一种电网调度中心的故障信息识别方法

0 引言 电力系统的安全性、稳定性和经济性一直是系统运行的主要目标。然而，由于电力系统的复杂性及其特有的运行条件的限制，如配电系统抗自然灾害干扰性较差、操作频繁、易于失误等，都可能引发故障，进而破坏系统运行的各项指标。因此，如何消除故障隐患或避免事故扩大及事故后的恢复是运行人员的首要任务之一。 现代调度中心都配备了先进的计算机系统，这些现代化设备的引入无疑提高了系统运行的自动化程度，减轻了运行人员枯燥繁重的工作。但另一方面，由于各种原因而造成的大量信息的涌人，也给运行人员在紧急状态下的信息识别增加了难度，尤其是在电力系统发生复杂故障时，如多重故障、越级故障等，将有大量的警报信息、故障信息涌人调度中心；加之声、光等多媒体信息，加深了运行人员的紧张状态，难于进行正确的识别，并因此可能由于判断失误而使故障扩大。 调度中心的计算机系统通常提供了警报及故障信息收集功能，并可将这些信息在终端上显示出来。但在故障状态下，这些未经过滤的信息无法准确地确定故障的位置，无法区分冗余或误传信息。事实上，由于电子系统的固有缺陷，信号的误传和丢失是经常发生的，如果仅仅依靠SCADA系统提供的信息，准确的判断是很难形成的。所以，在线的故障信息滤波对于处理故障及故障后恢复乃至于事故分析过程都是相当重要的。 剔除无用信息、准确地定位故障路径、向运行人员或高层软件系统提供处理事故的依据，这一过程通常是由有经验的运行人员人工识别的。但随着计算机技术、人工智能技术的迅猛发展，这种基于经验的处理模式元全可用基于规则的专家系统来实现。20世纪80年代后期，一些实现上述功能的系统已出现在国外电网中，并发挥了显著的作用。 本文介绍一种基于规则的故障信息滤波系统，该系统以SCADA系统采集的开关和保护信息为数据基，滤除冗余的信息及各种误传信息，形成故障数据链，为准确定位故障点提供依据。本文主要介绍故障信息滤波的理论依据及其实现方法。 1 基本原理 电力系统警报和故障信息通常来自SCADA系统的数据采集功能，该系统将断路器、隔离开关和保护状态信号收集起来，实时传送到电网控制中心，作为运行人员判断故障的数据基础。这些数据包的内容将有如下几种可能：①警报或故障信号：能正确反映故障状态的信息；②误传信号：无故障时，误发故障信息；⑧重复传送信号：由于某种原因多次传送故障信息；④故障信息丢失：有故障，但未传送某些故障相关信息。为实现准确的故障判断，应对上述信号进行处理，滤除冗余，识别误传，并应能根据不完全的信息进行模糊的逻辑判断。 电力系统具有明显的分布特性，所以系统的网络拓扑结构也有着较严格的逻辑关系，即系统元件间的连接遵循分级特征，并可能随运行方式的变化而使拓扑结构发生变化。而运行方式的变化则为一有穷集合，其基本形式可以以断路器、隔离开关的状态来体现。例如系统内的元件间具有如下主要典型规律(电源规律)：①某开关是另一开关的上级；②某开关是另一开关的下级；③开关对应的隔离开关与某母线相连；④某线路(开关)具有双向潮流特征。 上述规律决定了系统的连接属性。若再配以如下逻辑规则——仅当下级保护动作，且下级开关未动作，同时上级开关保护、开关动作时，为越级故障信息；仅具有双向性的线路可能出现双向越级故障；时间相同信息可能为重复性误发冗余信息；无上下级关系的动作信息可能为误发信息；故障信息应遵循网络拓扑连接规律(运行方式)——就提供了对故障路径的识别基础，当运行方式确定之后，可能的故障路径就确定了，用计算机的特定方法，对未经处理的粗数据进行故障路径的搜索，即可一次性实现故障数据的滤波，提供故障识别的数据链，为处理故障提供依据，这是本方法的基本思想。 2 系统的实现 2．1 基本原理 为实现准确的判断，对原始数据的处理过程是必不可少的。故障信息滤波的主要功能是对数据进行前期的处理，或称为预处理，图1示出了该功能在整个系统中的地位。 由图1可知，数据滤波的作用在于形成可供故障定位系统使用的故障数据链。该数据链上的数据仅为反映故障的信息，并可作为进一步处理的数据基础。为实现这一目标，下述功能模块是必须的。 a．数据接收模块：实现与SCADA数据采集功能模块的连接，接收来自SCADA的原始故障数据。 b．数据库管理模块：为实现正确的故障信息滤波，电力系统的当前状态信息是必不可少的，它将记录目前系统的运行方式，是形成故障数据链的数据基础。 c．数据链生成模块：根据所接收的实时数据，参照实时数据库的状态信息，按时间顺序产生数据链，实现数据滤波。 d．故障数据链发送模块：实现与高层软件系统，如故障定位系统的接口。 其中，模块b、模块c是实现数据滤波的主要功能模块。 2．2 实现方法 a．数据接收模块 接收来自SCADA系统的原始故障数据，电力系统实时网络通常采用WINSOCK通信方式、TCP／IP协议，以打包发送的方式传递，该模块也应采用相同方式。本系统使用非阻塞socket、多线程程序设计方法，以避免发生数据包的丢失。为记录电力系统运行的实时状态，数据包分为故障数据包和状态数据包两种，分别实现故障数据的采集和动态状态数据库的刷新。 该模块将实现本系统与调度自动化SCADA系统的接口，故障及正常状态数据可取自远动系统，本模块的通信线程将处于实时监听状态，实时接收可能到来的故障信息及定时发来的状态信息，详见文献[1]。 b．数据库管理模块 为实现电力系统运行状态的实时记录，本系统内必须建立实时更新的状态数据库，该数据库将动态实时刷新，是数据滤波的数据基。同时，数据库内还必须记录网络拓扑连接状态及元件的特性，如是否具有双向性等。本系统的数据库包括：断路器状态库、隔离开关状态库、保护状态库。表1为数据库的数据结构简述。 隔离开关库有着基本相同的数据结构，保护状态库稍有不同，本文不详细介绍。由表1可知，数据库记录了网络连接的实时拓扑状态，按电源方向分类，如人线链指本开关的下级开关，出线链则是与本开关连接的上级开关，双向性是指该元件具有双向电源，潮流的方向可能变化。这些数据是滤波的重要依据，各库均应以一定的扫描周期进行动态刷新，以保证数据处理的可靠性。 c．数据链生成模块 故障数据链的生成过程即是故障信息滤波过程。基于与SCADA系统的通信协议，故障数据包的内容将包括：元件类型、元件号、动作状态、动作时间等。当复杂故障情况，如多故障、多重故障、越级故障等时，将可能接收多个数据包。故障信息滤波过程如图2所示。电力系统元件状态动态数据库是进行滤波的重要数据基；此外，动作时间是进行判断的另一重要依据，时间分辨率为毫秒级，时间相同则可能为重复发送数据，相关联元件的动作时间超出容许范围，则可能是误发数据等，与实时数据库所记录的元件间关系相对照，加以已定义的规则进行判断，就可实现数据的滤波，并最终按时间序列生成相互链接的故障数据链。该数据链已基本剔除了不良数据，对可能丢失的数据进行了标记，形成了隐含的可能的基本故障路径，供故障诊断系统使用。数据链的原理结构如图3所示。 d．故障数据链发送模块 故障数据链应以可靠的方式传送给诊断系统，本系统采用的方式是多线程共享内存方法，以多缓冲区方法解决多个故障数据链共存情况，并使用同步和互斥技术来解决可能出现的线程之间对共用数据区的访问冲突。 2．3 开发平台及程序设计方法 系统开发平台为Windows NT，程序设计语言为VC++，数据通信采用WINSOCKAPICZ~。为提高系统的实时性，防止数据包丢失，使用了多进程、多线程技术，实现了进程、线程间的并发执行，提高了整个系统的效率和稳定性。动态数据库系统使用ODBC技术。整个软件包层次分明，结构紧凑，用户界面友好，有效地保证了系统的可靠性和效率。 3 结语 本文提出的信息滤波方法，可有效过滤不良数据，为运行人员的数据分析、高层软件的数据使用等提供了良好的前提条件。该方法已应用于盘锦地区电网调度中心的警报处理与故障定位专家系统，实际应用证明，使用这种方法滤波的精度高，实时性强，完全可满足电力系统对信息识别的要求。该方法也可以用于大电网的调度自动化系统或枢纽一次变电所。 信息来源于：东方自动化