基于调控云数据分析的二次故障智能诊断系统设计与应用

王 达，高 林，张爱平，李 萌，张 沛

（国网山东省电力公司德州供电公司，山东 德州 253000）

0 引言

继电保护设备是保证电力系统安全稳定运行的重要装备，是保障电网安全、设备稳定的重要技术手段［1-3］。继电保护二次回路是测量、控制、保护和自动装置等系统并接的回路，是变电站内连接一次设备和二次设备的重要纽带［4］。作为继电保护系统的重要组成部分，二次回路发生问题将直接影响继电保护设备正确运行，使其无法发挥有效作用。二次回路严重故障将使一次系统失去保护甚至停运，威胁电力系统安全稳定运行［5-6］。因此，当二次回路存在缺陷时，检修人员应迅速、准确对其进行消除，确保电力系统发生故障时，继电保护装置可正确动作。

继电保护装置及其二次回路的运行状态可通过遥信量进行监测，远动装置将站内遥信、遥测等数据上送至主站侧，监控人员通过上送的数据实时监测变电站内设备运行情况。当继电保护设备或二次回路出现缺陷时，相关遥信数据等缺陷信息上送至主站侧，监控人员接收到缺陷信息后，通知检修人员到现场消除缺陷。然而，二次系统回路接线复杂、节点繁多、环节多、涉及面广，给检修人员对缺陷类型判定和故障点定位过程带来困难［7-11］。多数情况下，检修人员到达现场后，要根据缺陷信息，细致分析保护回路原理，理清回路中各节点间的关系，才有可能判断出缺陷原因，进行针对性消除。在当前变电站数量众多、检修人员力量不足现状下，复杂的缺陷判定过程明显影响缺陷消除效率，间接增加继电保护设备带缺陷运行时间，难以达到快速、准确消除变电站二次缺陷的目的，且当前未见指导电力系统二次缺陷处理的相关研究。

在此背景下，为提高变电站二次故障消除缺陷效率和准确率，减少继电保护带缺陷运行时间，设计一种基于调控云数据分析的二次故障智能诊断系统。当监控报某变电站缺陷信号时，通过对调控云中上送的遥信数据进行整合分析，快速诊断出缺陷类型并确定可能的故障点位置，同时给检修人员提供缺陷处置建议，从而达到快速、准确消除变电站二次缺陷的目的。

1 二次故障智能诊断系统设计

1.1 系统网络部署

二次故障智能诊断系统通过对接入D5000 告警数据的辨识清洗、二次系统缺陷信息解析及聚类，结合调控云缺陷库分析出相关缺陷信息特征点集，构建缺陷信息分析及处理方法库，实现二次系统缺陷信息自动识别、故障点诊断、缺陷辅助处置等功能。

二次故障智能诊断系统在调控云平台申请两台虚拟机，其中应用虚拟机用于部署二次故障智能诊断系统及分析服务，数据存储虚拟机用于存储二次故障智能诊断系统分析结果数据及中间数据。为满足电力二次系统安全防护的要求，系统部署在安全III 区，通过调控云平台单点登录，实现IV 区用户在内网系统浏览器中对二次故障智能诊断系统的访问。具体部署方式如图1所示。

图1 二次故障智能诊断系统的网络部署Fig.1 Network deployment of secondary fault intelligent diagnosis system

1.2 系统应用功能

二次故障智能诊断系统主要有4种功能。

1）二次系统缺陷信息识别功能。

依据机器学习及电网事件分析技术，通过开关、隔离开关变位、设备告警等关键信息与设备遥测数据、遥控操作数据的互校验和双确认，自动过滤设备检修调试、人工遥控操作及无功调压操作等正常告警信息，对剩余真实反映设备异常的告警信息进行分析。

2）缺陷故障点位置辅助诊断功能。

基于调控云平台缺陷库，分析二次缺陷信息特征点，考虑不同组合遥信发出时对应的故障原因，形成二次系统缺陷信息规则库，对二次故障点位置进行辅助诊断。

3）缺陷辅助处置功能。

通过缺陷信息识别及故障点定位，结合缺陷处置方法的辨识，提出若干缺陷处置策略，对二次设备缺陷处置提供辅助决策，辅助安排人员、工器具、材料等。

4）缺陷处理反馈功能。

消除缺陷后，检修人员在系统中填写缺陷处置反馈用于系统存档，完善缺陷辅助处置建议。之后同一缺陷发出后，检修人员可参考之前缺陷处理过程，进行针对性排查。

1.3 系统技术架构

二次故障智能诊断系统技术架构分为内网数据层、数据存储层、基础服务层、服务接入层和人机交互层，具体如图2所示。

图2 二次故障智能诊断系统技术架构Fig.2 Technical architecture of secondary fault intelligent diagnosis system

内网数据层提供数据接入服务，分别接入电网模型、信息点表、告警信息、遥测数据、遥控操作数据等结构化数据以及缺陷库、状态断面等非结构化数据。

数据存储层提供数据存储服务，将电网模型、信息点表、告警信息、遥测数据、遥控操作数据和缺陷信息存储在关系型数据库中，将状态断面存储在分布式文件系统中，将分析结果数据存储在内存数据库中。

基础服务层提供数据治理服务，实现可疑数据辨识、数据标准化清洗、系统模型构建、缺陷库数据结构化等。

服务接入层提供数据分析和推送服务，实现二次系统缺陷特征点分析、二次故障点辨识、缺陷处置特征点分析。

人机交互层提供人机交互服务，实现缺陷信息识别、二次故障点定位、缺陷辅助处置、缺陷处理反馈等移动终端侧应用功能。

1.4 系统数据架构

二次故障智能诊断系统所需数据包括调控云平台中的电网模型、告警信息、遥测数据以及缺陷库数据和D5000 中的信息点表、状态断面以及遥控操作数据。具体数据需求如表1所示。

表1 数据需求Table 1 Data requirements

1.5 二次系统缺陷信息规则库制定

二次故障智能诊断系统对缺陷故障点的判定和处置建议依赖于预先给出的二次系统缺陷判定规则。须全面考虑不同组合遥信发生时对应的故障原因及相应的缺陷处置方法，形成二次系统缺陷信息规则库，作为系统判定依据。

继电保护二次回路的状态通过遥信量进行监测，不同的二次缺陷类型可由不同数量、不同组合的遥信量反映。例如，二次回路中较为常见且对继电保护系统影响较大的缺陷之一是控制回路断线，当发生控制回路断线时，从保护装置的保护出口到断路器跳合闸线圈的操作回路出现了异常。此时如果电力系统发生故障，继电保护装置无法将相应的断路器跳开，对电力系统危害较大［9-11］。引发控制回路断线信号的原因有很多，且伴随控制回路断线信号同时发出的其他遥信不同，反映的缺陷类型也不同。

表2 给出包括控制回路断线信号在内的7 种遥信，不同信号组合发生时的缺陷类型及缺陷处置建议。表2 中，C1 代表控制回路断线，C2 代表断路器位置与实际不对应，C3 代表压力低闭锁重合闸，C4代表保护装置气压低闭锁重合闸，C5 代表压力低闭锁合/分闸，C6 代表断路器气压低报警，C7 代表断路器气压低闭锁。“√”表示该条遥信已发，“×”表示信号未发。

表2 二次系统缺陷信息规则库（部分）Table 2 Secondary system defect information rule base（partial）

如表2 所示，伴随控制回路断线（C1）共发的遥信不同，缺陷产生原因以及所需的缺陷处置方法也就不同。以表2 形式为例，全面汇总不同组合的遥信发生时，所对应的缺陷故障原因以及相应的缺陷处置规则，形成二次系统缺陷信息规则库，作为二次故障智能诊断系统的判定依据。

2 二次故障智能诊断系统需求分析

2.1 数据存储需求

二次故障智能诊断系统的数据源主要包括调控云数据、D5000 系统数据，具体数据分为模型类数据和运行类数据。模型类数据主要为电网模型，数据来源为调控云平台；运行类数据主要来源为调控云平台的告警信息、遥测数据以及缺陷库数据和来源为D5000 系统的信息点表、状态断面以及遥控操作数据。按照数据存储3 年、每年大致10%的递增计算，运行类数据所需存储空间如表3所示。

表3 数据存储计算Table 3 Data storage calculation

2.2 硬件资源需求

二次故障智能诊断系统的运行须收集、整理多个系统中数据，数据量大、系统的运算处理复杂，需较高的配置确保系统的稳定运行，具体参数如表4所示。

表4 系统硬件配置Table 4 System hardware configuration

3 二次故障智能诊断系统应用展示

3.1 系统页面展示

系统首页集中展示变电站设备告警信息、断路器位置状态等故障分析结果，内容包括变电站名称、设备间隔双重名称、相关信号上送时间等信息，同时给出缺陷分析结论、检修建议以及备品备件准备建议。在主页面中可通过“变电站”进行一个或多个变电站选择，支持按照本周、本月、本年、任意时间段对历史分析结果进行搜索。系统主页面内容如图3所示。

图3 二次故障智能诊断系统主页面Fig.3 Main page of secondary fault intelligent diagnosis system

在主页面中通过“事件分析”可查看事件详情。具体分为检修调试事件、操作及伴生事件、自动电压控制（automatic voltage control，AVC）动作事件和跳闸事件。

检修调试事件判定规则为设备在冷备用状态，对应的快速接地开关在合闸位置，同步依据置检修牌状态，判定设备为检修状态。在检修状态期间，对设备发出的所有告警信息置检修态，将所有信号合并为检修调试事件。通过“事件分析”—“检修调试”，查看具体的检修调试详情，包括检修时段内所有的告警信息，如图4所示。

图4 检修调试事件详情Fig.4 Details of maintenance and debugging events

操作及伴生事件判定规则为开关、隔离开关等在分、合状态转换操作中，由于接点抖动等原因产生的短时间内动作后立即复归，此类信号判定为操作及伴生信号。通过“事件分析”—“操作及伴生”，查看具体的操作及伴生详情，如图5所示。

图5 操作及伴随事件详情Fig.5 Details of operation and accompanying events

AVC 动作即自动电压无功控制，主要依据电容器、电抗器等投入/退出状态，对AVC 动作进行判定。通过点击“事件分析”—“AVC 动作”，查看具体AVC动作详请，如图6所示。

图6 检修调试事件详情Fig.6 Details of AVC events

跳闸事件以变电站遥信为主要数据，自动过滤检修相关信号，对有效的遥信进行数据分析。以设备保护动作信号为辨识起点和中心，通过预设一定的时间间隔，搜索该事件间隔内保护动作信息前后相关的开关分闸信号，如果有，则可初步确定发生故障跳闸事件。基于分析出故障跳闸事件为起点，将跳闸设备间隔内相关联的保护重合闸出口、间隔事故总、全站事故总、开关合闸等关键信息纳入本次故障跳闸事件中，判断跳闸事件具体过程。通过点击“事件分析”—“跳闸”，可查看跳闸事件详情，如图7所示。

图7 跳闸事件详情Fig.7 Trip event details

3.2 系统实际应用测试

2022年2月23日17：18德州地区220 kV 禹城变电站220 kV 禹铁线213 间隔上送开关控制回路断线、开关压力低闭锁重合闸、保护装置气压低闭锁重合闸遥信信息如图8 所示。系统对上送缺陷信息分析后给出缺陷分析结论、检修建议及备品备件准备建议，检修人员按照建议备齐检修物资，到达现场后按照系统检修建议完成消除缺陷，并将缺陷处理过程反馈至系统，如图9 所示。整个缺陷信息确认、故障点查找及缺陷处理过程在到达现场后20 min 内完成，消除缺陷效率相较于以往同类缺陷处理显著提高。

图8 220 kV禹城站上送缺陷信息Fig.8 Defect information submitted to 220 kV Yucheng substation

图9 缺陷处理反馈填写Fig.9 Filling for defect handling feedback

据统计，二次故障智能诊断系统在德州地区部署测试的2022年1月—3月，德州地区市管变电站共发生二次缺陷33 次，平均单次缺陷处理效率提高60%以上，有效减少设备带缺陷运行时间，保障电力系统安全稳定运行。

4 结束语

二次故障智能诊断系统实现对二次系统缺陷信息搜集及处置的全过程闭环管理。当二次缺陷发生后，系统可快速列出故障点可能存在位置，同时给出缺陷处置建议，指导检修人员提前准备消除缺陷所需的备品备件，到达现场后展开高效消除缺陷工作。消除缺陷后，检修人员通过在系统中给出缺陷处置反馈，完善系统缺陷信息，给下一次同类缺陷处置提供参考性建议。在德州地区部署测试结果表明，二次故障智能诊断系统的应用有效提高二次缺陷处理效率，缩短设备带缺陷运行时间，保障电力系统安全稳定运行。下一步研究重点为继续完善二次系统缺陷信息规则库，实现缺陷类型全方位覆盖，细化缺陷处置建议，使系统在实际消除缺陷中更好地发挥指导作用。