（电力系统及其自动化专业论文）地区电网故障诊断系统中对错误信息辨识的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 原有的地区电网故障诊断系统已经在兰州和鄂尔多斯在线运行，经受了电网实 际故障的考验，得到了现场的好评。但是运行实践表明，现有的s c a d a e m s 系统上 送的数据中存在大量的虚假错误信息，这些信息造成故障诊断系统的错误启动，影 响了系统的使用效果。本文结合故障诊断系统的运行实际，对s c a d a e m s 上送数据 中的错误信息辨识做了初步研究。 在专家系统的基础上，按照电网二次系统的组成，本文对s c a d a e m s 数据库中 的故障信息、异常信息等遥信信息中包含的知识进行分类总结，并结合正向推理机 制对各类信息之间的关联关系进行推理，从而建立完备的电网二次系统。基于此电 网二次系统模型，以量测量的变化信息为辅助，实现对s c a d a e m s 上送信息的识错 功能。此模型与地区电网故障诊断系统相配合，在一定程度上弥补了故障诊断系统 无法识别误发信息的不足，提高了故障诊断的正确性。 关键词：故障诊断，专家系统，电网二次系统模型 a b s t r a c t t h eo r i g i n a lf a u l td i a g n o s i ss y s t e mf o rt h er e g i o n a lp o w e r 鲥dh a sb e e na l r e a d y a p p l i e di nl a n z h o ua n do r d o s ，w h i c hh a v eg o tt h r o u g ht h ea c t u a lf a u l ti nt h eg r i da n d g a i n e dg o o dr e p u t a t i o ni np r a c t i c e b u tt h eo p e r a t i o np r a c t i c es h o w st h a tt h e r ea r eal o t o f w r o n gi n f o r m a t i o ni nt h ed a t at r a n s m i t t e db yt h ee x i s t i n gs c a d a e m s ，w h i c hr e s u l t i nt h ei n a c c u r a t e s t a r t u po ff a u l td i a g n o s i ss y s t e ma n dh a v eab a di m p a c to nt h e a p p l i c a t i o ne f f e c t b a s e do nt h eo p e r a t i o np r a c t i c e s ，t h ew r o n g i n f o r m a t i o ni d e n t i f i c a t i o n i nt h ed a t at r a n s m i t t e db ys c a d a e m si ss t u d i e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h eg r i ds e c o n d a r ys y s t e m ，t h ek n o w l e d g ei n c l u d e di nf a u l ti n f o r m a t i o n , a b n o r m a li n f o r m a t i o na n ds t a t e c h a n g ei n f o r m a t i o ni ns c a d a e m sd a t a b a s ei sc l a s s i f i e d a n ds u m m e d u pb a s e do nt h ee x p e r ts y s t e m c o m b i n e dw i t hf o r w a r di n f e r e n c e ，t h er e l a t i o no f v a r i o u sd a t ai sa n a l y z e d ，s ot h a tac o m p l e t ep o w e rg r i ds e c o n d a r ys y s t e mm o d e li se s t a b l i s h e d b a s e do nt h es e c o n d a r ys y s t e mm o d e l a n da c c o m p a n i e db yv a r i a b l ei n f o r m a t i o no f m e a s u r e m e n t ，t h ew r o n gi n f o r m a t i o ni d e n t i f i c a t i o nc a nb er e a l i z e d w o r k i n gw i t ht h ef a u l t d i a g n o s i ss y s t e mf o rt h er e g i o n a lp o w e rg r i d ，t h et w om o d e l sc a n 触c hu pt h es h o r t a g eo f w r o n gi n f o r m a t i o ni d e n t i f i c a t i o ni nd i a g n o s i ss y s t e m ，s ot h a tt h ed i a g n o s i ss y s t e m s a c c u r a c yi si m p r o v e d d e n gg u o x i n ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h a od o n g m e i k e y w o r d s ：f a u l td i a g n o s i s ，e x p , ms y s t e m ，p o w e rg r i ds e c o n d a r ys y s t e mm o d e l t 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文地区电网故障诊断实用化研究与实 现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力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已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：期：型曩眵 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： 日期：竺堕：l 墨日期：圣! 查：! ：j 华北电力大学硕士学位论文 1 1 背景和意义 第一章绪论 电力系统的规模不断增大以及复杂性的不断提高，致使s c a d a e m s 采集的各站 ( 厂) 的实时数据规模也越来越大，加之故障时保护和断路器的拒动、误动以及信息 上传过程中的丢失、畸变等增加了调度员分析判断故障的难度。 电网故障诊断系统的研发，为调度员的决策提供了辅助依据。当电力系统发生 故障的时候，诊断系统根据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。这对系统进行故障后的快速恢复和减少国民经济的损失具有十分重 要的意义。 本文提及的“地区电网故障诊断系统 属于华北电力大学电力系统智能技术与 仿真研究所自主开发的“地区电网调度决策支持系统 的一部分。此诊断系统基于 东方电子d f 8 0 0 2 调度平台，根据来自s c a d a e m s 系统与故障信息系统两个数据源 的数据，应用专家系统人工智能技术，采用产生式的知识表示方法，利用分层式的 诊断思想，综合运用正向推理、反向推理、正向反向混合推理以及因果逻辑推理机 制，在电网发生故障时，对调度接收到的保护动作信息与断路器动作信息进行分析， 从而得出故障诊断结果，确定故障设备。 “地区电网故障诊断系统”已经实际应用在兰州、鄂尔多斯电网调度运行中， 获得了良好的效果。然而实际运行中，此系统也暴露出了一些实用上的不足，当出 现s c a d a e m s 误发故障信息的时候容易造成诊断程序误启动，进而容易得出错误的 故障诊断结果，反倒对调度运行人员的决策造成了干扰。分析起来，造成故障诊断 系统实用上的不足的原因有以下两类： ( 1 ) 外部原因：故障诊断系统接收到的s c a d a e m s 数据不十分精确，无法满 足精确诊断的要求。 从各变电站电厂等实际设备的运行情况看，s c a d a e m s 系统上送的数据并不百 分之百正确，存在大量的失真信息。调度侧主机接收到的保护动作信息误发的情况 很多，比如在兰州电网实际运行中，某个变电站频发“某主变差动保护动作 信息。 还有的时候上传的保护动作信息丢失，使得故障信息不全。故障信息的误发或丢失， 是影响故障诊断结果的一大原因。 ( 2 ) 内部原因：原有故障诊断系统建立的电网模型侧重于对电网故障的反应， 对于上送的遥信信息并未考虑进行辨识处理，建立的模型比较粗糙，故障诊断系统 本身不具有辨识s c a d a e m s 上传的错误信息的功能。 故障诊断系统利用接线分析建立了比较完善的电网一次系统模型，可是电网二 次系统的模型相对粗糙，只是利用保护出口动作信息与断路器变位信息建立了一个 华北电力大学硕士学位论文 相对简单的电网一次、二次系统对应模型，对大量的告警、闭锁以及复位等和故障 无直接关系的异常信息进行了舍弃。当故障诊断系统接收到的s c a d a e m s 故障信息 不存在错误时，通过对电网一次系统模型及简单的电网一次、二次系统对应模型关 系的推理，可以给出正确的故障诊断结果。然而当s c a d a e m s 上传的故障信息存在 错误时，由于无法辨识接收到的故障信息的真伪缺失，从而影响到故障诊断结果的 正确性。 举前例来说，地区电网故障诊断系统在兰州电网的实际运行中，某个变电站无 规律频发“某主变差动保护动作 信息，此时如果存在断路器动作信息，则故障诊 断程序判断同时存在保护出口动作信号和断路器动作信号，满足启动条件，就会造 成误启动。如果此时动作的断路器属于此误发保护信息的变电站，则诊断程序更会 给出一个诊断结果，此时的诊断结果显然是错误的。 外因和内因的共同存在，导致地区电网故障诊断系统存在误启动的现象，甚至 给出失真的诊断结果，有时候达不到现场的需求，反而对调度员的决策操作造成了 干扰。 对于外部原因，并不能保证百分之百消除，现场检修人员除了尽量降低设备、 通道等的故障率，降低环境对装置的影响外，并没有额外的办法。所以我们只能由 地区电网故障诊断系统的自身出发，尽可能解决系统本身的不足，通过建立相对完 整的电网二次系统模型来实现地区电网故障诊断系统对s c a d a e m s 上送的错误信息 的辨识功能，从而提高诊断结果的正确率。 本文针对地区电网故障诊断系统自身存在的不足，在专家系统的基础上，通过 对s c a d a e m s 能够采集到的各类故障信息进行进一步的分类汇总研究，提出建立一 个比较完整的电网二次系统模型的概念。基于此完备的二次系统模型，与地区电网 故障诊断系统中原有的模型相配合，对接收的各种信息进行过滤匹配筛选，从而实 现错误信息的辨识功能。考虑到量测量信息是电气设备运行状态的反映，我们把量 测量信息的变化作为对错误信息进行辨识推理的辅助判断。完备的电网二次系统模 型与量测量信息相配合，可以在一定程度上弥补原诊断系统无法识别错误信息的不 足。这对更好地为调度员提供准确的辅助决策支持有重要的意义。 1 2 国内外研究现状 本文研究的是地区电网故障诊断系统的错误信息辨识方法，必然和故障诊断的 方法相配合。而国内外文献对电网故障诊断中错误信息进行处理的方法也都和故障 诊断方法一起考虑，故先对故障诊断的方法做一个简介，然后再讨论识别处理诊断 中碰到的错误信息的方法。 1 2 1 故障诊断方法 2 华北电力大学硕士学位论文 故障诊断从不同的角度出发有多种故障诊断分类方法，这些方法各有特点，总 体概括的分为两大类：基于数学模型的故障诊断方法和基于人工智能n 一们的故障诊 断方法。 基于数学模型的故障诊断方法是在建立被诊断系统网络拓扑结构模型的基础 上，根据发生故障时，系统结构和参数变化，导致系统潮流的变化，进而根据潮流 计算的变化判断出故障。然而通过s c a d a e m s 获取的潮流值都是有效值，并不是瞬 时值，故用潮流来判断故障，并不能保证诊断的准确性，难以达到理想的效果。而 基于人工智能的故障诊断方法，适宜对难以用数学模型分析和求解问题的研究。 目前，用于电网故障诊断的人工智能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，粗糙集理论、模糊逻辑，p e t r i 网络和遗传算法等。以下对 这几种方法做个简介。 ( 1 ) 专家系统n 咄“1 ( e s ) 专家系统用于解决故障诊断中，主要有基于规则系统、基于模型系统和基于逻 辑系统。 基于规则系统：在采用基于规则系统的电网故障诊断专家系统中保护、断路器 的动作逻辑及运行人员的诊断经验通过规则表示出来，形成故障诊断知识库，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。 基于模型系统：在电网故障诊断中，采用各种定性模型( 尤其是物理模型) 来 设计专家系统，其优点是提供了对深层知识及推理的描述功能，从而提高了专家系 统的问题求解与解释能力。具体来讲，模型库中需建立线路、变压器、母线等一次 设备和保护装置的物理关系模型。当系统发生故障时，专家系统将接收到一系列来 源于保护装置、s c a d a e m s 或故障录波器的报警和事件信息，专家系统将在模型库 中进行模拟，以搜索出与所获得的报警或事件协调一致的故障原因。一般来说，电 网的物理模型是有限的，物理模型的完备性也易于验证。因此，相对于基于规则系 统，基于模型系统更容易做到完全描述问题领域，搜索方法更易于包括所有可能性。 基于逻辑系统：根据保护系统隔离故障的原理和逻辑进行推理的。系统中应表 达保护和一次设备的关系、主保护和各段后备保护的配合逻辑，以及重合闸原理等。 不但要表达保护系统正常工作的逻辑，还要表达保护、断路器在误动、拒动等情况 下的动作逻辑，以处理这些装置的不正确动作。在系统发生故障并接收到故障报警 或事件后，基于逻辑系统会根据故障征兆做出多种故障假设。对于每一种故障假设， 基于逻辑系统利用上述保护逻辑进行分析，把具有最高可信度的假设作为最可能的 故障诊断结论提供给用户。 然而，专家系统也存在一定的缺陷，现在的专家系统多结合其他方法来实现故 障诊断。 ( 2 ) 人工神经网络n 。4 1 0 j h 矧( a n n ) 3 华北电力大学硕士学位论文 人工神经网络在输电网络故障诊断中的应用主要在故障定位和故障类型识别 两个方面。 但是，人工神经网络在故障诊断的应用中也存在局限性：1 ) 对于有导师学习 的人工神经网络模型，具有较好的内插结果和相应的联想容错能力；但外推时误差 较大，难以保证解的准确度和容错性能：2 ) 系统结构发生变化，则有可能需要改 变人工神经网络的组成结构，或增加新的样本重新学习获得新知识；3 ) 人工神经 网络难以实现基于结构化知识的逻辑推理；4 ) 对运行人员来讲，人工神经网络的 工作过程是一个黑箱，缺乏解释能力，诊断结果不易于运行人员理解，并且大型输 电网络的人工神经网络故障诊断系统仍然有待于进一步研究。 ( 3 ) 粗糙集理论n 叫j2 ”t 卅别( r s ) 粗糙集理论突出优点是具有很强的定性分析能力，主要思想就是在保持分类能 力不变的前提下，通过知识约简，导出问题的决策或分类规则。它与统计方法、概 率方法以及模糊集合论方法不相同，它无需提供问题所需处理的数据集合之外的任 何先验信息，对问题的不确定的描述和处理是比较客观的。把粗糙集理论应用于电 力系统故障诊断，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，删除多余属性后抽取出诊断规则。 目前粗糙集理论多与其他方法结合用于故障诊断。 ( 4 ) 模糊集合理论n 。4 8 1 屯2 7 1 ( f s t ) 、在电力系统故障诊断系统中，根据具体知识表达或推理的需要引入模糊集合理 论，使得精确推理相应转换为近似推理，在一定程度上也提高了故障诊断系统的容 错性。 输电网络故障诊断的不确定性主要由保护或断路器误动、拒动及信道传输干扰 等因素造成的，对于要求严格匹配搜索的专家系统来说，很容易导致错误的结果， 或者产生不了推理结果。模糊集合理论在电力系统故障诊断的应用中分两类情况： 第一类认为诊断所依据的信息正确，但故障与对应的动作保护装置和断路器状态之 间存在不确定的关联关系，用模糊隶属度来对这种可能性进行描述的度量；另一类 则是认为诊断所依据的报警信息的可信度不为1 ，而根据系统网络拓扑与故障所发 生动作保护、断路器状态赋予报警信息的可信度，再由专家系统或人工神经网络给 出故障诊断结果的模糊输出。 模糊集合理论也存在一些固有的缺陷：1 ) 隶属函数须在足够经验和实验的基 础上，有效地建立隶属函数；2 ) 研究诊断系统的结构、设备或自动装置的配置发 生变化时，与之有关的模糊知识库或规则的模糊度也要相应的修改，即也存在可维 护性问题；3 ) 电力系统故障诊断的不确定性情况是多种多样的，取决于系统中硬件 装置的可靠性，以及实时信息的可信度等因素；4 ) 模糊系统也不具备学习能力。 ( 5 ) 遗传算法n 卜培1 ( g a ) 4 华北电力大学硕士学位论文 遗传算法从优化的角度出发基本上可以解决故障诊断问题，尤其是在复故障或 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。但是建立合理的输电网络故障诊断数学模型是使用遗传算法的主要“瓶 颈 ，并且在信息发生畸变，出现复杂的故障模式的时候，也难以保证诊断结果的 可靠性。 ( 6 ) p e t r i 网络n 9 。列 p e t r i 网络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。输电网络中各级、 各类保护系统反应于故障，并有选择地切除故障的过程正属于系统同时发生或次序 发生的活动的范畴，适于用p e t r i 网络来描述。对大规模电网基于p e t r i 网模型建 模时，因设备增加和网络扩大会出现状态的组合爆炸，且基本的p e t r i 网不能描述 时间特征要求高的行为特征，并且它的容错能力也是有限的。 1 2 2 故障诊断中对错误信息的处理 通过以上分析可知，每种技术都有其优缺点。然而其共同之处，现阶段不论哪 种电网故障诊断方法，都是基于s c a d a e m s 上传的各类测量信息，包括数字量信息 ( 如保护出口动作信息、断路器动作信息等) 、模拟量信息( 如母线电压、出线电 流等) ，通过对电网发生故障时上传的各类信息进行分析甄别，快速划分故障区域， 确定故障设备，给出诊断结果。 然而由于电磁干扰、接触不良、远动通道误码等各种现场实际运行存在的问题， s c a d a e m s 上传的测量信息存在误发、丢失等情况，测量信息的不确定性使得电网 故障诊断结果出现偏差。针对各种诊断方法都会遇到的不良信息，即保护出口动作 和断路器动作的可靠性，以及调度中心中收到的保护出口动作和断路器动作信息的 正确性和未收到的故障信息实际出现的可能性，有以下几种计及容错的信息处理方 法。 ( 1 ) 考虑到报警或故障信息的时间特性的处理方法口4 。3 刀 文献 3 8 利用事件发生的上下文逻辑关系对实时信息进行纠正；文献 3 6 则以 外展推理和简洁覆盖集理论为基础采用时间图表示元件故障和报警信息的特征关 系，构造能够处理报警信息特征的故障诊断解释模型，并将其描述为优化问题进行 求解。文献 3 5 考虑到故障情况下s o e ( 事件序列) 的时空特性，研究了用于电力 系统事件序列数据挖掘的故障诊断模型，采用动态规划算法完成相似性的最优代价 运算，从而把故障诊断问题的求解转化为寻找与实时故障事件序列模式最相似的、 最优代价运算的原型标准故障事件序列模式，可纠正s o e 中的变异事件，得到高的 容错性能。 ( 2 ) 基于粗糙集理论的数据挖掘方法陟矧 s 华北电力大学硕士学位论文 基于粗糙集理论的继电保护故障信息的数据挖掘实际上是利用粗糙集理论对 故障信息样本集进行知识约简的过程( 见图1 1 ) ，即以决策表作为主要工具直接 从故障样本集中导出诊断规则，并揭示故障信息内在冗余性，通过避开丢失的或错 误的警报来处理不完备警报信息。 继1 窦 靛 譬 。息 r 囤一囤 i 囤_ 国 l 臣圃_ 臣堕习 图1 1 基于粗糙集的数据挖掘算法知识发现过程图 然而使用此种方法，当丢失或出错的故障信息不是关键信息时不会影响诊断结 果，但是当丢失或出错的故障信息是关键信息时诊断结果会受到影响。 ( 3 ) 遥测和遥信互相配合的方法口8 。删 参考关于配电网故障诊断的方法故障信息不足时配电网故障定位的方法中 提到的利用电流的连续性作为故障定位的新判据，即以故障电流是否连续为故障定 位的判据，故障电流非连续的区域就是故障区域，并用故障判定矩阵进行故障定位。 还可以利用基尔霍夫定律，计算各子系统内部电流之和以及功率变化，配合报警信 息综合判断，既可有效解决故障信息误发的问题。 ( 4 ) 多种人工智能方法的结合乜h 2 7 1 文献 2 1 3 把模糊理论与p e t r i 网方法结合建立了模糊p e t r i 网，利用模糊理论 处理不确定、不完整信息的优势，使得p e t r i 网建模诊断的准确率得到了提高。文 献 4 1 提出了基于粗糙集理论和朴素贝叶斯网络的电网故障诊断方法，贝叶斯网络 是一种对概率关系的有向图解描述，使用概率理论来处理在描述不同知识成分之间 的条件相关而产生的不确定性，适用于不确定性和不完备对象，先利用粗糙集进行 属性约简，分析故障信息的冗余性，提取关键属性，然后利用贝叶斯网络的柔性推 理得出诊断结果，可提高系统在缺失关键警报信息情况下的容错性。 ( 5 ) 其他方法h 2 文献 4 2 介绍了一种实现故障信息数据滤波的方法，该方法将s c a d a 系统采集 的数据作为数据基，建立动态数据库，以时间为索引，运行方式状态为参照知识库， 生成剔除了不良信息的、可用以进行故障识别的动态数据链。电力系统元件状态动 态数据库是进行滤波的重要数据基；此外，动作时间是进行判断的另一重要依据。 6 华北电力大学硕士学位论文 1 3 本文所做的工作 针对“地区电网故障诊断系统 接收的s c a d a e m s 上送的错误信息，本文提出 了对信息进行辨识滤错的方法。基于专家系统的人工智能技术，本文对s c a d a e m s 采集到的各类故障信息进行进一步的分类汇总，通过对原“地区电网故障诊断系统 舍弃不用的大量的告警、闭锁等异常信息的进一步研究，提出了一种基于故障信息、 异常信息以及相互之间的关系的电网二次系统模型。利用此二次系统模型与原地区 电网故障诊断系统相配合，并且引入了量测量的变化信息，对接收的s c a d a e m s 上 送信息进行过滤匹配筛选，确定信息的真伪，从而提高地区电网故障诊断系统的诊 断正确率。 归纳起来可分为以下几点： ( 1 ) 电网二次系统完备模型的提出及建立。通过对s c a d a e m s 系统上送的遥 信信息的充分利用，采用专家系统的智能方法，建立起一个完整的电网二次系统模 、，、h 型。 ( 2 ) 基于完备的电网二次系统模型，以s c a d a e m s 数据库中的量测量信息作 为辅助手段，实现错误信息辨识的功能。 ( 3 ) 对原“地区电网故障诊断系统”的信息采样及启动方式进行了修改，使 得错误信息辨识功能模块得以实现0 在此基础上，开发了应用于齐齐哈尔电网运行 辅助指导系统中的故障诊断部分软件，使得故障诊断系统具有一定的错误信息辨识 能力，增强了系统的抗干扰性能。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章故障诊断系统实践中遇到的数据问题 本章对地区电网故障诊断系统做了一个介绍，并对故障诊断系统在实用中暴露 的问题做了一个分析。 2 1 故障诊断系统概述 现有地区电网故障诊断系统h 3 1 以专家系统为基础进行分析，采用静态知识表示 方法来描述s c a d a 系统与故障信息系统的保护信息与对应开关以及保护设备之间的 属性关系，采用动态知识表示方法来描述由于故障发生而动态变化的电网结构，并 在分层诊断思想的基础上，综合利用了正向推理、反向推理以及正向反向混合推理 以及因果逻辑的推理机制，从而确定故障区域，得到故障设备。 地区电网故障诊断系统的总体结构如下图所示： 动。 图2 1 电网故障诊断总体结构 本系统主要具有以下功能： ( 1 ) 故障诊断程序可以根据主站接收的实时报警信息自动触发启动或手动启 ( 2 ) 由故障诊断启动时可分为实时态和研究态。 ( 3 ) 较精确诊断电网中发生短路故障的元件及故障性质。 ( 4 ) 分析开关动作的原因，并评价开关动作是否正确。 ( 5 ) 分析保护动作的原因，并评价保护动作是否正确。 ( 6 ) 分析异常报警信息及其原因。 ( 7 ) 提供格式化的故障诊断报告。 ( 8 ) 提供电网故障诊断规则的维护界面。 8 华北电力大学硕士学位论文 ( 9 ) 保存故障诊断结果的历史记录。 ( 1 0 ) 与其它应用的数据接口：与故障信息系统接口，取得保护的实时和历史 信息；与s c a d a 系统接口，取得开关、刀闸状态和遥测量的实时和历史信息；与电 网故障恢复软件接口，输出诊断结果。 2 1 1 故障诊断系统的知识表示 2 1 1 1 静态知识表示 本系统采用框架表示法，用来将电气设备、电气设备连接的断路器、断路器对 应的保护出口动作信息三者之间的关联关系、对象结构和功能方面的属性以及运行 状态信息等表现出来。 故障诊断所需要的都是事故变位的保护动作信息，而对大量的告警、闭锁以及 复位等信息，比如“线路开关控制回路断线告警”，“3 5 0 0 母联开关s f 6 低气 压闭锁等诊断程序需要将其剔除掉，知识库中将只保留事故变位的保护出口动作 信息和对应的断路器信息。 框架“保护信息属性一遥信 用来描述保护出口动作信息与对应的保护设备。 框架“开关动作逻辑一遥信 用来描述保护出口动作信息对应的断路器。 对于备自投装置，框架“开关动作逻辑一遥信搭配了额外的属性配置一一备 自投属性。 2 1 1 2 动态知识表示 电网故障诊断所分析的故障数据为开关和保护动作的信息，通过对这些数据的 分析与判断来确定电气设备的故障情况。因此，电网故障诊断需要对开关，电气设 备，动作开关，故障电气设备以及它们之间的关联关系，做出动态的分析。分析电 网故障前和故障后的运行方式，确定电网结构由于故障而发生的变化，并由此得到 故障区域，最终定位到故障设备。 对于电网一次设备的知识表示，本系统采用产生式的知识表示方法和面向对象 表示法，通过结线分析，确定失电区域以及电源点，动态的建立电气设备与开关之 间的联系。主要分析的是故障相关区域内电气设备的连接关系的变化情况。本系统 通过两个类来实现电网结构的知识表示： d e v i c e w c 0 类用来表示电气设备和断路器的动态连接关系。 a c t b r e a k 0 类用来记录断路器的动作逻辑。 ， 对于电网一、二次设备动作逻辑的知识表示，本系统采用面向对象的知识表示 方法对这种关联关系进行表达，利用程序中所构建的一次和二次设备的类的属性来 直接联系存储在静态数据库中的一次二次设备的动作逻辑关系。通过d e v i c e w c ( ) 、 9 华北电力大学硕士学位论文 a c t b r e a k0 和p r o a c t i n f ( ) 类中的相关属性对应关系来描述这种断路器动作信息与 保护出口动作信息的对应关系。 p r o a c t i n f ( ) 类定义了当前保护出口动作信息与对应的断路器动作信息。 2 1 2 故障诊断系统的推理机制 地区电网故障诊断系统核心结构，如图2 2 ： 皱障诊断棋块调度 illlilli 网络 报警正向 开关缣护蔺簟瓮疑生成 故障 捂扑分粪争箧理 故障 诊断 和瓣敛随 绚作动作锻障 报告 分析i 应区 评价释份判断 判断 l i ll ili 一板豫渗断内餐数据 囟离南 图2 2 电网故障诊断核心程序结构 以往对电网故障诊断的研究中，比较普遍地采用分层诊断思想，即利用开关信 息、保护信息以及故障录波信息进行不同层次的、不同复杂程度的电网设备的故障 诊断。考虑到故障录波信息的实时性较差，很难满足在线情况下对故障诊断的要求， 另外由于现场的一些原因，目前故障录波信息在多数情况下无法主动上传到主站， 因此，本系统对于故障录波信息暂时不做考虑。 在分层诊断思想的基础上，本系统又引入了因果逻辑的推理机制，这不但继承 了分层诊断的优点，而且通过因果逻辑推理的应用，使对故障设备的判断更加准确、 可靠，而且实时性与实用性较强。推理的策略则采用了正向推理、反向推理与正反 向混合推理相结合的方法。 首先，针对保护动作信息进行分层。将大量的闭锁、告警、复位等对故障分析 “无用 的信息滤除，再将重复的信息剔除，这样只剩下故障诊断所需要的事故变 位的保护动作信息。 其次，针对开关动作信息进行分层。由动作开关，通过拓扑分析，正向推理故 障区域，得到故障后的所有失电子系统，将这个区域内的所有电气设备作为可疑的 故障设备。将保护与开关的变位信息进行逻辑的推导匹配，并对保护、开关动作行 1 0 华北电力大学硕士学位论文 为做出评价。 最后，综合保护、开关动作信息，结合因果逻辑，再进行简单故障推理与复杂 故障推理。对于复杂故障推理则结合反向推理策略，遍历所有的可疑故障设备，分 别假设其故障，按照错误动作元件数目从小到大进行排序，将最可能的故障设备确 定为故障设备。 程序流程如图2 3 ： 图2 3 地区电网故障诊断系统流程图 2 1 3 故障诊断系统的启动逻辑 程序流程的报文截取部分，采用了最长时长为3 0 秒的可变数据采集窗口，以 完整有效捕捉电网中的故障事件。自动实时截取本次到达报文中的开关变位与保护 变位的事件信息，并将其保存到临时缓存中，同时保存故障前的状态估计数据。如 果报文的临时缓存不为空，且允许启动报警分析，则启动报警分析程序。 1 1 华北电力大学硕士学位论文 报警分析程序，将上传的信息分为两类：保护信息与开关信息。只有保护动作 信息或只有开关变位的信息，并不自动触发诊断程序的核心模块，只有在满足同一 厂站内既有保护的动作信息，又有断路器变位的信息时，才自动触发诊断的核心部 分，进行故障诊断。考虑到系统运行的实时性要求，报警分析程序不进行大量的分 析计算， 2 2e m s 错误信息干扰诊断系统的正常运行 2 2 1 故障诊断系统的实际运行状况 本系统在现场基本运行良好，能够得出合理的诊断结果，然而依然暴露出一些 实践中存在的问题。最突出的就是s c a d a e m s 上送的数据并不是百分之百准确，地 区电网故障诊断系统对这种情况并未考虑，对于夹杂其中的大量虚假错误信息，故 障诊断系统无法识别，把错误的信息当作正确的信息进行分析处理，这使得诊断程 序存在误启动的情况，进而导致错误的诊断结果。 以在兰州电网的实际运行为例，通过对2 0 0 6 年1 月至2 0 0 6 年9 月近1 0 个月 的统计分析，总计有3 2 次系统启动情况，事后分析正确启动的情况1 8 次，误启动 的情况1 4 次。其中某个变电站无规律频发“l # 主变差动保护动作一信息，导致诊 断程序的多次误启动。 由于地区电网故障诊断系统在获取利用s c a d a e m s 上送的数据进行建模推理 时，并未考虑错误信息存在的可能性，因而无法对其进行正确处理。如何弥补系统 无法处理错误信息的不足，从以下两方面原因进行分析。 2 2 2 问题存在的原因 2 2 2 1e m s 错误信息产生的原因 地区电网故障诊断系统根据s c a d a e m s 上送的故障数据进行分析诊断。数据收 集系统s c a d a 的硬件组成主要包括：现场远方量测终端( r t u ) 、传输通道和主站 计算机三大部分。以图2 4 为例，用来说明s c a d a 量测量数据采集流程，左侧为一 次系统，右侧为二次系统，数据采集流程如下： ( 1 ) 发电厂变电站中通过电压互感器和电流互感器采集电气量。 ( 2 ) 利用变送器将互感器采集到的电气量转化成微小的直流电压信号。 ( 3 ) 在远方终端( r t u ) 中经过多路采样、模数转换、抗干扰编码形成待传送 的数字信号，然后将其调制在信息载体上，调制方式一般为调幅、调频和调相等。 ( 4 ) 传输信道完成信号处理、发送与接收。 ( 5 ) 在主站计算机中，解调后的信息经智能接口进行串并转换和译码处理； 1 2 华北电力大学硕士学位论文 前置机对信息进行刻度转换及初检测；主机确认其可用性后送入数据库。 ( 6 ) 计算机通过模拟盘和彩色显示器将现场量测量和状态量提供给调度员， 以实现调度员对一次系统的监视与控制。 传赣倍道 咱 常 输f 媒 镭 图2 4s c a d a 数据流程示意图 由以上分析可见，现场的实际数据由采集到显示给调度员，总共有六步流程， 这六步流程中的任何一个装置出现异常，都会导致调度员接收到的数据信息错误。 而从数据采集的流程和各变电站电厂等实际设备的运行情况看，由于不可避免的 设备、环境等因素，比如触点抖动、接触不良、电磁干扰、交流电串入遥信回路、 远动通道误码及前置机、后台机处理出错等，导致错误信息的产生很难避免。 与这些装置相关的异常信息，绝大部分都属于电网二次系统报警信息，一般在 s c a d a e m s 数据库中都有所体现。 2 2 2 2 系统建模及推理完备度不够 由地区电网故障诊断系统概述可知，诊断系统利用s c a d a e m s 数据库中电气设 备与断路器的动态连接关系，通过接线分析建立了比较完备的电网一次系统模型； 利用保护出口动作信息与断路器变位信息的对应关系，建立了简单的电网二次系统 模型。 由于地区电网故障诊断系统的设计以电网故障为核心，同时出于在线运行的实 时性考虑，因此主要利用了s c a d a e m s 系统上送的保护动作信息和断路器动作信息， 而对s c a d a e m s 数据库中大量的告警、闭锁等装置异常信息未加以利用而舍去，同 1 3 华北电力大学硕士学位论文 样舍弃的还有量测量信息。对s c a d a e m s 数据库信息利用的不足，使得地区电网故 障诊断系统建立的电网二次系统模型不够完备。 而从故障诊断系统自身的推理机制来说，对建立的电网一次、二次系统模型进 行推理分析时，并未考虑错误信息存在的可能性，把接收到的一切s c a d a e m s 信息 都当作正确信息来处理。 电网二次系统模型完备度不够，量测量信息没有利用，导致的直接后果就是电 网故障诊断系统专家知识库的缺陷，大量的告警、闭锁等异常信息以及量测量信息 中包含的知识并没有在知识库有所体现；这部分知识的缺失加上推理机制的考虑不 足，当出现由于数据采集、转化、传输等装置异常而产生的错误信息时，诊断系统 无法进行识别，因而造成诊断系统的误启动，在模拟电力系统专家的决策过程中出 现偏差。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 第三章基于完备二次系统模型实现错误信息辨识 本章提出了建立电网二次系统模型的构想。通过对电网二次系统的分析，对 s c a d a e m s 上送的遥信信息加以充分分析利用，力图基于故障信息数据，建立一个 相对完备的电网二次系统模型。并基于各类信息之间的关系，对此模型进行推理， 实现故障诊断中的错误信息辨识功能。 3 1 电网二次系统模型定义 针对电网故障诊断中出现的错误信息，第一章介绍了不同的处理方法。在学习 这些方法的基础上，本文提出了利用s c a d a e m s 数据库中的信息建立完备的电网二 次系统模型，并基于此二次系统模型对错误信息进行辨识的方法。 那么应该如何定义一个完备的电网二次系统模型，进而实现错误信息辨识功能 呢? 从二次系统的组成及原理出发，不只是利用有限的保护出口动作信息与对应咝德妒 断路器动作信息，更利用s c a d a e m s 数据库中大量的告警、闭锁等异常信息，飞立也才屏 完备的电网二次系统模型巳通过分析二次系统的异常信息与一次设备及二次设备的 。 逻辑关系，在此逻辑关系的基础上，对二次系统模型进行推理，从而辨识s c a d a e m s 上送的错误信息。主要是判定保护出口动作信息和断路器动作信息的真伪。 ， 、 v 。、6 _ ，飞 3 2 电网二次系统介绍 作为电网二次系统模型的建模对象，下面对电网二次系统做一个分类说明。 二次设备是指一次系统状态测量、控制、监察和保护的设备装置。由这些设备 构成的回路叫二次回路，总称二次系统。二次系统的设备包含测量装置、控制装置、 继电保护装置、自动控制装置、直流系统及必要的附属设备。 二次回路的种类包括：测量、保护、控制与信号回路部分。测量回路包括：计 量测量与保护测量。控制回路包括：就地手动合分闸、防跳联锁、试验、互投联锁、 保护跳闸以及合分闸执行部分。信号回路包括开关运行状态信号、事故跳闸信号与 事故预告信号。 3 2 1 测量回路 测量回路分为电流回路与电压回路。电流回路各种设备串联于电流互感器二次 侧( 5 a ) ，电流互感器是将原边负荷电流统一变为5 a 测量电流。计量与保护分别用 各自的互感器( 计量用互感器精度要求高) ，计量测量串接于电流表以及电度表， 1 5 华北电力大学硕士学位论文 功率表与功率因数表电流端子。保护测量串接于保护继电器的电流端子。微机保护 一般将计量及保护集中于一体，分别有计量电流端子与保护电流端子。 3 2 2 控制回路 ( 1 ) 合分闸操作控制： 合分闸通过合分闸转换开关进行操作。 ( 2 ) 防跳回路： 当合闸回路出现故障时进行分闸，或短路事故未排除，又进行合闸( 误操作) ， 这时就会出现断路器反复合分闸，不仅容易引起或扩大事故，还会引起设备损坏或 人身事故，所以高压开关控制回路应设计防跳。 有些微机保护装置自己已具有防跳功能，这样就可以不再设计防跳回路。断路 器操作机构选用弹簧储能时，如果选用储能后可以进行一次合闸与分闸的弹簧储能 操作机构( 也有用于重合闸的储能后可以进行二次合闸与分闸的弹簧储能操作机 构) ，因为储能一般都要求1 0 秒左右，当储能开关经常处于断开位置时，储一次能， 合完之后，将储能开关再处于断开位置，可以跳一次闸；跳闸之后，要手动储能之 后才能进行合闸，此时，也可以不再设计防跳回路。 ( 3 ) 试验与互投联锁与控制： 对于手车开关柜，手车推出后要进行断路器合分闸试验，应设计合分闸试验按 钮。进线与母联断路，一般应根据要求进行互投联锁或控制。 ( 4 ) 保护跳闸： 保护跳闸出口经过连接片接于跳闸回路，连接片用于保护调试，或运行过程中 解除某些保护功能。 ( 5 ) 合分闸回路： 合分闸回路为经合分闸母线为操作机构提供电源，以及其控制回路。 3 2 3 信号回路 ( 1 ) 开关运行状态信号： 由合闸与分闸指示两个装于开关柜上的信号灯组成：经过操作转换开关不对应 接线后接到正电源上。采用微机保护后，转换开关取消了不对应接线，所以信号灯 正极可以直接接到正电源上。 ( 2 ) 事故信号： 有事故跳闸与事故预告两种信号。事故跳闸报警也要通过转化开关不对应后， 接到事故跳闸信号母线上，再引到中央信号系统。事故预告信号通过信号继电器接 点引到中央信号系统。采用微机保护后，将断路器操作机构辅助接点与信号继电器 的接点分别接到微机保护单元的开关量输入端子，需要有中央信号系统时，如果微 1 6 华北电力大学硕士学位论文 机保护单元可以提供事故跳闸与事故预告输出接点，可将其引到中央信号系统。否 则，应利用信号继电器的另一对接点引到中央信号系统。 ( 3 ) 中央信号系统： 安装于值班室内的集中报警系统，由事故跳闸与事故预告两套声光报警组成， 光报警用光字牌，不用信号灯，光字牌分集中与分散两种。采用变电站综合自动化 系统后，可以不再设计中央信号系统，或将其简化，只设计集中报警作为计算机报 警的后备报警。 3 2 4 继电保护 变配电站( 电厂) 继电保护能够在变配电站( 电厂) 运行过程中发生故障( 三 相短路、两相短路、单相接地等) 和出现不正常现象时( 过负荷、过电压、低电压、 低周波、瓦斯、超温、控制与测量回路断线等) ，迅速有选择性发出跳闸命令将故 障切除或发出报警，从而减少故障造成的停电范围和电气设备的损坏程度，保证电 力系统稳定运行。 继电保护按被保护对象分类： ( 1 ) 发电机保护： 发电机保护对应的故障有定子绕组相间短路，定子绕组接地，定子绕组匝间短 路，发电机外部短路，对称过负荷，定子绕组过电压，励磁回路一点及两点接地， 失磁故障等。出口方式为停机，解列，缩小故障影响范围和发出信号。 ( 2 ) 电力变压器保护： 电力变压器保护对应的故障有绕组及其引出线相间短路，中性点直接接地侧单 相短路，绕组匝间短路，外部短路引起的过电流，中性点直接接地电力网中外部接 地短路引起的过电流及中性点过电压、过负荷，油面降低，变压器温度升高，油箱 压力升高或冷却系统故障。 ( 3 ) 线路保护： 线路保护根据电压等级不同，电网中性点接