（电力系统及其自动化专业论文）基于广域测量系统的电网故障诊断方法研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a st 1 1 ed e v e l o p m e n ts t r a t e g yo f s 仃o n gs m a n 嘶d ，i sb e i n gc a 玎i e do u t ；a i l da t t l l es 锄et i m et l l eu l 臼麓h i g h 、厂o l t a g et r a n s m i s s i o na n dl a r g e - s c a l e1 1 1 t e r c o 皿e c t e d p o w e r 嘶dc o m ei n t of o m a t i o n ，n e wc h a l l e n g e so nt h ei n t e g r a t i o na j l ds 切b i l i t ) ，o f p o w e rg r i dh a v e b e e nu n d e rc o n c e m n e wt e c l u l o l o g i e s ，s u c ha sf a s ta 1 1 da c c u r a t ef a u l t d i 砸妒o s i sa 1 1 d1 0 c a t i o na r ep o s s i b l et ob eu s e dt op r e v e n tt h eo c c u r r e n c ea n de x p a n s i o n o fb l a c k o u t s b e s i d e s ，t h ep h a s o rm e a s u r e m e n tu n i t s ( p m u s ) b a s e dw i d e 心e a m e a s u r e m e n ts y s t e m s ( w a m s ) h a v eb e e ns u c c e s s 如l l yi m p l e m e m e di np o w e r s y s t e m s ，w b j c ha l s op r o v i d e sam e a s u r e m e ma n dc o m m u n i c a t i o nc h a l l n e lf o rp o w e r g r i df a u hd i a g n o s i s u n d e rt 1 1 i ss i t u a t i o l l ，t 1 1 i sm e s i sh a ss m d i e dt l l e i 制m s - b a s e d m e m o d sf o rp o w e rg mf i a u l td i a g n o s i s t h em a i nw o r ko ft k st h e s i si ss t a t e da s f o l l o w s f i r s t l y ，b yc o m p 撕s o nb e 帆e e n 删st 1 1 ec o n v e n t i o n a l l y 印p l i e ds c a d a s y s t e m ，t 1 1 ep o t e n t i a 】o fw a m st o b ei m p l e m e n t e di i l p o w e rs y s t e mh a sb e e n m g h l i g h t e d ；a n dt h ef e a s i b i l i 够a 1 1 dn e c e s s 毋o f 印p l y i l l gw a m si m op o 、代r 酊df 砌t d i a g n o s i sh a sb e e nc o n c l u d e db ya n a l y z i i 唱t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc u r r e n t f a u l t d i a g n o s i sm e t l l o d s s e c o n d l y ，m ek e yw o r ko ft h j st 1 1 e s i s t h ep o w e rn o wf i n g e 印r i n tb a s e df a u l t d i a g n o s i sm e t h o di sp r o p o s e di i lo r d e rt oo v e r c o m et 1 1 e c u r r e n tp r o b l e m si nf a u l t d i a g n o s i sa l g o r i t l l m s ，f o re x 锄p l e ，t h eu n c e r t a i ni m s o p e r a t i o na i l d1 0 s s - o p e r a t i o n c a u s e db yt h ei n a c c u r a t ef a u l ti n f o m a t i o no fs w i t c h i n gs i g n a l s ，a i l dt 1 1 ee x i s t i n g p r o b a b i l i t ) rf o rs w i t c m n gs i g n a l st 0i 埝v ee n o r s 1 h sd i a g n o s i sm e t h o d0 1 1 l yn e e d st h e e l e c t r i c a ld a t ao ff i n g e r p r i n tn o d e s ，w h i c hd e c r e a s e sm er e q u i r e m e mo fi 、o r m a t i o n ， a n da tt h es 锄et i m ei n c r e a s e st h er e a lt i m ec h a 】旧【c t e r i s t i ca n da v o i d sm u c ho ft l l e i n n u e n c eo ft h eu n c e r t a i n t ) ro fs 、析t c l l i n gi 1 1 白咖a t i o nt o 也er e s u l t so ff a u l td i a g n o s i s m e a n w h i l e ，t 1 1 et h e s i sh a sp r o p o s e dt h eo p t i m a lp l a c e m e mm e t l l o db yu s i n gm e i m p r o v e di n t e g e rp r o 伊删n g t h i r d l y ，p m u sa r eu s e da st l l em e a s u r e m e n t 眦i t st op r o v i d e ( 1 a t a 舶mw i d e - a r e a ， a i l d 晰t hh i 曲a c c u r a c ya n du p d a t i n gr a t e s ，w h i c hi sa 1 1i i l l p r o v e m e mo ft h el o c a l l y t t t 浙江大学硕士学位论文a b s 仃a c t c h a u r a c t e 比e df a u l 够i 1 1 f o 肌a t i o n 舶ms c a d a i n f o n n a t i o nf u s i o nt e c l l l l o l o g ) ，( i f t ) i si n 仃o d u c e dt op r o c e s sm ed a _ t a 行o mp m u s i nt h ed e c i s i o nl e v e l ，b yi f tt h e s 诵t c h i n gs i g n a l sb a s e df i a u l td i a g n o s i sa n de l e c 仃i c a ls i g n a l sb a s e dd i a g n o s i s1 1 a v e b e e nc o m b i n e dt oi m 】p r o v et h er e a l lt i m ec h a r a c t e ra n dt h ea b i l 时t oc a p t l l r et h ei d e n t 时 o fc a s c a d i n gf a i l u r e s f o 删y ，a sm e 缸t l l e r 咖d yo nf a u l td i a g n o s i s ，i i lt h i st h e s i s ，ap o w e rg r i df a u l t l o c a t i o nm e m o dw m c ho i d yn e e d st 1 1 ep h a s o r so ft e 删n a lv o l t a g e si no n e 缸a 1 1 s m i s s i o n l i n ei sp r o p o s e d av o l t a g ep h a s o rb a l a n c i n gs t a n d a r di sp r o p o s e da st 1 1 ed e c i s i o n c r i t e r i af o rf a u l tl o c a t i o na n dm et i a v e r s a ls e a r c m n gm e t h o di su s e df o rs e a r c l l i n gt l l e o p t i m a ld e c i s i o no ft h ef a u l tl o c a t i o n n ef a u l tl o c a t i o nm e t h o dp r o p o s e d h e r er e q u n s s m a u 锄。吼to fi i l 】晒姗a t i o n 甜1 dc a na tm es a m et i m ea v o i dt 1 1 ei m p a c t s 疔o mc u r r e n t 仃 m s f o m e rs a m r a t i o na i l dt m s i t i o nr e s i s 协c et ot h ea c c u r a c yo ff a u l tl o c a t i o n r e s l 】l t s k e y w o r d s ： w i d ea r e am e 删【r e m e n ts y s t e m s ，f a u l td i a g i l o s i s ，f 砌tl o c a t i o n ，p o w e rf l o w f i l l g e r - p r i m ，o p t i m a lp l a c e m e n to fp m u ，n e u r a ln e t w o r kf u z 巧i n t e g r a t i o 玛 i n f o n 】眦i o nf u s i o n 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 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，也不包含为获得逝姿盘堂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谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎 有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月 日 签字日期：年月 日 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 绪论 本章首先介绍了电网故障诊断的定义，并通过历史上多次大停电事故的回顾、 分析和总结，阐释了电网故障诊断的有效性和精确性在保障电网安全中的重要作 用，同时根据历史事故的教训和总结，引出了对当前电网故障诊断技术的要求； 其次介绍了目前国内电网公司普遍采用的s c a d a ，e m s 系统的特点及其局限性， 以及基于同步相量测量技术的广域测量系统( w a m s ，w i d ea r e am e 2 l s u r e m e m s v e t e m ) 为保障电网安全技术带来了新的契机，并对a m s 和s c a d a 的性能进 行了比较分析；进一步概述了洲s 在电网故障诊断中的应用问题，从而引出 了本文的研究内容；最后对本文主体思路及章节安排做了阐述。 1 1 引言 由于电力系统规模的不断增大，系统的复杂性不断提高，使得可靠性问题日 益突出。“十一五”期间，全国特高压联网战略逐步实施，一个装机容量超过8 亿 k w 、跨越地域超过数千公里的广域电力系统逐步在我国形成【l 】。 目前，我国基本形成了大电网互联的格局：以特高压交流形成华北一华中一 华东同步电网，与东北、西北和南方三个电网采用直流方式实现互联。按照此格 局，全国形成华北一华中一华东、西北、东北、南方四个主要的同步电网。同时， 预计到2 0 2 0 年，我国西电东送的容量将高达1 4 亿k w 。大电网互联、大容量传 输、远距离跨域，这一系列措施有效地缓解了我国能源供需不平衡的问题，实现 了资源的优化配置，带来了巨大的经济和社会效益。但是，任何事物都具备两面 性，广域大电网的形成同时给电网的安全和稳定带来了新的问题和挑战，最为突 出的问题表现在：电网的发展增加了大面积停电的可能性【2 】以及如何保证这个超 大规模的交直流联合电网的安全和稳定【3 卅。 大电网的发展可能造成故障影响范围的扩大，尤其是连锁反应故障可能导致 大面积停电或全系统的崩溃。因此，电力系统发生故障情况下，快速、准确的故 1 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 障诊断对于防止大面积停电具有重大意义。 电力系统的故障诊断问题是随着电力监控系统的产生和发展而提出来的【5 1 。 传感器技术、计算机技术和通信技术等现代信息化技术在电力监控系统中的应用 和发展，为获取分层分布的广泛故障信息提供了技术条件，但同时也带来了新的 问题。一方面，在电网发生故障时，将会有不同种类、不同精确度、不同层次、 不同标准的海量报警信息在短时间内涌向调度中心，这些海量数据往往会大大超 过运行人员的处理能力。当电力系统发生多级故障、越级故障或者连锁故障时， 难度更是可想而知；另一方面，由于在故障情况下，可能会产生继电保护、开关 以及自动装置的拒动或误动等，导致故障信息难以反映事故本质；再加上信息传 输过程中的信息失真和干扰，使得准确实现电网故障诊断将面临更大的挑战。 近些年来，国内外专家、学者已经在故障诊断领域进行了大量研究，也取得 了相当的成效，目前主要故障诊断方法有专家系统，人工神经网络，基于优化技 术的方法，以及考虑信息不确定性和不完备性的基于模糊集和粗糙集的方法等。 但是这些方法，均在不同层面上存在缺陷。由于其故障信息基于s c a d a 数据源， 因此当电网发生时间间隔较小的连锁故障时，其方法便有些捉襟见肘了。同时， 现有故障诊断策略大都偏重于利用局部开关量信息，未能综合多源信息从全局的 广域角度实现诊断【6 1 ；而且，多数方法是在原有故障模型基础上引入了智能算法， 缺乏对电网潮流属性和电物理特性的考量，对智能算法的依赖性偏高。笔者将在 本文的第二章对各种方法的优劣势以及适用条件进行重点阐述。 基于同步向量测量技术的广域测量系统的出现，为电力系统在线监控技术带 来了新的契机。由于w a m s 具有广域同步性、传输实时性和采集高频性等多项 优点，其一出现便倍受大量学者、专家的青睐，并将其应用在电力系统中的诸多 方面，对其进行了广泛的研究。同时，在国家电网公司关于“十一五”期间加强 电网调度工作的意见) x 下称意见) 中明确指出“十一五”期间电网调度工作的“三 个重点领域”为“重点保证特大特高压交直流混合系统安全稳定运行、重点建设三 级电力市场体系、重点建设电网动态安全监测预警系统”，同时意见还规定： “各网省公司要按照统一规划和部署，在3 3 0 千伏及以上主网架和网内主力电厂部 2 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 署相量测量装置( p m u ，p h a s o rm e a s w e m e n tu m t s ) ，实现国家、区域、省三级 广域相量测量系统的联网，提高电网动态测量水平”。显然，广域测量系统在我国 电力系统中的应用迈出了重要一步，广域测量系统在电力系统中的高级应用研究 也成为了必然趋势。 总之，随着我国电力工业的发展，随着大容量、远距离广域电网的互联，随 着目前故障诊断技术面临新的挑战，随着广域测量系统带来新的契机；广域测量 系统在电网故障诊断领域的应用研究具有现实意义和实用价值。 1 2 电网故障诊断与大停电事故 1 2 1电网故障诊断 故障诊断过程就是通过传感器等数据采集装置从被诊断对象的监测量中获 得征兆信息，并对故障征兆信息进行提取、分析、处理，最终判断故障源的过程。 电力系统故障诊断过程主要是对各级各类保护装置产生的报警信息、断路器 的状态变化信息以及电压、电流等电气量测量的特征进行分析，根据保护动作的 逻辑和运行人员的经验来推断可能的故障位置和故障类型【7 1 。电力系统故障诊断 分类按照故障属性判别分为：故障区域、故障元件( 线路、变压器、发电机等) ， 故障类型、故障位置；按照故障诊断对象分为：线路故障诊断( 也就是我们常说 的输电网故障诊断) 和电气设备故障诊断( 主要包括变压器、发电机、保护、开 关装置等电力元件) 。本文中的故障诊断研究对象主要是系统故障诊断，即对故 障线路以及故障位置进行判定，也称为电网故障诊断。 电网故障诊断应包括“诊”和“断”两方面的任务。“诊”就是分析故障发生后的 各种征兆信息以及呈现出的表现；“断”就是要根据“诊”的初步结果做出进一步的 决策和判断。在具体事实上，“诊”的过程应该是确定电网哪部分发生了故障( 区 域) ；而“断”的过程应包括哪条线路发生故障，在什么位置上发生了上述的故障。 “诊”是“断”的基础，“断”是“诊”的升华。本文提及的电网故障诊断就是将以前需 要调度员和电网运行、维护等单位协同完成的电网故障分析的过程交给计算机实 现。借助计算机快速处理能力，并结合本文提出的故障诊断方法，准确给出故障 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 诊断结果，从而为调度员快速决策提供依据。 通常，在电网发生故障时，对于同一个故障源会拥有多个故障征兆信息，各 种故障信息会具有不同的属性。故障诊断不一定要获得所有的故障信息，但是充 分、精确、有效的故障信息是实现准确故障诊断的重要条件。故障信息应该满足 能够覆盖并区分系统内或网络中所有故障源的条件。尤其是，在电网发生故障时， 会产生海量的、纵向分层的、横向分布的多种故障信息；同时由于数据采集、传 输过程的干扰以及开关或保护装置的触点问题等，导致海量信息中具有一定概率 的错误信息成分。当电网发生多级、复杂故障时，故障信息的复杂度更是不言而 喻。电网故障诊断的前提便是故障征兆信息，因此，首先进行电力系统故障信息 分析。 电网发生故障时，首先反应的是电网各节点电压、支路电流( 功率) 等电气 量变化，之后是保护装置依据电气量信息对故障的判断生成的保护动作信息，最 后是利用保护跳开相应的开关来隔离故障的断路器动作信息。从而，故障诊断求 解可利用的信息包括：电气量信息、开关信息、保护信息、开关和保护所带时标 的事件记录信息( s o e ，s e q u e n c eo f e v e m ) ，如下图示【8 】： 4 嘶罚 i 故障后ih 断路器信息卜 j 一一 保护刮作信， 7 开关量状态变化 厂_ 保护装置) 电气量信息 、 事件顺序记录信息s ) 故障电气量)t i m e 图1 1 电网故障信息 f i g 1 - 1t h ef - a u ni n f o 硼a t i o no fp o w e rg r i d 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 1 2 2 历史大停电事故 近几十年，世界范围内发生了一系列的大面积停电事故【9 。17 】，见下表1 1 。 表1 1 国内大停电事故 i 铀1 1b l a c k o u t s i r o u n dt h ew o r l d 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 针对多次历史大面积停电事故进行分析，可以总结出大停电事故的共同特征： 第一，大停电事故的原发事件大都是n 1 或者n - k 的开断事件；第二，在原发性 事件之后，由于保护装置、安全稳定装置和自动化装置的误动、拒动以及参数设 置不合理等原因，导致连续性跳闸事件，这些跳闸事件的时间间隔较短，但很少 是同时跳闸；第三，传统的在线监测系统基于s c a d a e m s ，数据刷新、传输速 度慢，缺乏广域同步测量能力。尤其是，当电力系统发生故障时，难以在线监测 并记录电网故障的动态过程；第四，导致大面积故障发生的主要原因是连锁故障， 而传统电力系统故障诊断多数依赖于保护和开关量等局部信息，难以在短时间内 给出准确的辅助决策。 由此看见，需要对最初发生的n 1 和n k 事件进行快速、准确地故障诊断， 并掌握原发故障后的电网运行情况，及时将诊断结果告知调度员，以遏制事故进 一步演化扩大。因此，故障信息的实时性、准确性以及故障诊断方法的快速性、 有效性则成为了电网故障诊断技术的重点研究问题。 1 3s c a d a e m s 与a m s 1 3 1s c a d a e m s 系统 s c a d 觚m s 系统是目前国内各级电网公司普遍使用的在线监控与数据采集 系统，同时e m s 是目前应用于电力系统领域功能最完善的能量管理系统。 监控与数据采集系统( s c a d a ，s u p e r v i s o 珂c o n 仃o la i l dd a t aa c q u i s i t i o n ) 组 成结构上包括：远方终端单元( 1 玎u ，r e m o t et e 疵n a lu n i t ) 、通讯网络、前 置机及数据库等，如图1 2 所示。其中，r t u 是s c a d a 系统的基础和核心，主 要完成数据采集、数据通讯和执行控制中心命令等功能，属于设备层；通讯网络 则完成将r t u 采集的数据准实时地传送到控制中心。前置机负责数据收集和初步 处理，比如进行不良数据检测。数据库的职能是将经过初步处理后的数据按照某 一标准格式进行存储，供更高级的应用软件使用。 s c a d 觚m s 功能上主要包括：1 “四遥，乙- 遥测、遥信、遥控、遥调，其中 前两者“遥测、遥信”主要是数据采集功能，实现电压、电流等数值信息和保护装 6 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 置、开关的位置状态信息的采集与初步处理；后两者“遥控、遥调”主要是远控和 远动功能；2 屏显功能( c i 玎或动态模拟屏) ；3 越限报警；4 信息存储及事件报 告；5 事件顺序记录( s o e ，s e q u e n c eo fe v e m s ) ；6 潮流等数据计算；7 事故追 忆d d r ( d i s t u r b a i l c ed a t ar e c o r d i n g ) 。 图1 2s c a d a e m s 组成架构 f i g 1 2t h ea r c h i t e c t u r e0 fs c a d a e m s 能量管理系统( e m s ，e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ) 是现代电网调度自动化系 统f 含硬、软件) 总称。其主要功能由基础功能和应用功能两个部分组成。基础功 能包括：计算机、操作系统和e m s 支撑系统。应用功能包括：数据采集与监视 f s c a d a ) 、自动发电控制( a g c ) 与计划、网络应用分析三部分组成。具体包括： s c a d a 系统、自动发电控制( a g c ，a u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r 0 1 ) 和经济调度控 浙大学硕十学女第l 绪论 制( e d c ，e c o n o i i l 】c d l s p 砒c i l i f l g c o n 们1 ) 、电力系统状奄估计( s e ，s 诅t e e n 矾a c 0 订、 安全分析( s a ，s e c u n 斗a n 出y s l s ) 毗及调度员模拟培训系统( d t s d i s p 龇c h e r 1 h i n m gs i m d 砒o r ) 等。 目前，在我国多数省级及以上的电网公司均使用s c a d e m s 系统作为在线 实时监控系统；在少数的网省级公司则引入了p m u ( p h a s o r m e a s u r e m e n t u n i t ) 装置，进一步配备了基于s c a d a w a m s 混合测量的能量管理系统。 l32 广域测量系统( w a m s ) 2 0 世纪9 0 年代中期以来，随着技术的进步与发展，基于全球定位系统全球 定位系统( g p s ，g l o b a lp o s l t l n gs y n e m ) 的同步相量测量技术逐步得到应用，以 此为立用基础的电圊动怒监洲系统，也称之为广域测量系统在国内外也得到了广 泛的关注、研究和试点应用。 广域测量系统的结构组戚包括：g p s 、相量测量单元p m u 、通讯网络和相 量数据集控中心( p d c ，p h a s o r d 毗a c o n c e m m t o r ) 组成，如下图1 3 所示 j l ，16 广1 蜣，：，0 邕 ，f 习l 。 ，。u i f t ，l j = ：了 f 州u 采# 4 兰。旦g 。矗赢；i 南。 | “j 一一一j 囤】3 w a m s 蛆成架构 f 1 9 l 一3t k c h l i e m u r e0 f w a m s 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 其中，g p s 的作用是提供全球同步的授时信号，从而在数据信息中加入广域 同步的时标；p m u 是w a m s 的厂站终端，集成g p s 接收与处理、数据采集和分 析以及高速通信功能，提供具有统一时标的异地模拟量信息，p m u 信息具有高精 度、快速响应、广域同步的特点；通讯网络通常采用大容量的光纤网作为广域通 讯网络的骨干网，电力系统中同步相量数据的通讯协议采用i e e es t d c 3 7 1 1 8 2 0 0 5 【2 l 】，负责数据传送；p d c 作为相量数据集控器，当厂站内有多个p m u 装置时，对多个p m u 上传数据进行提取、筛选、存储和显示，进一步对电网运 行状态进行初步评估。 w a m s 的测量精度取决于其“时间同步”与“频率同步”相结合的特性：第一， “时间同步”特性能够保证异地相量数据在统一时间基准上完成数据采样，确保广 域同步地截取d f t 数据窗；第二，“频率同步”则能够保证对采集相量数据实现 同频率同时间间隔采样，确保广域d f t 的相同采样精度。 广域测量系统的主要功能或应用方向包括：动态安全监测、状态估计、暂态 稳定分析、电压稳定分析、故障诊断、扰动识别以及广域保护和广域控制等。目 前国内w a m s 的应用还是停留在运行监控的层面上，还无法实现进一步的高级 应用以及广域保护和控制功能，但这些已经成为了国内外w a m s 领域的研究重 点和热点，并且日趋成熟，相信w a m s 高级应用功能的实用化并不遥远。 1 3 3s c a d a 与广域测量系统的性能比较 目前，s c a d a 系统已经形成了较为稳定的技术平台，其主要优点包括： 第一，实际运行时间长，技术相对成熟； 第二，测量数据冗余度高，有利于保持对电网的完全可观性； 第三，s c a d a 可以直接采集保护、开关装置的位置状态信息，从而直观获取 电网拓扑结构，等等。 同时，传统s c a d 觚m s 在实际运行过程中也暴露出了不足，包括： 第一，可以呆集开关量信息，但是开关量数据传输时间为1 2 秒，难以反映 时间间隔为秒级的连锁故障时开关动作顺序； 9 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 第二，s c a d a 系统数据更新时间约为3 5 秒，而且s c a d a 历史数据库中数 据存储时间间隔约为1 5 秒，难以记录电网扰动或者故障时的动态行为信息； 第三，因为r t u 缺乏统一时标，所以s c a d a 无法提供准确的异地同步信息； 第四，虽然s c a d a 可以直接获得“遥信”数据，采集开关量；但是由于开关 触点的问题，使得开关量数据存在一定的错误概率。 以下通过删s 与s c a d a 的性能比较说明w a m s 相对于传统的s c a d a 系统具有的优点，详见下表1 2 ： 表1 2s c a d a 与w a m s 的特性比较 t 曲1 2t h ep e 响m a n c ec o m p 撕s o no fs c a d aa n dw a m s s c a d aw a m s 测量冗余度高，能够满足对整个系统 的全局可观性 可以采集开关量信息，从而获取网络 拓扑结果，但是存在一定的错误概率 采集的模拟量包括：电压、电流幅值， 有功和无功功率 异地信息缺乏统一时标 数据更新周期为3 5s ； 数据断面同步误差为约5s 幅值误差约为0 5 ，不能测量角度 数据存储周期约为1 5 s 由于p 删仍然处于试点应用阶段，所以 配置数目有限，因此数据量冗余度低 不能够直接获得开关量信息 采集模拟量包括：电压、电流相量，有功 和无功功率，能够实时获得功角参数 通过g p s 异地同步授时，具有统一时标 数据更新周期可以整定，通常为0 0 1 0 1 s 数据断面同步误差小于1 恤s 幅值误差o 2 ，角度误差小于0 2 度 动态记录，连续存储，最快为o 0 l s 显然，广域测量系统具备空间上的广域性和时间上的同步性，而且采集频率 高、数据精度高，相对于s c a d a 系统能够更加清晰准确地记录和描述电网扰动 或故障是的动态行为。因此基于w a m s 的电网故障诊断方法研究有望能够弥补 传统基于s c a d a 故障诊断方法的不足。 l o 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 4 电网故障诊断方法研究现状 电网故障诊断的过程就是依据故障征兆信息进而识别和定位故障的过程。由 于采用的故障信息不同，实现故障诊断的方法也各有侧重。传统的电网故障诊断 技术主要依靠s c a d a 作为数据源的开关量信息，或者依靠人工查询保护的方式 实现。但是该传统方法信息冗余度低、容错能力差，诊断精度有限，同时难以满 足实时性要求。随着数字化、信息化技术的发展及其在电力系统中的广泛应用， 继电保护及故障录波联网技术日益成熟【2 2 谢】，调度中心不仅可以获得较为完整的 开关量信息，同时能够获得故障时的电气量信息，以及故障前后的动态录波信息。 因此，目前国内外故障诊断技术主要基于开关、保护信息，也有部分学者应用了 录波信息，主流的故障诊方法包括：基于专家系统的诊断方法【2 5 0 0 】、基于人工神 经网络的诊断方法【3 1 】、基于优化技术的诊断方法【3 5 瑚】、基于p e t r i 网的诊断方法 【3 9 啦】、基于粗糙集集理论的诊断方法7 1 、基于模糊集理论的诊断方法【4 8 踟】，等 等。下面小节中将对各种故障诊断方法的原理、特点以及适用环境作简要叙述。 1 4 1基于专家系统的故障诊断方法 专家系统法( e s ，e x p e r ts y s t e m ) 是利用计算机模型来描述人工逻辑的系统，结 合专家的经验知识，利用专家推理方法，模拟专家决策过程，实现故障诊断，其 关键概念是“专家知识库”和“规则”。当电力系统发生故障时，由于电网的保护、 开关动作具有清晰的逻辑关系，因此专家系统方法的实现就是把继电保护和开关 的动作逻辑提取出来，同时，结合对应调度运行人员分析处理故障的诊断经验， 形成故障诊断“规则”，集合所有的“规则”形成专家系统知识库，进而依据报警信 息通过启发式规则或者正反推理策略，实现电网故障诊断。 基于专家系统的故障诊断方法主要分为两类【5 1 1 ：一是基于启发式规则推理的 系统【2 8 1 ；二是结合正反推理的系统【2 9 枷】。前者是将故障信息( 保护和开关量信息) 作为数据驱动输入，然后遍历搜索专家知识库，寻找到对应的“规则”，按照推理 规则得出诊断结果；后者采用混合推理的方法，从正向推理和反向假设两个维度 确定诊断结果，有效地缩小可能故障的范围。 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 优点：第一，专家系统擅长解决难以通过建立数学模型来求解的非结构化问 题，这一点与电网故障时开关量的动作逻辑特性相吻合；第二，能够给出人类语 言习惯的结论并具有相应的解释能力【7 1 ；第三，具有较强的逻辑推理能力，允许 在知识库中增加、删除或修改一些规则，具有一定适应性；等等。 缺点：第一，难以建立完备的专家知识库，同时难以验证其完备性；第二， 诊断速度很大程度上与专家知识库中“规则”的数量有关；难以满足故障诊断的实 时性；第三，当知识库不够完备或者驱动输入信息有误时，将直接影响诊断结果 的准确性；第四，在复杂故障时存在组合爆炸问题；等等。 适用场合：难以应用于实时性要求较高或大规模电网的故障诊断，主要中小 型电力系统和变电站的故障诊断，主要用于离线分析。 1 4 2 基于人工神经网络的故障诊断方法 人工神经网络( 触叭a n i f i c i a ln e u r a ln 咖o r k ) 主要应用于解决输入与输出 之间存在不确定对应关系的问题，其实质就是通过训练样本，在输入和输出之间 透明的高维空间内寻找一种函数关系，建立起输入与输出元素之间的不确定性对 应关系【3 1 3 2 1 。关键概念是：训练样本集”和“最优解”。目前，a n n 应用于电网故 障诊断领域，其输入为保护和开关位置状态等开关量信息，输出为发生故障可 能性。在故障诊断领域应用最为广泛的人工神经网络模型是b p 算法的前向多层 神经网络和基于径向基函数r b f 的神经网络，同时有关学者论证了基于i 心f 神 经网络的故障诊断方法性能优于b p 神经网络诊断方法【3 3 出】。 优点：第一，相对于专家系统来说，具有较高的容错能力；第二，数据处理 速度快，能够满足实时性要求；第三，具有较强的学习能力和自适应性；等等。 缺点：第一，其性能同样在很大程度上取决于训练样本的完备性；第二，相 对于e s 故障诊断方法来说，不擅长处理启发式问题；第三，a n n 训练时的收敛 速度在较大程度上取决于经验值，同时应当避免局部最优解问题；等等。 适用场合：同e s 故障诊断方法类似，通常只适用于中小型电力系统。 1 2 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 4 3 基于优化技术的故障诊断方法 基于优化技术的故障诊断方法是将故障诊断问题转化为整数规划的数学模 型，然后采用遗传算法( g a ，g e n e t i c a l g o r i t ) 【3 5 。6 】、模拟退火算法s a ( s i m u l a t e d a i l n e a l i n g ) 【3 7 1 、n 【b u 搜索方法( t s ，r l b us e a r c h ) 【3 8 】等智能算法以及组合全局优化 算法【3 7 】，求解该模型。应用于电网故障诊断领域，通常将其转化为o 1 整数规划 问题，建立数学模型。关键概念是“收敛条件”和“最优解”。目前，由于多种智能 算法理论的应用，使得基于优化技术的故障诊断方法种类繁多，也成为了基于开 关量信息故障诊断方法的主流方法。 优点：第一，通过电力系统元件及拓扑结构建立故障诊断模型，具有严密的 理论模型；第二，可以通过多种常规智能优化算法或者组合算法找到最优解，求 解比较灵活，同时，采用合理的算法时，能够达到理想的求解速度；等等。 缺点：第一，采用全局优化算法时对应参数的设置缺乏标准；第二，容错能 力较差，在解决存在保护或断路器拒动、误动等不确定性因素的故障诊断问题时， 诊断结果准确度有限；第三，基于保护信息时，在考虑多级后备保护的情况下， 建立模型和目标函数比较困难；等等。 目前如文献3 6 3 8 1 等，专家、学者采用了混合优化算法，从不同程度上克服 了该方法容错性、收敛速度和局部最优的问题。 适用场合：保护、断路器等故障信息完备的电力系统。 1 4 4 其他故障诊断方法 基于p e t r i 网的故障诊断方法：p e t r i 主要用于解决离散事件动态系统建模和 分析。而电网发生故障时，继电保护装置和断路器的动作则具有这样的特性。p e t r i 网的具体原理及步骤参看文献3 9 4 0 1 ，这里限于篇幅，不做赘述。因此，p e t r i 网 在电网故障诊断领域的应用得到了广泛关注，也出现了改进的p e 仃i 网，如有色 p e 仃i 网、推理p e 仃i 网、模糊p e t r i 网等【4 卜4 2 1 。其关键概念是“库所、托肯、变迁、 连接库所”。电网故障时继电保护和开关切除的动态过程可以通过p e t r i 网中“变 迁”的触发来实现。基于p e 仃i 网的电网故障诊断方法优点在于：能够反映比较复 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 杂的系统动态行为；可以对同时发生、 定性和定量分析【4 3 1 ；同时不足体现在： 主要应用于变电站故障诊断。 次序发生或循环发生的故障演化过程进行 容错能力有限；存在组合爆炸问题。因此 基于粗糙集理论的故障诊断方法m 前1 ：粗糙集理论是一种数学工具，能够有 效分析和处理不规律、不确定、不完整的数据信息，并从中提取出分类规则，从 而处理有效不确定性和不完整性问题。在保持分类能力不变的前提下，通过知识 简约，得出问题的决策和分类规则。关键概念包括：“决策表( 类似与a n n 的训 练样本集) 、规则和约简”。应用于电网故障诊断领域，就是将故障信息作为条件 属性，故障区域、故障支路或故障位置作为决策属性，通过决策表的约简计算， 建立对应的故障诊断模型；进而通过不可分辨关系和不可分辨类确定给定问题的 近似解，得出诊断结果。其优点是：当电网故障信息不完整时，能够得出有效的 诊断结果；不足体现在：考虑发生多重故障时，出现决策表组合爆炸；同时，诊 断规则的获取很大程度上依赖于各种故障情况训练样本集；当丢失或出错的警报 信息是关键信号时，将影响到诊断结果的可信度。适用场合：中小型电力系统和 变电站的故障诊断。 基于模糊系统理论的故障诊断方法：利用模糊数学理论来描述不确定性关联 关系。通过训练样本集，建立模糊知识库；按照经验和规则，进行模糊推理，最 终得出模型结果【4 8 1 。该方法应用于电网故障诊断领域时，往往会结合人工智能技 术( 例如a n n 、e s 等) 共同实现。其关键概念包括：隶属度函数、模糊模型、 模糊度、规则等【4 9 巧0 1 。优点是：能够描述信息不确定对应关系，将精确推理演变 为近似推理，提升了故障诊断的适应性；不足在于：模糊知识库的获取和建立比 较困难，同时可维护性较差，限制了其在电网故障诊断中的应用。因此，同以上 方法，主要适用于中小型电力系统和变电站故障诊断。 同时，故障诊断领域还有其他技术和方法，比如基于贝叶斯网络【5 卜5 2 】以及组 合使用以上方法形成的综合故障诊断技术。值得一提的是，随着信息融合技术和 传感器技术的发展，有些学者提出了基于多智能体技术( m a s ，m u l t i a g e m s v s t e m ) 的电力系统故障诊断方法【5 3 列】，具有良好的研究和应用前景。 1 4 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 4 5电网故障诊断方法总结 综上所述：目前主流的各种故障诊断方法各有利弊，能够在不同的场合发挥 出优势! 同时，由于均以开关量信息作为故障征兆信息，以s c a d a 为信息源， 所以获得故障信息容易；经过实际应用后，调度运行人员也有了丰富的经验，尤 其是以专家系统应用最多。但是，在应用于实际电网故障诊断时，也暴露出了一 些共有的不足，具体如下： 第一，故障信息存在不确定性因素。首先继电保护装置、断路器本身具有拒 动、误动问题，存在一定的不正常动作概率；其次，由于开关触点的问题，使得 s c a d a 在采集开关量时也存在错误概率； 第二，开关量传输基于s c a d a 系统，其传输时间约1 2 秒，数据刷新周期 约3 5 秒。因此，当发生时间间隔为秒级甚至更小的连锁动作时，难以掌握故障 源本质； 第三，故障信息局部。多数故障诊断方法均偏重于利用单个诊断对象的局部 信息，例如调度中心基于跳闸开关信息的故障诊断系统、变电站中基于故障录波 器所提供的开关量信息或交流量信息等；局部信息的应用，很可能导致故障源的 误判。而且，由于局部信息缺乏统一的时标，数据断面同步误差较大，导致很难 利用广域、全局的故障信息实现故障诊断； 第四，专家系统的专家知识库、人工神经网络的样本训练集、p e 仃i 网建模、 粗糙集的决策表、模糊集理论的模糊知识库等均存在组合爆炸问题，从而导致应 用于实际电网时，难以获得完备的知识库或样本，从而直接影响故障诊断精度； 第五，在建模过程中，偏重于考虑保护或开关的动作逻辑，而对电物理属性