融合电气量与时序信息的智能配电网检测模型研究

吴剑坪

（泉州亿兴电力工程建设有限公司泉州经济技术开发区分公司）

0 引言

在智能配电网中，以继电保护器、断路器为代表的保护装置，能够在配电网发生故障后第一时间识别故障，并作出动作响应，将故障所在线路从配电网中切除。这样既不影响配电网其他部分的正常运行，同时还能方便检修人员对故障设备进行断电维修，保障了作业安全。相比于传统的故障诊断方法，融合电气量与时序信息的诊断方法，不仅大幅度提升了诊断效率，而且还能通过目标函数求最优解的方法，保证了诊断结果的准确性。

1 融合电气量与时序信息的智能配电网检测方法

在智能配电网的故障检测中，构建故障假说模型并利用保护设备的动作逻辑关系，将配电网的期望信息与实际动作信息作对比。如果两种信息完全一致，则建立并求解目标函数，该函数的最优解就是最终的故障诊断结果。检测流程如图所示。

2 故障假说模型的建立

故障假说本质上是配电网发生故障时各类保护设备（如继电器、断路器）期望信息的集合，能够客观反映配电网故障区域的位置和故障元件的类型。在故障假说基础上构建的数学模型，基于信息处理结果能够识别出导致故障的原因［1］。本文在建立故障假说模型时，充分考虑了时序信息和电气量信息，将故障区域内的设备状态S、各类保护装置的实际状态R和告警信息C等进行整合，得到故障假说模型H：

图智能配电网故障检测流程图

3 目标函数的建立

3.1 目标函数

为了进一步验证故障假说的可信度，需要建立目标函数并对该函数求解，目标函数值与可信度呈反比。根据以往配电网故障检修与处理经验，本文利用保护设备拒动p1、误动p2，保护设备动作信息的丢失p3、畸变p4，时序信息的距离p5，以及电气量信息相符程度p66项指标建立了目标函数，表示如下：

3.2 差异性指标

结合上文中R（H）表示式可知，该目标函数由3部分构成，即差异性指标、时序冲突指标、电气量信息，其中，差异性指标用于描述保护设备（如继电器、断路器等）的期望动作与实际动作之间的差异；时序冲突指标用于描述故障假说的时序信息与实际时序信息之间的差异；电气量信息则是在告警信息中出现无法直接判断的故障时，发挥辅助判断作用。其中，差异性指标又可细分为4类，即保护设备拒动、误动，以及保护设备动作信息的丢失、畸变［2］。需要注意的是，目标函数中各项指标的权重系数并非固定不变的，而是需要根据时序信息的冲突结果灵活进行调整，从而使目标函数有最优解，保证故障检测结果的准确性。

4 目标函数的求解

4.1 告警信息预处理

预处理的作用是将接收到的告警信息与时间戳信息进行组合，将其作为故障假说模型的输入量，对准确识别故障有重要帮助。对告警信息的预处理，主要包括消除噪声与干扰，以及进行格式转换等操作。在预处理结束后，把保护设备的动作逻辑作为目标函数的一种差异性指标，并利用逻辑关系求解出期望信息，为下一步的期望信息和实际信息对比提供支持。在智能配电网中，由于保护设备的类型多样，其动作逻辑也存在明显差异，相应的根据动作逻辑求解的期望信息也并不相同。例如，主保护A的期望状态可表示为：

该期望状态可描述为：配电网中任意一个元件Sk发生故障，如果该元件在主保护A的保护范畴内，则A动作。而断路器失灵保护B的期望状态可表示为：

该期望状态可描述为：当配电网中某处发生故障，负责该区域的某个保护设备r动作，并给出一个跳闸信号。断路器（mc）接到该信号后应当立即作出相应的动作。但是断路器拒动，这种情况下B动作，强制断路器作出跳闸的动作。按照上述方法求解每一种动作逻辑的期望信息后，再与实际告警信息进行对比［3］。

4.2 时序距离的判定

当配电网发生故障后，故障告警信息中的“时间戳”能反映出每个保护设备动作的先后顺序。由于告警信息是随机产生的，经常会出现时间戳与故障信息不匹配的情况，这种情况称为“时序冲突”，会给故障的识别和判断造成干扰。确定时序距离的目的之一，就是通过时序距离的值确定时序冲突指标的决策变量，以及该变量在目标函数中的作用，其判断方法如下：

配电网某个区域内2个保护设备同时发生动作，并且上级调度中心已经获取告警信息，经分析认为告警信息的时序距离不在期望的时序范围内。假设其中一个保护设备的时序距离为D1，另一个保护设备的时序距离为D2，则数学表达式为：

时序距离作为判断配电网中故障设备时序冲突的一项重要指标，保证时序距离的精确性对故障诊断有重要作用。本文在建立时序冲突指标时，除了检查时间戳是否正确外，还会查看SOE（事件顺序）记录。将两者结合将进一步降低了配电网故障检测中漏诊或误诊的几率。

4.3 电气量惩罚因子的确定

本文将电气量信息相符程度作为惩罚因子。考虑到电气量与开关量属于不同状态的故障信息，将两种变量同时作为故障假说模型的输入量，会出现不兼容的情况，为避免这种情况需要对电气量进行状态转化。

（1）假设配电网中的某一设备发生故障，用N表示母线上连接变压器的数量，Ii表示流向第i个出口的电流，则电气量I可表示为：

若母线处于正常状态，则存在Ii＜Iset；若母线存在异常工况，则存在Ii≥Iset。这里的Iset表示自定义的电流阈值，通常与母线纵联保护启动元件的电流阈值相等。电气量补充条件的函数EQk在母线正常运行时，其值为0；在母线存在故障时，其值为1。

（2）假设配电网中某条线路发生故障，若母线正常或者是线路外部故障，则存在Ii＜Iset；若为线路内部故障，则存在Ii≥Iset。这里的Iset表示线路纵联保护启动元件的电流阈值，EQk的取值情况同上［4］。

（3）当配电网出现故障时，故障临近位置的断路器动作，具体的动作情况由断路器连接电气设备的电气量决定。若电气量I值降低为0，说明断路器发生跳闸。

（4）当配电网中某电器元件出现故障时，与该元件并联的继电保护装置动作，具体的动作情况由该部分电气量决定。在不考虑扰动的前提下，电气量补充条件的函数EQk取值为：

上式中，I1和I2分别表示继电保护装置的整定值与测量值。EQk（惩罚因子）的取值范围为［0，1］，两者之间的差值越大，则EQk越大。

4.4 权重系数的调整

在配电网的故障检测中，权重系数可进行灵活调整，保证权重系数设置合理，对提高最终诊断结果的准确性有积极帮助。本文将时序信息的冲突情况与电气量信息的补充情况作为调整权重系数的2个基本依据。这里列举几种调节情况：

（1）假设保护设备动作时序信息的距离处于默认的阈值范围中，即存在：

表明该保护设备发生动作错误、时间戳错误、告警信息错误的可能性较小。这种情况下应当将上述三种错误的对应权重系数p1、p5、p6分别减小λ，从而将故障假说的差异性控制在允许范围内。

（2）假设rj为ri的后备保护，若配电网某处发生故障并且rj动作，该动作会降低有ri拒动导致的对目标函数的不利影响。这种情况下，需要将保护装置拒动对应的权重系数p1增加λ。

在求解目标函数时，选择遗传寻优算法求出一个最接近实际情况的最优故障假说，即最优解Hbest［5］。分别寻找与最优解Hbest对应的断路器的实际信息与期望信息，若两者完全一致，则排除故障；若两者存在差异，则诊断为断路器故障。

5 结束语

以往配电网故障诊断主要采取提取断路器、继电保护器位置信息，以及线路中电流、电压畸变信息锁定故障位置、确定故障类型，从实际情况来看经常出现误诊、漏诊等问题。本文提出了一种融合电气量与时序信息的故障假说模型，在此基础上合理设定保护装置动作的权重系数，求出目标函数最优解，将故障检测从定性分析向定量计算转变，保证了检测结果的精确性，为配电网的故障排查与维修提供了依据，对保障智能配电网的运行安全有积极帮助。