基于高階累積量特征匹配的智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障準(zhǔn)確定位方法

劉春香 陶瑩

（國網(wǎng)安徽省電力有限公司蕪湖市灣沚區(qū)供電公司）

0 引言

隨著國家大力推進(jìn)智能變電站建設(shè)，智能變電站在電力系統(tǒng)中占據(jù)著越來越重要的地位［1－2］。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備作為智能變電站的重要組成部分，在智能變電站的運行中發(fā)揮了重要的作用［3－4］。智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備種類較多，容易出現(xiàn)問題，影響智能變電站的運行穩(wěn)定性和可靠性［5］。因此對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障進(jìn)行快速診斷和故障定位意義重大。本文深入研究了基于高階累積量特征匹配的故障診斷和定位方法，以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障的快速診斷和定位［6－7］。

1 智能變電站

1.1 智能變電站概念

智能變電站是采用先進(jìn)的傳感器、信息、通信、控制、智能等技術(shù)，以一次側(cè)設(shè)備參量數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化信息平臺為基礎(chǔ)，實現(xiàn)變電站實時全景監(jiān)測、自動運行控制、站外系統(tǒng)協(xié)同控制等功能，以達(dá)到提高運行可靠性、優(yōu)化資產(chǎn)利用率、減少人工干預(yù)、支撐電網(wǎng)安全運行，可再生能源并網(wǎng)利用等目標(biāo)的變電站［8］。其核心內(nèi)涵為可靠、經(jīng)濟(jì)、兼容、自主、互動、協(xié)同，并具有設(shè)備智能化、信息交換標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)高度集成化、運行控制自動化、保護(hù)控制協(xié)同化、分析決策在線化等技術(shù)特點［9－10］。

智能變電站中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)當(dāng)配置光電式傳感器，數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)是光纖，設(shè)備本身應(yīng)當(dāng)具備智能化功能。但是在實際中，智能變電站還是采用傳統(tǒng)的傳感器，具體原因是光電式傳感器技術(shù)不成熟、運用可靠性不高。智能變電站可以劃分為五個部分，其中應(yīng)當(dāng)包含過程層和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這就能夠改變常規(guī)變電站數(shù)據(jù)共享的問題［11］。

1.2 智能變電站與傳統(tǒng)變電站對比分析

針對傳統(tǒng)變電站設(shè)備各自運行，缺乏數(shù)據(jù)交互的特點，導(dǎo)致整個變電站的系統(tǒng)缺乏標(biāo)準(zhǔn)性、系統(tǒng)性，不同的設(shè)備只根據(jù)企業(yè)自身情況制定通信協(xié)議，設(shè)備之間完全不存在互操作性［12］。傳統(tǒng)變電站和智能變電站在繼電保護(hù)方面也存在較大的差異，智能變電站中，繼電保護(hù)裝置普遍采用接插件的形式，性能優(yōu)異，能夠很好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。進(jìn)行系統(tǒng)歸納，自身要體現(xiàn)在如下幾個方面。

1）一次設(shè)備智能化：主要設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)通信接口，將狀態(tài)檢測、測控保護(hù)、通信技術(shù)集于一體，能夠滿足電網(wǎng)電力流、信息流、業(yè)務(wù)流的一體化需求。

2）設(shè)備檢修狀態(tài)化：一次設(shè)備通過先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)、可靠的評價手段、先進(jìn)的預(yù)測方法判斷其運行狀態(tài)，并且在運行狀態(tài)異常時進(jìn)行故障分析，對故障的部位、嚴(yán)重的程度和發(fā)展趨勢能做出判斷、預(yù)警，并根據(jù)分析診斷結(jié)果在設(shè)備性能下降到一定界限或故障發(fā)生之前進(jìn)行維修。

3）傳統(tǒng)變電站功能由設(shè)備和回路共同確定：設(shè)備具備特定功能，且定義了外部的輸入輸出接口，在變電站建設(shè)時通過電纜回路實現(xiàn)了變電站需要的各種功能，此后變電站生命周期內(nèi)重要工作就圍繞著這些設(shè)備和回路而展開；在智能變電站內(nèi)，設(shè)備不再出現(xiàn)常規(guī)功能裝置重復(fù)的輸入輸出接口，而是通過網(wǎng)絡(luò)直接相連來實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、資源共享。

2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障診斷原理

智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障診斷原理：

1）基于智能變電站電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和功能層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確定網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障定位的鏈路路徑；

2）基于智能變電站的實時監(jiān)控系統(tǒng)，完成變電站的實時監(jiān)控功能；

3）基于對智能變電站數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求提升，對智能變電站實時監(jiān)控系統(tǒng)提出新的要求；

4）在智能變電站實時監(jiān)控系統(tǒng)的主導(dǎo)下，配合多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障的快速診斷和定位。

一個數(shù)據(jù)源可以通過多條路徑連接至交換機(jī)，數(shù)據(jù)源之間又是相互獨立的［13］。在智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障診斷和定位中，GOOSE通信傳輸可靠性高，整數(shù)倍的允許傳輸時間作為GOOSE通信中斷的診斷依據(jù)［14］。

3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障數(shù)據(jù)采集原理及診斷定位

3.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障數(shù)據(jù)采集原理

對智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障診斷和定位，是基于對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障數(shù)據(jù)分析和故障特征提取實現(xiàn)的，必須要結(jié)合無線傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備附近布置了許多傳感器節(jié)點，用于采集網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障數(shù)據(jù)，全部的傳感器節(jié)點自主構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)功能的實現(xiàn)主要表現(xiàn)在三方面，即：傳感器節(jié)點自身、不同傳感器節(jié)點對應(yīng)的協(xié)議棧、傳感器節(jié)點匯聚。三方面因素協(xié)同配合，實現(xiàn)無線傳感器對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障數(shù)據(jù)的采集。

3.2 故障診斷定位流程

基于信號處理的方法對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障信號進(jìn)行辨識，提取出能夠反映網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障數(shù)據(jù)；采集網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的物理信息，再基于頻譜分析法對提取到的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行故障狀態(tài)識別，實現(xiàn)對故障特征數(shù)據(jù)的有效提取，將故障特征數(shù)據(jù)輸入到專家系統(tǒng)中進(jìn)行智能診斷和定位。具體的故障診斷定位流程如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障診斷定位流程

將采集到的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障數(shù)據(jù)進(jìn)行時域到頻域的變換：

得到智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障數(shù)據(jù)中的有效信息，再經(jīng)過濾波算法進(jìn)行特征提取，得到智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障數(shù)據(jù)的輸出模型為：

式中，u＝1，2，…，m；s＝1，2，…，m。

對變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的物理信息進(jìn)行有效采集，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和特征數(shù)據(jù)提取，作為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障診斷和定位的原始基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。基于最小均方誤差準(zhǔn)則進(jìn)行濾波處理。

假設(shè)初始化數(shù)據(jù)的中心向量為：

式中，u＝1，2，…，n；v＝1，2，…，s。

由此提取出智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障頻譜，對于無線傳感器節(jié)點，則可以得到智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在故障情況下的綜合信息，其中在時域內(nèi)智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障特征序列采樣點的數(shù)量為n，基于小波變換方法對智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行時域分解，經(jīng)計算故障特征數(shù)據(jù)的對應(yīng)函數(shù)，得到能夠反映出故障特征差異分布的協(xié)方差矩陣，最后得到智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障融合信息。

4 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障診斷及定位方法

4.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障數(shù)據(jù)頻譜特征提取

基于無線傳感器對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并進(jìn)行故障數(shù)據(jù)融合的前提下，進(jìn)行故障特征數(shù)據(jù)的提取，并進(jìn)行統(tǒng)計分析提取出能夠反映故障基本類型的特征變量，并得出與統(tǒng)計特征變量ω相關(guān)聯(lián)的特征函數(shù)，剔除其中的干擾噪聲信號，得到Js與Ψ（δ）的s階累積特征數(shù)據(jù)為：

假設(shè)智能變電站的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障特征時間序列為零均值的s階高斯穩(wěn)定過渡過程，在其中加入干擾變量進(jìn)行測試，提取出故障頻譜特征數(shù)據(jù)的分布情況，將智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障數(shù)據(jù)s階累積量定義為Jsω（π1，π2，…，πs－1），定義智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障數(shù)據(jù)的隨機(jī)過程的s階累積量。

4.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障定位策略

在計算出智能變電站故障頻譜特征數(shù)據(jù)的分布情況的前提下進(jìn)行故障定位，計算得到變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障特征高階累積量特征數(shù)據(jù)，再基于高階反演特征量進(jìn)行數(shù)據(jù)的分解，高階反演特征量為：

由此便可以得到能夠輸出智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障信號分析模型，再基于高階累積量特征匹配方法進(jìn)行故障特征數(shù)據(jù)處理，得到最終的故障定位結(jié)果為：

5 仿真實例分析

基于Matlab仿真環(huán)境下進(jìn)行仿真研究，首先采用無線傳感器對智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在故障狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，仿真模型中的參數(shù)設(shè)定為：故障定位的門限參數(shù)設(shè)定為0.2，自關(guān)聯(lián)系數(shù)設(shè)定為5，嵌入式維數(shù)設(shè)定為0.8，頻譜的增益參數(shù)為0.02，濾波器的參數(shù)設(shè)定為0.3，數(shù)據(jù)的采樣頻率設(shè)定為15kHz，故障數(shù)據(jù)的采集長度為1024，根據(jù)設(shè)定好的仿真環(huán)境參數(shù)，采集得到智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障數(shù)據(jù)原始值。對智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障數(shù)據(jù)原始值進(jìn)行處理深度處理，提取出能夠反映出智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障狀態(tài)的頻譜特征，再基于高階累積量特征匹配方法進(jìn)行故障特征數(shù)據(jù)處理，得到最終的故障定位結(jié)果如圖2所示。

圖2 故障定位結(jié)果

分析圖2的故障定位結(jié)果可知，采用本文所提出的基于高階累積量特征匹配的故障定位方法，能夠?qū)崿F(xiàn)快速準(zhǔn)確定位，采用本文所提出故障診斷定位方法和傳統(tǒng)故障診斷定位方法對比結(jié)果如下表所示。

表 本文方法與傳統(tǒng)方法對比分析結(jié)果

6 結(jié)束語

為了實現(xiàn)對智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障的準(zhǔn)確診斷與定位，提高故障診斷效率，本文提出了一種基于高階累積量特征匹配策略的故障診斷定位方法。通過無線傳感器采集對智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障信號進(jìn)行有效采集。通過科學(xué)的方法實現(xiàn)智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障數(shù)據(jù)從時域到頻域的變換，再基于高階累積量特征匹配方法進(jìn)行故障特征數(shù)據(jù)處理，最終實現(xiàn)故障的準(zhǔn)確診斷與定位。經(jīng)過仿真實例驗證，本文所提出的方法能很好地對智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障進(jìn)行診斷與定位，具有很強的應(yīng)用價值，適宜進(jìn)行大規(guī)模的推廣應(yīng)用。