基于大數(shù)據(jù)挖掘的電氣二次保護(hù)數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用

摘要：智能電網(wǎng)推進(jìn)了電力系統(tǒng)信息化和數(shù)字化建設(shè)，電力系統(tǒng)電氣二次回路設(shè)備及其保護(hù)裝置在運(yùn)維過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)信息，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化監(jiān)控，為電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供重要保障。繼電保護(hù)是電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要保障，將大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與電氣二次保護(hù)數(shù)據(jù)相結(jié)合可以更好地實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的智能化發(fā)展。文章提出一種基于大數(shù)據(jù)的電氣二次回路故障診斷策略，采用云計(jì)算對(duì)電氣二次保護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。該方法具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)分析能力，實(shí)現(xiàn)了二次回路的運(yùn)行監(jiān)控和故障診斷，有效提升了電力系統(tǒng)供電安全性和可靠性，具有較好的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；繼電保護(hù)；二次回路；數(shù)據(jù)挖掘

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，用戶(hù)對(duì)用電安全性和可靠性要求不斷提高。電氣二次保護(hù)是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要保障，繼電保護(hù)作為電力系統(tǒng)的重要保護(hù)裝置，可對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行及時(shí)排查并解決，以保證二次回路設(shè)備及線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)繼電保護(hù)裝置可向操作人員發(fā)送預(yù)警信號(hào)，對(duì)故障位置進(jìn)行隔離，切除故障部分。近年來(lái)，智能電網(wǎng)發(fā)展迅速，電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中不可避免地發(fā)生接地和短路等故障，因此須要根據(jù)二次回路設(shè)備以及保護(hù)裝置的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息的采集和處理，實(shí)現(xiàn)故障診斷及預(yù)測(cè)，從而提高智能化運(yùn)行水平［1-2］。

1 電氣二次保護(hù)

1.1 電氣二次保護(hù)特點(diǎn)

電力系統(tǒng)具有多變性和復(fù)雜性特點(diǎn)，運(yùn)行過(guò)程中難免出現(xiàn)故障，結(jié)合我國(guó)目前電力系統(tǒng)應(yīng)用情況，繼電保護(hù)對(duì)電力系統(tǒng)電氣二次回路具有重要影響，是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。繼電保護(hù)系統(tǒng)的主要任務(wù)是對(duì)故障進(jìn)行快速準(zhǔn)確的判斷并及時(shí)處理，二次回路繼電保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般由繼電保護(hù)裝置、測(cè)量裝置和電源裝置構(gòu)成，電氣二次回路將一次側(cè)電壓降低，通過(guò)繼電保護(hù)可以對(duì)二次回路電壓進(jìn)行進(jìn)一步降低，從而實(shí)現(xiàn)高電壓以低電壓的形式輸出，有利于電氣二次回路設(shè)備的維護(hù)［3］。

1.2 保護(hù)原理

電氣二次設(shè)備或者線路異常時(shí)，通過(guò)繼電保護(hù)裝置對(duì)其進(jìn)行判斷和處理，故障發(fā)生時(shí)通過(guò)自動(dòng)化控制將故障設(shè)備或線路從系統(tǒng)中切除，從而保證剩余設(shè)備及線路的正常運(yùn)行。繼電保護(hù)系統(tǒng)通過(guò)采集裝置對(duì)電壓和電流等信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)設(shè)定的邏輯對(duì)保護(hù)動(dòng)作進(jìn)行判斷。繼電保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

測(cè)量部分對(duì)系統(tǒng)電氣信號(hào)進(jìn)行采集，根據(jù)信號(hào)的變化規(guī)律及故障特征設(shè)定保護(hù)值，通過(guò)邏輯部分對(duì)系統(tǒng)是否正常運(yùn)行進(jìn)行判定，如果系統(tǒng)運(yùn)行異常甚至出現(xiàn)故障時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收繼電保護(hù)裝置發(fā)出的動(dòng)作信號(hào)，將故障設(shè)備或線路切除，為二次回路內(nèi)剩余設(shè)備正常運(yùn)行提供保證［4］。

2 大數(shù)據(jù)技術(shù)及其應(yīng)用

2.1 大數(shù)據(jù)技術(shù)

得益于信息技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，通信速率越來(lái)越快，相關(guān)數(shù)據(jù)量也不斷增加。大數(shù)據(jù)具有容量大、種類(lèi)多等特點(diǎn)，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值的最大限度發(fā)揮。電力系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)是伴隨智能電網(wǎng)和信息化通信技術(shù)的發(fā)展而形成的，其數(shù)據(jù)復(fù)雜性和靈活性較高，復(fù)雜性主要體現(xiàn)在異構(gòu)數(shù)據(jù)的接入需 要新的方法支撐，而靈活性是指通過(guò)對(duì)其模型進(jìn)行分析即可滿足實(shí)際需求。對(duì)于電氣二次保護(hù)，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)可以對(duì)保護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合并分類(lèi)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)保護(hù)性能的提升，電力系統(tǒng)大數(shù)據(jù)具有重要作用，對(duì)電力行業(yè)的發(fā)展具有一定的推動(dòng)作用。

大數(shù)據(jù)技術(shù)主要針對(duì)數(shù)據(jù)形態(tài)進(jìn)行分析，根據(jù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及其分布狀態(tài)對(duì)相關(guān)業(yè)務(wù)的發(fā)展方向進(jìn)行判斷，從而為決策提供參考。一般采用方差、中位數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差等方法對(duì)數(shù)據(jù)形態(tài)進(jìn)行描述，利用二項(xiàng)分布和泊松分布對(duì)數(shù)據(jù)概率分布進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)數(shù)據(jù)量較少時(shí)可以采用模型和結(jié)構(gòu)法對(duì)數(shù)據(jù)的相關(guān)信息進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)量較大時(shí)通常采用數(shù)據(jù)挖掘的方法對(duì)數(shù)據(jù)中的相關(guān)信息進(jìn)行提?。?］。

2.2 云計(jì)算技術(shù)

數(shù)據(jù)通過(guò)云計(jì)算技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器工作模式保持一致，在保證網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)的條件下，可以對(duì)服務(wù)器資源和數(shù)據(jù)進(jìn)行整合。結(jié)合智能電網(wǎng)特點(diǎn)和各層結(jié)構(gòu)功能，采用云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行電氣二次保護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)信息的交互，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的作用達(dá)到集中計(jì)算力的目標(biāo)，云計(jì)算環(huán)境下可以實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)的同時(shí)進(jìn)行。當(dāng)某個(gè)數(shù)據(jù)資源節(jié)點(diǎn)發(fā)生異常時(shí)，相關(guān)業(yè)務(wù)將繼續(xù)進(jìn)行，能保證其他數(shù)據(jù)維持當(dāng)前狀態(tài)，云計(jì)算的獨(dú)立性?xún)?yōu)勢(shì)可以為網(wǎng)絡(luò)的冗余性提供保障［6］。

2.3 電氣二次保護(hù)應(yīng)用

大數(shù)據(jù)技術(shù)可以對(duì)電氣二次保護(hù)的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，通過(guò)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，對(duì)故障及異常狀態(tài)特征進(jìn)行提取，根據(jù)特征進(jìn)行繼電保護(hù)算法優(yōu)化，從而提升保護(hù)動(dòng)作的正確性和靈敏性，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)還可以對(duì)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并快速切除，提升電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

3 電氣二次保護(hù)故障診斷

電氣二次保護(hù)能夠?qū)收线M(jìn)行準(zhǔn)確判斷并及時(shí)切除，為電力系統(tǒng)正常運(yùn)行提供重要保障，通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)保護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，實(shí)現(xiàn)電氣二次回路設(shè)備及線路的全面故障診斷。

3.1 診斷策略

通過(guò)電氣二次保護(hù)數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)故障診斷可以更好地服務(wù)電力企業(yè)的運(yùn)維管理，包括二次回路設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、繼電保護(hù)數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)運(yùn)維數(shù)據(jù)，對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析，對(duì)有價(jià)值的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，保證數(shù)據(jù)信息價(jià)值的充分發(fā)揮。按分層原則對(duì)診斷策略進(jìn)行設(shè)計(jì)，由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層和數(shù)據(jù)分析層構(gòu)成。

（1）采集層。采用傳感器對(duì)電氣二次回路相關(guān)設(shè)備電壓、電流等電氣信號(hào)進(jìn)行采集，并通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換將其變成數(shù)字量。

（2）存儲(chǔ)層。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收采集層的數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)庫(kù)的方式對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)和整合，通過(guò)文件系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

（3）分析層。根據(jù)數(shù)據(jù)特征從專(zhuān)家?guī)煺{(diào)取與之對(duì)應(yīng)的分析策略，對(duì)二次回路設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)故障診斷和預(yù)警。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了保證數(shù)據(jù)的完整性，采用相鄰補(bǔ)全算法對(duì)缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)，根據(jù)時(shí)間序列數(shù)組前后數(shù)據(jù)連續(xù)的特點(diǎn)，提取數(shù)組中缺失段相鄰的k個(gè)樣本，對(duì)其求平均值，缺失數(shù)據(jù)采用平均值替換。

缺失數(shù)據(jù)在數(shù)組中的距離采用式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中，Xj=｛xj1，xj2，xj3，....，xjm｝為第j個(gè)數(shù)據(jù)樣本點(diǎn)前m維數(shù)據(jù)；Xi=｛xi1，xi2，xi3，....，xim｝為第i個(gè)數(shù)據(jù)樣本點(diǎn)前m維數(shù)據(jù)；xjn和xin分別為第j個(gè)和第i個(gè)數(shù)據(jù)樣本點(diǎn)的第n維屬性。

為了保證上述數(shù)組取值范圍在［0，1］內(nèi)，對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，如式（2）所示：

式中，yi表示歸一化后的輸出結(jié)果；xi表示輸入值；min（x）和max（x）分別表示數(shù)組最小值和最大值。

3.3 診斷流程

基于知識(shí)庫(kù)的故障診斷，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、故障特征和設(shè)備參數(shù)等信息建立知識(shí)庫(kù)，通過(guò)知識(shí)庫(kù)可以對(duì)故障類(lèi)型進(jìn)行判斷并給出具體處理方法，同時(shí)還可以對(duì)故障原因進(jìn)行歸納，診斷流程如圖2所示。

首先對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，為了保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量和完整性，對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理并提取故障特征，然后對(duì)有效的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，通過(guò)診斷模型對(duì)故障進(jìn)行定位并對(duì)其類(lèi)型進(jìn)行判定，將故障監(jiān)測(cè)結(jié)果導(dǎo)入知識(shí)庫(kù)，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，結(jié)合知識(shí)庫(kù)的專(zhuān)家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)故障原因進(jìn)行判定，從而確定故障原因并給出診斷建議。

4 算例分析

依托某變電站電氣二次保護(hù)數(shù)據(jù)對(duì)回路電容式電壓互感器進(jìn)行故障診斷，通過(guò)大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)提取互感器電壓異常時(shí)的數(shù)據(jù)，獲取互感器參數(shù)及型號(hào)，根據(jù)運(yùn)行時(shí)間對(duì)互感器的靜態(tài)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)知識(shí)庫(kù)對(duì)故障原因進(jìn)行分析，從而完成互感器電壓預(yù)警，如圖3所示。

根據(jù)電氣二次回路互感器故障的診斷結(jié)果，分析驗(yàn)證了基于大數(shù)據(jù)挖掘的故障診斷方法的正確性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)繼電保護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行了挖掘和分析，介紹了電氣二次保護(hù)的特點(diǎn)及保護(hù)原理，對(duì)大數(shù)據(jù)技術(shù)在電氣二次保護(hù)中的應(yīng)用進(jìn)行了說(shuō)明，詳細(xì)介紹了基于知識(shí)庫(kù)與保護(hù)數(shù)據(jù)相結(jié)合的電氣二次故障診斷策略，該方法可有效提升電力系統(tǒng)的智能化水平，為電氣設(shè)備故障智能診斷提供了技術(shù)支撐，對(duì)電力系統(tǒng)的發(fā)展和運(yùn)行具有重要意義。

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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