特高壓變電站保護設備異常診斷

祁 鵬

（國家電投集團協鑫濱海發電有限公司，江蘇鹽城 224500）

0 引言

特高壓變電站工程項目屬于電力工程項目中的重要組成部分，具有電網覆蓋面積較大的特征。基于廣義角度分析，特高壓變電站UHV 與普通變電站之間最大的區別在于交、直流電壓等級不同，特高壓變電站的直流電壓在800 kV 及以上，交流電壓在1000 kV 及以上[1]。根據電網公司提供的相關數據可知，特高壓變電站對提高電網的輸送能力具有重要作用。其一回路輸送的電量約相當于普通直流變電站輸送電量的5 倍左右，輸送效率優勢顯著，能夠有效節省輸電所需的土地資源[2]。在特高壓變電站運行過程中，受到各種因素的影響，其保護設備可能出現異常運行的情況，情況嚴重時可能引發特高壓變電站運行故障，存在安全風險與故障隱患[3]。

傳統的變電站保護設備異常診斷方法在電力工程的實際應用中不夠完善，尤其是在特高壓變電站工程項目中，設備異常診斷錯誤率較高，無法保證變電站運行的安全性。為保證特高壓變電站工程項目的順利進行，提高變電站輸送能力，其保護設備異常診斷方法至關重要。基于此，本文以某特高壓變電站為例，在現有設備異常診斷方法的基礎上，提出了一種全新的特高壓變電站保護設備異常診斷方法。

1 診斷方法設計

1.1 采集設備異常數據

在本文設計的特高壓變電站保護設備異常診斷方法中，首先需要根據保護設備的實際運行情況與運行中各項性能參數及技術參數的動態變化，判斷設備是否存在異常隱患。若保護設備存在異常隱患，則應利用相應的數據采集手段，全面采集特高壓變電站保護設備的異常數據，明確異常數據的來源，為后續的診斷工作提供參考依據[4]。

通常情況下，特高壓變電站保護設備異常診斷數據，是由于設備運行中自身出現故障或受到外界因素干擾，導致其運行狀態發生改變，引發保護設備開關量與電氣量的動態不穩定變化[5]。綜合考慮保護設備的運行特征，本文認為可以將SCADA 數據采集與監控系統與ENA-CBMS 保護設備狀態監測系統融合，共同監測并采集特高壓變電站保護設備的異常數據[6]。設定兩個系統的動作規則與指令，按照設備異常信息傳輸順序，實時采集并上傳保護設備異常數據信息。特高壓變電站保護設備異常信息傳輸順序如圖1 所示。

圖1 異常信息傳輸順序示意

從圖1 可以看出，變電站保護設備異常信息傳輸為單向傳輸方式，從電氣量信息逐步傳輸至繼電保護裝置信息，最后傳輸至設備開關量信息的順序。按照異常信息傳輸順序，采集保護設備的異常數據。

1.2 計算設備元件異常度

基于采集到的特高壓變電站保護設備異常數據，初步掌握了可疑設備的運行狀態情況。接下來，對可疑設備元件異常度進行計算，反映保護設備的異常故障狀況。設備元件異常度能夠全方位地描述其運行狀態，包括保護設備電流變化情況、穿越頻率動態變化、保護動作距離以及起跳時間等[7]。首先，設定特高壓變電站出現異常時，其異常信號在h 個尺度上的能量分布分別為Q1、Q2、Q3、…、Qh、Qh+1，此時設備元件小波異常可信度表達式為：

其中，Bj（k）表示保護設備異常高頻分量；Wh（k）表示保護設備在h 尺度下對應的異常低頻分量。

在此基礎上，計算設備元件運行信號的異常度：

其中，E（x）表示特高壓變電站保護設備元件運行信號異常度，通過異常度計算結果，能夠在快速時間內找出發出異常信號的設備元件，為后續設備異常診斷提供了重要幫助[8]。

1.3 建立保護設備異常診斷模型

基于上述保護設備異常數據采集與元件異常度計算完畢后。在此基礎上，建立特高壓變電站保護設備異常診斷模型，通過模型的迭代訓練作用，全面實現異常診斷的目標。本文建立的異常診斷模型的運行流程如圖2 所示。

圖2 異常診斷模型運行流程

首先將采集到保護設備的異常信息數據與設備元件異常度作為檢測信息輸入到模型中，初步描述特高壓變電站保護設備的異常運行特征[9]。基于保護設備異常診斷需求與尺度，分析檢測信息的信息維數，得出檢測信息量熵，即特高壓變電站保護設備運行數據的一個異常信號覆蓋在診斷模型第i 個格子傳遞的平均信息，其計算公式為：

其中，X 表示異常診斷模型覆蓋變電站保護設備運行網路的格子邊長；Qi（X）表示保護設備異常信號落入第i 個格子的概率；m 表示異常診斷模型中格子的總數量。

定義異常診斷信息維數為：

獲取保護設備異常診斷信息維數后，從中提取設備的異常特征參數，并對其進行統一化處理。分別獲取各類設備異常特征參數后，進行異常特征參數融合，輸出融合后的特高壓變電站保護設備異常診斷結果，實現設備高精度異常診斷的目標。

2 實驗分析

本文針對特高壓變電站保護設備存在的異常問題與隱患，提出的診斷方法的全部設計流程。在本文設計的異常診斷方法投入電力工程實際應用前，需要對其異常診斷效果做全面分析檢驗，確定方法的可行性與有效性后，方可投入實際工程應用，以避免對特高壓電力工程的安全運行產生不利影響。

2.1 實驗準備

選取某地區某特高壓變電站工程項目作為此次研究的依托。該變電站工程所在地區電力需求巨大，屬于特高壓環網的關鍵節點。某特高壓變電站骨干網電壓等級為500 kV，當前已經形成了兩個電壓等級為500 kV 的環網，具有完善的電網結構。該特高壓變電站設備相關概況及參數說明如表1 所示。

表1 某特高壓變電站設備相關概況說明

某特高壓變電站工程項目結構功能較復雜，建設周期較長，受到各類風險源的影響，存在一定的安全風險。變電站保護設備異常隱患與故障隱患較多，導致電網安全得不到保障。基于此，將本文提出的異常診斷方法應用到該工程項目中。

2.2 結果分析

此次實驗分析中設置了對照組，用于檢驗本文提出的異常診斷方法的可行性與優勢。將本文提出的保護設備異常診斷方法設置為實驗組，將文獻［2］、文獻［3］提出的異常診斷方法設置為對照組，對其診斷結果進行對比。利用MATLAB 模擬分析軟件，模擬某特高壓工程項目保護設備故障。為了避免實驗檢驗結果存在偶然性，在特高壓變電站保護設備中總共模擬設置100處異常故障，保證異常故障類型與位置的隨機性。設置特高壓變電站保護設備的輸出準確度為0.5 級，相電壓輸出功率為70 kW，開關量輸入為7 路。選取保護設備異常診斷錯誤率為此次診斷效果檢驗評價指標，計算公式為：

其中，Er表示特高壓變電站保護設備異常診斷錯誤率；qa表示保護設備異常診斷專業知識誤差值；qt表示保護設備異常診斷專業知識精確值。異常診斷錯誤率Er值越低，表示異常診斷結果的精確度越高，反之同理。利用上述3 種方法，對模擬設置的異常故障進行全面診斷。分別進行6 組異常診斷測試，測定3種方法的異常診斷錯誤率并對比（圖3）。

圖3 異常診斷錯誤率對比結果

從圖3 的異常診斷錯誤率對比結果可以看出，在6 組診斷測試中，本文提出的特高壓變電站保護設備異常診斷錯誤率明顯低于兩個對照組，錯誤率均在1%以下。由此可見，本文設計的保護設備異常診斷方法具有較高的可行性，診斷錯誤率較低，精確度較高，能夠在快速時間內實現高精度異常診斷的目標。

3 結束語

特高壓變電站與普通變電站存在較大的差異，其對保護設備性能的要求也存在一定差異。綜上所述，為改善特高壓變電站保護設備異常診斷方法，降低診斷結果的不精確性與不確定性，縮短診斷周期，提高變電站保護設備運行性能，提出一種全新的保護設備異常診斷方法，實現了特高壓變電站保護設備全過程、全周期的異常診斷，規避了診斷中的不確定因素，提高異常診斷結果精度，對促進特高壓變電站的安全穩定運行具有重要意義。