扰动激励下智能变电站保护信息交互失效控制

许 娇，吕飞鹏

(四川大学电气工学院，四川 自贡 643000)

1 引言

科技水平的不断创新，推进了电力企业的可持续发展，也让电网实现智能化管理[1]。智能变电站能够充分完成数字化信息采集与管理，最大限度降低投资成本，提高资源利用率。继电保护是为电力企业及电网运行提供保护的系统，有效预防电网大面积断电，保证电力系统的平稳运行[2]。

智能变电站继电保护突破了传统继电保护采样-计算-出口方式，其保护性能的实现离不开智能变电站合并单元、保护设备、智能终端等设备信息的有效交互。所以，分析智能变电站保护信息交互失效原理，并对失效信息进行妥善管控，降低保护信息交互失效概率，对提升智能变电站的整体性能具有重要作用。文献[3]提出一种基于特定条件下集射极饱和压降V＿(CE(on))的IGBT模块老化失效状态监测方法。首先根据IGBT模块饱和压降的等效模型，结合IGBT模块输出特性曲线的特点，分析得出曲线交点处对应的V＿(CE(on))不受温度影响，然后阐明IGBT模块老化对V＿(CE(on))的影响关系，最后分别采用对IGBT模块进行加速老化实验验证方法和人为逐根剪断键合线模拟老化情况的验证方法，对不同工况下IGBT模块的V＿(CE(on))进行测量和分析。但是该方法的变电站保护信息交互失效事件发生概率较高。文献[4]提出一种基于进程仿真工具PAT的智能变电站保护信息交互建模与验证方法，分析了多个厂家保护装置的原理，构造了保护系统的告警故障树，给出了各保护子功能的工作条件与告警信号的对应关系，采用进程仿真工具PAT的实时系统模块RTS(Real-Time System Module)，对各IED的内部工作、各IED之间的交互过程等进行建模，包括工作条件、各进程之间的信息传递与时序等，给出了保护子功能死锁与保护系统运行阶段的断言与验证。但是该方法的变电站保护信息交互失效控制精度较低。

根据上述方法存在的问题，本文提出一种扰动激励下智能变电站保护信息交互失效控制方法。首先使用基于扰动激励的保护信息交互故障识别手段，计算保护系统的动作可能性和速率，并设定穿越频率、穿越时间、动作区持续时间及跳闸回路运行时间为继电保护设备故障的敏感度参数，为信息交互失效的有效控制提供帮助；其次建立保护信息交互失效模型，通过分析信息交互失效机理，获取信息失效主要缘由，并根据信息交互失败和不期望信息交互两种失效类别设计故障树保护信息交互失效模型，了解信息交互过程中的缺陷；最后采用模糊DEA理论保护信息交互失效控制方法，有效保障信息交互的安全性，减少交互失效的发生概率，为智能变电站的高效率运行提供参考借鉴。

2 基于扰动激励的故障敏感度参数设定

扰动激励模式可以按照变电站继电保护评估模块的请求简化变电站数据，继而获取指标数据集，将其用于评判继电保护的运行状况[5]。本文设计一种基于继电保护运作准则的可量数字化指标机制。

首先设定动作可能性和速率机制，将启动距离定义为SD，动作距离为OD，启跳时间为Tso。启动距离为继电保护设备测量值和保护启动的相对差值，具体描述为

(1)

式中，Fsm表示保护设备测量值，Fss表示保护设备启动值。动作距离是继电保护实测值和保护动作边界的相对差值，可将其记作

(2)

其中，Fsd为保护设备的动作值。

启跳时间Tso表示从继电保护设备开启至发射跳闸命令的时间，如式(3)所示

Tso=To-Ts

(3)

式中，To为跳闸命令的发出时段，Ts为开启时间。穿越频率、穿越时间、动作区持续时间及跳闸回路运行时间是反应继电保护设备故障的敏感度参数。穿越频率表示保护设备从启动保护开始至故障修复的全部过程动作的边界数量。假设Sing是一个符号函数，若OD函数处于正转负或负转正的情况下，那么Sing(OD)的值增加1，具体可以表示为

TF=∑Sing(OD)

(4)

穿越时间代表从保护初始阶段至设备第一次超出整定值的时间，具体可以表示为

Tsi=Ti-Ts

(5)

式中，Ti为保护设备测量值第一次超出整定值的时段。

动作区持续时间表示保护测量值维持在动作区域内的时间，表达式为

Tip=Tp-Ti

(6)

式中，Tp代表保护设备测量值在故障时第一次返回值的时段。跳闸回路运行时间是指从保护发射跳闸指令至断路器断开，保护测量值第一次不高于返回值的时间差，将其记作

Top=Tp-To

(7)

式中，To为保护设备输出跳闸命令的时间。

通过上述过程，可以及时发现保护系统的安全隐患，准确判断出智能变电站系统是否存在保护信息交互故障，为保护信息交互失效的有效挖掘提供帮助。

3 保护信息交互失效模型构建

3.1 信息交互失效分析

继电保护信息交互失效是指继电保护信息无法有效的从信息发布方输送至信息订阅方，或者继电保护信息在传送时发生改变，甚至订阅方接收到错误信息[6]。下面对信息交互失效的集中因素进行详细介绍。

过程层网络具备通信网的共性问题，很有可能出现架构不完整、配置错误、网络丢帧等性能问题。通常情况下，网络断链会致使信息输送物理介质无效，继而形成信息交互失败现象。

虚拟相连关系隐含在SCD文件内，具备一定的抽象性，由于模型文件的设定、装配和下装都是通过人工实现的，所以人员操作失误引发的虚拟相连关系错误是很普遍的现象。如果重要虚拟相连关系出现漏洞，对应信息在报文接收端会被拒绝，导致信息交换失败。

在压板中，软压板没有可见断联点，和工程人员运行维护习惯有较大差别，所以不可避免的出现误操作行为。如果软压板漏退，那么应该断开的信息交互维修域和运行域依旧具备信息关联，形成不期望信息交互。反之，如果软压板误退，极有可能形成本该在同一运行域实现信息交互的两个装置断开部分或全部信息关联，造成信息交互失败。此外，使用检修压板、光纤和软压板结合实现继电保护隔离，很容易因为搭配不当导致漏隔离及误隔离。

报文可靠性决断功能由软件完成，使用报文品质数据对报文可靠性进行评估，其功能精确性依赖于检测的严格性。如果不对此项工作进行改进，报文接收端会受到失效报文，也就是不期望信息交互。

由于时钟源遗失、采样通道阻碍、网络异常等原因的不可控性，信息极易出现不稳定状态[7]。此外，保护设备等IED装置依靠报文品质信息判别异常报文，若品质信息出现错误，那么报文可靠性决断出现错误，致使设备收到异常报文，形成不期望信息交互。

3.2 基于故障树的保护信息交互失效模型

通过上述分析可以看出，信息交互失效包含信息交互失败(T1)及不期望信息交互(T2)两种失效类别。前者包含信息交互通道失效(A1)和信息异常(A2)，后者包含不期望信息交互关联存在(A3)及异常报文处理错误(A4)。而形成A1失效的因素有B1、B2、B3，形成A2失效的因素仅有C1，形成A3失效的因素包含B2和B3，形成A4失效的因素有B2、B3。这样就能构建一个保护信息交互失效模型，如图1所示。

图1 保护信息交互失效模型

通过建立保护信息交互失效模型，可以找出智能变电站保护信息交互过程中容易产生失效的薄弱环节，为后续信息交互失效的精准控制提供先决条件。

4 基于模糊DEA理论的保护信息交互失效控制

采用基于模糊DEA理论的保护信息交互失效控制方法，可以有效增强智能变电站继电保护力度，对保护信息交互进行精准管理及控制，减少保护信息交互失效事件的发生。

模糊理论是一种利用数学方式表达边界不清楚事物的理论[8]。在保护信息交互失效控制体系中，具备模糊性的指标有定检状况、设备缺陷状况、运行环境和家族性资料，对应的因素集合就是上面四个指标，将其定义为

U={u1，u2，u3，u4}

(8)

进行失效控制的过程中，考虑专家建议和运维人员经验，将控制评估状况划分成良好、一般、注意、异常、极其异常五个等级，对应的评估集合为

V={v1，v2，v3，v4}

(9)

模糊理论量化主要是明确每个定性指标关于统一评估集合的隶属度函数，通常使用的隶属度函数分布有三角形、梯形、正态等。与其它函数对比，模糊正态隶属度函数能够很好地呈现出装置形态特征信息及性能，真实反映出目前装置的运行状态，以便对保护信息交互失效进行精准控制[9]。将模糊正态隶属度函数记作

(10)

其中，r(u)表示参变量u的隶属度，μ表示分布期望值，σ表示高斯函数宽度。按照高斯函数特征，函数曲线下99.86%的可靠度在μ的三个标准差3σ之间，一般将6σ当作各个隶属度函数的定义域。为了使计算更加简便，将因素集合内的参变量转变为越高越优型。

将指标极其异常和注意隶属度函数作为例子[10]，将两个指标的计算解析式描述为

(11)

(12)

DEA是运筹学的延伸，它把工程效率理念加入到多输入及输出系统的控制效率评价中，利用数学的分形规划模型推算出每个决策单元相对于生产前沿面的偏差度，以此来权衡对应效率，然后经过最优化流程获取权重，提高保护信息交互失效控制速度。

DEA理论中使用最多的模型是CCR模型。若拥有n个互相独立的决策单元DMUj，各个决策单元共有m种投入xj=(x1j，x2j，…，xmj)T及s种产出yj=(y1j，y2j，…，ysj)T，那么第k个决策单元的对应控制评估模型为

(13)

(14)

构建一个输出带权重收敛模糊控制模型

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

使用模糊DEA控制评估模型可以得到控制评估值bj，然后使用最大隶属度手段得到与最高评估值bmax=max{bj|j=1，2，3，4}相对应的判断集因子vj作为最终的保护信息交互失效控制结果，其表达式为

(20)

5 仿真研究

为了验证本文提出扰动激励下智能变电站保护信息交互失效控制方法的可靠性，实验使用Onos 1.3.0控制器为智能变电站网络操作系统，mininet 2.2.0为数据平面，VMware 12为继电保护系统载体。电力系统继电保护实验平台如图2所示。

图2 电力系统继电保护实验平台

通过继电保护实验平台进行电力系统继电保护故障信息采集，采样数据如图3所示。

图3 电力系统继电保护故障信息

采用文献[3]方法、文献[4]方法和本文方法，对变电站保护信息交互失效控制精度进行对比分析，对比结果如图4所示。

图4 保护信息交互失效控制精度对比

从图4中可知，本文方法的保护信息交互失效控制精度一直保持在95%，而文献[3]方法和文献[4]方法在时间为25s时，控制精度均呈下降趋势，是因为文献[3]方法和文献[4]方法没有对继电保护系统进行全局故障识别检测，无法保证交互信息失效的时效性，因此控制精度较低。

为了进一步验证本文方法的有效性，对文献[3]方法、文献[4]方法和本文方法的变电站保护信息交互失效事件发生概率进行对比分析，对比结果如图5所示。

图5 失效事件发生概率对比

图5为三种方法的变电站保护信息交互失效事件发生概率对比，从图中可以看出，文献[3]方法和文献[4]方法的变电站保护信息交互失效事件发生概率较高，而本文方法的变电站保护信息交互失效事件发生概率较低，说明本文方法在扰动激励下智能变电站保护信息交互失效控制效果较好，可以确保智能变电站的平稳运作。

6 结论

针对智能变电站保护信息交互失效的问题，提出一种扰动激励下智能变电站保护信息交互失效控制方法。通过基于扰动激励的继电保护设备故障的敏感度参数设定，明确交互失效故障的发生，利用故障树构建保护信息交互失效模型，探寻交互失效的根本原因，通过模糊DEA理论对交互失效现象进行精准控制，降低变电站保护信息交互失效事件发生概率，维护智能变电站的安全运行。