基于電網故障告警的風險智能預判分析

周俊宇, 唐鶴, 區允杰

(廣東電網有限責任公司佛山供電局， 廣東 佛山 528000)

0 引言

隨著主、配電網規模的不斷擴大，主、配電網越來越復雜，并且隨著調度自動化監控系統、故障定位系統等相關系統信息及業務數據成為信息化的主力后，現有信息的挖掘和深度利用已提上日程，特別是對多系統異步數據信息源的建模和風險感知技術的應用，將可以大幅提升信息化應用后的智能化水平[1]。

提前對風險進行預警的最有效手段是實時監聽電網自動化設備信息，實現告警信息快速診斷與風險評估，提高故障事件的處理效率，使調度告警信息處理由“事后人工分析型” 上升為“事前自動智能型”，有效提高電網故障診斷和故障預警的效率，減輕調度人員工作壓力；事故處理智能分析決策過程從低到高涵蓋信息處理的全過程，實現對實際電網運行狀態進行事前的監控預警、事中的故障診斷和事后的影響分析，進而為調度人員提供事故的復電路徑和輔助決策方案[2-5]。

1 系統建設思路

1.1 設計思路

以現有調度自動化系統為基礎，通過一體化智能數據中心與各系統的私有接口，從各大系統中獲取用電調度所需的各類數據。

從EMS系統獲取主網設備、拓撲、實時數據與狀態等信息；從配網生產管理系統獲取配網運行信息及設備臺帳信息；從配網GIS系統獲取設備的地理信息、配變與用戶的關系、配網拓撲模型以及線路單線圖；從營銷管理系統獲取用戶與配變、用戶分類、重要用戶等信息；從計量系統獲取電量、表計與計量點的關系等信息[6]。將以上數據中心獲取的信息以實時與準實時方式傳送至系統中，為實時用電調度及風險預警管理環節全過程提供全方位的信息技術支撐。

1.2 建設目標

提供結合專家知識的事前在線風險分析、故障后恢復等智能輔助決策功能，使調度員在面對復雜故障時，能夠更快速定位故障源及故障風險等級，從信息采集、分析、處理等方面為調度員提供決策支持。同時針對實際電網運行狀態，進行事故預警、故障診斷和事故后分析，并提出事故處理的策略和處理預案。事故處理智能分析決策過程從低到高涵蓋信息處理的全過程，確保計算結果穩定、可靠，具有較高的實用性，主要包括N-K安全分析、檢修計劃風險分析、設備斷面智能預警、最優復電方案決策等功能。

1.3 研究的關鍵技術與難點

模仿人工智能及人工神經系統技術實現實時監聽EMS信息。

隨著調度自動化技術和通信技術的不斷升級改造，更多的電網設備和控制功能接入了自動控制系統，使配網饋線自動化等遙信遙測數據隨之大量新增，這些數據均匯總到調度監控告警窗口。加上電力調度的機構調整，調度集約化等改革相繼運作，各區調度事務匯總累加，而對總值調度員數卻進行了精簡。當電網發生故障或異常，特別是惡劣天氣期間，大量不同類別的信號瞬間涌向電網調度告警窗口，單憑人腦靠經驗流水作業，非常吃力，從而延緩了故障信息的記錄和發布，完全不能滿足當前電網部門推行的快速復電、大力提高供電可靠性的服務思想。

針對上述問題，需要研發一套故障信號智能感知體系，通過模仿人工智能的專家系統及人工神經系統技術，實時監聽EMS系統信息。系統首先對監聽信息進行數據過濾，然后將指定時間范圍的開關及其動作信號組合成信息矩陣，通過邏輯推理機制命中告警事件信息；對于無法命中的告警信息，采取人機界面干預的方式實現匹配，達到對告警事件的精準判斷的目的。最后，將有效告警事件通過系統交互輸出功能提供多元化服務，并對準確診斷的事件直接發布應用。

系統平臺的技術難點主要在告警的智能分析、知識庫管理、診斷條件的在線自定義維護、功能參數控制功能。以上技術的解決主要為最大程度上減少后續軟件應用過程中數據維護、功能調整等對系統的影響，達到系統簡單易用目的。

2 設備風險評估體系研究

建立一套風險管控機制是對風險因素進行辨識、分析、量化、定級、優化、監視與追蹤的必要過程。

在風險建模階段，通過標準化的方式挖掘、建立全面的風險因素。

在風險評估階段，結合以各類檢測手段、設備評估及監督記錄獲取各類風險因素的狀態，根據風險因素的影響程度完成風險量化、定級和發布。

風險監視與管控階段，根據對風險的分析評估信息制定相應的風險管控措施，并基于可視化的監控工具，獲得對風險的有效監視和控制。

建立評估體系的技術難點在最后根據風險管控措施落實的狀況，如何提出有效的改進風險管控的方法，而同時對于風險管控的各種信息，可以為企業的各種業務應用的改進提供支持。建設電網生產運行的風險管控體系，需要參考科學的風險管控方法，實現風險驅動的安全運行模式，是電力安全生產的重要保證。

3 功能實現

3.1 N-K安全風險分析

對電網的當前狀態逐一進行N-1掃描，包括線路、變壓器、母線等元件，并進行N-1安全校核，保證電網在N-1運行方式下仍然能穩定運行。

安全分析是電力系統規劃和調度的常用手段，用以校驗輸變電設備強迫退出運行后系統的運行狀態，回答諸如“假如電網中某一條500kV輸電線路開斷后，系統運行狀態發生什么變化”之類的問題。因此，靜態安全分析是電力系統安全分析的一個重要組成部分，它不涉及電力系統的動態過程分析，故稱為靜態安全分析。

綜合上述信息，掃描完成后，對于出現的越限情況和發現電網出現的系統薄弱點及將有可能出現的影響系統安全穩定的情況提出報警信息，提出優化調整方案，采取相應的保障建議措施。

3.1.1 母線N-1分析技術

對110 kV母線(不含220 kV變電站)以及10 kV母線做N-1分析以及220 kV的10 kV母線，首先確定分析對象，對于通過聯絡刀閘連接的兩段母線等同于一整段母線，否則視為獨立的一段母線。

(1) 主供開關

找出110 kV母線、10 kV母線的當前供電開關，規則為：開關閉合，兩側刀閘閉合，開關電流方向指向母線。如該段母線無滿足條件的主供開關，則不做繼續分析。

(2) 可備開關

確定分析對象當前可備開關，規則為：開關斷開，兩側刀閘閉合，開關可不間斷追溯至某一220 kV變電站的110 kV母線。如無滿足條件的可備開關，則直接預警。

(3) 互備

將找出的主供開關和可備開關組合，與預先設定的互備組合進行比對，如無法比中，則給出預警。

(4) 過載

將主供開關的電流絕對值疊加于可備開關追溯至220 kV變電站110 kV母線的通道上所有110 kV線路開關，以及該220 kV變電站該段110 kV母線主變變中開關(如有多個變中開關，則平均分配)，計算出負荷值并與預設額定值比較是否過載，如過載或未預先設定額定值，則預警，如全部不過載，則判為滿足N-1。

(5) 預警

預警則在匯總表預警列顯示“是”并標紅，滿足N-1則在預警列顯示“否”。

3.1.2 主變N-1分析技術

(1) 母聯開關位

首先判斷本站內母聯開關，分位的則直接預警，不做接下去操作。

(2) 運行主變數量

判定220 kV變電站有幾臺運行主變，判定邏輯可為主變變高開關閉合，兩側刀閘閉合，電流不為零。

1) 1臺

對于僅1臺運行主變的變電站直接給出預警。

2) 2臺

對于有2臺主變運行的變電站，則將2臺主變總負荷分別與每臺主變額定值比較，如均不過載，視為滿足N-K。

如有3臺主變運行，則先找出變高開關掛在同一段220 kV母線的2臺主變，將這2臺主變的總負荷疊加于另一臺主變上，并與主變額定值對比。如不過載，視為滿足N-K。

(3) 過載

為2臺運行主變的，2臺主變現值相加/2查看是否>額定值。

為3臺運行主變的，將3臺主變現值相加查看是否>額定值。

對于過載的主變，給出預警。再將總負荷與設定的安穩動作值對比，判斷是否大于安穩動作值， 安穩動作值=額定值×1.35。

3.2 檢修計劃風險評估

(1) 提供檢修計劃導入功能，對導入的檢修計劃抓取關鍵信息，如停電設備、停電開始時間、停電結束時間、方式調整等，形成停電設備、停電時間的橫道圖和方式轉換的邏輯順序，并在電網圖中對相應設備狀態和持續時間、方式調整后電網結構進行設置；

(2) 完成設備狀態和時間的設置后，通過點擊“停電計劃風險分析”按鈕，能夠對輸入的計劃實現每一天的風險分析，并對結果按照每天分別展示；

(3) 對于分析出的結果進行智能篩選，通過對比實時風險監測結果和預設設備所在片區，剔除當前基準風險和不同片區風險結果，只顯示因為設備停電導致的風險。

rulei∈Rules（訪問規則）有三個組成元素：敏感話題（sti）、請求者類型（rci），訪問水平（ali）。

3.3 設備斷面智能預警

設備、斷面預判或已經發生越限時，系統發出預警，提供預警信息查看，提供穩控措施操作，供調度人員根據電網實時運行方式給出處理意見，包括方式調整及配網限制負荷。

(1) 建立電網監視策略庫，包括日常運行方式下電網斷面穩定限額數據，電壓監控數據等。

(2) 電網斷面穩定限額數據包括斷面描述、運行方式、送端定義、開機條件、具體限額、電壓監控廠控、電壓監控元件、控制電壓、監控機組、監控出力等，及線路名稱、正常限額、緊急限額、告警限額等。

(3) 斷面監控系統運行方式變化時，依據實時網絡拓撲結果，自動轉換成新方式下的斷面，自動選擇正確的穩定斷面及相應限值，并按新方式進行越限監視。

3.4 最優復電方案分析

最優復電方案是根據事故后的網絡拓撲、接線、潮流進行決策分析，提出若干事故恢復路徑方案，并提供最優復電路徑。

110 kV變電站的10 kV母線至220 kV變電站的110 kV母線之間的電氣連接，連接的電氣設備刀閘必須均在閉合位置，且不包含任何故障設備。

(1) 一級電源：對于110 kV變電站的供電，復電路徑中的電氣設備中僅包含一個220 kV變電站的110 kV母線，則作為電源點的220 kV變電站稱為110 kV變電站的一級電源。

(2) 二級電源：對于110 kV變電站的供電，復電路徑中的電氣設備包含兩個220 kV變電站的110 kV母線，則作為電源點的220 kV變電站稱為110 kV變電站的二級電源。

(3) 相鄰的220 kV變電站：兩個220 kV變電站110 kV母線之間的復電路徑中不包含其他220 kV變電站的110 kV母線，則稱這兩個220 kV變電站是相鄰的。

復電路徑是基于系統告警信號診斷出的故障(包括220 kV站、110 kV站和10 kV母線失壓3種情況)，進行人工校對和故障影響分析；系統智能分析出事故后失壓的變電站和母線，進而進行復電路徑分析，系統給出最優復電路徑供調度人員做輔助決策。

復電路徑的判斷步驟如下。

(1) 電壓等級判定

按電壓等級分為變電站失壓(220 kV變電站、110 kV變電站)、母線失壓(10 kV母線)。

(2) 故障設備排查

根據故障診定分析的結果，系統自動確定故障設備，即診斷出的單一故障動作，復電路徑不可包含故障設備：

線路動作重合不成功的，相應設備為故障設備；

電容、電抗器和主變保護跳閘的，相應設備為故障設備；

母線差動的保護動作，相應設備為故障設備。

故障設備間相互影響：

線路開關故障認為是線路損壞；

母線損壞則進入本站后不可沿著母線查找下級線路，即到此站后中斷；

站內的查找若是主變故障(主變開關)則不可使用本條路徑復電。

(3) 復電方案確定

1) 220 kV失壓變電站(僅判斷本站110 kV母線)

以220 kV帶電變電站為起點，220 kV失壓變電站的失壓110 kV母線為終點，系統自動尋找起點與終點之間線路載流量裕度最大的復電路徑，帶電與失壓220 kV變電站是相鄰的，220 kV失壓變電站的每段失壓110 kV母線各自獨立尋找一條復電路徑，如220 kV失壓變電站有2段失壓110 kV母線，則尋找2條失壓110 kV母線對應的復電路徑，母聯開關可為路徑復電電源。

2) 110 kV失壓變電站

以220 kV帶電變電站為起點，110 kV失壓變電站的失壓110 kV母線為終點，系統自動尋找起點與終點之間線路載流量裕度最大的復電路徑，如110 kV失壓變電站有2段失壓110 kV母線，則尋找2條失壓110 kV母線對應的復電路徑，母聯開關可為路徑復電電源，優先采用作為一級電源的帶電220kV變電站，其次二級電源的帶電220 kV變電站作為復電起點。

3) 10 kV失壓母線

單獨10 kV母線失壓直接使用站內電源復電。

(4) 復電路徑搜索

對于不同電壓等級的失壓變電站和母線的復電路徑尋找分先后的次序，在復電路徑始端線路不過載的前提下：

1) 尋找具備帶電220 kV一級電源的失壓110 kV變電站復電路徑(忽略本組失壓的220 kV站，尋找其他的220 kV站)。

2) 尋找220 kV失壓變電站各段失壓110 kV母線的復電路徑，各段母線單獨使用復電電源，若使用過一次后，剩下一段母線不可再使用本電源復電(以1/5做一段母線，2/6做另一段母線分別查詢一次)。

3) 尋找具備帶電220 kV二級電源的失壓110 kV變電站復電路徑。

4) 尋找單獨失壓10 kV母線的復電路徑。

4 總結

引入人工智能技術解決該問題一直是最近幾年來研究的熱點，將主網設備、拓撲、實時數據與狀態等信息作為故障與風險診斷的出發點，并且給出衡量結果合理性的標準，利用專家系統的方法進行故障判斷，把設備保護的動作邏輯及運行人員的經驗用規則表示出來，形成故障預判與研判的專家知識庫，進而根據SCADA系統采集的實時數據、警報信息和專家知識庫進行推理和判斷，最終獲得故障風險預警或故障位置。

本項目主要研究如何根據企業的現實需求實現對主、配網設備精確故障定位技術的全面分析，并從實際應用和管理上為企業提供相關技術支撐，其總目標是提出一個完善的故障與風險精確定位技術體系，從而實現對配電故障的高效處理。本項目在理論研究階段，已解決對主、配網設備故障所涉及可能信息進行建模，建立完善的信息模型，這個是整個項目的基礎所在。以可靠的信息模型為基礎，對具體故障情況的特征選用大數據實時計算等技術進行研究，從而確保其研究成果在本項目的實現階段落地。