基于云平臺(tái)和告警信息的設(shè)備實(shí)時(shí)故障概率分析策略

丁嘉熹, 陳宇民, 季雨揚(yáng), 莊懷東, 毛建維

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司保山供電局, 云南 保山 678000;2.香港都會(huì)大學(xué) 電子及計(jì)算機(jī)工程學(xué)系,中國(guó) 香港 999077; 3.南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京 211102)

0 引 言

電網(wǎng)的告警信息便于運(yùn)行人員對(duì)各種故障進(jìn)行有效處理和預(yù)警,然而單靠人力無(wú)法對(duì)設(shè)備的運(yùn)行情況和本身特性的隱秘關(guān)系等進(jìn)行全面分析[1-2］。當(dāng)前對(duì)于電網(wǎng)歷史故障、告警數(shù)據(jù)的處理研究主要從機(jī)器學(xué)習(xí)、統(tǒng)計(jì)分析以及故障圖譜等方面展開(kāi)[3-4］,這也是分析告警信息關(guān)聯(lián)設(shè)備故障分析的基礎(chǔ)。對(duì)設(shè)備短時(shí)故障率分析的相關(guān)研究均需要足夠的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為支撐[5-6］,并且工程應(yīng)用中需要適當(dāng)簡(jiǎn)化以適應(yīng)大規(guī)模電網(wǎng)情況下的應(yīng)用。另外,云計(jì)算在電力系統(tǒng)中已有一定的應(yīng)用研究[7-8］,利用云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)快速可靠評(píng)估方面的應(yīng)用仍有較大的探索空間。

本文針對(duì)當(dāng)前電網(wǎng)海量設(shè)備對(duì)應(yīng)的龐雜告警信息與電網(wǎng)可靠風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估需求之間的矛盾,提出基于云平臺(tái)和告警信息的設(shè)備實(shí)時(shí)故障概率分析策略。通過(guò)告警文本進(jìn)行分析確定告警信息關(guān)聯(lián)的風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備,進(jìn)一步架構(gòu)了故障評(píng)估的云分析平臺(tái),對(duì)海量的設(shè)備運(yùn)行信息進(jìn)行廣泛收集和處理,從設(shè)備老化、外力破壞和過(guò)負(fù)荷水平三個(gè)主要獨(dú)立故障因素的角度,建立相關(guān)的故障概率計(jì)算模型,對(duì)設(shè)備的故障概率進(jìn)行計(jì)算,以其作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估依據(jù)。最后依據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)例對(duì)本文提出的策略進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。

1 告警文本信息提取

對(duì)于電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估相關(guān)的設(shè)備異常和設(shè)備故障等告警信息,作為重點(diǎn)的分析對(duì)象。設(shè)備異常告警包括設(shè)備分部件運(yùn)行數(shù)據(jù)異常和主運(yùn)行參數(shù)(電氣量和非電氣量)運(yùn)行數(shù)據(jù)異常等。設(shè)備故障告警信息包括主要一次設(shè)備發(fā)生故障后的保護(hù)動(dòng)作及開(kāi)關(guān)量變化。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)告警文本準(zhǔn)確的批量化處理,將連續(xù)的文字按照既定的詞典劃分成一系列詞的組合。本文針對(duì)告警信息文本建立告警信息專(zhuān)用詞匯詞典對(duì)文本信息進(jìn)行精確截取。專(zhuān)業(yè)詞匯詞典包含兩部分:名稱詞典和特征詞典。將所有涉及到的變電站名、線路名和設(shè)備編號(hào)等編入名稱詞典進(jìn)行檢索,用以對(duì)設(shè)備或線路進(jìn)行精確定位,便于后續(xù)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的相關(guān)使用及對(duì)應(yīng)分析。將所有涉及設(shè)備或線路安全分析的關(guān)鍵字段,比如跳閘、中斷和異常等關(guān)鍵詞編入特征詞典,對(duì)告警信息文本進(jìn)行檢索。將告警信息涉及的設(shè)備或線路作為直接關(guān)聯(lián)項(xiàng),將與直接關(guān)聯(lián)項(xiàng)直接相連的節(jié)點(diǎn)上的設(shè)備和線路作為間接關(guān)聯(lián)項(xiàng),對(duì)直接和間接關(guān)聯(lián)項(xiàng)進(jìn)行實(shí)時(shí)故障概率計(jì)算,協(xié)助運(yùn)行人員對(duì)設(shè)備安全性進(jìn)行評(píng)估,告警信息提取流程如圖1所示。

2 故障分析云平臺(tái)架構(gòu)

由于電力系統(tǒng)不同層級(jí)、不同區(qū)域間的設(shè)備運(yùn)行信息共享程度較低,無(wú)法對(duì)大范圍內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行和故障信息進(jìn)行整合,因此云平臺(tái)技術(shù)是較好的解決途徑[9］,本文采用的云平臺(tái)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 故障分析云平臺(tái)架構(gòu)

故障因素主要?dú)w結(jié)為設(shè)備老化、外力破壞和過(guò)負(fù)荷水平三個(gè)獨(dú)立事件因素。各區(qū)域?qū)⒃O(shè)備相關(guān)信息,包括設(shè)備編號(hào)、型號(hào)和廠家提供的設(shè)備參數(shù),區(qū)域內(nèi)的故障信息,以及當(dāng)前的氣象、設(shè)備運(yùn)行信息等傳輸給云平臺(tái)。云平臺(tái)將采集信息進(jìn)一步整合,故障信息經(jīng)統(tǒng)計(jì)后作為擬合計(jì)算模型參數(shù)所需的歷史數(shù)據(jù)庫(kù);區(qū)域內(nèi)根據(jù)告警信息分析出關(guān)聯(lián)設(shè)備后,向云平臺(tái)發(fā)出計(jì)算請(qǐng)求和相關(guān)設(shè)備編號(hào),云平臺(tái)根據(jù)當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行情況、氣象因素以及故障概率計(jì)算模型,計(jì)算對(duì)應(yīng)區(qū)域所需求設(shè)備的實(shí)時(shí)故障概率,并發(fā)送給請(qǐng)求計(jì)算區(qū)域。區(qū)域收到設(shè)備的實(shí)時(shí)故障概率后,進(jìn)一步對(duì)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行評(píng)估。

3 實(shí)時(shí)故障概率分析模型

3.1 單故障因素下故障概率模型

3.1.1 設(shè)備老化因素故障

(1) 變壓器。將變壓器絕緣失效作為變壓器壽命的依據(jù)。變壓器老化服從韋伯分布,考慮運(yùn)行溫度和運(yùn)行時(shí)間,其概率分布函數(shù)如式(1)所示。

(1)

式中:θH為變壓器繞組溫度;β為形狀參數(shù);B、C為Arrhenius反應(yīng)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

依據(jù)條件概率的計(jì)算,對(duì)于已服役了時(shí)間T的變壓器在后續(xù)時(shí)間Δt內(nèi)發(fā)生老化失效的概率可由式(2)表示。

(2)

式中:θ0為變壓器長(zhǎng)期正常工作繞組溫度;Δt為后續(xù)時(shí)間段;T為已服役時(shí)間;Ftr為對(duì)應(yīng)的變壓器老化概率。

將韋伯分布概率分布代入式(2),可得變壓器的老化失效概率計(jì)算公式,如式(3)所示。

(3)

式中:θ0為變壓器長(zhǎng)期正常工作繞組溫度;Δt為后續(xù)時(shí)間段;T為已服役時(shí)間;β為形狀參數(shù);B、C為Arrhenius反應(yīng)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

對(duì)式(3)進(jìn)一步改寫(xiě),令其中CeB/(θ0+273)為參數(shù)Ht,則式(3)可寫(xiě)為:

(4)

式中:T為已服役時(shí)間;β為形狀參數(shù)。

考慮T為變壓器正常運(yùn)行年限,Δt為超期運(yùn)行年限,式(4)中需要整定的參數(shù)即為Ht、β。為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)故障概率計(jì)算的快速準(zhǔn)確,本文采用最小二乘法利用變壓器的歷史數(shù)據(jù)對(duì)參數(shù)Ht、β進(jìn)行擬合。

樣本概率的計(jì)算公式如式(5)所示。

(5)

式中:Ntr-sl(T+Δti)為運(yùn)行了(T+Δti)時(shí)間的變壓器數(shù)目;Ntr-s(T+Δti)為運(yùn)行了(T+Δti)時(shí)間因老化發(fā)生故障的變壓器數(shù)目。

針對(duì)不同運(yùn)行時(shí)間,建立參數(shù)估計(jì)的樣本空間。通過(guò)擬合的方式對(duì)參數(shù)進(jìn)行估計(jì),考慮樣本數(shù)量問(wèn)題,可將同品牌同規(guī)格的變壓器的運(yùn)行數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充。

(2) 輸電線路。對(duì)于輸電線路老化失效模型采用類(lèi)似的處理思路,輸電線路長(zhǎng)期失效模型按照韋伯分布的概率分布函數(shù)如式(6)所示。

Ftl(t|θH)=1-e-[t/Qe-Dθ/m]α

(6)

式中:θH為輸電線路溫度;Q為抗拉強(qiáng)度相關(guān)計(jì)算參數(shù);D、α為材料屬性相關(guān)參數(shù);θ為運(yùn)行溫度;m為導(dǎo)線質(zhì)量。

依據(jù)條件概率的計(jì)算,對(duì)于已服役了時(shí)間T的輸電線路在后續(xù)時(shí)間Δt內(nèi)發(fā)生老化失效的概率如式(7)所示。

(7)

式中:θm為輸電線路工作最高允許溫度;Δt為后續(xù)時(shí)間段;T為已服役時(shí)間;Ftl為對(duì)應(yīng)的線路老化概率。

將韋伯分布概率分布代入式(7),可得變壓器的老化失效概率計(jì)算公式如式(8)所示。

Ptl=1-e[T/(Qe-Dθm/m)]α-[(T+Δt)/(Qe-Dθm/m)]α

(8)

式中:θm為輸電線路工作最高允許溫度;Q為抗拉強(qiáng)度相關(guān)計(jì)算參數(shù);D、α為材料屬性相關(guān)參數(shù);Δt為后續(xù)時(shí)間段;T為已服役時(shí)間。

對(duì)式(8)進(jìn)一步改寫(xiě),令其中QeB-Dθm/m為一參數(shù)Hl,則式(8)可寫(xiě)為:

(9)

式中:Δt為后續(xù)時(shí)間段;T為已服役時(shí)間;α為材料屬性相關(guān)參數(shù)。

考慮T為輸電線路正常運(yùn)行年限,Δt為超期運(yùn)行年限,m取線路長(zhǎng)度中位數(shù)的質(zhì)量。式(9)中需要整定的參數(shù)即為Hl、α。采用最小二乘法利用輸電線路的歷史數(shù)據(jù)對(duì)參數(shù)Hl、α進(jìn)行擬合,為排除其他因素的影響,擬合依據(jù)的歷史數(shù)據(jù)選擇天氣因素正常下的數(shù)據(jù)。

樣本概率的計(jì)算公式如式(10)所示。

(10)

式中:Ntl-sl(T+Δti)為運(yùn)行了(T+Δti)時(shí)間的輸電線路數(shù)目;Ntl-s(T+Δti)為運(yùn)行了(T+Δti)時(shí)間因老化發(fā)生故障的輸電線路數(shù)目。

針對(duì)不同運(yùn)行時(shí)間,建立參數(shù)估計(jì)的樣本空間,通過(guò)擬合的方式對(duì)參數(shù)進(jìn)行估計(jì),考慮樣本數(shù)量問(wèn)題,可將同品牌同規(guī)格的輸電線路的運(yùn)行數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充。

3.1.2 外力破壞因素故障

將大風(fēng)和雷擊進(jìn)行等級(jí)劃分,按照歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),建立大風(fēng)和雷擊等級(jí)對(duì)應(yīng)的故障率,其計(jì)算公式如式(11)所示。

(11)

式中:i為大風(fēng)等級(jí);Pw1i為第i等級(jí)下設(shè)備故障率;Nw1為因大風(fēng)原因造成設(shè)備故障的次數(shù)總和;Nw1i為第i等級(jí)大風(fēng)出現(xiàn)的次數(shù);j為雷擊等級(jí);Pw2j為第j等級(jí)雷擊下的設(shè)備故障率;Nw2為因雷電原因造成設(shè)備故障的次數(shù)總和;Nw2j為因第j等級(jí)雷擊出現(xiàn)的故障次數(shù)。

綜合兩種氣象因素,外力破壞的故障概率可按式(12)進(jìn)行計(jì)算。

Pw(wi,wj)=1-(1-Pw1i)(1-Pw2j)

(12)

式中:Pw為外力破壞的故障概率;Pw1i、Pw2j分別為i級(jí)大風(fēng)和j級(jí)雷擊等級(jí)對(duì)應(yīng)的故障率。

3.1.3 過(guò)負(fù)荷水平

過(guò)負(fù)荷水平引起的故障率主要考慮繼電保護(hù)動(dòng)作跳閘特性,設(shè)電流的總誤差為ε,過(guò)電流保護(hù)導(dǎo)致設(shè)備停運(yùn)的概率分布符合截尾正態(tài)分布。概率密度函數(shù)如式(13)所示,過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作模型如圖3所示。Pz為保護(hù)設(shè)備正確動(dòng)作概率;Pw為保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)的概率。

圖3 電流保護(hù)動(dòng)作模型

(13)

式中:σ為標(biāo)準(zhǔn)差,可通過(guò)繼保產(chǎn)品的測(cè)試得出;φ為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù);Is為測(cè)量動(dòng)作電流,其取值范圍為[Is0(1-ε),Is0(1+ε)];Is0為設(shè)定動(dòng)作電流。

對(duì)于測(cè)量過(guò)電流為Is情況下的設(shè)備停運(yùn)概率Pp(Is),可按式(14)進(jìn)行計(jì)算。

(14)

式中:Is為測(cè)量動(dòng)作電流,其取值范圍為[Is0(1-ε),Is0(1+ε)];Is0為設(shè)定動(dòng)作電流。

3.2 故障概率綜合分析

可認(rèn)為本文考慮的三個(gè)因素:設(shè)備老化、外力破壞和過(guò)負(fù)荷水平,為相互獨(dú)立的故障事件。考慮整體可靠性的邏輯概率關(guān)系,變壓器和電纜線路的實(shí)時(shí)故障概率可按式(15)所示獨(dú)立事件概率Pe進(jìn)行計(jì)算。

Pe=Pt+Pw+Pp-PtPw-PwPp-PpPt+PtPwPp

(15)

式中:Pt為設(shè)備老化因素的故障概率,包括變壓器和輸電線纜的故障概率;Pw為外力破壞因素的故障概率,綜合考慮大風(fēng)和雷擊兩個(gè)方面因素;Pp為過(guò)負(fù)荷水平因素的故障概率。綜合實(shí)時(shí)故障概率Pe對(duì)變壓器和輸電線纜進(jìn)行分別計(jì)算。

計(jì)算出直接和間接相關(guān)項(xiàng)的設(shè)備/線路實(shí)時(shí)故障概率后,按設(shè)備類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi),并按故障概率大小進(jìn)行排序;選取故障概率較大的前M項(xiàng)作為靜態(tài)安全分析依據(jù);計(jì)算電網(wǎng)可能出現(xiàn)的越限風(fēng)險(xiǎn),并對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估,M的數(shù)值根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取。

綜合以上分析及計(jì)算,本文提出的基于實(shí)時(shí)故障概率的電力系統(tǒng)告警信息分析方法流程如圖4所示。

圖4 告警信息分析方法流程

4 實(shí)例驗(yàn)證

基于本文告警信息的設(shè)備實(shí)時(shí)故障概率分析云平臺(tái)采用8核64G,采用OSS對(duì)象存儲(chǔ)作為數(shù)據(jù)庫(kù),云平臺(tái)收集告警信息并進(jìn)行文本解析,依據(jù)算法進(jìn)行計(jì)算,并支持統(tǒng)計(jì)和計(jì)算結(jié)果的展示和查詢。

對(duì)告警信息文本分析的示例如表1所示。針對(duì)告警信息關(guān)聯(lián)的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)故障概率計(jì)算,提供運(yùn)行人員進(jìn)行參考,作為進(jìn)行檢修、排查和負(fù)荷調(diào)動(dòng)輔助信息。通過(guò)云平臺(tái)和通用文本分析方式,每天可以處理數(shù)萬(wàn)條告警及其關(guān)聯(lián)信息。

表1 對(duì)告警信息文本分析的示例

以變壓器為例,采用本文方法對(duì)變壓器的設(shè)備老化模型進(jìn)行擬合的典型參數(shù)為:β=6.3;Ht=3.54×107。擬合出的故障率曲線如圖5所示。

圖5 變壓器故障率擬合曲線

為進(jìn)一步分析實(shí)時(shí)故障概率的計(jì)算可靠性,采用某地區(qū)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),對(duì)50個(gè)發(fā)生故障的變壓器和50條發(fā)生故障的電力電纜進(jìn)行了相關(guān)故障概率計(jì)算。其中針對(duì)每個(gè)變壓器和每段電力電纜設(shè)備老化相關(guān)樣本200個(gè),外力破壞相關(guān)樣本150個(gè),過(guò)負(fù)荷水平因素相關(guān)故障概率計(jì)算相關(guān)參數(shù)使用的產(chǎn)品測(cè)試報(bào)告數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果與事后統(tǒng)計(jì)的實(shí)際先驗(yàn)故障概率的誤差范圍在15%左右的數(shù)目作為故障概率計(jì)算準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)。將各類(lèi)型故障數(shù)據(jù)按時(shí)間順序截取75%、90%和100%最大樣本數(shù)量分別進(jìn)行故障概率計(jì)算,其各種組合的計(jì)算結(jié)果如表2所示。從結(jié)果可以看出,外力破壞因其季節(jié)性、隨機(jī)性較強(qiáng),導(dǎo)致樣本數(shù)量相比設(shè)備老化的樣本較少,因此外力破壞因素的統(tǒng)計(jì)概率對(duì)實(shí)時(shí)故障概率的計(jì)算影響較大,為獲得更高的準(zhǔn)確率,可以盡可能統(tǒng)計(jì)多電網(wǎng)區(qū)域同品牌產(chǎn)品對(duì)大風(fēng)和雷擊等異常天氣的適應(yīng)性情況。從整體準(zhǔn)確率的結(jié)果來(lái)看,本文方法具有較高的故障率計(jì)算準(zhǔn)確率,可以作為運(yùn)行人員運(yùn)行情況的評(píng)估依據(jù)。在實(shí)時(shí)故障概率計(jì)算準(zhǔn)確的前提下,對(duì)電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的可靠性也隨之增強(qiáng)。

表2 實(shí)時(shí)故障率計(jì)算準(zhǔn)確情況 單位:%

綜上,通過(guò)運(yùn)行實(shí)例,對(duì)本文提出的基于實(shí)時(shí)故障概率的告警信息云分析系統(tǒng)作用進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行故障概率計(jì)算,及時(shí)對(duì)電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析,適用于大規(guī)模工程化應(yīng)用,在實(shí)際的應(yīng)用實(shí)例中也可以較真實(shí)地反映設(shè)備的停運(yùn)概率。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前電網(wǎng)中對(duì)大量告警信息挖掘和利用的需求,本文提出基于云平臺(tái)和告警信息的設(shè)備實(shí)時(shí)故障概率分析策略。通過(guò)預(yù)設(shè)詞典的方式從文本中提取關(guān)鍵事件,架構(gòu)故障分析云平臺(tái)對(duì)信息進(jìn)行收集和處理;通過(guò)歷史數(shù)據(jù)擬合設(shè)備老化故障模型相關(guān)參數(shù),將極端天氣下的歷史故障率作為當(dāng)前工況的故障概率,按照正態(tài)分布考慮過(guò)電流保護(hù)的動(dòng)作可能性,將三者概率進(jìn)行綜合得到最終的故障概率;最后通過(guò)實(shí)例應(yīng)用顯示了本文提出的方法可以有效地為運(yùn)行人員提供有效的風(fēng)險(xiǎn)信息支撐。適應(yīng)大規(guī)模電網(wǎng)設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景,對(duì)加強(qiáng)電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)管理,穩(wěn)定電網(wǎng)運(yùn)行和快速處理電網(wǎng)應(yīng)急事件都有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。