继电保护多源异构信息智能化处理关键技术研究

巫聪云，徐晓峰，钟洁，颜循敏，汪昌元，宁雪莹，廖晓春

（1.广西电网有限责任公司，南宁 530015；2.广西电网有限责任公司防城港供电局，广西 防城港 538000；3.武汉华电顺承科技有限公司，武汉 430071）

0 前言

继电保护是维持电网健康运行不可缺少的组成部分，随着电网规模的扩大及电力体制改革的推进，电网运行中的暂态过程和动态行为越来越复杂，且迫切需要对故障信息进行精确、全面、快速地剖析处理。然而，主流的故障信息管理系统在自动化程度和信息综合分析水平上显得相对滞后[1-3]，原因如下：

1）故障信息多源：反映电网系统运行状态的设备繁多且分布广泛，行波、保护、录波、保护定值等信息都是重要的故障分析数据源。各主站系统根据功能不同，对数据的解读有所侧重，而且各系统间相对独立，无法得到比较全面的分析结果；

2）数据形式具有多样性：继电保护有模拟量、状态量、结构化、非结构化等形式各异的数据，每一类数据有不同的采样率、生命周期、时标等，各种数据之间具有相关联性，然而市场上的分析软件难以实现深度融合分析；

3）接入的信息规范缺少一致性：电网系统建设年代长久，当前存在大量规格不一，性能不同的保护和录波装置，以录波设备为例，国内主要有9 个制造厂商、25 个主流型号的录波设备分布在各地区变电站，而且录波文件格式是各个厂家自定义的，即使是标准的COMTRADE 格式也有多种版本和不同程度的差异。

针对继电保护信息的多源异构特性，本文提出一种智能化处理技术，通过无损转换、智能容错、融合分析三个模块的处理，实现多源异构数据的无差别解读和深度挖掘，为继电保护自动化和调控一体化提供有力支撑，打造录波数据标准化、分析智能化、功能集约化的处理主站。

1 多源异构信息智能化处理关键技术

多源异构信息智能化处理指对各厂站收取的录波数据依次进行智能容错、无损转换和融合分析的处理。第一步将录波文件进行智能容错处理，以解决录波文件中时有发生的如通道名称不识别、数据缺失或异常等问题，避免因为数据读取失败导致系统软件崩溃退出；第二步通过无损转换将不同格式的录波文件解耦成直观标准的表格文件，并对故障数据文件进行频率归一化处理；第三步融合分析利用希尔伯特-黄及Petri 网算法从故障文件中提取的一系列数据特征或特征向量传递给分析模型，实现故障诊断和定位。

1.1 智能容错

经过对各主流厂商录波数据工程化案例、规格和实际运行情况的考察研究，依据COMTRADE 标准的释义与常见错误汇编来制定智能容错方案。其过程可用图1 表示。

读取录波文件，判断其中配置文件中站名、模拟量及状态量通道数量、模拟量通道采样信息、状态量通道采样信息、线路两侧的CT/PT变比等不可或缺的信息及一些缺省信息是否齐全[4]，如果这些信息不齐全或出现乱码，调取含有错误类型及相应补偿信息的错误列表，对比错误列表予以更正。对于列表之外的不能识别的问题，则进行标记并提交工作人员，直接在主站端调取一次定值模型重新生成标准配置参数。

然后对数据文件进行预判，数据文件中有采样序列号、时间标记和各模拟量及状态量通道的数据，如果某列缺失或乱码，重新调用录波文件，再次对数据文件进行预判，对于录波设备出现故障导致的记录文件错误，将故障录波设备的站名和型号提交给工作人员。

图1 智能容错过程

1.2 无损转换

1.2.1 数据解耦

数据解耦的目的首先是将录波厂家和录波文件解绑，使不同厂家录波文件可以获得一致性处理；其次是将文件中不同的信息分量分离出来放在相应文件中，便于程序装载运用。此过程如下图所示：

图2 无损转换过程

通过录波文件配置文件信息得到录波设备型号，查询转换接口表，进而得到相应的转换单元入口，其中主要包括录波文件处理类和通道数据映射函数。

录波文件处理类用于解析配置文件信息，读取数据文件。其对象属性主要包括：录波文件基本信息，通道信息数组、采样频段信息数组。其主要调用接口有：配置文件读取接口函数，采样数据读取接口函数，通道分组接口函数。

通道数据映射函数主要作用是分解数据文件，利用配置文件中的通道系数、CT/PT 变比信息将采样数据由A/D 转换后的二次数字量转为电压、电流的一次值，以二进制格式存储到相互独立的通道数据表格中，包括有电流量、电压量和状态量等，每个文件中包含通道名称、时间标记和采样数据[5-6]。

1.2.2 采样频率转换

不同型号录波设备采样频率不一致，为了后续数据处理简便，对数据采用线性重采样及拟合以实现时钟同步、频率统一化转换[7]。其基本步骤如下：

1）将原始的采样频率fo，转换到新的重采样频率fn，且满足奈奎斯特采样定律，原始采样个数为每秒N，求出新采样率下的信号的长度是：M=(fn/fo)×N；

2）目标序列离散点m(1 ≤m ≤M )，原始采样序列点n(1 ≤n ≤N)，缩放因子p=fo/fn，那么pm 为在原始采样间隔的情况下，要进行插值的具体位置，pm 和n 关系必须满足n ≤pm ≤n+1；

3）对于满足插值的情况，利用上面步骤 得 到 两 个 权 值，a=pm-n，b=n+1-pm， 将a，b 两个重采样权值与要插入到点的相邻的两点的值线性结合，求得将要插入点的值xo(m)=ax(n+1)+bx(n)；

4）如果在数据记录的过程中产生数据缺失的情况或者间隙过大，例如的情况，使用线性重采样可能会导致数据有较大的失真性，取数据点附近四个点的宽度为窗口求最小二乘曲线拟合值来替代；

5）如果数据采样时间间隔大于5/M，并且持续次数大于5 次，判定此处为无效信息，即录波文件的D、E 段，直接使用波形正弦值Usin(ωt+φ)，U 为电压幅值，ω和φ可由此段序列值中的值得出。

这种处理方法不仅快速，而且具有较高的还原度。一方面便于将不同时序的录波数据放到一个时标中进行对比分析。另一方面，对录波文件进行了一次初步筛选，不同录波时段值做了相适应的处理，将重要信息分拣出来。

1.3 融合分析

融合分析中主要运用希尔伯特- 黄算法、Petri 网进行信息分拣和特征识别，再利用故障诊断模型对故障信息进行解析。其过程可用下图表示：

图3 融合分析过程

数据文件的处理应用到了希尔伯特-黄算法（Hilbert-Huang Transform），相较于傅里叶变换对非线性非平稳信号具有更好的处理优势，其运算步骤为，故障数据或其他时序信号被作为Huang 的算法的输入，把信号分解为若干本征模态函数，然后作为Hilbert的输入进行处理[8-10]，可得到下式（1）：

为信号的时间序列函数，可看作是经过一单位冲击相应的滤波后的结果，与形成共轭对，得到如式（2）的解析信号：

据此求出每一分量的瞬时相位（3）、瞬时频率（4）和瞬时幅值（5），用于后续故障模型诊断。

传统的基于单一开关量的故障诊断方法，由于误动、拒动、信道干扰等因素的存在，信息的准确性、完备性较低。采用Petri 网[11]有机融合各开关量变位特征，由各种开关组合组成完备集合来表示对设备故障的所有可能答案，排除拒动、误动或扰动，保证开关及保护信息的正确性及有效性。

提取各种关键数据后，再利用该模型下的线路测距、变压器分析、发电机发变组分析、公式编辑器分别进行针对性的剖析。

2 应用分析

该技术已在防城港的录波主站投入使用，构建了多源异构故障数据群组统一分析主站，为了验证有效性，分别对主站运行情况进行了横向和纵向对比试验。

横向对比实验是用A、B、C 各厂家自有的故障分析软件和基于多源异构信息处理技术的改进的录波主站分别处理100 个录波文件，这100 个录波文件来自于A、B、C 三个厂家，比例约为6：3：1，比较录波文件各项处理指标平均值，结果如下表所示：

表1 各厂家自带录波分析软件与基于多源异构信息处理技术的录波主站实验对比

在实验中还发现，A 型号主站分析软件处理B 型号和C 型号录波文件时有出现解析错误或者宕机，B 型号和C 型号主站分析软件在处理别型号的录波文件时同样出现分析结果不理想的情况。

由此实验结果看出基于多源异构信息处理技术的录波主站在平均处理时间、测距误差范围、分析正确率上都有一定优势，除此以外，该系统可以分析不同录波设备上送的录波文件，对不同通信规约及格式的录波文件无障碍处理。

纵向对比实验是该系统软件分别接入100套、200 套、500 套录波设备的故障数据，其值取自于50 次录波文件处理的平均值，接入录波设备越多，数据接收层越繁忙，导致运行空间更多的占用，继而引起故障分析耗时越多，但是影响并不大，误差范围和正确率没有影响，整个过程中没有出现宕机情况，可见基于多源异构信息处理技术的录波主站具有实际意义。

3 结束语

本文设计了继电保护信息智能化处理方法，包括智能容错、无损转换和融合分析技术，完成对多源异构故障信息群组生命周期的管理。该技术应用于录波主站系统可带来以下优势：

1）解决了异构数据对调度主站的冲击，并有效可靠分拣出故障信息；

2）对故障数据进行综合横向分析，提升了各专业信息共享水平，有助于优化事故处置手段和诊断水平；

3）运用多种故障分析模型，实现了丰富的电力录波数据的分析功能。

为了进一步提高继电保护多源异构信息的处理水平，后期将研究运用自主学习算法挖掘大数据，并结合故障诊断模型预测故障事件。