CN107886171A - 一种基于pmu数据的断路器状态在线诊断方法及系统 - Google Patents

一种基于pmu数据的断路器状态在线诊断方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于PMU数据的断路器状态在线诊断方法及系统，涉及电力系统断路保护技术领域。本发明将灰靶理论引入到断路器状态诊断中，改进传统灰靶理论计算靶心度采用均权算法的不合理性，提出层次‑熵权组合权重计算方法，求取各项指标对于评估结果的影响权重，同时取两者的优点弥补各自的缺点，兼顾主观与客观因素，避免了单一赋值法的缺点，使得权重的确定更加合理，其安全可靠运行对提高电网可靠供电具有十分重要的意义，是断路器实现状态维修的基础。

Description

一种基于PMU数据的断路器状态在线诊断方法及系统
技术领域
本发明涉及电力系统断路保护技术领域，特别是一种基于PMU量的断路器状态在线诊断方法及系统。
背景技术
电力系统同步相量测量装置Phasor Measurement Unit(PMU)用于进行同步相量的测量和输出以及进行动态记录的装置。电力系统中PMU从GPS 中同步采集次秒级的模拟电压、电流信号，得到电压和电流信号的幅值和相角，并将其传送到调度中心的数据集中器，在调度中心可以得到整个电网的同步相量，以供实时监测、保护和控制等使用，广泛应用于电力系统广域测量系统的各个环节。如何运用PMU数据对电网中大规模使用的断路器状态进行在线监测具有十分重要的作用。
然而，对于断路器在线监测诊断系统普遍采用断路器本体安装多种传感器，通过多种传感器采集到的数据实现断路器诊断，这种方法存在具有安装成本高，诊断方法复杂等缺点。目前公开的现有技术中，尚未见到通过电力系统PMU在线提取数据实现断路器运行状态在线评估，基于PMU 数据无需对电力系统进行任何改造。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于PMU数据的断路器状态在线诊断方法及系统，基于改进加权灰靶理论断路器状态诊断方法，断路器广泛应用在电力系统中，其安全可靠运行对提高电网可靠供电具有十分重要的意义。准确的状态诊断是断路器实现状态维修的基础。本发明将灰靶理论引入到断路器状态诊断中，改进传统灰靶理论计算靶心度采用均权算法的不合理性，提出层次-熵权组合权重计算方法，求取各项指标对于评估结果的影响权重，同时取两者的优点弥补各自的缺点，兼顾主观与客观因素，避免了单一赋值法的缺点，使得权重的确定更加合理。并构建了断路器状态诊断体系，该评估体系由8项指标构成，并针对断路器自身的特点，给出了断路器状态诊断的分级策略。该方法具有很高的工程应用价值，可适用于不同地区、不同规模电力系统中。
为了实现上述目的，本发明的一方面，提供一种基于PMU数据的断路器状态在线诊断方法，所述方法包括下述步骤：
(1)从电力系统PMU中获得数据，并对所得数据进行处理；
(2)针对PMU数据对断路器运行特征参数进行提取；
(3)建立断路器运行状态评价指标体系；
(4)运用层次-熵权组合权重法计算各个评价指标对于最终评估结果的影响权重；
(5)运用改进加权灰靶理论建立断路器在线运行状态评估模型；
(6)建立断路器在线状态分级策略；
(7)根据评估结果给出电力系统中断路器的检修策略。
进一步地，所述步骤(1)中，对PMU数据进行滤波去噪处理，实现 PMU数据的准确性。
进一步地，所述步骤(2)中，根据步骤(1)中PMU所得数据，对断路器运行特征参量进行在线提取，提取参量包括：开断电流、开断电压、频率、接触电阻、燃弧能量、燃弧时间、温度和湿度八项指标。
进一步地，所述步骤(3)中，根据步骤(2)得到的开断电流、开断电压、频率、接触电阻、燃弧能量、燃弧时间、温度和湿度八项特征参量，建立断路器在线状态评估指标体系。
进一步地，所述步骤(4)中，根据步骤(3)建立的断路器在线状态评估指标体系，对其八项特征参量对于断路器运行状态影响权重进行计算。
运用层次-熵权组合权重法计算各个评价指标对于最终评估结果的影响权重，具体方法如下：
组合权重法通常采用乘法合成的归一化方法，其乘法合成归一化方法计算公式为式(1)：
式中，qi为计算后的组合权重，wi为采用层次分析法确定的权重序列， vi为通过熵权法确定的权重序列。但是这种方法存在着使大者更大，小者更小的“倍增效应”，使得采用该种方法确定权数存在着不合理性。
本发明采用主观权重和客观权重并重的方法，设wi为第i个指标的主观权重，vi为第i个指标的客观权重，那么第i个指标的最终权重可以由式(2) 确定：
qi＝α·vi+(1-α)wi (2)
α系数的选取十分重要，根据式(2)可得：
1)当α＝1时，组合权重的大小即为熵权法权重的大小，即权重的选取选用客观权重，这样使得权重选取消除了主观因素的影响。
2)当α＝0时，组合权重的大小为层次分析法权重的大小，即权重的选取选用主观权重，以专家经验和历史数据为参考，权重的选取消除了客观因素的影响。
3)对于断路器状态评估的权重选取，主观权重和客观权重的作用都是十分重要的，那么客观权重和主观权重是并重的，即选用α＝0.5为组合权重系数的选择，是比较合理的。
进一步地，所述步骤(5)中，根据步骤(4)中所得到的八项评估指标的影响权重，运用改进加权灰靶理论建立断路器在线运行状态评估模型。
具体方法如下：
通过标准模式序列的构建和统一测度的变换，得出靶心系数和靶心度的计算公式：
靶心系数γ(x0(k),xi(k))：
式中，Δ0i(k)为待评估序列ωi与靶心ω0之间的灰关联差异信息，ρ为分辨系数。
xi的靶心度γ(x0,xi)：
式(12)传统的靶心度计算是按照各个指标状态量对应靶心度系数的平均值，认为各项指标对于靶心度的影响是相同的，对于断路器状态评估来说，不同特征量对于靶心度的影响程度是不相同的。因此，本发明提出改进型加权灰靶靶心度计算方法，构造公式如下：
式中αk为改进型加权灰靶靶心度系数，其大小计算的合理性和准确性是断路器状态评估的重点问题。本发明αk的确定，采用层次-熵权组合权重法，具体方法见步骤(4)。
进一步地，所述步骤(6)中，根据步骤(5)中所得到的断路器运行状态评估结果，结合实际电网运行要求及断路器自身特点，制定断路器在线状态分级策略。
进一步地，所述步骤(7)中，根据步骤(6)中所得到的断路器在线状态分级策略，给出电力系统中断路器的检修策略。
为了实现上述目的，本发明的另一方面，提供一种基于PMU数据的断路器状态在线诊断系统，该系统包括GPS对时系统、以太网、光电转换模块、局域网、电力网络中各个PMU、数据采集模块、上位机。
通过电力网络中各个PMU可以通过GPS对时系统进行同步数据采集，再将得到的节点电压、电流相量信息传输至现场局域网，再经过光纤通道传递到数据采集中心，从PMU装置上提取电网运行电气参数，对所获取的电气参数进行信号处理得到表征电气设备状态的特征参量，继而通过先进算法实现电气设备在线故障诊断。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
1.本方法从电力系统PMU得到数据，无需对目前电网进行任何改造，即可对大量样本数据进行分析计算，大幅度提高了该方法的实际可操作性，具有很高的工程应用价值。
2.本方法充分考虑了断路器电参数和环境参数对于其运行状态结果的影响，通过各指标权重的计算，实现评估模型建立的准确性。
3.本方法采用改进加权灰靶理论结合层次-熵权组合权重法，能够使评估结果更加准确，具有十分重要的实用价值。
4.本方法具有较高的适应性，既适用于国家级电网公司、省级电力公司，也适用于市级供电公司，能够为整个电力系统网络中的断路器运行状态进行实时监控。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于PMU数据的断路器状态在线诊断系统结构框架图；
图2为本发明提供的一种基于PMU数据的断路器状态指标体系图；
图3为本发明提供的一种基于PMU数据的改进加权灰靶理论断路器在线状态评估方法流程图。
图4是本发明提供的基于PMU数据的断路器智能在线状态诊断方法整体体流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明电力网络中各个PMU可以通过GPS对时系统进行同步数据采集，再将得到的节点电压、电流相量信息传输至现场局域网，再经过光纤通道传递到数据采集中心，从PMU装置上提取电网运行电气参数，对所获取的电气参数进行信号处理得到表征电气设备状态的特征参量，继而通过先进算法实现电气设备在线故障诊断，结构示意图图如图1所示。
本发明提供的基于PMU数据的断路器运行状态评价指标体系如图2所示，本发明针对断路器自身特点，提出一套完备的评价指标体系，本发明将灰靶理论引入到断路器状态评估中，改进传统灰靶理论计算靶心度采用均权算法的不合理性，提出层次-熵权组合权重计算方法，求取各项指标对于评估结果的影响权重，同时取两者的优点弥补各自的缺点，兼顾主观与客观因素，避免了单一赋值法的缺点，使得权重的确定更加合理。并构建了断路器状态评估体系，该评估体系由8项指标构成，并针对断路器自身的特点，给出了状态评估的分级策略和检修策略。
具体包括下述步骤：
(1)从电力系统PMU中获得数据，并对所得数据进行处理。
(2)针对PMU数据对断路器运行特征参数进行提取，分别提取开断电流、开断电压、频率、接触电阻、燃弧能量、燃弧时间、温度和湿度八项特征参量。
(3)全面分析断路器自身特点和电网运行要求，建立断路器运行状态评价指标体系，如图2所示。
(4)运用层次-熵权组合权重法计算各个评价指标对于最终评估结果的影响权重，如图3所示，具体方法如下：
组合权重法通常采用乘法合成的归一化方法，其乘法合成归一化方法计算公式为式(1)：
式中，qi为计算后的组合权重，wi为采用层次分析法确定的权重序列， vi为通过熵权法确定的权重序列。但是这种方法存在着使大者更大，小者更小的“倍增效应”，使得采用该种方法确定权数存在着不合理性。
本发明采用主观权重和客观权重并重的方法，设wi为第i个指标的主观权重，vi为第i个指标的客观权重，那么第i个指标的最终权重可以由式(2) 确定：
qi＝α·vi+(1-α)wi (2)
α系数的选取十分重要，根据式(2)可得：
1)当α＝1时，组合权重的大小即为熵权法权重的大小，即权重的选取选用客观权重，这样使得权重选取消除了主观因素的影响。
2)当α＝0时，组合权重的大小为层次分析法权重的大小，即权重的选取选用主观权重，以专家经验和历史数据为参考，权重的选取消除了客观因素的影响。
3)对于断路器状态评估的权重选取，主观权重和客观权重的作用都是十分重要的，那么客观权重和主观权重是并重的，即选用α＝0.5为组合权重系数的选择，是比较合理的。
(5)运用改进加权灰靶理论建立断路器在线运行状态评估模型，如图 4所示，具体方法如下：
通过标准模式序列的构建和统一测度的变换，得出靶心系数和靶心度的计算公式：
靶心系数γ(x0(k),xi(k))：
式中，Δ0i(k)为待评估序列ωi与靶心ω0之间的灰关联差异信息，ρ为分辨系数。
xi的靶心度γ(x0,xi)：
式(4)传统的靶心度计算是按照各个指标状态量对应靶心度系数的平均值，认为各项指标对于靶心度的影响是相同的，对于断路器状态评估来说，不同特征量对于靶心度的影响程度是不相同的。因此，本发明提出改进型加权灰靶靶心度计算方法，构造公式如下：
式中αk为改进型加权灰靶靶心度系数，其大小计算的合理性和准确性是断路器状态评估的重点问题。本发明αk的确定，采用层次-熵权组合权重法，具体方法见步骤(4)。
(6)建立断路器在线状态分级策略，如表1所示，一共分为五档：健康、正常、轻度故障、中度故障和严重故障五个等级。
表1.断路器分级策略
(7)据评估结果给出电力系统中断路器的检修策略，如表2所示。
表2.断路器检修策略
分级策略 检修策略
严重故障 应立即停机
中度故障 有加重趋势，尽快安排检修
轻度故障 注意，制定检修计划
正常 系统运行正常
健康 无需维修，检修计划可以延长
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于PMU数据的断路器状态在线诊断方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)从电力系统PMU中获得数据，并对所得数据进行处理；
(2)针对PMU数据对断路器运行特征参数进行提取；
(3)建立断路器运行状态评价指标体系；
(4)运用层次-熵权组合权重法计算各个评价指标对于最终评估结果的影响权重；
(5)运用改进加权灰靶理论建立断路器在线运行状态评估模型；
(6)建立断路器在线状态分级策略；
(7)根据评估结果给出电力系统中断路器的检修策略。
2.如权利要求1所述的一种基于PMU数据的断路器状态在线诊断方法，其特征在于，所述步骤(1)中，对PMU数据进行滤波去噪处理。
3.如权利要求1所述的一种基于PMU数据的断路器状态在线诊断方法，其特征在于，所述步骤(2)中，根据步骤(1)中PMU所得数据，对断路器运行特征参量进行在线提取，提取参量包括：开断电流、开断电压、频率、接触电阻、燃弧能量、燃弧时间、温度和湿度八项指标。
4.如权利要求1所述的一种基于PMU数据的断路器状态在线诊断方法，其特征在于，所述步骤(3)中，将灰靶理论引入到断路器状态评估中，采用层次-熵权组合权重计算方法，求取各项指标对于评估结果的影响权重，并构建断路器状态评估体系，该评估体系包括开断电流、开断电压、频率、接触电阻、燃弧能量、燃弧时间、温度和湿度八项特征参量。
5.如权利要求1所述的一种基于PMU数据的断路器状态在线诊断方法，其特征在于，所述步骤(4)中，根据步骤(3)建立的断路器在线状态评估指标体系，运用层次-熵权组合权重法计算各个评价指标对于最终评估结果的影响权重，具体方法如下：
组合权重法通常采用乘法合成的归一化方法，其乘法合成归一化方法计算公式为式(1)：
式中，qi为计算后的组合权重，wi为采用层次分析法确定的权重序列，vi为通过熵权法确定的权重序列。但是这种方法存在着使大者更大，小者更小的“倍增效应”，使得采用该种方法确定权数存在着不合理性。
6.如权利要求5所述的一种基于PMU数据的断路器状态在线诊断方法，其特征在于，采用主观权重和客观权重并重的方法，设wi为第i个指标的主观权重，vi为第i个指标的客观权重，那么第i个指标的最终权重可以由式(2)确定：
qi＝α·vi+(1-α)wi (2)
α系数的选取十分重要，根据式(10)可得：
1)当α＝1时，组合权重的大小即为熵权法权重的大小，即权重的选取选用客观权重，这样使得权重选取消除了主观因素的影响；
2)当α＝0时，组合权重的大小为层次分析法权重的大小，即权重的选取选用主观权重，以专家经验和历史数据为参考，权重的选取消除了客观因素的影响；
3)对于断路器状态评估的权重选取，主观权重和客观权重的作用都是十分重要的，那么客观权重和主观权重是并重的，即选用α＝0.5为组合权重系数的选择，是比较合理的。
7.如权利要求1所述的一种基于PMU数据的断路器状态在线诊断方法，其特征在于，所述步骤(5)中，根据步骤(4)中所得到的八项评估指标的影响权重，运用改进加权灰靶理论建立断路器在线运行状态评估模型，具体方法如下：
通过标准模式序列的构建和统一测度的变换，得出靶心系数和靶心度的计算公式：
靶心系数γ(x0(k),xi(k))：
式中，Δ0i(k)为待评估序列ωi与靶心ω0之间的灰关联差异信息，ρ为分辨系数。
xi的靶心度γ(x0,xi)：
式(4)传统的靶心度计算是按照各个指标状态量对应靶心度系数的平均值，认为各项指标对于靶心度的影响是相同的，对于断路器状态评估来说，不同特征量对于靶心度的影响程度是不相同的；因此，本发明提出改进型加权灰靶靶心度计算方法，构造公式如下：
式中αk为改进型加权灰靶靶心度系数，其大小计算的合理性和准确性是断路器状态评估的重点问题。
8.如权利要求1所述的一种基于PMU数据的断路器状态在线诊断方法，其特征在于，根据步骤(5)中所得到的断路器运行状态评估结果，结合实际电网运行要求及断路器自身特点，制定断路器在线状态分级策略，一共分为五档：健康、正常、轻度故障、中度故障和严重故障五个等级。
9.如权利要求5所述的一种基于PMU数据的断路器状态在线诊断方法，其特征在于，所述步骤(7)中，根据步骤(6)中所得到的断路器在线状态分级策略，给出电力系统中断路器的检修策略。
10.一种基于PMU数据的断路器状态在线诊断系统，该系统采用上述方法实现，包括GPS对时系统、以太网、光电转换模块、局域网、电力网络中各个PMU、数据采集模块、上位机；该系统通过电力网络中各个PMU可以通过GPS对时系统进行同步数据采集，再将得到的节点电压、电流相量信息传输至现场局域网，再经过光纤通道传递到数据采集中心，从PMU装置上提取电网运行电气参数，对所获取的电气参数进行信号处理得到表征电气设备状态的特征参量，继而通过先进算法实现电气设备在线故障诊断。
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