（控制理论与控制工程专业论文）基于模糊专家系统的大型企业电网随机谐振故障诊断.pdf

ab s t r a c t i n t h i s p a p e r , w e m a i n l y s t u d y r e s o n a n c e f a u l t i n p o w e r s y s t e m . o n o n e h a n d m o r e a n d m o r e c o m p l i c a t e d p o w e r n e t w o r k s t r u c t u r e m a k e s f a u l t d i a g n o s i s m o r e d i ff i c u lt , o n t h e o t h e r h a n d l a r g e e n t e r p r i s e n e e d s s a f e r a n d s a f e r p o w e r n e t w o r k w i t h t h e h i g h l y d e v e l o p m e n t o f m o d e r n s o c i a l e c o n o m i c . i t is n e c e s s a ry t o f i n d e x a c t f a u l t d i a g n o s i s m e t h o d t o k e e p n e t w o r k s a f e . t h e p a p e r a n a l y z e s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f a n d t h e f a c t o r s r e s u l t i n r e s o n a n c e a n d b r in g s f o r w a r d a w a y o f f a u l t d i a g n o s i s e x p e rt s y s t e m b a s e d o n f u z z y t h e o ry b y a p p l y i n g t h e o ry o f a rt i f i c i a l i n t e l l i g e n t , d a t a b a s e a n d f u z z y t h e o ry . t h e s y s t e m a d o p t s a w a y o f k n o w l e d g e e x p r e s s i o n b a s e d o n fi i z z y c r e a t i o n w a y o f r u le b e c a u s e o f t h e u n c e r ta i n ty o f f a u lt p h e n o m e n o n , a p p l i e s t h e t e c h n o l o g y o f t h e e r d a t a b a s e t o e s t a b l i s h t h e d a t a b a s e , a d o p t s p o s i t i v e i n f e r e n c e c o n t r o l p o l i c y i n i n f e r e n c e m o d u l e , a p p l i e s t h e o b j e c t - o r i e n t e d t e c h n o l o g y t o r e a l i z e t h e s y s t e m . k e y wo r d s : p o w e r s y s t e m , f a u l t d i a g n o s i s , r e s o n a n c e , f u z z y e x p e rt s y s t e m , e r i i i 学 位 论 文 独 创 性 声 明 学位论文独创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人己 经发表或撰写过的研究成果， 也 不包含为获得 南昌大学 或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 ( 手 写 ): 讨 好签 字 日 期 :， 咨 ， 年 月， 9 h 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了 解南昌大学有关 保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。 本人授权南昌大学可以 将学位论文的全部或部分内 容编入 有关数 据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 、文 作 者 签 名 (手): 瓣 导 师 签 名 ( 手 写 ) 汤 丫 韵 味 签 字 日 期 : 7 砷年6月 7日签 字 日 期 :l 年月/ 夕 日 学位论文作者毕业后去向: 工 作 单 位 :私沁 号 险电 话 : 。 夕 9 2 - $ 3 a i a 夕 通 讯 地 u : 洲 v l汤c 1 a 3 .-m i 邮编: 3 3 wal 引言 第 1 章 引言 1 . 1课题的研究背景 随着现代化大生产的飞速发展和科学进步，企业对电力的需求与日 俱增。 电网一旦发生故障所造成的直接、间接损失也将十分严重。电网中包含有许多 电感、电容元件 ( 如变压器、互感器等的电感;输电线路的对地电容及相间电 容) ， 在诸多的诱因下它们会构成一系列不同 频率的 振荡回路。 在我国， 3 5 k v 线 路通常采用不接地或经消弧线圈接地，在运行方式变化或存在其它诱导因素 时， 3 5 k v等小接地电 流系统在一定情况下会出 现谐振过电 压， 谐振过电 压在操 作和故障的过渡过程中产生，而且在过渡过程结束以后，虽然在某些情况下不 能自 保持，会自动消失，但可能较长时间内稳定存在，直到发生新的操作，谐 振条件受到破坏为止.当系统发生谐振时，可能因持续的过电压而危及电气设 备的绝缘， 也能因持续的过电流而烧毁小容量的电 感元件设备( 如电 压互感器) ， 还会影响保护装置的工作条件 ( 如影响避雷器的正常运行) 。为了确保高效、安 全的生产，确保电网的安全运行，提高其可靠性和安全性，电网一旦发生故障 调度人员必须准确迅速地判别故障元件与故障性质，及时处理故障，恢复电网 的正常运行。 本课题来源于 江 西 省工业攻关重大课题 大型企业电力信息管理与智能监控 和故障诊断系统 。课题以德兴铜矿动力厂 3 5 k v的配电网为示范对象。近年来 德兴铜矿动力厂3 5 k v 的配电网多次发生谐振故障，不但中断了企业生产而且导 致了电压互感器等大型供电设备的烧毁，给企业带来了巨大的经济损失。由于 该厂电网陈旧，结构复杂，故障原因不明，厂方一直未有有效的解决措施。为 此，德兴铜矿动力厂与南昌有色冶金设计院、南昌大学合作，通过对谐振的理 论分析，并基于此开发谐振故障诊断模糊专家系统，对实际运行中发生的谐振 故障进行诊断提出了防止及消除这些故障的措施。 引言 1 . 2随机谐振故障与电网故障诊断的研究现状 1 . 2 . 1随机谐振的研究现状 电网中的谐振， 实际上就是在电感、电容元件组成的回路中， 自 振频率等于 工频或某一谐波频率时所发生的共振现象。谐振往往在电网某一局部造成过电 压， 从而危及电气设备的绝缘， 甚至产生过电流而烧毁设备， 还有可能影响过电 压保护装置的正常工作条件。谐振过电压的持续时间与回路本身的特性及激发 因素有关， 可能是稳定的， 也可能仅持续一段时间。长期以 来谐振过电压严重威 胁着电网的安全， 特别是对中性点不直接接地系统， 铁磁谐振所占的比例较大。 目 前，我国3 5 k v及以 下配电网， 仍大部分采用中性点不接地方式运行， 一部分 采用老式的消弧 ( 消谐)线圈接地。从电网的运行实践证明，中性点不接地系 统中一方面由于电压互感器铁心饱和引起的铁磁谐振过电压比较多，尽管采取 了不少限制谐振过电压的措施，如:消谐灯、消谐器、t v高压中性点增设电阻 或单只t v等，但始终没有从根本上得到解决，t v烧毁、熔丝熔断仍不断发生; 另一方面由于中性点不接地运行方式的主要特点是单相接地后，允许维持一定 的时间，但随着中低压电网的扩大，出线回路数增多、线路增长，中低压电网 对地电容电流亦大幅度增加，单相接地时接地电弧不能自 动熄灭必然产生电弧 过电压， 一般为3 -5倍相电压甚至更高， 致使电网中绝缘薄弱的地方放电击穿， 并会发展为相间短路造成设备损坏和停电事故。 多年来， 国内外专家学者对铁磁谐振做了大量理论研究和实验分析。在理论 研究方面， 阐明了这类非线性谐振问题中所蕴含的不同于线性谐振的丰富内容， 提供了坚实的理论基础。在实验分析方面， 通过现场模拟试验对铁磁谐振的发展 过程和谐振条件进行了大量研究， 揭示了铁磁谐振的内在规律， 并在此基础上研 制了几种消谐装置。近几年来， 非线性振动理论、分叉理论、模糊理论、混沌理 论等方法的引入不仅扩大了研究领域， 而且给研究带来了很大方便。同时大量数 学工具如m a t l a b 和m a t h e m a t i c的使用也为铁磁谐振的 研究提供了 便利条件。 随着研究的不断深入和发展， 对铁磁谐振研究已达到了一个新高度。 引言 1 . 2 . 2电网的智能故障诊断技术的研究现状 f8 截至目 前， 电网故障诊断的实现还未以高级应用系统产品的形式出现，为数 不多的应用实例皆以科研项目的形式投入现场。基于专家系统和优化算法的电 网故障诊断方法是应用较多和实用化最好的两种算法，此两算法理论上比较成 熟，尤其是基于专家系统的诊断模型是目 前绝大多数工程实际的首选，这是由 其特点决定的，但是其在实际中面临的维护困难、推理紊乱等不足尚难以 逾越。 按照诊断模型，大体可以分为三种:推理型故障诊断模型、优化型故障诊 断模型、计算分析型故障诊断模型。 1 、推理型诊断模型 推理型诊断模型比较接近人的实现故障诊断的过程，基本思路是:由获得 的故障综合信息，根据既定规则( 或经验) 逐步地逻辑推理出故障设备或故障原 因。推理型诊断模型可大体分为显型和隐型推理，其中显型推理模型，如传统 的推理模型和专家系统模型，更多的是人为诊断行为的模拟和计算机实现，早 期研究比 较多，也比较成熟;而隐型推理模型，如基于神经网络的诊断模型、 基于p e t r i 网的诊断模型、基于因果关系网的诊断模型等，对逻辑推理规则做了 抽象化、数学化等处理。下面对主要方法做分别论述。 ( 1 ) 基于专家系统的电网故障诊断 7 0 年代初期专家系统就引入了电力系统故障诊断研究领域，其所具有的特 点与电力系统故障诊断问题有许多切合点，因此基于专家系统的故障诊断研究 时间最长、研究最多。专家系统在融合书本相关理论知识来处理各种定性问题 的同时，可总结和利用专家的经验知识( 或称启发式知识) 来求解问题，因此在 解决那些依靠解析方法不能解决的问 题方面具有先天优势，而且可使所求解问 题的知识搜索和推理范围缩小，提高问题的求解速度和推理效率。专家系统在 电力系统的故障诊断和恢复处理方面应用较多。几十年的研究发展历程， 基于 专家系统的电力系统故障诊断理论在知识获取和构造方面有了很多的改进，其 发展的趋势是力图使知识获取、知识表达工作简化，进而将故障诊断的推理效 率得到提高。 ( 2 ) 基于神经网 络的电网故障诊断 基于神经网络的电网故障诊断模型属于隐型推理诊断模型，其推理过程不 为人所理解。诊断基本思想是:从领域专家所提供大量和充分的故障实例中， 引言 形成用于故障诊断神经网络模型的训练样本集，通过一定的学习、训练使诊断 神经网络获得对电网故障的诊断功能，并具有一定的联想和泛化能力。 基于神经网络的故障诊断避免了专家系统故障诊断所面临的知识库构造等 难题，不需要推理机的构造，且推理速度与规模大小无明显的关系，很快引起 了人们的研究兴趣，也得到了日益广泛的发展。应用于电力系统故障诊断的神 经网络有:基于b p 算法前向神经网络，基于径向基函数的神经网络以及具有时 空概念的分层分布式的神经网络等. ( 3 ) 基于p e t r i 网的电网故障诊断模型 p e t r i 网是离散事件动态系统建模和分析的理想工具，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，达到研究 系统组织结构和动态行为的目的。鉴于电力系统故障动态过程描述的可行性， 因而可将p e t r i 网引入来构造电网诊断模型。基于p e t r i 网的诊断模型的主要特 点在于:结构表示图形化、推理搜索快速化和诊断过程数学化等。诊断思路是: 由 表 示 故 障 发 生 征 兆 、 的 初 始 标 识 经 一 系 列 点 杰 序 列 x o , x 二 、 _ t ) 到 达 最 终 标识产 二 ， 此 过 程 可 用 状 态 方 程p n - u o 十 a t 艺x 、来 表 示， 如 果目 标 库 所 ( p l a c e ) 中 有 一 个 托 肯 ( t o 2 k e n ) ， 则 表 示 有该 散障 事 件 发 生 了 。 2 、优化型诊断模型 电力系统故障诊断研究领域后来引入的优化型诊断模型对整个研究领域产 生了重要影响。优化型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0一1 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。 3 、计算分析型诊断模型 文献中也有基于故障录波器测量信息，通过计算来实现电网故障诊断的研 究思路。这类诊断方法立足于通过检测电流、电压等测量信息来确定故障设备 和位置，类似于离线广域保护的思路。录波器测量的电流、电压量在反映一次 系统状态方面具有很高的可靠性，是事故后故障分析的重要依据。但是保护装 置实现电网的保护功能，有一套严格的、精细的分析处理算法和逻辑，其本身 的动作行为是经过严格测试的，所以在诊断过程中，不考虑保护、监控等装置 的动作行为，直接以整个变电站或某个局域网为对象，按照保护的思路采用交 流量来实现故障定位目 前不太可行，效果也不佳。 引言 1 . 2 . 3电网故障诊断的发展趋势 鉴于上述的诊断理论研究现状、诊断系统实现条件以及实际需求等各方面 因素，以后的电网故障诊断会向以下方向发展: 1 、 向 全局分层信息的电网故障诊断模型发展。 如利用多代理( m u t i 一 a g e n t ) 群智体理论来构建电网诊断模型的研究，扬长避短采用多种智能诊断方法混合 来实现电网故障诊断的研究等，毕竟电网故障诊断本身就是一个多层次、多种 类问题的求解过程，采用单一方法很容易出现解决了某一问题的同时又带来新 问题的现象，不利于整体诊断性能的提高; 2 、充分利用故障信息预处理，以 适应海量故障信息、信息冗余，以及部分 信息丢失或被噪音污染等特点，如诊断领域引入当前研究较热的数据挖掘理论、 粗糙集理论等; 3 、向故障时序分析的电网故障诊断方向发展。准确的故障时序分析，即故 障过程的再描述( 其中包含有保护、监控设备的动作行为) ，是事故分析结论的 重要依据，对此方面的输入研究成果具有重要的理论价值和现实意义; 4 、朝着实用化方面发展，鉴于诊断理论大多基于智能化方法，所以实用化 进程的推进不单对诊断领域，对整个智能领域都具有重要意义。专家系统和优 化算法在实现中有机结合;诊断模块功能独立，不过分依赖于具体的区域电网 参数设置;作为高级应用系统模块具备简单、标准的接口等。逐渐推动电网故 障诊断子系统向产品化方向发展。 1 . 2 . 4电网故障诊断面临的问题 电网故障诊断因系统规模、系统复杂程度和不确定性等因素的限制，难于 通过建立常规的数学模型来进行研究，基于智能化理论来实现故障诊断是必然， 智能化诊断方法的实用化前景也比较明朗。纵观电网故障诊断的研究，虽然取 得了许多卓有成效的成果，但如果以事故后分析提供帮助为目的，以诊断结果 能够作为事故分析结论为目 标来衡量的话，目 前的诊断研究也存在着一些不足: 1 、早期文献研究的故障诊断方法大多立足于所依靠信息完全正确可信的基 础上，未考虑信息传输中出现错误或不同信息相矛盾等实际中普遍存在的现象; 2 、现有故障诊断策略大都偏重于利用单个诊断对象的局部信息，如调度中 心基于跳闸开关信息的故障诊断系统，变电站中基于保护装置动作信息的故障 引言 诊断系统等。未能从电网全局的角度来实现诊断，所以很难提供运行、检修人 员可以直接采用的分析结论; 3 、较多的电网故障诊断研究仅立足于解决诊断中某个点，以及现有模型 基础上引入新的智能算法，未能从建模上推进电网故障诊断研究的进步，所以 有些问题不能根本性的解决。 电网的故障诊断是一项复杂的技术任务， 需要对多种数据及结果进行综合 全面的分析、处理，从而得出关于电网当前状态的正确结论，其诊断过程繁琐 而复杂。以往，电网的运行状况主要依靠有实践经验的专业人员根据其工作经 验和专业知识来判断，结论的可靠性和准确度完全取决于专业人员的经验及责 任心，主观因素影响较大。而近年来，随着企业动力厂规模的不断扩大，各种 监控设备已被应用于监测电网的日常工作。当电网发生故障后，所有相关的监 控设备均会产生相应的报警信息并将其送至控制中心，可能在 1秒内有上百条 报警信息涌入控制中心，这远远超出了运行人员的故障处理能力。 1 . 3本文的主要工作及结构 对谐振故障进行智能诊断是电网故障诊断的趋势，它融合了多种技术优势， 对减少电网维护人员的劳动强度，快速培训技术人员具有深远的意义。但由于 其 发 展 时 间 较 短 ， 该 技 术 尚 未 成 熟 ， 还 没 有 进 入 使 用 阶 段 。 本 文 作 者 l - a*动 力厂3 5 k v系统为对象， 采用面向对象的程序设计方法开发该专家系统。 本系统 是在 w i n d o w s 2 0 0 0 s 操作系统环境下使用 v i s u a l c +语言和 m i c r o s o ft s q l s e r v e r 2 0 0 0 数据库实 现的。 本论文结构安排如下: 第1 章主要介绍了课题的 研究背景和随机谐振、电网故障诊断的研究现状。 第2 章主要介绍了 在该课题中所应用到的理论及技术。 第3 章介绍了随机谐振故障诊断模糊专家系统知识库的设计。 第4 章介绍了随机谐振故障诊断模糊专家系统推理机的设计。 第5 章介绍了随机谐振故障诊断模糊专家系统的数据库设计。 第6 章介绍了随机谐振故障诊断模糊专家系统的系统实现。 第 7 章总结与展望。 第z 章 随机谐振理论及仿真与模糊专家故障诊断技术 第2 章 随机谐振理论及仿真与模糊专家故障诊断技术 2 . 1随机谐振的基本原理 2 . 1 . 1谐振的表现形式及危害3 3 在电力生产和电力运行的中低压电网中，谐振故障的形式多种多样的，性 质也各不相同。因此，应该了解各种不同类型谐振的性质与特点，掌握其振荡 的性质和特点，对于谐振故障诊断和防治具有重大意义。 1 、谐振的分类 通常认为系统中的电阻和电容元件为线性参数， 电感元件则一般有三类不 同的特性参数。对应三种电感参数， 在一定的电容参数和其它条件的配合下， 可 能产生三种不同性质的谐振现象。 ( 1 )线性谐振: 电感参数为常数， 电感值不随元件上的电压或电流的变化而 变化。 ( 2 ) 铁磁谐振: 电感元件因带有铁芯会产生饱和现象， 电感参数不再是常数， 而是随着电流或磁通的变化而变化。 ( 3 ) 参数谐振: 电感参数在外力的影响下发生周期性变化。 谐振故障中以铁磁谐振为最常见也是最难预防的。铁磁谐振也是本课题的研 究重点。 2 、几种常见的铁磁谐振 ( 1 ) 断线谐振:所谓断线泛指导线断落、断路器非全相操作以及熔断器的一 相或二相熔断。断线的结果可能形成电感电容的串联谐振回路， 其中电感是指空 载或轻负载变压器的励磁电感等， 电容是指导线的对地和相间电容， 或电感线圈 的对地杂散电容等。在中性不接地的配电网络中， 断线谐振出现的比较频繁， 并 且造成各种后果， 即: 在绕组两端和导线对地间出现过电压; 负载变压器的相序 反倾; 中性点位移和虚幻接地; 绕组铁芯发出异常响声和导线出现电晕声。在严 重情况下， 甚至瓷瓶闪 络， 避雷器爆炸和击毁电气设备。 ( 2 ) 传递过电压产生的铁磁谐振:当高压线路中发生不对称接地或断路器的 第z 章 随机谐振理论及仿真与模糊专家故障诊断技术 不同期操作时， 将会出现零序电 压和零序电流分量， 通过静电和电磁祸合， 能在 近旁的低压平行线路中感应出瞬间的或持续性的传递过电 压; 同样， 变压器高压 绕组侧的零序电压通过绕组间的杂散电 容传递至低压侧， 危及后者的电 气绝缘。 如果低压侧接有铁芯电感元件( 消弧线圈、空载变压器或电压互感器等) ， 则有可 能产生铁磁谐振过电压。 电磁式电压互感器引起的铁磁谐振:在电力系统中， 为了监测发、变电 所母线对地电压， 通常在发电机或变电所母线上接有电 压互感器， 并且其一次绕 组接成星形， 中性点直接接地。这样当 进行某些操作时( 例如中性点绝缘系统非 同期合闸， 或接地故障消失之后) ， 电压互感器的激磁阻抗与系统的对地电容形 成非线性谐振回路， 由于回路参数及外界激发条件的不同， 可能造成分频、工频 或高频铁磁谐振过电压。 ( 4 )串联电容补偿线路中的铁磁谐振:串联补偿装置是多个串、并联连接的 三相电容器组， 它串接在输电线路的首端、中间或者末端， 其目的是使容抗补偿 线路的正序感抗。在中、低压配电线路中， 串补主要用来提高线路末端电压。当 串补线路末端接有空载或轻载变压器时， 其励磁电感很大， 它与线路正序电感相 加， 并与串补电容组成很低的自 振角频率， 在线路合闸或投入串补时将会产生分 频铁磁谐振， 使得压降和电流波形发生畸变。 在超高压线路中， 投入串补的目 的 是为了提高线路的传输能力。 2 . 1 . 2谐振的机理22 1 x 1 以 最简单的非线性 r l c串联谐振回路引起的基频谐振为例，说明谐振的机 理。谐振回路和元件的工频伏安特性如图2 . 1 0 uc 气) e 二 一d- - ria3 氏eo 图 2 . 1 谐振回路和伏安特性 第2 章 随机谐振理论及仿真与模糊专家故障诊断技术 设电 源电 压为e , 4 u = u : 一 矶. 根 据电 势平 衡原 理， 有玄 = 沙 ， 可 看出 e 与 u 在图中的 交点 有三个。 可以 证明，a , . a ， 两点是稳定的， 而a : 点是不 稳定的， 实际上是不存在的。 比 如当回 路中的电 流有微小扰动， 稍有增加， a 2 移 至暇， 外加电 势e 将大于 u， 使回路电 流继续增加， 以 致到达新的 稳定平 衡点 a 3 为止， 若扰动使电 流 稍有减小， a 2 移至吐点， 则外加电 势e 不能维待总 压降， 使回 路电 流继续减小， 直到 新 稳定点a 。 为止。 可见，a : 点 经不起任何微小的 扰 动， 是不 稳定的， 不 能 成为 回 路的 实际 工 作点， 当e x c ) 突 然 变为 容 性( x l u c ， 整个回路是电 感性的， 这时 作用 在电感和电容上的电压都不高，电流也不大，回路处于正常的非谐振状态;当 电 路工作点 落在p d 上时，u c 认，回 路变为电 容性的，回 路电 流急 剧增大， 己 越过i k 值， 而使电 容和电 感 上都出 现较高的 过电 压。 此时， 非线性电 感回路 已处于谐振状态。 由 于电 感的非线性， 当电 流 越过i k 而继续增大时， 感抗c o l 进一步下降， 使 回路中的感抗和容抗自 动错开。所以，这种非线性谐振过电压的幅值受非线性 所限制，一般不超过电 源电压的三倍。 实际中，一般的情况下，稳定的谐振需要激发。只有电路内事先经受到足 够强烈的冲击扰动，以使电压的幅值在此扰动过程 ( 过渡过程)中达到谐振所 需的数量级， 才有可能 使工作点从a : 点 转移到a 3 点，即激发 起持续性的 铁磁谐 振过电压。这种需要一定程度的冲击激发的情况称为外激现象。一般地说，冲 击扰动的原因是电网的突然合闸、发生故障和故障消除等等，所有这些都有可 能造成电感两端短时间的电压升高、大电流的振荡过程或铁芯电感的涌流现象。 第2 章 随机谐振理论及仿真与模糊专家故障诊断技术 2 . 2 产生谐振的诱因 2 . 2 . 1操作过电压 1 、切除空载线路过电压 切除空载线路时，断路器触头的分离可能在电源相位角为任何一数值时发 生，通常交流电弧要在电流过零时。加上灭弧室吹弧的作用才可能熄灭，如果 触头分离时电流不为零，就会在触头之间产生电弧，线路就还没有被切除。由 于空载线路的电流是容性，线路电流过零时，线路上的电压恰好为最大值，断 路器灭弧以后，在线路上滞留一个残留电压， 加上断路器电弧的重燃，则可能使 线路上产生很高的过电压。为简单计，下面以单相电路为例来讨论这种过电压 形成的具体过程。 如图2 . 2 ，当断路器触头分开时，在电容电流过零的瞬间电弧熄灭， 此刻母 线上 和线 路上的电 压正 好为 最大值十 u m 。 空 载线路的 绝缘 通常都比 较强， 在工 频半个周期以内，线路上的残留电 压不会有很大的变化，经过 m i s( 半个周 波)以后，母线上的电 压已经变为一 u m ，此刻断路器触头间的电位差应为 u 。 一 卜 u m ) = 2 呱， 如图2 . 2 ( a ) 所示。 假若 触头 分离的 距离不 足， 其间 隙 重 被 击穿，电 弧重 燃。 此时，由 于母线电 压必须保持一 氏， 于是形成了一 2 u ， 的电 压 波向 着线路末端传播，如图 2 . 2 ( b ) 所示。当这=行波到达开路的线路末端时， 电 压波发生全反射， 其反 射电 压为2 ( - 2 u . ) = - 4 u . ，当 与线路上原 有的 正电 荷 2 u . ( a ) 图2 . 2 切除空载线路过电压的产生 第 z 章 随机谐振理论及仿真与模糊专家故障诊断技术 电 压+ u 。 中 和以 后， 线路上实际存在的电 压应为一 3 u m 。当反射波电 压由 线路末端回到断路器时，由于断路器触头间电流恰好为零值 ( 进一步研究表明， 此电流为高频振荡电流)，于是触头间电弧可能熄灭。此后线路上维持有数值 为一 3 u 。 的 残留 电 压。 再 过 。 . o l s ( 半 个周 波) 以 后， 母线电 压又 反向 变为十 呱， 则触头间的电 位差变为u 。 一 ( - 3 u m ) = 4 u . 。 当 此电 压足以 使触头间 击穿，电 弧 又重 燃， 与 上 述 过 程 相 类 似， 从 而使线 路 上的电 压上升为+ 5 u . . 假若 继 续 每隔 半个工频周期断路器触头间就重燃一次，则过电压将按一 3 呱 、十 5 u , , - 7 u 。 一 的 规 律 变 化 ， 越 来 越 高 。 当 然 ， 在 实 际 情 况 下 ， 由 于 舜 许 多 因 素 的 影 响，这种过电压是有一定限度的。 2 、切除空载变压器过电压 断路器在切断大电流时，通常都是在工频电流过零时切断电弧。但是，在 切空变时，由于空载励磁电流很小，断路器有可能在工频电 流不过零时切断电 弧，称为断路器的截流，如图2 . 3 所示。切空变引起过电压的根本原因在于断路 器的截流，截流使电感中的磁场能量转变为电容上的电场能量，从而产生过电 压，其具体的物理过程如下。图2 . 4 为分析切空变所用的简化等值电路图，图中 l , c 分别为变压器的电 感和电容，q 为断路器的断口。 l 二 c 图2 . 3电 感电 流 在凡 时 被 截断图2 . 4切 空 变 等 值电 路 在未断开 前，当 工频电 压作用时， 断路器中 流过的电 流i r 为变压器电 感电 流几与电 容电 流i c 的 矢 量 和， 因c 很小，i c 可以 略 去， 则i r 几。 如果断路器在 工频电 流自 然过零时 熄弧， 这时电 感上的电 压u : 和电 容上的 电 压u c 恰 好 是 工 频电 压 最 大 值，i t 过 零， 也 就是1 l 过零时 ， 熄弧 后电 感中 磁 场 能量等于零，电容不可能从其它地方得到能量，故电容电压最大不会超过工频 电 源电 压。 但 是 电 流 在没 有 过 零被 截断 时，由 于电 感的 特性，l l 不 可能 立刻降 为零， 具有一定的值， 电感中还具有相当大的磁场能量， 这时可以看作l中有起 始电 流1 l 对c 充电 ， 使电 容中 的电 压急 剧 上 升。 电 容 上的 电 压上 升可 达的 数 值， 决定于电感中的磁场能量。当其全部转变为电容上的电场能量时，电容上的电 压便达最大值。 3 、带p t 合闸过电压 第z 章 随机谐振理论及仿真与模糊专家故障诊断技术 包括电压互感器在内的空载母线或送电线路的突然合闸，将使电压互感器 的某一相或两相绕组内产生巨大的涌流和磁饱和现象。此时电压互感器与线路 上的电容元件形成振荡回路，产生很高的谐振过电压。 2 . 2 . 2故障过电压 ( 1 ) 弧光接地过电 压 运行经验表明，单相弧光接地故障引起的p t 饱和铁磁谐振是最常见的谐振 现象。在小电流接地系统中，随着电网的扩大和电容电流的进一步增加，当发 生弧光接地故障时，接地电弧变得不能最终自 熄;另一方面，由于通过弧光的 电流并不太大而不足以产生稳定性的电弧，于是就形成了电弧熄灭和重燃的相 互交替的不稳定工作状态，这种间歇性电弧现象引起电网运行状态的瞬息变化， 导致电磁能的强烈振荡，并在健全相以至故障相中产生很高的过渡过程过电压， 过电压个别可达最高运行相电压的3 . 5 倍。 ( 2 )断线过电压 断线过电压是指由于导线断落、断路器拒动以及断路器和熔断器的不同期 切合所引起的谐振过电压，在3 5 千伏及以下的电网内，断线引起的铁磁谐振过 电压事故是较为频繁的。通常，最大的过电压发生在断线相上，使得该处的绝 缘遭受威胁和避雷器发生爆炸。 如图2 . 5 ( a ) ， 在中性点不接地的网络中，线路带空载( 或轻载) 变压器，单 相( a 相) 断线，且在电源侧接地。假定电源内阻抗、线路感抗与线路容抗相比可 忽略不计。 设线路长度为1 ， 离电源x 1 处单相断线( x = 0 - 1 ) 。 线路对地自电容和 相间 互电 容分别为c u 和c u . 线路正 序和零序电 容的比 值为 : _ c o + 3 c , ( 2 . 1 ) c u 一 般s = 1 .5 2 .0 。 由 上 式 知c ,2 = 1 i 3 ( ,5 - 1 ) c o 。 断 线 后 ， 电 源 侧 对 地自 电 容q= x c o ， 相间 互电 容c 2 = x c ,z . 负 载 侧心= ( 1 - x ) c o ,吼 = ( 1 一 x ) c ,2 a 因电源三相对称，a 相断线接地， b , c 两相在电路上是完全对称的，所以三 相电 路 等 值 为 单 相电 路 时， 等 值电 势 为 1 .5 e , 。 在 单 相图 中 略 去了 与电 源( 1 . 5 e , ) 并联的电 容2 c , 及2 c ; 2 ，它们是不参与 谐振的。 另外， 民被 接地点短接， b , c 两相间的口 2 被电 源所短接。 剩下的电 容电 感组成等值单相电 路如图 2 . 5 ( b ) o 第2 章 随机谐振理论及仿真与模糊专家故障诊断技术 l a 了 ) ( 、 代. - l( c ) 等值简单串 联谐振回 路 应用等值发电机原理简化电路成为简单的等值串联谐振回路，如图2 . 5 ( c ) o 图中 e=1 . 5 e , c a c u 十 2 c2 1 .5 e , 止 竺= 1 .5 滋， 1 +2 b一 ( 2 . 2 ) c = c + 2 c , = ( 1 - x ) ( 1 + 2 8 ) c= k c 3 ( 2 . 3 ) 非全相运行组成的谐振回路，在一定的参数配合和激发条件下，可能会产 生基频、分频或高频谐振。 2 . 3谐振故障的实验研究及该课题的仿真 2 . 3 . 1随机谐振故障的实验研究 最早的较全面的试验研究是由h . a . p e t e r s o n 等进行的。模拟试验中铁芯电 感取了两种伏安特性。试验结果表明: 1 、无论对于基波、分次谐波或高次谐波，只有在一定的参数范围和电源电 第z 章 随机谐振理论及仿真与模糊专家故障诊断技术 压下才会产生过电压和谐振现象。由试验结果绘出了谐振区域的曲线如图2 . 7 所 示，当电 源电压和阻抗参数落在某一曲线的范围内，就将发生相应的谐振现象。 2 、分次谐波谐振所要求的电源电压最低，高次谐波最高。 3 、在两条曲线的边界区域，两种谐振现象都有可能发生，也可能从一种状 态过渡到另一种状态。 4 、互感器铁芯电感的伏安特性饱和得越快，谐振的区域越广。 1 . 0 0 . 8 0 . 6 0 . 4 02 5卜凡、.叼 o n o . 犷 ao l 1一 1 . o 一一瑞 尤- / x 卜1 / 2 次谐波的谐振频率 2 一 基波的谐振频率 3 一 三次谐波的谐振频率 图2 . 6不同谐波的谐振区域 2 . 3 . 2德兴铜矿动力厂 3 5 k v 谐振分析 经过对德兴铜矿动力厂的以往谐振故障分析，企业电网的谐振故障主要 是铁磁谐振，我们对该厂铁磁谐振故障诱因分析如图2 . 7 所示。 铁磁谐振的诱因 操作过电 压故障过电压 .|吓防啼磕阮1.l 川回圈图国 因 诱 振 谐 磁14 铁 一才 11.钊川引1叫we| 口 图 合闸 切空载变压器 切空载线路 第2 章 随机谐振理论及仿真与模糊专家故障诊断技术 2 . 4 . 2模糊理论概述 自 从美国自 动控制理论家l . a 查德创立模糊数学以来，短短的2 0 中，模糊数 学及其应用得到了迅速的发展，已经应用于人文学、社会学、经济学和自 然科 学等各个领域。模糊数学是研究和处理模糊现象的数学，但它本身是精确的， 是用精确的数学方法描述和研究模糊现象，是精确数学的延伸和推广。 1 、隶属函数和模糊集合 设x 是对象x 的集合，x 是x 的任一个元素。x 上的模糊集合a 定义为一组有序 对: a = (x , f t ( 0 x 。 x ) 其中 p .j . ) 被 称 为 模 糊 集 合 a 的 隶 属 函 数( m e m b e r s h i p f u n c t i o n ， 简 称 m f ) o m f 将x 中的每个元素映射为0 和1 之间的隶属度或隶属度值。 2 、模糊推理 模糊推理也称作近似推理，是从一组模糊i f - t h e n 规则和己知事实中得出结 论的推理过程。它性质上是定性推理而非定量推理。用符号表示如下: 前提1 . ( 事实 ) :x 是a 前提2 . ( 规则) :如果x 是a ，则y 是b 后件 ( 结论) :y 是b 集 合的 数值 其中a接近于a, b接近于b。 2 . 4 . 3模糊专家系统的理想结构 模糊专家系统的理想结构如图2 . 1 7 : 图 2 . 1 7模糊专家系统结构 . 模糊知识库: 模糊知识库中存放着领域的专门知识， 所含的知识可以 是 精确的也可以是模糊的。知识不是简单的知识堆积，而必须以一种有序 第z 章 随机谐振理论及仿真与模糊专家故障诊断技术 的形式组织在一起，便于对知识的运用和更新。 模糊推理机: 模糊推理机是模糊专家系统的核心。 它可以根据谐振故障 的征兆，利用模糊知识库中的不确定性知识，按一定的模糊推理策略， 判断谐振原因。 模糊数据库: 与一般专家系统中综合数据库相类似， 系统主要存放系统 的初始输入信息， 系统推理过程中产生的中间信息和系统最终结论信息 等。 只不过这些信息都可能是不确定的。 有时人们也将一些模糊信息的 基本定义存放于模糊数据库中。 集中存储与管理有关的历史数据和系统 参数， 其设计思想是为用户提供方便的操作和管理数据， 包括建立、 查 询、修改、 删除等各种操作，并提供应用接口。 解释模块:向用户解释系统是如何推理得出电网故障的结论。 学习模块: 模糊专家系统中， 学习模块的功能主要是接受领域专家以自 然语言形式描述的电网知识，将之转化为标准的规则或事实表达形式， 存入模糊知识库。 模糊专家系统能在故障信息不完全准确的情况下， 较 好地模拟人类专家解决问题地思路和方法，尽可能准确的解答或提示。 输入输出模块: 用以输入系统初始信息， 这些信息允许是模糊的、随机 的或不完备的; 输出系统最终结论，这些结论也允许是不确定的; 显示 系统推理过程的解释及系统运行过程中所有的人一机对话; 打印必要的 输出信息等 : 2 . 4 . 4本课题采用模糊专家系统的原因 本课题采用模糊专家系统主要有以下两个原因: 1 、故障信息的模糊性 证据的模糊性是指证据取值范围的边界是模糊的、 不明 确的。 电 压的“ 低” 、 “ 正常”、 “ 高”是一个模糊的概念，由于线路中的电压是随着负载及一些突 发情况时刻变化的，所以很难说清哪些电压值是 “ 正常”的，哪些是 “ 高”的， “ 正常”和 “ 高”的边界是不明确的。电流的表示也是如此。 2 、规则的不确定性 谐振故障诊断专家系统的知识库中包含着大量的启发式知识，这些知识来 源于领域专家处理问题的知识和经验。既然领域专家的知识和经验是不确定的。 第2 章 随机谐振理论及仿真与模糊专家故障诊断技术 因而，知识库的规则也就必然具有不确定性。 2 . 5 本章小结 本章的主要工作: 通过简单谐振回路详细介绍了谐振的机理和产生谐振的各种诱因，并归 类介绍了谐振产生的条件。 作者在课题研发过程中根据企业电网中3 5 k v 线路分布图使用故障仿真 软件m a t l a b 中的控制模块和电力模块分别对系统建模并模拟故障原因产生的线 路三相电压波形。 模糊专家系统及模糊理论的概述。 对本系统采用模糊专家系统进行了说明。 第3 章 电网随机谐振故障诊断模糊专家系统的知识库 第3 章 随机谐振故障诊断模糊专家系统的知识库 3 . 1专家系统的知识库 专家系统的核心是知识。知识库存放着作为专家经验的判断性知识，例如 表达建议、推断、命令、策略的产生式规则等，用于某种结论的推理、问题的 求解，以及对于推理、求解知识的各种控制知识。知识库中还包括另一类叙述 性知识，也称作数据，用于说明问题的状态，有关的事实和概念，当前的条件 以 及常识等。完整的知识库还应包括具有管理功能的软件系统，用于知识条目 的查询、检索、增删、修改、扩充等操作。 一般来说，知识库中知识的数量和质量是一个专家系统性能是否优越的决 定性因素。因此，建立专家系统的关键在与知识库的建立。诊断专家系统诊断 的实质是知识的获取和运用的过程。知识的获取、知识的表示、知识的维护是 专家系统的三个基本问题。 3 . 1 . 1 知识的获取 所谓知识的获取，广义地讲就是收取信息的功能，从某个或某些知识源获 取专家系统实现问题求解所学要的纷门知识，包括个性知识和共性知识。即将 问题求解的专门知识，由某个知识来源( 如人类专家的经验、条例、规程、教科 书上的知识以及数据库所存贮的信息) 提炼、转换和传递到计算机程序上去的功 能。知识的获取是专家系统研究的核心问题中最重要和最困难的问题。因此知 识获取被称为是专家系统研究的瓶颈问题。知识库通过 “ 知识获取”机构与领 域专家相联系，形成了专家系统与领域专家的人机接口。 知识获取的过程即为建立和更新知识库、并完成对知识条目的测试和精练 的过程。 1 、 知识获取方式 知识获取方式大体有三种: ( 1 ) 知识工程师与专家接触、交谈，并在专家的指导下通过必要的书本知 识和实例知识的提取，然后以一种合适的计算机表示把这些知识 “ 编入”知识 第3 章 电网随机谐振故障诊断模糊专家系统的知识库 库; ( 2 ) 通过带有智能的知识获取机制，成为智能编辑器，让拥有知识的专家 和专家系统直接打交道，由智能编辑器自动生成知识库; 建立一个带有归纳、类比或其他高级学习功能的知识发现系统，使之 通过实例或实际问题来总结、发现出一些专家尚未掌握或认识到的新知识装入 或改进知识库。 2 、知识获取的任务和方法 知识获取包括三个主要任务，即将人类知识提炼、归纳并编码输入计算机; 避免错误数据和知识; 删除和增加知识，以使系统工作更理想。 知识获取的方法主要有三种: ( 1 ) 机械式知识获取就是记忆 它是一种最简单、最基本的知识获取方法，它只是将领域知识按照一定的 格式存入知识库， 其特点是可靠性高、准确和容易被理解等。 记忆( m e m o r y ) + 检索( r e t r i e v e) = 机械式获取机制 ( 2 ) 传授式知识获取 传授式知识获取又称采纳建议式知识获取，它类似于学生向教师学习知识 的过程。 ( 3 ) 计算机辅助式知识获取 知识获取的计算机辅助方法可分为知识库编辑和接口， 解释机制和知识库 修改。 3 . 1 . 2知识的表示 知识表示是专家系统在构造方法上区别于常规程序系统的特征。专家知识 的表达形式反映领域问题的性质，影响到知识的获取，知识