云邊協(xié)同下變電站繼電保護故障信息采集系統(tǒng)

朱峰奎

（中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院，北京 100048）

為了保證電力系統(tǒng)始終維持安全穩(wěn)定的工作狀態(tài)，繼電保護裝置應運而生[1]。變電站繼電保護裝置作為維護電力系統(tǒng)安全運行的可靠裝置，能夠通過反饋故障信息，起到保護電力系統(tǒng)及其內部工作情況的作用[2]。變電站繼電保護裝置作為全面支撐電網(wǎng)運行的新一代智能設備，常被應用于多專業(yè)電力相關元件的邏輯分析和節(jié)點關聯(lián)度匹配的研究當中，成為電力系統(tǒng)不可分割的重要組成部分。相關領域研究人員為了及時發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)潛在問題，已投身到變電站繼電保護故障信息采集方法的研究之中。

林凌云[3]等人通過變電站繼電保護裝置釋放的變位信號和異常信號構建告警信息故障知識圖譜，并深入分析故障知識間的邏輯關系，根據(jù)邏輯關系定位故障發(fā)生位置，鎖定故障追蹤領域，實現(xiàn)變電站繼電保護故障信息采集，該方法存在故障信息采集效率低的問題。于廣[4]等人通過ATT7022E 電能計量芯片模擬變電站繼電保護裝置的硬件電路，并利用串口通信設備測量硬件電路的電流、電壓和功率，通過STM32 微處理器截獲異常電路，實現(xiàn)變電站繼電保護故障信息采集。劉瀟瀟[5]等人通過變換系數(shù)線性投影重建信號稀疏性較高的低維觀測向量，并在壓縮傳感的作用下將觀測向量分割成多組電力數(shù)據(jù)，通過將多組電力數(shù)據(jù)作為訓練樣本傳輸至智能電網(wǎng)采集模型，實現(xiàn)變電站繼電保護故障信息采集。

為了解決上述方法中存在的遠距離失真問題，提出云邊協(xié)同下變電站繼電保護故障信息采集系統(tǒng)的方法。

1 變電站繼電保護故障原因

1）操作過電壓

正常情況下，變電站繼電保護裝置的雜散電壓和電感電壓與裝置啟動時間、裝置關閉時間、電流電壓開合截流、電路參數(shù)、電位梯度均有一定相關性[6]。電力系統(tǒng)的電流、電壓振蕩頻率在受端過載的影響下攀升至幾百萬赫茲時，繞組匝間的電位梯度會由于隨機分布特性失衡而出現(xiàn)總電壓陡度增大、總電壓幅值和頻率雙雙過載的現(xiàn)象[7]，使得變電站繼電保護裝置的整體操作過程在實際運行工況中出現(xiàn)過負荷電壓，從而導致故障的產(chǎn)生[8]。雜散電壓的計算公式如下：

式中，s表示線路截流值；y表示直流電阻；m表示感抗。

電感電壓的計算公式如下：

式中，h表示串聯(lián)線路的電容量；f表示同步脈沖；τ表示脈沖峰值幅度。

2）電磁單元變壓器斷線

電磁單元變壓器是變電站繼電保護裝置內部連接件的一部分，由分壓電容器和接地線盒組成，能夠通過周期性檢測和熱像分布起到預防裝置受潮老化、避免氧化鋅腐蝕瓷套內鏈路的作用。當電力系統(tǒng)導電回路在制熱型設備干擾下出現(xiàn)內部缺陷時，電磁單元變壓器整相承受的電壓擊穿直流線路和交流線路，會導致電磁單元變壓器斷線，變電站繼電保護裝置發(fā)生故障。分壓電容器的電容值表達式如下：

式中，to表示消除直流偏置后的電容器相位角；Δ?表示單相燒損故障產(chǎn)生的電壓沖擊；g表示放電后正交功率。

2 繼電保護故障信息采集系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)硬件設計

變電站繼電保護故障信息采集系統(tǒng)包括故障可視化模塊、云邊協(xié)同下故障信息采集模塊和故障信息優(yōu)化模塊。

2.1.1 故障可視化模塊

故障可視化模塊作為檢索變電站繼電保護裝置故障原因、生成故障信息的系統(tǒng)起始模塊，由故障原因邏輯圖搭配濾波器[9]組成。該模型的具體建立過程如下：

首先將變電站繼電保護故障原因視為des 標記下的mid 文件，然后確定mid 文件的id 坐標和故障通道號，以此繪制故障原因邏輯圖，將各種導致變電站繼電保護裝置故障的原因與該原因所能造成的后果一一連接。經(jīng)過總結的故障原因邏輯圖以簡報的形式清晰再現(xiàn)了變電站繼電保護裝置從故障起始到故障終止的整體過程，有利于判別由抽象元素組成的電力設備及電網(wǎng)相關信息。故障可視化模塊操作流程如圖1 所示。

2.1.2 云邊協(xié)同下故障信息采集模塊

云邊協(xié)同計算框架屬于AR空間分析計算框架[10]，云邊協(xié)同計算框架包括三層結構，即數(shù)據(jù)端、邊緣端和云端。其中，數(shù)據(jù)端由大基數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設備組成，且每個設備都在邊緣服務器[11]的作用下，能夠將設備存儲的大額數(shù)據(jù)傳送至下行模塊。邊緣端由邊緣計算技術[12]搭建而成，在成功接收來自數(shù)據(jù)端的下行數(shù)據(jù)后，邊緣計算技術啟動初步協(xié)同功能，將下行數(shù)據(jù)按照時間順序排列整齊，隨后共享至云端。云端作為云邊協(xié)同計算框架的核心結構，并不僅僅存儲來自邊緣端的共享數(shù)據(jù)，還負責二次協(xié)同、數(shù)據(jù)清洗[13]和任務調度[14]。

以云邊協(xié)同計算框架為故障信息采集模塊的骨骼結構，分三步采集故障可視化模塊提供的故障信息[15]。第一步，將變電站繼電保護設備視為數(shù)據(jù)端大基數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設備之一。已知數(shù)據(jù)端每個設備均連接一臺邊緣服務器，則與變電站繼電保護裝置連接的邊緣服務器除實現(xiàn)數(shù)據(jù)臨時存儲和傳輸之外，還需要連通上行模塊，實現(xiàn)變電站繼電保護故障信息采集。第二步，經(jīng)過采集的變電站繼電保護故障信息通過邊緣服務器傳輸至邊緣端，故障信息由一行或多行數(shù)控程序指導有序排列。第三步，系統(tǒng)派發(fā)二次協(xié)同、數(shù)據(jù)清洗和任務調度指令，開始初步優(yōu)化故障信息。云邊協(xié)同計算框架如圖2 所示。

圖2 云邊協(xié)同計算框架

2.2 系統(tǒng)軟件設計

以系統(tǒng)硬件為基礎，設計變電站繼電保護故障信息采集系統(tǒng)的軟件算法，基于云邊協(xié)同下實現(xiàn)變電站繼電保護故障信息采集。

云邊協(xié)同下邊緣服務器接收的繼電保護故障信息的表達式如下：

式中，θj表示故障信息傳輸權重值；x表示通過以太網(wǎng)協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；di表示寄存器接收的故障信息。

通過邊緣端初步協(xié)同、初步處理和篩選收集的數(shù)據(jù)[16]公式如下：

式中，σ表示串口集成度；yi表示高優(yōu)先級輸出陣列；w表示實時數(shù)據(jù)輸出陣列。

通過云端二次協(xié)同，將數(shù)據(jù)從邊緣端傳輸?shù)皆贫诉M行高級處理，得到處理后的數(shù)據(jù)公式如下：

式中，l3表示二次協(xié)同時間參數(shù)；v表示二次協(xié)同有效時段；k表示故障信息協(xié)同頻率。

數(shù)據(jù)清洗公式如下：

式中，-exp(fnm)k表示邊緣節(jié)點接收的數(shù)據(jù)；ω2表示云平臺部署的中心節(jié)點；a表示能源消耗。

云端任務調度公式如下：

式中，q表示跨層級任務調度時延；sj表示云中心故障信息處理壓力。

云端決策信息融合模型的表達式如下：

式中，Vr表示故障信息的有效凈負荷；d表示云端波特率；λ3表示串口返回時間。

通過小波變換組合雙線性插值法在每個尺度上對小波系數(shù)進行插值操作，以估計缺失的故障信息，計算公式如下：

式中，c′表示噪聲幅值；in表示噪聲激發(fā)頻率；im表示上下包絡線對故障信息的修復度。

3 實驗與結果

為了驗證云邊協(xié)同下變電站繼電保護故障信息采集系統(tǒng)的整體有效性，需要對其測試。以國內某地區(qū)電網(wǎng)為試驗對象，驗證算法對變電站繼電保護故障信息的采集性能，電力系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 電力系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)

根據(jù)該地區(qū)電力系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)可知，變電站繼電保護裝置出現(xiàn)故障的開始時刻為第100 s，結束時刻為第160 s。

3.1 故障信息采集效率

分別采用所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法采集變電站繼電保護故障信息，通過對比不同方法的采集開始時刻和采集結束時刻，判斷不同方法對變電站繼電保護故障信息的采集效率。不同方法的采集開始時刻和采集結束時刻如表1 所示。

表1 不同方法的采集開始時刻和采集結束時刻

采用所提方法采集變電站繼電保護故障信息，其采集開始時刻和采集結束時刻與電力系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)完全吻合，說明所提方法能夠及時采集故障信息，不會出現(xiàn)采集延遲而造成故障信息采集不完全等問題，即所提方法對故障信息的采集效率較高。這是因為所提方法在構建變電站繼電保護故障信息采集系統(tǒng)前，優(yōu)先分析了變電站繼電保護裝置發(fā)生故障的原因，并以此為基礎建立了故障可視化模型，為系統(tǒng)提供與故障原因息息相關的待采信息，這樣根據(jù)故障原因建立的采集系統(tǒng)可信度更高、效果更好。

3.2 變電站主接線采集距離對系統(tǒng)性能的影響

已知變電站主接線采集距離越遠，故障信息的采集過程出現(xiàn)失幀現(xiàn)象的頻率越高。分別采用所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法采集遠距離變電站繼電保護故障信息，通過對比不同方法采集到的電壓波形，判斷不同方法對故障信息的采集性能。不同方法采集到的電壓波形如圖4 所示。

采用文獻[3]方法和文獻[4]方法采集遠距離變電站繼電保護故障信息，二者電壓波形采集結果雖較為清晰，但波形波動明顯，存在失幀現(xiàn)象；而采用所提方法采集遠距離變電站繼電保護故障信息，其電壓波形采集結果清晰、波形平滑，不存在失幀現(xiàn)象，說明所提方法能夠較好地完成遠距離變電站繼電保護故障信息的采集工作。

4 結束語

變電站繼電保護裝置作為電力系統(tǒng)的跟蹤性故障檢測裝置，其故障信息能夠間接反映電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，為了消除電力系統(tǒng)安全隱患，設計了一種云邊協(xié)同下的變電站繼電保護故障信息采集系統(tǒng)。經(jīng)實驗驗證得出，所提方法對變電站繼電保護故障信息的采集效率高，能夠實現(xiàn)遠距離下故障信息的準確采集。