基于调控云数据分析的二次故障智能诊断系统设计与应用.pdf

SHANDONG ELECTRIC POWER山东电力技术第50卷（总第310期）2023年第9期DOI：10.20097/ki.issn1007-9904.2023.09.010基于调控云数据分析的二次故障智能诊断系统设计与应用王达，高林，张爱平，李萌，张沛（国网山东省电力公司德州供电公司，山东德州253000）摘要：针对电力系统二次回路复杂、二次缺陷消除效率低的问题，设计基于调控云数据分析的二次故障智能诊断系统。通过对告警数据的辨识清洗、二次系统缺陷信息解析，结合调控云缺陷库，构建二次缺陷信息分析及处理方法库，实现二次系统缺陷信息自动识别、二次故障点定位以及缺陷辅助处置等功能。当二次缺陷发生时，系统通过对调控云中上送的遥信数据进行整合分析，快速诊断出缺陷类型并确定故障点位置，同时给检修人员提供缺陷处置建议。在德州地区部署该系统进行测试，结果表明在2022年1月3月，德州地区市管变电站共发生二次缺陷33次，平均单次缺陷处理效率提高60%以上，有效缩短设备带缺陷运行时间，保障电力系统安全稳定运行。关键词：继电保护；调控云；二次故障；故障诊断中图分类号：TN915.08文献标识码：B文章编号：1007-9904（2023）09-0073-08Design and Application of Secondary Failure Intelligent DiagnosisSystem Based on Dispatching and Control Cloud Data AnalysisWANG Da，GAO Lin，ZHANG Aiping，LI Meng，ZHANG Pei（State Grid Dezhou Power Supply Company，Dezhou 253000，China）Abstract：Aiming at the problems of complex secondary circuit and low efficiency of secondary defect elimination in powersystem，we designed the secondary failure intelligent diagnosis system，which is based on dispatching and control cloud dataanalysis.Through the identification and cleaning of alarm data，and the analysis of secondary system defect information，the defectdatabase for analysis and handling is constructed to realize automatic identification of secondary system defect information，secondary fault location，so as to assist in defect handling，which are combined with the defect database of dispatching and controlcloud.When a secondary defect occurs，by integrating and analyzing the remote signaling sent from the dispatching and controlcloud，the system can diagnose the type of the defect and determine fault position quickly.In addition，the troubleshootingsuggestions to maintenance personnel is also provided.The test results of the system deployment in Dezhou area show that fromJanuary to March 2022，there were 33 secondary defects，and the average single defect treatment efficiency was improved by morethan 60%，which effectively reduced the operation time of equipment with defects and ensured the safe and stable operation ofpower system.Keywords：relay protection；dispatching and control cloud；secondary failure；fault diagnosis0引言继电保护设备是保证电力系统安全稳定运行的重要装备，是保障电网安全、设备稳定的重要技术手段1-3。继电保护二次回路是测量、控制、保护和自动装置等系统并接的回路，是变电站内连接一次设备和二次设备的重要纽带4。作为继电保护系统的重要组成部分，二次回路发生问题将直接影响继电保护设备正确运行，使其无法发挥有效作用。二次回路严重故障将使一次系统失去保护甚至停运，威胁电力系统安全稳定运行5-6。因此，当二次回路存在缺陷时，检修人员应迅速、准确对其进行消除，确保电力系统发生故障时，继电保护装置可正确动作。继电保护装置及其二次回路的运行状态可通过遥信量进行监测，远动装置将站内遥信、遥测等数据上送至主站侧，监控人员通过上送的数据实时监测变电站内设备运行情况。当继电保护设备或二次回路出现缺陷时，相关遥信数据等缺陷信息上送至主73山东电力技术第50卷（总第310期）2023年第9期站侧，监控人员接收到缺陷信息后，通知检修人员到现场消除缺陷。然而，二次系统回路接线复杂、节点繁多、环节多、涉及面广，给检修人员对缺陷类型判定和故障点定位过程带来困难7-11。多数情况下，检修人员到达现场后，要根据缺陷信息，细致分析保护回路原理，理清回路中各节点间的关系，才有可能判断出缺陷原因，进行针对性消除。在当前变电站数量众多、检修人员力量不足现状下，复杂的缺陷判定过程明显影响缺陷消除效率，间接增加继电保护设备带缺陷运行时间，难以达到快速、准确消除变电站二次缺陷的目的，且当前未见指导电力系统二次缺陷处理的相关研究。在此背景下，为提高变电站二次故障消除缺陷效率和准确率，减少继电保护带缺陷运行时间，设计一种基于调控云数据分析的二次故障智能诊断系统。当监控报某变电站缺陷信号时，通过对调控云中上送的遥信数据进行整合分析，快速诊断出缺陷类型并确定可能的故障点位置，同时给检修人员提供缺陷处置建议，从而达到快速、准确消除变电站二次缺陷的目的。1二次故障智能诊断系统设计1.1系统网络部署二次故障智能诊断系统通过对接入D5000告警数据的辨识清洗、二次系统缺陷信息解析及聚类，结合调控云缺陷库分析出相关缺陷信息特征点集，构建缺陷信息分析及处理方法库，实现二次系统缺陷信息自动识别、故障点诊断、缺陷辅助处置等功能。二次故障智能诊断系统在调控云平台申请两台虚拟机，其中应用虚拟机用于部署二次故障智能诊断系统及分析服务，数据存储虚拟机用于存储二次故障智能诊断系统分析结果数据及中间数据。为满足电力二次系统安全防护的要求，系统部署在安全III区，通过调控云平台单点登录，实现IV区用户在内网系统浏览器中对二次故障智能诊断系统的访问。具体部署方式如图1所示。1.2系统应用功能二次故障智能诊断系统主要有4种功能。1）二次系统缺陷信息识别功能。依据机器学习及电网事件分析技术，通过开关、隔离开关变位、设备告警等关键信息与设备遥测数据、遥控操作数据的互校验和双确认，自动过滤设备检修调试、人工遥控操作及无功调压操作等正常告警信息，对剩余真实反映设备异常的告警信息进行分析。图1二次故障智能诊断系统的网络部署Fig.1 Network deployment of secondary fault intelligentdiagnosis system2）缺陷故障点位置辅助诊断功能。基于调控云平台缺陷库，分析二次缺陷信息特征点，考虑不同组合遥信发出时对应的故障原因，形成二次系统缺陷信息规则库，对二次故障点位置进行辅助诊断。3）缺陷辅助处置功能。通过缺陷信息识别及故障点定位，结合缺陷处置方法的辨识，提出若干缺陷处置策略，对二次设备缺陷处置提供辅助决策，辅助安排人员、工器具、材料等。4）缺陷处理反馈功能。消除缺陷后，检修人员在系统中填写缺陷处置反馈用于系统存档，完善缺陷辅助处置建议。之后同一缺陷发出后，检修人员可参考之前缺陷处理过程，进行针对性排查。1.3系统技术架构二次故障智能诊断系统技术架构分为内网数据层、数据存储层、基础服务层、服务接入层和人机交互层，具体如图2所示。内网数据层提供数据接入服务，分别接入电网模型、信息点表、告警信息、遥测数据、遥控操作数据等结构化数据以及缺陷库、状态断面等非结构化数据。数据存储层提供数据存储服务，将电网模型、信息点表、告警信息、遥测数据、遥控操作数据和缺陷信息存储在关系型数据库中，将状态断面存储在分布式文件系统中，将分析结果数据存储在内存数据库中。74图2二次故障智能诊断系统技术架构Fig.2 Technical architecture of secondary fault intelligent diagnosis system基础服务层提供数据治理服务，实现可疑数据辨识、数据标准化清洗、系统模型构建、缺陷库数据结构化等。服务接入层提供数据分析和推送服务，实现二次系统缺陷特征点分析、二次故障点辨识、缺陷处置特征点分析。人机交互层提供人机交互服务，实现缺陷信息识别、二次故障点定位、缺陷辅助处置、缺陷处理反馈等移动终端侧应用功能。1.4系统数据架构二次故障智能诊断系统所需数据包括调控云平台中的电网模型、告警信息、遥测数据以及缺陷库数据和D5000中的信息点表、状态断面以及遥控操作数据。具体数据需求如表1所示。1.5二次系统缺陷信息规则库制定二次故障智能诊断系统对缺陷故障点的判定和处置建议依赖于预先给出的二次系统缺陷判定规则。须全面考虑不同组合遥信发生时对应的故障原因及相应的缺陷处置方法，形成二次系统缺陷信息规则库，作为系统判定依据。继电保护二次回路的状态通过遥信量进行监测，不同的二次缺陷类型可由不同数量、不同组合的遥信量反映。例如，二次回路中较为常见且对继电保护系统影响较大的缺陷之一是控制回路断线，当发生控制回路断线时，从保护装置的保护出口到断路器跳合闸线圈的操作回路出现了异常。此时如果电力系统发生故障，继电保护装置无法将相应的断路器跳开，对电力系统危害较大 9-11。引发控制回路断线信号的原因有很多，且伴随控制回路断线信号同时发出的其他遥信不同，反映的缺陷类型也不同。表1数据需求Table 1 Data requirements所属系统调控云D5000接入数据模型数据告警信息量测数据状态断面遥控操作点表信息对接内容断路器、隔离开关、接地开关、母线、线路等模型及拓扑事故、异常、变位、越限、告知信息断路器、母线、线路、主变压器等量测值断路器、隔离开关、接地开关的分合状态遥控操作、挂牌操作等遥测、遥信、遥控三类信息点表表2给出包括控制回路断线信号在内的7种遥信，不同信号组合发生时的缺陷类型及缺陷处置建议。表2中，C1代表控制回路断线，C2代表断路器王达，等：基于调控云数据分析的二次故障智能诊断系统设计与应用75山东电力技术第50卷（总第310期）2023年第9期位置与实际不对应，C3代表压力低闭锁重合闸，C4代表保护装置气压低闭锁重合闸，C5代表压力低闭锁合/分闸，C6代表断路器气压低报警，C7代表断路器气压低闭锁。“”表示该条遥信已发，“”表示信号未发。如表2所示，伴随控制回路断线（C1）共发的遥信不同，缺陷产生原因以及所需的缺陷处置方法也就不同。以表2形式为例，全面汇总不同组合的遥信发生时，所对应的缺陷故障原因以及相应的缺陷处置规则，形成二次系统缺陷信息规则库，作为二次故障智能诊断系统的判定依据。2二次故障智能诊断系统需求分析2.1数据存储需求二次故障智能诊断系统的数据源主要包括调控云数据、D5000系统数据，具体数据分为模型类数据和运行类数据。模型类数据主要为电网模型，数据来源为调控云平台；运行类数据主要来源为调控云平台的告警信息、遥测数据以及缺陷库数据和来源为D5000系统的信息点表、状态断面以及遥控操作数据。按照数据存储3年、每年大致10%的递增计算，运行类数据所需存储空间如表3所示。表3数据存储计算Table 3 Data storage calculation数据名称告警信息遥测数据缺陷库信息点表状态断面遥控操作数据合计第 1 年存储量/MB7 560.0018 432.000.70030.04 200.00325.0030 547.70第 2 年存储量/MB8 316.0020 275.200.77033.04 620.00357.5033 602.47第 3 年存储量/MB9 147.6022 302.700.84036.35 082.00393.2536 962.693 年存储量合计/GB24.4459.580.0020.113.581.0598.75表2二次系统缺陷信息规则库（部分）Table 2 Secondary system defect information rule base（partial）遥信类型12345678910C1C2C3C4C5C6C7分析结论控制回路异常断路器辅助接点损坏未储能且保护装置通信故障未储能且机构压力低闭锁重合闸继电器节点故障断路器未储能开关气室 SF6压力低且压力表闭锁节点损坏开关气室 SF6压力低且压力表报警节点损坏未储能或汇控柜内压力低闭锁合/分闸继电器故障开关气室 SF6压力低断路器未储能处置建议排查控制回路是否正常检查、更换断路器辅助节点检查断路器实际储能情况，检查储能空气开关是否投入，检查储能回路是否正常，开关专业检查储能电机是否正常，检查保护装置通信状况检查断路器实际储能情况，检查储能空开是否投入，检查储能回路是否正常，开关专业检查储能电机是否正常，检查压力低闭锁重合闸继电器节点检查断路器储能情况，检查储能电机电源是否投入，检查储能回路是否正常检查开关气室 SF6表显示压力情况；核实 SF6表闭锁节点是否正常检查开关气室 SF6表显示压力情况；核实 SF6表报警节点是否正常检查断路器实际储能情况，检查储能空气开关是否投入，检查储能回路是否正常，开关专业检查储能电机是否正常，检查压力低闭锁合/分闸继电器工作情况检查开关气室 SF6表显示压力情况；核实 SF6表报警、闭锁节点是否正常检查断路器实际储能情况，检查储能空气开关是否投入，检查储能回路是否正常，开关专业检查储能电机是否正常762.2硬件资源需求二次故障智能诊断系统的运行须收集、整理多个系统中数据，数据量大、系统的运算处理复杂，需较高的配置确保系统的稳定运行，具体参数如表 4所示。表4系统硬件配置Table 4 System hardware configuration服务器用途文件存储数据存储应用CPU8 核8 核16 核内存/GB326464操作系统凝思 6.0.80凝思 6.0.80凝思 6.0.80磁盘空间/GB5005003003二次故障智能诊断系统应用展示3.1系统页面展示系统首页集中展示变电站设备告警信息、断路器位置状态等故障分析结果，内容包括变电站名称、设备间隔双重名称、相关信号上送时间等信息，同时给出缺陷分析结论、检修建议以及备品备件准备建议。在主页面中可通过“变电站”进行一个或多个变电站选择，支持按照本周、本月、本年、任意时间段对历史分析结果进行搜索。系统主页面内容如图3所示。在主页面中通过“事件分析”可查看事件详情。具体分为检修调试事件、操作及伴生事件、自动电压控制（automatic voltage control，AVC）动作事件和跳闸事件。检修调试事件判定规则为设备在冷备用状态，对应的快速接地开关在合闸位置，同步依据置检修牌状态，判定设备为检修状态。在检修状态期间，对设备发出的所有告警信息置检修态，将所有信号合并为检修调试事件。通过“事件分析”“检修调试”，查看具体的检修调试详情，包括检修时段内所有的告警信息，如图4所示。操作及伴生事件判定规则为开关、隔离开关等在分、合状态转换操作中，由于接点抖动等原因产生的短时间内动作后立即复归，此类信号判定为操作及伴生信号。通过“事件分析”“操作及伴生”，查看具体的操作及伴生详情，如图5所示。图3二次故障智能诊断系统主页面Fig.3 Main page of secondary fault intelligent diagnosis system王达，等：基于调控云数据分析的二次故障智能诊断系统设计与应用77山东电力技术第50卷（总第310期）2023年第9期图4检修调试事件详情Fig.4 Details of maintenance and debugging events图5操作及伴随事件详情Fig.5 Details of operation and accompanying eventsAVC动作即自动电压无功控制，主要依据电容器、电抗器等投入/退出状态，对AVC动作进行判定。通过点击“事件分析”“AVC动作”，查看具体AVC动作详请，如图6所示。跳闸事件以变电站遥信为主要数据，自动过滤检修相关信号，对有效的遥信进行数据分析。以设备保护动作信号为辨识起点和中心，通过预设一定的时间间隔，搜索该事件间隔内保护动作信息前后相关的开关分闸信号，如果有，则可初步确定发生故障跳闸事件。基于分析出故障跳闸事件为起点，将跳闸设备间隔内相关联的保护重合闸出口、间隔事故总、全站事故总、开关合闸等关键信息纳入本次故障跳闸事件中，判断跳闸事件具体过程。通过点击“事件分析”“跳闸”，可查看跳闸事件详情，如图7所示。图6检修调试事件详情Fig.6 Details of AVC events图7跳闸事件详情Fig.7 Trip event details3.2系统实际应用测试2022年2月23日17：18德州地区220 kV禹城变电站 220 kV 禹铁线 213 间隔上送开关控制回路断线、开关压力低闭锁重合闸、保护装置气压低闭锁重合闸遥信信息如图8所示。系统对上送缺陷信息分图8220 kV禹城站上送缺陷信息Fig.8 Defect information submitted to 220 kV Yuchengsubstation78析后给出缺陷分析结论、检修建议及备品备件准备建议，检修人员按照建议备齐检修物资，到达现场后按照系统检修建议完成消除缺陷，并将缺陷处理过程反馈至系统，如图9所示。整个缺陷信息确认、故障点查找及缺陷处理过程在到达现场后20 min内完成，消除缺陷效率相较于以往同类缺陷处理显著提高。图9缺陷处理反馈填写Fig.9 Filling for defect handling feedback据统计，二次故障智能诊断系统在德州地区部署测试的2022年1月3月，德州地区市管变电站共发生二次缺陷 33 次，平均单次缺陷处理效率提高60%以上，有效减少设备带缺陷运行时间，保障电力系统安全稳定运行。4结束语二次故障智能诊断系统实现对二次系统缺陷信息搜集及处置的全过程闭环管理。当二次缺陷发生后，系统可快速列出故障点可能存在位置，同时给出缺陷处置建议，指导检修人员提前准备消除缺陷所需的备品备件，到达现场后展开高效消除缺陷工作。消除缺陷后，检修人员通过在系统中给出缺陷处置反馈，完善系统缺陷信息，给下一次同类缺陷处置提供参考性建议。在德州地区部署测试结果表明，二次故障智能诊断系统的应用有效提高二次缺陷处理效率，缩短设备带缺陷运行时间，保障电力系统安全稳定运行。下一步研究重点为继续完善二次系统缺陷信息规则库，实现缺陷类型全方位覆盖，细化缺陷处置建议，使系统在实际消除缺陷中更好地发挥指导作用。参考文献1耿晓辉，侯念国，张辰，等.智能变电站故障过程可视化分析系统设计 J.山东电力技术，2019，46（6）：30-34.GENG Xiaohui，HOU Nianguo，ZHANG Chen，et al.Design of faultprocess visual analysis system in smart substationJ.ShandongElectric Power，2019，46（6）：30-34.2陈国平，王德林，裘愉涛，等.继电保护面临的挑战与展望 J.电力系统自动化，2017，36（16）：1-11.CHEN Guoping，WANG Delin，QIU Yutao，et al.Discussion onnetwork architecture of outdoor installation protection system insubstationJ.Automation of Electric Power System，2017，36（16）：1-11.3陈星田，熊小伏，齐晓光，等.一种用于继电保护状态评价的大数据精简方法 J.中国电机工程学报，2015，35（3）：538-548.CHEN Xingtian，XIONG Xiaofu，QI Xiaoguang，et al.A big datasimplification method for evaluation of relay protection operationstate J.Proceedings of the CSEE，2015，35（3）：538-548.4闫茂华，温才权，黄义华，等.基于智能开入的抗干扰保护装置研究 J.山东电力技术，2022，49（1）：41-46.YAN Maohua，WEN Caiquan，HUANG Yihua，et al.Research onanti-interference protection device based on intelligent inputJ.Shandong Electric Power，2022，49（1）：41-46.5彭良钦，郑思源.继电保护中二次回路缺陷处理研究 J.通信电源技术，2015（32）：231-235.PENG Liangqin.ZHENG Siyuan.Research on the secondary circuitdefect treatment in relay protection J.Telecom Power Technology，2015（32）：231-235.6岳振球.电力系统继电保护二次回路检修问题及对策研究 J.科技资讯，2022（22）：21-24.YUE Zhenqiu.Research on problems and countermeasures ofsecondary circuit maintenance of relay protection in power systemJ.Science&Technology Information，2022（22）：21-24.7XU G P，XIA X Z，AN Y R，et al.Research on fault diagnosis ofsecondary circuit of relay protection in intelligent substationJ.Electric Engineering，2019（4）：134-164.8王邦林，芶大斌.电力系统二次回路故障查找及处理分析 J.通信电源技术，2019，35（9）：211-217.WANG Banglin，GOU Dabin.Fault finding and processing analysisofsecondarycircuitinpowersystem J.TelecomPowerTechnology，2019，35（9）：211-217.9孟延辉，赵冀宁，李江龙，等.35 kV断路器控制回路断线原因分析及应对措施 J.电工技术，2019，36（7）：211-217.MENG Yanhui，ZHAO Jining，LI Jianglong，et al.Analysis andcountermeasures of control loop disconnection of 35 kV circuitbreaker J.Electric Engineering，2019，36（7）：211-217.10 邢鹏生.变电站控制回路断线故障的分析和处理 J.冶金动力，2019（9）：21-23.王达，等：基于调控云数据分析的二次故障智能诊断系统设计与应用79山东电力技术第50卷（总第310期）2023年第9期XING Pengsheng.Analysis and treatment of broken-line faults inthe control circuit of substationsJ.Metallurgical Power，2019（9）：21-23.11 邝志聪.断路器控制回路断线技术分析及处理方法 J.自动化应用，2014（11）：94-96.KUANG Zhicong.Analysis and treatment methods of control circuitbreak technical method of breakerJ.Automation Application，2014（11）：94-96.收稿日期：2022-11-25修回日期：2023-05-25作者简介：王达（1993），男，硕士，工程师，从事变电站二次故障分析工作；高林（1987），男，高级技师，从事继电保护理论分析工作；张爱平（1994），男，硕士，工程师，从事变电站二次故障分析工作；李萌（1990），女，硕士，技师，从事变电站自动化技术研究工作；张沛（1995），男，硕士，从事变电站自动化技术研究工作。（责任编辑娄婷婷）80