祁 鵬
(國(guó)家電投集團(tuán)協(xié)鑫濱海發(fā)電有限公司,江蘇鹽城 224500)
特高壓變電站工程項(xiàng)目屬于電力工程項(xiàng)目中的重要組成部分,具有電網(wǎng)覆蓋面積較大的特征?;趶V義角度分析,特高壓變電站UHV 與普通變電站之間最大的區(qū)別在于交、直流電壓等級(jí)不同,特高壓變電站的直流電壓在800 kV 及以上,交流電壓在1000 kV 及以上[1]。根據(jù)電網(wǎng)公司提供的相關(guān)數(shù)據(jù)可知,特高壓變電站對(duì)提高電網(wǎng)的輸送能力具有重要作用。其一回路輸送的電量約相當(dāng)于普通直流變電站輸送電量的5 倍左右,輸送效率優(yōu)勢(shì)顯著,能夠有效節(jié)省輸電所需的土地資源[2]。在特高壓變電站運(yùn)行過(guò)程中,受到各種因素的影響,其保護(hù)設(shè)備可能出現(xiàn)異常運(yùn)行的情況,情況嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)特高壓變電站運(yùn)行故障,存在安全風(fēng)險(xiǎn)與故障隱患[3]。
傳統(tǒng)的變電站保護(hù)設(shè)備異常診斷方法在電力工程的實(shí)際應(yīng)用中不夠完善,尤其是在特高壓變電站工程項(xiàng)目中,設(shè)備異常診斷錯(cuò)誤率較高,無(wú)法保證變電站運(yùn)行的安全性。為保證特高壓變電站工程項(xiàng)目的順利進(jìn)行,提高變電站輸送能力,其保護(hù)設(shè)備異常診斷方法至關(guān)重要?;诖?,本文以某特高壓變電站為例,在現(xiàn)有設(shè)備異常診斷方法的基礎(chǔ)上,提出了一種全新的特高壓變電站保護(hù)設(shè)備異常診斷方法。
在本文設(shè)計(jì)的特高壓變電站保護(hù)設(shè)備異常診斷方法中,首先需要根據(jù)保護(hù)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況與運(yùn)行中各項(xiàng)性能參數(shù)及技術(shù)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化,判斷設(shè)備是否存在異常隱患。若保護(hù)設(shè)備存在異常隱患,則應(yīng)利用相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集手段,全面采集特高壓變電站保護(hù)設(shè)備的異常數(shù)據(jù),明確異常數(shù)據(jù)的來(lái)源,為后續(xù)的診斷工作提供參考依據(jù)[4]。
通常情況下,特高壓變電站保護(hù)設(shè)備異常診斷數(shù)據(jù),是由于設(shè)備運(yùn)行中自身出現(xiàn)故障或受到外界因素干擾,導(dǎo)致其運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生改變,引發(fā)保護(hù)設(shè)備開(kāi)關(guān)量與電氣量的動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定變化[5]。綜合考慮保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行特征,本文認(rèn)為可以將SCADA 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)與ENA-CBMS 保護(hù)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)融合,共同監(jiān)測(cè)并采集特高壓變電站保護(hù)設(shè)備的異常數(shù)據(jù)[6]。設(shè)定兩個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作規(guī)則與指令,按照設(shè)備異常信息傳輸順序,實(shí)時(shí)采集并上傳保護(hù)設(shè)備異常數(shù)據(jù)信息。特高壓變電站保護(hù)設(shè)備異常信息傳輸順序如圖1 所示。
圖1 異常信息傳輸順序示意
從圖1 可以看出,變電站保護(hù)設(shè)備異常信息傳輸為單向傳輸方式,從電氣量信息逐步傳輸至繼電保護(hù)裝置信息,最后傳輸至設(shè)備開(kāi)關(guān)量信息的順序。按照異常信息傳輸順序,采集保護(hù)設(shè)備的異常數(shù)據(jù)。
基于采集到的特高壓變電站保護(hù)設(shè)備異常數(shù)據(jù),初步掌握了可疑設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)情況。接下來(lái),對(duì)可疑設(shè)備元件異常度進(jìn)行計(jì)算,反映保護(hù)設(shè)備的異常故障狀況。設(shè)備元件異常度能夠全方位地描述其運(yùn)行狀態(tài),包括保護(hù)設(shè)備電流變化情況、穿越頻率動(dòng)態(tài)變化、保護(hù)動(dòng)作距離以及起跳時(shí)間等[7]。首先,設(shè)定特高壓變電站出現(xiàn)異常時(shí),其異常信號(hào)在h 個(gè)尺度上的能量分布分別為Q1、Q2、Q3、…、Qh、Qh+1,此時(shí)設(shè)備元件小波異??尚哦缺磉_(dá)式為:
其中,Bj(k)表示保護(hù)設(shè)備異常高頻分量;Wh(k)表示保護(hù)設(shè)備在h 尺度下對(duì)應(yīng)的異常低頻分量。
在此基礎(chǔ)上,計(jì)算設(shè)備元件運(yùn)行信號(hào)的異常度:
其中,E(x)表示特高壓變電站保護(hù)設(shè)備元件運(yùn)行信號(hào)異常度,通過(guò)異常度計(jì)算結(jié)果,能夠在快速時(shí)間內(nèi)找出發(fā)出異常信號(hào)的設(shè)備元件,為后續(xù)設(shè)備異常診斷提供了重要幫助[8]。
基于上述保護(hù)設(shè)備異常數(shù)據(jù)采集與元件異常度計(jì)算完畢后。在此基礎(chǔ)上,建立特高壓變電站保護(hù)設(shè)備異常診斷模型,通過(guò)模型的迭代訓(xùn)練作用,全面實(shí)現(xiàn)異常診斷的目標(biāo)。本文建立的異常診斷模型的運(yùn)行流程如圖2 所示。
圖2 異常診斷模型運(yùn)行流程
首先將采集到保護(hù)設(shè)備的異常信息數(shù)據(jù)與設(shè)備元件異常度作為檢測(cè)信息輸入到模型中,初步描述特高壓變電站保護(hù)設(shè)備的異常運(yùn)行特征[9]?;诒Wo(hù)設(shè)備異常診斷需求與尺度,分析檢測(cè)信息的信息維數(shù),得出檢測(cè)信息量熵,即特高壓變電站保護(hù)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的一個(gè)異常信號(hào)覆蓋在診斷模型第i 個(gè)格子傳遞的平均信息,其計(jì)算公式為:
其中,X 表示異常診斷模型覆蓋變電站保護(hù)設(shè)備運(yùn)行網(wǎng)路的格子邊長(zhǎng);Qi(X)表示保護(hù)設(shè)備異常信號(hào)落入第i 個(gè)格子的概率;m 表示異常診斷模型中格子的總數(shù)量。
定義異常診斷信息維數(shù)為:
獲取保護(hù)設(shè)備異常診斷信息維數(shù)后,從中提取設(shè)備的異常特征參數(shù),并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一化處理。分別獲取各類設(shè)備異常特征參數(shù)后,進(jìn)行異常特征參數(shù)融合,輸出融合后的特高壓變電站保護(hù)設(shè)備異常診斷結(jié)果,實(shí)現(xiàn)設(shè)備高精度異常診斷的目標(biāo)。
本文針對(duì)特高壓變電站保護(hù)設(shè)備存在的異常問(wèn)題與隱患,提出的診斷方法的全部設(shè)計(jì)流程。在本文設(shè)計(jì)的異常診斷方法投入電力工程實(shí)際應(yīng)用前,需要對(duì)其異常診斷效果做全面分析檢驗(yàn),確定方法的可行性與有效性后,方可投入實(shí)際工程應(yīng)用,以避免對(duì)特高壓電力工程的安全運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。
選取某地區(qū)某特高壓變電站工程項(xiàng)目作為此次研究的依托。該變電站工程所在地區(qū)電力需求巨大,屬于特高壓環(huán)網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。某特高壓變電站骨干網(wǎng)電壓等級(jí)為500 kV,當(dāng)前已經(jīng)形成了兩個(gè)電壓等級(jí)為500 kV 的環(huán)網(wǎng),具有完善的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。該特高壓變電站設(shè)備相關(guān)概況及參數(shù)說(shuō)明如表1 所示。
表1 某特高壓變電站設(shè)備相關(guān)概況說(shuō)明
某特高壓變電站工程項(xiàng)目結(jié)構(gòu)功能較復(fù)雜,建設(shè)周期較長(zhǎng),受到各類風(fēng)險(xiǎn)源的影響,存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。變電站保護(hù)設(shè)備異常隱患與故障隱患較多,導(dǎo)致電網(wǎng)安全得不到保障?;诖耍瑢⒈疚奶岢龅漠惓T\斷方法應(yīng)用到該工程項(xiàng)目中。
此次實(shí)驗(yàn)分析中設(shè)置了對(duì)照組,用于檢驗(yàn)本文提出的異常診斷方法的可行性與優(yōu)勢(shì)。將本文提出的保護(hù)設(shè)備異常診斷方法設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組,將文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]提出的異常診斷方法設(shè)置為對(duì)照組,對(duì)其診斷結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。利用MATLAB 模擬分析軟件,模擬某特高壓工程項(xiàng)目保護(hù)設(shè)備故障。為了避免實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果存在偶然性,在特高壓變電站保護(hù)設(shè)備中總共模擬設(shè)置100處異常故障,保證異常故障類型與位置的隨機(jī)性。設(shè)置特高壓變電站保護(hù)設(shè)備的輸出準(zhǔn)確度為0.5 級(jí),相電壓輸出功率為70 kW,開(kāi)關(guān)量輸入為7 路。選取保護(hù)設(shè)備異常診斷錯(cuò)誤率為此次診斷效果檢驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo),計(jì)算公式為:
其中,Er表示特高壓變電站保護(hù)設(shè)備異常診斷錯(cuò)誤率;qa表示保護(hù)設(shè)備異常診斷專業(yè)知識(shí)誤差值;qt表示保護(hù)設(shè)備異常診斷專業(yè)知識(shí)精確值。異常診斷錯(cuò)誤率Er值越低,表示異常診斷結(jié)果的精確度越高,反之同理。利用上述3 種方法,對(duì)模擬設(shè)置的異常故障進(jìn)行全面診斷。分別進(jìn)行6 組異常診斷測(cè)試,測(cè)定3種方法的異常診斷錯(cuò)誤率并對(duì)比(圖3)。
圖3 異常診斷錯(cuò)誤率對(duì)比結(jié)果
從圖3 的異常診斷錯(cuò)誤率對(duì)比結(jié)果可以看出,在6 組診斷測(cè)試中,本文提出的特高壓變電站保護(hù)設(shè)備異常診斷錯(cuò)誤率明顯低于兩個(gè)對(duì)照組,錯(cuò)誤率均在1%以下。由此可見(jiàn),本文設(shè)計(jì)的保護(hù)設(shè)備異常診斷方法具有較高的可行性,診斷錯(cuò)誤率較低,精確度較高,能夠在快速時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度異常診斷的目標(biāo)。
特高壓變電站與普通變電站存在較大的差異,其對(duì)保護(hù)設(shè)備性能的要求也存在一定差異。綜上所述,為改善特高壓變電站保護(hù)設(shè)備異常診斷方法,降低診斷結(jié)果的不精確性與不確定性,縮短診斷周期,提高變電站保護(hù)設(shè)備運(yùn)行性能,提出一種全新的保護(hù)設(shè)備異常診斷方法,實(shí)現(xiàn)了特高壓變電站保護(hù)設(shè)備全過(guò)程、全周期的異常診斷,規(guī)避了診斷中的不確定因素,提高異常診斷結(jié)果精度,對(duì)促進(jìn)特高壓變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。