基于深度学习的站用交直流电源系统故障诊断方法

2022-10-28邓刚宋海波

电子设计工程 2022年20期

邓刚，叶伟，程磊，宋海波

（安徽南瑞继远电网技术有限公司，安徽合肥 230031）

交直流电源系统主要向变电所设备供电，是电力系统中安全传输的关键[1]。该系统一旦出现故障，就会引发电网事故。交流、直流电源系统中普遍存在的问题有蓄电池插座无保险丝或保险丝未报警，电池出口保险丝报警信号未上载到控制部门等，因此，有必要对电源系统的故障状态进行诊断。

文献[2]方法提出了基于遗传算法的多核函数最小二乘支持向量机的控制图模式识别方法，有效地解决了小样本模式分类问题。但是，当该方法用于HVDC 电源诊断时，会出现混合故障现象；文献[3]提出了一种改进的FFT-BP 算法，解决了小信号的偏移问题，利用预处理得到的谐波参数信息，其运算速度更快，但受到干扰信号的影响，诊断结果不准确。

为解决以往方法存在的问题，结合深度学习方法，诊断站用交直流电源系统故障。

1 基于深度学习故障诊断原理

基于深度学习的系统故障诊断结构如图1所示。

图1 基于深度学习的系统故障诊断结构

由图1 可知，在完成无监督学习之后，将每层训练后的数据进行组合排列，形成深度学习网络[4]。将深度学习方法应用于电站交直流供电系统的故障诊断中，不需要设置诊断样本数，而是在诊断过程中不断增加数据量，直到设置的虚警率控制系数和目标阈值皆达到最大值，停止校准[5]。

经过有监督微调过程后，输出不同故障诊断结果，设故障变量为随机变量X，其标准取值范围如下所示：

式（1）中，k表示故障种类，其是随机变量中的一种概率分布。

2 站用交直流电源系统故障诊断方案设计

2.1 直流回路接地故障

在t时刻，构建如下假设检验模型：

H0：Xt服从P0(Xt)，系统正常；

H1：Xt服从Pk(Xt)，系统出现了故障。

当站用交直流电源系统正接地或者负接地时，只存在一个接地点，不能形成回路，也不会出现自动跳闸问题，不会影响设备的正常使用[6-9]。然而，当接地点一侧的母线电压逐渐降低后，另一侧的非接地点母线电压持续上升，绝缘装置会发出报警信号。此时，设备虽然可以正常工作，但必须尽快清理接缝，否则两点接地后的开关就被拒动或误动，将导致严重的电网事故[10]。

跳闸回路直流系统接地情况如图2 所示。

图2 跳闸回路直流系统接地情况

由图2 可知，正接地是指在电源正极侧发生的接地，负接地是指在电源负极侧发生的接地。图2中，共有A、B、C、D、E、F 六个接地点，每个接地点的位置各不相同。当断路器处于合位时，A 为正接地点，F 为负接地点，B、C、D、E 为回路中的接地点[11]。依据图2 所示的结构，对故障原因进行详细分析，并确定断路器无法稳定工作时的触点闭合状态[12]。

2.1.1 正接地分析

假设A 点发生正接地，讨论B、C、D、E 四个位置发生接地时的情况。

1）当A、B两点直接接地时，保护装置中的GOOSE接地点处于短接状态，此时，继电器处于闭合状态，当闭合器获取电流后才能开始工作。这时，触点处于闭合状态，因而，线圈接通，断路器误以为是电源供电，误以为产生电源故障[13]。

2）当A、C 两点直接接地时，继电器出现了短接情况，此时，线圈接通后，产生电流，断路器出现误跳现象。

3）A、D 两点接地时，电流线圈短路，造成断路器误跳闸。

4）当A、E 两点接地时，两操作手柄之间的距离缩短，此时，保护不动作，断路器自动跳闸，则为误跳闸[14]。

2.1.2 负接地分析

假设F 点发生正接地，讨论B、C、D、E 四个位置发生接地时的情况。

1）当继电器短路后，F、B 两点直接接地，此时，保护装置向系统发送跳闸预警信号。GOOSE 接地点处于闭合状态，然而由于出口处的继电器短路，使得出口处的继电器无法正常工作，最终出现跳闸故障[15]。

2）当F、C 两点直接接地时，断路器常触点断开，此时线圈短路，出口处的继电器无法正常工作，最终出现跳闸故障。

3）当F、D 两点直接接地时，线圈短路，出口处的继电器无法正常工作，最终出现跳闸故障。

4）当F、E 两点直接接地时，GOOSE 接地点处于闭合状态，插座继电器通电，直流电流需要通过电阻和信号灯返回负极[16]。当电流分配时，线圈励磁电流不足，断路器工作不正常，断路器故障。

2.1.3 正接地和负接地同时发生

当A、F 两点直接接地时，产生了电源短路现象，导致1KD 和2KD 空转断开，整个直流回路失去保护。为此，当接触点直接接地后，无论是正接地还是负接地，都会引起断路器出现错误执行现象。

2.2 寄生回路故障

针对寄生回路故障，应计算t+l时的对数似然概率，公式为：

式（2）中，Pk表示出现误报警的概率，P0表示漏报警的概率。

设定检验停止法则为：

式（3）中，H0表示校验停止法不成立即被否定的概率，H1表示校验停止法则成立并被接受的概率。

由式（2）可得LR的递推公式为

式（4）中，当LRt+1∉(lnT(H0),lnT(H1))时，则应立即停止检验，反之，则继续检验。当检验停止时，依据式（5）进行判决：

式（5）中，依据判决接受H0时，该时刻的系统是正常的，无故障情况发生；接受H1时，系统出现寄生回路故障。

2.2.1 直流串接

设第一组的站用交直流电源系统正极通过电阻后，直接与第二组的站用交直流电源系统负极连接，即+KM1 通过电阻R1和-KM2 连通，其等效电路如图3 所示。

图3 直流串接等效电路

由图3 可知，+KM1 和-KM2 是通过电阻连接的，其依靠两个触点直接形成串联回路。结合图3 中的箭头所示，蓄电池组1 与+KM1 串联，通过电阻R1、平衡电阻直接与-KM1 连接，同理，蓄电池组2 连接情况与蓄电池组1 一致。设计直流串接等效电路，会降低母线的电压，使得两个蓄电池组的负极电压快速升高，造成开关误动。

2.2.2 交流串接

交流串接指的是站用交直流电源系统出现了直流与交流电器连接现象，为此，需设置-KM1 通过一个R2电阻串接的等效电路，交流串接等效电路如图4 所示。

图4 交流串接等效电路

由图4 可知，在-KM1 端通过电阻R2与开关串联后，蓄电池组1 依赖触点形成寄生回路。当出现寄生故障问题时，系统会发出直流接地的报警信号，然而该电路并未直接接地，因此，需通过直流母线的绝缘装置发出预警信号。通过测量电阻R2可知，电阻值会明显减小，这是寄生电路故障的固有特征，以此对寄生电路进行故障诊断。