，即電源健康狀況分析、采樣回路健康狀況分析、開(kāi)入開(kāi)出回路健康狀況分析及CPU和定值健康狀況分析。

根據(jù)各個(gè)子模塊特點(diǎn)，以分布式采集、集中式管理為手段，通過(guò)Modbus、61850等通信協(xié)議，收集保護(hù)裝置中的各種數(shù)據(jù)，再根據(jù)各個(gè)子模塊需要，通過(guò)分類形成各個(gè)子模塊的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。采用數(shù)據(jù)擬合法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對(duì)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成對(duì)各個(gè)系統(tǒng)健康狀況分析的子模塊，最終建立繼電保護(hù)設(shè)備健康狀況模型。

形成繼電保護(hù)健康狀況模型后，實(shí)時(shí)收集繼電保護(hù)保護(hù)裝置的各種數(shù)據(jù)，分類后輸入各個(gè)子模塊；通過(guò)各個(gè)子模塊內(nèi)部計(jì)算及對(duì)比，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)子模塊健康狀況的分析，最終達(dá)到判斷繼整個(gè)繼電保護(hù)設(shè)備健康狀況、提前發(fā)現(xiàn)各種設(shè)備隱性缺陷及為實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)檢修提供決策依據(jù)的目的[1]。

3 繼電保護(hù)健康狀況模型實(shí)現(xiàn)

3.1 電源健康狀況分析模塊

繼電保護(hù)設(shè)備電源在正常運(yùn)行時(shí)由于電源負(fù)荷穩(wěn)定，溫度只與環(huán)境溫度有關(guān)。對(duì)于繼電保護(hù)設(shè)備電源健康狀況的分析，主要利用電源老化或運(yùn)行異常時(shí)會(huì)出現(xiàn)溫度升高的特點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)電源工況。在電源模塊內(nèi)部安裝一個(gè)自帶電源的無(wú)線溫度傳感器探頭來(lái)測(cè)量電源溫度，并在繼電保護(hù)設(shè)備屏柜內(nèi)安裝一個(gè)溫度傳感器測(cè)量環(huán)境溫度。通過(guò)兩個(gè)傳感器，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)，主要包括時(shí)間、裝置本體溫度、裝置本體溫度變化率、環(huán)境溫度及環(huán)境溫度變化率。通過(guò)采集變量，確定裝置的實(shí)時(shí)運(yùn)行工況[2]。

本文以電廠某變壓器保護(hù)裝置為例，采集現(xiàn)場(chǎng)4 320組保護(hù)裝置運(yùn)行溫度數(shù)據(jù)，包括時(shí)間、裝置本體溫度、裝置本體溫度變化率、環(huán)境溫度、環(huán)境溫度變化率及裝置運(yùn)行狀態(tài)。采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立電源故障監(jiān)測(cè)的數(shù)學(xué)模型，建立過(guò)程包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、相關(guān)性分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)四部分。

3.1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

檢測(cè)到的保護(hù)裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)可能會(huì)受到檢測(cè)裝置的影響，使得數(shù)據(jù)存在不完整及不一致的特性，影響所建立模型的準(zhǔn)確性，因此要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括數(shù)據(jù)的異常值剔除、缺失值填補(bǔ)及數(shù)據(jù)的歸一化處理。數(shù)據(jù)剔除與數(shù)據(jù)歸一化處理在Matlab中編程實(shí)現(xiàn)，缺失值的填補(bǔ)在統(tǒng)計(jì)軟件SPSS中實(shí)現(xiàn)。

3.1.2 數(shù)據(jù)的歸一化處理

采集到的繼電保護(hù)設(shè)備的數(shù)據(jù)有溫度、時(shí)間、溫度變化率及運(yùn)行狀態(tài)，各種數(shù)據(jù)的范圍及單位不同，數(shù)據(jù)量綱的不同會(huì)造成數(shù)據(jù)分析的錯(cuò)誤，所以要進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化。

3.1.3 保護(hù)裝置電源監(jiān)測(cè)模型的建立

將數(shù)據(jù)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)選取4 300組數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，最終選取裝置溫度、裝置溫度變化率、環(huán)境溫度及環(huán)境溫度變化率作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，輸出為裝置運(yùn)行工況。BP學(xué)習(xí)算法的基本思想是：通過(guò)一定的算法調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，使得網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出盡可能接近期望輸出[3]。

3.2 采樣回路健康狀況分析模塊

對(duì)于采樣回路健康狀況的分析，主要通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)采集多個(gè)保護(hù)裝置大量采樣數(shù)據(jù)，形成采樣大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。利用MATLAB數(shù)據(jù)擬合法，形成采樣系統(tǒng)數(shù)據(jù)區(qū)間。當(dāng)正常運(yùn)行時(shí)，采樣值在該區(qū)間內(nèi)波動(dòng)；當(dāng)采樣值超出該波動(dòng)區(qū)間時(shí)，發(fā)出告警，通知專業(yè)人員處理。

本文以1個(gè)主變保護(hù)裝置、1個(gè)故障錄波裝置為例進(jìn)行說(shuō)明，采集針對(duì)不同有功時(shí)刻的電流數(shù)值，采集大量數(shù)據(jù)，再通過(guò)MATLAB軟件對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬整合，當(dāng)有功發(fā)生變化時(shí)所測(cè)得的電流會(huì)在一定的范圍值進(jìn)行波動(dòng)，并標(biāo)記出其波動(dòng)的上下限值。正常情況下，采樣值會(huì)在其上下限值內(nèi)波動(dòng)，當(dāng)采樣值超出上限或低于下限，則反映采樣回路出現(xiàn)問(wèn)題。

對(duì)于電壓值，則針對(duì)無(wú)功不同時(shí)記錄當(dāng)時(shí)電壓值，通過(guò)MATLAB軟件對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬整合，當(dāng)有功發(fā)生變化時(shí)所測(cè)得的電壓會(huì)在一定的范圍值進(jìn)行波動(dòng)，并標(biāo)記出其波動(dòng)的上下限值。正常情況下，采樣值會(huì)在其上下限值內(nèi)波動(dòng)，當(dāng)采樣值超出上限或低于下限，則反映采樣回路出現(xiàn)問(wèn)題。

3.3 CPU和定值健康狀況分析模塊

對(duì)于CPU的健康狀況分析，主要利用CPU老化或運(yùn)行異常時(shí)會(huì)出現(xiàn)溫度升高的特點(diǎn)。在CPU模塊內(nèi)部安裝一個(gè)自帶電源的無(wú)線溫度傳感器探頭來(lái)測(cè)量CPU溫度，并在繼電保護(hù)設(shè)備屏柜內(nèi)安裝一個(gè)溫度傳感器來(lái)測(cè)量環(huán)境溫度，將以上兩個(gè)溫度采集后通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，形成CPU溫度與環(huán)境溫度的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。由于CPU正常運(yùn)行時(shí)，CPU溫度往往與環(huán)境溫度有關(guān)，對(duì)以上兩個(gè)溫度采用與電源健康狀況分析模塊同樣的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行處理，形成CPU健康狀況分析模塊。

選取CPU當(dāng)前溫度值、CPU溫度上升率、當(dāng)前環(huán)境溫度及環(huán)境溫度上升率作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，下一時(shí)刻的CPU溫度作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出。正常運(yùn)行時(shí)采集CPU溫度與環(huán)境溫度通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)輸入CPU健康狀況分析模塊，該模塊根據(jù)環(huán)境溫度得到一個(gè)CPU溫度的預(yù)測(cè)值，與實(shí)際的CPU溫度進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)兩者相差的絕對(duì)值在一定范圍內(nèi)時(shí)，判斷CPU運(yùn)行正常；當(dāng)超出該范圍時(shí)，判斷CPU運(yùn)行可能出現(xiàn)異常，發(fā)出告警，通知專業(yè)人員提前進(jìn)行檢查。

3.4 開(kāi)入開(kāi)出回路健康狀況分析模塊

開(kāi)入回路主要分為兩類，一種為硬壓板開(kāi)入，另一種為與被保護(hù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)的開(kāi)關(guān)量輸入。對(duì)于硬壓板開(kāi)入，可以采用與定值同樣的處理方法，即先建立硬壓板數(shù)據(jù)庫(kù)，再利用通信網(wǎng)絡(luò)將保護(hù)裝置采集到的硬壓板數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)，與數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)硬壓板數(shù)值進(jìn)行比較，當(dāng)有異常時(shí)立即通知專業(yè)人員處理。對(duì)于與被保護(hù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)的開(kāi)關(guān)量輸入，如出口斷路器、滅磁開(kāi)關(guān)等信號(hào)，則利用電流或電壓來(lái)判斷開(kāi)關(guān)量狀態(tài)。當(dāng)判斷有電流時(shí)，即為運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)采集到的保護(hù)裝置開(kāi)關(guān)量輸入回路數(shù)據(jù)應(yīng)與運(yùn)行狀態(tài)一致，否則應(yīng)發(fā)出告警。

由于開(kāi)出回路主要包括保護(hù)裝置跳、合閘接點(diǎn)、操作箱相關(guān)回路及斷路器控制回路等，部分回路較為復(fù)雜，又由于該回路采用直流電壓，所以對(duì)該部分設(shè)備的健康狀況分析主要通過(guò)直流對(duì)地電壓監(jiān)測(cè)來(lái)進(jìn)行。需設(shè)計(jì)一個(gè)專用測(cè)量電路，以測(cè)量該回路的對(duì)地電壓。當(dāng)正常運(yùn)行時(shí)，由于負(fù)荷波動(dòng)及直流回路絕緣監(jiān)測(cè)等原因，該回路對(duì)正、負(fù)對(duì)地電壓往往在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，測(cè)量回路一段時(shí)間后，采集大量電壓數(shù)據(jù)，形成該回路的電壓大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，再通過(guò)數(shù)據(jù)擬合法，擬合出該系統(tǒng)的在合閘或跳閘狀態(tài)的直流電壓波動(dòng)區(qū)間。當(dāng)在合閘或跳閘狀態(tài)時(shí)，測(cè)量直流電壓超出該狀態(tài)下的波動(dòng)區(qū)間，則發(fā)出告警，通知專業(yè)人員檢查處理。

安裝好電壓表后，通過(guò)電壓表采集多組數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)擬合法進(jìn)行擬合，形成電壓波動(dòng)區(qū)間。

正常運(yùn)行，當(dāng)斷路器在合閘狀態(tài)時(shí)，電壓表V1測(cè)量直流電壓數(shù)值在直流正電壓波動(dòng)數(shù)據(jù)區(qū)間波動(dòng)，電壓表V2、V3測(cè)量直流電壓數(shù)值在直流負(fù)電壓波動(dòng)區(qū)間波動(dòng)，一旦電壓波動(dòng)超過(guò)通過(guò)大數(shù)據(jù)擬合的數(shù)據(jù)波動(dòng)區(qū)間，則證明該回路存在故障，應(yīng)發(fā)出告警，通知專業(yè)人員處理。當(dāng)斷路器在分閘狀態(tài)時(shí)，電壓表V1、V3測(cè)量直流電壓數(shù)值在直流正電壓波動(dòng)數(shù)據(jù)區(qū)間波動(dòng)，電壓表V2測(cè)量直流電壓數(shù)值在直流負(fù)電壓波動(dòng)區(qū)間波動(dòng)，一旦電壓波動(dòng)超過(guò)通過(guò)大數(shù)據(jù)擬合的數(shù)據(jù)波動(dòng)區(qū)間，則證明該回路存在故障，應(yīng)發(fā)出告警，通知專業(yè)人員處理。

4 結(jié) 論

繼電保護(hù)設(shè)備的健康狀況直接影響到電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，自動(dòng)判斷繼電保護(hù)設(shè)備健康狀況，提前發(fā)現(xiàn)各種繼電保護(hù)設(shè)備隱性缺陷是保障電力系統(tǒng)安全的直接需求。