（电力系统及其自动化专业论文）城市电网故障诊断和保护灵敏度在线校验.pdf

采集的电气量信息的场合，能更进一步确定故障元件。该方法不依赖于具体电力 系统的特征结构，具有较好的通用性。 在基于实时和仿真拓扑结构保护灵敏度在线校验模块中建立了一个高效、迅 捷、灵活、易维护、界面友好的保护灵敏度校验数据库支持系统。其主要内容为 城市电网继电保护的配黄、继电保护的整定值、系统基本参数等。同时通过内存 中实时数据库的映射，利用s c a d a 系统通道向本系统提供实时遥信信息和遥侧 信息。在此基础上开发了面向对象的保护灵敏度校验信息管理软件，减少了对繁 琐信息的处理和管理的工作量，减轻了保护整定工程师的负担。 在对全网保护装置的保护灵敏度进行校验过程中，针对本系统的网络结构特 点以及其功能的需要，本文提出了一种同图形平台相结合的面向对象的图的分区 算法。该方法计算速度快，能够进行网络拓扑的在线快速跟踪可以满足在线和 仿真拓扑结构分析的要求。 在网络拓扑在线快速跟踪基础上，进行实时结线分析并形成导纳矩阵同时 将短路计算的理论运用于在线，将获得的在线短路计算的结果同专家系统相结合 进行保护灵敏度的在线校验最后通过友好的人机交互界面提供整个城市电网全 部投运保护装置的保护灵敏度状况。同时，根据系统可以在线跟踪系统接线方式 变化的功能在对当前网架结构进行修改的基础之上实现对任意一种运行方式 的保护灵敏度的仿真计算。 由于确定继电保护定值和校验继电保护灵敏度都首先要进行短路计算，本文 开发了短路计算程序，可以实现对电网的对称短路和不对称短路分别进行在线计 算。该短路计算模块计算速度快，占用系统资源少，是一个比较成熟的短路计算 程序。同时该短路计算程序为开发其他功能模块，如在线电气设备动、热稳定校 验以及设备选择提供了接口。 该系统已经投入实际运行，实践证明各功能模块运行可靠，达到设计要求， 对提高供电可靠性具有积极的实际意义。 关键词：故障诊断专家系统保护灵敏度仿真在线 a b s t r a c t w o r k ss t a t e di nt h i st h e s i sa r e c o m p l e t e dw i t hap r a c t i c a lp r o j e c t i n t e l l i g e n t d e c i s i o ns u p p o r t i n gs y s t e mo nu r b a n h i g hv o l t a g es y s t e m s ”，w h i c ha r ei m b u r s e db y t h ei m p o r t a n ts c i e n t i f i cp r o j e c ti nh e n a np r o v i n c e a c c o r d i n gt ot h ec o m b i n a t i o no f t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h ea c t u a in e e do fp o w e r b r a n c h ，t h ed a t ar e s o u r c eo fs c a d a s y s t e mu n d e rc o n t r o lc e n t e rb a s e do nu n m a n n e ds u b s t a t i o n si sf u l l yu s e dt od e v e l o p t h ef a u l td i a g n o s i ss y s t e ma n dv e r i f i c a t i o no f r e l a yp r o t e c t i o ns e n s i t i v i t i e sb a s e do n t h et o p o l o g yc o n f i g u r a t i o no fr e a l - t i m ea n de m u l a t i o ns t a t es y s t e m t h es y s t e mi s a p p l i e dt oam e a u s o fo n l i n ef a u l td i a g n o s i n ga n dam e a s u r eo fr e a l - t i m em o n i t o r i n g r e l a yp r o t e c t i o ns e n s i t i v i t i e s a n df o l l o w i n gw o r k s h a v eb e e ni l l u s t r a t e d i nt h ew o r k s ，d a t a b a s e s y s t e md i v i d e dm t or e a l t i m e d a t a b a s ea n dr e l a t i o n a l d a t a b a s ei se s t a b l i s h e df o rd i f f e r e n tf u n c t i o n s o nt h eb a s i so ft h e d a t a b b s e s ，a p r o g r a m m e i se m p o l d c r e di no r d e rt ob e t t e rs y n t h e t i c a l l ym a n a g et h er e l a yi n f o r m a t i o n a n dl i g h t e nt h eb u r d e no fo p e r a t o r s , b e s i d e sa l l e f f i c i e n t ，s p e e d y , f l e x i b l e d a t a b a s e s u p p o r t i n gs y s t e m i se s t a b l i s h e d b e c a u s et h e r ea r em o r eo rl e s sl i m i t a t i o n si nt h er e a l t i m ed a t ac o l l e c t e dt h r o u g h s c a d a s y s t e m ，t h ei n f o r m a t i o nm u s tb e d e a lw i t hp r o p e r l yb e f o r eu s i n gt h e m t h r o u g hr e s e a r c h i n gt h e s ec h a r a c t e r i s t i c so f r e a l t i m ed a t ar e c e i v e dd e e p l y , s o m eg o o d m e a s u r e sa r ep u tf o r w a r da n da c c e p t e dt oi m p r o v et h ef a u i t - t o l e r a n c ep e r f o r m a n c eo f t h ef a u l td i a g n o s i ss y s t e mi nt h et h e s i s ，s u c ha sa d v a n c ed i s p o s i n go fr e a i - t i m es w i t c h i n f o r m a t i o na n di n s t a u r a t i o no fd u m m ys w i t c he t c b a s e do nt h ed a t ai n f o r m a t i o nr e c e i v e d ，t h r e es t a r t i n ga r i t h m e t i ci sd e v e l o p e di n t h et h e s i s w h i l es o ei n f o r m a t i o ni sp e r f e c t ，t h es t a r t i n ga r i t h m e t i ci su s e dw i t hs o e g e n e r a ls i g n a l ；b yc o n t r a r i e s ，i fs o ei n f o r m a t i o n i sn o tp e r f e c t ，a n o t h e rc o n j o i n t s t a r t i n ga r i t h m e t i ci su s e dw i t ht h ef a u l tg e n e r a ls i g n a li ns o e i n f o r m a t i o na n d r e l a y a c t i o ns i g n a li ny xi n f o r m a t i o n i na d d i t i o n ，t h r o u g hd i s c u s s i n gt h ea c t i o nm e c h a n i s m o fc h z d i f f e r e n c eo fp e r m a n e n tf a u l ta n di m p e r m a n e n tf a u l ti se n s u r e di nf a u l t s t a r t i n g d u r i n gt h e s em e a s u r e s ，t h ef a u l td i a g n o s e sc a r lr e s p o n s et h es t a r t i n gs i g n a l a c c u r a t e l ya n ds e n s i t i v e l y u s i n gt h em e t h o d ，t h ep r o b a b i l i t yo fi m p r o p e rs t a r t u pc a l l b el e s s e n e dg r e a t l y c o n s i d e r i n gt h e h i e r a r c h i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fp o s t - f a u l ts i g n a l s ，a ni n t e l l i g e n t i n f a u l td i a g n o s i sm e a n si s p r o p o s e dt oi d e n t i f yf a u l tc o m p o n e n t sr a p i d l ya n de x a c t l y , w h i c hi sb a s e do nt h ea c t i o ni n f o r m a t i o no fc i r c u i tb r e a k e r sa n dr e l a y sw i t hu s i n g p a r t i a le l e c t r i cq u a l i t i e su n d e rt h es t a t eo ff a u l tt ov 商母f a u l tc o m p o n e n t sf u r t h e r , t h e a l g o r i t h mh a sb e t t e ra d a p t a b i l i t yf o rd i f f e r e n tn e t w o r kc o n f i g u r a t i o n sa n dc a nb e g e n e r a l l ye m p l o y e d i t n o t o n l ya d a p t s t ot h es t a t ew h i l e o n l y s w i t c h e sa c t ，b u ta l s ot o t h es t a t ew h i l er e l a yp r o t e c t i o n sa c t ；i na d d i t i o n ，t h r o u g hu s i n ge l e c t r i ci n f o r m a t i o n c o l l e c t e db y m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o n ，m o r ea c c u r a t er e s u l t sa r eg a i n e d i n v e r i f y i n g o f r e l a yp r o t e c t i o ns e n s i t i v i t i e s ，a n e t w o r k p o r t i o n i n g m e t h o d c o m b i n i n gw i t hg r a p h i ci n t e r f a c e i s p r o p o s e d i t c a no n l i n et r a c kt h ev a r i e t i e so f n e t w o r k ，a c c o r d i n g l yi t c a ns a r i s f yr e a l - t i m ea n de m u l a t i o na n a l y s i so ft o p o l o g i c a l c o n f i g u r a t i o n w i t ht h er e a l - t i m en e t w o r kc o n f i g u r a t i o na n dn o d a la d m i t t a n c em a t r i xa n a l y z e d ， t h es h o r t - c i r c u i tc a l c u l a t i o ni sc a r r i e d o u t ；b ym e a n so fa ne x p e r ts y s t e m ，t h e v e r i f i c a t i o no f p r o t e c t i o ns e n s i t i v i t i e sh a sb e e na c h i e v e d t h i ss e n s i t i v i t yv e r i f i c a t i o n c a na l s ob eu s e df o ra n yn e t w o r k c o n f i g u r a t i o nm o d i f i e df r o mc u l t e n tp o w e r n e t w o r k c o n n e c t i o n a g o o ds h o r tc i r c u i tp r o g r a mi se m p o l d e r e dw i t hh o l d i n gl e s sm e m o r ya n dm o r e r a p i dc a l c u l a t ea b i l i t y a tt h es a m et i m e ，t h ep r o g r a ma p p l i e st h er e s u l tt ot h em o d u l e o f v e i l 母i n g 也ee l e c t r i cd e v i c e s s t a b i l i t y w i t ht h e s ef u n c t i o n a lm o d u l e sb e i n ga p p l i e dt o p r a c t i c e s t h e s e f u n c t i o n sa r e p r o v e dr e l i a b l ea n da c h i e v e dt h ed e m a n d se x p e c t e d t h e yb e c o m em u c hu s e f u lf o r i m p r o v i n g t h es e c u r i t ya n d r e l i a b i l i t yo f s y s t e mo p e r a t i o n ， k e yw o r d s ：f a u l td i a g n o s i s ；e x p e r ts y s t e m ；r e l a yp r o t e c t i o ns e n s i t i v i t y ；e m u l a t i o n ； o n l i n e 【v 第一章绪论 1 1 课题的提出 本文选题取自于为河南省南阳市电力局开发的项目城市高压电网运行智能 决策支持系统，该项目是河南省电力局下达的重点科研项目。同时也是河南省科 委2 0 0 0 年和2 0 0 2 年的科技攻关项目。本文作者所承担的具体工作包括城市电网 故障诊断及基于实时与仿真拓扑结构的保护灵敏度在线校验的研究与开发。 城市电网通常是指城市配电网和为其提供电源的高一级电压输电线路及变电 所，简称“城网”。城市电网是城市重要的基础设施，是现代化城市不可缺少的能 源供应系统。城市电网负责传输和使用电力系统中约8 0 的电量，所以城市电网 的发展是实现电力系统工业增长的主要渠道。而电力部制定的电力发展2 0 1 0 年目 标是将提高城市电网的供电可靠性，保证其安全经济运行，最大限度地满足国民 经济和社会发展的用电需求，作为城市电网建设和技术改造的主导思想。 在这指导思想下，尤其是经过近几年的城市电网改造，使得城市电网的建 设和技术改造发展很快，其中集中控制无人值班变电站的发展尤为迅速。承担这 些无人值班变电所监控任务的控制中心都配置了完善的综合自动化系统【lj ，利用 远动技术，通过设在各变电所的远方终端装置r t u ( r e m o t e t e r m i n a t e u n i t ) ，将 变电站的信息( 或称为数据) 送到控制中心，实现集中监视、控制与管理。如何 充分利用其中的s c a d a ( s u p e r v i s o r c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统采集到的 数据资源，开发实时在线的高级智能决策支持软件是落实上述主导思想的重要措 施之一，也是近几年来国内外电力工作者十分关注的课题。 这些控制中心利用所配置的先进的综合自动化系统为值班人员提供了正常 和故障时对系统监视、管理和控制的手段。但是，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送至控制中心，大量报警信息涌入，远远超 出了运行人员的处理能力。所以研究工作者一直致力于发展在线、准确的自动故 障诊断系统。 众所周知，保护装置的灵敏度是保护能否可靠切除故障的关键。正常情况下 保护灵敏度的校验是离线进行的，即按照分析系统的最大最小运行方式进行计算。 那么对于各种实际的运行方式灵敏度是否仍能满足要求? 对于传统的变电站是 无法解决这个问题的。而对于实现综合自动化的城市无人值班变电站，利用它的 s c a d a 系统将众多无人值班变电站及整个城市电网的运行信息收集到控制中心， 为开发保护灵敏度在线校验提供了条件。 在南阳市控制中心现有数据资源的基础上进行在线故障诊断及保护灵敏度在 线校验的研究与开发就是本文作者完成的主要工作，也是本文的主要内容。 1 2 研究的目的和意义 1 2 1 城市电网故障诊断的意义 由于现代城市电网的大型化和复杂化，从而在客观上注定了各种电力系统故 障的发生总是无法完全避免的。故障停电的后果是很严重的：给用户造成重大经 济损失，同时，随着电力市场的逐步形成和发展，故障停电还将严重影响到供电 方的经济利益。因此保证电力系统运行的安全可靠以及防止事故发生和扩大，是 供用电双方共同的迫切要求。一旦电力系统发生故障，尽快判明故障元件，正确 处理事故并及早恢复供电以减少停电损失，成为电力系统所面临的一项迫切而重 大的任务。利用城市电网无人值班变电站控制中心综合自动化系统采集的实时数 据，开发在线故障诊断及故障后恢复软件有其现实意义。也是本论文所要阐述的 一个重要方面。 1 2 2 基于实时与仿真拓扑结构的保护灵敏度在线校验的意义 电力系统继电保护的灵敏度是衡量保护能否灵敏、可靠动作的重要指标之一， 在保护整定计算时必须进行灵敏度计算，校验这个保护定值的灵敏度是否满足要 求。常规下保护灵敏度校验，是按照几种常用运行方式离线计算的。但是随着 电力系统的日益扩大，系统的复杂性与网络变化的多样性决定了实际的运行方式 可能会超出常用的几种运行方式。那么，当前的运行方式下保护的灵敏度是否满 足要求? 将来要倒换至新运行方式下的保护灵敏度是否满足要求? 对此，按照常 规保护灵敏度校验方法必须重新设置与计算。如果获取到系统实时与仿真新运行 方式下的拓扑结构，实现在线和对系统不同仿真状态下的灵敏度计算，以上问题 也就迎韧而解。现代电力系统自动化水平的提高和计算机技术的飞速发展，可以 提供上述拓扑结构，这就为保护灵敏度在线校验提供了数据基础与技术手段。可 以为现场运行人员提供一种在线监测保护灵敏度的手段，对保障电网安全运行具 有一定的现实意义。 1 3 国内外的研究现状综述 1 3 1 电力系统故障诊断 电力系统故障诊断的目的是确定故障元件，以便对故障进行处理并尽快恢复 供电。故障诊断可分为局部故障诊断和全局故障诊断。前者是指对发电厂或变电 站内的某一个设备的故障诊断；后者是指在调度中心或控制中心，应用s c a d a 中的远动信息对电网的故障元件进行判断。本课题研究的是城市电网的全局故障 诊断。 故障诊断的准确性主要取决于两个方面： ( 1 ) 使用的信息是否完全、准确： ( 2 ) 所使用的故障诊断方法是否可靠。 因此，对故障诊断的研究，也就是要解决这两方面的问题。 1 3 1 1 故障信息的获取与处理当电力系统发生故障时，利用s c a d a 系统将各 厂站信息通过通讯通道送到控制中心的信息是很多的，在这些信息中能被故障诊 断所利用的信息有： ( 1 ) 电网遥信信息：如开关、刀闸动作信息及动作时间： ( 2 ) 电网遥测信息：电压、电流及有功功率、无功功率测量值； ( 3 ) 保护事件信息：不同规约的保护动作信息； ( 4 ) 顺序事件记录信息( s o e 信息) 等。 通常对故障信息的处理可以分为两类： ( 1 ) 由于信息不全对数据的处理： ( 2 ) 由于上传信息不准确的处理。 但是随着城网改造的逐步进行，所收集到的信息种类和对城网的覆盖程度日 趋完善信息不全已不再是所要处理的主要问题。 因为远动通道和设备本身的原因总是无法完全避免受到干扰而产生错误信 息，所以故障信息的处理主要集中在对上传中不准确信息的处理。文献【2 弓】从现场 实际工程应用的角度出发，对如何处理遥信乱打和信号不准问题提出了一些较有 效的解决办法。但是还可能有少量的误报、错报信息存在，干扰故障诊断的准确 性。所以对重要报警信息的预处理仍然是提高故障诊断系统中抗干扰能力的重要 和有效的措施。 1 3 1 2 故障诊断方法的应用评述在这方面较早的研究报道要数六十年代末七 十年代初t e d y l i a c c a 等人所作的工作n 文献1 4 馒出了针对具体电网结构，对继 电保护和开关信息逻辑编程来实现对故障的自动化诊断。但是这种方法对电网结 构乃至运行方式的变化适应性较差。随着人工智能技术的发展，人们将其引入电 力系统领域中，将专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 、人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k ) 、模糊理论( f u z z y t h e o r y ) 、遗传算法( g c n e t i c a l a r i t h m e t i c ) ，p e t r i 网 络( p e t r in e t ) 等人工智能技术运用于电网故障诊断中【4 1 。它们在电力系统故障诊 断中有各自的特点和问题。 专家系统是( e s ) 是发展最早，也是比较成熟的一种人工智能技术。实际上 3 它是一个程序系统，汇集了许多领域专家的知识和经验模拟人类专家做出决策。 专家系统擅长逻辑推理和符号信息处理，在解决难以建立数学模型的问题上 有其独到之处，所以适合于电力系统故障诊断。其在故障诊断方面的应用，使用 基于产生式规则的系统，即把保护、断路器的动作逻辑以及运行人员的诊断经验 用规则表示出来，形成故障诊断专家系统的知识库，进而根据报警信息对知识库 进行推理，获得故障诊断的结论。1 9 8 6 年日本学者最早提出用专家系统技术进行 电力系统故障诊断【5 j ，随后，各国研究人员在此方面进行了深入的研究并逐步投 入实际应用 6 五2 1 ，目前使用专家系统技术开发的电网故障诊断系统已进入实用阶 段。 虽然专家系统能够有效地模拟故障诊断专家完成故障诊断的过程，但是在实 际应用中，由于自身的一些缺点限制了它的广泛应用。例如，完备的知识库的获 取一直以来都是专家系统研制的一个瓶颈：大型专家库的维护比较困难，并且不 易于满足实时动作的要求；专家系统的容错能力较差，在故障时保护装置或断路 器错误动作的情况下，专家系统缺乏有效的方法识别错误信息，容易造成诊断错 误。 专家系统在目前较多地应用于仿真培训系统中即在教员给出相应假设故障 信息后，仿真系统显现事故现象，提供考核与训练调度员判断、处理事故能力。 人工神经网络( a n n ) 是模拟人类神经系统传输、处理信息过程的一种人工 智能技术。与专家系统相比人工神经网络方法具有较强的自学习能力和容错能 力以及高速的并行处理能力，因此a n n 的执行过程比专家系统推理过程简捷。 e c h a n 于1 9 8 9 年在p i c a ，8 9 会议上较早地提出用b p 模型进行故障诊断的方法 田j ，该方法将报警信息作为a n n 的输入量，故障位置作为a n n 的输出量，识别 电网发生的故障。 但是。a n n 在故障诊断应用中也存在难以克服的问题。a n n 在使用之前需 要大量的、有代表性的样本供其学习，其学习算法收敛的速度一股比较慢。学习 完成以后如果系统运行方式发生变化，则需要增加新的样本重新学习。并且， a n n 通常只能给出一个介于o 1 之间的数字作为输出，对诊断结果缺乏解释能 力不利于运行人员理解诊断结果。 模糊理论( f u z z yt h e o r y ) 是经典集合理论模糊化并引进语言变量和近似 推理的模糊逻辑，具有完整的推理体系的智能技术，一般模糊系统的结构与专家 系统结构类似，由模糊知识库、模糊推理机和人机界面等几部分组成，可以说模 糊系统是模糊理论同专家系统的结合。 模糊理论具有可以适应不确定性问题的优点所以基于模糊理论的方法比较 适用于故障诊断问题。但是一般的模糊系统采用了与专家系统类似的结构，所以 也具有专家系统的一些固有缺陷。虽然它可以增强故障诊断系统处理不确定性的 能力，提高故障诊断的准确度，但是不会完全消除专家系统所固有的缺点。 基于优化技术的思想是将研究问题描述成一个优化问题，构造一种解析模型 即数学模型，利用解优的方法寻找问题的最优解。如当前流行的遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m - - g a ) 或t a b u 搜索( t a b us e a r c h t s ) 方法等 2 4 - 2 7 】。该方法希望从理 论上解决保护信息不完整时电力系统的故障诊断问题，这对于电力系统故障诊断 具有非常实际的意义。但是，由于遗传算法在寻优过程中存在随机因素，有可能 会失去某些最优解：而且在自动形成目标函数的过程中，需要考虑多级后备保护 时比较困难：同时由于在诊断过程中必须进行迭代，从而导致速度较慢，如果系 统对实时性要求很高，会存在一定困难。所以，很难实时应用于城市电网这样一 个包含了变电所与联络线的大型系统中。 上述各种人工智能技术，是从不同的途径去解决电力系统故障诊断问题的， 但同时都存在着相应的缺陷，探索新的人工智能技术或综合应用已有的人工智能 技术解决电力系统故障诊断问题，扬长避短，研究开发出更加完善的智能故障诊 断系统是摆在研究工作者面前的重要课题。 1 3 2 保护灵敏度在线校验研究现状 常规下对保护灵敏度的校验，是按照几种常用运行方式离线计算的。但是， 随着电力系统的日益扩大，系统的复杂性与网络变化的多样性决定了实际的运行 方式可能会超出常用的几种运行方式。那么，当前的运行方式下保护的灵敏度是 否满足要求? 将来要倒换至新运行方式下的保护灵敏度是否满足要求? 对此，按 照常规保护灵敏度校验方法必须重新设置与计算。随着电力系统结构及运行方式 的日益复杂，离线计算己逐渐不能满足要求，因此，国内外许多科研人员都在进 行如何实现继电保护灵敏度在线校验的研究。 在我国，许多高等院校和科研机构在这项研究方面进行了一些成功的尝试， 例如，吉林省电力局与东北电力学院联合研制了一套实用型距离保护整定计算专 家系统，实现距离保护的在线整定和校验，经过实际网络计算，其结果符合工程 要求，已在电网中应用。 四川大学在继电保护定值在线整定及灵敏度在线校验方面的研究取得一定的 成果，实现了对1 1 0 k v 及其以上电压网络的零序电流保护、距离保护，以及低压 网络中的电流保护等具体的单项保护进行保护定值的在线整定和灵敏度的在线校 验【2 8 】。 在以上所取得成果中可以看到，多数是对某一类保护进行灵敏度的在线校验， 而针对某个具体电网进行全网所有投运保护的灵敏度校验还没有先例。 随着城市无人值班变电站以及控制中心的建立与发展，充分利用控制中心综 合自动化s c a d a 系统提供的信息开发针对整个城市电网无人值班变电站的保 护灵敏度在线校验程序已成为实际需要与可能，本文所做工作的意义也就在于此。 郑州大学工学硕士论文 第二章城市电网故障诊断系统的数据库与数据预处理 2 1 引言 城市电网故障诊断系统作为城市高压电网运行智能决策支持系统的一部 分其任务是在电力系统发生故障时，对s c a d a 系统采集的故障信息进行分析 处理后，判断故障源，辅助运行人员迅速而准确地判断故障元件，以便尽快恢复 电力系统正常运行。它对减轻运行人员的负担、提高故障判断正确率、缩短停电 时间、降低停电损失有着重要的现实意义。故障诊断系统在分析故障征兆信息， 以及对这些信息的分析处理过程中都离不开数据库支持系统。同时为保证数据 的可靠性、使用的方便性必须对原始数据进行必要的预处理。本章介绍城市电 网故障诊断系统的数据库以及数据的预处理。 根据本系统的特点，故障诊断数据库支持系统的数据库可分为实时数据库和 关系数据库。实时数据库存储的是接受s c a d a 系统转发的实时数据；关系数据 库是利用商业s q l 数据库，建立故障诊断系统专家推理的数据基础。 数据的预处理主要包含：对故障前后信息及故障时跳闸开关信息的确定、实 时开关变位信息的预处理、虚拟开关的设立等。 2 2 故障诊断系统的实时数据库 为了满足在线运行的需要，本系统设计了实时数据库。它运行于w i n d o w s n t 操作系统使用v c + + 语言开发，按照数据共享、数据存储与数据操作分离的原 则和面向对象的设计思想进行设计。它常驻于内存之中，由实时库管理系统完成 其数据的实时同步更新，通过程序和专为商用关系数据库设计的应用程序接1 2 1 实 现与应用程序和商用关系数据库的交互。 存在于服务器内存中的实时数据库通过t c p i p 协议将其映射于多个工作站 内存中，为不同的电力系统分析计算软件提供由s c a d a 系统所采集的实时信息。 具体对故障诊断模块而言，按照适合于面向对象数据库设计的组织模式，设 计数据数据库系统的类和属性。本系统在对城网的分析中，以各个变电站为监控 对象。所以首先建立厂站这一类，厂站类包括的属性为编号、厂站名和信息量。 而信息量又构成一个子类，其属性包括遥测量、遥信量、s o e 、保护信息。遥测 量、遥信量、s o e 、保护信息再分别构成子类，分别有编号、名称、系数、状态 ：。：垒耋垒蜜墼幽丝墼丝垡墼堡墼! 垫墅坠鬯，。，一， 描述等属性。其中遥信量的状态描述又可以形成一个子类，其属性为开、合状态； 遥测量的名称构成了属性为数据采集和数据应用的子类，它们又构成属性为数据 实时值和更新周期的子类。这样就为故障诊断程序实时提供了开关状态信息、开 关变位信息、有功无功量信息以及保护动作信息。由于按照面向对象的思想进行 设计，所以，这些实时转发的数据是封装在不同类当中，其数据传输的可靠性和 安全性能得到保证。 2 3 故障诊断系统的关系数据库 2 3 1 概述 关系数据库是指一些相关的表和其他数据库对象的集合t 2 9 1 。这个定义表达 了三个部分含义。 ( 1 ) 关系数据库中，信息被存放在二维结构表中，一个关系数据包含多个数据 表，每一个表又包含行( 记录) 和列( 字段) 。 ( 2 ) 这些表之间是相互关联的。表之间的这种关联性是由主键和外键所体现的 参照关系实现的。 ( 3 ) 数据库不仅包含表，而且包含了其它数据对象，如：视图、存储过程、索 引等。 由此可见，关系数据库在功能上和应用上几乎完全取代了曾经流行的网状数 据库和层次数据库，是目前最为流行的数据库。 根据故障诊断程序进行诊断的需要，需要建立电网拓扑数据库、保护信息数 据库以及利用故障状态下电气量信息进行迸一步分析资料数据库。这些基本的数 据库是进行电力系统故障诊断系统专家推理的数据基础。 2 3 2 电网拓扑数据库 对于电网故障诊断系统来讲电网拓扑是其工作的基石。根据其在故障诊断 中功能的不同可以分为以下凡类： 2 3 2 1 通信所用数据库在关系数据库中建立遥信、遥测参数表( y x e o n f i g 和 y c c o n f i g ) ，称其为通信数据库是由于其是按照s c a d a 系统所转发的规约建立的， 其含有转发i d 号( y x t r a n s l d 和y c t r a n s i d ) ，可以通过转发i d 号将关系数据库 中的信息同s c a d a 转发信息联立起来。通过这种联立就可以为各功能模块提供 可以为运行人员所理解和接受的实时数据信息。其结构如图2 1 所示： - 8 郑州大学工学硕士论文 图2 1通信数据厍结构 f i g 2 1t h es 臼1 j c t u r e o nc o m m u n i c a t i o n d a t a b a s e 从s c a d a 系统采集到的遥信、遥测量信息类型比较复杂，但对于不同的功 能模块而言，并不需要所有类型的遥信、遥测信息。例如，故障诊断模块并不需 要变压器分接头信息。所以为了保证各功能模块所用数据的通用性和针对性，以 及提高读取数据的速度，可以根据不同的需要按照以上两个参数表的不同键值进 行筛选形成不同功用的视图。 2 3 2 2 拓扑结构数据库电力系统由电源、电力网络、负荷三部分组成。电力网 络包括了输电和配电线路、变压器、母线、开关、并联和串联电容器、并联和串 联电抗器等元件，它们按一定的形式联结成一个整体达到输送和分配电能的目 的1 3 0 1 。因此电力网络包含了两个内容：元件和元件之间的联结。而电网拓扑关系 反映的就是网络中各元件( 即各支路) 之间的联结关系，它与元件的特性( 即各 支路的参数) 无关。因此，当不考虑网络中各支路的参数时，网络可以抽象成一 些抽象的支路和由它们联结成的节点。网络的拓扑约束条件就是基尔霍夫定律 ( k i r c h h o f f sl a w s ) 。 考虑到城市电网一般规模不大，可以将整个城市电网用一个图来表示。在这 个图中，将系统中的电气设备( 输电线、母线、变压器) 和开关看作边，而将所 有开关、设备和注入量( 发电机、等值点、负荷) 的连接点看作顶点。很明显， 图中边的通断取决于开关的状态和设备与顶点的连接关系。 把拓扑信息表示的承载体即图相对应的整个网络的拓扑逻辑关系数据存放 在三个拓扑表中。这就是，母线一节点关联表、设备一节点关联表以及线路一节 点关联表。拓扑数据生成后独立存在，与图形本身无关，直至图形更改重新生成 新的拓扑数据。在这三个拓扑表中包含了所有图形的拓扑信息( 甚至包括了中性 点设备、电压互感器、熔断器、避雷器等所有在图形上已绘制的元件) ，保持了系 统拓扑信息的完整性。但是，对于某一个特定的应用软件来讲，并不需要所有的 拓扑信息，这样为了减少拓扑搜索的工作量、提高搜索速度，就必须简化拓扑数 据关系，将不需要的拓扑信息删除掉，同时为了保证拓扑原始数据的完整性，可 以通过对以上三个拓扑表中不同主键的选取和配合关系所形成的具有特定用途的 拓扑视图来实现，经过这种方法处理后可以重新形成简化了的故障诊断系统所需 要的原始拓扑信息。 以上拓扑信息的表示和数据存储的处理方法便于利用树搜索方法进行结线分 析，在本系统中采用了广度优先和深度优先的图的遍历方法阱】来确定孤立子系 统得到后续程序所需的信息和数据，并且搜索速度能够满足实时诊断的需要。 2 3 3 保护信息数据库 按照继电保护的配合原则，每一保护对应自己的保护范围。当故障发生在保 护范围内时，保护将瞬时或限时动作于相应开关切除故障。根据保护范围内故障 元件是否唯一，本文将保护分成两类： ( 1 ) 确定性保护：对应的保护范围是唯一的元件，可以认为只要这些保护动作， 被它保护的元件肯定故障，例如：线路i 段保护、母线保护和变压器本体保护等。 ( 2 ) 不确定性保护：对应的保护范围不是唯一的元件，即保护动作以后不能仅 根据保护信息将故障定位于保护范围内的某一元件上，而其保护范围内的各元件 都有可能故障，例如：线路后备保护和变压器后备保护等。 另外，当变电站内馈线上的线路后备保护动作时，虽然不能确定是本线路还 是下一级线路，但是对变电站运行人员来说都是此线路方向上发生故障，因此可 认为其对应的保护范围就是此线路，故也将其作为确定性保护。 由于南阳市电力局各无人值班变电站所采用的保护装置不尽相同，其保护信 息传送存在不一致性。为了便于由实时信息确定实际动作的保护，将保护的主要 类型及处理方法做如下定位： ( 1 ) 保护事件发送方式：i s a ( 站内保护) 和l f p ( 变电站问l l o k v 线路保护) ， 根据微机保护生产厂家转发规约以及装置的实际结构特点将保护定位在保护设 备和保护单元上。 ( 2 ) 以遥信信息进行发送的保护动作信息：由于以遥信信息发送的保护动作信 息没有任何规约可循，故通过保护i d ( r e l a y i d ) 将其定位到y x c o n f i g 表中对应保护 动作信息上。 ( 3 ) 自动装置信息：通过设备i d ( d e v i c e l d ) 将其定位到y x c o n f i g 表中对应自 动装置信息上。 根据以上分析保护信息的特点，将保护信息的知识用一组关联的表格表示， 即将保护的相关信息存储在保护信息表、保护范围表、i s a 保护信息表、l f p 保 郑州大学工学硕士论文 护信息表和y x c o n f i g 表中，各表之间通过数据库触发器联系在一起( 图2 - 2 ) ，以 便连锁增加、删除和更新。其中保护信息表中的保护属性，是指按照所保护的设 备将保护分为：线路保护、母线保护、变压器保护和电容器保护等：规约属性则 是指该保护动作时是以i s a 保护事件格式发送、以l f p 保护事件格式发送还是以 遥信量信息发送。 保护范围表 保护i d 支路i d 保护i d 保护动作名称 y x t r a n s i d 保护信息表 保护i d 保护名称 所在开关 所在开关i d 保护属性 是否确定性保护 规约属性 i s a 保护信息表 保护i d 保护单元索引 保护动作类型 l f p 保护信息表 保护i d 保护设备索 保护跳闸信息 l f p 类型 图2 - 2 保护信息数据库结构图 f i g 2 2t h ed a t a b a s es t r u c t u r eo n r e l a yi n f o r m a t i o n 由于保护信息的管理不仅繁琐而且容易出错，为了减轻使用本系统人员的工 作负担，基于以上分析的基础上，利用面向对象的编程思想开发了保护信息管理 软件。在该管理软件中，可以对不同规约保护类型进行分类存储，对各具体保护 的保护范围进行初步搜索并存储，阻及可以对录入的保护信息进行详尽地查询， 此外还可以在查询的基础上对录入的有误信息进行修改。 在该管理软件中，对保护信息表、i s a 保护信息表、l f p 保护信息表内容的 录入是根据现场实际投运保护装置来进行分析的：将i s a 保护和l f p 保护按照其 规约对应于不同保护单元和保护设各，确定其动作类型；同理，对于以遥信信息 上传的保护动作信息则将其由录入时随机形成的保护i d 填入对应遥信信息表中 相应的保护动作信号上。 故障诊断系统需要利用保护信息的保护范围进行诊断，这就需要利用专家知 识库中保护范围的信息。故在这管理软件中最为关键的问题是如何自动搜索保护 范围，其遵循的基本原理是按照网络拓扑的关联关系以及不同类型保护的保护原 理进行搜索，所利用的搜索方法也为广度优先和深度优先的图的遍历方法。 3 q ( 1 ) 对于确定性保护：其保护范围唯一，故障元件就是本身，并且将本身作为 该保护的起始元件。 ( 2 ) 对于不确定性保护：其保护范围不唯一，首先根据网络拓扑关联进行搜索 确定起始元件，进而根据不同保护的分段属性确定整个保护范围。例如，主变中 低压侧后备保护从中低压侧母线开始搜索，将搜索到的支路均对应同一个 r e l a y i d ，并将其