一种区域内变电站设备模拟监控系统及方法与流程

1.本发明涉及电力监控技术领域，具体涉及一种区域内变电站设备模拟监控系统及方法。


背景技术：

2.在无人值守变电站中，基于安全性和对意外事件及时响应的要求，需要配置必要的实时自动化监控手段，掌握变电站设备的变化状态和变电设备运行状况，提高变电站运检工作的效率，减少无效和低效劳动量。
3.现有技术cn201810315632.5 公开了变电站场景与设备的监控方法及装置，包括：获取采集设备采集的变电站场景的第一图像序列数据；根据所述第一图像序列数据对所述变电站场景进行模拟重构得到所述变电站场景的模拟现场图；获取所述采集设备采集的变电站设备的第二图像数据，根据所述第二图像数据对所述模拟现场图进行贴图更新，得到所述变电站设备的实时状态模拟图，变电站运检人员可实时掌握所述变电站现场情况。
4.上述现有技术能够辅助运检人员可实时掌握所述变电站现场情况，但仍存在一定缺陷，比如：只能单一识别到故障发生的变电站设备，而忽略受故障发生的变电站设备联动影响的其余变电站设备，故障识别范围受限，难以完全掌控故障设备，进而影响监控精度，并且在故障识别时仅依据阈值等人工经验对运行数据进行故障分析，使得数据的利用率很低，埋没了数据应有的价值，并未达到预期效果，最终导致故障判别精度低。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种区域内变电站设备模拟监控系统及方法，以解决现有技术中只能单一识别到故障发生的变电站设备，而忽略受故障发生的变电站设备联动影响的其余变电站设备，故障识别范围受限，难以完全掌控故障设备，进而影响监控精度，并且在故障识别时仅依据阈值等人工经验对运行数据进行故障分析，使得数据的利用率很低，埋没了数据应有的价值，并未达到预期效果，最终导致故障判别精度低的技术问题。
6.为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：一种区域内变电站设备模拟监控系统，包括：外接信号组件，所述外接信号组件设置在变电站设备处并具有与变电站设备一致的识别编号，所述外接信号组件包括分别设置在所述变电站设备处的信号发生器和信号接收器，所述外接信号组件用于产生并接收拓扑信号以标定由变电站设备位置构成线路拓扑结构；电参监测组件，所述电参监测组件设置在变电站设备处用于实时采集变电站设备的运行数据；中控系统，所述中控系统与所述外接信号组件和电参监测组件通讯连接，所述中控系统用于识别所述线路拓扑结构，构建模拟监控网络，规划多组监控集群以及变电站设备运行判别和故障范围追溯。
7.作为本发明的一种优选方案，所述通讯连接采用双模通信模块实现，所述双模通信模块包括hplc载波通信单元和无线通信单元。
8.作为本发明的一种优选方案，本发明提供了一种根据所述的区域内变电站设备模拟监控系统的监控方法，包括以下步骤：步骤s1、利用外接信号组件识别变电站设备的线路拓扑结构，并利用线路拓扑结构构建模拟监控网络；步骤s2、基于所述模拟监控网络对所有变电站设备按同工况属性进行集群规划成多组监控集群，并在监控集群中进行同步内分析识别出处于异常运行的变电站设备；步骤s3、利用所述模拟监控网络对所述处于异常运行的变电站设备进行循迹追溯同步获得与受处于异常运行的变电站设备影响关联的最大故障拓扑路径，并对最大故障路径进行故障预警实现变电站设备的故障监控。
9.作为本发明的一种优选方案，所述步骤s1中，所述外接信号组件包括分别设置在所述变电站设备处的信号发生器和信号接收器，利用外接信号组件识别变电站设备的线路拓扑结构的具体方法包括：步骤s101、信号发生器随机产生一组序列互斥的拓扑信号同步跟随变电站设备的三相电流进行传输，所述信号接收器同步记录拓扑信号的信号序列并反馈至中控系统；步骤s102、所述中控系统比对所有所述信号接收器的信号序列，并依次将具有同一所述信号序列的信号接收器和信号发生器利用所述识别编号构建线路分支拓扑；步骤s103、将所有所述线路分支拓扑进行相同识别编号融合构建线路拓扑结构，并同步将所述线路拓扑结构反馈至中控系统。
10.作为本发明的一种优选方案，所述步骤s1中，利用线路拓扑结构构建模拟监控网络的具体方法包括：将所述线路拓扑结构上的变电站设备编码量化为节点，并将线路拓扑结构上的变电站设备间的流向电流编码量化为边，表示节点和间的流向电流，，，n为变电站设备总数目；依据线路拓扑结构的拓扑形态进行节点和边的关联绘制生成模拟监控网络以实现将复杂的线路拓扑结构简化为仅包含简单点边拓扑特性的模拟监控网络提高可视化效果。
11.作为本发明的一种优选方案，所述步骤s2中，所述模拟监控网络对所有变电站设备按同工况属性进行集群规划成多组监控集群的具体方法包括：步骤一：基于所述台账参数将所有变电站设备分别量化为单个监控集群，其中表示第y台变电站设备的台账参数的集合，表示第y台变电站设备的第类台账参数，，，m为台账参数的总类别数目，n为变电站设备的总数目；步骤二：依次计算两监控集群的工况相似性，并基于最大工况相似性进行集群融
合归一，所述监控集群的工况相似性为两集群中工况相似性最大的一对变电站设备之间的相似性，所述工况相似性用果瓦系数进行度量： ；其中，为变电站设备和变电站设备的果瓦系数，为变电站设备和变电站设备在和上的取值，和分别表示第y1、y2台变电站设备的第个台账参数，为加权变量，，，m为台账参数的总数目，n为变电站设备的总数目；步骤三：重复步骤二直至当前监控集群总数目是最初监控集群总数目的10%完成集群规划。
12.作为本发明的一种优选方案，所述步骤s2中，在监控集群中进行同步内分析识别出处于异常运行的变电站设备的具体方法包括：对各监控集群中的所有变电站设备运行数据分别进行归一化处理为消除不同指标量纲带来的差异，所述归一化公式为： ；其中，表示第台变电站设备的运行数据，表示第y台变电站设备的第类运行数据，n2表示集群中变电站设备的台数，表示归一化处理后第y台变电站设备的第类运行数据，p为运行数据的种类总数目，；量化同一集群中的变电站设备两两之间的距离，所述距离用欧式距离度量，所述欧式距离的计算公式为：；为变电站设备和变电站设备的欧式距离，、分别表示为第y1、y2台变电站设备的第类运行数据，，n2表示监控集群中
变电站设备的总数目， ，p为运行数据的种类总数目；设置距离阈值，基于所述距离阈值判定所述集群中变电站设备的运行状况。
13.作为本发明的一种优选方案，基于所述距离阈值判定所述集群中变电站设备的运行状况的方法包括：若各监控集群中与变电站设备y的距离大于距离阈值的变电站设备数量超过监控集群中变电站设备总数目n2的80%。则判定变电站设备y的运行状况为异常，否则判定变电站设备y的运行状况正常。
14.作为本发明的一种优选方案，所述步骤s3中，利用所述模拟监控网络对所述处于异常运行的变电站设备进行循迹追溯同步获得与受处于异常运行的变电站设备影响关联的最大故障拓扑路径的具体方法包括：提取处于异常运行的变电站设备y1，并依据所述变电站设备y1在模拟监控网络中提取出与所述变电站设备y1存在边连接的所有变电站设备y2；在模拟监控网络将所述变电站设备y1和变电站设备y2以及所述变电站设备y1和变电站设备y2的边进行同步提取作为表征故障影响最大范围的所述最大故障拓扑路径。
15.作为本发明的一种优选方案，所述故障预警包括在模拟监控网络对最大故障路径进行突出显示。
16.本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：本发明采用层次聚类算法将台账参数、工况数据相似的变电站设备划分进同一监控集群，以此为依据的每一个监控集群变电站设备之间理应具有相似的状态，再通过同一监控集群中变电站设备运行数据的互比较了解集群内设备的差异性，能迅速判断哪台变电站设备处于异常状态，且异常检测准确率高，并且归属于同一监控集群中的所有变电站设备具有联动属性，可利用异常运行变电站设备在模拟监控网络内进行关联追溯获得其余受影响处于异常运行的变电站设备共同构成最大故障拓扑路径，避免逐点判断变电站设备的运行状态，可提高监控效率。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
18.图1为本发明实施例提供的区域内变电站设备模拟监控系统结构框图；图2为本发明实施例提供的监控方法流程图；图3为本发明实施例提供的模拟监控网络结构示意图；图4为本发明实施例提供的监控集群结构示意图。
19.图中的标号分别表示如下：1
‑
外接信号组件；2
‑
电参监测组件；3
‑
中控系统。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.如图1
‑
4所示，本发明提供了一种区域内变电站设备模拟监控系统，包括：外接信号组件，外接信号组件设置在变电站设备处并具有与变电站设备一致的识别编号，外接信号组件包括分别设置在变电站设备处的信号发生器和信号接收器，外接信号组件用于产生并接收拓扑信号以标定由变电站设备位置构成线路拓扑结构；电参监测组件，电参监测组件设置在变电站设备处用于实时采集变电站设备的运行数据；中控系统，中控系统与外接信号组件和电参监测组件通讯连接，中控系统用于识别线路拓扑结构，构建模拟监控网络，规划多组监控集群以及变电站设备运行判别和故障范围追溯。
22.通讯连接采用双模通信模块实现，双模通信模块包括hplc载波通信单元和无线通信单元。各通信口在物理层相互独立，一种通信信道的损坏不影响另一信道。另外，通信接口和设备内部电路实行电气隔离，有失效保护电路。
23.本实施例提供的外接信号组件、电参监测组件的安装，只需要外接到变电站设备处，其中由于变电站设备的位置确定一目了然，无需整体掌握以及改变电力系统的真实拓扑结构，安装简单便利，可实现对现有老旧电力系统的改造和建设。
24.信号发生器内部设置有投切电容，电容投切为短时投切(维持在数十毫秒内)，对电网的影响可以忽略，通过投切的长短和有无，组成特定的无功信号序列，具有良好的可识别性和抗干扰能力，由此获得的拓扑信号同样具有良好的可识别性和抗干扰能力，将其结合至变电站设备的三相电流中，可跟随三相电流的流动传输至与变电站设备具有电流流动关联的其余变电站设备中，从而被信号接收器所接收，因此可通过信号发生器和信号接收器识别出变电站设备形成的线路拓扑结构。
25.基于上述区域内变电站设备模拟监控系统，本发明提供了一种监控方法，包括以下步骤：步骤s1、利用外接信号组件识别变电站设备的线路拓扑结构，并利用线路拓扑结构构建模拟监控网络；步骤s1中，外接信号组件包括分别设置在变电站设备处的信号发生器和信号接收器，利用外接信号组件识别变电站设备的线路拓扑结构的具体方法包括：步骤s101、信号发生器随机产生一组序列互斥的拓扑信号同步跟随变电站设备的三相电流进行传输，信号接收器同步记录拓扑信号的信号序列并反馈至中控系统；其中，互斥是指每个信号发生器具有独立且唯一的信号序列步骤s102、中控系统比对所有信号接收器的信号序列，并依次将具有同一信号序列的信号接收器和信号发生器利用识别编号构建线路分支拓扑；每个线路分支拓扑是指每个具有连通上下电力层级的变电站设备层次拓扑结构，也是对电力系统变电站设备上下层级的具象化。
26.步骤s103、将所有线路分支拓扑进行相同识别编号融合构建线路拓扑结构，并同步将线路拓扑结构反馈至中控系统。
27.上述步骤通过信号发生器和信号接收器实现将变电站设备的电力连通拓扑的具象化获得包含变电站设备的线路拓扑结构，无需电力系统的任何先验知识，可用于对所有场景的电力系统，包含已丢失拓扑结构记录的电力系统，可拓展性强。
28.如图3所示，步骤s1中，利用线路拓扑结构构建模拟监控网络的具体方法包括：将线路拓扑结构上的变电站设备编码量化为节点，并将线路拓扑结构上的变电站设备间的流向电流编码量化为边，表示节点和间的流向电流，，，n为变电站设备总数目；节点的编码与变电站设备的识别编号一一对应。
29.依据线路拓扑结构的拓扑形态进行节点和边的关联绘制生成模拟监控网络以实现将复杂的线路拓扑结构简化为仅包含简单点边拓扑特性的模拟监控网络提高可视化效果。
30.步骤s2、基于模拟监控网络对所有变电站设备按同工况属性进行集群规划成多组监控集群，并在监控集群中进行同步内分析识别出处于异常运行的变电站设备；步骤s2中，模拟监控网络对所有变电站设备按同工况属性进行集群规划成多组监控集群的具体方法包括：步骤一：基于台账参数将所有变电站设备分别量化为单个监控集群，其中表示第y台变电站设备的台账参数的集合，表示第y台变电站设备的第类台账参数，，，m为台账参数的总类别数目，n为变电站设备的总数目；步骤二：依次计算两监控集群的工况相似性，并基于最大工况相似性进行集群融合归一，监控集群的工况相似性为两集群中工况相似性最大的一对变电站设备之间的相似性，工况相似性用果瓦系数进行度量：；其中，为变电站设备和变电站设备的果瓦系数，为变电站设备和变电站设备在和上的取值，和分别表示第y1、y2台变电站设备的第个台账参数，为加权变量，，，m为台账参数的总数目，n为变电站设备的总数目；
步骤三：重复步骤二直至当前监控集群总数目是最初监控集群总数目的10%完成集群规划。
31.上述步骤采用层次聚类算法将台账参数、工况数据相似的变电站设备划分进同一监控集群，而每一个监控集群变电站设备之间理应具有相似的状态，可对同一监控集群中所有变电站设备进行统一监控，避免逐点监控，提高监控效率。
32.如图4所示，监控集群为1、2和3个监控集群，监控集群1 中包括变电站设备1
‑
6，监控集群2中包括变电站设备7
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10，监控集群3中包括变电站设备12
‑
14，其中监控集群1中的变电站设备采用同种方式进行监控。
33.步骤s2中，在监控集群中进行同步内分析识别出处于异常运行的变电站设备的具体方法包括：对各监控集群中的所有变电站设备运行数据分别进行归一化处理为消除不同指标量纲带来的差异，归一化公式为：；其中，表示第台变电站设备的运行数据，表示第y台变电站设备的第类运行数据，n2表示集群中变电站设备的台数，表示归一化处理后第y台变电站设备的第类运行数据，p为运行数据的种类总数目，；量化同一集群中的变电站设备两两之间的距离，距离用欧式距离度量，欧式距离的计算公式为：；为变电站设备和变电站设备的欧式距离，、分别表示为第y1、y2台变电站设备的第类运行数据，，n2表示监控集群中变电站设备的总数目， ，p为运行数据的种类总数目；设置距离阈值，基于距离阈值判定集群中变电站设备的运行状况。
34.基于距离阈值判定集群中变电站设备的运行状况的方法包括：若各监控集群中与变电站设备y的距离大于距离阈值的变电站设备数量超过监控集群中变电站设备总数目n2的80%。则判定变电站设备y的运行状况为异常，否则判定变电站设备y的运行状况正常。
35.上述步骤通过同一监控集群中变电站设备运行数据的互比较了解集群内设备的
差异性，能迅速判断哪台变电站设备处于异常状态，且异常检测准确率高。
36.步骤s3、利用模拟监控网络对处于异常运行的变电站设备进行循迹追溯同步获得与受处于异常运行的变电站设备影响关联的最大故障拓扑路径，并对最大故障路径进行故障预警实现变电站设备的故障监控。
37.步骤s3中，利用模拟监控网络对处于异常运行的变电站设备进行循迹追溯同步获得与受处于异常运行的变电站设备影响关联的最大故障拓扑路径的具体方法包括：提取处于异常运行的变电站设备y1，并依据变电站设备y1在模拟监控网络中提取出与变电站设备y1存在边连接的所有变电站设备y2；在模拟监控网络将变电站设备y1和变电站设备y2以及变电站设备y1和变电站设备y2的边进行同步提取作为表征故障影响最大范围的最大故障拓扑路径。
38.被划分到同一社团中的网络节点表征的变电站设备具有同类型监控或同一功能性模块，因此可采用同种类型监控分析，同时归属于同一社团中的所有变电站设备具有联动属性，一旦某一变电站设备监控呈异常状态，能在其归属的社团内进行关联追溯获得其余受影响处于异常状态的变电站设备，可快速提高分析效率。
39.可以理解的是，本实施例的基于社团分析对变电站设备所在的电力系统进行监控分析，充分利用变电站设备所在的电力系统各变电站设备电流流向的关联性，并非单一对变电站设备所在的电力系统进行变电站设备切割分析，导致忽视了变电站设备所在的电力系统的复杂性、不确定性和模糊性，进而导致分析准确性合理性降低。
40.故障预警包括在模拟监控网络对最大故障路径进行突出显示。
41.如图4所示，具体的，若在监控集群1中判定变电站设备1处于异常运行，则监控集群1中变电站设备2、3、4、5、6处于正常运行，则在模拟监控网络追溯到与变电站设备1存在边连接的所有变电站设备均位于监控集群2中变电站设备7、10、11，因此最大故障路径为变电站设备1、7、10和11，以及1、7、10和11间的连接线路，维护人员只需在最大故障路径上进行检修就可排除故障，简单便捷。
42.本发明采用层次聚类算法将台账参数、工况数据相似的变电站设备划分进同一监控集群，以此为依据的每一个监控集群变电站设备之间理应具有相似的状态，再通过同一监控集群中变电站设备运行数据的互比较了解集群内设备的差异性，能迅速判断哪台变电站设备处于异常状态，且异常检测准确率高，并且归属于同一监控集群中的所有变电站设备具有联动属性，可利用异常运行变电站设备在模拟监控网络内进行关联追溯获得其余受影响处于异常运行的变电站设备共同构成最大故障拓扑路径，避免逐点判断变电站设备的运行状态，可提高监控效率。
43.以上实施例仅为本技术的示例性实施例，不用于限制本技术，本技术的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本技术的实质和保护范围内，对本技术做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本技术的保护范围内。