（交通信息工程及控制专业论文）基于Petri网理论的地区电网故障诊断系统研究.pdf

摘要 研究如何提高电网故障诊断方法的准确性和快速性，对推进电网故障诊断系统实 用化具有重要意义。本文针对电网故障信息的特点及以往故障诊断方法的不足，提出 一种基于p e t r i 网理论的地区电网故障诊断方法，并建立了地区电网故障诊断系统。 文中首先介绍电网故障诊断方法的国内外研究现状，区分了各诊断方法的优缺点； 在详尽分析故障信息源的来源及特征的基础上，提出本项目的解决方案采用分层 诊断结构；在介绍p e t r i 网理论相关知识的基础上，分析p e t r i 网理论在电网故障诊断 系统中应用的可行性，提出了基于p e t r i 网理论的地区电网故障诊断方法。根据报警信 息在开关类库所中布入初始托肯，得到初始标识向量，然后根据变迁的发生及库所中 托肯的转移得到稳态p e t r i 网模型，最终确定故障元件。该方法用图形化和解析式两种 方法对电网故障诊断过程进行描述，区分了简单故障和复杂故障的p e t r i 网模型，并在 大量仿真实验的基础上，总结出诊断及推理规则；在此基础上，详实介绍故障诊断系 统的软件实现，该软件具有信息预处理及启动检测、故障的检测、网络结构的更新、 故障诊断、设备动作行为评价、人机交互等功能；最后，对本系统的实际应用情况做 了较为全面的分析总结。 本文所开发的故障诊断系统在江苏电网镇江分公司已投入使用，经过对测试电网 的各种故障案例模拟运算，表明开发的诊断系统能够有效地进行故障诊断。 关键字：故障诊断方法，地区电网，分层诊断，p e t r i 网模型 a bs t r a c t e n h a n c i n gt h ea c c u r a c ya n dt h er a p i d i t yo fp o w e rg r i df a u l td i a g n o s t i cm e t h o d si s b e n e f i tf o ri m p r o v i n gt h ea p p l i c a t i o no ft h ep o w e rg r i df a u l td i a g n o s i s f o c u s i n go nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rg r i df a u l ti n f o r m a t i o na n dp r e v i o u sd i s a d v a n t a g e so ff a u l t d i a g n o s t i cm e t h o d s ，t h ef a u l td i a g n o s t i cm e t h o d sf o rr e g i o n a lp o w e rg r i db a s e do np e t r i n e ti sp r o p o s e da n dt h ef a u l td i a g n o s t i cs y s t e mf o rr e g i o n a lp o w e rg r i di se s t a b l i s h e d f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n do ff a u l td i a g n o s t i cm e t h o d sf o rp o w e rg r i di si n t r o d u c e da n d t h ea d v a n t a g e sa n dt h ed i s a d v a n t a g e so fv a r i o u sd i a g n o s t i cm e t h o d sa r ed i s t i n g u i s h e d b a s e do na n a l y z i n gt h es o u r c e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef a u l ti n f o r m a t i o n ，as t r a t i f i e d s t r u c t u r ed i a g n o s i si sp r e s e n t e d s e c o n d l y , t h eb a s i ct h e o r i e so fp e t r in e ta r ed i s c u s s e da n d t h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gp e t r in e tt h e o r yi nt h ef a u l td i a g n o s t i cs y s t e mf o rp o w e rg r i di s a n a l y z e d t h e nt h ef a u l td i a g n o s t i cm e t h o db a s e do nt h ep e t r in e tt h e o r yf o rr e g i o n a l p o w e rg r i di sp r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h ea l e r ti n f o r m a t i o n ，t h ei n i t i a lt o k e ni s p u ti n t o s w i t c hp l a c e sa n dt h ei n i t i a lm a r k i n gv e c t o ri so b t a i n e d t h e nb a s e do nt h ev a r i a t i o no ft h e t r i g g e rf i r i n g sa n dt h es h i f to ft h et o k e n si nt h ep l a c e s ，t h es t a b l es t a t ep e t r in e tm o d e li s e s t a b l i s h e da n dt h ef a u l tp a r t si sd e t e r m i n e d t h em e t h o da d o p t st h eg r a p h i c a la p p r o a c ha n d t h ea n a l y t i cf o r m u l at od e s c r i b et h ep o w e rg r i df a u l td i a g n o s t i cp r o c e s sa n dd i s t i n g u i s h e s b e t w e e nt h es i m p l ea n dt h ec o m p l e xf a u l tp e t r in e tm o d e l s m o r e o v e r , t h ed i a g n o s i sa n dt h e i n f e r e n c er u l e sa r eo b t a i n e do nt h eb a s i so fal a r g en u m b e ro fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s t h i r d l 5t h ei m p l e m e n to ft h ef a u l td i a g n o s t i cs y s t e mi se x p l a i n e di n d e t a i l t h ef a u l t d i a g n o s t i cs y s t e mh a st h ei n f o r m a t i o np r e t r e a t m e n ta n dt h es t a r te x a m i n a t i o n ，t h ef a u l t e x a m i n a t i o n ，t h eg r i da r c h i t e c t u r er e n e w a l ，t h ef a u l td i a g n o s i s ，t h ee v a l u a t i o no ft h e p e r f o r m a n c e so ft h ee q u i p m e n ta n dm a n m a c h i n e i n t e r a c t i v ef e a t u r e s f i n a l l y , t h e a p p l i c a t i o no ft h ef a u l td i a g n o s t i cs y s t e mi sd i s c u s s e d t h ef a u l td i a g n o s t i cs y s t e m ，d e v e l o p e di nt h et h e s i s ，h a sb e e ni m p l e m e n t e di n t ot h e z h e n j i a n gs u b s i d i a r yc o m p a n y o fj i a n g s ue l e c t r i cp o w e rc o m p a n y t h es i m u l a t i o nr e s u l t s o fv a r i o u sf a i l u r ec a s e sv e r i f yt h a tt h ef a u l td i a g n o s t i cs y s t e mc a nw o r ke f f e c t i v e l y i i k e yw o r d s ：f a u l td i a g n o s t i cm e t h o d s ，r e g i o n a lp o w e rg r i d ，s t r a t i f i e ds t r u c t u r e d i a g n o s i s ，p e t r in e tm o d e l s i i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者繇蒌巧 莎d 9 孑年耷月冲日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 丕磅 l 辫 i 如3 年牛月硼 砂趔年年月形e t t 长安人学硕士学位论文 1 1 项目背景 第一章绪论弟一早三百t 匕 电网安全是社会公共安全的重要组成部分，确保电网安全尤其是城市电网安全， 是构建社会主义和谐社会的基本要求。2 0 0 3 年，国际上相继发生了美加“8 1 4 ”、意 大利、莫斯科等国一系列大面积停电事故，危及城市正常秩序，造成了巨大的经济损 失，值得引以为戒。 目前我国电力系统高速发展，已经进入以高电压、大机组、跨区域、交直流混合 为特点的大电网时代，各区电网都在逐步推行电力市场，电力工业的管理模式从垂直 一体化向市场化转变，由于发电、输电、配电、供电等部门资产各属不同的所有者参 与市场买卖，在各自利润最大化目的驱使下，系统可能运行在更临近安全极限的水平； 加上我国电源和电网发展不协调，结构不合理，主干网架薄弱，发生恶性事故的可能 性相对较大。电能供应不足或中断，将直接影响国民经济各个部门的生产，也将影响 人们的正常生活，为减少事故的发生，防止系统稳定性破坏，不仅要加强电源和电网 的一次系统建设，还要发展监控系统以提高电网事故的应对处理能力。其中故障诊断 及故障恢复等在线分析、预防控制技术是预防电力系统由偶然故障演化为大面积停电 事故的有力支持，对减少故障影响，保证电力系统安全稳定运行，创造良好的生产经 营环境具有重大的意义【l 3 1 。 随着计算机技术、新数学工具的不断发展，新的思路被提出应用在故障诊断领域， 可以解决传统故障诊断方法在实用化及有效性方面存在的一些问题，本文在这样的背 景下将p e t r i 网理论应用到地区电网故障诊断系统中，可以提高系统故障诊断速度，为 进一步实用化打下了基础。 本文的研究背景是江苏省电力公司“2 1 世纪全省电网自动化综合项目”中重要的 支撑性子课题一一江苏地区电网故障诊断系统研究，目标是建立区域电网故障诊断系 统。同时也是江苏电网镇江供电分公司2 0 0 6 - - 一2 0 0 8 年重大系统改造项目之一。 1 2 国内外研究现状 电力系统故障诊断( f a u l td i a g n o s i so f p o w e rs y s t e m f d p s ) 研究，按研究对 象划分，大体可分为电力设备故障诊断和电网故障诊断。电力设备故障诊断研究一般 第一章绪论 依据于设备本身相关联信息来预测和确定设备的故障或异常状态，对当前运行状态做 出评估，目前研究较多的是电力变压器、高压开关和电抗器等的故障诊断。电网故障 诊断是以某一电压等级电网或某一区域电网为研究对象，更倾向于故障后的分析和判 断。本文所研究的内容，仅限于电网故障诊断。 电力系统故障诊断问题因系统规模、复杂程度和不确定因素等的限制，难于建立 常规的数学模型，直至二十世纪七十年代初期专家系统和八十年代中期人工神经网络 理论研究的发展，为电力系统故障诊断研究开辟了新途径。迄今已提出的多种故障诊 断的方法，从总体上可分为传统型和智能型两类。 在传统型的f d p s 研究方面，常见的是潮流分析方法。该方法在基于被诊断系统 网络拓扑结构模型的基础上，根据故障时系统结构和参数变化导致系统潮流的变化来 进行诊断。由于潮流计算和分析处理的耗时量很大，诊断速度慢，在正常运行时某些 线路潮流值很小的情况( 如线路轻载运行) ，不能保证诊断的准确性。由于电力系统规 模、复杂程度和不确定因素等的限制，传统的电力系统故障诊断方法难以达到理想的 效果。 人工智能技术( a r t i f i c i a lh l t e l l i g e n c e a i ) 的实质就是用计算机或智能机来模 拟人类的智能行为，即模拟人类基于知识、经验分析和处理问题的心理与思维模型。 随着生命科学、计算机科学、系统论、信息论等学科的发展，a i 技术得到了深入的研 究和日趋渐进的发展。二十世纪8 0 年代初日本s a k a g u c h i 和m a t u s m o t o 最早将专家系 统技术引入电力系统规划【4 】、运行和控制领域，人工智能用于电力系统的研究全面展 开，它为f d p s 的研究开辟了新的途径。 目前用于电网故障诊断的代表理论和方法有：专家系统法、人工神经网络法、模 糊集理论、优化算法、p e t r i 网理论等。 ( 1 ) 专家系统( e x p e r ts y s t e m ，e s ) e s 是最早应用于电力诊断系统的人工智能方法。自1 9 8 6 年日本学者首先提出利 用专家系统技术进行电力系统故障诊断后，各国研究人员对电力系统故障诊断进行了 大量的研究【5 捌。 e s 原理是将专家的经验知识和推理方法转化为相应的计算机所能了解的知识，利 用其对故障过程中装置和设备出现的信息进行逻辑判断并将推理过程和结果向用户描 述解释。故障诊断的信息来源，通常是保护信息，或者保护动作和开关信息。用的最 多是基于保护信息的故障诊断方法，采用保护范围相交的方法确定故障元件。 2 长安人学硕 ：学位论文 e s 研究较早而且发展较为成熟，擅长解决难以建立数学模型的问题，因此在国内 外都得到了广泛应用。但e s 存在知识获取困难、难以形成完整的知识库、仅局限于 专家经验、难以表达复杂问题、学习能力和容错性较差的问题，而且当规则超过一定 数量时，专家系统所采用的“深度搜索”推理机制会使诊断速度变慢【9 1 ，这决定了它 在实时故障诊断系统应用中具有局限性。 ( 2 ) 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，a n n ) a n n 是一种全新模拟人类智能的方法和技术，近年来受到人们的关注。其特点是 具有强的白组织、自学习能力，鲁棒性高，免去推理机的构造，在电力系统故障诊断 的模型和理论研究上取得了不少的成果【1 帖1 2 】，其发展前景也比较乐观。 a n n 具有强大的非线性映射和信息并行处理及模式识别功能，不需要由知识工程 师进行整理、总结以及消化领域专家的知识，即可用领域专家解决问题的实例或范例 ( 且p i ) l l 练样本) 来训练a n n 来获得领城知识；a n n 采取隐式表示知识，在知识获取 的同时，自动产生的知识由网络的结构和权值表示，并将某一问题的若干知识表示在 同一网络中，通过神经元之间的相互作用来实现推理，实现知识的自动获取和并行联 想推理。 由于a n n 从故障实例中学到的知识只是一些分布权重，而不是类似领域专家逻 辑思维的产生式规则，因此诊断推理过程不能解释，缺乏透明度。而且a n n 在容错 性能方面相对要差，即在实时故障诊断所依据的信息受畸变时，容易得到误判的结果 【1 3 ，1 4 1 o ( 3 ) 模糊集理论( f u z z ys e tt h e o r y ，f s t ) f s t 是善于解决容错行问题的一种人工智能技术，它突破了经典集合用0 和l 表 示非此即彼的清晰概念，采用模糊隶属度描述不确定事件和现象，并引入语言变量和 近似推理的模糊逻辑表述专家经验知识【1 5 , 1 6 】。在电力系统故障诊断系统中，人们常将 f s t 与其它a i 技术( o ne s 、a n n 、g a 等) 相互结合，取长补短，使各相应智能诊断系 统在分析不确定因素问题时，原理更成熟，技术更完善，容错性也得到相应的提高。 基于f s t 的诊断方法不需要建立精确的数学模型，适当地运用隶属函数和模糊规 则进行模糊推理，就可以处理警报信号的不确定性实现模糊诊断的智能化【1 7 】。但是对 于过于复杂的诊断系统，要建立正确的模糊规则和隶属函数是非常困难的，不仅需要 花费很长的时间，还必须在足够的经验和实验的基础上才能实现。对于更大的模糊规 则和隶属函数集合而言，难以找出规则与规则之间的关系，也就是说规则有“组合爆 3 第一章绪论 炸”现象发生。另外，系统模糊模型建立与辨识，语言规则及遗忘与修改等理论与方 法也需要进一步完善【1 8 , 1 9 】。 ( 4 ) 优化理论( o p t i m i z a t i o nb a s e d ) 优化理论( o p t i m i z a t i o nb a s e d ) 较晚引入电力系统故障诊断研究领域。基于优化 理论的故障诊断模型的基本思想是：根据设备与保护动作和断路器跳闸之间的逻辑关 系，首先把电力系统的故障诊断问题表示为o l 整数规划问题，在此基础上，通过优 化算法寻找使构造的目标函数最小( 或最大) 的最优解，即找出最能解释警报信号的 故障假说【2 眦3 1 。 优化型诊断模型理论上比较严密的，不需要引入启发式知识，用常规的算法即可 实现。而且能够在诊断所依据信息不完整的情况下给出全局最优或局部最优的多个可 能的诊断结果，具有很好的应用前景。但在诊断所依据的信息发生畸变，出现复杂的 故障模式时，此诊断方法有时也难以保证结果的可靠性。因此如何根据被诊断对象特 征，构建具有高容错性能的故障诊断目标函数【2 4 】，以及如何确定迭代操作的结束准则 等问题是此类故障诊断理论需要深入研究的内容。 ( 5 ) p e t r i 网理论 随着新原理、新技术和新数学工具的不断涌现，一些新思路被引入了故障诊断领 域，这为故障诊断开辟了新的研究方向，极大的推动电力系统故障诊断理论向前发展， 其中以p e t r i 网理论为代表【2 5 】。 p e t r i 网以研究系统的组织结构和动态行为为目标，能够对系统中同时发生、次序 发生或循环发生的各种活动过程进行定性或者定量的分析，是离散事件动态系统建模 和分析的理想工具。电力系统故障属于一个离散事件的动态系统，由系统中各电压等 级一次设备、各类二次监控、保护装置的动作来反映故障情况，可描述为一系列的动 态事件，主要包括实体活动( 如断路器、继电保护、自动装置等) 和信息流活动( 如 信号的传递，控制指令发送，各监测信号流等) ，因此用p e t r i 网来描述离散动态过程 是合理的。已经有不少学者作了研究并取得了一定的成果【2 9 1 。 基于p e t r i 网的诊断模型的特点是结构表示图形化、推理搜索快速化和诊断过程数 学化等。p e t r i 网将关联矩阵和状态方程作为分析和建模的主要工具，其诊断思路为： 由表示故障发生征兆的初始标识经一系列发生序列到达标识的过程，如果目标库所 ( p l a c e ) 中有一个托肯( t o k e n ) ，则表示有该故障事件发生了。 采用基于p e t r i 网的故障诊断方法进行系统故障诊断，具有方法简单、形象直观、 4 长安大学硕l 学位论文 建模方便等突出优点。特别是p e t r i 网能方便地进行知识表示、诊断推理和逻辑关系表 达，对具有复杂网络拓扑结构的系统分析也颇为有效。但是对于电网保护装置的多重 性配置现状、保护装置之间的动作时间差异性、以及保护装置的性能异常等问题需要 更深入的探讨【3 0 1 。 1 3 本文作者完成的主要工作 江苏电网的数字化、信息化工作在同行业中处于领先地位，电网技术含量和研究 也比较超前。镇江电网的信息化速度发展很快，目前已初步形成覆盖全市电网的高速 光纤通信网络，多个变电站已实现综合自动化。因此江苏电网计划利用其在电网建设 发展方面的优势，从镇江分公司2 2 0 k v 电压等级区域电网开始建立故障诊断系统，逐 步建立面向全省电网的故障诊断系统。 本文从江苏地区电网故障诊断系统的实际项目背景出发，以实用化为基本目标， 围绕故障诊断系统的准确性、实时性、智能性展开进行，论文主要完成了以下五个方 面的工作： ( 1 ) 在充分调研的基础上，对国内外学者在电网故障诊断理论和方法方面的研究 进行总结分类，并深入现场从镇江供电分公司获得大量原系统数据资料，为本论文的 开展做好准备； ( 2 ) 结合实际研究应用对象江苏电网镇江供电分公司自动化的实际情况，充 分利用各种故障信息完成分层故障诊断结构的设计； ( 3 ) 根据电网故障信息分层诊断结构，建立基于p e t r i 网的电网故障诊断模型， 并在局部电网进行了实际应用与分析； ( 4 ) 参与镇江地区电网故障诊断系统方案设计，协助制定了快速可靠的地区电网 故障诊断实施方案； ( 5 ) 参与电网故障诊断系统的软件开发工作。实现了友好的可视化的图形界面， 简化了以往用户在故障元件设置、继电保护配置等方面繁琐的事务性工作。实现了地 区电网故障诊断系统主要任务和功能。 1 4 本文章节内容安排 本文共五章，分为项目背景与现状、电网故障特性分析、p e t r i 网理论及系统建模、 电网故障诊断系统的实现、系统诊断与分析等五个方面( 见图1 1 ) 。 5 第一章绪论 第_ 章电网故障特性分析 信息源分 第三章基于p e t r i 网理论的电网故障诊断 方法( 理论方面) 第五章系统诊断与分析 测试电网概述li 模块功能介绍 结论 图1 1 论文主要内容结构图 其中第三章基于p e t r i 网理论的电网故障诊断方法、第四章地区电网故障诊断系统 的实现和第五章系统诊断与分析为重点章节。具体内容将在以后章节阐述。 6 l 长安人学硕l 学位论文 第二章电网故障特性分析 电力系统故障诊断过程就是从被诊断系统的某些检测量中得到故障警报信息，通 过对这些警报信息进行分析处理来判断故障源的过程。通常同一故障源可能会表现出 多个故障警报信息，进行故障诊断时并不一定要获得所有故障警报信息，但需要足够 的故障警报信息，以便覆盖并能区分所有故障源。本章结合江苏电网镇江供电分公司 的实际情况对目前电力系统故障诊断所依据的信息源进行分析，进一步再根据信息的 特点构造故障诊断的分层结构。 2 1 信息源分析 从原理上讲，若电气故障量的信息完备、准确，就可以比较准确地判断出故障位 置；电气故障量的信息能实时获得，就可以进行在线诊断并迅速得到诊断结果。然而， 由于电力系统是分布式大系统，故障时不可能完整无误地从全网各处测取故障信息并 实时送到控制中心，目前各电网尚不具备这个条件。因此进行故障诊断前首先要分析 故障信息源。下面首先分析我国目前的故障诊断信息源的获取状况。 2 1 1 信息源的获取 目前故障信息来源主要有s c a d a 系统和故障信息系统，下面分别进行分析。 ( 1 ) s c a d a 系统 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ) ，数据采集与监视控制系 统，以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。s c a d a 系统是电网调度自 动化系统中最基本的组成部分，技术发展也最为成熟。目前我国各城市的调度中心基 本都具备s c a d a 系统，系统实时采集各厂站r t u 遥测、遥信、电度、数字量等数据， 包括设备潮流、母线电压、系统频率、主变油温等模拟量和断路器位置信号、刀闸位 置信号、部分保护跳闸总信号等状态量信息，同时向各厂站r t u 发送各种数据信息及 控制命令。其结构如图2 1 所示： 7 第二章电网故障特性分析 控制器控制器控制器控制器 控制器 图2 1s c a d a 系统结构示意图 由于s c a d a 系统强调运行工况数据的精确性，而且实时性高( 实时数据扫描周 期约2 - - 1 0 秒) ，为了快速准确的划定故障区域，识别故障，应充分利用s c a d a 系统 提供的开关状态以及电源和负荷的功率等信息。但作为电力系统故障诊断的信息源， s c a d a 也存在明显的不足，其收集到的信息主要是反映电网稳态的信息，缺乏对故 障的暂态故障信息的全面综合描述。 ( 2 ) 故障信息系统( f i s ) 过去受通讯技术和变电站自动化发展程度的限制，s c a d a 系统基本上是故障诊 断系统获取信息的唯一来源。伴随着计算机通信、网络等技术的发展，电力系统自动 化技术也取得了飞速的发展【3 1 3 3 】： a 、变电站综合自动化技术使继电保护系统和电网自动化系统结合在一起，微机保 护装置的全部信息，包括运行工况、动作情况、自检结果以及整定值等都可由自动化 设备统一采集后通过r t u 通道送至e m s 系统； b 、在电力系统中各级调度中心之间、调度中心与直属电厂和变电站间建立了计算 机通讯网络： c 、各网( 省) 调已相继完成以实现全网故障录波数据远传为主要目标的联网工作， 在电网发生故障后故障录波器可通过公用电话网或其它通道将所记录的主要故障数据 传送至调度中心。 d 、g p s 系统实现全网时间统一，以此来精确同步联网系统内中心站和每个分站 8 长安大学硕士学位论文 中所有入网的微机型故障录波器、微机保护装置的时钟，保证了电力系统故障分析的 准确性。 在上述发展的基础上，逐步形成了故障信息系统( f a u l ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，f i s ) ， 它是微机保护和故障录波器的录波信息远方传输和管理自动化的系统，其基本结构如 图2 2 所示。 通嚣8皂蓄odemmodem m o d e mb 吣 光端机等! 姒。毕 龄 分蝴 赋等m 分站n 芫麟馨 警g p 苣雪。警g p 笆彗 保黧奄奄奄曩量保篡奄书奄曩置 图2 2f i s 结构示意图 f i s 由一个中心站连接若干个分站形成，中心站一般设在调度中心或其他负责部 门，是故障信息的收集中心，负责对各个分站的故障数据集中收集、管理、综合分析； 对分站的录波装置进行远方整定、协调；连接电力m i s ，向调度、保护等专业人员和 高级应用提供数据服务。分站一般设在各变电站或发电厂，是故障信息收集的分中心， 主要负责对其附近的录波装置和微机型继电保护装置信息的收集工作，以及响应中心 站层发出的各种控制、协调命令，或就地的分类存储、管理。 分站与录波器之间采用客户机朋艮务器模式，即由分站轮询录波器是否有数据需要 传递，录波器对分站的请求进行响应，并经分站批准后才能向分站传输数据。分站向 中心站传输数据模式采用“自报式”，即中心站平时处于守候状态，分站如有故障数据 需向中心站传，则分站主动呼叫中心站，一般只主动上传保护动作信息，而保护动作 报文和故障录波报告在响应调度需要时才上传主站。主、子站间通过专用的通道相连， 而非采用s c a d a 远动通道，这确保了系统的独立性和信息的准确性。整个系统采用 9 第一二章电网故障特性分析 g p s 时间为时间基准，实现系统内中心站和所有分站中的微机保护和录波器时基的统 一，这为利用时间特性的故障诊断提高了可能，极大提高了故障分析的准确度。 f i s 把运行于实际系统中的所有保护、录波、自动装置等记录的信息统一收集起 来，广泛积累电网中所有微机型装置的运行记录，为故障诊断提供了比s c a d a 更为 详尽和准确的信息。但是故障信息管理系统与s c a d a 系统相比，实时性稍差，( 即故 障时需要信息分类，并按优先级上传，即使优先级最高的信息，要在2 分钟内传到调 度端) 。 2 1 2 统一信息平台的构建 近年来，各电力企业在信息化建设方面大力发展与发、输、变、配电网的生产调 度、经营管理以及其他业务管理密切相关的信息传输交换网络和各种应用系统，包括 s c a d a 、e m s 、d t s 、故障信息采集、负荷控制等，导致电网的信息系统非常庞大。 大量应用工程的实施导致各应用系统之间横向、纵向数据流错综复杂。在组织新的功 能应用软件时，通常通过建立多个功能相对独立的子系统，通过网络进行信息交换， 实现数据共享。但是这样往往各子系统界面风格不一致，使用人员难以适应；数据共 享程度差，维护工作繁重，管理渠道不畅；系统之间数据接口复杂、不规范，维护困 难，费用高；不同厂商协调工作量大，责任不易确认；硬件、软件重复投资，资源浪 费。 江苏电网公司从2 0 0 6 年起在全省着手建立基于统一建模、统一接口、开放性数据 平台的面向电力系统的信息系统，目前已在部分地区电网应用。本文的应用研究对象 镇江电网己初步建立基于继电保护及故障信息系统的统一信息平台，本文在此基础上 进行故障诊断系统的研究。 继电保护及故障信息系统由设在监控中心的主站和若干设在变电站的子站通过电 力系统的通讯网络组成，是一个对电力系统故障信息进行采集、传输和处理，以及保 护相关设备运行、监视和管理的分布式、准实时系统。构建的统一故障信息平台通过 对s c a d a 系统和继电保护及故障信息系统的集成，获取准确的电网结构信息、电网 实时运行信息和故障信息；通过s c a d a 系统导出c i mx m l r d f 格式的电网模型和 基于x m l 的s v g 图形，简化了新系统的参数录入、拓扑建立等繁琐绘图工作；提供 标准接口，使第三方获得电网模型数据和实时运行信息( 方便于快速开发新应用) 。 长安大学硕十学位论文 2 2 故障信息的分类与特征 充分了解故障信息的特征对建立准确有效的分层诊断结构有重要意义，下面分析 故障信息的特征及其分类格式。 2 2 1 故障信息分类及其格式 故障信息按照内容可分为六类，其格式如下： ( 1 ) 开关信息：包括由继电保护动作和连锁、连切、振荡解列、过负荷等安全控 制装置动作引起的开关跳闸信息，以及自动重合闸装置动作引起的开关闭合信息。 开关变位信息：l 厂站名称l 开关名称l 动作时间l 开关原来状态l 开关目前状态l ( 2 ) 刀闸信息：由于刀闸信息数据量相当大，目前大部分都不传送至调度，只保 存在厂站监控系统中，供查询调用。 刀闸状态数据：j 厂站名称l 刀闸名称i 变化时间j 刀闸原来状态j 刀闸月前状态j ( 3 ) 保护信息：故障后保护动作信息，包括保护跳闸报告、保护软压板状态报告、 保护录波报告( 部分保护有) 等。 保护动作信息：i 厂站名称i 开关名称i 动作时间l 保护原来状态i 保护目前状态l 软压板状态信息：臣三至至至工至至至至l 三至三亚习l 至垂至至匿三工至因 保护跳闸报告： 厂站保护保护整组动动作动作故障故障时最大 名称名称告警作次数元件时间相别相电流 ( 4 ) 安全自动装置信息：包括自动重合闸、各自投、过负荷等安全自动装置的动 作信息。 ( 5 ) 故障录波信息：电力系统中的故障录波装置可以记录由于短路故障、系统振 荡、频率崩溃等大扰动引起的系统电流、系统电压及其导出量，如系统频率、有功、 无功的全过程变化现象，同时还记录继电保护与安全自动装置的动作行为，断路器的 跳合闸时间和重合闸是否成功等情况，而且可以给出部分故障分析结果，如故障类型、 故障相别、故障距离等，以c o m t r a d e 文件的形式传递，其具体格式略。 ( 6 ) 故障点情况简报：子站对本站内保护跳闸报告的预处理所得，响应主站的调 用命令时上传。 第二章电网故障特性分析 故障点情况简报：臣三至三至工至三至垂l 三至至至至 至至至亘兰至歪互三圈 2 2 2 故障信息的特征 电网故障信息具有分层性、冗余性、间断性、不同时性等特征，深刻理解故障信 息的这些特征对于进一步做好故障诊断有着重要的意义。 ( 1 ) 分层性 故障警报信息具有一定分层特性【3 4 1 ，一层警报信息是在另一层警报信息基础上产 生的。电网发生故障后，首先反映的是电网各节点电压、支路电流( 或功率) 等电气 量的变化，之后是保护装置的动作信号，最后是断路器动作信息。图2 3 所示即为上 述各种信号产生的先后顺序关系。 图2 3 故障警报信息的分层特性 ( 2 ) 冗余性 从警报信息分层角度来看，一层警报信息可以由前一层警报信息推出，如断路器 动作信息可以由保护动作信息推出。所以，对于同一故障，不同层次的故障警报信息 具备不同形式，从警报信息所反映的故障内容来说具有一定冗余性。从一般诊断理论 来说，尽量不使信息冗余。但对于电网故障诊断问题，在复杂故障情况下以及保护设 备和断路器有异常工作或信息丢失时，要想对故障元件进行详细诊断定位，可利用警 报信息的冗余特性，也就是利用关于故障警报信息间关系的知识，对故障元件进行诊 断。 ( 3 ) 间断性 继电保护和故障录波装置记录的是电网故障的暂态数据，电网故障时它们将会在 短时间内采集到大量数据，若这些数据都要快速、准确的传送到调度中心，信道将十 分繁忙，而在大多数的时间，信道是空闲的，即具有| 日j 断性。 ( 4 ) 不同时性 系统故障后，本站及相关厂站的保护和录波装置都会启动，若将这数以百计的装 1 2 长安大学硕士学位论文 置的动作信息不加过滤的同时传送，不但不能保证及时向调度端提供真正有用的故障 信息，还会造成信息泛滥，甚至阻塞通道和数据丢失，而失去对事故判断和处理提供 依据的意义。因此，在发生故障时故障信息都是经过分类过滤处理再有选择的上传， 保证调度中心收到的信息足够但不多余。调度中心可获取的信息按照时间优先级可划 分为三层：第一层为较快而可靠获取的开关变位的遥信信息，第二层为保护信息，第 三层为故障录波信息。 2 3 故障诊断的分层结构 电网的各种故障最终是要体现在开关动作上，所以用开关跳闸信号判断故障是可 能的，而且开关变位信息的数据少而且最快到达，可以满足快速诊断的要求。保护信 息也可较快地得到，是反映故障状态的重要信息，应该充分利用来进行诊断。利用开 关和保护信息在简单故障情况下，可以定位故障元件；但是当系统发生复杂故障或开 关、保护存在误动、拒动以及因信道干扰发生信息丢失或错误等诸多不确定因素时， 基于开关和保护信息的诊断方法已经不能取得满意的结果，因此利用录波器信息进行 进一步的分析故障很有必要。从原理上讲，根据故障录波信息即原始的电气量信息可 以诊断各种复杂类型的故障，但由于故障录波信息量大，一般不自动上传，根据调度 端需要再由主站计算机下发命令上传的，所以不能以故障录波信息为主要诊断信息源。 本文根据这一情况，采用一种合理的分层诊断思想，以求在简单和复杂故障情况 下对信息资源都能合理利用，其流程图如图2 4 所示。 图2 4 分层诊断流程图 1 3 第一层一 第一一层 一第二层 第二章电网故障特性分析 ( 1 ) 先由开关警报信息初步判断，对于简单故障应可立即判断出故障元件，如果 不能确定唯一的故障解，则随诊断所得的可疑元件进行第二层诊断。 ( 2 ) 对于复杂故障，需要根据上层可疑故障元件收集相关保护动作信息进行诊断。 如果能确定唯一的故障解则诊断结束，否则进行第三层诊断。由于故障录波的信息量 比较大，仅对第二层诊断的可疑故障元件进行第三层诊断。 ( 3 ) 诊断可疑元件，调用需要的故障录波器记录的波形信息进一步分析，确定故 障元件。并且进一步确定故障类型、故障相别、故障地点等，结合波形分析对保护、 开关和重合闸动作情况进行评价。 本论文研究应用对象江苏电网镇江分公司目前的情况是：已经建成由国家电 力公司南京自动化研究院研制开发的新一代开放型分布式能量管理系统 ( s c a d e m s ) o p e n 2 0 0 0 ，从s c a d a 获取信息是可以满足的；而该公司的故障 信息系统正在建设中，暂时无法j i l 页n 从中获取数据，因此本论文诊断模型主要是以 s c a d a 为信息源，在此基础上展开研究。当某条线路发生故障时，相关保护动作断 开相应断路器以隔离故障线路；同时，保护动作信息和断路器动作信息由s c a d a 系 统记录并上传至控制中心，针对可疑故障元件集( 第一层确定的故障区域中的元件集 合) 通过构造基于p e t r i 网理论的诊断模型，通过求解找出最能解释这些保护和开关信 息出现的诊断假说。 2 4 本章小结 本章首先分析了电力系统故障诊断所依据的信息源及其特点，依据特点设计了分 层诊断结构。第四章将结合本论文研究应用的地点江苏电网镇江供电分公司自动 化的实际情况，根据分层诊断结构确定本故障诊断系统所采用的实施方案。 长安大学硕士学位论文 第三章基于p e t r i 网理论的电网故障诊断方法 p e t r i 网能用图形化和解析式两种方法表达系统的动态行为，非常适于描述并列、 次序发生的活动，而电网发生故障与隔离故障元件的过程正是这样一个典型的动态过 程，因此p e t r i 网适于解决电网的故障诊断【3 5 3 6 1 。本章采用p e t r i 网建立了电网的故障 诊断模型，并在局部电网中进行了诊断与分析。 3 1p e t r i 网基本理论 3 1 1p e t r i 网的基本概念与构成 p e t r i 网起源于1 9 6 2 年c a r la d a mp e t r i ( 德国) 的博士论文“用自动机通信”，他 提出了一种可以用网状图形表示的组合数学模型，以描述系统中各元件之间的关系为 基础，用网络来表示系统中同时、次序或循环发生的各种活动。这种系统模型后来以 p e t r i 网为名流传。 p e t r i 网是一种网状信息流模型，包括条件和事件两种节点，在两类节点构成的有 向图基础上增加了表示状态信息的托肯( t o k e n ) 分布，并按照发生规则使事件驱动状 态变化，从而反映系统的动态运行过程。 首先介绍相关的基本概念【3 7 ，3 8 1 。 ( 1 ) 资源：在系统中发生的变化所涉及与系统有关的因素称为资源。包括原料、 部件、产品( 成品或半成品) 、人员、工具、设备、数据及信息； ( 2 ) 状态元素：资源按其在系统中的作用分类，每一类放在一处，则该处抽象为 一个相应的状态元素，又称p 元素； ( 3 ) 库所( p l a c e ) ：状态元素又称库所。库所不仅表示一个场所，而且表示在该 场所存放了一定的资源； ( 4 ) 变迁( t r a n s i t i o n ) ：资源的消耗、使用以及产生引起状态元素的变化称为变 迁，又称t 元素； ( 5 ) 托肯( t o k e n ) ：库所中资源的数量； ( 6 ) 条件：如果一个库所只有两种状态，有托肯和无托肯，则该库所称为条件； ( 7 ) 事件：涉及条件的变迁称为事件； ( 8 ) 容量：库所对贮存资源数量的限制称为库所的容量。 1 5 第三章基于p e t n 网理论的电嘲故障诊断方法 定义1 三元组n = ( p ，t ，f ) 称为有向网( 简称网) 的充分必要条件是： ( 1 ) p nt = 矽，尸ut ； ( 3 1 ) ( 2 ) f ( p x 丁) u ( t x p ) ； ( 3 2 ) ( 3 ) d o m ( f ) u c o d ( f ) = p u t ( 3 3 ) 其中p 叫做n 的库所集，t 叫做变迁集，f 叫做流集。x = put 叫做n 的元素 集。矽表示空集合。x 是两集合的笛卡尔乘积运算，f 为库所结点与变迁结点之间的有 向弧集合。d o m ( f ) 是f 所含有序偶的第一个元素所成的集合，c o d ( f ) 则是第二个元 素的集合。 d o m ( f ) = 留l 了y ：( x ，y ) f ) ( 3 4 ) c o d ( f ) = yl 口x ：( x ，y ) f ( 3 5 ) 网的图形表示是指将库所节点、变迁节点和有向弧用图形的方法表示出来。库所 用一个圆圈“o ”表示，变迁用一根竖线“i ”表示，托肯用小黑点