（电力系统及其自动化专业论文）基于柔性scada的电网复杂故障诊断方法的研究.pdf

华北电力大学博士学位论文摘要 a b s t r a c t t h ei s s u eo ff a u l td i a g n o s i so fp o w e rs y s t e mi sak i n do fr e s e a r c ht h a tb a s e do nf a u l t c o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o na n dk n o w l e d g e - b a s e ds y s t e m o r m o d e l ，u s i n gk i n d o f d i a g n o s i sm e c h a n i s mt od e t e r m i n ef a u l te q u i p m e n t so rr e a s o n , a tt h es a m et i m ea p p r a i s i n g t h ea c t i o n so fp r o t e c t i n gd e v i c e s ，a u t o m a t i cs e c u r i t yd e v i c e sa n do t h e rs u c ha sa u t o m a t i c m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n ge q u i p m e n t s a tp r e s e n t ，t h ef a u l td i a g n o s i sm e t h o d ss t i l lh a v e s o m ep r o b l e m si no v e r a l ls i t u a t i o na n di np r a c t i c a l t h e r ea r et h r e em a i nr e a s o n s f i r s t , t h e i n f o r m a t i o ni si n c o m p l e t e s e c o n d ，t h ei n f o r m a t i o nn o i s ei n t e r f e r e n c ei st o ol a r g e t h i r d ，t h e r o b u s t n e s so fd i a g n o s t i ci st o op o o rw h i l et h ei n f o r m a t i o ni si n c o m p l e t e t ot h i se n d ，t h e p a p e rr e s e a r c ha b o u tc o m p l e xf a u l td i a g n o s i sm e t h o db a s e do nt h ef l e x i b l es c a d ai n p o w e rs y s t e m af l e x i b l es c a d as y s t e mt h a ti n f o r m a t i o nc a ne x c h a n g ei sp u tf o r w a r d i n t h ea l a r mi n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，i n t e l l i g e n ta l a r ms y s t e mi sd e v e l o p e d a f t e rt h a t ，p e t r i n e t sf a u l td i a g n o s i sm o d e lb a s e do nf o r w a r da n db a c k w a r dr e a s o n i n gi sp u tf o r w a r d ， c o m b i n i n gt h ef e a t u r e sp e t r in e t sa n de x p e r ts y s t e m t h ef a u l ti n f o r m a t i o na n dd i a g n o s t i c r e s u l t si sv e r i f i e db yu s i n gw a m si n f o r m a t i o n f i r s to fa l l ，t h ep a p e rd i dad e e pr e s e a r c ht oc o m p l e t et h ei n f o r m a t i o na n dr a i s e dt o c r e a t et h ef l e x i b l es c a d as y s t e mb a s e do nw i d ea r e an e t w o r k ，w h i c hc a nc l a s s i f ya n d u p l o a da c c o r d i n gt oi m p o r t a n c eo ff a u l ti n f o r m a t i o n , h a v i n gi n i t i a t i v ea n dw a i t i n gt w o p a t t e r n sa tt h es a m et i m e ，i no r d e rt op r o v i d eaf l e x i b l ea n de f f e c t i v ep l a t f o r mo fd a t a e x c h a n g ea n df u n c t i o n sc o o r d i n a t i o nf o rf a u l td i a g n o s i s t h ef l e x i b l es c a d as y s t e mi sn o l o n g e raf i x e dp o i n t t o - p o i n to n e w a yp a t ho fi n f o r m a t i o ne x c h a n g e ，b u tt h en e t w o r kc a n a c h i e v ea n yt w o ( o rm o r e ) n o d e so fi n f o r m a t i o ne x c h a n g ei nt w o w a y ，w h i c hc a nr e f l e c t i n t e l l i g e n c eo f i n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e nm a s t e r - s t a t i o na n dt h es u b s t a t i o n s i ti st h e d e v e l o p m e n ta n de x p a n s i o no ft r a d i t i o n a ls c a d a ，e x p a n d i n gt h es y s t e m sd a t as o u r c e sf o r t h ef a u l td i a g n o s i sm o d e l s e c o n d l y ，a st h e r ea r eal o to fn o i s ep r o b l e m so fw a r n i n gm e s s a g e sa f t e rl a r g e - a r e a c o m p l e xf a u l ti np o w e rs y s t e m ，i n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga n di n t e l l i g e n ta l a r mw a s s t u d i e di n t h i sp a p e r n o i s e so fr e a l t i m ea l a r mi n f o r m a t i o na r er e m o v e df r o mh i s t o r i c a ld a t a b a s e u s i n gd a t am i n i n gm e t h o d s o n t h i sb a s i s ，f o r w a r da n db a c k w a r dr e a s o n i n gi sp u tf o r w a r dt o h a v ep r i o r i t yc l a s s i f i c a t i o na l a r ma n dr e d u c et h en u m b e ro f a l a r mi n f o r m a t i o na n di m p r o v e t h eq u a l i t ya n da c c u r a c yo fa l a r m a tt h es a m et i m e ，t h ei n f o r m a t i o na f t e rt h ed e n o i s i n g w i l lb ep r o v i d e dt ot h ef a u l td i a g n o s i ss y s t e m ，s ot h a tt h ea c c u r a c yo ff a u l td i a g n o s i si s i m p r o v e d f i n a l l y ，c o m p l e xf a u l td i a g n o s i sm e t h o db a s e d0 1 1f l e x i b l es c a d a i s b r o u g h t i i 华北电力大学博士学位论文摘要 f o r w a r d ，a st os t u d yt h ef a u l td i a g n o s i sm o d e lf o rt h eo v e r a l lh i e r a r c h i c a l i n f o r m a t i o n t h i sm e t h o dt a k e sf u l la d v a n t a g eo ff l e x i b l es c a d ai n t e r a c t i v ef e a t u r e st oa c h i e v et h e s t r a t i f i c a t i o no ft r a n s m i s s i o na n du s ef o ra l a r mi n f o r m a t i o n ，w h i c hm e e t st h e r e q u i r e m e n to fr a p i df o rs i m p l ef a u l t sa n dp r e c i s e n e s sf o rc o m p l e xf a u l t s a sf o r c o m p l e xf a u l t s ，t h ep e t r in e tf o r w a r dr e a s o n i n gm o d e li sd e s i g n e dt od e t e r m i n et h e f a u l tc o m p o n e n t s w h e nt h ea l a r mi n f o r m a t i o ni sn o tc o m p l e t e l yc o r r e c t ，a p p l i c a t i o n c o m p o n e n t sp r o t e c t i n gc o n f i g u r a t i o no fd e l a y i n gp e t r in e t si su s e dt oc o r r e c tt h ee r r o r a l a r mi n f o r m a t i o nt oi m p r o v ef a u l tt o l e r a n c e b e s i d e st h a t ，t h i sp a p e ra l s om a d eaw a y t ot e s ta n dv e r i f yt h ec o r r e c t i n ga l a r mi n f o r m a t i o na n df a u l td i a g n o s i su s i n gw a m s i n f o r m a t i o n t h es i m u l a t i o ne x a m p l ep r o v e dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h em e t h o d k e yw o r d s ：f l e x i b l es c a d a ，f a u l td i a g n o s i so f p o w e rs y s t e m ，i n t e l l i g e n c ea l a r m s y s t e m ，p e t r in e t ，f o r w a r da n db a c k w a r dr e a s o n i n g 1 1 1 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文基于柔性s c a d a 的电网复 杂故障诊断方法的研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及 的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 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：癌之逝岛 日期：丝盟：亟：厂 导师签名： 日 期： 丝蹲丝，w - 华北电力大学博士学位论文 1 1 研究背景 第一章引言 社会的进步和经济的发展对可靠、稳定、高质量的电力供应提出了越来越高的要 求。任何一次大停电都可能带来巨额的经济损失，严重影响人们的日常生活，甚至还 会造成人员伤亡。保证电力系统的安全、稳定、高效运行是促进国民经济持续健康发 展和提高人们生活水平的必要措施。同时，现代电力系统的发展也对电力系统的安全 稳定提出了新的挑战，随着电力工业市场化的逐步推进，电力系统正日益靠近其稳定 极限运行；大规模、远距离输电的增加，互联系统之间的弱联系使得电网变得越来越 脆弱，而且在追求电力运行的市场环境效益的情况下，系统可能会在接近稳定的边缘 运行，这使得安全稳定运行面临新的考验。 从世界的电力发展史来看，早期的电力系统发生大面积停电的事故不多。这是因 为从一开始，所有的设备和线路都配置了保护继电器，包括最早的高压熔断器。随着 电力系统的日益扩大，从电网单一事故扩大到相邻连接区域的可能性也日益增加，但 人们并没有认真注意到这个问题的真实存在和后果的严重性。直到2 0 世纪6 0 年代， 世界各国开始发生大面积停电事故。1 9 6 5 年1 1 月9 日，北美东北部联合系统中加拿 大安大略一侧，由线路过负荷而使线路过电流保护动作，开关跳闸，经过一系列连锁 反应造成暂态稳定破坏，导致大面积停电，纽约市在事故后8 1 3 小时后才恢复供电， 这就是在西方世界引起强烈震动的第一次电力系统大面积长时间停电事故。1 9 9 6 年 7 。8 月美国西部接连2 次大停电事故，美国总统认为停电事故已经危及到“国家安全。 2 0 0 3 年下半年在北美、英国伦敦、瑞典丹麦、意大利都先后发生过大面积停电事故， 震惊世界。特别是2 0 0 3 年8 月1 4 日发生的美加大停电事故是有史以来规模最大的停 电事故。停电波及了美国的8 个卅l 和加拿大的2 个省，至少2 l 座电厂停运，受影响居 民达5 0 0 0 万。在2 0 0 3 年，除美加大停电外，世界其它国家和地区也相继发生了大 停电事故，其中主要有：( 1 ) 8 月2 8 日，伦敦市中心大停电，该次停电是英国国家电 网公司所属的伦敦南部电力传输系统出现故障，停电影响了e d f 能源公司的4 l 万个 用户，5 0 万地铁乘客被困，共损失负荷7 2 4 m w ，大约在停电3 4 分钟后开始恢复正常， 2 5 小时后伦敦恢复了电力供应：( 2 ) 9 月1 日的马来西亚大面积停电，当地时间1 0 时左右，马来西亚5 个州发生大面积停电，时间持续数小时，对停电范围的用户造成 很大影响。经电力部门全力抢修，才陆续恢复了对用户的供电；( 3 ) 9 月2 3 日的瑞典 一丹麦停电事故，该次事故停电1 8 0 0 m w ，影响5 0 0 万人用电，停电时间达6 5 小时； ( 4 ) 9 月2 8 日，意大利发生频率崩溃，这次史无前例的大停电导致意大利全国5 7 0 0 万人口的生活刹那间陷入一片黑暗，全国除了s a r d i n 岛外均停电，停电达2 0 小时。 第一章引言 大停电事故的发生引起了人们广泛的关注，世界各国学者就如何防御大停电进行了深 入的研究，就在不久前，2 0 0 6 年1 1 月4 日2 2 ：1 0 ( 德国时间) ，西欧8 个国家又 发生了大面积停电事故。事故发生后欧洲电网解列为3 部分，损失负荷1 6 7 2 g w ，大 部分地区l 小时后恢复供电，部分地区断电最长达9 0 分钟，德国工业重镇科隆一度陷 于瘫痪。这是欧洲3 0 年来最严重的一次停电事故，约1 5 0 0 万人受到停电事故影响， 也是继2 0 0 3 年北美“8 1 4 ”大停电之后又一次严重的大停电事故，引起了德国乃至 欧洲各国的极大震动，更引起了人们对互联电网可靠性的新的重视和思考i i z j 。 我国电力系统是世界上发展非常快速的系统。截至2 0 0 5 年底，装机容量已达5 亿k w ，位居世界第二，至2 0 0 8 年底，已达到7 9 3 亿k w 。全国各地区已由3 3 0 - 5 0 0 k v 输电线路形成骨干电网，并通过7 5 0 k v 交流输电线路和5 0 0 k v 直流输电线路实现全 国联网。有关部门正在着手建设8 0 0 k v 特高压直流输电线路和1 0 0 0 k v 特高压交流 输电线路，以适应我国西部水电开发和北部煤炭能源基地的建设。电力系统的迅速发 展、负荷的急剧增长、大量超高压甚至特高压交流和直流输电线路的投运，使得现代 电力系统的动态特性，包括同调性、失稳模式和关键断面都越来越复杂。电力市场的 开放突出了对优化和协调的要求，增a n t 稳定分析和控制的难度。继电保护的潜在故 障、机组的非计划停运、受端无功支持能力、低频振荡、功角稳定和电压稳定等因素 更增加了连锁故障演化为大停电的风险。 目前调度机构中同时存在的能量管理系统、电能量计量系统、调度生产管理信息 系统、继电保护管理信息系统、水调自动化系统、实时动态监测系统等，它们在保障 电网安全稳定优质运行、提高调度机构的生产管理水平和工作效率的同时，缺陷逐渐 显现：一是系统间数据流向不合理、通信接口复杂；二是各应用系统的数据分散、网 络模型参数得不到共享，增加了系统参数和数据维护的难度；三是系统和设备种类繁 多、硬软件配置水平低或重复配置，新增应用和系统扩充、升级改造比较困难；四是 上下级调度机构相关应用系统之间难于方便地实现网络模型参数和数据的交换与共 享。开展综合数据应用支撑平台的设计和建设j 实现调度系统数据整合，是今后一段 时期的重要基础性工作。 中国的电力发展已步入了大电网、大机组、高参数、超高压和自动化、信息化的 新阶段，其规模在客观上已具备发生电网大停电的可能性。与此同时，电力已成为经 济发展和人民生活不可或缺的生产资料和生活资料，如果出现电力系统重大事故，其 规模和造成的损失有可能大幅度增加。如何在事故发生之初，利用电网提供的有限的 故障信息迅速判断故障并进行一系列操作，阻止大停电的发生，从而保证大规模互联 电力系统的安全、稳定和经济运行是一个重大而迫切的问题，也是摆在电力工作者面 前的一项艰巨的任务。 2 华北电力人学博士学位论文 1 2 课题研究的目的和意义 现代电力系统日趋大型化和复杂化，从客观上注定了各种事故尤其是难以预料的 偶然因素所导致的严重事故是无法完全避免的。一旦电力系统发生故障，尽快查明故 障元件，及时正确处理事故并尽快恢复供电以减少停电损失，已成为一个和预防电力 系统事故同样重要的课题。 各级电网调度中心的调度自动化系统主要用于正常状态下电力系统的监视和控 制。在故障状态，这些调度自动化系统变成单纯的数据采集系统，大量的报警信息在 短时间内涌入调度中心。这些报警信息少则几十条，多则上千条，远远超出了运行人 员的处理能力，往往使调度员误判、漏判；而目前的报警系统功能主要是遥测越限、 遥信变位的提醒，提示方式一般是声音报警和提示栏闪动，功能过于简单，且不具备 去除噪声数据和电网故障、异常时简单分析判断的功能，已不能满足现代大规模电网 无人值班运行的需要。建立智能报警系统能及时发现隐患使调度运行人员能在最短时 间内采取措旌调整负荷( 有功功率和无功功率) 或运行方式，就可以避免事故的发生 或制止事故的扩大。而且智能报警系统还能够把调度运行人员从繁琐的监视工作中解 脱出来，使调度运行人员把注意力放在分析和处理发生异常和事故的设备上，也使调 度运行人员有更多的时间去考虑电网事故预想和其它深层问题。 电力系统故障诊断问题随着电力监控系统的产生和发展提了出来，它是通过利用 有关电力系统及其保护装置的广泛知识和继电保护信息来识别故障的元件位置( 区 域) 、类型和误动作的装置，其中故障元件的识别是关键问题。在故障元件识别的基础 上，通过继电保护动作原理和相关电气量等信息进行推理分析，就可以识别出误动作 的保护与开关，从而获得较全面的系统诊断结果。 在电力系统发生故障，尤其是大面积复杂故障或自动装置动作不正常时，仅仅依 靠来自s c a d a 系统的保护、开关接点的变位信息，调度运行人员难以作出准确判断， 来自继电保护装置和故障录波器的信息越来越成为事故分析和系统恢复的重要依据。 当前绝大多数的国产或进口保护装置以及录波器具备了以数据方式向电网调度中心传 输故障信息的能力，电力通信网的快速发展为继电保护及故障信息管理系统的发展奠 定了基础，i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 1 0 4 以及i e c 6 1 8 5 0 等标准的推出和全面推广应用为故障信 息的集成提供了前提。柔性s c a d a 系统正是在这一背景中提出的，它不但可以将采 集到的多重信息源信息综合起来，而且按照故障信息的重要程度进行分类提供给故障 诊断系统，同时还可以与故障诊断系统进行信息交互，为故障诊断模块提供准确的故 障信息。基于柔性s c a d a 的复杂电网下的电力系统故障诊断研究不仅具有重要的理 论价值而且具有重要的现实意义。 第一章引言 1 3 国内外研究现状 1 3 1s c a d a 系统研究现状 电力系统数据采集和监控( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ，s c a d a ) 系统 是调度自动化系统应有的基本功能，它广泛应用于电力系统监控、操作和控制中，是 电网调度自动化的基础和核心。随着计算机和网络技术的发展，涌现出许多新技术、 新设备，如6 4 位r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns g tc o m p u t e r ，精简指令集计算机) ，高速 c p u ，超大容量内存和硬盘，i o o m i o o o m 高速交换以太网，面向对象的技术，i e c 6 1 9 7 0 开放式系统接口标准，i e c 6 1 8 5 0 变电站信息建模标准化协议，非常规互感器和智能断 路器技术。这些新技术为新一代电网调度自动化系统提供了强有力的技术支持【3 1 。 随着计算机技术的进步和电力系统数字化基础设施的逐步完善，电力系统的各种 应用系统已经逐步走向成熟，并且日益庞大和复杂，随之而来也开始暴露出各种各样 的缺点和不足，新的应用系统与老的应用系统的集成以及各种独立的应用系统之间相 互融合和集成的需求随着电力市场的发展而越来越迫切。与此同时，电力市场的发展 使得电力系统不再是一个封闭运营的工业系统，而是需要扩展到商业运营，各种各样 的电力市场参与者( 包括电力生产者、输电公司、配电公司、电能交易公司以及电力 用户等) 需要分享电力系统运行的相关信息，这就要求将s c a d a 系统采集到的电力 系统实时运行状态信息、在线安全分析得到的安全状况及安全裕度信息、电能报价和 电量交易情况、以及电力系统的日常运行管理情况等各个方面的数据和信息集成到一 个统一的平台提供给电力市场的所有参与者。这就需要电力系统中现有的各个应用系 统的开放、共享和集成来实现电力系统信息一体化这一目标。 微电子、计算机技术的发展使变电站各种智能电子设备( i n t e l l i g e n te l e c t r o n i c d e v i c e ，i e d ) 具备了数字化、低功耗的特点。这些i e d 物理上可安装在三个不同的功 能层，即变电站层、间隔层、过程层。目前集中式或分布式变电站自动化系统其信息 采集来源于常规的电磁型电流电压互感器，t a 的额定输出信号为1 a 或5 a ，t v 的 额定输出信号为1 0 0 v 或1 0 0 4 3v 。因此，变电站l e d 必须通过电磁变换回路将常规 电磁型电流、电压互感器的二次输出信号变换为适合于微电子电路的低电平信号。通 过对应于每台设备的电缆线将这些测量值传送至继电保护、测控、计量测量及自动化 系统，其简单结构示意图如图1 一l 所示。 图中保护单元和测控单元在电网运行中的职能是不同的，保护装置在电网中承担 事故时快速切除和隔离故障，恢复系统正常运行的功能，因此，继电保护装置要求对 于故障时各种电气量等信号有正确响应。常规变电站自动化系统应用的特点是变电站 二次系统采用单元间隔的布置形式，装置之间相对独立，装置间缺乏整体的协调和功 能优化，输入信息不能共享、接线比较复杂、系统扩展复杂，主要有下列问题f i 4 j ： 4 华北电力大学博士学位论文 站 控 层 问 隔 层 过 程 层 图1 1 常规变电站通信系统结构示意图 ( 1 ) 信息难以共享 变电站自动化系统接入的信息大致可以分为： 电力系统运行信息，如电流、电压、频率等 变电站设备运行状态信息，如一次设备、二次设备是否投运等 变电站设备异常信息，如测控装置异常，保护装置直流失去等 电网事故信息，如开关、保护动作跳闸 变电站自动化系统的信息在就地提供给变电站运行值班，并经s c a d a 系统为电 网调度提供电网运行状态信息，构成调度自动化系统的基础应用，如能量管理系统 ( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，e m s ) 的状态估计、调度员潮流等；另外，一般还会有 其它信息独立组成各自的应用系统由相应的技术管理部门负责运行和管理，如故障录 波器系统、数字保护联网系统以及近年来发展的故障信息系统等。实际运行中来自不 同信息采集单元的设备信息无法共享，形成“信息孤岛”。 ( 2 ) 设备之间不具备互操作性 在变电站自动化系统发展初期，人们就期待解决不同生产厂家二次设备之间的互 操作性( i n t e r o p e r a a b i l i t y ) ，甚至互换性( i n t e r c h a n g e a b i l i t y ) 。由于二次设备缺乏统一 的功能和接口规范，通信标准的采用缺乏一致性，各厂家对于相同规约实现上的差异， 以致至今不能实现不同厂家l e d 之间的互操作，通信标准对二次设备互操作性影响主 要表现在： 制定、执行具有一定的滞后性 规约与通信机制不一致 规约结构上的不完整性 由于缺乏统一的功能和接口规范，不同厂家的l e d 缺乏互操作性，这给变电站自 动化系统长期维护和运行带来了巨大的障碍。 第一章引言 ( 3 ) 系统的可扩展性差 随着i t 技术的迅猛发展，与变电站自动化系统相关的通信、嵌入式应用等技术的 更新速度比变电站自动化系统的更新速度快得多。由于互操作性和信息模型等原因， 现有的变电站自动化系统在系统扩展或设备部分更新时需要付出很大的附加成本。 在变电站增加间隔或自动化系统中更新测控装置或继电保护装置时，由于通信接 1 ：3 和通信协议的差别往往需要增加规约转换设备，甚至还可能更改自动化系统的数据 库定义，采用不同厂家的设备更新时更加困难。 1 3 2 调度报警系统研究现状 在电网事故状态下，大量的报警信息传到集控中心，显示给集控值班员，同时又 将部分报警信息转发给调度，全网数以百计的报警信息涌向调度中心，显示给调度员， 调度员不可能在很短的时间内对这些信息进行分析处理，必须有自动处理分析它们的 系统，辅助调度员判断，以便迅速恢复系统的正常运行。 对大量的警报信号进行有效地处理，提取出概括的、简要的和关键的信息( 即发 生了什么事件) 给调度员以缓解其负担无疑是必要的，这就是警报处理的任务【5 6 】。文 献f 7 】早期的警报处理方法采用逻辑表的方式来定义事件和警报之闯的因果关系，利用 报道的警报信息采用查表的方式来找出发生的事件。其主要缺点是所有可能出现的情 况均需预先给定，这相当麻烦也不够灵活。在近十年中，警报处理方面的研究工作比 较活跃，提出了多种新方法【7 1 1 】，如滤波、优先性排队和分组方法 9 1 、专家系统【1 0 1 、 模式识别【l l 】和人工神经元网络【1 2 j 等。文献【1 l 】的方法可明显减少警报数目，但难以获 得具有高信息容量的综合信息。文献 i o i 最早提出了应用专家系统方法进行警报处理， 这种方法既可减少警报数目，又可获得综合信息。同时也提出了多种专家系统方法， 包括基于规则的方法和基于模型的方法，前者的缺点是维护困难，后者便于维护但需 要的推理时间长。有些学者将警报处理表示为分类问题，采用模式识别或人工神经元 网络来求解，其优点是便于移植。但这类方法的性能取决于样本集是否完备。对于大 型电力系统要形成完备的样本集极其困难，因而其结果的正确性在原理上无法保证。 此外，对于不同的事件引起的相同的警报信号的情况( 在有误警报的情况下，很可能 出现这种情形) ，这类方法最多只能找到一个最优解，局限性较大【l 引。 文献1 4 伸开发了一套基于专家系统的报警处理系统，用于调度中心使用，其功 能就是利用了专家系统的知识和推理机制并结合电网中的一些运行经验，将报警重新 组合和显示，以帮助调度人员减轻查看报警信息的工作量。 文献1 5 】中同样提出了利用推理机制结合运行经验来建立一套报警信息的处理机 制，具有特色的是，此文提出了利用拓扑方法协助分析报警信息的特征。具备为运行 人员提示危险信息的功能。文献还明确提出了报警信息处理和故障诊断系统的区别， 6 华北电力大学博士学位论文 即报警处理侧重于对报警信息发生现象的合理表达和描述，而故障诊断侧重于利用报 警信息推断发生故障的区域和设备。 文献【1 6 】中所用的信息监视报警系统，已经采用了分级显示报警信息、弹出式画 面提示报警等方案。主要功能是依据监视内容的重要程度，分为三个监视级别。一级 属于最重要的报警内容，三级属于最轻的报警内容。设定监视级别有利于报警信息按 优先级显示；按照监视值的越限程度，分为“黄色报警 和“红色报警”两个越限差 别，前者用于提示监视值已进入限值临界区域，后者为监视值越限告警。 文献【l7 卜一方面在报警栏区分事故开关变位与正常操作变位；另一方面对用电设 备异常采用智能预警，包括电流越限告警、电压越限告警和有功功率越限告警等。主 要用途就是借助报警系统的自动化功能，在线路满载、过载没有及时发现的时候采取 果断的解决措施。 可以看出，国内目前开发的产品都比较注重报警信息的分类显示和遥测的越限监 测两个功能，而在最能体现出智能性的报警信息噪声处理方面以及故障时如何根据开 关保护的逻辑关系分组上传报警信息方面的研究还远远不够。 1 3 3 故障诊断方法的研究现状 电网故障诊断课题的定位是依据故障综合信息，借助于知识库或模型，采用某种 诊断机制来确定电网故障元件以及分析故障原因，同时完成对保护装置、安全自动装 置等监测、控制设备的动作行为的评价【i 引。对故障诊断研究的方法早期的主要有基于 解析的方法，随着信息技术、通讯技术和人工智能技术的发展，国内外学者提出了许 多电力系统故障诊断的技术和方法，主要有专家系统、人工神经网络、遗传算法、p e t r i 网、贝叶斯网络、模糊集理论等。 目前大部分故障诊断方法大多立足于所依靠的信息完全正确可信的基础上，例如 准确而完整的继电保护与开关动作信息( 从电力系统的调度中心获得) ，未考虑信息 传输中出现不完整、错误或不同信息相矛盾等实际电力系统普遍存在的情况。事实上， 要将所有继电保护的状态信息都送到电力系统调度中心，在布线上有很大困难且费用 巨大，因而在很多调度中心( 特别是发展中国家的电力系统调度中心) 继电保护信息 很不完整( 开关信息一般比较完整) 。这样，现有方法的前提条件在很多实际电力系 统中是无法满足的，应用这些方法时必须给出些简化假设，例如假设状态信息不可 获取的继电保护均处于未动作状态，这样做与实际情况可能是不相符的，有可能引起 错误的诊断结果。到目前为止，对继电保护信息不完整情况下的电力系统故障诊断问 题还没有提出系统的解决方法，因此，在信息不确定不完备情况下的故障诊断是一个 需要进一步深入研究的问题。 第一章引言 1 3 3 1 早期的故障诊断方法 早期的故障诊断方法以基于解析的方法为主，此方法需要建立被诊断对象的较为 精确的数学模型。进一步它又可以分为参数估计方法、状态估计方法和等价空间方法。 这三种方法虽然是独立发展起来的，但是它们之间存在着一定的联系。现已证明了基 于观测器的状态估计方法与等价空间方法是等价的。非线性系统故障诊断的难点在于 数学模型很难建立。相比之下，参数估计方法比状态估计方法更适合非线性系统，因 为非线性系统的观测器的设计有很大困难。目前，只有对某些特殊的非线性系统有研 究，而通常的等价空间方法仅适用于线性系统。 此类方法更倾向于对电网的网络分析，多从研究系统的模型入手，建立电网数学 模型，即建立网络参数矩阵。常用的网络参数矩阵有：网络节点参数矩阵、网络支路 参数矩阵【1 9 1 。在故障分析计算中，常常要计及网络操作。并按照网络操作的对象分成 三类：投入或切除非零阻抗支路及投入与切除非零阻抗支路，例如：线路、变压器、 发电机等元件的投入和切除、零序互感线路挂地检修等；接点合并或分割及节点合 并与分割，例如：厂站母联开关或3 2 接线中开关等零序阻抗元件的投入与切除、环 网的解环与合环等：第一类操作和第二类操作同时发生。 传统型的研究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， 采用单一的集中求解，因系统规模、复杂程度和不确定因素等的限制难以适应目前电 力系统的这样一个日趋复杂的分布式大系统的故障诊断问题发展趋势。 当难以建立诊断对象的解析数学模型时，基于信号处理的方式是非常有用的，因 为这种方法回避了抽取对象的数学模型的难点，而直接利用信号模型，如相关函数、 高阶统计量、频谱和自回归滑动平均过程，以及小波分析技术。这种方法对于线性系 统和非线性系统都是适用的。 1 3 3 2 人工智能方法 电网故障诊断主要是对各级各类保护装置产生的报警信息、开关的状态变化信息 以及电压电流等电气量的特征进行分析，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。由于这一过程很难用传统的数学方法描述，而人工智 能技术则由于其善于模拟人类处理问题的过程，容易计及人的经验以及具有一定的学 习能力等特点在这一领域得到了广泛的应用。本小节简要介绍专家系统、人工神经网 络、模糊理论等人工智能方法在电网故障诊断中的应用情况 2 0 1 。 ( 1 ) 专家系统 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 是发展最早、也是比较成熟的一种人工智能技术。一 般地说，它是一个具有大量专门知识与经验的程序系统，根据某个领域专家提供的知 识和经验进行推理和判断，模拟专家的决策过程，以解决那些需要专家决策的复杂问 r 华北电力大学博士学位论文 题。专家系统又可以进一步划分为：基于规则的系统( r u l e b a s e ds y s t e m ，r b s ) 、基 于模型的系统( m o d e i b a s e ds y s t e m ，m b s ) 和基于逻辑的系统( l o g i c b a s e ds y s t e m ， l b s ) 。专家系统的应用领域不同，采用的知识表示方式也可以有所不同，常用的知识 表示方法有谓词逻辑、语义网络、产生式规则、框架和黑板等。 专家系统在故障诊断中的典型应用是基于产生式规则的系统【2 1 2 4 】，即把保护、 开关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。基于产生式规 则的故障诊断专家系统得以广泛应用主要是由故障诊断和基于产生式规则的专家系统 的特点所决定的。文献【2 3 】介绍了基于事例推理和基于规则推理的混合推理的电力系 统故障诊断专家系统。由于采用了混合推理，提高了故障诊断专家系统的适应与自学 习能力。文献 2 4 1 采用基于规则的正反向混合推理方法，根据开关和继电保护与被保 护设备之间的逻辑关系建立推理规则，保证了推理的正确性。通过反向推理，有效地 缩小了可能的故障范围：以动作的开关或继电保护与故障假说的符合程度计算可信度， 更符合电网故障后继电保护动作的实际行为。 文献 2 5 1 介绍了一种基于模型的故障诊断专家系统。该方法采用“与一或逻辑电 路对继电保护系统的结构和功能进行建模，依据模型对故障情况进行仿真，对比仿真 结果和实际报警信息可判断假想故障的真伪。基于模型的专家系统需要种能够根据 仿真结果对假想事故集进行修正的有效算法，直至找出正确的故障集。要解决这个问 题并不容易，一个可能的方法是借鉴优化算法中的某些思想。基于模型的故障诊断方 法可适应故障信息丢失的情况，但如何在仿真过程中考虑保护和开关的可靠性是需要 解决的问题。 文献 2 6 1 用逻辑方法来处理故障诊断问题! 将继电保护的配合关系表示为逻辑关 系，将故障推理转化为布尔代数运算。由于逻辑推理过程冗长，因此需要以离线方式 预先完成大量“主要蕴涵式”的运算，以达到再现快速诊断的目的。文献 2 7 1 首先利 用开关动作信息确定停电区域并处理单个元件故障且不存在漏报警和误报警的情况， 对于不能精确诊断的复杂故障，通过电网中各个厂站的计算机远程网络，对调度端与 各个厂站初步诊断结果信息进行交换或对话，最终确定故障元件以及保护和开关的误 动、拒动。 基于专家系统的方法能够有效地模拟故障诊断专家完成故障诊断的过程，同时还 能够给出符合人类语言习惯的结论，并具有相应的解释能力。但是在实际应用中仍存 在一定缺陷：获取完备的知识库是形成故障诊断专家系统的瓶颈。建立知识库及验 证其完备性比较困难，这在很大程度上限制了故障诊断专家系统的发展；容错能力 较差，缺乏有效的方法识别错误信息；电网的结构发生变化时，专家系统的知识库 要进行相应的修改，然而增加或修改规则后很有可能会造成不完整或不一致的知识库， 9 第一章引言 校核的难度比较大，大型专家系统的维护难度很大；一般专家系统不具备学习能力， 一旦发生知识库没有涵盖的新故障情况，专家系统将发生诊断错误或得不到结果。 专家系统在复杂故障诊断任务中会出现组合爆炸和推理速度慢的问题。这些缺陷使得 专家系统难以满足大规模电力系统在线故障诊断的需要，目前主要应用于离线故障分 析。 ( 2 ) 人工神经网络 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k , 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。自1 9 4 3 年m c c u l l o c h 和p i t t s 第一次提出模拟神经元以 来，迅速发展成为与专家系统并列的人工智能技术的另一个重要部分。与专家系统相 比，它最大的特点是采用神经元及它们之间的有向权重连接来隐含处理问题的知识， 并具有鲁棒性好、容错能力强和学习能力强等特点。目前应用电力系统故障诊断的 a n n 有基于b p ( b a c kp r o p a g a t i o n ) 算法的前向神经网络和基于r b f ( r a d i a lb a s i s f u n c t i o n ) 径向基函数的神经网络等。 文献 2 8 】给出了典型的故障诊断神经网络b p 模型，其实现方法是：以电力系统继 电保护作为a n n 的输入，以可能发生的故障作为输出，选择适当的样本集训练a n n 。 整个训练过程为：首先根据网络当前的内部表达，对输入样本进行前向计算，然后比 较网格的输出与期望输出之间的误差，若误差满足条件，则训练结束：否则，将误差 信号按原有的通路反向传播，逐层调整权值和阀值，如此反复，直至达到误差精度要 求。文献 2 9 】基于三层前馈神经网络，用全局逼近的b p 学习算法完成故障定位。 径向基函数( i 强f ) 神经网络具有任意函数逼近的能力，且学习