基于大数据挖掘的电气二次保护数据分析与应用

摘要：智能电网推进了电力系统信息化和数字化建设，电力系统电气二次回路设备及其保护装置在运维过程中会产生大量数据信息，通过数据挖掘可以实现系统的智能化监控，为电网的稳定运行提供重要保障。继电保护是电力系统正常运行的重要保障，将大数据挖掘技术与电气二次保护数据相结合可以更好地实现电力系统的智能化发展。文章提出一种基于大数据的电气二次回路故障诊断策略，采用云计算对电气二次保护数据进行处理和分析。该方法具有较强的数据分析能力，实现了二次回路的运行监控和故障诊断，有效提升了电力系统供电安全性和可靠性，具有较好的应用前景和实用价值。

关键词：大数据；继电保护；二次回路；数据挖掘

中图分类号：TP311 文献标志码：A

0 引言

随着经济的发展，电网规模不断扩大，用户对用电安全性和可靠性要求不断提高。电气二次保护是电力系统安全运行的重要保障，继电保护作为电力系统的重要保护装置，可对系统故障进行及时排查并解决，以保证二次回路设备及线路的安全稳定运行，同时继电保护装置可向操作人员发送预警信号，对故障位置进行隔离，切除故障部分。近年来，智能电网发展迅速，电网实际运行中不可避免地发生接地和短路等故障，因此须要根据二次回路设备以及保护装置的运行状态对系统进行监控，通过对相关数据信息的采集和处理，实现故障诊断及预测，从而提高智能化运行水平［1-2］。

1 电气二次保护

1.1 电气二次保护特点

电力系统具有多变性和复杂性特点，运行过程中难免出现故障，结合我国目前电力系统应用情况，继电保护对电力系统电气二次回路具有重要影响，是电网安全稳定运行的重要保障。继电保护系统的主要任务是对故障进行快速准确的判断并及时处理，二次回路继电保护系统结构比较复杂，一般由继电保护装置、测量装置和电源装置构成，电气二次回路将一次侧电压降低，通过继电保护可以对二次回路电压进行进一步降低，从而实现高电压以低电压的形式输出，有利于电气二次回路设备的维护［3］。

1.2 保护原理

电气二次设备或者线路异常时，通过继电保护装置对其进行判断和处理，故障发生时通过自动化控制将故障设备或线路从系统中切除，从而保证剩余设备及线路的正常运行。继电保护系统通过采集装置对电压和电流等信号进行采集，通过设定的逻辑对保护动作进行判断。继电保护装置结构如图1所示。

测量部分对系统电气信号进行采集，根据信号的变化规律及故障特征设定保护值，通过逻辑部分对系统是否正常运行进行判定，如果系统运行异常甚至出现故障时，执行机构接收继电保护装置发出的动作信号，将故障设备或线路切除，为二次回路内剩余设备正常运行提供保证［4］。

2 大数据技术及其应用

2.1 大数据技术

得益于信息技术和通信技术的发展，通信速率越来越快，相关数据量也不断增加。大数据具有容量大、种类多等特点，通过数据挖掘可以实现数据价值的最大限度发挥。电力系统的大数据是伴随智能电网和信息化通信技术的发展而形成的，其数据复杂性和灵活性较高，复杂性主要体现在异构数据的接入需 要新的方法支撑，而灵活性是指通过对其模型进行分析即可满足实际需求。对于电气二次保护，采用大数据技术可以对保护数据进行整合并分类，通过数据分析结果实现保护性能的提升，电力系统大数据具有重要作用，对电力行业的发展具有一定的推动作用。

大数据技术主要针对数据形态进行分析，根据数据的特点及其分布状态对相关业务的发展方向进行判断，从而为决策提供参考。一般采用方差、中位数和标准差等方法对数据形态进行描述，利用二项分布和泊松分布对数据概率分布进行计算。当数据量较少时可以采用模型和结构法对数据的相关信息进行分析，数据量较大时通常采用数据挖掘的方法对数据中的相关信息进行提取［5］。

2.2 云计算技术

数据通过云计算技术可以实现与服务器工作模式保持一致，在保证网络硬件设备运行平稳的条件下，可以对服务器资源和数据进行整合。结合智能电网特点和各层结构功能，采用云计算技术进行电气二次保护，可以实现海量数据信息的交互，通过网络的作用达到集中计算力的目标，云计算环境下可以实现多种业务的同时进行。当某个数据资源节点发生异常时，相关业务将继续进行，能保证其他数据维持当前状态，云计算的独立性优势可以为网络的冗余性提供保障［6］。

2.3 电气二次保护应用

大数据技术可以对电气二次保护的相关运行数据进行采集和处理，通过历史数据和实时数据的对比分析，对故障及异常状态特征进行提取，根据特征进行继电保护算法优化，从而提升保护动作的正确性和灵敏性，采用大数据技术还可以对故障进行实时监测并快速切除，提升电力系统运行的稳定性和可靠性。

3 电气二次保护故障诊断

电气二次保护能够对故障进行准确判断并及时切除，为电力系统正常运行提供重要保障，通过大数据技术对保护数据进行挖掘，实现电气二次回路设备及线路的全面故障诊断。

3.1 诊断策略

通过电气二次保护数据分析实现故障诊断可以更好地服务电力企业的运维管理，包括二次回路设备运行数据、继电保护数据以及系统运维数据，对上述数据进行挖掘和分析，对有价值的数据进行提取，保证数据信息价值的充分发挥。按分层原则对诊断策略进行设计，由数据采集层、数据存储层和数据分析层构成。

（1）采集层。采用传感器对电气二次回路相关设备电压、电流等电气信号进行采集，并通过模数转换将其变成数字量。

（2）存储层。通过网络接收采集层的数据，以数据库的方式对其进行分类和整合，通过文件系统对数据进行存储。

（3）分析层。根据数据特征从专家库调取与之对应的分析策略，对二次回路设备的运行状态数据进行分析，从而实现故障诊断和预警。

3.2 数据预处理

为了保证数据的完整性，采用相邻补全算法对缺失的数据进行修复，根据时间序列数组前后数据连续的特点，提取数组中缺失段相邻的k个样本，对其求平均值，缺失数据采用平均值替换。

缺失数据在数组中的距离采用式（1）进行计算：

式中，Xj=｛xj1，xj2，xj3，....，xjm｝为第j个数据样本点前m维数据；Xi=｛xi1，xi2，xi3，....，xim｝为第i个数据样本点前m维数据；xjn和xin分别为第j个和第i个数据样本点的第n维属性。

为了保证上述数组取值范围在［0，1］内，对其进行归一化处理，如式（2）所示：

式中，yi表示归一化后的输出结果；xi表示输入值；min（x）和max（x）分别表示数组最小值和最大值。

3.3 诊断流程

基于知识库的故障诊断，根据系统结构、故障特征和设备参数等信息建立知识库，通过知识库可以对故障类型进行判断并给出具体处理方法，同时还可以对故障原因进行归纳，诊断流程如图2所示。

首先对系统数据进行检测，为了保证数据的质量和完整性，对其进行预处理并提取故障特征，然后对有效的特征数据进行筛选，通过诊断模型对故障进行定位并对其类型进行判定，将故障监测结果导入知识库，对历史数据进行挖掘，结合知识库的专家知识和经验对故障原因进行判定，从而确定故障原因并给出诊断建议。

4 算例分析

依托某变电站电气二次保护数据对回路电容式电压互感器进行故障诊断，通过大数据挖掘技术提取互感器电压异常时的数据，获取互感器参数及型号，根据运行时间对互感器的静态数据、实时数据和历史数据进行提取，对当前数据和历史数据进行对比，通过知识库对故障原因进行分析，从而完成互感器电压预警，如图3所示。

根据电气二次回路互感器故障的诊断结果，分析验证了基于大数据挖掘的故障诊断方法的正确性。

5 结语

本文基于大数据技术对继电保护数据进行了挖掘和分析，介绍了电气二次保护的特点及保护原理，对大数据技术在电气二次保护中的应用进行了说明，详细介绍了基于知识库与保护数据相结合的电气二次故障诊断策略，该方法可有效提升电力系统的智能化水平，为电气设备故障智能诊断提供了技术支撑，对电力系统的发展和运行具有重要意义。

参考文献

［1］秦海波.电力系统中的电气二次及继电保护探讨［J］.科技资讯，2023（10）：25-28.

［2］李海龙.电力系统继电保护二次回路检修问题及对策［J］.电力设备管理，2024（4）：17-19.

［3］王奇，邓阳.电力系统继电保护二次回路技术应用研究［J］.电力设备管理，2024（3）：38-40.

［4］张瑞程，张仁尊，王书源，等.基于大数据的电力系统继电保护自动化技术的研究［J］.自动化应用，2024（2）：36-38，9.

［5］徐琳玮，顾文侃，陈志樑.电力系统继电保护二次回路的检修策略探讨［J］.通信电源技术，2023（17）：243-245.

［6］陆郁强.基于大数据分析的电力变电站故障诊断与维护策略研究［J］.电气技术与经济，2023（8）：218-220.

Analysis and application of electrical secondary protection data based on big data mining

Abstract： The intelligent grid promotes the information and digital construction of the power system， and the secondary circuit equipment and its protection device of the power system will produce a large amount of data and information during the operation and maintenance. Through data mining， the intelligent monitoring of the system can be realized， which provides an important guarantee for the stable operation of the power grid. Relay protection is an important guarantee for the normal operation of power system. The combination of big data mining technology and secondary protection data can better realize the intelligent development of power system. In this paper， a monitoring strategy of electrical secondary circuit based on big data is proposed， and cloud computing is used to process and analyze the data of electrical secondary protection. This method has strong data analysis ability， realizes the operation monitoring and fault diagnosis of the secondary circuit， improves the security and reliability of power supply effectively， and has good application prospect and practical value.

Key words： big data; relay protection; secondary circuit; data mining