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为了适应人工智能技术的发展，解决目前直流系统故障仿真样本数量不足的问题，同时大幅度提高仿真速度和准确性，许继电气股份有限公司的李艳梅、魏巍、肖龙、鲁庆华、张艳浩，在年第8期《电气技术》上撰文，提出基于自动化试验技术的直流系统故障样本库构建方法，并以锡盟—泰州直流工程为例，构建直流系统故障样本库。

首先，建立锡盟—泰州直流工程高精度仿真模型，研究直流故障分区和故障特征量；然后，利用自动化试验生成技术生成大量的故障仿真数据，形成故障样本库；最后，通过对比试验验证样本库波形的准确性和有效性。

国内能源和用电负荷分布不均衡的问题日益突出，国家提出西电东送的战略目标。特高压直流输电系统具有输送容量大、输电距离远、电压等级高等优势，在我国电网建设和能源运输方面发挥了不可替代的作用。与此同时，特高压换流站设备复杂、输送线路长，若发生故障，如何准确定位、快速解决，防止故障范围进一步扩大，对电网的稳定运行具有十分重要的意义。以往发生故障都是采用人工分析，效率低、耗时长，且分析结果的准确性与人的经验直接相关，因此无法满足实际需求。随着人工智能技术的发展，用机器取代人工是大势所趋。人工智能技术需要大量的训练样本作为数据基础，而直流系统真实发生的故障较少，目前尚无直流系统故障样本库。基于PSCAD仿真软件，本文首先研究一种自动转换技术，实现用户自定义模块与工程现场每台控制保护装置的一一对应，提升模型的准确度；其次制定用户自定义模块的标准化建模流程，提高仿真建模效率；然后采用共享内存传输技术，实现控制保护模块之间的信号传输，构建与实际工程一致的控制保护结构；开发自动化试验技术，结合PSCAD的仿真集运算功能，实现PSCAD仿真试验的自动化和智能化，从而提高仿真试验效率，降低仿真技术的应用门槛；最后以锡盟—泰州直流工程为例，构建直流系统故障样本库，通过对比试验验证样本库的有效性和可行性。1直流故障样本库构建方法1.1样本库构建方法首先，建立直流系统高精度仿真模型，确保故障样本库数据源的准确性；其次，确定直流故障分区和故障特征量；然后，利用自动生成技术模拟不同工况、不同区域、不同类型的直流系统故障，生成大批量故障特征仿真数据；最后，构建直流系统总的故障样本库。直流故障样本库构建流程如图1所示。图1直流故障样本库构建流程1.2直流系统高精度模型由于直流系统控制保护功能十分复杂，现有仿真模型多为手动搭建，建模工作量大，建模时对原有控制保护逻辑进行简化处理，只保留一些核心逻辑，缺少对硬件滤波、通信规约、顺控等相关模块的模拟，导致所建模型与实际控制保护逻辑存在较大差异，进行故障模拟时，交直流电气量难以精准复现，不满足样本库高精度建模的需求。同时，手搭模型建模周期长，搭建一个直流系统仿真模型需要4～6个月时间，建模效率低。因此，本文开发自动转换技术，通过模块化设计、标准化流程，可在1～2个月完成一个与现场实际工程程序一致的直流系统高精度仿真模型，快速提升了建模效率、提高了仿真精度。此外，该方法具有通用性，不仅可以用于PSCAD仿真平台，还可以用于ADPSS、HYPERSIM仿真平台。首先，根据信号采样、硬件低通滤波、脉冲生成等底层硬件功能进行仿真功能块移植，同时按照通信规约、任务调度等制定工程程序无缝自动转换规则；然后，根据控制保护装置分类，将现场实际程序依照规则转换成仿真系统对应的可识别的代码；接着，通过调用单台装置对应的入口函数，将仿真系统可识别代码自动转换成PSCAD用户自定义模块；最后，通过共享内存传输技术，实现控制保护模块与一次系统和人机操作平台的信号交互，从而形成一个完整的直流系统仿真模型。直流系统建模流程如图2所示。图2直流系统建模流程1.3直流故障分区与特征量提取根据直流保护的覆盖区域和工程经验，将保护区域分为阀区、极区、双极区、直流滤波器区、换流变区、直流线路区，每个区设置不同的故障点，根据故障点位置和对应的保护策略，以及保护测点电气量的变化特性，研究故障定位策略，确定提取的特征量。直流系统保护分区如图3所示。图3直流系统保护分区1.4自动化试验技术直流系统仿真模型十分庞大复杂，目前进行仿真试验时，需要用户手动进行工况修改、故障参数设置、录波量设定等很多重复性劳动。为人工智能算法模型提供训练的样本库需要几万甚至几十万的仿真数据，全部手动操作不仅容易出错，而且效率极低，很难短时间完成。因此，本文开发自动化试验技术，减少仿真过程中的人工干预环节，提升仿真过程的自动化和智能化。首先，对PSCAD自动化库功能进行深入研究，为实现自动化功能提供可行性；然后，将仿真模型中参数设置、故障更改等需要人为操作的环节编写成Python代码形成完整有效的脚本；最后，通过Python脚本调用PSCAD函数，完全控制PSCAD程序和仿真工作过程，从而在无人工干预的情况下自动完成参数设置、模型运行和仿真数据收集的目标。同时，深入研究PSCAD仿真集运算功能，将多个仿真模型添加到同一个仿真集中并行运行，使每个仿真模型被分配到单独的CPU执行，充分利用CPU多核特性，提高仿真效率，推进仿真技术的深入应用。自动化试验技术流程如图4所示。图4自动化试验技术流程2直流故障样本库仿真系统2.1模型搭建锡盟—泰州工程是世界上首个额定容量达到万kW、受端分层接入kV/kV交流电网的±kV特高压直流工程。本文以该工程为例搭建高精度仿真模型。首先，按照主接线图和工程主回路参数搭建一次系统；其次，通过自动转换技术，将工程现场的控制保护程序直接转换成PSCAD控制保护模块；然后，根据现场运行人员监控系统搭建人机操作平台，实现仿真模型与现场实际工程一一对应；最后，将一次系统模型和二次控制保护模型进行合并调试，确保仿真模型与现场实际工程故障特性基本一致，误差控制在5%之内，为故障样本库的有效性和准确性奠定基础。锡盟—泰州PSCAD模型拓扑如图5所示。图5锡盟—泰州PSCAD模型拓扑2.2仿真波形对比为了检测样本库仿真数据的准确性，需要在同等试验条件下，将典型故障的样本库波形和现场试验波形进行对比分析。以下试验波形中，蓝色波形为现场试验波形，红色波形为样本库波形。1）阀组高压侧接地故障试验说明：接线方式为大地回线，功率方向为功率正送，站间通信正常，电压等级为极一kV，控制模式为单极功率控制，功率水平为0.1p.u.（MW）。故障说明：故障位置为逆变站极一阀组高端出口处金属接地，故障时间为ms，接地电阻0.01Ω。逆变站阀组高压侧接地故障试验波形如图6所示。图6逆变站阀组高压侧接地故障试验波形故障开始后，极差保护阀差保护立即动作，发出极闭锁命令，极一双阀组闭锁。故障前，样本库试验与现场试验的直流电流分别为A、A，误差为0.65%；直流电压分别为kV、.2kV，误差为0.1%。故障过程中，直流电流最大值分别为6A、A，误差为3.6%；直流电压最小值分别为-kV、-kV，误差为4.9%；故障稳定后，直流电流、电压均为0。2）直流线路故障试验说明：接线方式为大地回线，功率方向为功率正送，站间通信正常，电压等级为极一kV，控制模式为单极功率控制，功率水平?0.1p.u.（MW）。故障说明：故障位置为直流线路首端金属接地，故障时间ms，接地电阻0.01Ω。直流线路首端接地故障试验波形如图7所示。图7直流线路首端接地故障试验波形故障开始后，经过ms的去游离时间，线路行波保护和电压突变量保护动作，控制系统进入重启过程。故障前，样本库试验与现场试验的直流电流分别为A、A，误差为0.16%；直流电压分别为kV、kV，误差为0.37%。故障过程中，直流电流最大值分别为12A、A，误差为2.5%；直流电压最小值分别为0kV、0kV，误差为0%；故障稳定后，直流电流分别为A、A，误差为0.48%；直流电压分别为kV、kV，误差为0.25%。3）交流系统故障试验说明：接线方式为大地回线，功率方向为功率正送，站间通信正常，电压等级为极一kV，控制模式为单极功率控制，功率水平为1p.u.（0MW）。故障说明：故障位置为逆变站接入高端阀组的kV交流系统A相金属接地，交流系统短路电流为63kA，故障时间ms，接地电阻0.01Ω。交流系统单相接地故障试验波形如图8所示。图8交流系统单相接地故障试验波形故障开始后，高端阀组电压立马跌到0kV左右，直流线路电压降到kV左右，电流从A上升到0A左右，逆变站高端阀组阀保护检测到任一桥发生换相失败，发出增加熄弧角命令。故障结束后，电流电压逐渐恢复。故障前，样本库试验与现场试验的直流电流分别为0A、A，误差为0.79%；直流电压分别为kV、kV，误差为0.52%。故障过程中，直流电流最大值分别为A、A，误差为4.3%；直流电压最小值分别为kV、kV，误差为5%；故障稳定后，直流电流分别为A、A，误差为1.2%；直流电压分别为kV、kV，误差为1.5%。通过分析试验1）～3）的结果可以发现，样本库波形和现场试验波形变化趋势和幅值总体上一致。故障前和故障后的稳态误差保持在2%以内，故障过程中的暂态误差保持在5%以内，因此可以说明样本库波形是有效的，这种构建直流故障样本库的方法是可行的，可为后续训练人工智能算法模型提供支持。3结论本文提出了基于自动化试验技术的直流系统故障样本库构建方法，将其应用于锡盟—泰州直流仿真模型进行测试，通过自动生成技术模拟锡盟—泰州工程不同工况、不同区域、不同类型的直流系统故障，生成大批量故障特征仿真数据，从而构建了锡盟—泰州工程直流系统故障样本库。为了验证样本库波形的有效性和准确性，将其与现场试验波形进行对比，结果显示两者高度吻合。本文所提方法不仅可以用于PSCAD仿真平台，还可以用于ADPSS、HYPERSIM仿真平台，具有很好的推广价值。生成的故障样本库结合直流系统智能故障诊断技术进行应用，不仅弥补了人工识别故障速度慢、准确率低的缺陷，提高了故障分析、判别、排除速度，还可以进行直流工程的故障重现及运维人员的专业化培训，具有很高的实用性和良好的推广前景。

本工作成果发表在年第8期《电气技术》，论文标题为“基于自动化试验技术的直流系统故障样本库构建方法”，作者为李艳梅、魏巍等。

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