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      基于深度學(xué)習(xí)的站用交直流電源系統(tǒng)故障診斷方法

      2022-10-28 13:43:00鄧剛宋海波
      電子設(shè)計(jì)工程 2022年20期
      關(guān)鍵詞:直流電源饋線斷路器

      鄧剛,葉 偉,程 磊,宋海波

      (安徽南瑞繼遠(yuǎn)電網(wǎng)技術(shù)有限公司,安徽合肥 230031)

      交直流電源系統(tǒng)主要向變電所設(shè)備供電,是電力系統(tǒng)中安全傳輸?shù)年P(guān)鍵[1]。該系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障,就會(huì)引發(fā)電網(wǎng)事故。交流、直流電源系統(tǒng)中普遍存在的問(wèn)題有蓄電池插座無(wú)保險(xiǎn)絲或保險(xiǎn)絲未報(bào)警,電池出口保險(xiǎn)絲報(bào)警信號(hào)未上載到控制部門等,因此,有必要對(duì)電源系統(tǒng)的故障狀態(tài)進(jìn)行診斷。

      文獻(xiàn)[2]方法提出了基于遺傳算法的多核函數(shù)最小二乘支持向量機(jī)的控制圖模式識(shí)別方法,有效地解決了小樣本模式分類問(wèn)題。但是,當(dāng)該方法用于HVDC 電源診斷時(shí),會(huì)出現(xiàn)混合故障現(xiàn)象;文獻(xiàn)[3]提出了一種改進(jìn)的FFT-BP 算法,解決了小信號(hào)的偏移問(wèn)題,利用預(yù)處理得到的諧波參數(shù)信息,其運(yùn)算速度更快,但受到干擾信號(hào)的影響,診斷結(jié)果不準(zhǔn)確。

      為解決以往方法存在的問(wèn)題,結(jié)合深度學(xué)習(xí)方法,診斷站用交直流電源系統(tǒng)故障。

      1 基于深度學(xué)習(xí)故障診斷原理

      基于深度學(xué)習(xí)的系統(tǒng)故障診斷結(jié)構(gòu)如圖1所示。

      圖1 基于深度學(xué)習(xí)的系統(tǒng)故障診斷結(jié)構(gòu)

      由圖1 可知,在完成無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)之后,將每層訓(xùn)練后的數(shù)據(jù)進(jìn)行組合排列,形成深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)[4]。將深度學(xué)習(xí)方法應(yīng)用于電站交直流供電系統(tǒng)的故障診斷中,不需要設(shè)置診斷樣本數(shù),而是在診斷過(guò)程中不斷增加數(shù)據(jù)量,直到設(shè)置的虛警率控制系數(shù)和目標(biāo)閾值皆達(dá)到最大值,停止校準(zhǔn)[5]。

      經(jīng)過(guò)有監(jiān)督微調(diào)過(guò)程后,輸出不同故障診斷結(jié)果,設(shè)故障變量為隨機(jī)變量X,其標(biāo)準(zhǔn)取值范圍如下所示:

      式(1)中,k表示故障種類,其是隨機(jī)變量中的一種概率分布。

      2 站用交直流電源系統(tǒng)故障診斷方案設(shè)計(jì)

      2.1 直流回路接地故障

      在t時(shí)刻,構(gòu)建如下假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)P停?/p>

      H0:Xt服從P0(Xt),系統(tǒng)正常;

      H1:Xt服從Pk(Xt),系統(tǒng)出現(xiàn)了故障。

      當(dāng)站用交直流電源系統(tǒng)正接地或者負(fù)接地時(shí),只存在一個(gè)接地點(diǎn),不能形成回路,也不會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)跳閘問(wèn)題,不會(huì)影響設(shè)備的正常使用[6-9]。然而,當(dāng)接地點(diǎn)一側(cè)的母線電壓逐漸降低后,另一側(cè)的非接地點(diǎn)母線電壓持續(xù)上升,絕緣裝置會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。此時(shí),設(shè)備雖然可以正常工作,但必須盡快清理接縫,否則兩點(diǎn)接地后的開(kāi)關(guān)就被拒動(dòng)或誤動(dòng),將導(dǎo)致嚴(yán)重的電網(wǎng)事故[10]。

      跳閘回路直流系統(tǒng)接地情況如圖2 所示。

      圖2 跳閘回路直流系統(tǒng)接地情況

      由圖2 可知,正接地是指在電源正極側(cè)發(fā)生的接地,負(fù)接地是指在電源負(fù)極側(cè)發(fā)生的接地。圖2中,共有A、B、C、D、E、F 六個(gè)接地點(diǎn),每個(gè)接地點(diǎn)的位置各不相同。當(dāng)斷路器處于合位時(shí),A 為正接地點(diǎn),F(xiàn) 為負(fù)接地點(diǎn),B、C、D、E 為回路中的接地點(diǎn)[11]。依據(jù)圖2 所示的結(jié)構(gòu),對(duì)故障原因進(jìn)行詳細(xì)分析,并確定斷路器無(wú)法穩(wěn)定工作時(shí)的觸點(diǎn)閉合狀態(tài)[12]。

      2.1.1 正接地分析

      假設(shè)A 點(diǎn)發(fā)生正接地,討論B、C、D、E 四個(gè)位置發(fā)生接地時(shí)的情況。

      1)當(dāng)A、B兩點(diǎn)直接接地時(shí),保護(hù)裝置中的GOOSE接地點(diǎn)處于短接狀態(tài),此時(shí),繼電器處于閉合狀態(tài),當(dāng)閉合器獲取電流后才能開(kāi)始工作。這時(shí),觸點(diǎn)處于閉合狀態(tài),因而,線圈接通,斷路器誤以為是電源供電,誤以為產(chǎn)生電源故障[13]。

      2)當(dāng)A、C 兩點(diǎn)直接接地時(shí),繼電器出現(xiàn)了短接情況,此時(shí),線圈接通后,產(chǎn)生電流,斷路器出現(xiàn)誤跳現(xiàn)象。

      3)A、D 兩點(diǎn)接地時(shí),電流線圈短路,造成斷路器誤跳閘。

      4)當(dāng)A、E 兩點(diǎn)接地時(shí),兩操作手柄之間的距離縮短,此時(shí),保護(hù)不動(dòng)作,斷路器自動(dòng)跳閘,則為誤跳閘[14]。

      2.1.2 負(fù)接地分析

      假設(shè)F 點(diǎn)發(fā)生正接地,討論B、C、D、E 四個(gè)位置發(fā)生接地時(shí)的情況。

      1)當(dāng)繼電器短路后,F(xiàn)、B 兩點(diǎn)直接接地,此時(shí),保護(hù)裝置向系統(tǒng)發(fā)送跳閘預(yù)警信號(hào)。GOOSE 接地點(diǎn)處于閉合狀態(tài),然而由于出口處的繼電器短路,使得出口處的繼電器無(wú)法正常工作,最終出現(xiàn)跳閘故障[15]。

      2)當(dāng)F、C 兩點(diǎn)直接接地時(shí),斷路器常觸點(diǎn)斷開(kāi),此時(shí)線圈短路,出口處的繼電器無(wú)法正常工作,最終出現(xiàn)跳閘故障。

      3)當(dāng)F、D 兩點(diǎn)直接接地時(shí),線圈短路,出口處的繼電器無(wú)法正常工作,最終出現(xiàn)跳閘故障。

      4)當(dāng)F、E 兩點(diǎn)直接接地時(shí),GOOSE 接地點(diǎn)處于閉合狀態(tài),插座繼電器通電,直流電流需要通過(guò)電阻和信號(hào)燈返回負(fù)極[16]。當(dāng)電流分配時(shí),線圈勵(lì)磁電流不足,斷路器工作不正常,斷路器故障。

      2.1.3 正接地和負(fù)接地同時(shí)發(fā)生

      當(dāng)A、F 兩點(diǎn)直接接地時(shí),產(chǎn)生了電源短路現(xiàn)象,導(dǎo)致1KD 和2KD 空轉(zhuǎn)斷開(kāi),整個(gè)直流回路失去保護(hù)。為此,當(dāng)接觸點(diǎn)直接接地后,無(wú)論是正接地還是負(fù)接地,都會(huì)引起斷路器出現(xiàn)錯(cuò)誤執(zhí)行現(xiàn)象。

      2.2 寄生回路故障

      針對(duì)寄生回路故障,應(yīng)計(jì)算t+l時(shí)的對(duì)數(shù)似然概率,公式為:

      式(2)中,Pk表示出現(xiàn)誤報(bào)警的概率,P0表示漏報(bào)警的概率。

      設(shè)定檢驗(yàn)停止法則為:

      式(3)中,H0表示校驗(yàn)停止法不成立即被否定的概率,H1表示校驗(yàn)停止法則成立并被接受的概率。

      由式(2)可得LR的遞推公式為

      式(4)中,當(dāng)LRt+1?(lnT(H0),lnT(H1))時(shí),則應(yīng)立即停止檢驗(yàn),反之,則繼續(xù)檢驗(yàn)。當(dāng)檢驗(yàn)停止時(shí),依據(jù)式(5)進(jìn)行判決:

      式(5)中,依據(jù)判決接受H0時(shí),該時(shí)刻的系統(tǒng)是正常的,無(wú)故障情況發(fā)生;接受H1時(shí),系統(tǒng)出現(xiàn)寄生回路故障。

      2.2.1 直流串接

      設(shè)第一組的站用交直流電源系統(tǒng)正極通過(guò)電阻后,直接與第二組的站用交直流電源系統(tǒng)負(fù)極連接,即+KM1 通過(guò)電阻R1和-KM2 連通,其等效電路如圖3 所示。

      圖3 直流串接等效電路

      由圖3 可知,+KM1 和-KM2 是通過(guò)電阻連接的,其依靠?jī)蓚€(gè)觸點(diǎn)直接形成串聯(lián)回路。結(jié)合圖3 中的箭頭所示,蓄電池組1 與+KM1 串聯(lián),通過(guò)電阻R1、平衡電阻直接與-KM1 連接,同理,蓄電池組2 連接情況與蓄電池組1 一致。設(shè)計(jì)直流串接等效電路,會(huì)降低母線的電壓,使得兩個(gè)蓄電池組的負(fù)極電壓快速升高,造成開(kāi)關(guān)誤動(dòng)。

      2.2.2 交流串接

      交流串接指的是站用交直流電源系統(tǒng)出現(xiàn)了直流與交流電器連接現(xiàn)象,為此,需設(shè)置-KM1 通過(guò)一個(gè)R2電阻串接的等效電路,交流串接等效電路如圖4 所示。

      圖4 交流串接等效電路

      由圖4 可知,在-KM1 端通過(guò)電阻R2與開(kāi)關(guān)串聯(lián)后,蓄電池組1 依賴觸點(diǎn)形成寄生回路。當(dāng)出現(xiàn)寄生故障問(wèn)題時(shí),系統(tǒng)會(huì)發(fā)出直流接地的報(bào)警信號(hào),然而該電路并未直接接地,因此,需通過(guò)直流母線的絕緣裝置發(fā)出預(yù)警信號(hào)。通過(guò)測(cè)量電阻R2可知,電阻值會(huì)明顯減小,這是寄生電路故障的固有特征,以此對(duì)寄生電路進(jìn)行故障診斷。

      3 實(shí)例分析

      對(duì)湖北電網(wǎng)站用交直流電源系統(tǒng)進(jìn)行全面排查,以專項(xiàng)研究形式重點(diǎn)分析基于深度學(xué)習(xí)的站用交直流電源系統(tǒng)故障診斷方法研究的合理性。

      站用交直流電源系統(tǒng)故障診斷管理主機(jī)界面如圖5 所示。

      由圖5 可知,裝置面板上存在兩個(gè)故障情況指示燈,結(jié)合專業(yè)人員協(xié)同過(guò)程,進(jìn)行站用交直流電源系統(tǒng)故障診斷。

      圖5 故障診斷管理主機(jī)界面

      3.1 單條饋線接地故障實(shí)例分析

      在110 kV 變電站智能終端設(shè)備一處接地點(diǎn),模擬單條饋線接地故障,模擬過(guò)程如下。

      外場(chǎng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置顯示“饋線1 單元2-1 故障”,絕緣監(jiān)測(cè)裝置告警燈亮。接線員接線后用拉路法檢查,接通110 kV 電源開(kāi)關(guān)后,接地故障立刻消失;關(guān)閉電源后,報(bào)警裝置再次發(fā)生報(bào)警,由此可確定直流電源系統(tǒng)故障是由電源控制回路引起的。

      根據(jù)上述模擬的情況,分析單條饋線接地故障下的電壓變化,結(jié)果如圖6 所示。

      圖6 單條饋線接地故障下的電壓變化

      由圖6 可知,使用基于文獻(xiàn)[1]方法、文獻(xiàn)[2]方法的電壓駐波比與實(shí)際值相差較大,在饋線長(zhǎng)度2.0 m處存在最大誤差;該文方法使用下的電壓變化值與實(shí)際值誤差較小,誤差僅為0.01,由此可知,使用該方法單條饋線接地故障下的電壓變化診斷結(jié)果更加精準(zhǔn)。

      3.2 母線單極接地故障實(shí)例分析

      在110 kV 變電站設(shè)備饋電屏母線上,設(shè)置一處接地點(diǎn),模擬母線單極接地故障,模擬過(guò)程如下:當(dāng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置出現(xiàn)故障時(shí),故障燈亮起。接線員使用接地法檢測(cè)絕緣裝置,并確定電源開(kāi)關(guān)是否能夠正常開(kāi)啟,通電后查看故障,故障并未消失,則說(shuō)明故障是由于饋線支路口觸點(diǎn)直接接地引起的。

      分析母線單極接地故障下的電壓變化,結(jié)果如圖7 所示。

      圖7 母線單極接地故障下的電壓變化

      由圖7 可知,文獻(xiàn)[3]方法使用后的電壓駐波比與實(shí)際值相差最大,其次是文獻(xiàn)[2]方法。而該文方法使用后的診斷結(jié)果較為精準(zhǔn),誤差為0.005,由此可知,使用該方法母線單極接地故障下的電壓變化診斷結(jié)果更加精準(zhǔn)。

      4 結(jié)束語(yǔ)

      以深度學(xué)習(xí)為基礎(chǔ),診斷站用交直流電源系統(tǒng)故障,充分挖掘電源故障特征在空域和空時(shí)域的相關(guān)性,彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法只考慮故障特征在空域相關(guān)性的不足。

      今后的工作重點(diǎn)是將供電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)故障診斷過(guò)程可視化,保證在直流供電系統(tǒng)直接接地時(shí),若產(chǎn)生故障,可立即采取相應(yīng)措施,避免開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作。

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