（电气工程专业论文）基于网络关联信息的配电网故障定位与隔离的研究.pdf

摘要 摘要 配电自动化是当前我国城乡电网改造的重点工作，对配电网故障的自动定位、 隔离与恢复供电是配电自动化的核心问题。基于常规原理的配电自动化故障定位 与隔离系统在故障判断时，存在搜索盲目的不足，故障处理实时性要求难以保证； 在实际运行环境下，信息畸变的情况也屡有发生，易出现误判、漏判结果。本文 根据目前配电网故障定位和隔离系统所存在的问题，对高容错性的配电网故障定 位与隔离系统展开研究。 本文是基于配电网的f t u 本身或各f t u 间信息具高关联性这一特点，通过与 s c a d a 系统的数据共享，获取实时具冗余度的馈线f t u 信息及主站的s o e ( 顺序事 件信息) ，运用人工智能技术，实现一在线运行的高容错配配电网故障定位辅助决 策系统。因而本文的研究是有重要的理论意义和实用价值的。 为了实现本文所提出的故障定位和隔离系统，在以下几方面做了研究。 构造了配电网故障处理的通用拓扑数据库。配电网的网络拓扑、信息量及控 制运行方式是配电网故障定位与隔离的基本的、重要的依据，也是构造通用故障 处理模型的关键。文中所构造的通用配电网故障处理拓扑数据库，根据故障信息 处理要求，采用分层关联结构，具有人机界面友好、操作灵活、维护方便等特点。 提出了简化配电网故障快速处理的有关计算方法，将大规模的配电网故障定 位问题转化成若干个规模较小的典型的配电网拓扑区：提出对配电网结构拓扑分 区的两个步骤：静态拓扑分析和动态拓扑分析。采用拓扑分解和拓扑排序策略， 将复杂、难处理的辐射网络进步分解成若干个简单、易解决的树干网进行处理， 实现对故障处理问题的简化。 构造了基于网络关联信息的配电网故障定位与隔离模型。此模型充分利用配 电网中各f t u 本身冗余的故障信息，以及各f t u 故障信息之间的冗余度。并根据 信息之间的内在逻辑关系；上、下之间的拓扑关系和顶层相邻分段开关相关信息 之间的逻辑关系为基础，提出了基于三值神经逻辑网络的组合纠错模型，它能很 好地对各f t u 中存在的畸变信息进行滤噪。最后，还给出了组合纠错与f n n 模型 结合的故障处理的总体模型，经仿真测试表明，本系统的故障定位的容错性基本 能达到1 0 0 。 关键词：配电网，故障定位与隔离，拓扑分区，容错性能，三值神经逻辑网络 华南理工大学工程硕士学位论文 a b s tr a c t d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ni st h e k e yt e c h n o l o g y i nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s r e c o n s t r u c t i o no fc o u n t r y ，a n dc i t ya n di t sk e r n e lp r o b l e mi sa u t o m a t e df a u l ts e c t i o n d i a g n o s i s 、i s o l a t i o na n dr e s t o r i n gp o w e rs u p p l yo fh e a l t h ys e c t i o n t h ep r i n c i p l eo f f a u l ts e c t i o n d i a g n o s i sa n d i s o l a t i o ni nd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ni s m a i n l yj u d g e d a c c o r d i n gt o f a u l tc u r r e n t ，w h i c hi sd i f f i c u l tt og u a r a n t er e a l t i m ep e r f o r m a n c ef o r b l i n ds e a r c hm e t h o ds p e n d i n gl o n gt i m e t h ed i s t o r t i o no fr e a l t i m es i g n a l sm a yl e a d t om i s t a k e nr e s u l to rf a i lt or e p o r tt h ef a u l ts e c t i o n a c c o r d i n g t ot h ee x i s t e n t p r o b l e m ，t h i sp a p e rc r e a t i v e l yp r o p o s e s an e w p r i n c i p l ew h i c hp o s sh i g hf a u l t - t o l e r a n c ep e r f o r m a n c eb a s e do nt h eu t i l i z a t i o nh i g h r e d u n d a n c yi n f o r m a t i o ni ne a c hf t u a n dg o e so nt h em u c ht h e o r e t i ca n a l y s i sa n d s i m u l a t i v er e s e a r c ho fh o wt oc o n s t r u c t i n gt h ef a u l ts e c t i o nd i a g n o s i sa n di s o l a t i o n s y s t e mo f d i s t r i b u t i o nn e t w o r k s ，a n dt h ev a l i d i t yo fp r e s e n t e dm e t h o d sh a v ep r o v e d t h ew o r ki nt h i sp a p e rh a si m p o r t a n tt h e o r e t i cs i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e t h en e t w o r kt o p o l o g y 、s i g n a lq u a n t i t ya n dt h ec o n t r o lm o d eo fo p e r a t i o no f d i s t r i b u t i o nn e t w o r k si st h eb a s e so ff a u l ts e c t i o nd i a g n o s i sa n di s o l a t i o nb e s i d e st h e y a r et h ek e yi n c o n s t r u c t i n gt h e m o d e lo ff a u l td i s p o s a l b a s i n go nt h ep a r t i c u l a r a n a l y s i sa b o v e ，t h i sp a p e rb u i l d st h ef a u l td i s p o s a lt o p o l o g yd a t a b a s eo f d i s t r i b u t i o n n e t w o r k s t h ed a t a b a s ea d o p t st h ei d e a lo fl a y e r e dm a n a g e ，h a v i n gf r i e n d l yi n t e r f a c e ， o p e r a t i n gf l e x i b l ea n d m a i n t a i ne x p e d i e n t l y as e r i e so fp r i n c i p i aa n dm e t h o d ，w h i c hp r e d i g e s tt h ep r o b l e mo f f a u l td i s p o s a l o fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s ，a r ep r e s e n t e d t h et o p o l o g yp a r t i t i o n ，w h i c hc o n v e r t st h e l a r g e s c a l ep r o b l e mo f f a u l td i s p o s a lo nd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki n t os e v e r a ls m a l l s c a l e s i m p l ep r o b l e m s ，i n c l u d e s t w o s t e p s ：s t a t i c a n d d y n a m i cp a r t i t i o n t o p o l o g y d i s i n t e g r a t i o na n ds o r t ，w h i c hd e c o m p o s ec o m p l i c a t e dr a d i a n tn e t w o r ki n t o s e v e r a l s i m p l es t a n d a r dt r u n kn e t w o r k s ，a l s oi st h es i m p l i f i c a t i o n o ff a u l td i s p o s a l t h em o d e lb a s e do nc o m b i n e de r r o rc o r r e c t i o no fn e u t r a ll o g i c n e t w o r ka n d f n nm o d e li sc r e a t i v e l yp r o p o s e df o rt h ef i r s tt i m e t h em o d e l b a s e do nt h r e e v a l u e d n e u t r a l l o g i c n e t w o r ka c c o r d i n gt ot h e i n t e r n a l l o g i c r e l a t i o nb e t w e e ne a c hf a u l t i n f o r m a t i o na n df a u l ts i g n a lo fs e c t i o n e ds w i t c h e ra tt h eb o t t o ma n d t h ee x t e r n a ll o g i c r e l a t i o na m o n ga d j a c e n ts e c t i o n e ds w i t c h e ra t t h et o p t h ef n nm o d e lm a p st h e f u n c t i o nr e l a t i o nb e t w e e nt h ef a u l ts e c t i o na n dt h ep a t t e r no ff a u l ta l a r ms i g n a l a t i i a b s t r a c t l a s tt h eo v e r a l lm o d e lo fc o m b i n a t i o nc o m b i n e de r r o rc o r r e c t i o nw i t hb pm o d e li s p r e s e n t e d t h em o d e lc a n b e a p p l i c a b l e t ot h ei n s t a n c et h a tf u n c t i o no ff t ui s a l l - s i d e d t h e c a p a b i l i t y o ff a u l t t o l e r a n c e p e r f o r m a n c e c a nb ea sh i g ha s 10 0 e x c e p t t h el a r g e s c a l ei n t e r f e r e n c eo f s i g n a li ns y s t e m k e y w o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r k s ，f a u l t s e c t i o na n di s o l a t i o n ，t o p o l o g yp a r t i t i o n ， f a u l t - t o l e r a n c ep e r f o r m a n c e ，t h r e e - v a l u e dn e u t r a ll o g i cn e t w o r k s i i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：陈豸日期：加一十年年月2 3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密曲。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：暗、药 导师签名：了锄 日期：口手年牛月移日 日期：钟年歹月巧日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 配电网高容错性能故障定位研究的意义 现代电力系统的拓扑结构是由发电、输电、变电、配电及用户等所组成，随 着国民经济和工业的高度发展，人民生活水平的迅速提高，标志着人均用电量也 在与日俱增。城市配电网的规模和供电半径越来越大，其对供电质量、安全性、 可靠性等指标的要求也不断提高，供电部门的观念也在不断更新。 西方发达国家早在上世纪7 0 年代初，就提出了配电自动化的概念，8 0 年代 末开始推广配电自动化技术，9 0 年代后，欧美一些发达国家先后开放了电力市场， 各电力企业一度忙于电力体制的转换，而放缓了配电自动化工作的步伐。当前， 为降低运营成本，改进供电可靠性，提高电能质量，争取更多的用电量，西方国 家各供电企业正积极开展配电自动化工作。 我国的电力工业，长期以来直存在“重发、轻供、不管用”的不良现象， 贯比较重视发电、输电设施的建设，而相对忽视了配电系统的投资和改造，造 成供电可靠性低、电能质量差、用户意见大的不利局面，配电环节已成为我国电 力企业进一步发展的瓶颈问题。 西方发达国家配电自动化带来的可观经济效益，以及我国配电系统严重滞后 用户需求的现状，引起了国家领导和广大电力工作者的极大关注。近年来，国家 拨出大量资金，下决心要改变我国在配电系统的落后状况，先后在烟台、大连、 石家庄、上海等地的电力部门开展了配电自动化的试点工作。1 9 9 8 年的全国配电 网自动化工作会议上，就明确提出了配电网供电可靠性9 9 9 6 的目标。国家投入 巨额资金进行城乡配电网的改造工作的决定，极大地促进了我国配电综合自动化 工作的开展，也吸引了众多的研究者们投入到有关配电综合自动化领域的研究课 题中，它已成为电力系统自动化研究中的一个热点。 1 1 1 配电综合自动化技术内容概述 配电综合自动化技术的发展是基于现代微电子、集成电路、计算机、数字通 讯及网络通讯等的迅速发展的基础上而形成的。国外的配电综合自动化技术已很 成熟，已开发形成系列产品和相应的完整应用软件的有监视控制和数据采集 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o l a n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 与配电管理系统d m s ( d i s t r i b u t i o nm a n a g es y s t e m ) 的综合应用软件等，它还包含有的主要内容由五 个单项自动化和通信网络综合而成，具体如下： 华南理工大学工程硕士学位论文 1 具有s c a d a d m s 功能用以实现配电系统纵、横向集成的开放式平台； 2 配电一次设备的分散布置，形成检测、控制、保护、综合控制于一体的 变电站综合自动化系统的结构； 3 与负荷开关配合的具有馈线终端( f t u ) 的配电网的故障定位、隔离和 自动恢复系统； 4 具有远方抄表、实现电量数字分时电量计费( 银行配合) 、负荷控制等功 能： 5 基于地理信息系统，含变、配、用电等管理功能，并与i n t r a n e t i n t e r n e t 配合工作的管理信息系统； 6 使用多种通讯方式，连接配电系统内部各环节及各系统之间的通讯网络； 对于s c a d a 的功能，我国在新建的变电、配电、调度等管理中已经到位， 而对d m s 的功能的差距较大。其中有： 安全运行一状态估计、潮流计算、负荷预测、故障诊断、恢复控制、投诉 热线处理等。 经济调度最小网损、电压无功优化等； 负荷管理一降压减载、周期控制、紧急控制等； 电量计费一一面向输配电市场等； d m s 的内容在我国的配网中有很大的差距。从目前我国的具体情况来看，不 可能一步到位，而需要逐步完善，但在单项任务建立时应尽量考虑便于与将来的 发展接轨，目前国内也是普遍采取这种策略。 结合我国的具体实情，一般配电网近期实施的内容大致如下： 城市配网的管理机构的具体设置，视城市的规模及工业的发展程度而不同。 一般在中等及以上城市都分几个区局来分别管理，各个区局负责管理相应的变电 站，即区调，一般是管理1 1 0 k v 及以下的变电站。 根据国外经验和国内的情况，上述的有关s c a d a d m s 的内容，应建立在城 区调度所。对所管辖区内的配电一次设备的分散布置，形成检测、控制、保护、 综合控制于一体的变电站综合自动化系统的结构的规划和实旌的任务是由供电局 完成；而与负荷开关配合的具馈线终端( f t u ) 的配电网应具故障定位、隔离和 自动恢复系统的功能，这部分内容在配网建设时由供电局提出具体要求，但该功 能是对各具体的配电子网上监视和处理，对它的功能落实在何处，要视配网的整 体自动化水平来决定。由于我国的配网自动化水平尚处初、中级阶段，因而目前 日常的管理功能是放在该配电子网所属的变电站，同时还包括该配电子网的 s c a d a 功能。 基于地理信息系统，含变、配、用电等管理功能，并与i n t r a n e t i n t e r n e t 配合 工作的管理信息系统，使用多种通讯方式，连接配电系统内部各各环节及各系统 第一章绪论 之间的通讯网络。该部分功能也要根据配网的整体自动化水平决定放置在相应的 管理机构，它是维修，调度，故障处理等的重要依据。 1 1 2 我国配电网综合自动化的现状 前已述，我国根据国民经济的具体情况，在电力系统的建设一直跟不上工业 发展的速度，把工作重点主要放在发电和输变电工程的建设上。随着我国经济高 速发展，电力网络的建设也不断加强与完善，近几年来，已越来越把建设、改造 的重点转移到配网方面。显然，我国配网综合自动化技术水平与世界先迸国家的 差别还是较大的，由于其高科技的含量高、难度大、工作任务很重，且受经济条 件的限制，在实施过程中必需掌握远近结合的发展方针，逐步完善的发展策略， 没有必要也不可能做到一步到位。 目前，我国大多数的地方，在配电网综合自动化中，主要先实施以下几个方 面的功能： ( 1 ) 变、配电网监视控制与数据采集s c a d a ； ( 2 ) 配电一次设备的分散布置，形成检测、控制、保护、综合控制于一体的 变电站综合自动化系统的结构的建设； ( 3 ) 配电网故障的自动定位、隔离及恢复供电系统； ( 4 ) 配电网电压控i l l 无功控制及其网络优化。 1 1 3 配电网故障的自动定位、隔离及恢复供电系统 上述四大功能也是本文所要研究的主要问题，其中，后两项必需是在前两项 已建成的基础上才能实现。配电网是一个通用型的技术词语，其包含的意义是很 广泛的，这是因为配电网的拓扑结构和具体配置也是多种多样的。为此对故障定 位、隔离和恢复系统问题的研究方法的多样性也反映出它的基本性质。 1 当配电系统中发生故障时，要求将相关的所有故障信息上传到执行该功 能具体的位置。显然，上传所有相关的故障信息必须依赖于所涉及到的变电站自 动化系统s a s ( s u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m ) 、配电站自动化系统d a s ( d i s t r i b u t e a u t o m a t i o ns y s t e m ) 、馈线自动化系统f a s ( f e e d e ra u t o m a t i o ns y s t e m ) ( 它是由 f e e d e rt e r m i n a lu n i t 一一f t u 所组成) 。 2 根据上传的故障信息，按一定的原理和方法进行分析计算，最后能准确 无误地判别出故障的位置和设备，即故障定位。 3 在故障定位的基础上，必需将故障设备或故障区段与正常设备进行快速隔 离的操作。这个操作可以是多种多样的，取决于多种相关因素，如配电网的拓扑 结构、故障部位的特点、设备性能、保护方式等，导致故障时所跳开设备的差异 华南理工大学工程硕士学位论文 性及隔离操作的差异性。如打开相应的分段开关，对故障区段实施有效的隔离， 而后恢复对健康区段的供电。 准确、快速的故障定位、隔离及恢复供电对减少停电时间，提高供电可靠性 及供电质量、减少线路的维护费用等起着至关重要的作用。 一般说来，配电网的故障处理具有以下几个方面的特点： ( 1 ) 配电网不仅有集中在变电站内的设备，而且还有分布于馈电线沿线的设 备，如柱上变压器、分段开关、联络开关等。信息的传输距离较远，采集相对比 较困难，而且信息具有畸变的可能性，如继电器节点松动、开关检修过程中的试 分、合操作及f t u 本身的误判断等都会干扰甚至淹没有用信息，导致信息畸变现 象。 ( 2 ) 配电网设备的操作频度及故障频度较高，因此运行方式具有多变性，相 应的网络拓扑也具有多变性。 ( 3 ) 配电网典型的网络拓扑有双电源端的环网和多电源端的多分段多联络树 状结构两种，具有闭环设计、开环运行的特点。 ( 4 ) 配电网的拓扑结构和开关设备性能的不同，对故障切除的方式也不同。 如多分段干线式结构多采用不具有故障电流开断能力的分段断路器和联络断路 器，故障由供电主站的断路器统一切除。这种方式故障时的瞬时停电范围大。 传统的配电网故障定位、隔离多采用故障电流判别法【6 3 石8 1 ，该方法假定故 障是单一的，若经历故障电流的开关的相邻开关中有一个未经历故障电流，则这 两个开关之间的元件即为故障元件。显然，该方法在故障判断时进行的是盲目搜 索，搜索的时间过长，难以适用配电网故障处理的上述特点，尤其是在网络拓扑 结构复杂和存在信息畸变的情况下，容易误判、漏判，扩大事故停电的范围，带 来巨大的经济损失。现有的配电网故障定位和隔离的方法难以取得令人满意的结 果，存在容错性能差的局限性。 因此，运用新的理论和方法作进一步的研究，改善配电网故障定位和处理的 方法，使配电自动化故障定位和隔离具有智能型、高容错性能，是本文所要努力 创造和研究的核心问题。为了实现该目标，必需开发一个在线运行的配电网故障 定位、隔离与恢复辅助决策系统，该系统通过与s c a d a 系统的数据共享，实时 获取具有冗余度的馈线f t u 及主站的s o e ( 顺序事件信息) 信息，用以克服信息 畸变的现象。由于该系统所用的实时信息大都来自于现场，因各种原因而导致的 信息畸变的现象是必然发生的。只有在冗余信息的基础上，才有可能实现高容错 性的配电网的故障定位、隔离与恢复，这是本文实现基于网络关联信息的高容错 性的配电网故障定位的理论依据，是一个具重要理论研究意义和实用价值的研究 课题。 4 第一章绪论 1 2 人工智能在电力系统故障诊断中的应用概述 人工智能a i ( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 是一门边缘性综合学科，它的发展与生 物科学、认知科学、逻辑学及具体应用科学密切相联，如使机器实现人的部分智 能等。随着计算机科学与技术、v l s i 技术及光电技术等的迅猛发展，a i 技术在 近几十年的研究中取得了巨大的成就，它的几项技术如专家系统e s ( e x p e r t s y s t e m ) 、人工神经网络a n n ( a r t i f i c i a l n e u t r a l n e t w o r k ) 、模糊理论f t ( f u z z y t h e o r y ) 、遗传算法g a ( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 等的应用已涉及到电力系统的运行、 监视、预测、控制、规划、设计、教育培训等各个领域，并在许多领域发挥了重 要作用。a i 在电力系统的故障诊断中获得了广泛的应用，配电网的故障诊断和故 障定位也属于该范畴。 1 2 1 专家系统在电力系统故障诊断中的应用 e s 是利用人类专家的知识经验和求解问题的方法，在某一技术领域内能发挥 专家作用的计算机系统，它比较擅长于解决难以建立数学模型，较多的依赖专家 的经验知识解决问题的情形，并且在信息不完整或含有轻度噪音的情况下仍能够 给出一个较为合理的结论。e s 是发展最早、应用最成熟的一种人工智能技术。 e s 系统应用的领域不同，采用的知识表达方法也有所不同。常用的知识表达 方式有逻辑、语义网络、产生式规则、框架和黑板等。目前电力系统警报处理和 故障诊断问题的研究，大多为基于产生式规则的e s ”2 。1 “”3 “3 3 “7 “，它是把 保护装置、断路器等的动作逻辑及运行人员的诊断经验用规则表达出来，形成故 障诊断专家知识库，进而根据警报信息和知识库进行推理，获得故障诊断的结论。 基于产生式规则的故障诊断e s 获得广泛应用是由故障诊断问题的特点和基于产 生式规则e s 的特长所决定的。故障诊断问题内含有大量的经验性知识和逻辑推 理，而这正是基于产生式规则e s 的优势所在，它可以把这些知识和逻辑用模块 化、直观化的规则表达出来，并允许对规则进行修改、增加和删除。 框架法e s 哺“”。”比较擅长于表达事物之间的关系，可以简化继承性知识的 表达和存储，它在电力系统的故障诊断问题的研究中也获得了一定的应用。 虽然e s 可以有效的模拟故障诊断的专家来完成故障诊断的过程，但在具体 的实现应用中，也存在不少的缺陷； ( 1 ) 获得完备的知识库是e s 进行正确的故障诊断的前提和必要条件，知识 库不完整，则有可能导致e s 混乱甚至得出错误的结论，如何获取完备的知识库 成为e s 的瓶颈。 ( 2 ) 当电力网络拓扑结构发生变化或保护配置发生变化时，需要对知识库进 行相应的修改，对知识库的修改就有可能导致库的完备性受到破坏，因而e s 知 华南理工大学工程硕士学位论文 识库的维护有相当的困难。 ( 3 ) e s 不具备自学习能力，容错性能差，尤其在故障后保护装置或断路器 出现误动、拒动的情况下，e s 缺乏有效的识别错误的方法，容易误判、漏判。 1 2 2 人工神经网络在电力系统故障诊断中的应用 a n n 是一种连接机制模型，它是由大量简单神经元经过广泛连接而成的，用 来模拟人类神经系统信息传输、信息处理过程的一种人工智能技术。自1 9 4 3 年 m a c u l l o c h 和p i t t s 第一次提出模拟神经元的概念以来，它迅速发展成为一门与e s 相并列的人工智能的一个分支。a n n 的最大特点是：采用神经元及它们之间的相 互连接权重来隐含处理问题的知识。a n n 具有以下几个方面的优点：学习能力， 在确定了基本结构后，运用一定的学习算法进行训练样本，实现知识的自我组织； 具有一定的泛化能力，其容错能力较强，也就是即使信号输入带有一定的噪音， a n n 也能够得出正确得结论；各神经元之间相互独立，便于并行处理。 电力系统警报处理和故障诊断是比较典型的模式识别问题。基于b p 算法的 n n 模型以其较强的分类、逼近能力而在电力系统故障诊断领域获得了广泛的应 用。文献【2 1 】最早提出用b p 模型进行警报处理，它的基本原理为：对于一个给定 的系统或状态，一种故障对应一组警报模式，警报信号作为b p 网络的输入，故 障的可能位置作为输出，用可能的故障、警报模式对作为样本训练a n n ，训练后 即可根据警报信号实时的判别故障位置。文献 1 9 ，3 7 采用分层分布式的a n n ， 来进行大规模电力系统的故障诊断。文献【1 9 】中共采用三组a n n ，它将电力系统 按一定规则划分成若干个子系统，再将每个子系统划分成几段，如输电线段、母 线段、变压器段等，同一子系统的每一段的故障诊断采用一个a n n 来完成，用 于完成这个任务的a n n 称为第组a n n ；第二组a n n 用于解决同一子系统内 两个或两个以上段之间的元件的故障诊断：第三组a n n 用于解决各个子系统之 间的连接段发生故障的情形。以上三组a n n 均采用基于前馈n n 模型。文献 1 8 】 根据主保护、后备保护、断路器和重合闸动作时限不同的特点，提出采用时空神 经网络模型解决故障诊断问题。文献【1 0 】提出采用b o l t z m a n 机和b p 网络联合的 故障诊断模型，它采用b o l t z m a n 机存储正常的警报模式，b p 网络映射正常的警 报信号与故障类型之间的关系。在进行故障处理时先将含噪音的警报模式用 b o l t z m a n 机进行处理，利用该网络的联想记忆能力联想出最近的正常警报模式， 再用如此得到的警报模式作为b p 网络的输入，b p 网络的输出即为相应的故障位 置。文献 3 4 ，3 6 分别提出了用r b f 网络和k o h o n e n 网络进行故障诊断的方法。 利用a n n 进行电力系统的故障诊断已经取得了一些成果，但在实际应用中 对容错性能问题还需要进步的研究： 6 第一章绪论 ( 1 ) a n n 在应用之前，需要大量的具有代表性的样本进行网络权值的训练， 算法的学习收敛速度一般较慢； ( 2 ) a n n 只能给出o 1 之间的随机数作为输出，对于诊断结果缺乏解释； ( 3 ) 当系统的结构或保护配置发生变化时，需要对网络进行重新组织。 因此，对基于a n n 的故障诊断方法需要进行进一步的研究，设计出灵活有 效的故障诊断模型，使其能够更加有效的适应系统网络拓扑结构变化及保护配置 更改的情形。 1 2 3 模糊理论在电力系统故障诊断中的应用 f t 是将经典的集合理论模糊化，并引入语言变量和近似推理的模糊逻辑，具 有完整的模糊体系的一种智能技术。模糊系统是由模糊知识库、模糊推理机和人 机界面等部分组成，它的体系结构与e s 具相似。模糊系统可以较好的处理解决 不确定性的问题。 由于保护或断路器的误动、拒动，信道的传输干扰，保护的时限偏差等的存 在，电力系统故障诊断问题存在许多不确定因素，而模糊理论正擅长于模拟人类 思维中的近似推理，主要适用于人类经验知识起重要作用的场合，基于模糊理论 的方法已被广泛应用到了电力系统的故障诊断问题的研究中去了。文献【1 5 在e s 中融入模糊理论，来弥补e s 容错性能差的缺陷。文中认为，输入的警报信号的 可信度不再为1 0 0 ，而是由保护、断路器动作行为的统计数据和网络的当前情 况，赋予它们不同的可信度，随后由模糊传递规则来计算可能发生故障元件的故 障可能性。文献【5 1 】认为输入信号是准确的，但是故障元件与动作的保护装置、 动作的保护装置与触发的断路器之间的关系是不确定的，它们之间的关系用一个 0 1 之间的数来表示。对于可能的故障位置，寻找由故障点到报警信号之间的通 路，从而将可能的故障点与动作的保护装置、动作的保护装置与所控断路器之间 的关联关系的模糊度合成就能够得到该位置发生故障的模糊测度。文献 9 3 】模糊 n n 的输入，得到的输出也是一个模糊数。文献【9 4 】把n n 的输出作为一模糊系统 的输入，用模糊系统去解释n n 的输出，进而来增强n n 的解释功能。 从以上的分析可以看出，模糊系统与e s 具有非常类似的结构，e s 的一些缺 陷它也具有，如规则库的维护复杂、不具备自学习能力等。模糊理论虽然可以与 其他a i 技术相结合来增强处理不确定性问题的能力，在一定程度上提高诊断系 统的容错性，但它始终无法克服e s 所固有的一些缺陷。 1 2 4 遗传算法及其他智能技术在电力系统故障诊断中的应用 g a 是根据人类遗传机理而提出的一种全局优化算法，它模拟生物进化过程 7 华南理工大学工程硕士学位论文 中的繁殖、杂交和突变等现象，具有较强的全局寻优能力，擅长于处理优化问题。 文献【l 】首先根据元件故障与保护动作和断路器跳闸之间的关系，将电力系统 的故障诊断问蹶转换为一个0 、1 整数规划问题，而后建立了适合于g a 的故障诊 断数学模型，绘出了故障诊断的适应值函数，进而可以用g a 进行处理。文献【2 4 1 把改进的g a 应用到电力系统的故障诊断问题的研究中。 g a 是从全局优化的角度出发解决故障诊断问题，尤其在保护或断路器出现 拒动或误动的情况下，能够给出全局最优的诊断结果，具有较高的容错性。但在 如何建立更加合理的故障诊断数学模型及确定交叉和变异等参数方面。还需再作 进一步的研究。 近两年来，从分析、模拟保护系统的动作逻辑入手解决电力系统的故障诊断 问题是一种趋势。典型的是p e t r i 网在该领域的成功应用。p e t r i 网络是在1 9 6 0 1 9 6 2 年间由德国数学家c a ，p e t r i 提出的种通用数学模型，它以描述系统中各 元件之间的关系为基础，用网络来表示系统中同时发生、次序发生或循环发生的 各种活动。电力系统中的各级、各类保护有选择性的反应于故障，并有选择性的 切除故障的过程正属于系统中同时发生或次序发生的活动的范畴，因而可以用 p e t r i 网来进行描述。文献【1 1 以输电网络中的元件为单位，首先研究了故障隔离 过程的p e t r i 网络模型，进而对其求逆就得到输电网络故障诊断的p e t r i 网络模型， 再把它们组合在一起就形成了整个输电网络的p e t r i 网络故障诊断系统。此外，该 文献还分析了保护、断路器等误操作对p e t r i 网络模型的影响，并分析给出了保护、 断路器误操作判别的模板，最后文献的诊断结果表明该方法是一种比较有前途的 方法，该方法还在进一步的研究完善之中。 以上e s 、a n n 、f t 、g a 及p e t r i 网络等a i 技术分别从不同的角度、不同的 途径去探索解决电力系统的故障诊断问题，各种方法都取得了一些成就，但也都 有其自身所无法克服的一些弊病。 输电网络与配电网络有共同点，使得配电网的故障定位与隔离问题的研究可 以借鉴输电网络故障诊断的一些经验和做法；同时两者的众多不同之处，使得我 们在利用这些方法时还必须徽些细致的转化工作。现有的输电网络故障诊断系统 容错性能大都较差，系统的通用性不强，针对不同的网络拓扑，必须重新训练网 络或建立规则库。因此如何充分利用现有的输电网络故障诊断的研究成果并有效 的克服各种方法的缺点，充分考虑配电网故障定位、隔离问题的特点，建立容错 性能高、通用性强、实用性强的配电网络故障处理系统是本文的研究重点。 智能型的故障诊断的研究己相当深入，并且已取得了比较令人满意的结果， 有些还实现了在线运行。但是相关文献卜4 6 9 d6 。1 8 5 1 1 对故障诊断的研究大都集中 在高压、超高压的输电领域，而对低压配电领域故障定位与隔离的研究相对较少。 输电与配电在接线方式、保护配置、控制方式、遥测及遥信量的内容等方面存在 第一章绪论 着众多差异，因此对应的故障诊断研究的方法也不尽相同，输电领域故障诊断的 方法势必不能直接移用到配电网的故障定位及隔离问题的研究中去。因此有必要 对配电网的故障定位与隔离作进一步深入研究的基础上，建立具有高容错性能、 智能型的故障定位与隔离系统。 1 3 本论文的主要研究工作 本文以基于网络关联信息的高容错性配电网故障定位、隔离问题为研究核心， 针对现有的故障电流判别法通用性差、容错性能差的缺陷，重点研究了配电网故 障定位的智能方法，并对各种方法进行了比较，在此基础上建立了容错性高、通 用性强、可以适用于多种拓扑结构和运行方式网络的通用配电网故障定位与隔离 系统，该系统对国家颁布的几种典型的配电网络及由典型配电网络拓扑组成的复 杂网络，在实时诊断信息具一定畸变的情况下，最终故障定位的准确率可达到 1 0 0 。该研究成果将应用于中国南方电网广电集团惠州大亚湾供电分公司的配电 网自动化中。概括起来本文的主要工作如下： 1 ) 对目前国内外基于智能原理的电力系统故障诊断和配电网的故障定位的研 究进行了深入分析及归纳性的概述，为本文的研究方向奠定基础； 2 ) 构造了配电网故障处理的通用的拓扑结构和冗余性实时数据库。对所研究 的配电网故障定位是一个实时信息处理系统，因此存在诊断信息的畸变可能。要 解决信息畸变所带来的误、错诊断，提高诊断的容错性，将软件实用化、工程化。 本文提出了根据配电网s c a d a 中的特点，抓住配电网可能获取关联冗余信息的 优势，构造必要的实时数据库和网络的拓扑结构库，为确保高容错性、快速、准 确故障定位和隔离的实现解决了关键性的问题。 通用的拓扑结构和冗余性实时数据库构造特点，是对传统的节点、支路关联 矩阵的改进，依据配电网设备的连接的情况和故障处理问题的特点，对配电网中 的与故障处理无关的元件予以剔除，以线路、分段开关和变电站断路器等设备为 基本对象构建了配电网故障处理的通用拓扑数据库。 3 ) 提出了配电网故障定位与隔离的快速拓扑分区的方法。以配电网拓扑结构 数据库和冗余式实时数据库为基础，采用快速拓扑分析方法，实现了对配电网故 障处理的动态拓扑分区，可大大加快故障搜索和分析处理速度。配电网拓扑分析 由静态拓扑分析与动态拓扑分析两部分组成。静态拓扑分析用于将由人机对话而 来的生的配电网拓扑数据库转换成按一定规则存储的适合动态拓扑分区的相关矩 阵和矢量。动态拓扑分析以变电站的断路器为搜索起点和拓扑分区的基本原则实 现对配电网的动态分区。前者是后者的基础、后者是实现对配电网快速故障分析 和有效简化处理问题的关键。 4 ) 在拓扑分区的基础上，提出了将辐射网进一步简化的拓扑分解和拓扑排序 9 华南理工大学工程硕士学位论文 的方法。该方法依据配电网发生放障时的故障信息的分布与正常运行时的网络拓 扑潮流的关系，结合配电网的潮流分布将复杂的辐射网进行拓扑分解和拓扑排序， 将较为复杂的辐射状网络分解成若干组形式较为简单的配电网络拓扑一一树干网 结构。配电网拓扑分区和拓扑分解两步，大大简化了配电网络故障处理的问题， 使建立通用的故障处理模型成为可能，为软件开放性的形成创造了必要性。 5 ) 实现了基于网络关联信息的配电网故障信息处理的组合纠错的模型。该方 法认为由s c a d a 系统而来的分段开关状态和电流越限信号是不确定的信息，利 用配电网络故障前后的拓扑特点、各f t u 遥测、遥信之间的内部逻辑关系及相邻 分段开关之间的各信息之间的关联性的分析，给出了开关状态和电流越限信号组 合纠错的一系列逻辑原则，实现对实时信息中畸变进行充分的纠错过滤。 6 ) 提出了基于神经逻辑网络组合纠错与f n n ( f o r w a r d n e u t r a l n e t w o r k ) 模 型相结合的配电网故障定位与隔离模型。该模型用神经逻辑网络组合纠错实现对 畸变信息的完全纠错处理，f n n 模型来映射配网中各故障模式与故障区段( 或故 障设备) 之间映射关系，根据网络的可能运行情况，构造了一系列的b p 训练用 的标准故障的模式样本集，对各b p 网络分别进行了离线训练，进而实现了b p 网络的离线训练与在线应用。故障发生时，先由神经逻辑网络组合纠错模型对实 时信息中的畸变信息进行纠错，得出与基本训练用的标准故障的模式样本集致 的样本集，其输出作为f n n 模型的输入即可得到准确的故障区段( 或故障设备) 。 7 ) 实现了基于上述原理基础之上的实用化的、高容错性、开放式的、通用性 强而又便于维护的故障定位和处理系统。 1 0 第二章配电网故障处理通用拓扑结构数据库及拓扑分区 第二章配电网故障处理通用拓扑结构数据库及拓扑分区 2 1 引言 反映配电网络元件组成及元件间物理联结关系的配电网拓扑结构数据库是配 电网事故处理系统的基本依据。网络的拓扑结构数据是否合理，须结合所研究问 题的性质及解决方法来进行衡量，它直接影响着数据库的存储效率，数据操作的 灵活性，并在很大程度上影响和决定着系统许多方面软件包的性能、指标。合理 的数据结构，不但使问题的表达清晰明了，而且为推理、数据搜索及拓扑分析提 供方便，从而使研究的问题得到高的效率和高的性能。 对于配电网事故处理辅助决策系统，在建立配电网拓扑结构数据库时，需要 考虑的因素很多：首先要满足配电网拓扑分析的要求：根据本文的要求，是当发 生故障时，要求快速的对故障进行分析和处理，因此，提出了对网络动态拓扑分 区和拓扑分解快速性的要求。同时还要考虑配电网的基本组成设备及各种接线方 式的通用性的要求；所建立的配电网拓扑数据库操作