基于AI加速模块的换流站控制保护二次回路预警系统

2021-05-23刘英男李亚锦

电气技术 2021年5期

周源鞠翔刘英男李亚锦

（1. 中国南方电网超高压输电公司昆明局，昆明 650000；2. 山东大学电气工程学院，济南 250061）

0 引言

自三峡直流输电工程建设以来，我国直流输电技术高速发展，相继建成了数个特高压直流工程。直流输电工程是一项庞大的系统工程，直流输电控制保护技术是其中的关键技术之一[1-3]。

近几年，直流控制保护二次回路隐蔽故障导致的继电保护不正确动作事件多次发生[4-6]：文献[4]分析了电流二次回路中性线开路和电流二次回路两点接地导致保护误动作原因，并提出继电保护采用独立二次回路的方案；文献[5]介绍了二次回路空开异常导致换相失败和直流电压采集传感器故障引起直流电压波动而导致闭锁的事故案例；文献[6]分析了直流线路电压测量异常情况下对控制保护系统的影响。

针对直流控制保护二次回路隐蔽性故障，研究人员提出了相应的改进措施和智能化方法。文献[7]采用因果网络诊断测量，对换流站保护控制设备的的互感器数据进行异常识别[7]。文献[8]设计了交流二次回路、开关量输入二次回路、断路器操作二次回路等继电保护相关重要二次回路的状态在线检测方法。上述研究内容仅从设备角度进行研究，未从站级运维角度考虑，对换流站控制保护二次回路进行系统全面监测。

综上，本文提出一种基于AI边缘计算的监测数据实时分析预警系统，在故障录波器装置端配置每秒钟可进行16万亿次计算的AI加速模块，搭建换流站控制保护多源数据模型，在故障录波器端采用统计分析和波形分析的多维数据处理算法，对换流站控制保护二次回路数据进行实时在线计算，以及时发现二次回路隐蔽性缺陷并预警。

1 换流站控制保护多源在线监测数据

1.1 在线监测数据源

换流站控制保护多源在线监测数据包括故障录波数据和保护装置采集的电气量：故障录波数据从故障录波装置采集、保护装置数据从保信子站和直流保护装置采集、控制数据从站控系统采集。

1.2 换流站直流控制保护多源数据模型

换流站保护二次回路数据按照交流场和直流场进行划分，采集数据见表1和表2。

表1 ±800kV直流场保护采集数据

（续表1）

表2 500kV交流场保护采集数据

2 多维度分析算法

采用统计分析算法和波形分析算法，在AI边缘计算终端对监测量进行快速计算分析。

2.1 统计分析算法

统计分析算法对控制保护电气量依次进行阈值比较、趋势分析和横向对比。

1）阈值比较分析算法，获取直流站控系统当前状态下，对采集控制保护电气量进行阈值比较，当电气量大于阈值时进入波形异常分析算法流程，监测电气量的阈值在不同运行模式下，对应不同的阈值向量，在不同运行模式下，电气量阈值不同，见表3。

表3 运行模式及电气量阈值

2）趋势分析算法是在直流控制系统中获取运行模式、电流指令、电压指令、功率指令，在相同运行模式下对不同时间尺度的电气量进行变化率计算，计算的变化率根据当前的电压、电流和功率控制指令阈值进行对比分析，对监测量相邻时刻的监测值进行差值比较，并比较阈值，当差值大于阈值时，进入横向对比分析算法。

当前时刻的监测值的变化率为

式中：xt为当前时刻t的状态量x的监测值；x0为切换到该运行模式初始时刻的状态量x的监测值。

3）横向对比是对双重化或三重化配置的保护装置电气量进行比对，即两套或三套保护装置上采集的电气量来自相同测点不同互感器线圈，则有

式中，W1和W2为同一测量点不同线圈采集的电气量。偏差ΔW大于阈值时异常。当t时刻和t−1时刻的同一监测量|ΔWt−ΔWt−1|＞δ时，判断异常。同一时刻监测量各项的差值大于阈值，则进入波形异常分析算法流程。

2.2 波形分析算法

波形分析算法是对发现的采集的控制保护二次回路异常电气量进行波形特征量提取，将原始数据转换为设备运行特征量，特征量为波形上某一给定数据窗所提取出的特征信息，表征给定数据窗的局部某个特征，特征提取的变量包括瞬时值、有效值、谐波、直流分量、差流、频率、电阻、测距、时间、跳闸等，从而将波形特征对应到故障特征，给出故障点和故障原因[9]。

根据突变量原理确定故障发生时刻，为故障前后特征量提取做好准备。录波数据记录故障前后的波形数据，为了提取准确的故障前后特征信息，区分故障前后的数据非常重要，这涉及如何准确地判断故障时刻的问题[10-13]。

故障的发生必然会导致波形的突变，基于这一现象，AI加速模块采用突变原理来判断故障发生的时刻。为了快速准确查找到故障时刻，本文采用有效值突变检测和采样值斜率突变检测相结合的方法，即以周波为单位计算有效值并判断相邻周波是否有突变，一旦检测出有效值发生突变，在发生有效值突变的周波内采用前后两周波采样值的斜率突变值来判断准确的突变点，这种突变检测方法既可保证快速性也可保证准确性。

2.3 站级监控分析流程

换流站控制保护二次回路站级监控分析流程如图1所示，控制保护二次回路监测电气量采用统计分析算法进行实时计算，当发现异常电气量后，进入波形分析算法。

图1 换流站控制保护二次回路站级监控分析流程

考虑控制保护二次回路缺陷的小样本特点，本文基于大量正常波形数据和运行数据建立正常波形样本库，特征量包括电气监测量和波形提取的状态量。利用聚类算法获得多维度分析指标下的预警阈值。将AI加速模块上传的数据加入样本集，可以动态修改阈值，适应环境的变化，从而更加准确地辨识缺陷。其中聚类算法属于常规通用算法，在此不再阐述。所述站级监控分析算法通过闭环修正，不断提高算法模型的识别精度；通过将参数传输到AI加速模块，提高AI加速模块的本地识别精度。

3 工程方案

根据规范标准[14-16]，设计了基于AI边缘计算的换流站二次保护多维度分析系统，系统架构如图2所示。

图2 换流站控制保护多维度分析系统架构

AI加速模块通过站内网络IEC 61850协议获取交直流保护装置、故障录波器和直流控制系统中的实时量，分析系统界面如图3所示。

图3 基于AI边缘计算的换流站二次保护多维度分析系统

4 系统验证

某±800kV换流站有96套交流保护装置和86套直流保护装置，该换流站为运行站，为验证该系统的有效性，只对500kV站用变间隔低压侧电压进行采集监测。

每个采集量分别有两套独立的保护采集装置，加装1套交流保护AI加速模块，AI加速模块通过网线与保护采集装置连接，通过IEC 61850协议进行通信，61850模型配置如图4所示。

图4 61850模型配置

对站用变低压侧电压A和B套装置进行监测，监测量见表4。其中自产零序电压为计算值，外接零序电压为测量值，根据文献[17]测量元件误差：横向屏间同间隔互感器采集数据进行对比，同一测量位置的不同传感器间测量值误差不大于5%或相位误差不大于31°。根据上述规定，结合运行经验，设置计算阈值，通过AI加速模块进行分析预警。