基于多源数据融合的电网故障辅助分析

吴 漾，孔庆波

（1.贵州电网有限责任公司，贵阳550000；2.贵州电网有限责任公司信息中心，贵阳550000）

随着我国电力系统的快速发展，电网运行中不断涌入了更多的设备，如智能电子设备、故障录波器和一些保护设备，导致电网负荷越来越大[1]，故障发生时系统自动传来的大量不必要信息，严重阻碍了故障的及时分析。另外，信息缺失以及设备所提供的信息量有限等因素也严重影响了故障分析的准确性[2]。因此，及时对复杂的故障问题进行分析解决，保证其可以更加安全稳定的运行具有重要意义[3-4]。如何通过异构多信息源数据融合得到有效的故障辅助分析信息，逐渐成为研究的热点。文献[5]对变电综合自动化领域的优化设计进行了分析，简化了系统配置也有效提高了自动化水平，但不能综合利用录波器的模拟量信息和开关量信息。文献[6]对国调的电网故障分析系统进行了分析，该系统呈现的信息量与故障程度呈正相关，但存在信息介入不规范、应用区分不充分的问题。文献[7]对国外KJT公司的OPEN 系统进行分析，其与故障分析系统类似，具备数据仓库的结构，可以及时对故障进行分析并处理，同时也存在一些不足，如故障诊断方法老旧、没有综合利用异构信息等。本文基于多源数据融合的电网故障分析为中心展开，研究了一些故障分析算法，提出并仿真验证了所提电网故障分析方法，以期为电网的故障辅助分析提供更加准确有效的途径，有着重要的理论参考价值。

1 电网故障辅助分析系统

1.1 系统的总体结构

系统由主站和子站构成，整体呈现出分布分层的趋势，而构成总系统的主站位于调度端，其余子站全部位于变电站内，如图1所示。子站系统对采集到的数据进行过滤分级、协议转换，并对设备进行监控和管理，然后上传至主站一些有效的信息。子站可实现故障的简单分析；而主站可实现跟EMS/SCADA 系统的所有上传数据进行共享，将子站上传来的信息数据进行集中整理，实现高级应用并传至不同的功能区域。主站和子站之间是通过公用电话网、电力数据网等一些广义上的通信网络进行连接从而形成一个整体。

图1 总体结构Fig.1 Overall structure

1.2 系统子站结构和功能

系统的子站通过将不同接口的录波器和保护装置接线接入工控机，在一台工控机上选择开发模式，采用了内置或者外置的扩展接口卡。其中的工控机起到了重要作用，如数据分析、信息采集和数据存储，实现和主机的通信。该结构在不影响网络结构和变电站内设备正常运行的情况下，可以将保护接入子站系统，通过转换装置以光纤的方式。而保护管理机在物理连接上支持以太网、LonWorks、RS-458、RS-232 等方式与录波器，自动装置，保护装置进行连接，将其他设备上传来的数据信息转化成统一的格式。

在子站可以实现简单的分析功能，如对信息进行协议转发和转换，对录波器及保护等设备的信息采集等，其功能可分为故障分析、运行管理、数据处理和数据采集等模块。

1.2.1 故障分析功能

实现一些简单的故障分析功能，如单端测距功能、利用本地信息和模糊Petri 网的故障诊断、波形显示以及将分析结果做成简报上传至主站。

1.2.2 运行管理

首先对信息进行采集，然后保存到数据库中，进行查询和控制。而主要采集的信息包括很多，主要分为通信状态、异常警告、保护动作等，最后将这些采集的信息跟主站进行连接，进行下一步操作，如查询一些历史记录，修改某些定值等。

1.2.3 信息分级过滤

子站在发生故障时，会产生大量的数据，如果将所有这些数据都上传至主站，不仅给工作人员带来许多不方便，且会造成网络拥堵，所以根据需求对这些信息数据进行分级处理和过滤是非常有必要的。

对信息进行处理主要分为等待查询信息和主动上传信息两大类。等待查询信息满足完整性和准确性，主要用于对故障发生后的分析；而主动上传信息则是在故障发生的第一时间进行上传。响应的上传规则，如表1所示。

表1 上传规则Tab.1 Upload rules

第1 级信息并非故障时的信息，主要用于定值的校核以及设备的维护，与电力系统的故障没有直接相关；第2 级信息主要为等待查询信息，主要用于故障后的分析；第3、4 级信息为主动上传的信息，所形成的故障简报主要为继保和运行人员提供故障分析结论，如保护行为分析、故障诊断等。

1.2.4 格式转换

由于所有设备的型号不同，出自不同的厂家，通信协议自然存在很大的差异。利用保护管理机作为通信介质对数据进行高效利用，不但方便了数据的采集和高效利用，还可以统一保护并接入保护管理机。

1.3 系统主站结构和功能

主站可以和以下的子站全部进行连接，之后彼此之间可以通信并传达消息，如图2所示。

图2 主站结构Fig.2 Main station structure

两站之间常用通信有2 种方式：一种是由电力通信网或公用电话以拨号的方式进行通信；另一种是由电力数据网通过IP/TCP 方式进行通信。目前国内的电力发展迅速，所有的变电站大都被光纤覆盖，所以第二种成为主要的通信方式。

单独设置的数据服务器可以避免访问频繁及数据量大的弊端，提高数据应用的效率。配备了2台通信服务器，且都与公用电话网和电力数据网连通，可以保证故障信息的可靠上传，提高子站和主站之间数据交换及通信的可靠性。

由于对于信息分析的需求越来越多，所以我们更加精确地设计了其主要功能，使得这些功能在配合设备运行时可以对分析人员及操作人员带来更多的方便，主要的功能模块分为以下几种：

综合分析模块该模块主要由显示的波形分析后，经过故障选项算法进行计算，向故障分析系统传送更准确的信息，方便用户更精确地对故障进行诊断分析。

数据库模块该模块能够存储电网的原始配置参数，同时刷新存储所包含的信息并实现对于数据库中数据的备份以备查询。

信息管理模块该模块包含报警信息、查询统计、装置的设备动作管理、图形界面管理、WEB 信息发布等功能，可以显示告警信息并对历史的故障数据进行更有效的查询，以此对设备的状态进行密切监视，同时通过图形化的界面向用户和其他系统传送数据。

通信模块该模块主要包括子站数据采集、数据共享、GPS 对时的功能，保证信息上传、共享及同步的可靠性。

2 基于多数据融合的电网故障辅助分析

2.1 开关量故障度

通过推理开关量信息并利用模糊Petri 网得到各个元件的故障概率，同时需要对结果进行归一化处理，第i 个元件的开关量故障度即为PDi。

2.2 能量故障度

通过Hilbert 变换并利用频率和瞬时幅值，取前3 个IMF 分量，得到所有IMF 分量的能量表征。发生故障即会产生这一个频段的能量变化，然后根据这些变化对其进行详细的量化分析。

假设发生故障时，第i（i=1，2，…，n）个设备元件的固有能量定义为Ei1，…，Eik，…，Eil则：

2.3 频率故障度

故障发生时，电网中的信号会掺杂很多高频率的暂态信息，导致频率变化极大。根据容易由频率变化而引起改变的HHT，对于发生故障线路详细的进行分析。

假设发生故障时，将第i（i=1，2，…，n）个设备元件的固有频率定为fi1，…，fik，…，fil，则定义：

2.4 幅值故障度

一旦发生故障，每一条线路中就会因为短路电流的存在而产生极大变化的幅值，根据这些幅值变化特性进行分析，通过比较前后幅值的不同和变化值对故障程度进行精确的辅助分析。

假设发生故障时，将第i（i=1，2，…，n）个设备元件的瞬时频率定义：

此时的AiFiWi并不能作为理论证据，归一化处理得到第i 个元件的辅助故障度、频率故障度以及能量故障度。

2.5 基于多数据融合的电网故障辅助分析

根据继电器保护故障信息系统获取电气量，并通过SCADA 系统对开关量信息进行获取，获取了这些信息之后详细的对其进行处理和提取。通过HHT 对电气量进行分析，利用Petri 对开关量进行精准的分析，最后通过证据理论在决策融合层对故障度进行诊断融合，得到结果，辅助分析流程，如图3所示。

3 仿真分析

以我国北方的某次真实电网故障为基础，对本文所提到的分析方法进行了仿真分析。本次的电路故障是发生在L1 线路上，因为关联的断路器和保护装置的动作，有6 条路线发生了跳闸，电网的接线情况如图4所示。

本次的故障过程解析为

（1）L11处出现短路即AC 接地，B15处的距离保护、高频、零序同时发生动作，故Q11断路器跳开；

图3 辅助分析流程Fig.3 Flow chart for auxiliary analysis

图4 仿真分析接线图Fig.4 Simulation and analysis wiring diagram

（2）B11处的断路器并没有断开，所以导致B18处的保护动作触发了Q17处的的断路器；

（3）L14处的零序保护动作触发了Q13、Q14处的断路器，通过分析认为是误动。

（4）B11、B2处的保护没有发生动作，使得Q0、Q2处的断路器并没有跳开，导致1-4 号表电器没有发生断路动作。

（5）B11处的保护器没有发生动作，使得Q7、Q8、Q24处的断路器跳开，同时L15，B1处的保护器误动致使跳闸。

根据以上方法对这次故障进行详细的分析，对于每一条线路都根据所提到的HHT法进行信息提取，如开关量、能量、频率、幅值等，最后对结果进行融合分析处理，如表2所示。

表2 融合分析结果Tab.2 Fusion analysis results

由此结果可以得出，本次故障的发生主要原因确实是发生在L1线路上，其余线路问题全部属于非故障因素，和实际状况相同，没有异议。此外，不按照多源数据融合的办法进行分析的话，仅仅通过开关量故障进行分析，会认为L1、L4、L12处的元件均为发生故障，得出很不精确的结果。

4 结语

基于多源数据融合的电网故障分析为中心展开，研究了一些故障分析算法，并仿真验证了所提电网故障分析方法，得出了以下结论：①基于SQL Server2008和Visual C++6．0 数据库系统，改进了分析系统的结构功能，并且在此基础上提出了具体的设计改进方案；②对基于多数据融合的电网故障辅助分析方法进行了研究，利用模糊Petri 网对开关量进行分析，并利用HHT 算法对电气量进行分析后，融合这些算法所提取的表征，可以得到更加精确的分析结果；③最后通过实际故障仿真案例验证了所提分析方法，确实有效提高了故障辅助分析方法的精准度，可以有效的避免断路器及保护器的误动、拒动所带来的负面影响，为更有效的故障辅助分析提供了理论指导。