智能变电站二次设备故障诊断系统的研究

孙莉君，董科研，许晓峰，徐彦嵩，潘瑰琦，朱珈慧

(1.沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136; 2.国网辽宁省电力有限公司

锦州供电公司 发展策划部，辽宁 锦州 121000)



智能变电站二次设备故障诊断系统的研究

孙莉君1，董科研2，许晓峰1，徐彦嵩1，潘瑰琦1，朱珈慧1

(1.沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136; 2.国网辽宁省电力有限公司

锦州供电公司 发展策划部，辽宁 锦州 121000)

摘要：介绍了智能变电站二次系统的结构及其特点，分析了二次设备状态监测的信息采集方法，研究二次系统监测评估专家系统，并针对二次系统故障诊断问题，提出了采用规则推理方法对智能变电站内二次通信系统进行故障诊断，算例分析为该研究提供了可靠有效的分析。

关键词：智能变电站；二次系统；专家系统；故障诊断

在电网运营的过程中，智能变电站的二次系统是重要环节之一。对于当前的电力市场而言，由于对经济效益的追求，往往会导致某些重要元件的运行状况不佳，从而会引起故障，因此，建立完善的状态监测与故障诊断系统对于二次系统来说意义非凡。针对以上问题，采取了规则推理法，对二次通信系统进行了故障诊断及状态评估，并通过实验，证明了该方法的可行性。

1二次设备状态监测信息采集

二次系统监测评估信息的采集内容需要根据系统故障和运行异常的情况而选取，一般来说二次系统监测评估信息主要包括以下几方面内容：二次设备运行状态监测信息；二次设备动作信息；二次设备参数定值维护信息；二次设备的有关操作信息等。

智能变电站设备运行状态监测信息评估可分为要素级、设备级以及系统级。如图1所示，监测功能的实现集成于二次系统的设计中，监测环节设置于二次系统各个环节，通过在现有的智能变电站二次系统中添加监测手段，实现对二次系统的周密监测评估。

图1　智能变电站二次设备监测信息

对于系统级的监测评估来说，可以根据二次系统完成的功能来设计设备间配合评估方案。通过三级评估的配置，可以实现对保护系统的整体状态监测，同时可以从多角度明确系统内各组成部分的性能状态。

站控层设置监测信息分析评估专家系统，以智能变电站二次系统各个环节的校验及监测信息为基础，实现对智能变电站保护系统状态的综合评估。

2故障诊断

2.1故障诊断专家系统基本结构

故障诊断专家系统由数据库、知识库、人机接口以及推理机等部分构成，如图2所示。

图2　故障诊断专家系统结构

该专家系统各部分工作如下：

1) 动态数据库以及静态数据库构成数据库，用来存储智能变电站静态配置信息和实时监测的动态信息。

2) 知识库是专家领域知识的集合，存放的知识包含系统工作环境、系统知识、故障特征值、故障诊断算法、推理规则等，反映系统的因果关系，用来进行故障推理。

3) 解释器是根据推理机推出的异常以及事故的结论的可信度来进行排序的，同时会以图表的方式提供设备异常以及事故的原因或者处理建议。

4) 知识获取程序：在建造专家系统的知识库时，构建知识获取程序，从而可以自动获取其想要的知识，实现自主学习功能，完善知识库。

2.2智能变电站二次系统故障诊断模型

智能变电站的二次系统可以进行站内的监控保护以及测量等功能，由智能电子设备与通信网络共同构建。故障诊断系统会根据各故障信息之间的逻辑关系，通过智能算法的推导，确定诊断对象的工作状态。依据此思路，建立了如图3所示的二次系统的诊断模型。该基本模型中故障诊断所需的特征信息来源于静态配置信息、“综自系统”告警信息和在线监测信息，设备诊断、报文诊断、配置诊断和综合诊断则构成了一个分布式结构。

图3　智能变电站二次系统故障诊断模型

各诊断模块的功能如下：

1) 智能装置诊断。根据各设备的自检告警信息及监控信息诊断其工作状态是否发生故障，设备故障包括程序故障、硬件故障、ISG故障、开关机械故障等。

2) 报文诊断。根据网络报文监视告警系统，对故障时间段内的通信网络异常告警信息进行诊断，判断异常区域及异常网络设备，通信网络故障包括通信链路中断、交换机故障、报文异常等。

3) 配置诊断。根据各IED设备的配置信息，以变电站配置文件SCD信息为标准，对各IED设备进行配置信息诊断，确定各设备的工作可靠性。

4) 综合诊断。各诊断模块评估结果最终由综合诊断模块进行综合推理，得到完整的评估结果。评估内容涵盖开关/保护异常动作对应的二次系统故障原因。

2.3故障诊断推理知识及知识库

合并单元、保护装置、智能开关机构、测控装置、通信网络通信装置(主要为交换机)，这些是二次系统故障诊断的主要对象。因此，首先依据其结构特点进行分类，根据专家系统获取信息的全面程度，决定其推理规则的适用范围，同时，当有新的故障案例出现时，通过专家系统的学习机制可对规则库进行更新完善。

2.4二次系统故障推理的基本步骤

1) 根据报警对象搜索相关信息，将这些信息依据报警对象进行分类，找出最大故障范围。

2) 根据告警信息开始同属性搜索，将相同报警对象告警信息按照相同属性分类，确定同属性告警信息故障范围。

3) 根据网络拓扑结构进行关联对象分类，确定故障区域。从告警对象开始搜索，直到关联对象为止，搜索到的智能装置及通信设备均为可疑故障元件。

4) 根据已编推理知识进行匹配，确定故障装置或链路。对可疑故障元件分别进行故障假设，然后根据知识库中相关推理规则进行规则前提条件匹配，如果发现匹配规则里缺少条件，那么应该先按缺少的知识进行相关告警搜索，然后再进行匹配程度判断，最后输出诊断结果。

若故障告警信息发生误报或丢失，将得到不可靠或者不完整的故障信息，从而得不到精确的故障诊断结果。

图4　二次设备故障诊断过程

3运行仿真

以某智能变电站为例，该变电站的主接线图如图5所示，该部分含有4路配有纵差保护的220 kV进线，2台配有差动保护和非电量保护的主变压器，66 kV侧有5条出线， CB2011为母线联络开关。

图5　智能变电站主接线

在VC++6.0环境下，根据图6所示的框图，编制了相应的计算软件，提高了运算准确度和速度。该软件可以用来计算各因素的隶属度函数以及其对应的模糊综合评判向量，最终得到诊断结果，下面简单介绍该软件的主界面和运行过程以及结果。

图6　软件流程

3.1故障特征

将过程层通信网络结构(图7)与变电站主接线图(图5)结合来看，1#主变正处于检修状态，将66 kV处的母线联络开关CB2011闭合，2#主变带110 kV的I段母线负荷运行，此时由R202和R204检测到L202与L204出现故障，分别为三相短路接地故障及两相短路故障，并发出指令，让CB204可靠动作，使得后备保护RT2L动作，从而使得CB22跳闸以切断故障线路。但此时保护R204的动作信息由于某原因出现了缺失，同时，二次系统在线监测系统检测到断路器CB204智能组件通信链路故障，保护装置R204上传智能组件CB204通信、测控单元CU204上传智能组件CB204通信以及网络分析仪NA上传智能组件CB204通信信息发生中断。

图7　过程层部分通信网络结构

3.2故障推理

二次系统在线监测系统通过故障推理过程得到告警信息：R204、CU204、RB22、NA上传智能组件CB204通信中断信息；智能组件CB204上传R204、CU204、RB22通信中断信息；66 kV侧间隔交换机Sw66-1检测到CB204端口通信链路中断信息，其运行结果如图8所示。

图8　运行界面

故障推理过程如下：

1) 关联对象搜索，确定最大故障范围：智能组件CB204的告警信息、保护装置R204、测控装置CU204与保护装置RB22。

2) 同属性信息搜索，确定同属性告警信息故障范围：GOOSE通信故障(智能组件CB204 GOOSE通信告警包括：R204、CB204、CommGOOSE、Fault等信息)。

3) 根据网络拓扑结构，疑似故障装置包括：R204、CB204、CU204、RB22、Sw66-1R204、Sw66-1、CB204、Sw66-1CU204、Sw66-1。

4) 根据制定的规则进行匹配，发现仅有(CB204，R204，CommGOOSE，Fault)报警信息相符，(MU204，R204，CommSV，Fault)、(CU204，CB204，CommGOOSE，True)、(NA，R204，CommSV，Fault)及(NA，R204，CommGOOSE，Fault)信息均不符，匹配度p(R204) =20%<50%，假设不成立。

①智能组件CB204故障假设：根据规则进行匹配，(R204，CB204，CommGOOSE，Fault)、(CU204，CB204，CommGOOSE，Fault)及(NA，R204，CommGOOSE，Fault)信息均相符，匹配度p(CB204)=100%，所以假设成立，智能组件CB204通信故障。

②同理，p(CU204)=20%<50%，假设不成立，故CU204无故障；p(RB22)=10%<50%，假设不成立，故RB22无故障。

③通信链路:间隔交换机Sw66-1所在的通信链路(Sw66-1R204、Sw66-1CB204、Sw66-1CU204)的故障假设：根据匹配规则，由于交换机Sw66-1检测R204通信端口链路故障及保护R204通信故障信息均不符，其匹配度p(Sw66-1R204)=p(R204)/2=16.7%<50%，因此，假设不成立，链路无故障。

同理，p(Sw66-1CU204)=p(CU204)/2=16.7%<50%，因此，链路无故障；p(Sw66-1CB204)=p(CB204)=100%，假设成立，链路Sw66-1CB204故障。故障诊断的结果如图9所示。

图9　运行结果

开关CB204拒动诊断：将上述故障诊断结果置入状态转移框图内(如图10所示)，然后进行故障搜索，搜索得到结果为通信链路Sw66-1CB204故障，因此，开关CB204拒动原因为通信链路Sw66-1CB204故障。

图10　状态转移框图

4结语

根据智能变电站故障诊断现有的发展基础，对其二次系统的故障诊断进行了研究，充分利用二次系统在线监测的告警信息，从而对故障以及故障的关联原因进行分析。为了提高故障诊断系统的适用性和容错性，提出了一种与智能变电站二次系统在线监测结合的故障诊断方法，并且在变电站中通过运行仿真验证了其可行性。

参考文献

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[6]潘华君，许晓峰，许东，等.基于模糊评判法的智能变电站二次系统状态评估[J].沈阳工程学院学报：自然科学版，2014(2)：143-147.

(责任编辑佟金锴校对张凯)

Study on Fault Diagnosis Method for Intelligent Substation Secondary System

SUN Li-jun1,DONG Ke-yan2，XU Xiao-feng1,XU Yan-song1,PAN Gui-qi1,ZHU Jia-hui1

(Electronic Department，Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136； 2.Development and Planning Department,Jinzhou Electric Power Supply Comamg of Stae Grid,Jinzhou 121000,Liaoning Province)

Abstract：This article introduces the structure and characteristics of intelligent substation secondary system and analyzes the secondary equipment state monitoring information acquisition,It also studies the secondary system,monitoring and evaluation expert system and the secondary system fault diagnosis problem,put forward the rule-based reasoning method for smart substation within two communication system fault diagnosis,and take an example analysis provides a reliable and efficient analysis for the study.

Key words：Intelligent Substation;Secondary System;Expert System;Fault Diagnosis

中图分类号：TM76

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2016)01-0055-06

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.01.011

通讯作者：许晓峰(1960- )，男，辽宁康平人，教授，硕士生导师，主要从事电力系统在线监测与状态评估、无功功率补偿等方面的研究。

作者简介：孙莉君(1991- )，女，辽宁大连人，硕士研究生。

收稿日期：2015-07-15