基于粗糙集的变电站直流系统跳闸故障诊断方法研究

冉 迪，王来源

国网宁夏电力有限公司超高压公司，宁夏 银川 750000

0 引言

近年来，社会建设与发展速度加快，各行业领域的生存与发展都需要电力资源的支持，人们在生产生活中对电能的依赖性逐渐增强，因此对电网供电安全的要求越来越高。直流系统是变电站二次系统的主要电源，若直流系统发生故障，会损害电网设备。尽管目前有多种手段为电网运行提供保障，但直流系统仍然会在运行中出现断路器误动或拒动现象，导致跳闸故障等情况。为了避免故障范围进一步扩大，需要对故障作出正确的判断，采取有效措施尽快恢复变电站二次设备的运行[1]。

变电站直流系统的组成包括充电装置、直流馈线屏、蓄电池等，为了保证变电站直流系统运行的稳定可靠，直流系统中还安装了绝缘监测装置、蓄电池电压监测装置、交窜直监测装置等，便于及时发现直流系统的故障并发出告警信息[2]。为了对变电站直流系统进行检修与维护，需要对变电站直流系统进行故障诊断，并通过相应的方法处理不同类型的故障。目前的故障诊断方法的容错性较低，且实时性和准确度均有待提高，因此需要提出新的故障诊断方法。粗糙集理论具备较强的分类能力，能够通过知识约简来简化决策系统，在变电站故障诊断中得到应用。文章对直流系统跳闸故障诊断进行研究，为提高变电站直流系统跳闸故障诊断方法的准确性提供了重要的参考依据，对推动智能电网建设具有现实意义。

1 故障诊断方法

1.1 变电站直流系统故障信息在线监测

变电站直流系统的安全性影响电力系统的稳定运行，为了保证在可靠运行条件下的在线监测，在测量时应避免对开关操作造成影响，避免出现开关误操作的情况[3]。对直流系统中交流的窜入进行监测时，当交流电窜入直流系统后，直流正负母线间电压不会产生明显变化，而直流母线对地电压波形为正弦波形，因此对直流系统对地电压进行监测，根据对地电压变化情况判断直流系统中是否存在交流电窜入。着重考虑将交流电压值从叠加的故障电压中分解测量，可以利用差分电压法，进行电压采样，在一个采样周期内的采样点数n为

式中：p为交流电窜入直流系统的频率；Δt为采样时间间隔。

将一个周期内采集到的电压和下一个周期采集到的电压相减，计算有效窜入直流系统的交流电的电压值U，具体公式为

式中：Δu1,…,Δun为差值处理后的电压值；γ为校正系数；n为采样次数。

经处理得到交流电窜入直流系统的有效值。通过智能监测装置的自检功能[4]，根据模拟量采样和数字量采样的实时比较，判断采样单元是否正常，确保在线监测功能的实现。

1.2 基于粗糙集的直流系统故障诊断规则提取

文章基于粗糙集进行知识挖掘，便于在变电站直流系统出现故障时及时判断故障区域。不同的变电站具有不同的直流系统结构，需要获取变电站直流系统的故障诊断知识，提取变电站直流系统的故障诊断规则[5]。将变电站直流系统中的故障数据作为跳闸故障决策的条件样本数据，构建故障样本集，对其进行化简，删除冗余知识，获取诊断规则。假设粗糙集合T=（U，R）为故障诊断规则库。其中，R为有限集，且不为空集。如果集合R中的元素r为必要元素，则该数据为必要数据，不进行冗余数据的删除处理。若粗糙集中各元素r都是必要的，则该集合为独立的，反之，该集合为相关的。变电站直流系统的故障诊断电路如图1所示。

图1中，Rx和Ry分别为正负母线的对地绝缘电阻，在正常无接地时，可认为其电阻值接近∞；Rb1和Rb2为平衡电阻；Rc1和Rc2为测试桥电阻；h1和h2为继电器接点；CT1和CTn为电流传感器。根据直流系统结构，建立故障样本决策表，表中条件属性取值为0时，未出现直流接地故障；取值为1时，出现直流接地故障。决策属性为故障区域，通过属性重要度进行约简，将决策表中的冗余记录删除。根据约简要求完成对变电站直流系统跳闸故障诊断规则的提取，用于变电站直流系统跳闸故障诊断。

图1 变电站直流系统故障诊断电路

1.3 建立变电站直流系统跳闸故障诊断模型

根据故障区域决策表进行约简后，以神经网络为对应，建立变电站直流系统跳闸故障诊断模型，实现故障诊断。文章基于粗糙集理论，对变电站直流系统跳闸故障知识进行挖掘，消除数据中存在的干扰，完成属性选择的优化，训练输入样本和输出样本，建立变电站直流系统跳闸故障诊断区域的诊断模型。在基于神经网络的直流系统跳闸故障诊断模型结构中，造成直流系统跳闸故障的原因有多种，其中，直流系统的接地故障是引起跳闸故障的重要原因。断路器出现变位信息错误和缺失的情况会对跳闸故障区域和故障点的定位形成一定的干扰，为了尽可能地降低该情况对跳闸故障诊断的影响，需要识别与确定跳闸故障区域的边界。在变电站直流系统发出故障告警后，及时检查直流系统中的馈线开关状态，查找故障区域，监测各元件参数，对参量超过阈值的元件进行故障诊断，便于后期变电站运维人员的检修工作。

2 方法验证

为了验证文章设计的方法对变电站直流系统的跳闸故障诊断效果，以110 kV变电站为实验对象，通过与其他诊断方法对比的方式，分析文章设计的方法对变电站直流系统跳闸故障的诊断效果。该110 kV变电站包括母线、充电装置、直流馈线屏、蓄电池、绝缘监测装置、蓄电池电压监测装置、交窜直监测装置等。故障属性约简利用rose2约简软件进行。所用计算机主机CPU为intel酷睿i5处理器，2.0 GHz；硬盘Seagate 2 TB，内存为4 GB，800 MHz；操作系统为Windows server 2010。首先对直流系统中的交流窜入的交流电压监测结果进行分析，模拟在直流母线上窜入10～200 V的交流电压，验证文章设计的故障诊断方法在直流系统交流电压窜入监测中的监测结果准确度，具体结果如表1所示。

表1 直流系统交流窜入监测结果

由表1可知，直流系统母线在发生交流窜入时，文章设计的跳闸故障诊断方法能够对交流电压实现有效监测，在窜入的交流电压不断增大的条件下，负母线与大地之间的测量值误差逐渐减小，且总体上对直流系统母线的交流窜入交流电压测量值误差均在5.00%以内，证明文章设计的方法具有较好的监测效果。

在故障监测信息准确的情况下，对不同案例的诊断结果如表2所示。

表2 不同方法故障诊断结果对比

由表2可知，不同故障诊断方法的诊断结果较为一致。在案例4中，由于T1的继电器保护信息丢失，传统方法2出现了错误诊断情况；在案例3中，由于断路器不运行，传统方法1出现错误诊断情况。由此可见，文章设计的方法在部分故障报警信息丢失的情况下，仍能得到准确的故障诊断结果。为了进一步验证不同方法在不同告警信息缺失情况下的故障诊断准确性，对不确定的告警信息比进行定义，具体公式为

式中：G为不确定的告警信息比；K为接收到的告警信息数量；K1为不确定的告警信息数量。

将不同诊断方法在不确定的告警信息数量条件下进行测试，共进行10轮，对比不同方法在跳闸故障诊断的准确率precision，具体计算公式为

式中：f为故障诊断正确数；b为故障诊断错误数。

根据式（4）得到不同方法的跳闸故障诊断准确率。在不确定的告警信息比在2%以内时，不同方法的准确率均为100%；在不确定的告警信息比逐渐提高后，文章设计的方法的跳闸故障诊断准确率有所下降，但总体较为稳定，两种传统方法的跳闸故障诊断准确率有大幅度的下降，证明两种传统方法受不确定的告警信息比的影响较大。由此可见，文章设计的方法在不确定的告警信息比不断上升的条件下准确率最高。

验证不同故障诊断方法在诊断过程中的可靠性，文章设计的跳闸故障诊断方法能够对故障点进行准确预测，且跳闸故障点定位所需时间最短，所需人员最少，证明文章设计的方法能够提高变电站直流系统的安全性和可靠性，方法具有可行性。

3 结束语

文章通过实验论证分析进行对比研究，实验结果表明，直流系统母线在发生交流窜入时，文章设计的跳闸故障诊断方法能够对交流电压实现监测，对故障点进行准确预测，为后面实现对变电站直流系统跳闸故障的诊断提供实验基础。同时，由于时间和条件的限制，文章的研究还存在诸多问题，需要在今后的研究中不断改进和完善，如文章对变电站直流系统跳闸故障的预警内容涉及较少，未涉及直流系统跳闸故障处理的内容。在未来的研究中，需要深入探索，不断丰富研究内容，提升跳闸故障诊断的准确度，加强跳闸故障诊断方法的实用性。