基于調控云數據分析的二次故障智能診斷系統設計與應用

王 達，高 林，張愛平，李 萌，張 沛

（國網山東省電力公司德州供電公司，山東 德州 253000）

0 引言

繼電保護設備是保證電力系統安全穩定運行的重要裝備，是保障電網安全、設備穩定的重要技術手段［1-3］。繼電保護二次回路是測量、控制、保護和自動裝置等系統并接的回路，是變電站內連接一次設備和二次設備的重要紐帶［4］。作為繼電保護系統的重要組成部分，二次回路發生問題將直接影響繼電保護設備正確運行，使其無法發揮有效作用。二次回路嚴重故障將使一次系統失去保護甚至停運，威脅電力系統安全穩定運行［5-6］。因此，當二次回路存在缺陷時，檢修人員應迅速、準確對其進行消除，確保電力系統發生故障時，繼電保護裝置可正確動作。

繼電保護裝置及其二次回路的運行狀態可通過遙信量進行監測，遠動裝置將站內遙信、遙測等數據上送至主站側，監控人員通過上送的數據實時監測變電站內設備運行情況。當繼電保護設備或二次回路出現缺陷時，相關遙信數據等缺陷信息上送至主站側，監控人員接收到缺陷信息后，通知檢修人員到現場消除缺陷。然而，二次系統回路接線復雜、節點繁多、環節多、涉及面廣，給檢修人員對缺陷類型判定和故障點定位過程帶來困難［7-11］。多數情況下，檢修人員到達現場后，要根據缺陷信息，細致分析保護回路原理，理清回路中各節點間的關系，才有可能判斷出缺陷原因，進行針對性消除。在當前變電站數量眾多、檢修人員力量不足現狀下，復雜的缺陷判定過程明顯影響缺陷消除效率，間接增加繼電保護設備帶缺陷運行時間，難以達到快速、準確消除變電站二次缺陷的目的，且當前未見指導電力系統二次缺陷處理的相關研究。

在此背景下，為提高變電站二次故障消除缺陷效率和準確率，減少繼電保護帶缺陷運行時間，設計一種基于調控云數據分析的二次故障智能診斷系統。當監控報某變電站缺陷信號時，通過對調控云中上送的遙信數據進行整合分析，快速診斷出缺陷類型并確定可能的故障點位置，同時給檢修人員提供缺陷處置建議，從而達到快速、準確消除變電站二次缺陷的目的。

1 二次故障智能診斷系統設計

1.1 系統網絡部署

二次故障智能診斷系統通過對接入D5000 告警數據的辨識清洗、二次系統缺陷信息解析及聚類，結合調控云缺陷庫分析出相關缺陷信息特征點集，構建缺陷信息分析及處理方法庫，實現二次系統缺陷信息自動識別、故障點診斷、缺陷輔助處置等功能。

二次故障智能診斷系統在調控云平臺申請兩臺虛擬機，其中應用虛擬機用于部署二次故障智能診斷系統及分析服務，數據存儲虛擬機用于存儲二次故障智能診斷系統分析結果數據及中間數據。為滿足電力二次系統安全防護的要求，系統部署在安全III 區，通過調控云平臺單點登錄，實現IV 區用戶在內網系統瀏覽器中對二次故障智能診斷系統的訪問。具體部署方式如圖1所示。

圖1 二次故障智能診斷系統的網絡部署Fig.1 Network deployment of secondary fault intelligent diagnosis system

1.2 系統應用功能

二次故障智能診斷系統主要有4種功能。

1）二次系統缺陷信息識別功能。

依據機器學習及電網事件分析技術，通過開關、隔離開關變位、設備告警等關鍵信息與設備遙測數據、遙控操作數據的互校驗和雙確認，自動過濾設備檢修調試、人工遙控操作及無功調壓操作等正常告警信息，對剩余真實反映設備異常的告警信息進行分析。

2）缺陷故障點位置輔助診斷功能。

基于調控云平臺缺陷庫，分析二次缺陷信息特征點，考慮不同組合遙信發出時對應的故障原因，形成二次系統缺陷信息規則庫，對二次故障點位置進行輔助診斷。

3）缺陷輔助處置功能。

通過缺陷信息識別及故障點定位，結合缺陷處置方法的辨識，提出若干缺陷處置策略，對二次設備缺陷處置提供輔助決策，輔助安排人員、工器具、材料等。

4）缺陷處理反饋功能。

消除缺陷后，檢修人員在系統中填寫缺陷處置反饋用于系統存檔，完善缺陷輔助處置建議。之后同一缺陷發出后，檢修人員可參考之前缺陷處理過程，進行針對性排查。

1.3 系統技術架構

二次故障智能診斷系統技術架構分為內網數據層、數據存儲層、基礎服務層、服務接入層和人機交互層，具體如圖2所示。

圖2 二次故障智能診斷系統技術架構Fig.2 Technical architecture of secondary fault intelligent diagnosis system

內網數據層提供數據接入服務，分別接入電網模型、信息點表、告警信息、遙測數據、遙控操作數據等結構化數據以及缺陷庫、狀態斷面等非結構化數據。

數據存儲層提供數據存儲服務，將電網模型、信息點表、告警信息、遙測數據、遙控操作數據和缺陷信息存儲在關系型數據庫中，將狀態斷面存儲在分布式文件系統中，將分析結果數據存儲在內存數據庫中。

基礎服務層提供數據治理服務，實現可疑數據辨識、數據標準化清洗、系統模型構建、缺陷庫數據結構化等。

服務接入層提供數據分析和推送服務，實現二次系統缺陷特征點分析、二次故障點辨識、缺陷處置特征點分析。

人機交互層提供人機交互服務，實現缺陷信息識別、二次故障點定位、缺陷輔助處置、缺陷處理反饋等移動終端側應用功能。

1.4 系統數據架構

二次故障智能診斷系統所需數據包括調控云平臺中的電網模型、告警信息、遙測數據以及缺陷庫數據和D5000 中的信息點表、狀態斷面以及遙控操作數據。具體數據需求如表1所示。

表1 數據需求Table 1 Data requirements

1.5 二次系統缺陷信息規則庫制定

二次故障智能診斷系統對缺陷故障點的判定和處置建議依賴于預先給出的二次系統缺陷判定規則。須全面考慮不同組合遙信發生時對應的故障原因及相應的缺陷處置方法，形成二次系統缺陷信息規則庫，作為系統判定依據。

繼電保護二次回路的狀態通過遙信量進行監測，不同的二次缺陷類型可由不同數量、不同組合的遙信量反映。例如，二次回路中較為常見且對繼電保護系統影響較大的缺陷之一是控制回路斷線，當發生控制回路斷線時，從保護裝置的保護出口到斷路器跳合閘線圈的操作回路出現了異常。此時如果電力系統發生故障，繼電保護裝置無法將相應的斷路器跳開，對電力系統危害較大［9-11］。引發控制回路斷線信號的原因有很多，且伴隨控制回路斷線信號同時發出的其他遙信不同，反映的缺陷類型也不同。

表2 給出包括控制回路斷線信號在內的7 種遙信，不同信號組合發生時的缺陷類型及缺陷處置建議。表2 中，C1 代表控制回路斷線，C2 代表斷路器位置與實際不對應，C3 代表壓力低閉鎖重合閘，C4代表保護裝置氣壓低閉鎖重合閘，C5 代表壓力低閉鎖合/分閘，C6 代表斷路器氣壓低報警，C7 代表斷路器氣壓低閉鎖。“√”表示該條遙信已發，“×”表示信號未發。

表2 二次系統缺陷信息規則庫（部分）Table 2 Secondary system defect information rule base（partial）

如表2 所示，伴隨控制回路斷線（C1）共發的遙信不同，缺陷產生原因以及所需的缺陷處置方法也就不同。以表2 形式為例，全面匯總不同組合的遙信發生時，所對應的缺陷故障原因以及相應的缺陷處置規則，形成二次系統缺陷信息規則庫，作為二次故障智能診斷系統的判定依據。

2 二次故障智能診斷系統需求分析

2.1 數據存儲需求

二次故障智能診斷系統的數據源主要包括調控云數據、D5000 系統數據，具體數據分為模型類數據和運行類數據。模型類數據主要為電網模型，數據來源為調控云平臺；運行類數據主要來源為調控云平臺的告警信息、遙測數據以及缺陷庫數據和來源為D5000 系統的信息點表、狀態斷面以及遙控操作數據。按照數據存儲3 年、每年大致10%的遞增計算，運行類數據所需存儲空間如表3所示。

表3 數據存儲計算Table 3 Data storage calculation

2.2 硬件資源需求

二次故障智能診斷系統的運行須收集、整理多個系統中數據，數據量大、系統的運算處理復雜，需較高的配置確保系統的穩定運行，具體參數如表4所示。

表4 系統硬件配置Table 4 System hardware configuration

3 二次故障智能診斷系統應用展示

3.1 系統頁面展示

系統首頁集中展示變電站設備告警信息、斷路器位置狀態等故障分析結果，內容包括變電站名稱、設備間隔雙重名稱、相關信號上送時間等信息，同時給出缺陷分析結論、檢修建議以及備品備件準備建議。在主頁面中可通過“變電站”進行一個或多個變電站選擇，支持按照本周、本月、本年、任意時間段對歷史分析結果進行搜索。系統主頁面內容如圖3所示。

圖3 二次故障智能診斷系統主頁面Fig.3 Main page of secondary fault intelligent diagnosis system

在主頁面中通過“事件分析”可查看事件詳情。具體分為檢修調試事件、操作及伴生事件、自動電壓控制（automatic voltage control，AVC）動作事件和跳閘事件。

檢修調試事件判定規則為設備在冷備用狀態，對應的快速接地開關在合閘位置，同步依據置檢修牌狀態，判定設備為檢修狀態。在檢修狀態期間，對設備發出的所有告警信息置檢修態，將所有信號合并為檢修調試事件。通過“事件分析”—“檢修調試”，查看具體的檢修調試詳情，包括檢修時段內所有的告警信息，如圖4所示。

圖4 檢修調試事件詳情Fig.4 Details of maintenance and debugging events

操作及伴生事件判定規則為開關、隔離開關等在分、合狀態轉換操作中，由于接點抖動等原因產生的短時間內動作后立即復歸，此類信號判定為操作及伴生信號。通過“事件分析”—“操作及伴生”，查看具體的操作及伴生詳情，如圖5所示。

圖5 操作及伴隨事件詳情Fig.5 Details of operation and accompanying events

AVC 動作即自動電壓無功控制，主要依據電容器、電抗器等投入/退出狀態，對AVC 動作進行判定。通過點擊“事件分析”—“AVC 動作”，查看具體AVC動作詳請，如圖6所示。

圖6 檢修調試事件詳情Fig.6 Details of AVC events

跳閘事件以變電站遙信為主要數據，自動過濾檢修相關信號，對有效的遙信進行數據分析。以設備保護動作信號為辨識起點和中心，通過預設一定的時間間隔，搜索該事件間隔內保護動作信息前后相關的開關分閘信號，如果有，則可初步確定發生故障跳閘事件。基于分析出故障跳閘事件為起點，將跳閘設備間隔內相關聯的保護重合閘出口、間隔事故總、全站事故總、開關合閘等關鍵信息納入本次故障跳閘事件中，判斷跳閘事件具體過程。通過點擊“事件分析”—“跳閘”，可查看跳閘事件詳情，如圖7所示。

圖7 跳閘事件詳情Fig.7 Trip event details

3.2 系統實際應用測試

2022年2月23日17：18德州地區220 kV 禹城變電站220 kV 禹鐵線213 間隔上送開關控制回路斷線、開關壓力低閉鎖重合閘、保護裝置氣壓低閉鎖重合閘遙信信息如圖8 所示。系統對上送缺陷信息分析后給出缺陷分析結論、檢修建議及備品備件準備建議，檢修人員按照建議備齊檢修物資，到達現場后按照系統檢修建議完成消除缺陷，并將缺陷處理過程反饋至系統，如圖9 所示。整個缺陷信息確認、故障點查找及缺陷處理過程在到達現場后20 min 內完成，消除缺陷效率相較于以往同類缺陷處理顯著提高。

圖8 220 kV禹城站上送缺陷信息Fig.8 Defect information submitted to 220 kV Yucheng substation

圖9 缺陷處理反饋填寫Fig.9 Filling for defect handling feedback

據統計，二次故障智能診斷系統在德州地區部署測試的2022年1月—3月，德州地區市管變電站共發生二次缺陷33 次，平均單次缺陷處理效率提高60%以上，有效減少設備帶缺陷運行時間，保障電力系統安全穩定運行。

4 結束語

二次故障智能診斷系統實現對二次系統缺陷信息搜集及處置的全過程閉環管理。當二次缺陷發生后，系統可快速列出故障點可能存在位置，同時給出缺陷處置建議，指導檢修人員提前準備消除缺陷所需的備品備件，到達現場后展開高效消除缺陷工作。消除缺陷后，檢修人員通過在系統中給出缺陷處置反饋，完善系統缺陷信息，給下一次同類缺陷處置提供參考性建議。在德州地區部署測試結果表明，二次故障智能診斷系統的應用有效提高二次缺陷處理效率，縮短設備帶缺陷運行時間，保障電力系統安全穩定運行。下一步研究重點為繼續完善二次系統缺陷信息規則庫，實現缺陷類型全方位覆蓋，細化缺陷處置建議，使系統在實際消除缺陷中更好地發揮指導作用。