直流电源系统馈出支路绝缘检测装置改进分析_吕意飞.pdf

收稿日期:2023 03 22第一作者:吕意飞(1986)，男，硕士，高级工程师，研究方向为嵌入式应用和开发，继电保护，直流微机技术等应用研究工作。E mail:lgdqhb163 com直流电源系统馈出支路绝缘检测装置改进分析吕意飞(国网塔城供电公司，新疆 塔城 834700)摘要:针对变电站直流电源系统支路众多，但缺少统一命名规范而产生的一系列问题，设计了一种一体化直流电源馈出支路告警标签化监控装置。采用长短时记忆网络将显示的支路故障名称替换成现场实际支路名称，提高了故障检查的效率;采用 XML Schema 协议进行规约映射建模，将IEC104 规约和 Modbus 规约转换成 IEC61850 规约，使得改进后的软件能够在不同的绝缘检测装置中工作。最后通过测试实验和实际的工程应用效果验证了升级后的绝缘检测装置能够有效的确定发生绝缘故障的支路，提升了排查故障的效率，对直流系统提升维护效率提高可靠性具有积极意义。关键词:绝缘检测装置;馈出支路;长短时记忆网络;规约转换中图分类号:TM63文章编号:1000 0682(2023)04 0115 05文献标识码:ADOI:10 19950/j cnki cn61 1121/th 2023 04 022DC power system feeder branch insulation inspection device improvement analysisL Yifei(State Grid Xinjiang Tacheng Electric Power Supply Company，Xinjiang Tacheng 834700，China)Abstract:In response to a series of problems arising from the lack of a unified naming specificationfor the many branches of the substation DC power system，this paper designs an integrated DC powerfeeder branch alarm tagging monitoring device Long and short term memory network is used to replacethe displayed branch fault names with the actual branch names in the field，which improves the efficiencyof fault checking The XML Schema protocol is used for statute mapping modeling to convert IEC104 stat-ute and Modbus statute into IEC61850 statute，which enables the improved software to work in differentinsulation detection devices Finally，the test experiments and the actual engineering application haveverified that the upgraded insulation detection device can effectively identify the branch circuit where theinsulation fault occurs，improve the efficiency of fault detection，and have positive significance for the DCsystem to improve maintenance efficiency and reliabilityKeywords:insulation detection device;feeder branch;long short term memory;regulation conver-sion0引言由于变电站直流电源系统支路众多，缺少统一的命名规范，在国内直流系统绝缘检测装置的馈线名称都以数字或文字加数字混合编码的方式命名，没有统一标准，也没有指定含义，辨识度低，可能与站内其他编码重名，容易导致工作人员混淆，对于不熟悉现场的人员难易判断故障支路，即使有图纸对照也需要不少时间推断确认支路，影响巡查记录和故障排查的效率。因此将绝缘检测装置的故障显示名称与现场故障名称进行对应成为当下急需解决的问题1 2。国内外学者对于故障名称匹配问题也提出了自己的看法。LIN 等3 提出了一种电子式互感器同步故障识别替换策略，通过对故障的动态特性进行分析，获得故障之间的相似性，并以此为依据进行故障识别替换，仿真结果表明，该方法具有较高的可行性。YANG 等4 提出了一种基于成对属性划分的事件匹配算法(Pairwise Attribute Division based EventMatching，PADEM)，通过划分多个成对属性子空间，5112023 年第 4 期工业仪表与自动化装置利用 PADEM 对每一个空间进行索引，保证了在每一个事件匹配的过程中都有对应的事件与其响应，实验结果表明，PADEM 可以显著提高事件匹配的效率尤其在分布式系统中。杨祎等5 提出了一种改进的预训练语言模型(Bidirectional Encoder epre-sentations from Transformers，BET)，通过构建了一种相似故障案例匹配模型，将匹配问题转化成二分类问题，把故障案例中的语义特征作为模型的输入，最终获得相似度较高的输出，实现了对故障案例之间的匹配，该方法在一定程度上提高了匹配的正确度，但是需要大量的故障案例来对模型进行训练，十分耗费时间，效率低;邬蓉蓉等6 提出了一种正则表达式输电线路名称匹配方法，通过建立跳闸线路与线路台账之间的映射关系，通过对数据库中的数据进行预处理和模糊处理后获得规范化线路名称，结合雷电定位系统完成跳闸线路的名称匹配，该方法具有较高的匹配效率，但是仅能对雷击故障线路进行匹配，局限性较大;杨政等7 提出了一种针对电力领域的双特征空间映射匹配算法，对相互匹配的名称进行加权融合，形成层次化表征向量，通过领域专家系统进行匹配，准确率较高。综上所述，该文设计了一种一体化直流电源馈出支路告警标签化监控装置，采用长短时记忆网络(Long Short Term Memory，LSTM)对现场故障支路名称与原绝缘检测装置显示的故障名称进行匹配替换，提高了故障支路检修效率;采用 XML Schema 协议映射建模方法进行规约转换，将 IEC61850 协议和IEC104 协议转换成 IEC61850 协议，实现升级后的软件能在不同的绝缘检测装置中工作。最后结合某变电站实例，表明了所设计的一体化直流电源馈出支路告警标签化监控装置的可行性。1馈出支路绝缘检测原理馈出支路的绝缘检测一般通过对支路的输出进行漏电流检测，根据漏电流的大小来判断绝缘电阻的对应的大小，给出支路绝缘故障的告警。其检测原理如图 1 所示8，将漏电传感器分别安装在不同极性的线缆中，当线缆中的绝缘状况是正常时，此时通过线缆正负极的电流大小相等，方向相反，这样霍尔传感器中就不会有感应信号的产生;当线缆中的某一极发生接地或绝缘降低故障时，通过线缆正负极的电流便不再相等，此时霍尔传感器会产生一个电流差信号，当电流差信号超出告警阀值时，支路告警。图 1支路检测方法原理图因此绝缘检测装置能够对直流系统中发生绝缘故障的支路进行定位，并在绝缘检测仪器的人机交互界面显示故障名称，此时显示的故障支路名称(检修人员直接看到的)与故障现场的支路名称并不对应，这样维修人员到达现场后需要重新检测，降低了检修效率。表 1 所示为绝缘检测装置人机交互界面显示的故障支路名称与现场实际故障支路名称的比较(列举了部分名称进行比较)。可以看出，仅仅通过普通的绝缘检测装置显示的“模糊”故障支路名称很难在现场对故障支路进行快速定位。表 1显示支路名称对比仪器界面显示故障支路名称现场对应故障支路名称通道 1主边风冷控制电源 S101通道 2智能辅助监控系统屏电源通道 3直流充电屏 1 电源 1通道 4通信电源 1通道 5主变 110 kV 保护小室动力箱该文以 QDA 300 在线绝缘装置为例，对其进行了改进升级。2装置改进绝缘检测装置设计原理如图 2 所示。通用的绝缘监测装置大致由控制中心和显示中心两部分组成。控制中心负责对直流系统的电压、绝缘、电阻等信息进行监控、同时对上位机、下位机进行通信和控制。显示中心是人机交互的媒介，用户通过显示中心查看绝缘检测所有的监控数据、以及控制中心进行参数修改，手动选线等控制命令。而控制中心和显示中心具有一个双向数据通信总线，是控制中心和显示中心数据交互的桥梁。611工业仪表与自动化装置2023 年第 4 期图 2绝缘检测装置设计原理图通过研制一种绝缘检测装置汉化升级软件，主要通过提取支路名称和故障信息等数据，此外还需要对显示中心进行字库升级，以实现故障支路名称的匹配，同时进行规约转换使其能在不同的绝缘检装置中使用。2 1基于 LSTM 的故障匹配方法根据工作人员对变电站发生的馈出支路故障进行统计，建立了汉化数据库(现场对应馈出支路故障数据库)。如何将显示终端显示的故障名称与汉化数据库中的故障对应起来并进行替换是要解决的问题。为了解决这一问题，采用了长短期记忆网络(Long Short Term Memory，LSTM)将采集到的故障信息与数据库中的故障类型进行匹配，并将匹配完成的故障信息进行替换。LSTM 网络是循环神经网络(ecurrent Neural Network，NN)的改进模型，由输入 门、输 出 门 和 遗 忘 门 构 成，其 结 构 如 图 3所示9 10。图 3LSTM 模型结构图图3 表示，在 t 1 时刻下的单元状态 ct 1和中间状态 ht 1以及 t 时刻下的单元状态 ct和中间状态 ht，每一个元素的具体计算公式如式(1)式(6)所示。ft=(Wf ht1，xt+bf)(1)it=(Wi ht1，xt+bi)(2)ot=(Wo ht1，xt+bo)(3)c=tanh(Wc ht1，xt+bc)(4)ct=ftct1+it ct(5)ht=ottanh(ct)(6)其中:ft，it和 ot为遗忘门、输入门和输出门在 t时刻时的计算结果;Wf，Wi和 Wo为遗忘门、输入门和输出门的权重矩阵;bf，bi和 bo为遗忘门、输入门和输出门的偏置项;ct为当前 t 时刻的单元状态;Wc为单元状态权重矩阵;bc为单元状态偏置项;是sigmoid 激活函数;tanh 为双曲正切激活函数;为各元素按位置相乘。该文以绝缘检测装置显示的故障名称为输入，现场实际故障名称为输出，进行 LSTM 神经网络预测训练。在进行神经网络训练之前需要对数据进行预处理，使其能够转化为计算机能够识别的语言。根据变电站检测的案例，选取了 400 件故障案例，其中 350 件为神经网络的训练数据，50 件为神经网络的测试数据，预测结果如图 4 所示。图 4 表示在学习效率分别在 0 001，0 010 和 0 100 情况下不同迭代次数的 LSTM 神经网络故障信息替换的正确率，当学习效率 r=0 001 是，最大迭代次数为 300时，此时的准确率最大近似为 1。图 4不同学习率和迭代次数下信息匹配正确率对比同时，定位故障支路的时间也被大大缩短。绝缘检测装置未升级前，检测人员通过观察人机交互界面确认出现故障的支路，然后在现场再次进行确认，如果支路名称不正确，检测人员需要花费大量时间重新寻找故障支路，效率低下。改进后，现场工作人员直接定位故障支路进行维修，大大缩短了时间提高了检修效率。2 2基于 XML Schema 技术的规约转换方法为了使升级后的软件能够在不同的绝缘检测装置中使用，需要对不同通信类型的总线数据进行规约转换，将数据类型转换为统一的信号形式，使软件能够兼容不同的绝缘检测装置11 12。在电力系统中常用的协议有 IEC61850 协议、IEC104 协议和Modbus 协议，该文以这 3 种协议为例，将 IEC61850协议和 IEC104 协议转换成 IEC61850 协议。图 5 表示协议转换流程。7112023 年第 4 期工业仪表与自动化装置图 5规约转换流程图具体的规约转换工作如下:(1)规约接收和解析。Modbus 规约与 IEC104规约分别以 S485 和以太网的通信方式来接受信息，通过解析模块将其解析成遥测遥信等变电站信息，并将解析出来的信息表存入到 IEC61850 规约实时数据库中。(2)IED 模块配置。通过 IEC61850 规约所提供的 SCL 文档对网关接入设备传输的信息进行IEC61850 建模，生成 IED 描述文件;建立规约转换网关信息模型，将实时数据库的数据解析为变电站信息，通过对应的转换网关模型把数据的对象属性信息进行映射。(3)实现规约转换。从数据库中获取 IEC61850映射节点，把获取的信息存储到相应的 IEC61850 数据的对象属性中，实现了 Modbus 规约和 IEC104 规约向 IEC61850 规约的转换。其中，针对规约转换网关信息模型，文中采用了XML Schema 技术建立了映射规约转换模型。XMLSchema 技术能够对 IED 通信模块进行灵活的配置。灵活的配置可以在更改系统时，避免产生过多的代码，减少了规约转换过程中的复杂度。同时 XML 文件具有文本注释功能，在后期对系统进行维护时更加简单方便13 14。所以该文选择了 XML Schema技术建立映射模型，实现规约之间的转换。3测试实验改进的绝缘检测装置前期理论设计完成后，在国网新疆电力有限公司塔城供电公司的多个部门协同合作下，完成了后期装置的实物装备与测试实验。以某一变电站为测试地点进行绝缘检测装置馈出支路故障名称汉化显示测试，图6 表示在变电站现场对绝缘检测装置进行升级。图 7 表示绝缘检测装置未升级前的界面故障名称显示状态，可以看出此时的故障交互界面只是显示“通道+数字”的组合方式进行表示不适合，工作人员现场定位故障支路，效率低下。图 6现场绝缘检测装置升级画面图 7装置改进前显示界面图 8 为装置改进后的人机交互界面的显示情况，此时显示的故障支路名称与现场支路的对应名称一致，检修人员不需要进行复查就可以直接定位故障支路，大大提高了故障检修效率，每次故障检查省半天时间，一个工作组可以节省 1 2 天时间。图 8装置改进后显示界面4实际工程应用效果2022 年 12 月，新疆国网塔城供电公司对装置进行了工程实际应用，将升级后的绝缘检测装置在塔城 110 kV 塔山变电站进行试点应用。在实际验证中，升级后的绝缘检测装置能够准确的显示故障支路对应的现场名称，提高了故障排查效率，相较与以往的抢修时间，现在的检修时间能节约 1 2 h。同时又随机选择了其他 3 座变电站进行测试，发现升级后的绝缘检测装置均能很好的工作，排查效果较好，适应性强。5结论该文针对变电站直流电源系统支路众多，但缺少统一命名规范而产生的一系列问题，设计了一种一体化直流电源馈出支路告警标签化监控装置。采用 LSTM 网络将绝缘检测装置显示的故障名称匹配811工业仪表与自动化装置2023 年第 4 期为现场支路名称，缩短了故障定位的时间，提高了故障检修的效率;同时将采用 XML Schema 技术进行规约转换，使其能够在不同的绝缘检测装置上工作;最后通过实际的工程应用表明升级后的绝缘检测装置能够有效的确定发生绝缘故障的支路，提升了排查故障的效率，对直流系统提升维护效率提高可靠性具有积极意义。参考文献:1 周军，吴瑜坤，李书瀚 主从式便携直流系统绝缘检测装置设计 J 电子器件，2021，44(03):718 724 2 刘妮妮 变电站直流电源系统绝缘检测及校验研究 D 合肥:合肥工业大学，2019 3 LIN X G，XING J W，CHEN D H，et al A novel syn-chronous fault identification strategy of electronic trans-former based on synergy of historical data，J Interna-tional Journal of Electrical Power Energy Systems，2018，103:247 256 4 YANG J L，FAN J，LI C Y，et al A novel index struc-ture to efficiently match events in large scale publish/subscribe systems J Computer Communications，2017，99:24 36 5 杨祎，崔其会，秦佳峰，等 改进 BET 的故障案例智能匹配方法 J 山东电力技术，2022，49(02):47 53 6 邬蓉蓉，张炜，王乐 基于正则表达式的跳闸输电线路名称匹配方法J 电力信息与通信技术，2017，15(06):30 35 7 杨政，蔡迪，李慧斌 基于层次化表示的电力文本命名实体识别和匹配算法J 计算机与现代化，2022(05):75 81 8 郭兴强，党政，纪哲夫，等 变电站直流系统接地故障解析及新型检测方法的研究J 电子测量技术，2020，43(03):81 85 9 蒙飞，单连飞，卢峰，等 基于输入更新长短期记忆网络的调度自适应学习模型J 电力系统自动化，2022，46(24):26 35 10 蒋晨，王渊，陈珉，等 基于 Kbert 文本聚类模型的变压器故障识别 J 高电压技术，2022，48(08):2991 3000 11 郭振宇，谭爱国，钟建伟 基于 IEC61850 规约转换的研究与实现 J 电子质量，2022(01):119 121 12 曹军 配电网嵌入式 IEC 61850 智能规约转换网关设计 J 电气技术，2019，20(11):62 67 13 曾虎，刘名扬，李川，等 基于 XML 的电力二次设备异构规约建模与转换J 传感器与微系统，2017，36(08):49 51+64 14 周育忠，张自锋，石嘉豪，等 基于 xml 技术的电网复杂设备信息统计系统及其应用 J 计算机测量与控制，2019，27(03):245 2492023 年主题征文活动通知各位作者朋友们:在全球新冠疫情肆虐以及我国“双碳”背景下，工业自动化、仪器仪表在人工智能、工业互联网、物联网、大数据等迎来新的工业发展模式，工业仪表与自动化装置 期刊开展“2023 年主题征文活动”，积极宣传并报道国内外工业流程自动化、工业互联网、人工智能、工业物联网、智能制造、智慧能源、分布式能源、仪器仪表等行业的发展方向、新技术和新工艺、应用科研设计、信息与动态，探讨新的工业革命的突破点，搭建企业、高校、行业开展论坛交流平台。一、征文主题智能传感器/工业自动化系统/智能测控技术/仪器仪表与系统设计应用/人工智能二、征文要求1 稿件选题应符合上述 5 项主题，力求新颖、有创新或独特视角，应具学术性、前瞻性、实用性和指导性。2 稿件请用 Word 排版。论文模板参考本刊官网提供的投稿模板。3 投稿方式:请登陆本刊刊官网 http:/yb zdh shaangu group com，在“作者在线投稿”中进行注册并投稿。三、征文展示1 稿件经审核，符合要求的论文将发表在本刊。2 征文活动结束后，将评选优质论文，获奖论文的作者将被邀请参加本刊相关活动，并进行表彰宣传。四、联系方式联系地址:陕西省西安市高新区沣惠南路 8 号邮政编码:710075联系电话:[phone]E mail:gyybbjb126 com工业仪表与自动化装置 编辑部9112023 年第 4 期工业仪表与自动化装置