繼電保護(hù)多源異構(gòu)信息智能化處理關(guān)鍵技術(shù)研究

巫聰云，徐曉峰，鐘潔，顏循敏，汪昌元，寧雪瑩，廖曉春

（1.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司，南寧 530015；2.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司防城港供電局，廣西 防城港 538000；3.武漢華電順承科技有限公司，武漢 430071）

0 前言

繼電保護(hù)是維持電網(wǎng)健康運(yùn)行不可缺少的組成部分，隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大及電力體制改革的推進(jìn)，電網(wǎng)運(yùn)行中的暫態(tài)過程和動(dòng)態(tài)行為越來越復(fù)雜，且迫切需要對故障信息進(jìn)行精確、全面、快速地剖析處理。然而，主流的故障信息管理系統(tǒng)在自動(dòng)化程度和信息綜合分析水平上顯得相對滯后[1-3]，原因如下：

1）故障信息多源：反映電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的設(shè)備繁多且分布廣泛，行波、保護(hù)、錄波、保護(hù)定值等信息都是重要的故障分析數(shù)據(jù)源。各主站系統(tǒng)根據(jù)功能不同，對數(shù)據(jù)的解讀有所側(cè)重，而且各系統(tǒng)間相對獨(dú)立，無法得到比較全面的分析結(jié)果；

2）數(shù)據(jù)形式具有多樣性：繼電保護(hù)有模擬量、狀態(tài)量、結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化等形式各異的數(shù)據(jù)，每一類數(shù)據(jù)有不同的采樣率、生命周期、時(shí)標(biāo)等，各種數(shù)據(jù)之間具有相關(guān)聯(lián)性，然而市場上的分析軟件難以實(shí)現(xiàn)深度融合分析；

3）接入的信息規(guī)范缺少一致性：電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)年代長久，當(dāng)前存在大量規(guī)格不一，性能不同的保護(hù)和錄波裝置，以錄波設(shè)備為例，國內(nèi)主要有9 個(gè)制造廠商、25 個(gè)主流型號的錄波設(shè)備分布在各地區(qū)變電站，而且錄波文件格式是各個(gè)廠家自定義的，即使是標(biāo)準(zhǔn)的COMTRADE 格式也有多種版本和不同程度的差異。

針對繼電保護(hù)信息的多源異構(gòu)特性，本文提出一種智能化處理技術(shù)，通過無損轉(zhuǎn)換、智能容錯(cuò)、融合分析三個(gè)模塊的處理，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的無差別解讀和深度挖掘，為繼電保護(hù)自動(dòng)化和調(diào)控一體化提供有力支撐，打造錄波數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、分析智能化、功能集約化的處理主站。

1 多源異構(gòu)信息智能化處理關(guān)鍵技術(shù)

多源異構(gòu)信息智能化處理指對各廠站收取的錄波數(shù)據(jù)依次進(jìn)行智能容錯(cuò)、無損轉(zhuǎn)換和融合分析的處理。第一步將錄波文件進(jìn)行智能容錯(cuò)處理，以解決錄波文件中時(shí)有發(fā)生的如通道名稱不識別、數(shù)據(jù)缺失或異常等問題，避免因?yàn)閿?shù)據(jù)讀取失敗導(dǎo)致系統(tǒng)軟件崩潰退出；第二步通過無損轉(zhuǎn)換將不同格式的錄波文件解耦成直觀標(biāo)準(zhǔn)的表格文件，并對故障數(shù)據(jù)文件進(jìn)行頻率歸一化處理；第三步融合分析利用希爾伯特-黃及Petri 網(wǎng)算法從故障文件中提取的一系列數(shù)據(jù)特征或特征向量傳遞給分析模型，實(shí)現(xiàn)故障診斷和定位。

1.1 智能容錯(cuò)

經(jīng)過對各主流廠商錄波數(shù)據(jù)工程化案例、規(guī)格和實(shí)際運(yùn)行情況的考察研究，依據(jù)COMTRADE 標(biāo)準(zhǔn)的釋義與常見錯(cuò)誤匯編來制定智能容錯(cuò)方案。其過程可用圖1 表示。

讀取錄波文件，判斷其中配置文件中站名、模擬量及狀態(tài)量通道數(shù)量、模擬量通道采樣信息、狀態(tài)量通道采樣信息、線路兩側(cè)的CT/PT變比等不可或缺的信息及一些缺省信息是否齊全[4]，如果這些信息不齊全或出現(xiàn)亂碼，調(diào)取含有錯(cuò)誤類型及相應(yīng)補(bǔ)償信息的錯(cuò)誤列表，對比錯(cuò)誤列表予以更正。對于列表之外的不能識別的問題，則進(jìn)行標(biāo)記并提交工作人員，直接在主站端調(diào)取一次定值模型重新生成標(biāo)準(zhǔn)配置參數(shù)。

然后對數(shù)據(jù)文件進(jìn)行預(yù)判，數(shù)據(jù)文件中有采樣序列號、時(shí)間標(biāo)記和各模擬量及狀態(tài)量通道的數(shù)據(jù)，如果某列缺失或亂碼，重新調(diào)用錄波文件，再次對數(shù)據(jù)文件進(jìn)行預(yù)判，對于錄波設(shè)備出現(xiàn)故障導(dǎo)致的記錄文件錯(cuò)誤，將故障錄波設(shè)備的站名和型號提交給工作人員。

圖1 智能容錯(cuò)過程

1.2 無損轉(zhuǎn)換

1.2.1 數(shù)據(jù)解耦

數(shù)據(jù)解耦的目的首先是將錄波廠家和錄波文件解綁，使不同廠家錄波文件可以獲得一致性處理；其次是將文件中不同的信息分量分離出來放在相應(yīng)文件中，便于程序裝載運(yùn)用。此過程如下圖所示：

圖2 無損轉(zhuǎn)換過程

通過錄波文件配置文件信息得到錄波設(shè)備型號，查詢轉(zhuǎn)換接口表，進(jìn)而得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)換單元入口，其中主要包括錄波文件處理類和通道數(shù)據(jù)映射函數(shù)。

錄波文件處理類用于解析配置文件信息，讀取數(shù)據(jù)文件。其對象屬性主要包括：錄波文件基本信息，通道信息數(shù)組、采樣頻段信息數(shù)組。其主要調(diào)用接口有：配置文件讀取接口函數(shù)，采樣數(shù)據(jù)讀取接口函數(shù)，通道分組接口函數(shù)。

通道數(shù)據(jù)映射函數(shù)主要作用是分解數(shù)據(jù)文件，利用配置文件中的通道系數(shù)、CT/PT 變比信息將采樣數(shù)據(jù)由A/D 轉(zhuǎn)換后的二次數(shù)字量轉(zhuǎn)為電壓、電流的一次值，以二進(jìn)制格式存儲到相互獨(dú)立的通道數(shù)據(jù)表格中，包括有電流量、電壓量和狀態(tài)量等，每個(gè)文件中包含通道名稱、時(shí)間標(biāo)記和采樣數(shù)據(jù)[5-6]。

1.2.2 采樣頻率轉(zhuǎn)換

不同型號錄波設(shè)備采樣頻率不一致，為了后續(xù)數(shù)據(jù)處理簡便，對數(shù)據(jù)采用線性重采樣及擬合以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步、頻率統(tǒng)一化轉(zhuǎn)換[7]。其基本步驟如下：

1）將原始的采樣頻率fo，轉(zhuǎn)換到新的重采樣頻率fn，且滿足奈奎斯特采樣定律，原始采樣個(gè)數(shù)為每秒N，求出新采樣率下的信號的長度是：M=(fn/fo)×N；

2）目標(biāo)序列離散點(diǎn)m(1 ≤m ≤M )，原始采樣序列點(diǎn)n(1 ≤n ≤N)，縮放因子p=fo/fn，那么pm 為在原始采樣間隔的情況下，要進(jìn)行插值的具體位置，pm 和n 關(guān)系必須滿足n ≤pm ≤n+1；

3）對于滿足插值的情況，利用上面步驟 得 到 兩 個(gè) 權(quán) 值，a=pm-n，b=n+1-pm， 將a，b 兩個(gè)重采樣權(quán)值與要插入到點(diǎn)的相鄰的兩點(diǎn)的值線性結(jié)合，求得將要插入點(diǎn)的值xo(m)=ax(n+1)+bx(n)；

4）如果在數(shù)據(jù)記錄的過程中產(chǎn)生數(shù)據(jù)缺失的情況或者間隙過大，例如的情況，使用線性重采樣可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)有較大的失真性，取數(shù)據(jù)點(diǎn)附近四個(gè)點(diǎn)的寬度為窗口求最小二乘曲線擬合值來替代；

5）如果數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔大于5/M，并且持續(xù)次數(shù)大于5 次，判定此處為無效信息，即錄波文件的D、E 段，直接使用波形正弦值Usin(ωt+φ)，U 為電壓幅值，ω和φ可由此段序列值中的值得出。

這種處理方法不僅快速，而且具有較高的還原度。一方面便于將不同時(shí)序的錄波數(shù)據(jù)放到一個(gè)時(shí)標(biāo)中進(jìn)行對比分析。另一方面，對錄波文件進(jìn)行了一次初步篩選，不同錄波時(shí)段值做了相適應(yīng)的處理，將重要信息分揀出來。

1.3 融合分析

融合分析中主要運(yùn)用希爾伯特- 黃算法、Petri 網(wǎng)進(jìn)行信息分揀和特征識別，再利用故障診斷模型對故障信息進(jìn)行解析。其過程可用下圖表示：

圖3 融合分析過程

數(shù)據(jù)文件的處理應(yīng)用到了希爾伯特-黃算法（Hilbert-Huang Transform），相較于傅里葉變換對非線性非平穩(wěn)信號具有更好的處理優(yōu)勢，其運(yùn)算步驟為，故障數(shù)據(jù)或其他時(shí)序信號被作為Huang 的算法的輸入，把信號分解為若干本征模態(tài)函數(shù)，然后作為Hilbert的輸入進(jìn)行處理[8-10]，可得到下式（1）：

為信號的時(shí)間序列函數(shù)，可看作是經(jīng)過一單位沖擊相應(yīng)的濾波后的結(jié)果，與形成共軛對，得到如式（2）的解析信號：

據(jù)此求出每一分量的瞬時(shí)相位（3）、瞬時(shí)頻率（4）和瞬時(shí)幅值（5），用于后續(xù)故障模型診斷。

傳統(tǒng)的基于單一開關(guān)量的故障診斷方法，由于誤動(dòng)、拒動(dòng)、信道干擾等因素的存在，信息的準(zhǔn)確性、完備性較低。采用Petri 網(wǎng)[11]有機(jī)融合各開關(guān)量變位特征，由各種開關(guān)組合組成完備集合來表示對設(shè)備故障的所有可能答案，排除拒動(dòng)、誤動(dòng)或擾動(dòng)，保證開關(guān)及保護(hù)信息的正確性及有效性。

提取各種關(guān)鍵數(shù)據(jù)后，再利用該模型下的線路測距、變壓器分析、發(fā)電機(jī)發(fā)變組分析、公式編輯器分別進(jìn)行針對性的剖析。

2 應(yīng)用分析

該技術(shù)已在防城港的錄波主站投入使用，構(gòu)建了多源異構(gòu)故障數(shù)據(jù)群組統(tǒng)一分析主站，為了驗(yàn)證有效性，分別對主站運(yùn)行情況進(jìn)行了橫向和縱向?qū)Ρ仍囼?yàn)。

橫向?qū)Ρ葘?shí)驗(yàn)是用A、B、C 各廠家自有的故障分析軟件和基于多源異構(gòu)信息處理技術(shù)的改進(jìn)的錄波主站分別處理100 個(gè)錄波文件，這100 個(gè)錄波文件來自于A、B、C 三個(gè)廠家，比例約為6：3：1，比較錄波文件各項(xiàng)處理指標(biāo)平均值，結(jié)果如下表所示：

表1 各廠家自帶錄波分析軟件與基于多源異構(gòu)信息處理技術(shù)的錄波主站實(shí)驗(yàn)對比

在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，A 型號主站分析軟件處理B 型號和C 型號錄波文件時(shí)有出現(xiàn)解析錯(cuò)誤或者宕機(jī)，B 型號和C 型號主站分析軟件在處理別型號的錄波文件時(shí)同樣出現(xiàn)分析結(jié)果不理想的情況。

由此實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出基于多源異構(gòu)信息處理技術(shù)的錄波主站在平均處理時(shí)間、測距誤差范圍、分析正確率上都有一定優(yōu)勢，除此以外，該系統(tǒng)可以分析不同錄波設(shè)備上送的錄波文件，對不同通信規(guī)約及格式的錄波文件無障礙處理。

縱向?qū)Ρ葘?shí)驗(yàn)是該系統(tǒng)軟件分別接入100套、200 套、500 套錄波設(shè)備的故障數(shù)據(jù)，其值取自于50 次錄波文件處理的平均值，接入錄波設(shè)備越多，數(shù)據(jù)接收層越繁忙，導(dǎo)致運(yùn)行空間更多的占用，繼而引起故障分析耗時(shí)越多，但是影響并不大，誤差范圍和正確率沒有影響，整個(gè)過程中沒有出現(xiàn)宕機(jī)情況，可見基于多源異構(gòu)信息處理技術(shù)的錄波主站具有實(shí)際意義。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了繼電保護(hù)信息智能化處理方法，包括智能容錯(cuò)、無損轉(zhuǎn)換和融合分析技術(shù)，完成對多源異構(gòu)故障信息群組生命周期的管理。該技術(shù)應(yīng)用于錄波主站系統(tǒng)可帶來以下優(yōu)勢：

1）解決了異構(gòu)數(shù)據(jù)對調(diào)度主站的沖擊，并有效可靠分揀出故障信息；

2）對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合橫向分析，提升了各專業(yè)信息共享水平，有助于優(yōu)化事故處置手段和診斷水平；

3）運(yùn)用多種故障分析模型，實(shí)現(xiàn)了豐富的電力錄波數(shù)據(jù)的分析功能。

為了進(jìn)一步提高繼電保護(hù)多源異構(gòu)信息的處理水平，后期將研究運(yùn)用自主學(xué)習(xí)算法挖掘大數(shù)據(jù)，并結(jié)合故障診斷模型預(yù)測故障事件。