（电力系统及其自动化专业论文）基于电网故障信息管理系统的电网故障诊断的研究.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee x i t s i n gf a u l td i a g n o s i so fp o w e rs y s t e mb a s e do ns c a d a s y s t e mc a nn o tg i v es a t i s f a c t o r yr e s u l t b e c a u s ei tc a n ta t t a i ne n o u 西lb r e a ka n dr e l a ya l a r mm e s s a g ewh e nc o m p l e xf a u l to c c u r so ru n c e r t a i n f a c t o r sa p p e a r , s u c ha sm a l o p e r a t i o n 、m i s s o p e r a t i o na n dm i s s i n gm e s s a g e sb e c a u s eo f c h a n n e ld i s t u r b a n c e 。 a l o n gw i t ht h ee s t a b l i s h m e n to f t h ei n f o r m a t i o nn e t w o r kf o rp r o t e c t i v er e l a yi ng a n df a u l tr e c o r d e r s ，t h e p l e n t i f u lr a c o r d e df a u l td a t al a yaf o u n d a t i o nf o r 胁h e ra c c u r a t e l yd i a g n o s i so ft h ef a u l t s 。 a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n to p e r a t i n gs i t u a t i o n so f p o w e rs y s t e m sa n di t se v o l u t i o ni nt h ef u t u r e t h i sp a p e r p r e s e n tan e wa p p r o a c ht oc a r r yo u th i e r a r c h i c a lf a u l td i a g n o s i sb yu s i n gt h ec o l l e c t e dm e s s a g e sb a s e do n e x p e r ts y s t e ma n dg e n e t i ca l g o r i t h mi sp r o p o s e d 。p o w e rs y s t e mf a u l ti n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m c o l l e c t sr e l a ya l a r mm e s s a g e sa n dr e c o r d e df a u l td a t as p r e a d e do nw h e nf a u l th a p p e n 。t h e nf a u l td i a g n o s i s a s c e r t a i nt h ep o s s i b l ef a u l ta r e af i r s t ，s e c o n d ，d i a g n o s et h ef a u l te q u i p m e n tu s i n go p t i m a la l g o r i t h ma n di n t h el a s ta n a l y s et h eb e h a v i o ro f b r e a k sa n dr e l a y s 。f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e rm o d i f yt h eg o a lf u n c t i o nw h i c h i su s e di np r e v i o u so p t i m a la l g o r i t h mb yi n t r o d u c ec o n t r i b u t i o nf a c t o rs ot h a tt h er e s u l ti sm o r ea c c u r a t e 。 a f t e rs t u d y i n gt h ef u r t h e rd i a g n o s i so fc o m p l e xf a u l t sb yu s i n gt h er e c o r d e df a u l tm e s s a g e si no r d e rt o r e m e d yl i m i t a t i o no fd i a g n o s i su s i n gb r e a ka n dr e l a ya l a r mm e s s a g e s ，c o m p a r e dt oo t h e rf a u l td i a g n o s i s s y s t e m t h i sp a p e ri n f e rt h eb e h a v i o ro fb r e w sa n dr e l a y su s i n ge x p e r ts y s t e mw h i c hm a k et h ef a u l t d i a g n o s i ss y s t e mm o r ep e r f e c t 。 t h i sp a p e rd e v e l o p sf a u l td i a g n o s i ss y s t e mo f j i a n g s up o w e rs y s t e mb yu s i n gl a n g u a g ev i s u a lc + + 60 a n dd b 2p r o v i d i n go n l i n ed i a g n o s i s 、o f f i i n e d i a g n o s i s 、h i s t o r yi n f o r m a t i o nq u e r y 、r e p o r tp r i n t i n ga n d k n o w l e d g eo 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 ，c o n t r i b u t i o nf a c t o r ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，e x p e r ts y s t e m i i 东南大学学位论文 独创性声明及使用授权的说明 一、 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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。 二、 关于学位论文使用授权的说明 签名：猁日期一吨， 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分论文。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：导师签名日期：2 0 0 4 3 第一章绪论 第一宣绪论 1 1 电网故障诊断研究的目的和意义 现代电网的规模、容量和覆盖的范围越来越大，在国民经济和人民生活中占有重要的地位，冈 此故障停电将会给用户和社会造成重大的经济损失。例如在2 0 0 3 年，相继发生的“8 1 4 ”美加部分 地区大停电、意大利大停电阻及北京停电等事故不仅严重地影响了人民的正常生活，也造成了重大 的经济损失和严重的社会影响。随着我国电力市场的逐渐形成和发展，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、经济运行，防止事故的发生雨i 扩人，是供 州电双方共同的迫切要求。这除涉及电力系统的设计、设备的自动化程度等物质条件外，还与各级 运行人员的岗位操作技能和经验密切相关。 现在各级电网调度中心普遍配备运行监控和数据采集系统( s c a d a ) 和能量管理系统( e m s ) ， 为调度员提供了在正常运行以及故障时对电力系统进行监控和控制的手段。但现有的调度自动化系 统在故障时只能采集数据，将大量的警报信息在很短的时间内不加选择地提供给调度员以致调度 员往往来不及处理和判断，而且s c a d a 系统采集的信息还不能完全满足调度员判断和处理的需要， 调度员还需打电话通过变电站值班人员查询必要的信息，这给及时判断故障平| i 恢复供电带来了难度。 在这神情况下，电网故障诊断应运而生。 电网故障诊断一直是国内外热门研究的课题，具有重要的理论价值汞i 实用价值。它同绕电网发 生异常雨暾障情况下如何提高调度中心信号的准确性、压缩报警信息咀及判断故障元件而提出。它 对调度员处理事故将是一个有效的辅助工具，可以起到缩短事故处理时间，防止事故扩大的作用， 因此对提高电力系统自动化水平有重要的意义。但是过去的电网故障诊断获取信启、的来源仅建立在 s c a d a 系统上，由于s c a d a 系统在电网故障时只能提供断路器变位信息雨l 少量的继电保护动作 信息，因此只适用于简单故障时利用断路器和继电保护动作信息定位故障元件。但是当系统发生复 杂故障或继电保护存在较多误动、拒动以及因信道干扰发生信息丢失或错误等诸多不确定因素时， 目前基于断路器和继电保护动作信息的诊断方法则无法取得满意的结果，因此要想实现准确诊断必 须寻找新的信息源。目前，江苏和福建省调正在进行电网故障信息管理系统的建设，在电网发生故 障后，继电保护动作信息和故障录波信息可通过广域网上传到调度中心。丰富的故障信息为进一步 提高故障诊断的准确性提供了基础，对工作人员进一步了解系统发生的故障有重要的作用。 另外利用故障录波信息还可以分析出故障类型、故障时间等，并可结合继电保护动作信息、断 路器动作信息对继电保护、断路器的动作行为进行分析，这样不仅能实现故障设备的诊断而且对继 电保护和断路器的动作性能也有一定的评价能力，从而扩展了传统电网故障诊断的诊断范畴。因此 本文定义电网故障诊断主要包括以下几个方面的功能和要求： 相关遥测、遥信量的采集。 _信息预处理。包括误码信息的识别、缺省信息的补充、无关信息的剔除，重复信息的筛选 等。 故障区域和故障设备的判断。 故障类型的判断。 继电保护和断路器动作行为的判断( 误动、拒动和正确动作) 。 一 良好的人机界面，故障解释要清晰有条理。 _ 系统便于维护，具有良好的可扩充性和健壮性。 东南大学顶l 学位论文 i 2 国内外研究现状综述 迄今为i e ，国内外众多机构进行了许多电网故障诊断的研究。r 面从两个层面对各种方法和成 果进行简单的比较。 1 、从数学模型层面上进行比较 目前国内外学者研究的主要方法有：基于专家系统( e s ) 的故障诊断万法“、纂丁神经网络原 理( a n n ) 的故障诊断方法”“、基于优化算法的故障诊断方法1 。以及基于p e t r i 网络的故障诊 断方法”“等。 1 ) 基于专家系统( e s ) 的故障诊断方法 专家系统是人工智能应用研究最活跃的领域之一，它已获得日益r 泛的应用。一般米说专家系 统是一个具有大量专门知识与经验的程序系统，它根据某个领域的专家提供的知识和经验进行推理 和判断，模拟专家的决策过程来解决那些需要专家决策的复杂问题。 文献【1 】提出了一种基于正反向推理的故障诊断方法。该方法首先根据跳闸断路器提出故障假 说，然后根据断路器和继电保护的动作信息逐一验证假说的正确性，最后给出故障殴备或者范同。 在复杂的情况下采用计算故障可信度的方法，按可信度逐一提问继电保护动作情况。该方法的缺点 是需要用户干预的地方太多，无法实现在线诊断的快速性和自主性的要求。 文献f 2 价绍了广东电网的故障诊断应用情况。存在的问题是由于继电保护动作原理各不相同， 故经验数据库维护量大，且逻辑推理部分的数学模型较复杂。 文献 3 针对电力系统故障诊断问题存在的大量不确定性，提出了将模糊集和模糊推理方法结合 专家系统进行故障诊断的新方案。同时尝试将分布式问题求解方法用于电力系统故障诊断，开发 了基于模糊推理的分布式电力系统故障诊断专家系统。不但考虑了断路器和继电保护动作的不确定 性，还将故障时电压、电流不同于正常运行时的特征信息用模糊集表示，利用模糊推理来提高诊断 结果的准确性和可用性。 文献 4 】的方法首先利用断路器动作信息和网络拓扑分析快速识别出故障区域将故障诊断范围 缩小至故障区域内，以提高故障诊断的效率；然后采用继电保护动作信息完成故障元件或故障范围 的判断。该方法对于继电保护信息的表示分为确定性保护( 保护范围唯一) 和不确定性保护( 保护 范围不唯一】。最后利用故障状态下的电气信息对不确定继电保护动作行为做进一步的诊断。 文献 5 】的方法为采用分层故障诊断的方法。先由断路器报警信息判断故障区域，如果能确定唯 一的故障解则诊断结束，否则再根据继电保护动作信息进行诊断，如果能确定唯一的故障解则诊断 结束，否则继续根据故障录波器记录的波形信息作进一步分析，并且确定故障类型、故障相别、故 障地点等，并结合波形对继电保护、断路器和重合闸动作情况进行评价。同时提出了虚拟继电保护 的诊断思想，对于确定性继电保护建立虚拟继电保护模型，虚拟继电保护模型对应的是单个元件， 因此需要利用面诊断来对信息进行综合的判断。最后采用产生式规则建立知识库。 文献 6 开发了一套基于断路器和继电保护动作信息的实时故障诊断系统。利用故障元件和动作 继电保护逻辑关系、继电保护和相应跳闸断路器的逻辑关系建立了一种与网络拓扑结构无关的继电 保护和断路器分类树。诊断时首先根据动作保护的保护范围取交集的形式得到故障元忭候选解集， 利用候选解匹配相应的分类树，通过计算误动率来比较各候选解，误动率最低的路径为最佳诊断结 果。 文献【7 提出了一种运用布尔函数的逻辑诊断方法，将故障元件、动作保护和跳闸断路器三者之 间的关系利用与、或、非组合布尔逻辑函数的形式，利用禁忌搜索可以通过专家系统的规则白动得 到所有的逻辑函数，计算比较函数值最大的时故障解。但是对于规模比较大的电网要建立一个完整、 正确的逻辑函数有一定的困难。 文献【8 介绍了一个可以实现在线诊断的电网故障诊断专家系统，详细的阐述了电网拓扑的知识 表示方法以及在出现误动和拒动的故障情况下进行诊断的方法。 2 第一章绪论 2 ) 基丁二人 j 神经网络原理( a n n ) 的故障诊断方法 人工神经网络是模拟人类神经系统传输处理信息过程的一种人二 智能技术。人岍口经网络的特 点是将知识隐含在连接权重中。它具有知识的自我组织、自我学习能力。具有一定的泛化能力，容 错能力比较强。这些优点使得神经网络在故障诊断中得以广泛的运用，另外由于神经网络的执行速 度比较快，具有在线诊断的潜力。 文献 9 提出了一种利用神经网络专家系统的故障诊断实现方式。该方案采州三层前向b p 网络 作为故障诊断的核心部分。与传统的专家系统相结合组成混合式的神经网络专家系统。故障诊断的 知识库由a n n 的连接权阵来表达。e s 负责输入输出和解释功能。电网拓扑结构矛i i 继电保护配簧j ： ： 框架知识表达法形成电网静态知识库。 文献 1 0 1 的方法采用面向对象的a n n 模型，将电力系统的元件分为三类，即线路、变压器和母 线。对每类元件都有一个特定的a n n 处理其警报信息。定义一个故障指标函数，根据各元仆的故 障指标函数的大小来识别同一跳闸区域的多重故障。 文献 1 1 的方法对人工神经网络( a n n ) 应用丁变电站故障诊断进行了研究，提出了一种基丁 故障录波器信息的故障诊断系统。该系统中，核心部分是三层前向b p 网络，分别对变电站内的变 压器、线路和母线构造相应的故障诊断a n n 模型，对每种保护、断路器和自动装置构造相应的动 作性能诊断模块。该方法利用安装在变电站的故障录波器的信息对变电站内的变压器、母线、线路 上发生的故障进行诊断。 文献1 2 1 提出了一种应用新型径向基函数( r b f ) 神经网络解决故障诊断问题的方法。该方法将止 交最小二乘算法扩展用于优化r b f 神经网络参数，并应用传统的b p 神经网络解决同样的问题以进 行比较。r b f 神经网络优于b p 神经网络，可以在比b p 神经网络训练时间短的时间内学习完毕， 同时保证学习的精度。 文献 1 3 提基于3 层前馈神经网络用全局逼进的b p 学习算法完成了故障定位。b p 网络的输 入为继电保护和断路器的动作信息，输出为所有的可能故障设备。 文献 1 4 1 同样是基于三层前馈神经网络，通过两次遗传算法来进行神经网络的优化。第一次对 神经网络的结构进行优化第二次对神经网络的权值进行优化，从而使得性能优于采_ l _ j 传统的b p 网络。 文献【1 5 提出了一种基于a n n 的快速故障诊断方法。该方法根据网络拓扑的改变自动修正神经 网络的配置，并将整个系统分成两个子神经网络并行进行计算，从而提高了诊断的速度。 3 ) 基于优化算法的故障诊断方法 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网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，并分别采用遗传算法和禁忌搜索方法求解。 文献 1 6 通过比较故障前和故障后网络拓扑结构，确定故障区域，并基于故障区域建立数学模 型。根据故障元件和继电保护动作信息和断路器跳闸信息之间的关系，首先把救障诊断问题表示成 0 - 1 整数规划问题，然后采用遗传算法或模拟退火算法进行求解。在复杂故障或存在保护和断路器 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。 文献 1 7 】以覆盖集理论为基础，首先把电力系统警报处理问题表示为。一1 整数规划问题，引入 了一种新的评估指标。之后提出了用禁忌搜索方法来求解这一问题。 文献 1 8 把采集信息按时问优先级的规定划分为遥信变位、遥测、录波三层并添加了重合闸这 一项，使得判别更加准确。系统接收到录波信息后，利用富氏算法求得电压、电流，并求得其正序、 负序、零序分量，对线路计算出阻抗与距离，对发电机、变压器计算谐波分量。根据继电保护的整 定值，推导出保护是否应该动作。 文献 1 9 】考虑到当时我国的一些电力系统的自动化程度较低，保护动作信息不可获取或很不完 整，提出了基于断路器跳闸时序信息的电力系统故障诊断方法。首先应用无源信息识别故障区域， 然后构造了只利用各类保护动作时段内的断路器跳闸的分段时序信息识别故障元件的o i 规划模 东南大学硕士学位论乏 型，最后利用遗传算法求解故障设备。 4 ) 基于p e t r i 网络的电力系统故障诊断 文献 2 0 p e t r i 网络( p e t r i n e t ) 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。输电网络中各级、各类继电保护系统反席丁故障，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，适于川p e t r i 网络来描述。运 川该方法时，以输电网络中的元件为单位，首先确定故障切除过样的p e ：r i 网络模型，进f n j 对其求逆 得到了故障诊断的p e t r i 网络模型。但该方法在考虑一点不只配置一种继电保护、需要考虑后备保 护，且应计及保护动作时间不准确等因素时，适应性受到影响。 2 、从数据采集的层面上进行比较 1 ) 从数据的类型区分 _ 基丁断路器动作信息的故障诊断”1 早期由于我国调度自动化系统并不完善，因此只能通过s c a d a 系统获得断路器的动作信息。 一 基于继电保护动作信息的故障诊断”1 由于国外的调度自动化系统比较完善，可以获得丰富的继电保护动作信息。因此采用保护范围 相交的方法实现故障诊断。 - 基于断路器利继电保护动作信息的故障诊断。“。”“”“。”。 随着我国调度自动化系统的完善，可以从s c a d a 系统获取断路器和部分继屯保护动作信息。如 果无法获得保护动作信息，可以通过人工界面提问的方式由人工补充。 _ 基于断路器、继电保护和录波信息“。“ 随着我国调度自动化系统和信息通道的完善，不仅可以上传断路器和继l b 保护动作信息，还可 以上传故障录波信息。因此可以采用三层信息进行诊断。使用录波信息可以对继电保护的动作行为 做出更为准确的诊断。 2 ) 从数据的来源区分 一 从s c a d a 获取断路器和继电保护动作信息。 _ 从电网故障信息系统获取继电保护和电压电流信息。 _ 从录波器获取电压电流的信息。 3 、结论 通过上述的分析，可见无论采用哪种数学方法，都有其优缺点。具体分析如下： 从目前研究米看，专家系统研究的最多，但在实际应用中仍存在许多缺陷。比如( 1 ) 、知识库获 取困难。( 2 ) 、专家系统在推理时要搜索匹配知识库里一定的规则集后才能得出结论。因此在系统很 大时推理的速度很慢。( 3 ) 、当系统结构和继电保护配置改变时，知识库的维护相当困难。 与专家系统相比，人工神经网络最大的特点是采用神经元及它们之间的权值来隐含处理问题的 知识，并具有自学习能力，由于可以并行处理，因此速度较快。它的主要缺点是( 1 ) 、完备样本集的 获取比较困难。( 2 ) 、a n n 在使用之前要进行大量的样本学习且学习算法收敛的速度比较慢，当系 统结构变化，需要增加新的样本进行学习。( 3 ) 、人工神经网络的输出为0 ，1 ，不利于锕释，冈此目 前人工神经网络多和专家系统相结合。 采用优化算法的输电网故障诊断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 故障或存在继电保护、断路器误动作的情况下能够给出全局虽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输电网络故障诊断数学模型是使用遗传算法的主要“瓶颈”。同时基于优化算法 的故障诊断结果是故障设备，无法给出诊断的解释。因此需要进一步的研究。 从数据采集上来看单单依靠断路器和继电保护动作信息无法实现详细准确的诊断，只有将断 路器信息、继电保护信息和录波信息三者结合起来，才可以真正实现故障诊断的各种功能。 4 第一章绪论 1 3 本论文的主要工作 电网故障诊断是提高电力系统运行的安全陛、可靠性的重要手段，是故障恢复的前提，因此， 提高诊断的准确性具有重要的意义。当前电网故障诊断的研究都是建立在从s c a d a 系统中提取的 断路器和继电保护动作信息的基础上，但实际上s c a d a 系统采集的信息不全，在进行故障处理时 主要靠调度询问和变电站瞧班人员汇报收集信息，丽专门用于分析故障的故障录波器采集的信息和 处理的结果只作为事故后分析故障，没有在实时诊断事故中发挥作用。本文根据电力系统自动化技 术发展的趋势，在电网故障诊断问题上做了以下工作： 1 、在电网故障信息管理系统采集的信息基础上进行故障诊断研究。 2 、研究并实现了用于故障诊断的、面向对象的电力系统网络拓扑知识表示方法，通用性强，便 _ 丁搜索推理。 3 、提出井实现了综合利用断路器跳闸信息、继电保护动作信息年录波文什信息的故障区域形成 方法。由于信息量比较丰富，这样可以不遗漏任一可能的故障设备。 4 、将采用优化算法确定故障设备和利用专家系统推理继电保护和开关动作行为相结 合进行电网故障诊断。采用了带有贡献园子的数学模型，并在数学模型中考虑了失灵保护和方向元 件的影响。从而提高了诊断的准确性。 5 、采用v c + + 和d b 2 编程开发江苏省的电网故障诊断系统。 5 东南大学硕i ：学位论文 第二章茎于电网故障信息管理系统的电网故障诊断 2 1 引言 电网故障诊断是建立在相应的电力系统自动化水平上。过去的研究都是建立在s c a d a 系统上， 由于s c a d a 系统在电网故障时只能提供断路器的变位信息和少量的继电保护动作信息，冈此在复 杂故障时由于信息不充分不能准确无误的判断故障。除了s c a d a 之外，还有两个重要的信息来源： 厂站继电保护装置羊u 故障录波器。厂站继电保护装置可咀记录下继电保护的动作情况。故障录波器 能记录断路器和保护的动作顺序及各电气量波形。这些继l b 保护和故障录波装置提供了大量的数据 和信息，充分管理和利用好这些信息，对于运行人员正确分析事故原因、及时处理事故、评价继电 保护和断路器的动作行为，进而提高电网运行管理水平都有很大帮助。为了达到上述目标通过联 网方式将电网中的故障信息集中到调度中心，正在成为以后发展的趋势。目前许多公司开发了电网 故障信息综合分析及管理系统，实现了在调度中心对现场的故障录波和继电保护装置的监视、控制 以及现场的各种数据和信息的采集，并进行深入的事故分析。这样在发生故障时电网故障信息综合 分析及管理系统可以获得比s c a d a 系统更为丰富的信息。由于数据完整、冗余数据多，可保证故 障蹬各的准确判断，并可以对继电保护和断路器的动作行为进行分析评价。 2 2 基于电网故障信息管理系统的电力系统故障诊断策略 电网故障诊断系统是以电网故障后所表现出的征兆信息为基础。当电网发生故障时，首先反映 的是电网各节点电压、支路电流或功率等电气量的变化，之后是继电保护装置依据电气量信息对故 障的判断而生成的继电保护动作信息，然后是由保护跳开相应的断路器来隔离故障的断路器动作信 息。换句话说故障诊断求解可以利用的信息包括断路器信息、继电保护信息以及按故障顺序记录的 电气量信息。 基于电网故障信息管理系统的电网故障诊断首先获取的是故障时的继电保护动作信息、断路器 跳闸信息以及录波文件信息，然后再读取有信息上传的变电站的网络拓扑信息。根据故障信息及设 备的后备保护范围形成可能的故障区域，然后再基于故障区域建立数学模型，并采用遗传算法求解 数学模型得到故障设各，最后利用专家系统对继电保护和断路器的动作行为进行分析评价。 2 3 面向对象的电网拓扑结构知识表示 2 3 1 基本设计思想 电网故障诊断离不开各种形式的网络拓扑搜索，这需要采用- - e e 合理的方法来表示电网的拓扑 结构。随着o o p ( 面向对象编程) 技术的应用，目前普遍采用o o p 技术表示电网拓扑结构。电力 系统是一个十分复杂的系统。在结构上，它是由许多不同的元件( 注1 ) 组成，因而是一个多层次系 统：而且各元件在结构和功能上都存在一定的差异，且为多元严格的定量与逻辑关系。抛开电力设 备( 注2 ) 本身的特点，可以看出，任何设备都不过是通过一个或者多个断路器( 刀闸) 同其他设 备发生联系，这也是一种动态联系。当系统操作时，随着断路器( 刀闸) 的投入利退出，设备的连 接关系也会随之发生变化。在故障诊断中，我们并不在乎设各本身的性质，而是关心如何找到个 停电区域，这只与电网拓扑结构有关。目前采用面向对象的知识表示方法来表达电网拓扑结构是一 注i 元件指的是断路器、刀闸、变雎器，母线、线路，发电机注2 ：设备指的是变压器、母线、线路和发电机 6 第二章基于u 网故障信息管理系统的电网故障诊断 种比较理想的表示形式。 2 3 2 面向对象的知识表示方法的特点 数据抽象 面向对象口”的方法是把所研究的事物抽象为一个类和对象的层次结构，并将对象的数据结构及 对该数据结构实施操作的方法“封装”在一起，其中数据结构是对该对象的静态描述：方法是对该 对象的过程性知识描述，具有过程求解、计算的能力，可实现电力系统中所需的各种计算。 _信息隐蔽 在面向对象的知识表示方法中，各对象之间的交互只通过消息来传递，实现了消息驱动，使每 个对象都是独立、自治的。一个对象的属性值只能通过它自己的方法来存取，各对象只能通过预定 的接口来交互。 - 继承性 在面向对象的程序设计方法中，子类能够自动继承超类的操作，同时又可以有独自的方法，这 充分体现了事物间共性与个性的和谐关系，它支持知识共享，从而可使知识库的空间缩小。 2 3 3电力系统网络模型知识的表示 电力系统由线路和厂站组成。厂站由厂站内连接元件( 刀闸和断路器) 和非连接元件( 母线、 变压器) 组成。网络知识按其性质分别存放于线路表、断路器表、刀闸表、变压器表和母线表中。 同时为了表示设备和断路器( 刀闸) 之间的连接关系，定义了设备连接关系表。这样网络可以看成 由设备组成，设备之间通过断路器和刀闸连接，当断路器或刀闸状态发生改变时，可修改设备所选 的断路器链，从而动态改变网络的拓扑结构。下面具体给山基于o o p 的【n 力系统网络模型知识的表 刁o 一 变电站类( c l a s sc s t a t i o n ) 变电站类的表示如图2 3 1 所示： 类名数据成员 成员函数 地区名称 构造函数( 建立一个实际变电站) 变电站名称读取变电站设备信息 变电站内变压器列表 读取断路器( 刀闸) 信息 变电站内母线列表 读取设备连接信息 变电站所连线路列表读取录波配置信息 c s t a t i o n 变电站内断路器列表 读取事实信息 变电站内刀闸列表 读取规则信息 变电站内可能故障设备列表网络拓扑 变电站内录波器配置信息列表 可能故障设备推理 变电站内事实信息列表 继电保护和断路器动作行为推理 变电站内规则列表 变电站设备连接关系列表 有元件用单链表进行存储，这样可以方便的对其进行添加、删除和检索。同时定义 说明 可能故障设各表来存储变电站内的可能故障设备。在成员函数中，定义了获取变电 站内设备和断路器( 刀闸) 信息的函数。 东南大学硕士学位论文 图2 3 1 变电站类的表示 _ 设备类( c l a s sc d e v i c e ) 电力系统设备在连接关系上存在很强的一致性，这是设计设备类的基础。该类本身为虚类。实 际对象要由该类的继承者创建，该类本身不创建任何对象。设备类的表示如幽2 3 2 所示 图2 3 2 设备类的表示 一母线类( c l a s sc b u s l n f o ) 母线类的表示如下所示，继承自设备类，用来构建母线对象。 母线类中除了继承基类的数据成员和成员函数，还添加了保护动作链表用来存储 母线的保护动作信息。根据母线保护的保护范围和动作原理，将母线保护动作信 说明息 说明分为母线差动保护、母线充电保护、母线失灵保护、母联过流保护等。定义 母线电压信息链表存储从录波器中读取的母线电压信息。母线所连断路器链表雨i 母线所连设备链表在故障时根据网络拓扑实时修改。 图2 3 3 设备类的表示 变压器类( c l a s sc t r a n s l n f o ) 变压器类如图2 3 4 所示，同样继承自电气设备类。变压器类的最火特点是各侧断路器 分别处于不同的电压等级。 类名数据成员 成员函数 c t r a n s i n f o 变压器差动保护动作链表 变压器高压侧后各保护链表 变压器中压侧后备保护链表 变压器低压侧后备保护链表 变压器高压侧所连的断路器 变压器中压侧所连的断路器 变压器低压侧所连的断路器 变压器高压侧所连设备链表 8 构造函数 计算保护动作函数 第二章基于巳网故障信息管理系统的乜州故障诊断 变压器中压侧所连设备链衰 变压器低压侧所连设备链表 变压器各类保护实际动作状况 变压器各类保护应该动作状况 根据变压器保护的保护范围和动作原理，将变压器保护动作信息分为变压器主保 说明护、变压器高压侧后备保护、变压器中压侧后备保护、变压器低压侧后备保护等。 变压器高压侧所连设备链表、中压侧所连设备链表、变压器低压侧所连设备链表在 故障时根据网络拓扑实时修改。 图2 3 4 变压器类的表示 _线路类( c l a s sc l i n e l n f o ) 线路类的定义如图2 35 所示。继承自电气设备类。线路是厂站间唯一的联系设备，因 此，线路不光属于一个变电站，它属于两端所连的变电站。因此线路的管理也不便放在单个变电站 中，而应该放在其所连的变电站中。 根据线路保护的保护范围和动作原理，将线路保护动作信息分为线路主保护、线路 说明第一后备保护、线路第二后备保护以及线路重合闸等。定义线路所连设备链表存储 线路正方向( 以母线指向线路为正方向) 所连的设备。 图2 。3 5 线路类的表示 一 断路器类( c l a s sc b r e a k i n f o ) 断路器类的定义如图2 3 6 所示。继承自电气设备类。 类名数据成员 成员函数 c b r e a k l n f o 电流录波信息链表 电压录波信息链表 断路器量录波信息链表 断路器有录波信息标志 断路器的正方向元件是否动作 断路器一端所连的设备 断路器另一端所连的设备 构造函数 计算方向元件 选择故障相别 计算测量阻抗 一堡茎鎏笪星壁塞塑堑堕墨量墨婆笪：垦堡耋鲞查熊墨鎏壅壁堡星： 图2 3 6 断路器类的表示 9 ofnih比lscssalc类闸刀 东南人学硕士学位论文 刀闸类的定义如图2 3 7 所示。继承自电气设备类。 图2 3 7 刀闸类的表示 一 继电保护信息类( c r e l a y l n f o ) 继电保护信息类是用来表示电网故障信息管理系统采集的继电保护动作信息，其中保护的f u n 值是继电保护的功能类型【2 2 j 。继电保护的i n f 值是保护的信息序号。其定义如图2 3 8 所示。 图2 3 8 继电保护信息类的表示 一 设备连接信息类( c i s s sc r e l a t i o n i n f o ) 设备连接信息类的表示如图2 3 9 所示。 图2 3 9 设备连接信息类的表示 通过对电网拓扑结构知识的建立，为下一步的网络拓扑分析，确定停电区域以及进一步的诊断 奠定了基础。 1 0 第二章基于电网故障信皇管理系统的i 乜网故障诊断 2 4 电力系统网络拓扑分析和故障区域的确定 2 4 1 电力系统网络拓扑分析 网络拓扑分析也称“网络结线分析”，是依据断路器、刀闸以及网络设备的实对状态修正设备 电气连接关系，然后搜索出设备所连的设备，为确定可能的故障区域做准备。网络拓扑分折是各种 应用软件的前提。 电力系统是由断路器、刀闸将各种设备连接起来而组成的整体，以图2 4 1 为例。图中c 6 表示 断路器，三表示线路，b u s 表示母线s w 表示刀闸。 图2 ，4 1 电网的拓扑结构 在编程过程中，把电网看成是一个无向图，采用邻接表存储元件之间的连接关系。邻接表是豳 的一种链式存储结构。在邻接表中，对电网中的每个断路器和设备建立一个以该断路器和设备为头 节点的单链表，第i 个单链表中的结点表示与该断路器或设各相连的元件，这个单链表就称为该断 路器或设备的邻接表。对于无向图来说，我们将邻接表的头节点向量称为顶点表，将邻接表称为边 表。如图2 4 2 所示。 我们定义如下两个数据结构分别存储头节点和表节点信息。 邻接表头节点信息 t y p e d e f s t r u c tv o d e ( i me q u i p i d ；元件编号 i n te q u i p t y p e ；元件类型1 一线路2 一变压器3 一母线4 一断路器 n e t i n f o * f i r s t ； v e r t e x n o d e ； 邻接表子结点信息 t y p e d e f s t r u c tn e t w o r k i n te q u i p i d ；f i f i 连元件编号 i n te q u i p t y p e ；h 所连元件类型1 一线路2 一变压器3 一母线4 一断路器5 一刀闸 i n ts t a t e ；所连的元件状态0 一退出1 一投入 s t r u c tn e t w o r k + n e x t ； n e t i n f o ； 东南大学硕士学位论文 下 吨 一a 吐 。叱2a 屯 瑚3 1a 曲4 5 1a c 6 5a c 蚝 “i a ”1 2 15 7 2 2a 6 m j w 2 i i i 肼 l 22 1 j r s w 4 2a 3 j w 5 2 l j _ +s w 6 2a 6 w s w i l l5 a l b u s 3s w 4 1 i5 l 6 ”1，l i 5 a l l 、j 、r ， 顶点表边表 图2 42 元件邻接关系表 在建立了元件邻接关系表之后，需要进行拓扑搜索，得到设备实时所连的断路器。搜索流程如 图2 4 3 拓扑搜索流程图 1 2 第二章拱于l b 网故障信息管理系统的i 乜喇故障渗断 网络拓扑分析的最终目的是确定故障区域以及计算继电保护的期望动作状态。在基于断路器跳 闸信息的故障区域确定中，一般采t e ；l 广度优先或者深度优先搜索的策略，从任一动作断路器开始进 行搜索。由于电网故障信息管理系统无法上传完整的断路器动作信息，因此不能仅仅根据跳闸断路 器来搜索故障区域。本文采用根据继电保护的后备保护设备搜索出可能的故际设备，即如果目前发 备所连的断路器跳闸或者没各的继电保护动作，则该设备以及该设备保护的后梧保护设备( 区域) 都 可能是故障设备( 区域) 。由于目前高压电网的继电保护均采用双重化配置，井且大多数情况下后备 保护仅考虑近后各。因此，当后备保护动作时，我们只搜索保护的近后备保护设备。采用这种策略 既减小了搜索的深度，同时也可以保证不漏掉可能的故障设备。 同样以邻接表存储设备的正方向邻接设备( 正方向以继电保护的正方向为准) 。其中头：霄点存 储设备的信息，表节点存储该设备的正方向邻接设备信息。在表节点中，增加了设备之间所连的断 路器状态信息，在这里之所以存储断路器的状态信息，是为了以后计算继电保护期望状态的需要。 请看2 6 3 节。 t y p e d e f s t r u c tc o n n e c t e q u i p g 接表子节点详细信息 i n te q u i p i d ；正方向邻接设备l d 。 i n te q u i p t y p e ；正方向邻接设备类型1 一线路2 一变压器3 母线 i n ts w i t c h l d ；与正方向邻接设备之间相连断路器i d 。 i n ts w i t c h s t a t e ；与正方向邻接设备之间相连断路器的状态，1 一合上o 一断开 s t r u c tn e t w o r k4 n e x t ； c o n n e c t e q u i p i n f o ： t y p e d e f s t r u c tc o n n e c t v o d e ，邻接表节点信息 i n te q u i p i d ；本设备i d i n te q u i p t y p e ；本设备类型 n e t i n f o + f i r s t ； ) c o n n e c t h e a d ： 以图2 4 4 为例，各设备的邻接设各链表如下图所示： t l ( c b l ) l_6 m3 c b 2 1 人 l r c 6 2 、l - - b u s i 3 c 气 la 2 f c 6 3 1 l斗 6 w 3 5也 1 人 2 f c 6 4 、 l 6 吮 3 c b 2 l a 3 ( c 6 5 1l b u s 4 3晚la b ( c 6 5 )l 斗 6 唑 3 c 6 5 la b u s i 3 l l 1 q l a 6 3 上 1 叱 l 刊t 1 c l 制， 1 c 如 la 6 3 l 2 l 也 la b u s 4 3 l c b 6 1 a 、v 、。， 顶点表边表 图2 4 4 设备的正方向邻接设备链表图 以下为得到设备的后各保护设备的流程图： 东南大学硕上学位论文 图2 4 5 得到设备后备保护设备流程图 2 4 2 故障区域的确定 电力系统发生故障后，有关的继电保护和断路器会动作切除故障，形成停电区域( 或故障区域) 。 故障元件旨定在停电区域之中。这样，故障设备的确定可局限于这些停电区域之内，从而可火大提 高诊断速度。一般米说，可利用断路器的实时信息采用实时结线分析方法来识别故障前与故障后 的系统拓扑结构，后再找出两个拓扑结构的差异即可将其视为故障区域。但是由于本系统的分析是 基于电网故障信息管理系统，考虑到该系统无法提供完整的断路器实时信息，因此本文采用如下策 略形成故障区域： 根据电流信息进行判别。如累断路器的电流从有变到无，则断路器所连的没备为可能故障 设备。 一 根据电压信息进行判别。如果母线的电压从有变到无，则该母线为可能故障设备。 根据断路器动作信息判别。如果断路器跳闸，则断路器所连的设备为可能故障设备。 根据继电保护动作信息进行判别。如果线路的保护装置动作，则线路为可能故障设备。如 果变压器的保护装置动作，则变压器为可能故障设备。如果母线的保护装置动作，则该母 线为可能故障设。如果母线的失灵保护动作，则母线所连的设备为可能故障设备。 对于有保护动作的设备，可按图2 4 ，5 所示的流程得到其后备保护设备，并添加到故障区 域里。 2 5 c o m t r a d e 格式录波文件读取和处理 2 5 ic o m t r a d e 格式录波文件的读取 当系统发生复杂故障或继电保护出现