基于模型和规则库的特高压直流故障诊断系统及工作方法

摘要

基于模型和规则库的特高压直流故障诊断系统及工作方法。属于电力系统智能分析与控制技术领域。目前，特高压交直流、多直流电网的发展给电网的安全稳定运行带来极大的挑战。本发明在本地智能电网调度控制系统中建立直流模型，结合实时的变位信号、保护信号、遥测数据基于规则库对特高压直流进行故障诊断。诊断类型包括：换流变故障诊断、阀组故障诊断、直流单极闭锁故障诊断、直流双极闭锁故障诊断、交流滤波器故障诊断、对地直流电流过大诊断、换相失败诊断，同时对直流运行状态进行监视，诊断结果及运行状态在调度控制系统的工作站以推图形式告警。完善特高压直流实时运行监视手段，提升调控运行人员在特高压直流故障处置能力。

说明书

技术领域

本发明涉及故障诊断领域，尤其涉及基于模型和规则库的特高压直流故障诊断领域。

背景技术

随着我国电网的快速发展，目前已经初步形成特高压交直流、多直流混联格局，未来特高压交直流、多直流远距离、大容量输电格局将进一步增强。特高压交直流、多直流电网的发展给电网的安全稳定运行带来极大的挑战，电网交直流多直流间的交互影响、各级电网之间的交互影响日益凸显，电网的安全稳定特性呈现复杂、多变的态势。

特高压直流线路的满功率运行，给电网安全运行带来了显著压力，客观上要求系统运行人员具备实时感知电网运行状态、全面掌握电网运行趋势、快速实施电网超前控制的能力。并采取相应的预防措施改善系统的运行状态，预防大面积停电事故的发生，同时为电网的安全稳定运行提供有价值的参考。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供基于模型和规则库的特高压直流故障诊断系统，以实现特高压直流故障的快速准确告警的目的。为此，本发明采取以下技术方案。

基于模型和规则库的特高压直流故障诊断系统，其特征在于包括：

基础信息建模模块：用于对特高压直流换流站的一次设备、间隔、保护信号进行建模；在调度控制系统中的间隔表中增加换流变间隔、阀组间隔、直流极间隔、滤波器间隔；在调度控制系统的交流线段端点表中增加直流极设备、换流变设备、阀组设备；在调度控制系统的母线表中增加滤波器设备，在调度控制系统的保护信号表中增加需要采集的保护信号模型；在模型建立后，一次设备关联相应间隔，保护信号关联相应间隔，通过这种方式将保护信号关联；对保护信号的告警等级进行定义以作为故障诊断时的判断依据；

信息采集模块：用于实时接收来自于调度控制系统转发的开关变位遥信、开关变位SOE、保护信号遥信、保护信号SOE以及相关测点的遥测数据，并缓存在调度控制系统综合智能告警的数据表中，待模型匹配模块以及逻辑诊断模块处理；

模型匹配模块：与信息采集模块相连，用于处理缓存区信号，将与直流设备相关的开关变位遥信、开关变位SOE、保护信号遥信、保护信号SOE以及相关测点的遥测数据筛选出来，以设备为单位组合成故障诊断信号序列，供逻辑诊断模块处理；

逻辑诊断模块：与模型匹配模块相连，用于根据模型匹配模块对信号的预处理结果，将信号序列带入到逻辑诊断，判断直流设备是否发生故障；同时监视直流线路接地极电流和特高压直流运行状态，当接地极电流超过门槛值时产生对地直流电流过大告警；诊断类型包括：换流变故障诊断、阀组故障诊断、直流单极闭锁故障诊断、直流双极闭锁故障诊断、交流滤波器故障诊断、对地直流电流过大诊断、换相失败诊断；

结果展示模块：与逻辑诊断模块相连，用于在收到逻辑诊断模块发出的特高压直流故障报文后，将诊断结果及运行状态以推图形式告警。

综合智能分析与告警综合利用智能电网调度控制系统自采的直流厂站开关变位、保护动作信号、遥测突变信号实时推送的直流故障告警信息，实现特高压直流故障和运行方式的在线分析与告警，在电网发生直流故障时，利用调度端现有的数据采用计算机自动的方式来完成以往调度员人工分析故障的过程，快速准确的判断直流故障设备，评估一二次设备动作行为正确性，并在调度工作站进行告警为调度员快速处理故障、恢复供电以及制定设备检修计划提供辅助决策。

本发明的另一个目的是提供一种基于模型和规则库的特高压直流故障诊断系统的诊断方法，其包括以下步骤：

1）基础信息建模：对特高压直流换流站的一次设备、间隔、保护信号进行建模；在调度控制系统中的间隔表中增加换流变间隔、阀组间隔、直流极间隔、滤波器间隔；在调度控制系统的交流线段端点表中增加直流极设备、换流变设备、阀组设备；在调度控制系统的母线表中增加滤波器设备，在调度控制系统的保护信号表中增加需要采集的保护信号模型；在模型建立后，一次设备关联相应间隔，保护信号关联相应间隔，通过这种方式将保护信号关联设；对保护信号的告警等级进行定义以作为故障诊断时的判断依据；

2）信息采集：实时接收来自于调度控制系统转发的开关变位遥信、开关变位SOE、保护信号遥信、保护信号SOE以及相关测点的遥测数据，并缓存在调度控制系统综合智能告警的数据表中，待模型匹配步骤以及逻辑诊断步骤处理；

3）模型匹配：处理缓存区信号，将与直流设备相关的开关变位遥信、开关变位SOE、保护信号遥信、保护信号SOE以及相关测点的遥测数据筛选出来，以设备为单位组合成故障诊断信号序列，供逻辑诊断步骤处理；

4）逻辑诊断：根据模型匹配步骤对信号的预处理结果，将信号序列带入到逻辑诊断，判断直流设备是否发生故障；同时监视直流线路接地极电流和特高压直流运行状态；当诊断为发生故障时，发出特高压直流故障报文；特高压直流故障诊断分为换流变故障诊断、阀组故障诊断、直流单极闭锁故障诊断、直流双极闭锁故障诊断、交流滤波器故障诊断、对地直流电流过大故障诊断、换相失败故障诊断；

5）结果展示：在收到逻辑诊断步骤发出的特高压直流故障报文后，将诊断结果及运行状态以推图形式告警。

进一步的，在步骤1）中，一次设备、保护信号的建模，包括：

需要在调度控制系统的平台间隔表中增加直流间隔模型，每个直流换流站需建立间隔，包括极1间隔、极2间隔、极1高端换流变间隔、极1低端换流变间隔、极2高端换流变间隔、极2低端换流变间隔、极1高端阀组间隔、极1低端阀组间隔、极2高端阀组间隔、极2低端阀组间隔、第一大组交流滤波器间隔、第二大组交流滤波器间隔、第三大组交流滤波器间隔、第四大组交流滤波器间隔；

需要在调度控制系统的平台交流线段端点表中增加直流设备模型，每个直流换流站需建立直流设备包括：极1、极2、极1高端换流变、极1低端换流变、极2高端换流变、极2低端换流变、极1高端阀组、极1低端阀组、极2高端阀组、极2低端阀组；

需要在调度控制系统的平台母线表中增加直流设备模型，每个直流换流站需建立直流设备包括：第一大组交流滤波器61M、第二大组交流滤波器62M、第三大组交流滤波器63M、第四大组交流滤波器64M；

需要在调度控制系统的平台保护信号表中增加直流保护信号模型，根据换流站实际接入情况定义保护信号；

新建直流诊断状态表关联直流一次设备与开关的关联关系，并记录直流故障诊断信息；

新建直流突变参数表关联直流一次设备与遥测的关联关系，并缓存遥测数据。

进一步的，在步骤3）中，模型匹配包括开关信号的模型匹配、保护信号的模型匹配；

开关信号的模型匹配，包括能否通过直流诊断状态表从开关找到相应的直流一次设备，若开关能关联到直流一次设备，则开关信号进入直流故障诊断序列；

保护信号的模型匹配，包括能否通过间隔关联到直流一次设备，若保护信号能关联到直流一次设备，则保护信号进入直流故障诊断序列。

进一步的，遥测信号监视配置在直流突变参数表中的遥测ID，并将实时的遥测数据保存在直流诊断状态表的相关直流设备记录下。

进一步，在步骤4）中：

换流变故障，根据换流变开关分闸信号和换流变事故类保护信号进行诊断，其中换流变开关分闸信号是指与换流变相连的两个开关同时分闸，若事故前已有一个开关分闸，则只要有一个开关分闸信号即可；其中换流变事故类保护信号为关联了换流变设备的事故类保护动作信号；

阀组故障，根据逻辑阀组事故类保护信号和阀组电流突变进行诊断；其中阀组事故类保护信号是指关联了阀组设备的事故类保护动作信号；阀组电流突变是指阀组的电流突变到零漂以下；

直流单极闭锁故障，根据直流极事故类保护信号、换流变电压突变/直流极功率突变进行诊断；其中直流极事故类保护信号是指关联了直流极设备的事故类保护动作信号；换流变电压突变是指直流极所属换流变的电压突变到零漂以下，直流极功率突变是指直流极实际直流功率发生突变，突变值大于门槛值；实例要求所有信号时间与遥测突变时间间隔不超过15秒，直流极功率突变门槛为150MW，支持按实际情况修改信号时间间隔与突变门槛；

直流双极闭锁故障，根据同一直流系统的极1、极2同时满足单极闭锁诊断策略，判断出直流系统双极闭锁故障；

交流滤波器故障，根据交流滤波器的两组ACF开关分闸信号和交流滤波器事故类保护信号，且直流线路在满功率运行情况下进行诊断；其中交流滤波器事故类保护信号是指关联了交流滤波器设备的事故类保护动作信号；

换相失败故障，根据监视控制类信号换相失败预测信号启动换相失败诊断，如果产生保护动作换相失败报警或换相失败保护动作信息则认为产生换相失败故障；同时根据WAMS监视直流系统的交流侧是否扰动，并判断此换相失败是由电网波动引起，还是由控制策略引起。

进一步的，当在设定的时间内收到换流变所连开关的分闸信号以及与换流变相关联的事故类保护动作信号时，诊断为换流变故障，其中时间门槛为经验值，可配置；

当在设定的时间内监视到阀组电流产生突变以及收到与阀组相关联的事故类保护动作信号时，诊断为阀组变故障，其中阀组电流突变门槛以及时间门槛为经验值，可配置；

当在设定的时间内收到与直流极相关联的事故类保护动作信号以及监视到直流极功率或直流极所连换流变电压产生突变时，诊断为直流单极闭锁故障，其中直流极功率突变门槛、换流变电压突变门槛、时间门槛为经验值，可配置；

当设定的时间内诊断出一个直流系统的两个直流极都发生故障时，诊断为直流双极闭锁故障，其中时间门槛为经验值，可配置；

当滤波器当前功率在门槛以上，在设定的时间内监视到滤波器的两组ACF开关发生分闸，且收到与滤波器相关联的事故类保护动作信号时，诊断为滤波器故障，其中滤波器功率门槛、时间门槛为经验值，可配置；

当直流线路的接地极电流超过门槛值时，诊断为对地直流电流过大，其中电流门槛值为经验值，可配置；

当在设定的时间内收到换相失败预测信号以及换相失败告警信号、换失败保护动作信号二者的其中之一时，诊断为换相失败，其中时间门槛为经验值，可配置。

进一步的，在步骤5）中，在收到逻辑诊断步骤发出的特高压直流故障报文，在客户端推出告警人机界面展示包括故障直流系统名称、故障类型、故障开关分闸信息、故障保护动作信息、故障直流系统运行状态、PMU重要量测监视信息、SCADA重要量测监视信息。

进一步的，告警人机界面展示的信息，包含如下内容：

直流告警窗口标题，包含当前登录用户名称以及当前登录所属用户组；

直流告警图标；

直流故障时间，按照年/月/日 时:分:秒格式描述的时间字符串,其中年用四位描述，月、日、时、分、秒分别用两位描述；

直流故障设备名称，按照所属厂站 设备名称进行描述，所属厂站以及设备名称均为设备模型描述的名称；

直流故障类型，包括换流变故障、阀组故障、直流单极闭锁故障、直流双极闭锁故障、交流滤波器故障、对地直流电流过大、换相失败；

保护信号概要信息，显示与故障相关的信号等级为事故的保护信号中文描述，按时间排序；

保护详细信息按钮，点击按钮可弹出与故障相关的所有保护动作信息，以列表形式展示，列表中每一条保护动作信息，按保护动作时间、保护名称、信号等级、信号类型进行描述；

开关详细信息按钮，点击按钮可弹出与故障相关的所有开关动作信息，以列表形式展示，列表中每一条开关动作信息，按开关动作时间、开关名称、开关分合状态、信号类型进行描述；

量测信息按钮，点击按钮可查看与故障相关的量测监视信息，与故障相关的量测信息通过在数据库进行配置，以实现故障后自动触发监视。以列表形式展示，列表中每一条量测监视信息，按量测类型、设备名称、故障前值、故障后值、实时值、限值进行描述；

告警直传按钮，点击按钮可将故障信息通过平台的广域服务总线推送到其它调度控制系统，其中目标系统可配置；

告警直传状态，显示告警直传的目标系统名称以及目标系统传输状态，传输状态包括成功、不成功、不发送。

进一步的，直流诊断状态表，按照标识、直流设备ID、相关设备01、相关设备02、直流故障时间、直流遥测故障时间、直流告警时间、告警类型、遥测数据01、遥测数据02、遥测数据03、遥测数据04、遥测数据05、遥测数据06、遥测数据07、遥测数据08、遥测数据09、遥测数据10、测数数据11、遥测数据12、遥测数据13、遥测数据14、遥测数据15、遥测数据16、遥测数据17、遥测数据18、遥测数据19、遥测数据20、直流系统名称、直流量测变化01、直流量测变化02、直流量测类型01、直流量测类型02、相关开关01、相关开关02、相关开关03、相关开关04，进行描述；

直流突变参数表，按照标识、遥测ID、直流设备ID、相关设备01、相关设备02、突变门槛值、突变百分比、零漂值，进行描述。

有益效果：

1、本技术方案在本地智能电网调度控制系统中建立特高压直流模型以及特高压直流故障诊断规则库，结合实时的变位信号、保护信号、遥测数据基于规则库对特高压直流进行故障诊断。同时对直流运行状态进行监视，诊断结果及运行状态在调度控制系统的工作站以推图形式告警，完善特高压直流实时运行监视手段，提升调控运行人员在特高压直流故障处置能力。

2、本技术方案结合调度运行部门的职责，从调度运行人员快速感知故障、掌握故障处置要点和降低电网运行风险的角度出发，对于有针对性地特高压直流故障进行告警，具有重要实用价值，可弥补已有特高压直流事故风险感知能力的不足，有效提高电网安全运行水平与风险防范能力。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明的模型匹配示意图。

图3为本发明的换流变故障诊断逻辑图。

图4为本发明的阀组故障诊断逻辑图。

图5为本发明的直流单极闭锁故障诊断逻辑图。

图6为本发明的直流双极闭锁故障诊断逻辑图。

图7为本发明的交流滤波器故障诊断逻辑图。

图8为本发明的换相失败故障诊断逻辑图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，基于模型和规则库的特高压直流故障诊断系统包括：

基础信息建模模块：用于对特高压直流换流站的一次设备、间隔、保护信号进行建模；在调度控制系统中的间隔表中增加换流变间隔、阀组间隔、直流极间隔、滤波器间隔；在调度控制系统的交流线段端点表中增加直流极设备、换流变设备、阀组设备；在调度控制系统的母线表中增加滤波器设备，在调度控制系统的保护信号表中增加需要采集的保护信号模型；在模型建立后，一次设备关联相应间隔，保护信号关联相应间隔，通过这种方式将保护信号关联；对保护信号的告警等级进行定义以作为故障诊断时的判断依据；

信息采集模块：用于实时接收来自于调度控制系统转发的开关变位遥信、开关变位SOE、保护信号遥信、保护信号SOE以及相关测点的遥测数据，并缓存在调度控制系统综合智能告警的数据表中，待模型匹配模块以及逻辑诊断模块处理；

模型匹配模块：与信息采集模块相连，用于处理缓存区信号，将与直流设备相关的开关变位遥信、开关变位SOE、保护信号遥信、保护信号SOE以及相关测点的遥测数据筛选出来，以设备为单位组合成故障诊断信号序列，供逻辑诊断模块处理；

逻辑诊断模块：与模型匹配模块相连，用于根据模型匹配模块对信号的预处理结果，将信号序列带入到逻辑诊断，判断直流设备是否发生故障；同时监视直流线路接地极电流和特高压直流运行状态，当接地极电流超过门槛值时产生对地直流电流过大告警；诊断类型包括：换流变故障诊断、阀组故障诊断、直流单极闭锁故障诊断、直流双极闭锁故障诊断、交流滤波器故障诊断、对地直流电流过大诊断、换相失败诊断；

结果展示模块：与逻辑诊断模块相连，用于在收到逻辑诊断模块发出的特高压直流故障报文后，将诊断结果及运行状态以推图形式告警。

本发明的基于模型以及规则库的特高压直流故障诊断方法处理流程分为五个部分，即基础信息建模步骤、信息采集步骤、模型匹配步骤、逻辑诊断步骤、结果展示步骤。

S01：基础信息建模步骤对特高压直流换流站的一次设备、间隔、保护信号进行建模，在调度控制系统中的间隔表中增加换流变间隔、阀组间隔、直流极间隔、滤波器间隔，在调度控制系统的交流线段端点表中增加直流极设备、换流变设备、阀组设备，在调度控制系统的母线表中增加滤波器设备，在调度控制系统的保护信号表中增加需要采集的保护信号模型。在模型建立后一次设备需关联相应间隔，保护信号也需要关联相应间隔。通过这种方式将保护信号关联设备。同时需要对保护信号的告警等级进行定义，作为故障诊断时的判断依据。

S02：信息采集步骤实时接收来自于调度控制系统转发的开关变位遥信、开关变位SOE、保护信号遥信信、保护信号SOE以及相关测点的遥测数据，并缓存在调度控制系统综合智能告警的数据表中，待模型匹配步骤以及逻辑诊断步骤处理，本发明会定时清理缓存区的缓存，删除时间过长的信号，在本实例中缓存时间为15分钟。

S03：模型匹配步骤处理缓存区信号，将与直流设备相关的开关变位遥信、开关变位SOE、保护信号遥信信、保护信号SOE以及相关测点的遥测数据筛选出来，以设备为单位组合成故障诊断信号序列，供逻辑诊断步骤处理。

请参阅图2，其中开关信号的模型匹配，包括能否通过直流诊断状态表从开关找到相应的直流一次设备，若开关能关联到直流一次设备，则开关信号进入直流故障诊断序列。保护信号的模型匹配，包括能通过间隔关联到直流一次设备，若保护信号能关联到直流一次设备，则保护信号进入直流故障诊断序列。遥测信号只监视配置在直流突变参数表中的遥测ID，并将实时的遥测数据保存在直流诊断状态表的相关直流设备记录下。遥测值的采样间隔为5秒，共保存20个点。支持按实际情况修改采样间隔。

S04：逻辑诊断步骤根据模型匹配步骤对信号的预处理结果，将信号序列带入到逻辑诊断判断直流设备是否发生故障，各类型直流故障诊断逻辑如下：

请参阅图3，换流变故障诊断逻辑根据“换流变开关分闸信号+换流变事故类保护信号”判出，其中“换流变开关分闸信号”是指与换流变相连的两个开关同时分闸，如事故前已有一个开关分闸，则只要有一个开关分闸信号即可；其中“换流变事故类保护信号”是指关联了换流变设备的事故类保护动作信号。实例要求所有信号时间间隔不超过15秒，支持按实际情况修改信号时间间隔。

请参阅图4，阀组故障诊断逻辑根据逻辑“阀组事故类保护信号+阀组电流突变”。其中“阀组事故类保护信号”是指关联了阀组设备的事故类保护动作信号；“阀组电流突变”是指阀组的电流突变到零漂以下。实例要求所有信号时间与电流突变时间间隔不超过15秒，支持按实际情况修改信号时间间隔。

请参阅图5，直流单极闭锁故障诊断逻辑根据“直流极事故类保护信号+换流变电压突变/直流极功率突变”。其中“直流极事故类保护信号”是指关联了直流极设备的事故类保护动作信号；“换流变电压突变”是指直流极所属换流变的电压突变到零漂以下，“直流极功率突变”是指直流极实际直流功率发生突变，突变值大于门槛值。实例要求所有信号时间与遥测突变时间间隔不超过15秒，直流极功率突变门槛为150MW，支持按实际情况修改信号时间间隔与突变门槛。

请参阅图6，直流双极闭锁故障诊断逻辑根据同一直流系统的极1、极2同时满足单极闭锁诊断策略，判断出直流系统双极闭锁故障。实例要求极1、极2故障间隔时间不超过10秒，支持按实际情况修改信号时间间隔。

请参阅图7，交流滤波器故障诊断逻辑根据“交流滤波器的两组ACF开关分闸信号+交流滤波器事故类保护信号”，且直流线路需要满功率运行。其中“交流滤波器事故类保护信号”是指关联了交流滤波器设备的事故类保护动作信号。实例要求所有信号时间间隔不超过15秒，直流线路运行在7500MW以上，可根据实际情况修改直流线路运行门槛以及信号时间间隔。

请参阅图8，换相失败故障诊断逻辑根据监视控制类信号“换相失败预测”信号启动换相失败诊断，如果产生保护动作“换相失败报警”或“换相失败保护动作”信息则认为产生换相失败故障。同时根据WAMS监视直流系统的交流侧是否扰动，发判断此换相失败是由电网波动引起的还是由控制策略引起的。

逻辑诊断步骤同时监视直流线路接地极电流（IDEL），当接地极电流超过门槛值时产生对地直流电流过大告警。实例中直流电流门槛为1000A，可根据实际情况修改门槛。

逻辑诊断步骤同时监视特高压直流运行状态，通过匹配直流保护信号的中文描述，监视包括“双极大地回线运行”、“极1大地回线运行”、“极1金属回线运行”、“极2大地回线运行”、“极2金属回线运行”五类直流运行状态。

S05：结果展示步骤在收到逻辑诊断步骤发出的特高压直流故障报文，在客户端推出告警人机界面展示包括故障直流系统名称、故障类型、故障开关分闸信息、故障保护动作信息、故障直流系统运行状态、PMU重要量测监视信息（支持在列表右键弹出曲线）、SCADA重要量测监视信息等信息。

以上图1-6所示的基于模型和规则库的特高压直流故障诊断系统是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。