基于物联网的电力系统继电保护回路运行状态在线监测方法

摘 要：【目的】在数据处理过程中，常规在线监测方法只能通过滤波操作对继电保护回路运行数据进行处理，并没有对数据进行精准化处理，使得在线监测数据精准度低。为了解决这一问题，提出基于物联网的电力系统继电保护回路运行状态在线监测方法。【方法】首先，在使用常规方法对数据进行滤波操作处理的基础上，将数据输入到物联网的传输层和应用层中，改变特征图大小；其次，通过构建电力系统继电保护回路运行状态特征模型对数据处理结果进行特征提取，从而实现电力系统继电保护回路的在线监测。【结果】实验结果表明，与基于深度学习模型、基于PLC技术的电力系统继电保护回路运行状态在线监测方法相比，基于物联网的电力系统继电保护回路运行状态在线监测方法的监测数据精准度较高，其对四类运行标签的监测精准度分别为98.7%、92.2%、75.0%和100%，应用效果较好。【结论】由此证明，应用所提方法可对电力系统继电保护回路运行状态进行良好监测，能有效保障电力系统稳定运行。

关键词：物联网；电力系统；继电保护；在线监测；运行状态

中图分类号：TM77 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）21-0013-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.21.003

An Online Monitoring Method for the Operation Status of Power

System Relay Protection Circuits Based on the IoT

SONG Shaojie MA Minzhi

（Baoji Electric Power Supply Company， State Grid Shaanxi Electric Power Co.， Ltd.， Baoji 721004，China）

Abstract： [Purposes] Conventional online monitoring methods only process the operation data of the relay protection circuit through filtering operations during the data processing process， without further precision processing of the data， resulting in low accuracy of online monitoring data. In response to the above issues， a method for online monitoring of the operation status of power system relay protection circuits based on the Internet of Things（IoT） is proposed. [Methods] Firstly，on the basis of using filtering operations to process data in conventional methods， the data is input into the transmission and application layers of the IoT for feature map changes. Then， the data processing results are extracted by constructing a feature model for the operation status of power system relay protection circuits， thereby achieving online monitoring of power system relay protection circuits.[Findings] The experimental results show that compared with the online monitoring method of power system relay protection circuit operation status based on deep learning model and PLC technology， the online monitoring method of power system relay protection circuit operation status based on IoT has higher monitoring data accuracy， whose monitoring accuracy of the four types of operation labels is 98.7 %， 92.2 %， 75.0 % and 100 % respectively， and the application effect is great. [Conclusions] It can be proved that the proposed method can well monitor the operation status of the relay protection circuit of the power system， which can effectively guarantee the stable operation of the power system.

Keywords： IoT; power system; relay protection; online monitoring; operation status

0 引言

在电力系统中，继电保护回路是保障电力系统稳定运行的关键。然而，随着电网规模的扩大和设备的复杂化，对继电保护回路的实时在线监测与管理变得愈发重要。继电保护回路的故障或误动作可能会导致系统瘫痪或设备损坏，从而带来巨大损失。传统的在线监测方法存在诸多局限，如人工巡检和定期试验受限于人为因素和周期性，存在数据不全、效率低下的问题，无法满足现代电力系统的需求。因此，对基于物联网的电力系统继电保护回路运行状态在线监测方法进行研究具有重要意义。近年来，国内外学者在电力系统监测领域中已取得一定成果。例如，郑涛［1］提出基于深度学习模型的继电保护回路运行状态在线监测方法，深度学习模型作为一种基于数据驱动的方法，能自动学习数据特征，具有较高的准确性和鲁棒性，被广泛应用于电力系统中，能提高继电保护系统的可靠性和稳定性。杨雨涵［2］提出基于PLC技术的继电保护回路运行状态在线监测方法，通过线上检索和线下传感这两种方式来采集回路信息，并利用PLC技术实时监测保护装置运行时的温度变化和环境光影变化态势。物联网技术通过传感器网络、云计算和大数据分析，为继电保护回路的实时监测提供了新途径。该方法具有实时性、全面性、智能化和可扩展性等特点，能实时收集数据、全面监测状态、智能判断故障，并能根据需求来扩展功能。对物联网监测方法的研究与应用不仅能提高电力系统的安全性和稳定性，还能降低监测成本、提高管理效率和监测精准度，并为系统优化调度和决策提供有力的支持。

1 电力系统继电保护回路运行状态在线监测方法设计

1.1 基于物联网的运行状态数据预处理

为实现对电力系统继电保护回路运行状态的在线监测，需要对继电保护回路的运行状态进行分析和处理。在本研究的设计中，需要将采集到的数据输入到物联网中进行预处理。物联网通过多层神经网络的训练和优化，可以自动提取信号数据的特征，并对其进行分类和识别。物联网的感知层可以对电压和电流信号的特征进行有效提取［3］，并对这些信号特征进行分类和识别。简单来说，在使用物联网预处理采集到的继电保护回路数据时，可采用以下步骤：首先，对采集到的数据进行滤波等预处理操作，以提高数据的质量和准确性。物联网采集的继电保护回路数据包括电压、电流、功率等参数。在数据预处理过程中会用到滤波操作，以确保数据的质量和准确性。将重要的数据以滤波形式进行保存，见式（1）。

[ya=sumi=0^B-1mxa-i-sumj=1^]

[A-1nya-j] （1）

式中：y［a］为电力系统回路运行状态数据；x［a］为物联网感知层输入数据；m和n分别为滤波处理前、后的反馈系数；A和B分别滤波处理前、后反馈系数的数量。

其次，将上述经过物联网滤波预处理后的数据输入物联网的网络传输层中，通过传输行为对数据中的信号特征进行有效处理。最后，将网络传输层输出的特征图输入物联网的应用层中，通过应用对特征图进行大小改变［4］。至此，基于物联网的电力系统继电保护回路运行状态数据预处理完成。

1.2 构建电力系统继电保护回路运行状态特征模型

以上述电力系统继电保护回路运行状态数据的处理结果为基础，对其进行特征提取［5］。根据提取出的数据特征，构建对应的电力系统继电保护回路运行状态特征模型。继电保护回路运行状态特征提取过程具体如图1所示。

由图1可知，继电保护回路的电流和电压特征可以反映运行状态，电流和电压的波形、峰值、均值等多个参数能体现继电保护回路的工作质量。

根据上述特征提取的结果，对提取出的特征数据进行识别，从而识别出描述继电保护回路运行状态数据。在此过程中，通过计算分析出继电保护回路运行状态，并对运行状态进行分类，得到的分类结果即为模型最终结果。继电保护回路运行状态的数据分析过程见式（2）。

[K=K1uθ+T-sduθ=cosθ] （2）

式中：K表示处理后的运行状态数据；[θ]表示不同运行数据的峰值；T表示继电保护回路特征的数量；s表示分析运行状态权值；d表示继电保护回路总数。

通过公式（2）计算出不同继电保护回路状态的特征，以此为基础对回路运行状态进行分类。具体分类结果见式（3）。

[hK=Krh∂rcosφ+β] （3）

式中：[hK]表示回路运行状态参数值；r表示回路特征函数；[∂]表示数据特征表达函数量，一般取值［-1，1］；[φ]和[β]表示分类权重和特征分类权重。

通过公式（3）得到最终的继电保护回路运行状态数据分类，以此为模型的输出值。至此，电力系统继电保护回路状态特征模型构建完成。

1.3 电力系统继电保护回路在线监测的实现

在上述设计的基础上，构建继电保护回路运行状态特征模型，并对继电保护回路的运行状态进行在线监测。在线监测过程见式（4）。

[V=I2Nrcos2φt+ω] （4）

式中：V表示利用继电保护回路运行状态特征模型监测的数据；I表示通过继电保护回路的电流值；N表示特征分类数量；t表示继电保护回路运行状态特征模型的运行时间；[ω]表示电力系统继电保护回路在线监测系数。

在得到在线监测过程结果后，将其放入设定好的标准阈值中进行分析：若上述在线监测过程结果在标准阈值范围内，则说明继电保护回路运行状态正常；若在线监测结果在标准阈值范围外，则说明继电保护回路运行出现异常或故障。在监测过程中，如果继电保护回路出现故障，在线监测系统应迅速动作，判断出故障位置，并进行保护。继电保护回路在线监测系统的关键在于迅速定位出故障的精确位置，缩小查找时间，并对继电保护回路在运行过程中出现的故障进行实时预警，保证其监测效果。在线监测机制如图2所示。

至此，基于物联网的电力系统继电保护回路运行状态在线监测方法设计完成。

2 实验测试

为了验证本研究设计方法的实际精准性能，设置三组对比实验：本研究设计的基于物联网的电力系统继电保护回路运行状态在线监测方法为对照组（方法一）；基于深度学习模型的电力系统继电保护回路运行状态在线监测方法为参照组（方法二）；基于PLC技术的电力系统继电保护回路运行状态在线监测方法为参照组（方法三）。具体实验流程如下。

2.1 实验准备

搭建实验平台，从平台的数据库系统中采集带标签的电力系统继电保护回路运行数据635例。其中，所有采集到的继电保护回路运行状态数据类型均为数值型，标签类型为字符型。所采集的设备运行状态数据样本标签及数目见表1。

以上述继电保护回路运行数据为基础进行实验。对上述运行数据进行预处理后，通过构建好的电力系统继电保护回路状态特征模型进行验证，完成对电力系统继电保护回路运行状态的在线监测评估。实验流程如图3所示。

在得到评估结果后，即可对这三种方法的实际精准性能进行对比，并进行后续的实验。

2.2 实验结果讨论

为了验证上述三种方法的实际精准性能，采集电力系统继电保护回路的运行数据，以这三种方法与实际运行数据的精准度为评价指标，对上述三种方法的在线监测效果进行分析。具体监测结果见表2。

由表2可知，方法一的在线监测结果数据与实际电力系统继电保护回路运行状态数据最接近，四类运行标签的监测精准度分别为98.7%、92.2%、75.0%和100%；方法二的四类运行标签监测精准度分别为93.4%、44.1%、8.2%和50%；方法三的四类运行标签监测精准度分别为95.6%、6.8%、9.7%和11.1%。实验结果表明，方法一的在线监测精准度最高。

综上所述，本研究设计的基于物联网的电力系统继电保护回路运行状态在线监测方法在实际运用时的监测效果最好，监测结果最稳定，监测精准度最高，能有效监测电力系统继电保护回路运行状态，并保证其能稳定运行。

3 结语

本研究通过物联网技术实现对电力系统继电保护回路运行状态的在线监测，提高电力系统的安全性和稳定性。在研究过程中，构建了一个高效、准确的在线监测系统，该系统能实时收集继电保护回路的运行数据，并对数据进行处理和分析，从而实现对继电保护回路运行状态的全面监测和智能判断。这不仅能大大提高监测的效率和准确性，也为电力系统的故障预警和故障处理提供了有力的支持。然而，电力系统具有复杂性和多样性，本研究所提出的监测方法可能无法完全适应所有类型的继电保护回路。针对以上不足，未来的研究可以进一步完善和优化监测系统的功能和性能，提高其对不同类型继电保护回路的适应性。

参考文献：

［1］郑涛.基于深度学习模型的变电站继电保护二次回路运行状态监测［J］.光源与照明，2023（8）：159-161.

［2］杨雨涵.基于PLC技术的智能变电站继电保护二次回路检修方法［J］.电子设计工程，2023，31（10）：25-28，33.

［3］陈国峰.基于小波变换的电力变压器局部放电在线监测方法［J］.电工技术，2023（13）：136-138，141.

［4］姜晋，刘广旭，陈安峰，等.继电保护回路中交流电串入直流回路的危害及防范措施［J］.光源与照明，2022（3）：216-218.

［5］谢志平，张旭丰.基于标准化设计的继电保护回路自动审查技术的研究与应用［J］.电气时代，2021（6）：39-42，45.