（电力系统及其自动化专业论文）地区电网故障诊断系统的实用化研究(1).pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文分析总结了现阶段电网故障诊断的研究成果，结合我国地区电网的运行实 际情况，研究了影响故障诊断系统在生产实践中使用的主要问题，设计了一个符合 我国现阶段电网运行实际的故障诊断系统。 系统采用专家系统的方法，用面向对象的知识表示方式表示各类故障信息和电 网中各种设备的关联关系、 产生式知识表示方式表示诊断规则和电网结构。电网故 障以后，本系统搜集s c a d a 遥信信息和故障信息系统的故障数据，通过对不同类型 故障信息的不同推理得出故障设备、 评估动作开关和保护装置的动作行为并给出故 障报告。 关键词:故障诊断，s c a d a ，故障信息系统，知识表示 abs t ract wi t h a n a l y i n g o u r c o u n t r y s l o c a l g r i d p r a c t i c a l f u n c t i o n a n d s u m m a r i z i n g o u t c o m e s o f c u r r e n t f a u l t d i a g n o s e r e s e a r c h , t h i s t e x t h a s r e s e a r c h e d t h e ma i n f a c t o r s w h i c h i n fl u e n c e t h e a p p l i a n c e o f f a u l t d i a g n o s e i n p r a c t i c e a n d d e s i g e d a s u i t a b l e f a u l t d i a g n o s e f o r o u r c o u n t r y s g r i d c u r r e n t s i t u a t i o n . s y s t e m a d o p t m e t h o d o f e x p e r t s y s t e m ， o b j e c t - o r i e n t e d k n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o n i s a d o p t e d t o r e p r e s e n t a l l k i n d s o f f a u l t i n f o r m a t i o n a n d r e l a t e d r e l a t i o n s o f d i f f e r e n t e q u i p m e n t i n t h e g r i d w h i l e p r o d u c t i o n r u l e s t o r e p r e s e n t t h e d i a g n o s t i c r u l e s a n a n d g r i d s t r u c t u r e . a f t e r t h e g r i d f a u l t o c c u r , t h i s s y s t e m w i l l c o l l e c t s c a d a i n f o r m a t i o n a n d d a t a o n f a u l t i n f o r m a t i o n s y s t e m , t h r o u g h d i f f e r e n t i n f e r e n c e o n v a r i o u s t y p e o f f a u l t i n f o r m a t i o n a b o u t f a u l t e q u i p m e n t , e v a l u a t e m o t i o n s w i t c h a n d p r o t e c t o r b e h a v i o u r a n d d r a w a m a l f u n c t i o n r e p o r t . z h a n g x u ( p o w e r s y s t e m同时伴随国民经济的不断发展，用户对电能质量的要求也越来越高。由于电力 系统故障本身的不可避免性，为了能在系统故障以后迅速地判定故障区域，判别故 障性质以及相关的保护动作行为是否正确， 并据此对系统进行事故后的快速恢复就 需要有实用高效的故障诊断系统为调度员决策提供辅助判据。 所谓故障诊断， 就是在一定的检测策略的指导下实施对被诊断系统的自 动检 测。通过检测获取诊断对象的故障模式， 提取故障特征， 在此基础上， 根据预定的推 理原则， 对故障信息做出综合评估， 并向系统的操纵者或控制者提示所要采取的措 施 。 电力系统的故障诊断包括系统故障诊断和元件故障诊断。 系统故障诊断也就是 电网故障诊断， 指的是在调度中心进行的系统级的故障诊断，它的目的是在电力系 统发生故障的时候，根据可以获得的各种故障信息，判定故障区域、故障性质和评 价保护动作行为，为调度员的决策提供相关的判据。元件故障诊断则是指对系统运 行中发生故障的电气元件进行的故障性质的分析，主要有变压器故障诊断、发电机 故障诊断等等。本文研究的是系统故障诊断。 在电力系统中电气元件运行发生故障或处于不正常运行状态的时候，继电保护 装置动作于断路器跳闸或发出信号， 以快速而有选择性地切除故障或发出告警信号。 调度中心根据数据采集监控系统 ( s c a d a ) 搜集保护装置和开关变位信息，并将其提 供给调度员使用，调度员再根据所掌握的故障信息，结合其它电网运行维护单位所 提供的分析结果做出最后的故障分析报告。电网故障诊断系统的基本功能就是将以 前需要调度员和其它单位协同完成的对于电网故障分析的结果交给计算机来实现， 利用计算机的快速计算能力，快速准确地给出分析结果，以便辅助调度员故障后做 出合理运行决策。 由于s c a d a 系统所采集的是运行现场远动系统所搜集到的状态量，包括开关位 置信息和保护动作信息; 它所采集的保护动作信息直接对应于现场保护装置的继电 器的接点，而这些接点大多是公用的出口接点，如 x x线路保护动作，没有详细表 达具体动作的保护类型和时间段，因此s c a d a 所反映的保护信息大多是模糊的， 这 就给故障诊断带来了一些困难。以前研究的各种故障诊断方法，要求保护信息是详 细的， 如x x 线路距离一段动作。 如果继续使用以前的方法， s c a d a 的保护信息基木 不能为故障诊断所用。 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 止 丛 些 竺 望 吐 望 塑 主 一 一 一 一 第一章绪论 1 . 1 课题研究的背景和意义 现在电力系统发展使得电网的规模越来越大，结构越来越复杂，不同区域之间 的联系也越来越紧密，这就使得系统中所发生的故障对系统本身的影响也随之扩 大;同时伴随国民经济的不断发展，用户对电能质量的要求也越来越高。由于电力 系统故障本身的不可避免性，为了能在系统故障以后迅速地判定故障区域，判别故 障性质以及相关的保护动作行为是否正确， 并据此对系统进行事故后的快速恢复就 需要有实用高效的故障诊断系统为调度员决策提供辅助判据。 所谓故障诊断， 就是在一定的检测策略的指导下实施对被诊断系统的自 动检 测。通过检测获取诊断对象的故障模式， 提取故障特征， 在此基础上， 根据预定的推 理原则， 对故障信息做出综合评估， 并向系统的操纵者或控制者提示所要采取的措 施 。 电力系统的故障诊断包括系统故障诊断和元件故障诊断。 系统故障诊断也就是 电网故障诊断， 指的是在调度中心进行的系统级的故障诊断，它的目的是在电力系 统发生故障的时候，根据可以获得的各种故障信息，判定故障区域、故障性质和评 价保护动作行为，为调度员的决策提供相关的判据。元件故障诊断则是指对系统运 行中发生故障的电气元件进行的故障性质的分析，主要有变压器故障诊断、发电机 故障诊断等等。本文研究的是系统故障诊断。 在电力系统中电气元件运行发生故障或处于不正常运行状态的时候，继电保护 装置动作于断路器跳闸或发出信号， 以快速而有选择性地切除故障或发出告警信号。 调度中心根据数据采集监控系统 ( s c a d a ) 搜集保护装置和开关变位信息，并将其提 供给调度员使用，调度员再根据所掌握的故障信息，结合其它电网运行维护单位所 提供的分析结果做出最后的故障分析报告。电网故障诊断系统的基本功能就是将以 前需要调度员和其它单位协同完成的对于电网故障分析的结果交给计算机来实现， 利用计算机的快速计算能力，快速准确地给出分析结果，以便辅助调度员故障后做 出合理运行决策。 由于s c a d a 系统所采集的是运行现场远动系统所搜集到的状态量，包括开关位 置信息和保护动作信息; 它所采集的保护动作信息直接对应于现场保护装置的继电 器的接点，而这些接点大多是公用的出口接点，如 x x线路保护动作，没有详细表 达具体动作的保护类型和时间段，因此s c a d a 所反映的保护信息大多是模糊的， 这 就给故障诊断带来了一些困难。以前研究的各种故障诊断方法，要求保护信息是详 细的， 如x x 线路距离一段动作。 如果继续使用以前的方法， s c a d a 的保护信息基木 不能为故障诊断所用。 华北电力大学硕士学位论文 为得到故障诊断所需要的完整、详细的故障信息，近年来故障信息系统开始得 到 一 些应用，故障信息系统独立于传统的s c a d a 系统，它采集各厂站的微机保护和 故障录波器所报发的各种事件报告，并通过专用的数据通道将数据传送到目的地。 故障信息系统的应用，给电网故障诊断带来极大便利，但是由于现场硬件条件的限 制和成本考虑，现阶段还没有覆盖全网。 木文所研究的故障诊断系统是结合兰州地调的实际硬件条件，设计一种通用的 故障诊断方案，不但能利用故障信息系统提供的完整、详细的故障信息，还能充分 利用 s c a d a系统提供的模糊的故障信息，对电网故障情况做出合理分析。 1 .2 国内外的研究现状 概括地讲， 故障诊断方法可以分成两大类: 基于数学模型的故障诊断方法和基于 人工智能的故障诊断方法，每类又包含若干具体的诊断方法。 电网故障诊断由于 其分析数据主要是保护和开关的动作开关量，同时它的分析是在故障发生以后， 所 以它主要采用的人工智能的方法;随着故障信息系统的应用，也部分地采用数学分 析的方法对故障录波数据进行分析。 目前国内外故障诊断系统的研究主要集中在方法的研究和实用化研究两个方 面， 所谓方法研究就是探索适合于电网故障诊断的方法，实用化研究主要目的是将 现有方法研究的成果应用于电网实际运行中去。 电网故障诊断的方法研究主要集中在以下几个方面: 专家系统、 人工神经网络， 模糊逻辑，优化的方法和p e t r i 网络等. 1 .2 . 1专家系统 专家系统是最先引入故障诊断领域的方法，也是最成熟和现在最实用的诊断的 方法。它将相关领域的专家的知识和经验归结成相应的规则， 形成规则库， 再通过 合理有效的推理机制将这些规则应用于实际的场合。 文献【 4 就是专家系统对变压器 故障的诊断。 文献 5 - 6 1 以 及文献 2 1 - 2 3 1 就是应用专家系统来实现对电力系统的故障 诊断。 但是专家系统本身的一些局限性，如合理规则的形成，不仅仅需要相应的专业 知识， 还需要相关的实际经验。 专门 应用专家系统的故障诊断系统在现在已经不多， 现在的专家系统多是结合其他的方法来实现对系统的故障诊断。 1 . 2 . 2人工神经网络 神经网络具有较强的在线学习能力、 5 非线性映射能力、联想记忆能力等特点， 华北电力大学硕士学位论文 为得到故障诊断所需要的完整、详细的故障信息，近年来故障信息系统开始得 到 一 些应用，故障信息系统独立于传统的s c a d a 系统，它采集各厂站的微机保护和 故障录波器所报发的各种事件报告，并通过专用的数据通道将数据传送到目的地。 故障信息系统的应用，给电网故障诊断带来极大便利，但是由于现场硬件条件的限 制和成本考虑，现阶段还没有覆盖全网。 木文所研究的故障诊断系统是结合兰州地调的实际硬件条件，设计一种通用的 故障诊断方案，不但能利用故障信息系统提供的完整、详细的故障信息，还能充分 利用 s c a d a系统提供的模糊的故障信息，对电网故障情况做出合理分析。 1 .2 国内外的研究现状 概括地讲， 故障诊断方法可以分成两大类: 基于数学模型的故障诊断方法和基于 人工智能的故障诊断方法，每类又包含若干具体的诊断方法。 电网故障诊断由于 其分析数据主要是保护和开关的动作开关量，同时它的分析是在故障发生以后， 所 以它主要采用的人工智能的方法;随着故障信息系统的应用，也部分地采用数学分 析的方法对故障录波数据进行分析。 目前国内外故障诊断系统的研究主要集中在方法的研究和实用化研究两个方 面， 所谓方法研究就是探索适合于电网故障诊断的方法，实用化研究主要目的是将 现有方法研究的成果应用于电网实际运行中去。 电网故障诊断的方法研究主要集中在以下几个方面: 专家系统、 人工神经网络， 模糊逻辑，优化的方法和p e t r i 网络等. 1 .2 . 1专家系统 专家系统是最先引入故障诊断领域的方法，也是最成熟和现在最实用的诊断的 方法。它将相关领域的专家的知识和经验归结成相应的规则， 形成规则库， 再通过 合理有效的推理机制将这些规则应用于实际的场合。 文献【 4 就是专家系统对变压器 故障的诊断。 文献 5 - 6 1 以 及文献 2 1 - 2 3 1 就是应用专家系统来实现对电力系统的故障 诊断。 但是专家系统本身的一些局限性，如合理规则的形成，不仅仅需要相应的专业 知识， 还需要相关的实际经验。 专门 应用专家系统的故障诊断系统在现在已经不多， 现在的专家系统多是结合其他的方法来实现对系统的故障诊断。 1 . 2 . 2人工神经网络 神经网络具有较强的在线学习能力、 5 非线性映射能力、联想记忆能力等特点， 华北电力大学硕士学位论文 为得到故障诊断所需要的完整、详细的故障信息，近年来故障信息系统开始得 到 一 些应用，故障信息系统独立于传统的s c a d a 系统，它采集各厂站的微机保护和 故障录波器所报发的各种事件报告，并通过专用的数据通道将数据传送到目的地。 故障信息系统的应用，给电网故障诊断带来极大便利，但是由于现场硬件条件的限 制和成本考虑，现阶段还没有覆盖全网。 木文所研究的故障诊断系统是结合兰州地调的实际硬件条件，设计一种通用的 故障诊断方案，不但能利用故障信息系统提供的完整、详细的故障信息，还能充分 利用 s c a d a系统提供的模糊的故障信息，对电网故障情况做出合理分析。 1 .2 国内外的研究现状 概括地讲， 故障诊断方法可以分成两大类: 基于数学模型的故障诊断方法和基于 人工智能的故障诊断方法，每类又包含若干具体的诊断方法。 电网故障诊断由于 其分析数据主要是保护和开关的动作开关量，同时它的分析是在故障发生以后， 所 以它主要采用的人工智能的方法;随着故障信息系统的应用，也部分地采用数学分 析的方法对故障录波数据进行分析。 目前国内外故障诊断系统的研究主要集中在方法的研究和实用化研究两个方 面， 所谓方法研究就是探索适合于电网故障诊断的方法，实用化研究主要目的是将 现有方法研究的成果应用于电网实际运行中去。 电网故障诊断的方法研究主要集中在以下几个方面: 专家系统、 人工神经网络， 模糊逻辑，优化的方法和p e t r i 网络等. 1 .2 . 1专家系统 专家系统是最先引入故障诊断领域的方法，也是最成熟和现在最实用的诊断的 方法。它将相关领域的专家的知识和经验归结成相应的规则， 形成规则库， 再通过 合理有效的推理机制将这些规则应用于实际的场合。 文献【 4 就是专家系统对变压器 故障的诊断。 文献 5 - 6 1 以 及文献 2 1 - 2 3 1 就是应用专家系统来实现对电力系统的故障 诊断。 但是专家系统本身的一些局限性，如合理规则的形成，不仅仅需要相应的专业 知识， 还需要相关的实际经验。 专门 应用专家系统的故障诊断系统在现在已经不多， 现在的专家系统多是结合其他的方法来实现对系统的故障诊断。 1 . 2 . 2人工神经网络 神经网络具有较强的在线学习能力、 5 非线性映射能力、联想记忆能力等特点， 华北电力大学硕十学位论文 它适合于各种无法用数学模型表示的问题， 可以处理很多无法直接用常规方法所处 理的问题;因此近年来它大量应用于有关模式识别和各种非线性处理的问题解决 文献 7 - 8 1 以及文献 2 4 - 2 6 1 都对神经网络在电力系统故障诊断中应用的研究。 但是由于神经网络解决问题的本身的黑箱性质， 它对所解决的问题难于给出清晰 的解释，由于电力系统本身运行的要求， 对于所处理的问题都要求有科学合理的解 释。同时由于电力系统结构的复杂性，相应的神经网络的构建也比较困难。正因为 这样，它在电力系统故障诊断中的应用还处于理论探索阶段。 1 . 2 . 3 p e t r i 网 文献 9 以 及文献 2 7 是p e t r i 网在电力系统故障诊断中应用的研究。p e t r i 网是 一种用图形表示的组合模型，它以研究系统的组织结构和动态行为为目 标， 着眼于 系统中可能发生的各种变化和变化间的关系。电网中保护系统反应于故障，并有选 择地切除故障的过程正好属于系统同时发生或活动范畴， p e t r i 网可以很好的表示这 种离散事件动态行为的强有力的建模和分析工具。但是 p e t r i 网在构建网络模型的 时候需要生成很多的节点，对于复杂的电力系统它在模型构建上比较困难。 1 .2 .4优化技术 优化技术是一种基于数学模型的求解方法。其基本思想是首先将电力系统故障 诊断描述为优化问题， 之后用优化方法求解。目 前优化技术用于故障诊断主要是建 立诊断的解析模型， 最终都归结为无约束0 -1 整数规划问题， 并分别采用b o l t a m a n n 机，遗传算法和 t a b u搜索方法求解。上述这些方法从优化的角度出发基本_ l 可以 解决故障诊断问题，尤其是在复杂故障或存在保护，断路器误动作的情况下，能够 给出全局最优或局部最优的多个可能的诊断结果。 但是如何建立合理的电网故障诊 断数学模型是使用优化技术的主要瓶颈。文献 1 0 - 1 3 1 及文献 2 8 都是相关的研究成 果。 1 .2 . 5粗糙集理论 近年来 ，z .p a w l a k教授等人提出了 采 用粗糙 集理论( r o u g h s e t s t h r o e y ) 研究 不完 整数据、 不精确知识的表达、 学习和归纳等方法。 这种方法与概率统计方法处理不 确定问题和模糊集理论处理不精确数据的方法都不相同。 所谓粗糙集方法， 是研究基 于一个( 或一组) 机构关于一些事实和它分辨某些特点、 过程和对象等的能力的知识， 该方法以对观察和测量所得数据进行分类的能力为基础。 粗糙集理论在许多应用领 域得到发展并用来处理不完整数据和不精确、不确定问题。如在医疗数据分析、振 华北电力大学硕十学位论文 它适合于各种无法用数学模型表示的问题， 可以处理很多无法直接用常规方法所处 理的问题;因此近年来它大量应用于有关模式识别和各种非线性处理的问题解决 文献 7 - 8 1 以及文献 2 4 - 2 6 1 都对神经网络在电力系统故障诊断中应用的研究。 但是由于神经网络解决问题的本身的黑箱性质， 它对所解决的问题难于给出清晰 的解释，由于电力系统本身运行的要求， 对于所处理的问题都要求有科学合理的解 释。同时由于电力系统结构的复杂性，相应的神经网络的构建也比较困难。正因为 这样，它在电力系统故障诊断中的应用还处于理论探索阶段。 1 . 2 . 3 p e t r i 网 文献 9 以 及文献 2 7 是p e t r i 网在电力系统故障诊断中应用的研究。p e t r i 网是 一种用图形表示的组合模型，它以研究系统的组织结构和动态行为为目 标， 着眼于 系统中可能发生的各种变化和变化间的关系。电网中保护系统反应于故障，并有选 择地切除故障的过程正好属于系统同时发生或活动范畴， p e t r i 网可以很好的表示这 种离散事件动态行为的强有力的建模和分析工具。但是 p e t r i 网在构建网络模型的 时候需要生成很多的节点，对于复杂的电力系统它在模型构建上比较困难。 1 .2 .4优化技术 优化技术是一种基于数学模型的求解方法。其基本思想是首先将电力系统故障 诊断描述为优化问题， 之后用优化方法求解。目 前优化技术用于故障诊断主要是建 立诊断的解析模型， 最终都归结为无约束0 -1 整数规划问题， 并分别采用b o l t a m a n n 机，遗传算法和 t a b u搜索方法求解。上述这些方法从优化的角度出发基本_ l 可以 解决故障诊断问题，尤其是在复杂故障或存在保护，断路器误动作的情况下，能够 给出全局最优或局部最优的多个可能的诊断结果。 但是如何建立合理的电网故障诊 断数学模型是使用优化技术的主要瓶颈。文献 1 0 - 1 3 1 及文献 2 8 都是相关的研究成 果。 1 .2 . 5粗糙集理论 近年来 ，z .p a w l a k教授等人提出了 采 用粗糙 集理论( r o u g h s e t s t h r o e y ) 研究 不完 整数据、 不精确知识的表达、 学习和归纳等方法。 这种方法与概率统计方法处理不 确定问题和模糊集理论处理不精确数据的方法都不相同。 所谓粗糙集方法， 是研究基 于一个( 或一组) 机构关于一些事实和它分辨某些特点、 过程和对象等的能力的知识， 该方法以对观察和测量所得数据进行分类的能力为基础。 粗糙集理论在许多应用领 域得到发展并用来处理不完整数据和不精确、不确定问题。如在医疗数据分析、振 华北电力大学硕十学位论文 它适合于各种无法用数学模型表示的问题， 可以处理很多无法直接用常规方法所处 理的问题;因此近年来它大量应用于有关模式识别和各种非线性处理的问题解决 文献 7 - 8 1 以及文献 2 4 - 2 6 1 都对神经网络在电力系统故障诊断中应用的研究。 但是由于神经网络解决问题的本身的黑箱性质， 它对所解决的问题难于给出清晰 的解释，由于电力系统本身运行的要求， 对于所处理的问题都要求有科学合理的解 释。同时由于电力系统结构的复杂性，相应的神经网络的构建也比较困难。正因为 这样，它在电力系统故障诊断中的应用还处于理论探索阶段。 1 . 2 . 3 p e t r i 网 文献 9 以 及文献 2 7 是p e t r i 网在电力系统故障诊断中应用的研究。p e t r i 网是 一种用图形表示的组合模型，它以研究系统的组织结构和动态行为为目 标， 着眼于 系统中可能发生的各种变化和变化间的关系。电网中保护系统反应于故障，并有选 择地切除故障的过程正好属于系统同时发生或活动范畴， p e t r i 网可以很好的表示这 种离散事件动态行为的强有力的建模和分析工具。但是 p e t r i 网在构建网络模型的 时候需要生成很多的节点，对于复杂的电力系统它在模型构建上比较困难。 1 .2 .4优化技术 优化技术是一种基于数学模型的求解方法。其基本思想是首先将电力系统故障 诊断描述为优化问题， 之后用优化方法求解。目 前优化技术用于故障诊断主要是建 立诊断的解析模型， 最终都归结为无约束0 -1 整数规划问题， 并分别采用b o l t a m a n n 机，遗传算法和 t a b u搜索方法求解。上述这些方法从优化的角度出发基本_ l 可以 解决故障诊断问题，尤其是在复杂故障或存在保护，断路器误动作的情况下，能够 给出全局最优或局部最优的多个可能的诊断结果。 但是如何建立合理的电网故障诊 断数学模型是使用优化技术的主要瓶颈。文献 1 0 - 1 3 1 及文献 2 8 都是相关的研究成 果。 1 .2 . 5粗糙集理论 近年来 ，z .p a w l a k教授等人提出了 采 用粗糙 集理论( r o u g h s e t s t h r o e y ) 研究 不完 整数据、 不精确知识的表达、 学习和归纳等方法。 这种方法与概率统计方法处理不 确定问题和模糊集理论处理不精确数据的方法都不相同。 所谓粗糙集方法， 是研究基 于一个( 或一组) 机构关于一些事实和它分辨某些特点、 过程和对象等的能力的知识， 该方法以对观察和测量所得数据进行分类的能力为基础。 粗糙集理论在许多应用领 域得到发展并用来处理不完整数据和不精确、不确定问题。如在医疗数据分析、振 华北电力大学硕士学位论文 动分析和语言识别等领域都已取得了丰硕的成果。 文献 1 4 将粗糙集应用与 电力 系统故障诊断中，它将电力系统的故障诊断用一个模式分类问题来描述，基本思想 是把保护和断路器的动作信息作为对故障分类的条件属性， 考虑各种可能发生的故 障情况并建立决策表( 类似于 a n n故障诊断的训练样本集)， 删除多余属性后抽取出 v断规则。 1 . 2 . 6 模糊集理论 文献 1 5 以 及文献 2 9 - 3 0 将模糊集理论和专家系统结合使用来进行电力系统故 障诊断。 模糊集理论最早起源于美国， 它是6 0 年代中期， 由美国加州大学柏克莱分校 的控制论专家 l . a .z .a d e h . 教授在 “ i n f o r m a t i o n a n d c o n t r o l ”上提出来的， 其论文 f u z z y s e t s ” 为模糊数学的产生和发展奠定了基础。 这一开创性的工作不仅拓广了 普通数学的基础， 而且提高了数学理论在技术科学中的实用性。 自模糊集理论创立以来， 逐渐得到了发展和完善， 其应用成果也产生了巨大的经 济效益， 它适合于那些难于定量描述的问题的求解。 但是由于隶属度的获取， 复杂系 统的模糊模型的建立、 辨识， 语言规则的获取、 遗忘、 修改等理论和方法还不够完善， 使其在应用过程中遇到了较大的阻力。目 前许多学者正探索模糊集理论与人工智能 中的专家系统、神经网络等相结合的方法， 来解决这些困难， 同时也促进了模糊集理 论的发展。 1 . 3 本文所做的主要工作 专家系统( e x p e r t s y s t e m ) 是人工智能一个重要的分支，也是在工程上用得较 多的一种比较成熟的方法。 在故障诊断中，其基本思想是让计算机能够有效利用知 识， 根据人类专家水平去解决难以用精确数字模型表示的故障诊断问题。 虽然专家 系统知识获取一直是其瓶颈， 但是考虑到电网故障诊断的数据采集到的是s c a d a 遥 信信息，遥信信息本身就是人工定义和解释，知识库的构建可以伴随e m s 平台的生 成同步进行，同时由于专家系统是目 前为止最成熟的研究方法，本文依然以专家系 统为基础进行分析。 本文所做的工作归纳起来为以下几点: ( 1 ) 结合兰州地区电网调度自 动化系统的实际条件， 阐述电网故障诊断系统实用 化的难点，提出对电网故障诊断系统的要求。 ( 2 ) 在e m s 公用数据基础上， 混合利用多 种技术表示故障诊断知识。 采用面向 对 象技术和动态拓扑分析方法， 描述用于电网故障诊断的拓扑知识; 采用产生式表示法， 描述故障诊断规则;基于继电保护配置和运行规程，设计保护属性知识库。其特点 华北电力大学硕士学位论文 动分析和语言识别等领域都已取得了丰硕的成果。 文献 1 4 将粗糙集应用与 电力 系统故障诊断中，它将电力系统的故障诊断用一个模式分类问题来描述，基本思想 是把保护和断路器的动作信息作为对故障分类的条件属性， 考虑各种可能发生的故 障情况并建立决策表( 类似于 a n n故障诊断的训练样本集)， 删除多余属性后抽取出 v断规则。 1 . 2 . 6 模糊集理论 文献 1 5 以 及文献 2 9 - 3 0 将模糊集理论和专家系统结合使用来进行电力系统故 障诊断。 模糊集理论最早起源于美国， 它是6 0 年代中期， 由美国加州大学柏克莱分校 的控制论专家 l . a .z .a d e h . 教授在 “ i n f o r m a t i o n a n d c o n t r o l ”上提出来的， 其论文 f u z z y s e t s ” 为模糊数学的产生和发展奠定了基础。 这一开创性的工作不仅拓广了 普通数学的基础， 而且提高了数学理论在技术科学中的实用性。 自模糊集理论创立以来， 逐渐得到了发展和完善， 其应用成果也产生了巨大的经 济效益， 它适合于那些难于定量描述的问题的求解。 但是由于隶属度的获取， 复杂系 统的模糊模型的建立、 辨识， 语言规则的获取、 遗忘、 修改等理论和方法还不够完善， 使其在应用过程中遇到了较大的阻力。目 前许多学者正探索模糊集理论与人工智能 中的专家系统、神经网络等相结合的方法， 来解决这些困难， 同时也促进了模糊集理 论的发展。 1 . 3 本文所做的主要工作 专家系统( e x p e r t s y s t e m ) 是人工智能一个重要的分支，也是在工程上用得较 多的一种比较成熟的方法。 在故障诊断中，其基本思想是让计算机能够有效利用知 识， 根据人类专家水平去解决难以用精确数字模型表示的故障诊断问题。 虽然专家 系统知识获取一直是其瓶颈， 但是考虑到电网故障诊断的数据采集到的是s c a d a 遥 信信息，遥信信息本身就是人工定义和解释，知识库的构建可以伴随e m s 平台的生 成同步进行，同时由于专家系统是目 前为止最成熟的研究方法，本文依然以专家系 统为基础进行分析。 本文所做的工作归纳起来为以下几点: ( 1 ) 结合兰州地区电网调度自 动化系统的实际条件， 阐述电网故障诊断系统实用 化的难点，提出对电网故障诊断系统的要求。 ( 2 ) 在e m s 公用数据基础上， 混合利用多 种技术表示故障诊断知识。 采用面向 对 象技术和动态拓扑分析方法， 描述用于电网故障诊断的拓扑知识; 采用产生式表示法， 描述故障诊断规则;基于继电保护配置和运行规程，设计保护属性知识库。其特点 华北电力大学硕士学位论文 动分析和语言识别等领域都已取得了丰硕的成果。 文献 1 4 将粗糙集应用与 电力 系统故障诊断中，它将电力系统的故障诊断用一个模式分类问题来描述，基本思想 是把保护和断路器的动作信息作为对故障分类的条件属性， 考虑各种可能发生的故 障情况并建立决策表( 类似于 a n n故障诊断的训练样本集)， 删除多余属性后抽取出 v断规则。 1 . 2 . 6 模糊集理论 文献 1 5 以 及文献 2 9 - 3 0 将模糊集理论和专家系统结合使用来进行电力系统故 障诊断。 模糊集理论最早起源于美国， 它是6 0 年代中期， 由美国加州大学柏克莱分校 的控制论专家 l . a .z .a d e h . 教授在 “ i n f o r m a t i o n a n d c o n t r o l ”上提出来的， 其论文 f u z z y s e t s ” 为模糊数学的产生和发展奠定了基础。 这一开创性的工作不仅拓广了 普通数学的基础， 而且提高了数学理论在技术科学中的实用性。 自模糊集理论创立以来， 逐渐得到了发展和完善， 其应用成果也产生了巨大的经 济效益， 它适合于那些难于定量描述的问题的求解。 但是由于隶属度的获取， 复杂系 统的模糊模型的建立、 辨识， 语言规则的获取、 遗忘、 修改等理论和方法还不够完善， 使其在应用过程中遇到了较大的阻力。目 前许多学者正探索模糊集理论与人工智能 中的专家系统、神经网络等相结合的方法， 来解决这些困难， 同时也促进了模糊集理 论的发展。 1 . 3 本文所做的主要工作 专家系统( e x p e r t s y s t e m ) 是人工智能一个重要的分支，也是在工程上用得较 多的一种比较成熟的方法。 在故障诊断中，其基本思想是让计算机能够有效利用知 识， 根据人类专家水平去解决难以用精确数字模型表示的故障诊断问题。 虽然专家 系统知识获取一直是其瓶颈， 但是考虑到电网故障诊断的数据采集到的是s c a d a 遥 信信息，遥信信息本身就是人工定义和解释，知识库的构建可以伴随e m s 平台的生 成同步进行，同时由于专家系统是目 前为止最成熟的研究方法，本文依然以专家系 统为基础进行分析。 本文所做的工作归纳起来为以下几点: ( 1 ) 结合兰州地区电网调度自 动化系统的实际条件， 阐述电网故障诊断系统实用 化的难点，提出对电网故障诊断系统的要求。 ( 2 ) 在e m s 公用数据基础上， 混合利用多 种技术表示故障诊断知识。 采用面向 对 象技术和动态拓扑分析方法， 描述用于电网故障诊断的拓扑知识; 采用产生式表示法， 描述故障诊断规则;基于继电保护配置和运行规程，设计保护属性知识库。其特点 华北电力大学硕士学位论文 是既能描述模糊的s c a d a 遥信信息，又能描述详细的故障信息系统的保护信息，并 且使用户维护系统数据库的工作量最小。 ( 3 )设计一种正反向推理机制，通过分析故障设备、保护动作和开关动作之间 的因一 果联系，实现诊断故障设备、评价开关和保护的动作行为等任务，完整分析 和解释故障过程。 ( 4 )以兰州地调东环网的实际数据进行测试，结论符合实际。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 地区电网故障诊断系统的实用化所面临的主要的问题 2 . 1地区电网故障诊断系统目 前在生产实践中的应用情况 目前在地调这一级，在实际投入使用的e m s中，很少具有电网故障诊断功能， 基本不能实用化。影响它在现场中得到应用的主要因素是故障信息的提取。由于传 统的s c a d a 信息不能完全反应电网的故障信息， 而故障信息系统还未得到大规模的 应用， 这就使得地区电网故障诊断系统在设计的时候必须考虑到故障信息的不确定 性， 考虑到电力系统运行对安全性的高要求，要求故障以后必须提供明确的有价值 的结果，这无疑影响到故障诊断系统在电网运行中的实用化。 2 . 2地区电网故障诊断系统实用化所面临的主要的问题 2 . 2 . 1现阶段地区电网故障诊断系统的故障信息来源 地区电网故障诊断系统是属于 e m s的高级应用部分，它在调度端运行，运行于 现有的e m s 平台之上， 它的数据来源采自s c a d a 系统的遥信和专门的故障信息系统 的故障记录。 1 , s c a d a( 数据搜集和监控)是电力系统自 动化的最基本的功能。它的硬件系 统由:远程量测终端、传输通道和主站计算机构成，如图2 . 1 : 主站计算机 传输通道 远程量测终端 远程量测终端 开关位置节点 保护装置节点 保护装置节点 图 2 . 1 开关位置节点 保护装置节点 保护装置节点 s c a d a主要采集三种量:状态量、量测量和电量量。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 地区电网故障诊断系统的实用化所面临的主要的问题 2 . 1地区电网故障诊断系统目 前在生产实践中的应用情况 目前在地调这一级，在实际投入使用的e m s中，很少具有电网故障诊断功能， 基本不能实用化。影响它在现场中得到应用的主要因素是故障信息的提取。由于传 统的s c a d a 信息不能完全反应电网的故障信息， 而故障信息系统还未得到大规模的 应用， 这就使得地区电网故障诊断系统在设计的时候必须考虑到故障信息的不确定 性， 考虑到电力系统运行对安全性的高要求，要求故障以后必须提供明确的有价值 的结果，这无疑影响到故障诊断系统在电网运行中的实用化。 2 . 2地区电网故障诊断系统实用化所面临的主要的问题 2 . 2 . 1现阶段地区电网故障诊断系统的故障信息来源 地区电网故障诊断系统是属于 e m s的高级应用部分，它在调度端运行，运行于 现有的e m s 平台之上， 它的数据来源采自s c a d a 系统的遥信和专门的故障信息系统 的故障记录。 1 , s c a d a( 数据搜集和监控)是电力系统自 动化的最基本的功能。它的硬件系 统由:远程量测终端、传输通道和主站计算机构成，如图2 . 1 : 主站计算机 传输通道 远程量测终端 远程量测终端 开关位置节点 保护装置节点 保护装置节点 图 2 . 1 开关位置节点 保护装置节点 保护装置节点 s c a d a主要采集三种量:状态量、量测量和电量量。 华北电力大学硕十学位论文 对于电网故障诊断系统来讲它所使用的是状态量， 而量测量和电量量无法反映 故障时候的暂态过程，诊断程序并不使用。 s c a d a系统的状态量，包括:断路器状态、隔离开关状态，各种保护和自动装 置信号以及其他的报警信号等，这些状态量由0 - 1 的二进制位表示。 通过0 - 1 的变 化表示各种运行设备的位置和发出的信号。一般表示为合一 分，以及动作一 复归。 2 .故障信息系统是近年来应用于电网的一种新的技术，它的提出就是为了提 高电网安全运行的调度系统信息化、智能化水平， 在电网发生故障时为调度提供实 时故障信息， 有效地快速恢复系统。 它的主要功能是: a将变电站内微机保护、自 动装置、故障录波器等输出的各种信息集中、 分类 处理， 以满足调度中心对电网正常运行及故障情况下各种信息的需求。 b 在调度中心侧， 具备保护设备管理及故障计算、整定计算、故障测距、录波 数据分析等故障综合分析处理功能， 实现继电保护运行、管理的网络化和自 动化。 故障信息系统所采集的信息主要包括:各种保护装置的动作信息， 各种保护装 置的保护报文，故障录波器的录波数据。 故障信息系统由主站系统和多个子站系统构成， 形成一个完整的分层、分布式 系统。其中子站系统负责监视、 采集站内各保护装置、自 动装置、直流系统以及故 障录波器的运行状态、告警信息、动作信息和相应的故障录波数据， 将获得的信息 根据优先级别和不同的使用对象， 经数据通道传送至当地监控系统、集控中心、地 调、省调、网调等主站; 主站系统将采集来的信息根据其应用范围， 交付不同的功能 模块进行处理， 并提交给相应的使用者( 各种应用模块) 。具体系统结构图2 . 2 公用电话线 图2 .2 主站系统的结构图如图2 . 3 华北电力大学硕士学位论文 调变no 防 k 网关w e b 服务 器 数据月 n 务器b 数据服 务 器a mmi 工 下 俏 站 b n i mi 工 f 俏 钻a 系统维扩 工们 垃 占 图 2 .3主站系统结 子站系统结构图如图2 . 4 : 图2 .4 子站系统结构图 以上三个图是关于故障信息系统构建的典型例子， 通过它们可以很清楚地看出 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 兰 丛 鱼 丝 登 巫 岁 竺 些 匕一 一 故障信息系统的各个组成部分的具体结构。 2 . 2 . 2 s c a d a 遥信信号和故障信息系统数据的差异 1 , s c a d a 系统采集的保护动作信息主要是提供给调度员监视保护装置的动作行为， 遥信描述的保护动作行为模糊，并不能完全满足故障后分析的需要。 ( 1 )遥信中的保护信息来自 保护装置的继电器触点，不能详细分辨保护的类型和 时间段 。 遥信信号采集的数据基本来自各个开关的辅助接点和保护装置的继电器接点。 由于保护装置公用一个或多个出口 接点，比如对于 1 1 0 k v l f p - 9 4 1 线路保护装置来 讲，所有的保护动作以后都经过一个 t j( 跳闸继电器)出口，对应的遥信信号: 1 1 0 k v 1 2 1 线路保护动作。 我们只能知道， 这个线路保护装置动作出口， 具体是零序 还是距离，是 工 段还是 1 1 段，就无法知道，这也就不能清楚地定位故障设备具体 是本线路还是下一级线路。 ( 2 ) s c a d a 系统中的遥测信息不能精确区分不同站的保护动作时间。 由于现阶段现场运行条件下很难进行全网内所有数据采集装置的g p s 对时，它 所记录的信号的时间性质受到影响， 对于同一个站的遥信信号可以区分其时间顺序 ( 其动作时间有集中的测控装置记录) 。但是对于不同站的遥信信号则不能反映其 时间顺序。 ( 3 ) s c a d a 系统不能记录故障的暂态过程。 这就意味着如果数据采集只有 s c a d a系统的话，不能得到有关故障性质的分析 结果，也就是有关的保护动作行为的分析只能依靠推理来得到， 还必须通过到人工 的现场故障录波数据的提取分析才能最终确定。 因此依据 e m s 平台传统的采集的数据不能反映电网故障的完整故障信息。对于 故障信息的搜集工作一直是由电网运行的多个单位协同完成的， 包括:调度员、变 电站运行人员、一次设备维护人员和二次设备维护人员。 在电网故障以后对于故障 的分析要依靠多个单位的人员通过现场数据的采集和分析以及分析结果的汇总报 告来给出最后的结果。 以前研究的故障诊断方法中，要求保护信息必须是详细的，s c a d a中的这种模 糊的保护信息是不能用的。 2 、故障信息系统可采集完整、详细的故障信息，并具备网络传输功能，但目前接 入故障信息系统的厂站数目较少，还不能大规模在电网推广使用。 故障信息系统实时地搜集各个保护装置和录波器装置的动作行为，并在电网故 障以后迅速上送所采集的信息。 它和遥信的不同在于它直接通过分布在各个子站的 数据采集装置搜集微机保护装置和录波装置的各种信息， 包括自检信息、 保护事件、 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 兰 丛 鱼 丝 登 巫 岁 竺 些 匕一 一 故障信息系统的各个组成部分的具体结构。 2 . 2 . 2 s c a d a 遥信信号和故障信息系统数据的差异 1 , s c a d a 系统采集的保护动作信息主要是提供给调度员监视保护装置的动作行为， 遥信描述的保护动作行为模糊，并不能完全满足故障后分析的需要。 ( 1 )遥信中的保护