基于數字孿生技術的開關操作箱二次虛回路故障精準定位方法

孔令斌，張鵬望，張 靜

（中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司大理局，云南 大理）

引言

開關操作箱是電力系統關鍵的一種輔助裝置，主要的作用就是針對電氣設備進行維護和控制。二次虛回路故障是開關操作箱實際運行過程中較為常見的一種故障類型，其覆蓋范圍廣、影響力大，如果不及時做出維護處理，會影響電力系統的穩定運行。參考文獻[1]和文獻[2]中分別設計了基于圖神經網絡的二次回路故障定位方法、基于ER 算法的二次回路故障定位方法。二者雖然可以實現預期的定位目標及任務，但是整體的效率較低，此外，傳統的定位方法大多設定為單向形式，定位結果易出現誤差[3]。為此，提出基于數字孿生技術的開關操作箱二次虛回路故障精準定位方法。

1 設計開關操作箱二次虛回路故障數字孿生定位方法

1.1 明確二次虛回路故障特征

二次虛回路故障主要是由電氣元件、電纜、電路以及端子排等異常導致的，逐步擴大為不可控的故障問題，所以特征的提取也需要結合上述的因素。可以先在二次回路的導線中設置一定數量的監測節點，進行實時數據、信息的采集。隨后，當出現故障問題時，對開關操作箱的運行狀態進行分析，這部分主要包括電流、電壓、電阻等大幅度變化，具體的特征表現見表1。

表1 二次虛回路故障特征表

1.2 設計多元件自檢告警BPA 定位結構

傳統的開關操作箱二次虛回路故障告警定位結構多設定為單向形式，告警的速度較慢，導致維護不及時，故障的范圍增大，此次采用多元件自檢告警的方式，利用BPA 框架實現故障定位結構的設計。先結合實際的故障定位需求，設計對應的自檢告警BPA定位結構，見圖1。

圖1 多元件自檢告警BPA 定位結構圖示

基于故障定位的要求，設置自檢告警的結構的保護定位標準。

在發生故障時：

（1） 分析開關操作箱二次虛回路處于拒動還是誤動狀態。

（2） 發生故障時，結合元件自檢告警狀態，縮小故障的定位范圍，統計拒動（誤動）關聯數據。

（3） 發生故障時，結合BPA 框架，測算出可以元件的舉證值，進行前后標準的比對，獲取故障數據。

結合上述設定的自檢告警的保護定位標準，當前開關操作箱二次虛回路出現故障，結合數字孿生技術，針對多元件先進行自檢告警BPA 定位分析處理，針對過程中存在的實際故障情況，不斷縮小實際的異常位置以及區域，為后續的故障定位奠定基礎條件。

1.3 構建數字孿生開關操作箱二次虛回路故障定位模型

結合數字孿生技術，構建開關操作箱二次虛回路故障定位模型。當前先利用上述設計的自檢告警的保護定位標準，對操作箱出現故障的位置進行模糊標定，同時獲取對應的數據、信息。隨后，通過數字孿生技術，在初始的模型中建立故障定位的映射，在合理的可信度范圍之內，針對故障集合進行舉證處理，并明確當前的故障范圍，如下所示：

式中，K 表示模型識別的故障范圍，ΔU 表示定向故障感應差值，η 表示感應定位次數，S 表示覆蓋范圍，T表示重復定位次數。結合當前測試，實現對模型識別的故障范圍的計算。基于此范圍的變化，調整模型的識別定位區域，結合數字孿生技術，改變對應的映射條件，形成完整的模型定位結構，見圖2。

圖2 數字孿生開關操作箱二次虛回路故障定位模型圖

結合圖2，實現對數字孿生開關操作箱二次虛回路故障定位模型流程的設計。通過數字孿生技術的輔助，在不同的映射條件下，結合定位需求，改變對應的故障識別定位目標，降低定位誤差的沖突概率，確保定位結果的真實可靠，進一步強化模型的故障定位能力。

1.4 舉證測驗處理實現故障定位

開關操作箱二次虛回路形成的故障范圍一般較大，關聯問題也較難控制，各虛回路常常會出現交叉、重疊的故障狀態。針對當前的故障元器件，結合數字孿生技術，設置故障定位的舉證規則，具體如下：當舉證值為0 時，元器件狀態處于穩定，當舉證值大于0時，操作箱中的元器件A 與元器件B 進行矩陣，一般形成的舉證值1～2，說明當前的開關操作箱存在故障情況，需要通過模型進行輔助定位識別，進行多維測驗分析，獲取最終的故障定位結果。

2 方法測試

此次主要是對基于數字孿生技術的開關操作箱二次虛回路故障精準定位方法的實際應用效果進行分析與驗證研究，考慮到最終測試結果的真實性與可靠性，采用對比的方式展開分析，選定G 電力系統作為測試的主要目標對象，參考文獻設定傳統圖神經網絡開關操作箱二次虛回路故障定位測試組、傳統ER算法開關操作箱二次虛回路故障定位測試組以及此次所設計的數字孿生開關操作箱二次虛回路故障定位測試組。結合當前設置，對最終得出的結果比照研究，接下來，基于數字孿生技術，進行初始測試環境的搭建。

2.1 測試準備

結合數字孿生技術，對選定的G 電力系統內部的開關操作箱的故障情況測試環境進行關聯搭建處理。首先，進行在控制程序中設定一個MU 合并單元，接入母差線路保護裝置，連接智能終端，設計一個智能化的控制程序。標定出物理光纖回路，形成基礎性的智能保護監測。其次，設定該開關操作箱二次回路共11 個元件，12 條線路，A1-A12 是二次回路中的12條虛回路。

當前可以先明確故障識別定位的覆蓋范圍，并將12 條虛回路劃分為6 個測試區域，每一個區域部署一定數量的監測節點，節點之間互相搭建，形成循環性的監測結構。基于當前的故障定位需求，設置測試控制指標與參數，見表2。

表2 虛回路故障定位測試控制指標與參數表

結合表2，實現對虛回路故障定位測試控制指標與參數的設置與調整。隨即，結合數字孿生技術，相對當前開關操作箱的基礎數據、信息進行采集，匯總之后，以待后續的比對應用。接下來，在當前的故障識別定位裝置中設置統一型號的傳感器，便于實時信息、數據的周期性采集，建立穩定的孿生測試環境。

2.2 測試過程及結果分析

在上述搭建的測試環境之中，結合數字孿生技術，對開關操作箱二次虛回路故障精準定位方法進行具體測試和驗證分析。首先，可以在控制程序中建立一個物理模型，并依據開關操作箱的運行，設計一個輔助性的仿真程序。制定虛擬化的故障測試指令，共12 條，每一條的故障指令形成的二次虛回路虛擬性測試故障均是不同的，這樣做的目的在于確保最終故障定位結果的真實性與可靠性。其次，在虛擬空間中構建故障識別映射，同時提取同周期開關操作箱二次虛回路的故障特征信號，并設定數字孿生動態感知故障定位的測試原理，具體見圖3。

圖3 數字孿生動態感知故障定位測試原理結構圖示

結合圖3，實現對數字孿生動態感知故障定位測試原理結構的設計與實踐性分析。隨后，以此為基礎，將制定的虛擬故障測試指令導入當前的測試環境之中，按照順序執行指令，結合數字孿生技術，先對當前的故障位置進行感應識別，實現故障告警，過程中結合數字孿生技術，依據實際的通信狀態，對虛回路故障元器件進行舉證，測算出對應的舉證值，如下所示：

式中，D 表示故障回路舉證值，K 表示異常覆蓋范圍，n表示可識別區域，n 表示告警次數，o 表示重復識別區域。結合當前測試，得出故障回路舉證值，結合當前各個階段故障回路舉證值的變動，判定實際的故障程度，并縮小故障的定位范圍。舉證值過小，說明故障的范圍較小，反之，舉證值較大，對應的故障范圍相對較大。結合各個周期的矩陣值變動情況，利用專業的設備故障異常數據，并結合數字孿生技術，進行二次故障定位，同時計算出當前故障定位誤動次數，如下所示：

式中，N 表示故障定位誤動次數，Q 表示故障關聯范圍，D 表示定位重復感應次數，k 表示轉換比，w1和w2分別表示基礎定位區域和重復定位區域。結合當前測試，實現對測試結果的比對分析，見表3。

表3 測試結果對比分析表

結合表3，得出以下結論：針對選定的6 個測試區域，對比于傳統圖神經網絡開關操作箱二次虛回路故障定位測試組、傳統ER 算法開關操作箱二次虛回路故障定位測試組，此次所設計的數字孿生開關操作箱二次虛回路故障定位測試組最終得出的故障定位誤動次數被控制在5 以下，說明在數字孿生技術的輔助下，所設計的故障定位方法更具針對性，具有實際的應用價值。

結束語

綜上所述，便是對基于數字孿生技術的開關操作箱二次虛回路故障精準定位方法的設計與實踐性分析，與初始的開關操作箱二次虛回路故障精定位形式相比對，此次結合數字孿生技術，設計更為靈活、多變的輔助故障識別、定位結構，大幅度縮短電力系統的故障排查時間和維護時間，加強對設備損壞風險的把控，提高故障定位處理的準確性和效率。與此同時，在數字孿生技術的輔助支持下，定位的范圍也得到了擴展延伸，在復雜的環境下，系統也可以精準識別到具體的故障位置，獲取對應的異常數據、信息，推動相關技術與行業邁入一個新的發展臺階。