變電站直流回路智能診斷技術(shù)研究

引言

變電站的直流系統(tǒng)是全站繼電保護(hù)設(shè)備、測控裝置、安穩(wěn)裝置等控制系統(tǒng)的中樞,由蓄電池組、充電機(jī)屏、饋電屏等組成,為站內(nèi)的保護(hù)、測控及其他自動(dòng)裝置、通信設(shè)備、斷路器的跳合閘回路、信號(hào)回路及事故照明回路提供直流電源。變電站直流電源系統(tǒng)的正常運(yùn)行與否直接關(guān)系到全站保護(hù)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行以及站內(nèi)測控信息的遠(yuǎn)傳。變電站直流母線失壓,會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)設(shè)備、安全自動(dòng)裝置、通信設(shè)備等無法正常工作,若此時(shí)本站繼電保護(hù)快速段動(dòng)作范圍內(nèi)電力系統(tǒng)發(fā)生故障,則會(huì)造成下一級(jí)變電站保護(hù)越級(jí)跳閘,停電范圍擴(kuò)大:同時(shí),因測控信息無法上送調(diào)度,運(yùn)行人員無法了解變電站的運(yùn)行狀態(tài)。

直流二次空開的跳閘會(huì)引起二次裝置失電、通信中斷,繼電保護(hù)、安穩(wěn)功能缺失,嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行。針對(duì)此問題,部分220kV智能變電站中增加了對(duì)直流二次回路中空開的觸點(diǎn)位置的采樣和記錄。但一個(gè)典型的220kV智能站內(nèi)直流空開數(shù)量很多,約有V00個(gè),每個(gè)空開又有253種可能的狀態(tài),空開的位置量大點(diǎn)多,邏輯復(fù)雜,未有明確的故障診斷結(jié)果推送,調(diào)度人員無法對(duì)空開變位含義進(jìn)行實(shí)時(shí)的解釋和判斷。

直流配電屏為變電站的直流子系統(tǒng)提供工作電源,正常運(yùn)行時(shí),蓄電池組處于浮充狀態(tài):當(dāng)交流失電或系統(tǒng)需要大電流供電時(shí),蓄電池組迅速切入,向事故負(fù)荷、自動(dòng)裝置、保護(hù)裝置及通信裝置等提供電力。作為變電站直流系統(tǒng)的備用能源,保證直流不全停的最后一道防線,蓄電池在電力系統(tǒng)中的地位十分重要,需在正常運(yùn)行中監(jiān)測其狀態(tài),提前預(yù)防其可能發(fā)生的故障。

針對(duì)變電站直流回路健康運(yùn)行的需求,本文構(gòu)建了一套完整的變電站直流回路智能診斷方案,包括直流電源的建模,利用智能診斷技術(shù),實(shí)現(xiàn)變電站直流回路智能診斷及告警。

1總體架構(gòu)

1.1直流電源回路狀態(tài)監(jiān)測的需求

變電站直流回路狀態(tài)監(jiān)測的對(duì)象包括直流電源設(shè)備和直流用電裝置。

直流電源設(shè)備由交流電源、充電機(jī)和蓄電池組組成,需監(jiān)測交流電源工況、交流進(jìn)線開關(guān)狀態(tài)、絕緣、單體電池電壓、充電機(jī)充電模塊狀態(tài)等。

直流用電裝置主要包括繼電保護(hù)、測控及其他自動(dòng)裝置的電源、控制回路電源、操作回路電源和事故照明負(fù)荷等。

1.2直流電源智能診斷系統(tǒng)架構(gòu)

變電站直流電源智能診斷系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示,系統(tǒng)包括集成在變電站端監(jiān)控系統(tǒng)中的直流電源信息采集、監(jiān)視與診斷模塊和調(diào)度端站用直流電源狀態(tài)評(píng)估模塊兩部分。調(diào)度端站用直流電源狀態(tài)評(píng)估模塊包括通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和工作站,通信服務(wù)器實(shí)現(xiàn)主站與站端的通信,數(shù)據(jù)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ),應(yīng)用服務(wù)器完成應(yīng)用功能。

調(diào)度端功能塊包括信息采集模塊、監(jiān)視功能模塊和狀態(tài)評(píng)估模塊3個(gè)部分,如圖2所示。

子站端完成站內(nèi)直流電源狀態(tài)采集、監(jiān)測、展示與故障診斷等功能,并實(shí)現(xiàn)與調(diào)度端的通信,如圖3所示。

1.3診斷結(jié)果

變電站端利用變電站直流回路模型,基于SVG圖形形成站用直流回路的人機(jī)交互界面,供監(jiān)視人員對(duì)直流回路進(jìn)行監(jiān)視。站端SVG文件遠(yuǎn)傳到調(diào)度端,調(diào)度端可遠(yuǎn)程呈現(xiàn)站端直流回路的狀態(tài)。

直流回路的診斷結(jié)果在人機(jī)交互界面上直觀展示,文字加圖形的形式可以方便運(yùn)行人員確認(rèn)故障點(diǎn)和故障可能的原因。同時(shí),站端診斷結(jié)果信息也遠(yuǎn)傳到調(diào)度端。

2直流回路建模

直流回路建模用于解決直流回路采集信息的標(biāo)準(zhǔn)化通信問題。直流回路建模需考慮直流回路狀態(tài)監(jiān)視、智能診斷以及狀態(tài)評(píng)估的需求。

2.1建模語言

變電站直流回路建模采用變電站配置描述語言(SubstatiQnCQnfiguratiQnLanguage,簡稱SCL）。SCL語言基于可擴(kuò)展標(biāo)記語言(XML）,可擴(kuò)展的含義就是用戶可以根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建自己的標(biāo)記符。SCL的應(yīng)用使得變電站設(shè)備自描述、設(shè)備在線配置及互操作可以方便地實(shí)現(xiàn)。

2.2建模對(duì)象范圍定義

直流電源系統(tǒng)建模的范圍要滿足變電站直流回路運(yùn)維的需求,包括設(shè)備名稱、裝置類型、設(shè)備描述、制造廠商、設(shè)備的制造參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)等。

對(duì)于用電設(shè)備的開關(guān)狀態(tài),可由測控裝置采集,也可由獨(dú)立的位置采集裝置采集。位置采集裝置在IED設(shè)備下建GGIQ邏輯節(jié)點(diǎn)(LN）,在LN下建一個(gè)或多個(gè)位置(pQs）數(shù)據(jù)對(duì)象(DQ）,DQ下則是空開的位置數(shù)據(jù)(DA）。

直流電源設(shè)備有分離式的,也有一體化的。當(dāng)采集信息來自于一個(gè)IED設(shè)備時(shí),建模模型可一致,在IED下建多個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn),包括交流進(jìn)線、充電機(jī)、蓄電池組等:在LN下根據(jù)設(shè)備的參數(shù)建立DQ和DA。若為分離式,采用多IED采集時(shí),則不同的LN建立在不同的IED之下。

變電站一體化電源是將直流電源、電力用交流不間斷電源和電力用逆變電源、通信用直流變換電源等裝置組合為一體,共享直流電源的蓄電池組的成套設(shè)備。以一體化直流電源為例,表1定義了該設(shè)備的基本屬性。

變電站分離式直流電源回路包括的設(shè)備比較多,如中低壓交流電源、通信電源、逆變電源、直流母線、直流電源、蓄電池組、蓄電池單體、充電裝置、整流模塊等。在每個(gè)設(shè)備之下,建立對(duì)應(yīng)的監(jiān)測信息元素。

3智能診斷技術(shù)

智能變電站的直流回路智能診斷技術(shù)是通過專家知識(shí)庫完成的。直流回路智能診斷過程包括以下幾個(gè)步驟:

(1）智能變電站直流回路運(yùn)行數(shù)據(jù)采集:

(2）對(duì)直流信息建模,采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)上送至變電站站控層網(wǎng)絡(luò):

(3)站控層的診斷子機(jī)配置有專家知識(shí)庫,通過診斷的單事件推理模型及多事件關(guān)聯(lián)分析模型診斷出直流回路的告警類型:

(4）告警信息在站端展示,同時(shí)將診斷結(jié)果及原始原因上送到調(diào)度端。

3.1診斷專家?guī)?

智能變電站直流回路診斷專家?guī)斓闹饕饔檬墙柚谥绷骰芈愤\(yùn)維專家工作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié),形成對(duì)直流回路事故的判斷、推理以及處理模型。

知識(shí)庫是專家系統(tǒng)的核心,用來儲(chǔ)存專家提供的大量的專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)。智能診斷結(jié)果的有效性反映了專家系統(tǒng)性能,提高專家系統(tǒng)性能的關(guān)鍵在于在已歸納的專家知識(shí)的基礎(chǔ)上不斷修正和完善知識(shí)庫,提高知識(shí)庫的質(zhì)量。知識(shí)庫支持用戶對(duì)知識(shí)條目的存貯、檢索和修正等功能。

直流回路智能診斷專家?guī)炷軌驅(qū)崿F(xiàn)對(duì)變電站直流設(shè)備、用電設(shè)備及回路告警、異常和故障的判斷和處理。在知識(shí)庫構(gòu)建過程中,對(duì)直流電源設(shè)備,要了解其回路構(gòu)成、設(shè)備運(yùn)行原理、測控信息點(diǎn)以及診斷的理論依據(jù):對(duì)用電設(shè)備,要構(gòu)建直流回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),明確設(shè)備間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。同時(shí),也要了解直流設(shè)備、裝置及回路的操作方法、異常時(shí)故障報(bào)告的含義,在此基礎(chǔ)上確認(rèn)故障后的處理措施。

直流回路診斷知識(shí)庫的結(jié)構(gòu)如表2所示。

3.2推理診斷

直流系統(tǒng)故障推理診斷能有效提高運(yùn)維人員對(duì)直流故障的處理水平,減輕設(shè)備的檢修工作量。直流故障推理診斷建立在診斷專家?guī)旎A(chǔ)之上,推理診斷專家系統(tǒng)是一種產(chǎn)生式的專家系統(tǒng),它針對(duì)當(dāng)前問題的條件或已知的信息,并將其與知識(shí)庫中的規(guī)則進(jìn)行反復(fù)比對(duì),以推理出問題的最佳求解結(jié)果。其基本形式為P一Q,其中P是產(chǎn)生式的前提條件,Q是一組結(jié)論,當(dāng)前提P被滿足時(shí),則可推出結(jié)論Q。

推理方式通常分為正向推理與反向推理兩種。正向推理是由一個(gè)或N個(gè)前提引出一個(gè)結(jié)論:反向推理是先要假設(shè)一個(gè)結(jié)論成立,自頂向下進(jìn)行推理,直到它的生成條件得到滿足。直流回路智能診斷采用正向推理。

推理診斷一般采用推理模型。推理模型有些比較簡單,單一故障是由單一原因所致,如某IED設(shè)備空開接點(diǎn)斷開,導(dǎo)致該IED設(shè)備裝置異常。但也有很多異常是由多事件導(dǎo)致的,這就需要人工制訂規(guī)則實(shí)現(xiàn)推理模型。多事件推理模型由多層次的與門、或門、非門等一系列邏輯回路組成,當(dāng)關(guān)聯(lián)的異常信號(hào)滿足推理模型的輸出時(shí),得出推理結(jié)果。

圖4為蓄電池本體故障推理,是關(guān)聯(lián)多事件推理的典型應(yīng)用。蓄電池組在線監(jiān)測,對(duì)蓄電池單體電池電壓、電流、內(nèi)阻及蓄電池組總電壓、環(huán)境溫度等各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控,當(dāng)蓄電池整組電池或部分電池失效時(shí),能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題,以免保護(hù)及自動(dòng)裝置因失電而拒動(dòng),影響電網(wǎng)安全。

4結(jié)語

變電站直流系統(tǒng)的可靠性直接影響繼電保護(hù)和其他控制設(shè)備運(yùn)行。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對(duì)變電站內(nèi)直流建模很少涉及,本文通過對(duì)變電站直流回路包括直流電源與用電設(shè)備建模,將監(jiān)測信息上送到變電站站控層,實(shí)現(xiàn)了直流回路的可觀測和直流回路信息的展示。同時(shí),信息遠(yuǎn)傳到調(diào)度端,為未來實(shí)現(xiàn)直流回路的狀態(tài)評(píng)價(jià)打下了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本文對(duì)直流回路智能告警也進(jìn)行了一定的研究,后續(xù)此方向還有很大的進(jìn)步空間。