WARMAP 系统故障集自动生成方法及其应用

陈 金，郑 亮，孙才峰，倪 杰，李 晨

（南瑞集团有限公司，南京 211000）

0 引言

随着我国特高压电网、交直流混联电网的不断推进，以及风电、光伏等间歇性能源的接入[1-3]，电网的运行方式日益复杂，安全稳定问题越来越突出。近几年国内外多次发生的停电事故表明，构建电网安全稳定的综合防御体系至关重要。WARMAP（广域监测分析保护）系统[4-6]可以提升监视大电网运行状态的能力，及时发现电网中存在的安全隐患，提供快速正确的安全稳定控制建议，保证电网的安全稳定协调运行，避免局部微小的电网事故不断蔓延导致大面积停电事故的发生。预想故障集作为WARMAP 系统的重要基础数据，以往主要依靠数据维护工具[7]进行人工维护，效率低下，工作繁琐，而全网N-1 故障集和首末端厂站相同的跨线N-2 故障集故障属性基本一致，完全可以通过设计有效的方法实现预想故障集的快速批量生成，提高工作效率。

在理论研究方面，文献[8]提出了分类的故障模板，并以此实现故障集的自动批量生成，但该故障仅适用PSASP（电力系统分析综合程序）。文献[9]根据CIM（公共信息模型）规定的语法和语义，设计了预想故障集特有的类，但该故障集仅适用于静态安全分析。文献[10]根据电网分区和故障影响域形成全网的多重预想故障集，该方法仅考虑静态开断下的故障影响，并未涉及暂态计算。文献[11]提出了一种基于厂站接线信息的预想故障集生成方法，可以根据厂站和电压等级生成预想故障集，但该方法不支持按指定区域生成，也不支持故障类型设置。

本文研究的基于WARMAP 系统的故障集自动生成方法，可以根据设备参数和物理节点评估设备模型的可靠性，以此为基础结合设定的故障规则快速批量生成WARMAP 系统中指定故障类型的N-1 和部分设备的N-2 故障集，为WARMAP系统静态、暂态评估等高级功能提供数据基础，使用优化的邻近排序算法对新增故障集进行重复检查，避免相同故障入库导致重复计算，影响系统实时性。

1 预想故障和故障规则

1.1 预想故障

预想故障是预先设定的电力系统元件故障及其组合。在实际电网运行中开展预想故障的分析研究，可以使调度运行人员充分认识各种故障对电网安全稳定运行的危害程度，准确掌握故障发生后电网中的薄弱环节，提前采取有效的控制措施避免电网故障进一步扩大。

WARMAP 系统中将预想故障定义为算例，一个算例由多个事件组成，为描述不同的故障类型，事件根据元件类型进行归类，交流线路、母线、变压器组成支路事件，发电机、直流分别归为一类事件。各类事件可单独组成故障，也可以互相组合成混合故障，例如N-1 故障只含一个事件，交直流混合的严重故障同时包含支路事件和直流事件。

预想故障结构如图1 所示。

图1 预想故障结构

1.2 故障规则

将预想故障中的相同属性进行归类合并形成故障规则。用户通过维护简单的故障规则，由程序根据规则，按区域和电压等级快速批量地生成预想故障集，大大减少预想故障集的维护工作量，提高工作效率。

预想故障规则归类合并的主要属性见表1。

表1 故障规则属性

故障规则按照计算目的划分为静态规则和暂态规则，两者主要差别如下：

（1）支持的故障类型不同。静态规则支持的故障类型仅开断，暂态规则支持的故障类型包括三相永久短路、三相永久开断等，详见表2。

（2）考虑故障动作时序不同。故障动作时序模拟实际继电保护、重合闸动作的时间，对暂态过程影响极大而静态无需考虑，默认故障0 s 发生，500 kV 及以上线路近端切除时间取0.09 s，远端切除时间取0.10 s；220 kV 线路两端切除时间取0.12 s；变压器故障切除时间按同电压等级线路近端切除时间[12]。详细的故障时序设置如表3 所示。

2 关键技术

2.1 故障集自动生成

故障自动生成根据设定的故障规则搜索满足分区、电压等级、设备类型等条件的故障设备，并结合故障规则中的故障属性，自动生成预想故障集。

表2 静态和暂态故障类型

表3 默认故障时序

具体步骤如下：

步骤1，评估全网设备模型的可靠性。根据支持的故障设备类型获取全网的分区、厂站、母线、交流线段、变压器及其绕组、发电机等模型，计算模型可靠性指标。

可靠性指标λi计算公式如下：

式中：ai，bi分别为设备模型i参数准确率和节点准确率；Pi，Pi，q和Pi，e分别为设备模型i关键参数总数、关键参数缺失个数和关键参数错误个数；Si，nd为设备模型物理节点；M为全网模型集合。

设定模型可靠性指标门槛k=0.8，可靠性指标低于k的设备模型，表示该部分设备模型参数不全，不适合生成预想故障，需过滤，最后获得有效的设备模型集合Mvld。

步骤2，检查用户设定的故障规则。故障规则可能存在规则参数设错或者规则重复，导致故障集重复生成或生成失败，因此有必要对故障规则进行合理性检查。

（1）规则重复检查

包括规则完全重复和部分重复。规则完全重复是指两个故障规则属性完全相同，需过滤重复的故障规则。部分重复是指规则的部分属性不同，其他属性完全相同，需根据重复参数进行特殊处理。

例如：规则1 设置了A，B 分区500 kV 交流线段三永，规则2 设置了B，C 分区500 kV 交流线段三永，针对该部分重复，可将规则2 中的B分区500 kV 交流线段三永过滤，不再重复生成故障集。

（2）规则时序检查

故障时序设置因严格参考实际保护动作时间设置。具体检查公式如下：

式中：Tst为故障开始时间；Ti，brk为故障 首端跳开时间；Tj，brk为故障末端跳开时间；Tend为故障消失时间。

若考虑重合闸，需进一步追加检查，公式如下：

式中：Ti，rcls为故障首端重合时间；Tj，rcls为故障末端重合时间；Ti，rbrk为故障首端再次跳开时间；Tj，rbrk为故障末端再次跳开时间。

步骤3，根据故障规则搜索满足条件的故障设备集，形成待新增的故障集。搜索公式如下：

式中：Di为设备模型i；Di，z，Di，v，Di，t分别为设备模型i的分区属性、电压属性和设备类型属性；Rzone，Rvolt，Reletype分别为规则的分区约束、电压约束和设备类型约束。

2.2 故障重复检查

按照故障规则生成的故障集还需和数据库中已有故障集进行比较，进行重复性检查。

主要从以下几方面判定：两者事件个数是否相同；两者事件元件是否相同；两者事件的故障类型、故障相是否相同；两者事件的故障时序是否相同，包括首末端跳开时间、首末端重合闸时间、首末端再次跳开时间、故障消失时间。

为了比较故障重复，最可靠的办法是将待新增故障和数据库中已有故障进行比较，重复的过滤，但该方法时间复杂度大，重复判断效率低。因此本文设计了优化的邻近排序算法进行重复判断，提高重复判断效率，步骤如下：

（1）合并故障集。将本轮待新增的故障子集和数据库已有故障子集合并成一个故障全集，并标识出每个故障所属的子集。

（2）设定排序关键属性。属性排序优先级从高到低分别为：事件个数>事件元件>故障类型>故障相>故障时序。

（3）排序。根据排序关键属性对整个故障全集进行排序，尽可能使潜在的重复故障调整到一个相邻的区域内。

（4）比较合并。故障集经过排序后其重复的故障都已安排到相邻区域，设窗口初始大小为W，比较窗口第1 个故障C1和窗口最后一个故障Cw，比较公式如下：

式中：Fmatch为故障重复标志，取值为0 或1；N为待比较的故障属性个数；C1，i为故障1 的属性i；Cmp（C1，j，Cw，i）为故障1 和故障w的属性比较函数。

若Fmatch=1，说明窗口内故障基本重复，窗口扩大至2W；若Fmatch=0，说明同一窗口存在不重复故障，应缩小窗口至Int（W/2），减少比较次数。

一轮比较完成后启动滑动窗口，滑动速度Vi为：

式中：Ci，match为重复故障个数。同时将本轮比较故障集中重复的待新增故障过滤。

全部比较完成后，得到最终待新增的故障集，在用户同意后导入数据库。

2.3 故障规则共享

故障规则按照系统类型划分为在线故障规则和离线故障规则。在线故障规则由现场运维人员根据系统运行要求进行维护，其他人员无操作权限。离线故障规则默认从在线故障规则中获取，也可以由离线登陆用户进行自定义，并决定是否共享给其他用户。规则共享逻辑如图2 所示。

图2 规则共享逻辑

（1）数据库中设置在线规则库和离线规则库，其中离线规则库又分共享规则库和自定义规则库，共享库自动同步在线库中的故障规则，存储在商用库中，自定义库存储在实时库中，系统重启或登陆时自定义库自动下装共享库中的规则。

（2）用户登陆离线系统后编辑故障规则，该规则默认存储在自定义规则库中，未共享前该规则仅向本用户开放，其他用户不可见。

（3）右击规则选择“共享”菜单，该故障规则存入到共享规则库，其他用户获得可见、可下装权限。

（4）离线库的规则不能同步到在线库。

3 应用设计和实现

基于WARMAP 系统的故障集自动生成功能的实现如下：

（1）功能模块。故障集自动生成功能基于基础平台的数据库接口，实现故障集的批量自动生成，其主要模块如表4 所示。

表4 功能模块

（2）分层结构。自动生成故障功能采用4 层分层结构（见图3），包括交互层、数据层、传输层和功能层。

图3 分层结构

交互层主要实现人机界面交互，包括故障规则的制订、预想故障集展示、告警信息展示。

数据层实现数据的存储，故障规则保存在商用库中，电网设备模型、预想故障集、告警信息存储在实时库中，配置参数存储在文件中。

传输层实现软件数据的传输，主要通过系统内存和文件进行传输。

功能层主要指软件的功能模块，包括数据获取、规则检查、故障生成、重复检查、故障保存。

4 应用案例

以某省级电网为例，验证故障集自动生成功能的正确性。

定义各设备类型的关键参数如表5 所示。

表5 设备关键参数列表

设定模型可靠性指标门槛k=0.8，按照表5中的关键参数对2018 年某省级智能电网调度技术支持系统（D5000）中设备进行可靠性评估，其未达标实例如表6 所示，最终得到有效设备模型统计如表7 所示。

表6 设备可靠性未达标数据实例

表7 设备模型统计列表

在线实时态故障自动生成功能中新增故障规则如图4 所示。

图4 设定故障规则

根据设定的故障规则，首次生成故障并全部导入数据库，再次生成故障时比较传统方法和优化方法重复检查效率（见表8）。

表8 传统方法和优化方法比较

从表8 可得出，优化方法的效率高于传统方法。随着数据库中保存的故障增多，传统方法重复检查的耗时明显增加，而优化方法不仅比传统方法耗时短且受数据库中保存的故障数影响小，正确率并无下降。

5 结论和展望

本文提出的基于WARMAP 系统的故障集自动生成方法，可方便快捷地设置故障规则，并根据规则设定的分区、电压等级、故障类型，自动批量生成预想故障集，减少了故障集的手工维护量，大大提高了工作效率，轻松实现WARMAP系统的故障集全覆盖，提高了WARMAP 系统计算结果的全面性和准确性。

可进一步开展的工作如下：

（1）为满足实际运行需求，基础平台中建立了部分虚拟设备和外网设备，依靠设备模型的可靠性指标无法过滤，该部分设备的预想故障集没有实际计算意义，应根据合理有效的方法进行排除，减少预想故障集规模。

（2）故障集自动生成功能通过手工触发生成故障集，对于新增设备的故障集维护，单纯依靠手工触发缺乏及时性，应考虑增加定时触发机制，根据设定的规则重新扫描设备，生成新增设备的故障集。