0引言
随着中国新能源的快速发展以及以特高压电网为骨干网架的大规模电网建设,电网运行特性发生了重大变化,客观上要求转变现有调度运行模式,提升调度业务创新能力,尤其需要加强调度事故处置的智能化水平,提高调度事故处置效率,以保障大电网的安全稳定运行。
近年来国内外学者和专家围绕智能告警技术开展了深入研究和初步实践,取得了显着的成果。从现有研究成果来看,主要集中在两个方面:一是运用专家系统、遗传算法以及模糊集等人工智能分析算法,对调度端的告警信息进行分析处理,实现设备故障的在线诊断[1-10];另一方面是结合监控业务的特点,研 究告警信息分层分 类、推理分 析和综合展示[11-13]。从实践效果来看,上述研究成果对于改善调度自动化系统告警信息处理的智能化水平起到了重要作用,但离支撑大电网运行还存在一定的距离,主要体现在以下几个方面。
1)随着特高压交直流互联电网建设的推进,区域电网间运行特性发生显着变化,单一设备故障引发大面积设备停电的风险不断增加。近年来的美加大停电以及欧洲大停电的调查结果表明,各级调度机构间缺少信息共享是导致事故范围扩大的重要因素。因此,需要研究广域分布式智能告警技术,实现电网扰动的一点告警、多点响应,提升各级调度应对电网故障的协同处理能力。
2)电网在线故障诊断的实用化水平有待提升。目前在线故障诊断算法多是基于单一数据源,易受基础数据质量影响,故障分析准确率不高,因此需要研究基于多源信息融合的在线综合故障诊断,提升在线故障诊断的准确率和实用化水平。
3)以往调度中心内部各个生产系统独立建设,包 括 能 量 管 理 系 统 (EMS)、广 域 测 量 系 统(WAMS)、在线安全稳定预警、继电保护及故障信息管理系统(简称保信系统)以及雷电在线监测等数十套系统,告警信息分布在各个独立系统中,缺乏有效的整合和分类,调度运行监控中需要同时对多个系统的告警信息进行监视,增加了告警处置的压力,难以适应大电网一体化运行的业务要求。因此,需要从调度日常监控的业务角度出发,通过统一的告警服务接口,实现各个应用功能告警信息的整合、分析和分类展示,提升运行人员告警处置效率以及对电网运行状态的整体感知能力。
为此国家电力调度控制中心(简称国调中心)在智能电网调度控制系统设计之初就对告警信息的智能化开展了深入研究,本文结合智能电网调度控制系统综合智能告警功能的研发和应用,从其整体架构、关键技术、示范应用以及后续展望4个方面展开论述。
1整体架构
综合智能告警以智能电网调度控制系统中的各类告警信息为要素,采用面向任务的驱动模式,建立调度日常监控告警处置的整体框架,如图1所示。
在横向上通过消息总线集成系统内部各个业务的告警信息,包括数据采集与监控(SCADA)、WAMS、保信系统、电力系统应用软件(PAS)以及动态安全评估(DSA)等,实现对电网运行状态的在线感知,在纵向上实现变电站、省调中心、调控分中心以及国调中心多级调度间告警信息的纵向贯通,为多级调度间告警信息的协同感知与处理提供技术支撑。
相对于以往调度自动化系统的告警处理,智能调度控制系统的综合智能告警功能具有三大特点:
①在纵向上实现了变电站、省调中心、调控分中心以及国调中心多级调度机构间的广域分布式智能告警;②在横向上构建了基于稳态、动态以及暂态数据的综合故障诊断;③利用统一的基础平台,实现各应用告警信息的汇集与整合,建立了面向调度运行模式的综合告警。
2关键技术
2.1广域分布式智能告警
智能告警的数据根源在于子站侧的原始告警信息,以往的智能告警多采用集中式分析架构,主站端需要采集子站大量的原始告警信息,增加了主子站间的数据通信压力以及主站端的运维工作量,因此需要 研 究 变 电 站—调 控 中 心 分 布 式 智 能 告 警 架构[14-15],实现设备故障的变电站侧就地判别和告警直传,优化主子站间告警传输内容,降低主子站间大量原始告警信息的传输。
此外,随着特大电网一体化运行特性的增强,单一设备故障波及全网的风险不断增加,因此需要研究设备故障告警信息的全网实时共享技术,实现电网扰动的一点告警、多点响应,以支撑多级调度间的故障快速协同处置能力。
2.1.1变电站—调控中心分布式智能告警
变电站—调控中心分布式智能告警由变电站侧智能告警、变电站告警直传以及主站侧智能告警3个部分构成。
1)变电站侧智能告警
变电站侧设备故障告警的数据源包括开关变位、保护动作信号、相量测量单元(PMU)数据以及故障录波数据等4类信息,其告警处理的总体架构如图2所示。
首先,根据开关变位和保护动作信号,采用启发式搜索方法,通过网络拓扑分析和专家告警规则库,匹配出满足告警规则的可疑故障元件集;在得到可疑故障元件集的基础之上,进一步判断故障设备在故障前是否带电,若故障前设备不带电,为区分设备调试告警信号和试送失败这两种情况引起的上述告警信息,利用PMU数据或故障录波数据的电气量信息进行分析校验,若故障前后发生电流突变,则为故障设备,否则为调试告警信息。此外,针对复杂故障,进一步采用类似保护装置的故障分析方法(即软保护故障分析),基于故障录波的原始波形数据对故障设备进行定位。
在故障设备定位的基础之上,利用故障录波数据或保护子站系统的故障简报,进行故障详情分析,得到故障相别、故障测距以及短路电流。
2)变电站告警直传
变电站智能告警是解决主子站间传输大量原始告警信息最为合理的技术解决方案,然而变电站智能告警尚处于初步研究阶段,软件功能的稳定性、可靠性及告警正确性都有待提升,目前只是在部分变电站开展试点,尚未进行大规模的推广建设。
因此,现阶段主子站间仍以传输大量原始告警信息为主,但是随着调控一体化业务的开展,相对于调度业务,变电站集中监控需要采集大量的设备状态告警信息(单个500kV站的告警信号在几十万条左右,甚至更多),而目前主子站间数据传输采用IEC 60870-5-101/IEC 60870-5-104协议,主站侧必须对告警信息进行建模,对点号进行配置,显着增加了主子站间的数据通信压力和运维工作量,已无法适应电网运行发展的要求。
为了解决上述问题,国调中心制定了Q/GDW11021—2013《变电站调控数据交互规范》[16],其重要内容是实现变电站的告警直传。所谓变电站告警直传就是在现有变电站监控系统的基础上,增加图形网关机,将变电站原有告警信息转化为标准化的告警条文,通过DL/T 476—2012《电力系统实时数据通信应用层协议》直传给调度主站端,调度主站端在接收到变电站告警直传信息后,对标准化的告警条文进行解析处理,得到告警等级、时间、设备以及原因等信息,并在主站端的综合智能告警功能中进行分类展示。
告警直传定义参照syslog的方式,告警条文按照“级别、时间、设备、事件、原因”的五段式标准进行描述,各段之间用空格分隔,具体格式为“〈告警级别〉〈空格〉告警时间〈空格〉设备名称〈空格〉告警内容〈空格〉告警原因”,其每一项具体定义可参见《变电站调控数据交互规范》,本文不再详述。
以华北电网沽太一线故障为例,变电站将原始告警信息按照告警直传的格式,形成告警直传条文,例如“〈1〉2013-11-16 23:22:05华北电网.沽源站/500kV.沽太一线间隔.沽太一线/第一套保护动作BC相故障,RCS931保护动作”,然后通过变电站的图形网关机将该告警条文上送给调度主站端。
告警直传的好处显而易见,由于告警直传的信息是字符串编码,且采用标准化的命名方式,主站侧不需要对告警信息进行额外的建模和维护工作,直接对告警条文进行解析,即可得到告警内容,实现了告警信息的源端维护、远程共享。
同样,对于具备智能告警功能的变电站,其分析结果也可以按照变电站告警直传的标准化格式进行组织,并上传给调度主站端。
3)主站侧智能告警
主站侧智能告警功能在接收到变电站告警直传或变电站智能告警信息后,根据标准化的告警条文格式,对告警条文内容进行解析处理,得到告警等级、时间、设备、事件以及原因,并将上述告警信息作为主站端智能告警功能的告警数据源之一,同时结合主站端其他告警信息进行综合分析,得到故障简报,其详细分析过程见2.2节。
然而在实际应用过程中,个别变电站存在告警分级不准确,一次设备名称与主站不一致等问题,为了主站端智能告警功能可以充分利用变电站的告警直传信息,对告警条文的半结构化文本信息进行了大量分析探索,并研究实现了一整套告警信息过滤、一次设备模糊匹配以及信号类型判断的规则和方法,且在实际运行中得到了有效验证。变电站告警直传文本解析、处理流程如下。
步骤1:按规范对告警直传信息中的“级别”“时间”“设备”“事件”“原因”各段内容进行提取。
步骤2:根据事先设置的规则对告警信息进行过滤,只保留故障诊断所需的事故总信号和保护动作信号。
步骤3:一次设备解析,为提高定位效率和定位速度,采用厂站定位、设备类型判断、设备名称模糊匹配相结合的原则,首先按“设备”段内容所含关键字确定告警所属厂站和设备类型,然后读取该厂站所有该类型的设备,对主站的设备名称和告警信息中的设备名称进行模糊比配处理,定位一次设备。
步骤4:信号类型判断,通过“事件”段内容,获取动作的保护类型信息。
步骤5:与其他告警源应用的告警信息进行综合,按设置的规则进行处理。
以国调收到的实际告警信息“〈1〉2012-12-2103:38:35.471国调.宝鸡换流站/500kV.极1.闭锁/极.闭锁 动作”为例,按以上步骤进行分析处理,过程如下:
①提取各段内容,告警条文结构符合规范,初步解析通过;②过滤处理,该告警等级为1,且不包含复归等关键字信息,解析通过;③设备定位,该告警信息来自国调.宝鸡换流站,并且包含“极”,判断为换流器设备,读取宝鸡换流站所有换流器设备,名称分别为“国调.宝鸡换流站/330kV.极Ⅰ换流器”和 “国调.宝鸡换流站/330kV.极Ⅱ换流器”,告警信息中设备描述包含阿拉伯数字1,与罗马数字Ⅰ具有对应关系,所以定位到“国调.宝鸡换流站/330kV.极Ⅰ换流器”;④信号类型判断,根据“闭锁”“动作”关键字,判断为直流闭锁信号;⑤结合稳态数据及其他各应用告警信息进行综合分析,决定是否推出告警。
2.1.2多级调控中心间故障告警实时推送
为了解决多级调度间故障信息实时感知的问题,综合智能告警功能首次提出并实现了多级调度间故障信息的实时共享,其总体架构如图3所示。
以调控分中心为例,当发生设备故障后,调控分中心侧的综合智能告警功能通过基础平台的服务总线,向国调中心推送故障简报(包括故障时间、故障设备、故障相别、重合情况以及故障测距等),国调中心在收到故障简报推送信息后,发送故障简报确认信息,以实现故障简报的可靠传输,同时国调中心的综合智能告警功能对告警信息进行解析处理及推图告警。此外,调控分中心根据该设备所属监控权,将该设备故障简报类似地推送给对应的省调中心。
因此,一旦省调中心、调控分中心或国调中心三者中的任何一个系统诊断出电网故障后,均可以快速推送给其他系统并进行告警,实现了电网故障信息的全网共享,有利于辅助多级调控中心间及时开展故障应对协同处置,避免故障范围的进一步扩大。
2.2基于多源信息融合的综合故障诊断
电网设备故障时的告警信息共分为3类:稳态数据(包括开关变位、事故总信号、保护动作信号等)、动态数据(PMU装置实时采集的同步相量数据)以及暂态数据(故障录波),不同类型的数据对于故障分析的实时性和分析结果具有不同的特性[17]。
稳态数据实时性强、布点全,但分析结果只能涵盖故障时间、故障设备、重合情况;PMU数据实时性强,布点不全,分析结果在稳态数据的基础上可以进一步得到故障相别;暂态数据实时性较差,稳定性也有待提升,且现阶段不具备全部接入的条件,但分析结果在PMU数据的基础之上可以进一步得到故障测距、短路电流等信息。
因此,需要综合利用各类告警信息,一方面通过不同的数据特性完善故障诊断的结果,提高故障诊断的实时性和分析结果的全面性,另一方面通过多源信息之间的冗余性,有效解决由于单一错误告警信息引起的误告警问题[18-20]。
综合智能告警功能建立了基于多源信息融合的故障诊断架构,如图4所示,左边为告警信息数据源,右边为在线故障诊断数据流程。告警信息来源包括原始告警信息和分析结果信息两大类,其中原始告警信息包括来自稳态监控功能的开关变位、事故总信号、变电站告警直传以及来自二次设备在线监视功能的保护动作信号;分析结果信息包括来自在线扰动识别功能的设备短路故障、机组跳闸、直流波动和闭锁,以及来自二次设备在线监视功能的保护和录波简报。在线故障诊断数据流程分为3个部分,即多源信息校验、故障在线分析以及故障信息整合。多源信息校验对不同来源的告警信息进行分析校验,实现错误告警信息的在线辨识;故障在线分析在多源信息校验的基础之上,综合各类告警信息实现故障设备的在线诊断;故障信息整合在故障分析的基础上,将不同来源的告警信息和分析结果进行整合,形成完整的故障事件报告。通过故障信息的整合,最终形成故障简报,指导调度进行故障处置。
上述故障诊断架构的好处是任一来源的告警信息,只要满足告警规则,即可实现快速告警,保证了故障告警的实时性和可靠性,另一方面通过对不同来源告警信息和分析结果的整合,故障诊断的结果更加丰富,提升了对调度事故处置业务的支撑能力。
2.2.1多源信息校验
以往在线故障诊断算法在设计之初对基础数据质量问题估计不足,缺乏针对错误告警信息的有效校验手段,在投入实际运行后整体误报率偏高,影响其实用化水平。因此研究实用化的告警信息校验技术,是电网在线故障诊断算法设计的关键,也是提升其实用化水平的重要手段。
综合智能告警功能针对基础数据质量的问题,重点从原始告警信息以及各应用分析结果告警信息两个方面开展研究,对告警信息的正确性进行辨识,以降低错误故障告警率。
1)原始告警信息的正确性辨识
利用开关变位、事故总信号、保护动作信号以及变电站告警直传等信息在设备故障情况下的内在关联关系,结合调度运行经验,建立基于专家知识的信息辨识规则,实现对告警信息的正确性辨识。以事故类告警信号正确性辨识为例,线路故障情况下告警信息包括厂站事故总信号、间隔事故总信号、第一套保护动作信号、第一套保护出口跳闸信号、第二套保护动作信号、第二套保护出口跳闸信号等,考虑到线路首末端,至少应有12个事故类告警信号。因此,当调度主站端收到事故类告警信号时,自动根据上述告警信息规则,对告警信息进行校验,若事故类告警信号和上述信号模式匹配度偏离很大,则该告警信息可能为错误告警信息。例如设备检修拉停情况下事故总信号误发,而保护动作信号不动作,通过上述规则,即可识别错误的事故总信号。
此外,针对全厂站/多个厂站数据跳变、调试情况下事故类信号误发等典型场景也采取了类似的方法,结合调度运行经验,建立告警信息正确性辨识模型,运用启发式搜索、模式识别等方法,实现告警信息的在线辨识,并在实际生产中进行了验证,能够对绝大部分错误告警信息进行有效辨识。
2)多应用间分析结果的正确性校验
在线扰动识别、二次设备在线监视两个功能在故障分析过程中也是基于单一数据源,因此当出现数据异常时,上述两个功能有可能得到错误的分析结果,为了避免上述问题,建立了不同应用分析结果间的正确性校验规则。其校验的总原则是利用其他功能的分析结果或原始告警信息进行相互校验,以降低错误告警率。
以在线扰动识别发出的短路故障信息为例,首先根据告警信息得到故障时间、故障设备,然后对故障时间范围内故障设备的其他告警信息进行整合,包括故障设备的开关变位、间隔事故总信号、保护动作信号以及故障简报等,最后根据专家知识库的校验规则,结合上述告警信息,判断是否满足其中的正确性校验规则,若满足则告警信息正确,否则告警信息错误。同样,对保护故障简报、录波故障简报建立了相应的正确性校验规则,并在实际运行中得到有效验证。
2.2.2故障在线分析
故障在线分析是在告警信息分析校验的基础之上,在线快速诊断故障设备。故障分析包括两部分:①对于开关变位、事故总信号、保护动作信号以及变电站告警直传等原始告警信息,采用专家知识库和启发式搜索相结合的分析算法,实现对电网故障的在线诊断;②对于分析结果类的信息,如在线扰动识别的分析结果、二次设备的故障简报等,直接形成故障事件。
针对原始告警信息的故障分析流程为:首先,根据实时接收到的开关变位、保护动作信号以及变电站告警直传信息,采用基于启发式的网络拓扑搜索方法,得到可疑故障元件集;然后,遍历可疑故障元件集,将每个可疑故障元件的告警信号进行整合,根据专家知识库中每类设备的多个告警规则进行在线匹配,若满足其中任一告警规则,则该设备为故障元件,否则,对下一个可疑故障元件进行处理,直至可疑故障元件集中的所有设备均遍历完成。
2.2.3故障信息整合
故障信息整合功能在故障分析的基础上,以故障时间、故障设备为索引建立故障事件,然后根据不同告警信息在分析结果上的优先级(如表1所示,其中数值小的表示优先级高),将同一故障事件不同来源的分析结果进行整合,完善和补充故障简报内容,形成完整的故障事件报告,指导调度进行故障处置。
2.3面向调度运行模式的分类告警
2.3.1告警分类
为了解 决 以 往 调 度 中 心 各 个 系 统 (EMS和WAMS及保信系统等)独自建设,告警信息分散、零乱的问题,需要从调度日常监控的业务特点出发,将多个系统或功能的告警信息进行整合,建立面向调度运行模式的综合告警。
智能调度控制系统为各个应用功能提供了统一的基础平台,从而为告警信息的整合处理提供了技术支撑手段,面向调度运行模式的综合告警总体架构如图5所示,其中AGC表示自动发电控制,AVC表示自动电压控制。各应用功能通过基础平台的消息总线服务,采用统一的告警接口将告警内容发送给综合智能告警功能,综合智能告警功能在接收到各个功能的告警信息后,按照调度实时监控、预防控制以及故障处置3个维度对告警信息进行整合,形成实时监视分析、预想故障分析以及故障告警分析3类告警。其中实时监视分析类告警主要包括一次设备的潮流、电压越限,二次设备的装置投退、通信或装置状态异常,以及系统级的断面、频率越限。预想故障主要包括静态安全的N-1校验、系统稳定裕度以及外部气象环境的风险预警。故障告警主要包括设备短路故障、机组跳闸、直流闭锁以及低频振荡等。
这样划分的好处是告警信息的集成度更高,运行人员只需关注告警内容,而不用区分告警的来源,提高了告警处置的效率。
2.3.2通用告警信息服务
考虑到智能电网调度控制系统的建设是一个长期持续发展的过程,后续将会有更多的应用功能集成到智能电网调度控制系统中,因此综合智能告警功能在设计之初便进行了仔细分析和详细设计,制定了通用告警信息交互规范。
在信息交互方式上,综合智能告警利用智能电网调度控制系统消息总线、事件转发以及服务总线等通用交互方式,以实现Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ区各应用功能与综合智能告警的信息交互。
在信息交互内容上,制定了标准化的交互内容,针对不同的告警类型对告警交互内容进行抽象和封装,以便于后续扩展。以设备越限为例,交互内容包括告警时间、告警设备、越限值、设备限值、越限类型以及告警来源等。
在告警信息展示方面,支持按照告警类型、工作站节点以及用户责任区对告警信息进行个性化配置,以满足不同用户的需求。
3示范应用
综合智能告警作为智能电网调度控制系统的一项核心功能,在2010年由国家电网公司华北分部负责试点建设和示范应用,目前已完成国家电网公司系统内所有省级及以上调控中心的推广建设。以华北电网2011年11月16日的沽太一线故障跳闸为例,对综合智能告警功能进行简要介绍。
综合智能告警功能在线诊断出的设备故障简报见附录A图A1,包括故障设备、故障时间、故障相、重合情况、故障测距以及短路电流等故障关键信息,故障判断路径显示上述信息来自稳态监控、WAMS、故障录波、省调中心以及变电站等多个来源的告警信息。
此外,在多级调度间故障告警实时推送方面,已实现330kV及以上电压等级设备故障在省调中心—调控分中心—国调中心三级调控中心间的联动告警,故障告警准确率达到95%以上,为调度快速感知电网运行状态、及时开展故障协同处置提供了重要的技术支撑。
4未来展望
综合智能告警作为智能电网调度控制系统的核心功能之一,已成为调度日常监控和故障处置的重要技术支撑工具。智能化是一个不断渐进,循序创新的过程,针对调度运行监控的业务要求,后续需要在现有功能的基础上,对故障恢复以及未来运行趋势风险预警等方面开展研究,以支撑大电网的安全运行。
4.1基于专家知识库的故障处置辅助决策
目前,综合智能告警功能主要侧重于设备故障定位,对于故障后的电网运行状态调整、恢复供电等故障处置方面的支撑能力较弱。
调度运行经验往往是决定故障处置效率的关键因素,对调度故障处理经验、离线事故预案以及设备操作危险点等非结构化信息进行收集、整合以及对象化建模,形成调度故障处置专家知识库,在实际发生故障情况下通过和专家知识库的在线匹配[21-22],给出调度事故处置的辅助建议,可有效提升故障处置效率。
此外,针对简单故障,在各类告警信息一致性的基础上,可结合调度运行经验库,自动给出试送的操作步骤,并在人工确认及流转审核后,下发至监控系统,完成开关的远方操作,实现简单故障的自愈控制。
4.2电网未来运行态势风险预警
超前控制是预防电网发生大停电事故的重要手段之一,目前综合智能告警功能主要是基于当前运行状态给出告警信息,对于未来一段时间范围内电网运行潜在风险点缺乏必要的预警手段,难以支撑调度应对未来电网运行风险的超前控制。
为此需要结合短期/超短期负荷预测数据、发电计划、检修计划以及外部气象环境等综合信息,研究电网未来运行态势的在线快速推演技术[23],并在此基础之上评估未来一段时间范围内的潜在风险点,给出风险预警信息。同时,结合考虑多种安全约束的优化调度功能,给出消除潜在运行风险的超前控制策略,进一步结合AGC/AVC进行闭环控制,从而实现对 电网未来运行 态势 的 风 险 预 警 和 超 前控制。
参 考 文 献
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