WARMAP 系統(tǒng)故障集自動(dòng)生成方法及其應(yīng)用

陳 金，鄭 亮，孫才峰，倪 杰，李 晨

（南瑞集團(tuán)有限公司，南京 211000）

0 引言

隨著我國(guó)特高壓電網(wǎng)、交直流混聯(lián)電網(wǎng)的不斷推進(jìn)，以及風(fēng)電、光伏等間歇性能源的接入[1-3]，電網(wǎng)的運(yùn)行方式日益復(fù)雜，安全穩(wěn)定問(wèn)題越來(lái)越突出。近幾年國(guó)內(nèi)外多次發(fā)生的停電事故表明，構(gòu)建電網(wǎng)安全穩(wěn)定的綜合防御體系至關(guān)重要。WARMAP（廣域監(jiān)測(cè)分析保護(hù)）系統(tǒng)[4-6]可以提升監(jiān)視大電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的能力，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中存在的安全隱患，提供快速正確的安全穩(wěn)定控制建議，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定協(xié)調(diào)運(yùn)行，避免局部微小的電網(wǎng)事故不斷蔓延導(dǎo)致大面積停電事故的發(fā)生。預(yù)想故障集作為WARMAP 系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以往主要依靠數(shù)據(jù)維護(hù)工具[7]進(jìn)行人工維護(hù)，效率低下，工作繁瑣，而全網(wǎng)N-1 故障集和首末端廠站相同的跨線N-2 故障集故障屬性基本一致，完全可以通過(guò)設(shè)計(jì)有效的方法實(shí)現(xiàn)預(yù)想故障集的快速批量生成，提高工作效率。

在理論研究方面，文獻(xiàn)[8]提出了分類的故障模板，并以此實(shí)現(xiàn)故障集的自動(dòng)批量生成，但該故障僅適用PSASP（電力系統(tǒng)分析綜合程序）。文獻(xiàn)[9]根據(jù)CIM（公共信息模型）規(guī)定的語(yǔ)法和語(yǔ)義，設(shè)計(jì)了預(yù)想故障集特有的類，但該故障集僅適用于靜態(tài)安全分析。文獻(xiàn)[10]根據(jù)電網(wǎng)分區(qū)和故障影響域形成全網(wǎng)的多重預(yù)想故障集，該方法僅考慮靜態(tài)開(kāi)斷下的故障影響，并未涉及暫態(tài)計(jì)算。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于廠站接線信息的預(yù)想故障集生成方法，可以根據(jù)廠站和電壓等級(jí)生成預(yù)想故障集，但該方法不支持按指定區(qū)域生成，也不支持故障類型設(shè)置。

本文研究的基于WARMAP 系統(tǒng)的故障集自動(dòng)生成方法，可以根據(jù)設(shè)備參數(shù)和物理節(jié)點(diǎn)評(píng)估設(shè)備模型的可靠性，以此為基礎(chǔ)結(jié)合設(shè)定的故障規(guī)則快速批量生成WARMAP 系統(tǒng)中指定故障類型的N-1 和部分設(shè)備的N-2 故障集，為WARMAP系統(tǒng)靜態(tài)、暫態(tài)評(píng)估等高級(jí)功能提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，使用優(yōu)化的鄰近排序算法對(duì)新增故障集進(jìn)行重復(fù)檢查，避免相同故障入庫(kù)導(dǎo)致重復(fù)計(jì)算，影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

1 預(yù)想故障和故障規(guī)則

1.1 預(yù)想故障

預(yù)想故障是預(yù)先設(shè)定的電力系統(tǒng)元件故障及其組合。在實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行中開(kāi)展預(yù)想故障的分析研究，可以使調(diào)度運(yùn)行人員充分認(rèn)識(shí)各種故障對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的危害程度，準(zhǔn)確掌握故障發(fā)生后電網(wǎng)中的薄弱環(huán)節(jié)，提前采取有效的控制措施避免電網(wǎng)故障進(jìn)一步擴(kuò)大。

WARMAP 系統(tǒng)中將預(yù)想故障定義為算例，一個(gè)算例由多個(gè)事件組成，為描述不同的故障類型，事件根據(jù)元件類型進(jìn)行歸類，交流線路、母線、變壓器組成支路事件，發(fā)電機(jī)、直流分別歸為一類事件。各類事件可單獨(dú)組成故障，也可以互相組合成混合故障，例如N-1 故障只含一個(gè)事件，交直流混合的嚴(yán)重故障同時(shí)包含支路事件和直流事件。

預(yù)想故障結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 預(yù)想故障結(jié)構(gòu)

1.2 故障規(guī)則

將預(yù)想故障中的相同屬性進(jìn)行歸類合并形成故障規(guī)則。用戶通過(guò)維護(hù)簡(jiǎn)單的故障規(guī)則，由程序根據(jù)規(guī)則，按區(qū)域和電壓等級(jí)快速批量地生成預(yù)想故障集，大大減少預(yù)想故障集的維護(hù)工作量，提高工作效率。

預(yù)想故障規(guī)則歸類合并的主要屬性見(jiàn)表1。

表1 故障規(guī)則屬性

故障規(guī)則按照計(jì)算目的劃分為靜態(tài)規(guī)則和暫態(tài)規(guī)則，兩者主要差別如下：

（1）支持的故障類型不同。靜態(tài)規(guī)則支持的故障類型僅開(kāi)斷，暫態(tài)規(guī)則支持的故障類型包括三相永久短路、三相永久開(kāi)斷等，詳見(jiàn)表2。

（2）考慮故障動(dòng)作時(shí)序不同。故障動(dòng)作時(shí)序模擬實(shí)際繼電保護(hù)、重合閘動(dòng)作的時(shí)間，對(duì)暫態(tài)過(guò)程影響極大而靜態(tài)無(wú)需考慮，默認(rèn)故障0 s 發(fā)生，500 kV 及以上線路近端切除時(shí)間取0.09 s，遠(yuǎn)端切除時(shí)間取0.10 s；220 kV 線路兩端切除時(shí)間取0.12 s；變壓器故障切除時(shí)間按同電壓等級(jí)線路近端切除時(shí)間[12]。詳細(xì)的故障時(shí)序設(shè)置如表3 所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 故障集自動(dòng)生成

故障自動(dòng)生成根據(jù)設(shè)定的故障規(guī)則搜索滿足分區(qū)、電壓等級(jí)、設(shè)備類型等條件的故障設(shè)備，并結(jié)合故障規(guī)則中的故障屬性，自動(dòng)生成預(yù)想故障集。

表2 靜態(tài)和暫態(tài)故障類型

表3 默認(rèn)故障時(shí)序

具體步驟如下：

步驟1，評(píng)估全網(wǎng)設(shè)備模型的可靠性。根據(jù)支持的故障設(shè)備類型獲取全網(wǎng)的分區(qū)、廠站、母線、交流線段、變壓器及其繞組、發(fā)電機(jī)等模型，計(jì)算模型可靠性指標(biāo)。

可靠性指標(biāo)λi計(jì)算公式如下：

式中：ai，bi分別為設(shè)備模型i參數(shù)準(zhǔn)確率和節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確率；Pi，Pi，q和Pi，e分別為設(shè)備模型i關(guān)鍵參數(shù)總數(shù)、關(guān)鍵參數(shù)缺失個(gè)數(shù)和關(guān)鍵參數(shù)錯(cuò)誤個(gè)數(shù)；Si，nd為設(shè)備模型物理節(jié)點(diǎn)；M為全網(wǎng)模型集合。

設(shè)定模型可靠性指標(biāo)門檻k=0.8，可靠性指標(biāo)低于k的設(shè)備模型，表示該部分設(shè)備模型參數(shù)不全，不適合生成預(yù)想故障，需過(guò)濾，最后獲得有效的設(shè)備模型集合Mvld。

步驟2，檢查用戶設(shè)定的故障規(guī)則。故障規(guī)則可能存在規(guī)則參數(shù)設(shè)錯(cuò)或者規(guī)則重復(fù)，導(dǎo)致故障集重復(fù)生成或生成失敗，因此有必要對(duì)故障規(guī)則進(jìn)行合理性檢查。

（1）規(guī)則重復(fù)檢查

包括規(guī)則完全重復(fù)和部分重復(fù)。規(guī)則完全重復(fù)是指兩個(gè)故障規(guī)則屬性完全相同，需過(guò)濾重復(fù)的故障規(guī)則。部分重復(fù)是指規(guī)則的部分屬性不同，其他屬性完全相同，需根據(jù)重復(fù)參數(shù)進(jìn)行特殊處理。

例如：規(guī)則1 設(shè)置了A，B 分區(qū)500 kV 交流線段三永，規(guī)則2 設(shè)置了B，C 分區(qū)500 kV 交流線段三永，針對(duì)該部分重復(fù)，可將規(guī)則2 中的B分區(qū)500 kV 交流線段三永過(guò)濾，不再重復(fù)生成故障集。

（2）規(guī)則時(shí)序檢查

故障時(shí)序設(shè)置因嚴(yán)格參考實(shí)際保護(hù)動(dòng)作時(shí)間設(shè)置。具體檢查公式如下：

式中：Tst為故障開(kāi)始時(shí)間；Ti，brk為故障 首端跳開(kāi)時(shí)間；Tj，brk為故障末端跳開(kāi)時(shí)間；Tend為故障消失時(shí)間。

若考慮重合閘，需進(jìn)一步追加檢查，公式如下：

式中：Ti，rcls為故障首端重合時(shí)間；Tj，rcls為故障末端重合時(shí)間；Ti，rbrk為故障首端再次跳開(kāi)時(shí)間；Tj，rbrk為故障末端再次跳開(kāi)時(shí)間。

步驟3，根據(jù)故障規(guī)則搜索滿足條件的故障設(shè)備集，形成待新增的故障集。搜索公式如下：

式中：Di為設(shè)備模型i；Di，z，Di，v，Di，t分別為設(shè)備模型i的分區(qū)屬性、電壓屬性和設(shè)備類型屬性；Rzone，Rvolt，Reletype分別為規(guī)則的分區(qū)約束、電壓約束和設(shè)備類型約束。

2.2 故障重復(fù)檢查

按照故障規(guī)則生成的故障集還需和數(shù)據(jù)庫(kù)中已有故障集進(jìn)行比較，進(jìn)行重復(fù)性檢查。

主要從以下幾方面判定：兩者事件個(gè)數(shù)是否相同；兩者事件元件是否相同；兩者事件的故障類型、故障相是否相同；兩者事件的故障時(shí)序是否相同，包括首末端跳開(kāi)時(shí)間、首末端重合閘時(shí)間、首末端再次跳開(kāi)時(shí)間、故障消失時(shí)間。

為了比較故障重復(fù)，最可靠的辦法是將待新增故障和數(shù)據(jù)庫(kù)中已有故障進(jìn)行比較，重復(fù)的過(guò)濾，但該方法時(shí)間復(fù)雜度大，重復(fù)判斷效率低。因此本文設(shè)計(jì)了優(yōu)化的鄰近排序算法進(jìn)行重復(fù)判斷，提高重復(fù)判斷效率，步驟如下：

（1）合并故障集。將本輪待新增的故障子集和數(shù)據(jù)庫(kù)已有故障子集合并成一個(gè)故障全集，并標(biāo)識(shí)出每個(gè)故障所屬的子集。

（2）設(shè)定排序關(guān)鍵屬性。屬性排序優(yōu)先級(jí)從高到低分別為：事件個(gè)數(shù)>事件元件>故障類型>故障相>故障時(shí)序。

（3）排序。根據(jù)排序關(guān)鍵屬性對(duì)整個(gè)故障全集進(jìn)行排序，盡可能使?jié)撛诘闹貜?fù)故障調(diào)整到一個(gè)相鄰的區(qū)域內(nèi)。

（4）比較合并。故障集經(jīng)過(guò)排序后其重復(fù)的故障都已安排到相鄰區(qū)域，設(shè)窗口初始大小為W，比較窗口第1 個(gè)故障C1和窗口最后一個(gè)故障Cw，比較公式如下：

式中：Fmatch為故障重復(fù)標(biāo)志，取值為0 或1；N為待比較的故障屬性個(gè)數(shù)；C1，i為故障1 的屬性i；Cmp（C1，j，Cw，i）為故障1 和故障w的屬性比較函數(shù)。

若Fmatch=1，說(shuō)明窗口內(nèi)故障基本重復(fù)，窗口擴(kuò)大至2W；若Fmatch=0，說(shuō)明同一窗口存在不重復(fù)故障，應(yīng)縮小窗口至Int（W/2），減少比較次數(shù)。

一輪比較完成后啟動(dòng)滑動(dòng)窗口，滑動(dòng)速度Vi為：

式中：Ci，match為重復(fù)故障個(gè)數(shù)。同時(shí)將本輪比較故障集中重復(fù)的待新增故障過(guò)濾。

全部比較完成后，得到最終待新增的故障集，在用戶同意后導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.3 故障規(guī)則共享

故障規(guī)則按照系統(tǒng)類型劃分為在線故障規(guī)則和離線故障規(guī)則。在線故障規(guī)則由現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行要求進(jìn)行維護(hù)，其他人員無(wú)操作權(quán)限。離線故障規(guī)則默認(rèn)從在線故障規(guī)則中獲取，也可以由離線登陸用戶進(jìn)行自定義，并決定是否共享給其他用戶。規(guī)則共享邏輯如圖2 所示。

圖2 規(guī)則共享邏輯

（1）數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)置在線規(guī)則庫(kù)和離線規(guī)則庫(kù)，其中離線規(guī)則庫(kù)又分共享規(guī)則庫(kù)和自定義規(guī)則庫(kù)，共享庫(kù)自動(dòng)同步在線庫(kù)中的故障規(guī)則，存儲(chǔ)在商用庫(kù)中，自定義庫(kù)存儲(chǔ)在實(shí)時(shí)庫(kù)中，系統(tǒng)重啟或登陸時(shí)自定義庫(kù)自動(dòng)下裝共享庫(kù)中的規(guī)則。

（2）用戶登陸離線系統(tǒng)后編輯故障規(guī)則，該規(guī)則默認(rèn)存儲(chǔ)在自定義規(guī)則庫(kù)中，未共享前該規(guī)則僅向本用戶開(kāi)放，其他用戶不可見(jiàn)。

（3）右擊規(guī)則選擇“共享”菜單，該故障規(guī)則存入到共享規(guī)則庫(kù)，其他用戶獲得可見(jiàn)、可下裝權(quán)限。

（4）離線庫(kù)的規(guī)則不能同步到在線庫(kù)。

3 應(yīng)用設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

基于WARMAP 系統(tǒng)的故障集自動(dòng)生成功能的實(shí)現(xiàn)如下：

（1）功能模塊。故障集自動(dòng)生成功能基于基礎(chǔ)平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)接口，實(shí)現(xiàn)故障集的批量自動(dòng)生成，其主要模塊如表4 所示。

表4 功能模塊

（2）分層結(jié)構(gòu)。自動(dòng)生成故障功能采用4 層分層結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3），包括交互層、數(shù)據(jù)層、傳輸層和功能層。

圖3 分層結(jié)構(gòu)

交互層主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面交互，包括故障規(guī)則的制訂、預(yù)想故障集展示、告警信息展示。

數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，故障規(guī)則保存在商用庫(kù)中，電網(wǎng)設(shè)備模型、預(yù)想故障集、告警信息存儲(chǔ)在實(shí)時(shí)庫(kù)中，配置參數(shù)存儲(chǔ)在文件中。

傳輸層實(shí)現(xiàn)軟件數(shù)據(jù)的傳輸，主要通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)存和文件進(jìn)行傳輸。

功能層主要指軟件的功能模塊，包括數(shù)據(jù)獲取、規(guī)則檢查、故障生成、重復(fù)檢查、故障保存。

4 應(yīng)用案例

以某省級(jí)電網(wǎng)為例，驗(yàn)證故障集自動(dòng)生成功能的正確性。

定義各設(shè)備類型的關(guān)鍵參數(shù)如表5 所示。

表5 設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)列表

設(shè)定模型可靠性指標(biāo)門檻k=0.8，按照表5中的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)2018 年某省級(jí)智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)（D5000）中設(shè)備進(jìn)行可靠性評(píng)估，其未達(dá)標(biāo)實(shí)例如表6 所示，最終得到有效設(shè)備模型統(tǒng)計(jì)如表7 所示。

表6 設(shè)備可靠性未達(dá)標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)例

表7 設(shè)備模型統(tǒng)計(jì)列表

在線實(shí)時(shí)態(tài)故障自動(dòng)生成功能中新增故障規(guī)則如圖4 所示。

圖4 設(shè)定故障規(guī)則

根據(jù)設(shè)定的故障規(guī)則，首次生成故障并全部導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，再次生成故障時(shí)比較傳統(tǒng)方法和優(yōu)化方法重復(fù)檢查效率（見(jiàn)表8）。

表8 傳統(tǒng)方法和優(yōu)化方法比較

從表8 可得出，優(yōu)化方法的效率高于傳統(tǒng)方法。隨著數(shù)據(jù)庫(kù)中保存的故障增多，傳統(tǒng)方法重復(fù)檢查的耗時(shí)明顯增加，而優(yōu)化方法不僅比傳統(tǒng)方法耗時(shí)短且受數(shù)據(jù)庫(kù)中保存的故障數(shù)影響小，正確率并無(wú)下降。

5 結(jié)論和展望

本文提出的基于WARMAP 系統(tǒng)的故障集自動(dòng)生成方法，可方便快捷地設(shè)置故障規(guī)則，并根據(jù)規(guī)則設(shè)定的分區(qū)、電壓等級(jí)、故障類型，自動(dòng)批量生成預(yù)想故障集，減少了故障集的手工維護(hù)量，大大提高了工作效率，輕松實(shí)現(xiàn)WARMAP系統(tǒng)的故障集全覆蓋，提高了WARMAP 系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果的全面性和準(zhǔn)確性。

可進(jìn)一步開(kāi)展的工作如下：

（1）為滿足實(shí)際運(yùn)行需求，基礎(chǔ)平臺(tái)中建立了部分虛擬設(shè)備和外網(wǎng)設(shè)備，依靠設(shè)備模型的可靠性指標(biāo)無(wú)法過(guò)濾，該部分設(shè)備的預(yù)想故障集沒(méi)有實(shí)際計(jì)算意義，應(yīng)根據(jù)合理有效的方法進(jìn)行排除，減少預(yù)想故障集規(guī)模。

（2）故障集自動(dòng)生成功能通過(guò)手工觸發(fā)生成故障集，對(duì)于新增設(shè)備的故障集維護(hù)，單純依靠手工觸發(fā)缺乏及時(shí)性，應(yīng)考慮增加定時(shí)觸發(fā)機(jī)制，根據(jù)設(shè)定的規(guī)則重新掃描設(shè)備，生成新增設(shè)備的故障集。