摘 要: 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中繼電保護(hù)裝置故障發(fā)現(xiàn)的難度大、不利于現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，設(shè)計(jì)出新型的繼電保護(hù)自動(dòng)化技術(shù)，構(gòu)建出融合硬件設(shè)計(jì)和大數(shù)據(jù)算法的新型繼電保護(hù)應(yīng)用，硬件系統(tǒng)采用 ARM Cortex-M3處理器實(shí)現(xiàn)繼電器工作過(guò)程中的狀態(tài)計(jì)算，并實(shí)現(xiàn)了繼電器保護(hù)數(shù)據(jù)的多通道輸出。大數(shù)據(jù)算法采用繼電器保護(hù)狀態(tài)算法模型和支持向量機(jī)算法模型實(shí)現(xiàn)繼電器保護(hù)的失效分析和回歸分析，使繼電器運(yùn)行的宏觀數(shù)據(jù)表示轉(zhuǎn)換為微觀數(shù)據(jù)分析，提高了繼電器應(yīng)用和管理能力。實(shí)驗(yàn)表明，該研究的方案誤差低，運(yùn)行效率高。

　　關(guān)鍵詞: 電力系統(tǒng); 繼電保護(hù); 向量機(jī)算法模型; ARM Cortex-M3 處理器; 狀態(tài)算法模型

　　Abstract: Aiming at the difficulty of detecting faults of relay protection devices in the prior art, which is not conducive to field maintenance, a new type of relay protection automation technology is designed, and a new relay protection application integrating hardware design and big data algorithms is constructed. The hardware system uses ARM Cortex-M3 processor to realize the state calculation in the working process of the relay, and realize the multi-channel output of the relay protection data. The big data algorithm uses the re-lay protection state algorithm model and the support vector machine algorithm model to realize the failure a-nalysis and regression analysis of the relay protection. The macro data representation of the relay operation is converted into micro data analysis, which improves the relay application and management capabilities.Experiments show that the scheme of this research has low error and high operating efficiency.

　　Key words: power system; relay protection; vector machine algorithm model; ARM Cortex-M3 processor; state algorithm model

　　0 引 言

　　在電力系統(tǒng)應(yīng)用中，繼電器保護(hù)技術(shù)直接決定了整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定與否。繼電器保護(hù)系統(tǒng)以及應(yīng)用情況具有至關(guān)重要的作用。繼電器工作過(guò)程中通常表現(xiàn)為反應(yīng)遲緩、隱患問(wèn)題不易發(fā)現(xiàn)和潛伏問(wèn)題多等，當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，難以在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取措施[1]。一旦這些潛在問(wèn)題積累到一定程度，容易爆發(fā)火災(zāi)，更嚴(yán)重時(shí)，可能會(huì)危及人們的生命。如何識(shí)別出電力系統(tǒng)中相關(guān)控制設(shè)備發(fā)出異常指令以及保護(hù)設(shè)備的元件及二次回路等部件自身產(chǎn)生異常故障是及時(shí)發(fā)現(xiàn)繼電保護(hù)問(wèn)題的重要信號(hào)2。因此，繼電器保護(hù)的應(yīng)用問(wèn)題仍舊是電力系統(tǒng)中居高不下的話題。

　　在該方面的技術(shù)研究中，文獻(xiàn)[1-3]僅僅是對(duì)繼電器的技術(shù)原理進(jìn)行說(shuō)明，在技術(shù)應(yīng)用時(shí)，也是局限于最原始、最基本的原理性應(yīng)用。文獻(xiàn)4]雖然也應(yīng)用到了智能算法，在一定程度上能夠計(jì)算各部件失效率，但是對(duì)于故障因素復(fù)雜多變的情況，難以挖掘影響繼電器運(yùn)行的各種數(shù)據(jù)關(guān)系。針對(duì)上述技術(shù)的不足，本研究研發(fā)出新型的繼電器保護(hù)應(yīng)用方法，通過(guò)構(gòu)建不同的數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)不同形式的應(yīng)用B-7。

　　1新型繼電保護(hù)自動(dòng)化應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本研究通過(guò)設(shè)計(jì)出基于硬件設(shè)計(jì)和大數(shù)據(jù)算法的新型繼電保護(hù)應(yīng)用系統(tǒng)，通過(guò)繼電保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、閉環(huán)測(cè)試，提高檢測(cè)繼電器的工作能力。通過(guò)大數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)，采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)繼電應(yīng)用過(guò)程中進(jìn)行故障檢測(cè)B-1，繼而實(shí)現(xiàn)運(yùn)行優(yōu)化。新型的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

　　在圖 1 中，繼電器輸出信息來(lái)自于多種方面，因此，需要從多種應(yīng)用獲取繼電器保護(hù)或者運(yùn)行信息，在大量的繼電器運(yùn)行信息中，將故障信息特征提取出來(lái)，然后再進(jìn)行各種數(shù)據(jù)融合，由于繼電器輸出均為宏觀數(shù)據(jù)表示，因此，在應(yīng)用系統(tǒng)中，還連接有故障信息轉(zhuǎn)換單元0-1，所謂的轉(zhuǎn)換是將模擬信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，這需要接入A/D轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的識(shí)別和轉(zhuǎn)換。在新型的方案設(shè)計(jì)中，本研究還采用了融合支持向量機(jī)技術(shù)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(BackProPagation Net-

　　work)12-1]3實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)處理。從而建立了繼電系統(tǒng)保護(hù)控制的智能控制模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)和電網(wǎng)的優(yōu)化控制，下文對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

　　2硬件技術(shù)設(shè)計(jì)

　　在硬件設(shè)計(jì)中，應(yīng)用ARM Cortex-M13處理器實(shí)現(xiàn)繼電器工作過(guò)程中的狀態(tài)分析，對(duì)繼電器狀態(tài)繼續(xù)進(jìn)行檢測(cè)。原理架構(gòu)示意圖如圖2所示。

　　在圖2所示的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，ARM Cortex-M3控制芯片連接有供其正常工作的電源模塊、時(shí)間通訊模塊、可擴(kuò)展控制器、擴(kuò)展芯片以及外圍電路等，擴(kuò)展芯片通過(guò)通信信道與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，該芯片計(jì)算能力比較強(qiáng)，并且本身還自設(shè)置有以太網(wǎng)控制器，能夠?qū)⒐ぷ鬟^(guò)程中的繼電器保護(hù)息通過(guò)過(guò)1EC618509-2 Х方t.IEC61850協(xié)議以及GPS脈沖信息發(fā)送到上位機(jī)，以滿足不同型號(hào)、不同通訊方式測(cè)試裝置的需要，實(shí)現(xiàn)了多路通訊信息的同步、同時(shí)、不同通道的采集、傳遞和處理。具有較大數(shù)據(jù)處理量，檢測(cè)性能強(qiáng)大。

　　3 繼電器保護(hù)狀態(tài)算法模型

　　在關(guān)于繼電器保護(hù)相關(guān)領(lǐng)域中，政府早在2015 年就頒布了相關(guān)狀態(tài)評(píng)價(jià)規(guī)范，比如( Q/ GDW 11285—2014) ，在該規(guī)范中，對(duì)繼電器不同的保護(hù)狀態(tài)制訂了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如表 1 所示

　　3. 1 繼電器保護(hù)失效分析

　　繼電器在長(zhǎng)期工作過(guò)程中，很容易出現(xiàn)老化、失效，這對(duì)于電力安全來(lái)說(shuō)，存在非常大的隱患。因此有必要對(duì)繼電器的狀態(tài)進(jìn)行分析。影響繼電器正常運(yùn)行的狀態(tài)中，時(shí)間是必不可缺少的因素，繼電器的健康狀況與時(shí)間的關(guān)系如下公式所示:

　　式中，HIa 為繼電器健康失效的失效指數(shù); HIa0 為在一定區(qū)域范圍內(nèi)或者用戶指定的區(qū)域范圍內(nèi)的繼電器失效指數(shù)在運(yùn)行過(guò)程中耗費(fèi)的起始平均值; B 為繼電器失效參數(shù); Ti 為電網(wǎng)中不同設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)際工作的年份; T2 為計(jì)算繼電器失效的具體時(shí)間( 比如按照月份或者年份等) [14]。

　　通過(guò)上述分析，則當(dāng)電網(wǎng)中的電力設(shè)備在工作時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生的有效指數(shù)與實(shí)際發(fā)生無(wú)效/故障率之間的關(guān)系通過(guò)以下公式來(lái)表示:

　　式中，λ 表示為繼電器發(fā)生故障的程度或者繼電器失效率; K 為用戶設(shè)置的常數(shù)參數(shù); C 為用戶根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置的曲率參數(shù); HI 為繼電保護(hù)裝置的有效指數(shù)( 通?？梢栽O(shè)置為 50 - 120) ，在應(yīng)用上述方法時(shí)間，通常要根據(jù)分類(lèi)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，將不同的數(shù)值劃分為不同的等級(jí)( 比如 20 個(gè)/10個(gè)一個(gè)等級(jí)) 。

　　在一種具體的實(shí)施例中，當(dāng)收集到的數(shù)據(jù)樣本比較少的情況下，比如考察近 10 年內(nèi)的繼電器數(shù)據(jù)情況，選擇 10 個(gè)數(shù)值為一個(gè)等級(jí)，使 K = 78. 94，C = - 0. 20012，則可以通過(guò)以下公式進(jìn)行

　　計(jì)算。

　　式中，則可以計(jì)算出繼電器保護(hù)裝置中在一年內(nèi)平均故障概率;i為繼電器保護(hù)裝置在有效指數(shù)區(qū)間進(jìn)行的分類(lèi)：N，為第i個(gè)有效指數(shù)區(qū)間保護(hù)裝置總臺(tái)數(shù)：H1，為對(duì)應(yīng)分類(lèi)的H平均值。當(dāng)K、C值確定后，即可由式(3)求得基于設(shè)備健康狀態(tài)的實(shí)際故障率[

　　3.2 支持向量機(jī)算法模型該算法模型能夠?qū)ι鲜龉收显\斷模式進(jìn)行識(shí)別、分類(lèi)以及回歸分析等。將非線性映射函數(shù)輸出教高維輸入、低維輸出的樣本參數(shù)向量，將由原空間映射至高維特征空間，以便于數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和計(jì)算[。構(gòu)建出的數(shù)據(jù)算法模架模型如圖3所示。

　　下面結(jié)合圖3進(jìn)行說(shuō)明，假設(shè)繼電保護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)訓(xùn)練樣本集(x，y)，i = 1，2.，，;分別為繼電器不同數(shù)據(jù)參數(shù)的輸入變量和輸出變量目標(biāo)值，n為繼電器輸入?yún)?shù)的訓(xùn)練樣本數(shù)量。

　　4仿真試驗(yàn)與分析

　　4.1硬件條件

　　下面對(duì)上述算法的有效性進(jìn)行分析、驗(yàn)證。

　　分類(lèi)的有效性函數(shù)利用函數(shù)FP(U，c)來(lái)表示，試驗(yàn)的硬件環(huán)境為實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，其中服務(wù)器主機(jī)的硬件配置為：Intel Xeon E3-220v53.0

　　GHz四核，理8%Intel(R)Core(TM)

　　i7-3770 CPU@3.40GHz，內(nèi)存為16GB，操作環(huán)境中的軟件環(huán)境為Winl0操作系統(tǒng)[

　　4.2 保護(hù)裝置失效率估算

　　試驗(yàn)時(shí)，以國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司廬江縣供電公司內(nèi)的110kV數(shù)字變電站最為示例分析，記錄得出的數(shù)據(jù)分析表，如表2所示。

　　在評(píng)價(jià)該算法時(shí)，需要應(yīng)用到最小二乘法，設(shè)置m=5.847，y=4679，假設(shè)日常對(duì)繼電器[)進(jìn)行監(jiān)測(cè)輸出的平均故障率為1.74 x10-5，則利用公式(1)-(4)的失效率模型可以計(jì)算為：

　　為了更好地表示計(jì)算結(jié)果，下面通過(guò)故障率曲線圖來(lái)表示，如圖 4 所示。

　　通過(guò)圖4能夠很好地驗(yàn)證本研究的方案，下面對(duì)支持向量機(jī)算法進(jìn)行驗(yàn)證。

　　4.3支持向量機(jī)算法驗(yàn)證在進(jìn)行該算法驗(yàn)證時(shí)，分別在母線、發(fā)電機(jī)和變壓器設(shè)備中分別選取4組樣本進(jìn)行驗(yàn)證，每種類(lèi)型選取100個(gè)數(shù)據(jù)樣本，輸出如表3所示的樣本數(shù)據(jù)記錄表。

　　通過(guò)1小時(shí)的試驗(yàn)和分析，為了驗(yàn)證本研究的方案的技術(shù)優(yōu)越性，通過(guò)不同種類(lèi)的曲線對(duì)比圖來(lái)表示對(duì)比驗(yàn)證分析圖。其中白色實(shí)線表示本研究技術(shù)方案的方法，虛線為人工計(jì)算方法。在圖5的試驗(yàn)中可以看出，分別在100個(gè)不同的繼電保護(hù)數(shù)據(jù)樣本中，通過(guò)本研究的方法進(jìn)行評(píng)估，平均正確率大于90%，人工方法僅僅處于60%左右。

　　4. 4 整體系統(tǒng)驗(yàn)證

　　下面再?gòu)恼w上進(jìn)行方案驗(yàn)證，將本研究融入大數(shù)據(jù)算法的技術(shù)方案與常規(guī)的繼電應(yīng)用電力系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析和驗(yàn)證，假設(shè)運(yùn)行 160 分鐘，整體系統(tǒng)的運(yùn)行效率如圖 6 所示。在圖 6 中，白色實(shí)線表示本研究技術(shù)方案，虛線為常規(guī)繼電應(yīng)用電力系統(tǒng)。

　　通過(guò)圖6可以看出，本研究算法的運(yùn)行效率明顯高于傳統(tǒng)方法人工運(yùn)行的方法。

　　5結(jié)束語(yǔ)

　　本研究針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的諸多不足，提出新型的繼電保護(hù)算法，研究出以下內(nèi)容：

　?、贅?gòu)建出新型繼電保護(hù)自動(dòng)化應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)在電力系統(tǒng)中的新型應(yīng)用。

　　②結(jié)合相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出繼電器保護(hù)狀態(tài)算法模型，有效地評(píng)估繼電器的故障幾率，進(jìn)而判斷出失效情況。

　?、蹣?gòu)建出支持向量機(jī)算法模型，實(shí)現(xiàn)繼電器保護(hù)的故障分析。

　　上述研究雖然在一定程度上能夠克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的一些問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)繼電器保護(hù)的多角度應(yīng)用。但是在繼電器的應(yīng)用過(guò)程中，仍舊存在諸多不足，這需要進(jìn)一步的研究和探索。

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文章名稱(chēng)： 繼電保護(hù)自動(dòng)化技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

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