（电力系统及其自动化专业论文）基于scada及保护信息系统的输电网故障诊断.pdf

河海人学碳1 学位论文摘篮 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i ca n dt h ep r o g r e s si ne l e c t r i cp o w e rm a r k e tt h en e e df o r s t a b l es u p p l yo fp o w e ri n c r e a s e sc o n s i d e r a b l y t h ea u t o m a t i o no ff a u l ts e c t i o nd i a g n o s i sa n d r e s t o r a t i o ni sa l s or e q u i r e di np o w e rs y s t e m so p e r a t i o ns oa st od i m i n i s ht h eo u t a g et i m ea n d e n s u r es t a b l e s u p p l yo fe l e c t r i cp o w e rf o rt h ec u s t o m e r s t oi d e n t i f y f a u l ts e c t i o n si n p o w e r s y s t e m sb yu s i n gi n f o r m a t i o no no p e r a t i o no fr e l a y s a n dc i r c u i tb r e a k e r sh a sb c c na nu r g e n t p r o b l e m t h a tp o w e r e n t e r p r i s e sm u s t t a c k l e t h i sp a p e ri sd e d i c a t e dt os o l v et h i sp r o b l e m t h eb a s i cp r i n c i p l eo fp o w e r s y s t e mr e l a y i n gi st oi s o l a t et h ef a u l tp a r tf r o m t h ew h o l e ，a n dt h e e f f e c t i v ei n f o r m a t i o nt h a tc o n t r i b u t e st oj u d 窟i n gc e r t a i n e l e m e n t ss t a t ei s i m p l i c a t e d i nj i s a d j a c e n ta r e ao n l y t h i si s t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo ff a u l td i a g n o s i s t h i sp a p e rf i r s ts t a t e st h e f e a s i b i l i t ya n dk e yi d e ao ff a u l td i a g n o s i s ，t h e nu s e ds o m ea p p r o p r i a t em e t h o d st or e p r e s e n tt h e p o w e rs y s t e m i n c o m p u t e r h a v i n ga c q u i r e d e a c h e q u i p m e n t sa d j a c e n ti n f o r m a t i o n ，w e u s e a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c em e t h o d st oa c c o m p l i s ht h ed i a g n o s i st a s k t h ef r a m e w o r k so f e m p l o y i n ge x p e r ts y s t e m 、a r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r ka n dg e n e t i c a l g o r i t h mt h r e et y p i c a la r t i f i c i a li n t e l l i g e n c em e t h o d st o r e a l i z ep o w e rn e t w o r kf a u l td i a g n o s i s a r ed i s c u s s e di n d e t a i l ，t h e a u t h o ra l s od e m o n s t r a t e dt h e s ee x e r c i s e s i ns u c h a s p e c t s a s k n o w l e d g e a c q u i s i t i o n 、k n o w l e d g e s t o r a g ea n dk n o w l e d g e e x e r t i o n ，e x a m p l e so fe a c hm e t h o d s a r ei n c l u d e d h a v i n ga n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h r e et y p i c a lmm e t h o d s ，t h i sp a p e rp r o p o s e s a ni n t e g r a t ea p p r o a c ht os o l v et h ep r o b l e m t h ek e yi d e ao ft h i sm e t h o di st ou s et h r e em e t h o d s r e a s o n a b l ys e e i n g t ot h ec o n d i t i o no ff a u l ti n f o r m a t i o n w h e np o l l u t i o no c c u r sw eu s ed i f f e r e n ta i m e t h o d st oi n f e ri nb o t hd i r e c t i o n st od e a lw i t hu n c e r t a i n t i e si m p o s e do nf a u l ts e c t i o nd i a g n o s i so f p o w e rs y s t e m sd u et on o i s e sa n dl o s so ft h ei n f o r m a t i o n e x p e r i m e n t a ls t u d i e sf o rr e a lp o w e r s y s t e m sr e v e mu s e f u l n e s so f t h ep r o p o s e dt e c h n i q u ei od i a g n o s ef a u l tt h a th a v eu n c e r t a i n t y k e yw o r d s ：p o w e rn e t w o r k ，f a u l td i a g n o s i s ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，d e d u c t i v e i n f e r e n c e ， i n d u c t i v ei n f e r e n c e 2 学位论文独创性声明： 本人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。与我一同工 作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： ；垂选竺! 兰 。，年3 月j 。日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。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。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 固型! 丛 。厂年弓月知日 河海足学坝f 学位论文 第l 章绪论 1 1 论文的选题背景 第1 章绪论 电力2 l q k 是国比经济的基础，它与国家的兴盛和人比的安康有着密切的关系，电力应该 是安全、可靠、经济、优质的能源产品。随着国k 经济的e 述发展电力系统的规模越来越 _ 人，结构越米越复杂。由于自然与人为的冈索，电力系统不可避免的会发生事故，故障后如 果不能迅速恢复供电将造成巨大的经济损火与社会影响。随着我国屯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，防止事故的发生和扩大，是供用电双方共同的迫切要求。 作为恢复供电的第一步，调度员首先需要准确地判断出故障位置。经过多年的努力，我 国电力系统中已经装备了犬量先进的微型机保护与测控装置，初步建成了番级调度中心的数 据采集与监视系统( s c a d a ) 与保护信息管理系统( r m s ) 。但是目前s c a d a 对故障信息只显 示不处理，电网发生故障后所有相关的监控设备均会产生相应的报警信息送至控制中心，数 量众多使调度员难分主次，完全依靠人工判断故障位置不堪重负。 在这种情况下，电网故障诊断应运而生。电网故障诊断就是根据故障后s c a d a 、r m s 系 统收到的各种保护、开关、录波信息，自动判断山故障元件与故障性质。诊断过程中需要克 服故障信息在传输过程中的差错，对相对冗余的遥信实施化简、提取关键内容，最终使故障 情况一目了然。电网故障诊断是能量管理系统( e m s ) 的一个高级应用模块，它可为调度员 提供辅助决策，提升调度中心应对故障的能力，有助于实现高质量、高可靠的供电。 目前故障信息的来源有两种：一种是s c a d a 、r m s 系统的遥信，包括保护动作信息与断 路器跳闸信息；另一种是故障录波器和保护装置的录波信息。故障遥信所能提供的故障信息 量盈不够丰富但传输迅速，目前所有的s c a d a 系统均可提供。录波数据包含着故障情况下电 气量变化信息，由于数据量很人目前只有少数经济发达地区的调度中心实现了通过专j 【 j 的高 速网络收集，许多地区仍需要派人到现场拾取；此外使用来自不同厂站的故障录波信息进行 故障分析时会遇到时钟同步问题，而利用g p s 实现时钟同步的方法尚在推厂之中。有鉴于此， 本论文研究了基丁：s e a d a 、r m s 系统故障遥信的l 乜网故障诊断方法。 基于s c a d a 、蹦s 系统故障信息的故障诊断作为课题被提出始自上世纪八十年代，我国 各火电力公司对此问题的关注始自九十年代后期。目前已有在线运行的实例。 l2 国内外研究现状综述“ 基下s c a d a 、r m s 故障遥信的电网故障诊断主要是对各级备类保护装置产生的报警信息、 断路器的状态变化信息进行分析，根据保护动作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。故障诊断的解决方法与电力系统的传统分析( 潮流、稳定) 有很大不同：厉 者是对系统自身的物理量的求取，可以根据明确的物理概念列出严格的平衡方程与约束条 件，并在此基础上求解方程；前者的输入是电力系统中的自动装置按照人为敬定逻辑一j 作的 结果而不是物理鼙，因此不能用经典的数学分析方法建立有效模型。人工锣能技术 ( a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ) 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。 目前国内外学者研究的主要方法有：基于专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 的故障诊断方法 “、基丁神经网络原理( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 的故障诊建斤方法“2 。、基于优化 第l 帝绪论 算法的故障渗断方法“、基- ：模糊理论( f u z z yt h e o r y ) 的故障诊断方法”、以及 基丁p e t r i 网络( p e t r in e t ) 的故障诊断方法“。等，不少学者还硼f 究了将多种以上方法结 合的敞障诊断方法“。 1 ，基 ：专家系统( e s ) 的故障诊断方法 专家系统是发展最早，也是比较成熟的一种人工智能技术。一般地说，专家系统是一个 具有人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手 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题。专家系统在电网络故障 诊断中的典，w 应_ 1 _ j 是基于产生式规则的系统，即把保护、断路器的动作逻辑以及运行人员的 诊断经验川规则表示出米，形成故障诊断专家系统的知识库，进而根据报警信息进行推理， 获得故障诊断的结论。 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。该方法首先 利朋逻辑分析的方法剔除错误遥信，然后利用故障元件和保护之间的逻辑关系、保护和相应 跳闸断路器之间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得到故障元僻：候选解集，再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 论述了一种基于正反向推理的电网故障诊断方法。该方法茸先根据跳闸断路器 提出故障假说，然后根据断路器和继电保护动作信息逐一检验假说的正确性，最后给出故障 殴备或故障范嗣，以及在复杂情况f 汁葬故障可信废的方法。 文献 8 首先利用断路器动作信息和网络拓扑分析快速识别山故障区域将故障诊断范 嗣缩小至放障区域内，以提高故障诊断的效率；然后采埘继电保护动作信息完j j 竞故障元件或 故障范嗣的判断。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) 。虽后利用故障状态下的电气信息对不确定继屯保护动作 行为做进一步的诊断。 文献 9 提出了一种运_ l j 布尔函数的逻辑诊断方法，将故障元件、动作保护汞跳闸断路 器三者之间的关系利_ _ | 4 与、戏、非组合布尔逻辑函数的形式，通过专家系统的规| i i i 自动得到 所有的逻辑函数，计算比较函数值最大者作为故障解。但是对于规模比较人的电网要建立一 个完整、上亡确的逻辑函数有一定的斟难。 虽然专家系统能够有效地模拟故障诊断专家完成故障诊断的过程，但是在实际麻h 冲仍 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。如果建立的知识库不完备，可能 导致专家系统推理混乱并得出错误的结论，而知识获取及验证其完备性是比较凼难 的，这在很火程度上限制了故障诊断专家系统的发展。 专家系统在推理时要搜索、匹配知识库内一定的规则集才能得山结论，所以当系统比 较大时完成诊断的速度将非常慢。实用的故障诊断专家系统通常只有1 0 0 条3 0 0 条 规则。 当网络的结构或自动装置的配置发生变化时，专家系统的知识库要进行相府的修改， 然丽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，为此必须对知识库 再次进行校核，校核的难度比较人，所以人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。 专家系统的容错能力较差。征故障后保护装置或断路器错误动作的情况f ，专家系统 因缺乏有效的方法讽圳错误信息，容易造成诊断错误。 1 生这些局限性中前面4 点是由专家系统的结构所决定| 1 勺，不容易得到根本解决；而最 后一点可以通过将专家系统与模糊理论结合起来。对知识进行模糊雒理得剑改善，这也是 河海人学硕i 学化论文第l 章绪论 家系统近儿年发展f f j 主要趋势。 2 基j 二人1 ：神经网络原理( a n n ) 的故障诊断方法 人i ：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一i ：誓n 能技术，在故障诊 断问题领域中主要使h j 前向型神经网络完成模式识别与函数拟合功能。与专家系统相比，人 一l ：神经网络最大的特点是采川神经元及它们之间的有向议重连接米隐含处理问题的知识，并 具有学习能力在确定了a n n 的基本结构后，运用学习算法对训练样本进行u i l 练，一- r 以实现 知l 识的自我组织；在学习完成之后，还具有一定的泛化能力；神经网络容错能力比较强，即 使输入信号带有一定的干扰噪声，仍能给出l e 确的输出结果；神经元之间的计算具有相对独 立性，便丁爿：行处理。因此a n n 的执行迷度快。 文献 1 0 采用两个并列的三层b p 神经网络完成故障信息向量与故障位置向鼙之间的 舣向函数拟合，然后第三个b p 网络进行舣向推理结果的综合。该方法对继电器希1 断路器 必灵的情况以及数据传输过程中的错误均有较强的容错性，但作者没育给山生成训练样本的 系统化方法，由于该方法的神经网络面向全电网所有元t l ：，所以a n n 的规模会随系统规模变 大而急剧膨胀。而且该方法不能自动适应网络拓扑的变化。 文献 1 1 针对面向全电网的神经网络规模巨大的问题，提出了一种基丁 分层a n n 的快 速故障诊断方法，将整个系统分成多个子神经网络。这不仅降低了训练难度，而且通过并行 进行计算提高了诊断的速度，但是如何将电网合理的划分成若干子网是复杂的优化问题，实 现起来有一定的困难。 文献 1 2 论述了利用人t 神经网络和元件关联分析进行电网故障诊断。作者采州面向对 象的a n n 模型。将电力系统的元件分为三类，即线路、变压器矛i 母线，对每类元件都采胴一 个特定的a n n 处理其报警信息。通过网络拓扑信息将同一跳闸区域中各个元件a n n 的诊断输 出综合，确定故障位置。该方法所使朋的a n n 规模小，故障识别计算方法简单易行。 a n n 在故障诊断中应用的主要问题为： a n n 在使用之前需要夫蕈的、有代表性的样本供其学习，且学习算法收敛的速度一 般比较慢。学习完成之后，如果系统结构发生变化，则需要增加新的样本重新学习。 对运行人员米讲，a n n 的工作过程是一个黑箱，通常只能给山一个介于0 l 之问 的数字作为输出，对诊断结果缺乏解释能力，不利于运行人员理解诊断结果也不 能提供信息帮助运行人员推断不止常动作的装置。 3 基于优化算法的故障诊断方法 此类方法的基本思想是寻找最能解释故障信息的故障假说。诊断时首先从假想故障山 发，通过逻辑分析推算出继电器与断路器的期望状态，再以实际故障信息与期望状态之间的 差异作为目标函数，通过优化算法找至使差异度达到最小的故障假说，并以此作为诊断结论。 _ l j 优化算法解决障诊断问题的最大优点是可以列出数学模裂，但它属于反向推理分析、计算 速度较慢。此类方法中包括模拟邋火算法、禁忌搜索( t a b us e a r c h ) 、遗传算法等，其中以 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 最具代表性。 文献 1 3 1 5 首先通过比较故障前和故障后网络拓扑结构，确定故障区域以减小搜索空 间。然后根据故障元件、继电保护动作信息、断路器跳闸信息之间的逻辑关系，把故障诊断 问题表示成0 - i 整数规划问题，采_ l j 遗传算法寻找最能解释故障信号的故障假蜕。在复杂故 障域存在保护和断路器误动作的情况f ，方法能够给山全局摄优或局部最优的多个可能的诊 断结果，在一定程度上解决了保护信息不完整时的电力系统的故障诊断问题。作者还给山j 基丁：关联分析自动生成适应度函数的方法。 文献 1 6 考虑剑当时我国的一些电力系统的自动化穰度较低，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网故障诊断方法。首先应用无源信息识别故 障区域，然后构造了只利j | j 符类保护动作时段内的断踏器跳闸的分段时序信息识州故障元件 列海人学硕j 学位论文 第】币绪沦 的o l 规划模型，最历利川遗传葬法求解故障设备。 文献 1 7 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 台闸这一项，使得判别更加准确。系统接收到录波信息后，利崩付氏算法求得电压、l b 流的 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，再根 据继叱保护的整定值推导保护是否应该动作。 文献 1 8 论述了处理电网故障诊断中两类不确定性阚素的方法。提出了基于模糊外展推 理( f u z z ya b d u c t i r ei n f e r e n c e ) 的电网故障诊断的一种新的模型，方法可以同时计及保 护和断路器动作的不确定性，以及调度中心中收到的保护和断路器的警报信号的正确性和未 收到的警报信号实际出现的可能性。 遗传算法从优化的角度山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。但是如 何建立合理的输电网络故障诊断数学模型是使j j 遗传算法的主要“瓶颈”，此外随机类优化 算法的共同缺陷是收敛速度较慢，用于实时诊断有一定的难度。 4 基于模糊理论的电网故障诊断 模糊理论( f u z z yt h e o r y ) 是将经典集台理论模糊化引入语言变量和近似推理的智能技 术。一般模糊系统的结构与专家系统的结构类似，由模糊知i = f ；! 库、模糊推理机和人机界面等 儿部分组成，也可以蜕模糊系统是模糊理论与专家系统的结台。模糊理论任以f 两方面可适 应不确定性问题：其模糊知识库使用语言变量来表述专家的经验，更接近人的表达习惯；模 糊理论能够得到问题的多个可能的解决方案，并可以根据这些方案模糊度的高低进行优先程 度排序。输电网络故障诊断的不确定性主要是由保护或断路器误动、拒动，信道传输- f 扰错 误，保护动作时间偏差等因素造成的。这些不确定因素对于要求严格匹配搜索的专家系统采 说很容易导致错误的结果。当在专家系统中融入模糊理论后，在相当程度上增强了专家系 统的容错性。模糊系统的另一个功用是可以用来解释神经网络的输出，在一定程度上弥补神 经网络不具备解释能力的弱点。 文献 1 9 提出了进行模糊推理的专家系统，作者认为输入信息是确定的。但是故障与动 作的保护装置之间，动作的保护装置与所控制的断路器之间的关联关系是不确定的，用一个 介于o l 之间的数表示。对于可能的故障位置，寻找由故障点到报警信息的通路，将可能 的故障点与动你的保护装置之间，动作的保护装置与所控制的断路器之间关联关系的模糊度 台成就能得到该位置故障的可能性量度。然后作者根据对故障位置的估计进行反向推理，判 断继电器和断路器的拒动与误动情况。该方法简单有效，可以较为准确的判断故障位置。 文献 2 0 在文献 1 9 的基础上构造构建了代表电力系统故障元件、继电器、断路器之 间模糊关系的因果网络。给出了故障与动作的保护装置之间，动作的保护装置与所控制的断 路器之间模糊关系的隶属函数，并针对故障信号传输过程中污染问题构造了基丁j 逻辑分析的 错误遥信侦测器。 由于一般的模糊系统采川了与专家系统类似的结构，所以它也具有专家系统的一些i 捌有 的缺陷”l ： 模糊系统在推理时也要搜索知识库内一定的规则集才能得山诊断结论，所阻当系统 比较大时完成诊断的速度也比较慢。 当输电网络的结构或自动装置的配置发生变化时，模糊系统的知识库或相关规则的 模糊度也要进行相应的修改即模糊系统也存在维护的问题。 模糊系统也不具备学习能力。 总之，模糊理论与其他人i ：智能技术结合构成的诊断系统虽然可以增强处理不确定性的 能力，在一定程度上提高诊断的准确度，但是它不能完全消除专家系统所同有的缺点。 5 基于p e t r i 网络的电网故障珍断 河海人学坝i 学位论史 第l 卷绪论 p e t r i 网络( p e t r i n e t ) 是在1 9 6 0 年1 9 6 2 年间由德国数学家c ap e t r i 捉“l 的一种 通川的数学模型，它以描述系统。p 再元件之间的芙系为基础，朋网络米表示系统中同时发生、 次序发生或循环发生的各种活动。p e t r i 网络的结构以及跃迁的激活和执行不仅可以图形 直观地表示出来，而且可以j j 矩阵运算米描述。这一特点使得它可以对同时发生、次序发生 或循环发生的各种活动过程进行定性和定量的分析，所以p e t r i 网络是研究和模拟系统同时 发生、次序发生或循环发生的各种活动的理想【二具。 文献 2 1 论述了将p e t r i 网络j _ | _ j 于屯网故障诊断基本方法，p e t r i 网络以描述系统中各 元件之间的关系为基础，删网络米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、备类继电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。该方法以输电网络中的元件为 单位，首先确定故障切除过程的p e t r i 网络模型，进而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 动作时间不准确等囚素时适应性受到影响。 6 多种智能方法相结合的电网故障诊断 上述的各类方法各有优缺点，为扬长避短不少学者采了综合法。 文献 2 2 开发了基丁神经网络和专家系统相结合的变电站报警处理系统，该系统以线 路、变伍器、母线为核心元什，构造按元件类型米分类的网络诊断模块，同时利用专家系统 的推理判断能力，对神经网络的某些诊断结果进行修正。 文献 2 3 提出了一种利川神经网络专家系统的故障诊断实现方式。该方案采 i 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台式的神经网络专家系 统。故障诊断的知识库由a n n 的连接权矩阵来表达，e s 负责输入输出和解释功能。电网拓 扑结构和保护配置t 4 框架知识表达法形成电网静态知识库。 文献 2 4 提山了一种合理利用故障时上传信息，将优化算法和专家系统相结合的l 乜网故 障诊断方法。电网故障信息管理系统收集故障时上传的继电保护动作信息利录波文件信息， 故障诊断系统根据故障信息首先确定可能故障区域，然后利用优化算法诊断出故障殴备，最 后利用专家系统对继电保护和断路器动作行为进行分析。作者对优化算法所h j 的目标函数进 行了修改，提山了贡献因子的概念，使诊断结果更为准确。 1 3 小结 电网故障的核心问题是如何将描述电网故障的知识与各种a i 方法有效结合起来，以故 障信息为依据做出合理的判断。从逻辑分析的角度讲，电网故障诊断的分析方法可分为正向 推理与反向推理两种。前者通过对故障信息的计算获得故障元件假说，后者在故障设备集台 中寻找毋能解释故障信息的故障元件假说。上述诊断方法中，专家系统、神经网络、模糊逻 辑、p e t r i 网络均是正向推理方法，优化算法属于反向推理方法。止向推理的处理速度较快， 但对于输入信息不确定性的耐受力较低在输入信号被污染的情况，正向推理有可能失效。 反向推理的处理速度较慢，用于实时诊断有一定的难度，但该方法对丁输入信息不确定性的 耐受力较强，在一定程度上可以克服信息中包含的差错。 l _ 4 本论文的主要工作 本文研究了根据系统故障厉s c a d a 、r m s 系统收到的故障信息，运用人上智能方法诊断 故障元件的方法。日前国内外一般单独采埘上述各种方法之一进行诊断，造成以f 两点不足： 1 )故障诊断氍序难以全面实现诊断、评价和解释三种基本功能。 2 )故障诊断榉序对故障信息不健全的耐受力有限，当故障信息7 望铡污染或部分丢臾 州海人学硕l 学位论文筇1 章绪沦 时诊断得出的结果或者误差较人或者嗣蹦有多个可能的解。 【篝i 此有必要进一步研究综台正反向推理的诊断方法，本文在这些方面做了一些i ：作， 主要内容如r ： 1 根据继u 保护基奉原理，分析了适川1 二故障诊断问题的网络拓扑描述。 2 对已有的三种典型方法：神经网络法、专家系统、优化算法在电网故障诊断中的运川进 行了详细介纠，分析了它1 各自的优缺点，并结合实验系统进行了仿真。 3 ，针对遗传算法收敛速度缓慢的问题，结合电网故障诊断问题的特点，对算法进行了改进。 在适应度函数 _ i 动生成、适应度计算、高效初始种群的生成、进化提前终止等方面可以 采j j 的技巧进行了讨论。 4 在专家系统诊断方法中，综合考虑时间与空问两方面的因素完善了可能性模糊隶属函 数，使其可以较为精确的刻画对同一故障设备起保护作_ i _ f 的各种继电器与断路器动作可 能性。 5 根据现有的g s 、a n n 、g a 三种诊断方法在推理方向、诊断速度和不确定性处理上各自的 特点，本文提山了以故障信息是否受到污染为依据合理调度上述三种手段实现故障诊断 的综合法。面对受到污染的故障信息，该方法模仿人类专家的正反向推理过程，在故障 信号与可疑设备集合之间从正反酣个方向上进行推理分析，最终通过容错表决得出诊断 结论。方法不仅可以实现故障诊断的全部功e 而且可以判断故障信息是否受到污染、是 否具备可诊断性，较之于单一方法诊断精度高、计算时间增加有限，将有助下推动计算 机电网故障诊断的实川化。 6 利用d e l p i i l 7 0 编释工具和s q l s e v e r 2 0 0 0 数据库，结台m a t l a b 6 5 1 数学1 一具编写r 仿真软件。该软什采用面向对象的思想编写，加以修改后可用= 丁二实际运行。 州海人学锨f 学位论殳 第2 带i 也州故障跨断的一些艰木璺亟 第2 章电网故障诊断的一些基本问题 人_ ：智能方法1 1 ：电网故障诊断时，将涉及到电力系统继电保护0 拓扑分析等一些基础 内容，本章集巾对它们进行分析。 2 1 电力系统继电保护简介 电网故障诊断的主要依据之一是继t h 保护装置的动作信息，了解电力系统继i u 保护的基 本原理是进行故障诊断的必要条件。 在整个电力生产过程中，由于人为冈素利白然的原田会发生各种故障平| i 出现不正常的运 行状态。故障会使设备烧坏、烧毁，并引起电力系统中l b 压f 降，使火量用户的i e 常一l ：作遭 受破坏，甚至破坏电力系统各发电厂间并列运行的稳定性，造成系统瓦解、瘫痪。 继电保护是一种能反映电力系统故障平| 1 不正常运行状态，并及时动作 二断路器跳俐或发 山信号的自动化设备。其任务是自动、迅速有选择性地切除故障设备，使无故障部分恢复1 | ：= 常运行，使故障部分免道破坏。对电气设备的不正常状态。继电保护设备根据运行维护条件 动作于发信号，减负荷或跳闸。 2 1 1 屯力系统继电保护的基本要求 继电保护在技术上一般应满足四个基本要求：即选抒性、速动性、灵敏- 胜和可稚性。 1 选择性：继电保护动作的选择性是指保护装置动作时仅将故障设备从电力系统中 切除，使停电范丽尽量缩小，以保证系统的无故障部分仍能继续安全运行。 2 ，速动性：快速地切除故障可以提高电力系统并列运行的稳定性，减少h 户t ( _ l = 低电压 情况f 的l ：作时间，减少故障设备的损坏程度。囡此，在发生故障时，力求保护装 置能迅速动作切除故障。但是在一些情况f ，电力系统允许切除故障时带有一定的 延时。 3 灵敏性：继电保护的灵敏性，是指对于保护范围i j 发生故障或不止常运行状态的反 映能力。满足灵性要求的保护裟置，在事先规定的保护范围内部发生故障时，不论 短路点的位置在何处，短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，都应敏锐感 觉、正确反应。保护装置的灵敏性通常用灵敏系数米衡揖，它主要决定于被保护设 备和电力系统参数与运行方式。 4 ，可靠性：保护装置的可靠性足指在所规定的保护范围内，发生了它应该动作的故障 时，保护不应该拒绝动作；而在该保护不该动作情况f 不误动作。可靠性包括两方 面内容：可靠的不拒动和可靠的不误动。为了保证继电保护的可靠性，必须考虑继 叱保护和断路器拒绝动作的可能性。 按照上述前三点标准，可将继电保护划分为主保护与后备保护两大类。 土保护是指那些原理上具完全选择性的保护，它们动作不经延时而且对区内任何位置的 故障均有足够的灵敏度，如线路纵联保护与主设备的差动保护。 后符保护是指原理上不具备完全选择性的保护，它们需要通过相邻装置之间在保护定值 上的配台来实现选择性。后备保护义可分为两类：第一类后备保护作为本设备主保护的后备， 其动作定值高、灵敏度低、动作不经延时、只能保护本设备的部分范同，如l 乜流速断保护； 第二类后备保护作为本殴赫与相邻设备的后备，其动作定值低、灵敏度高、动作经延时、可 7 河海人学倾”掌位论文第2 章i 乜阿故障诊断的蝗璀奉问题 以保护本设备的全部范嗣以及相邻设箭的一部分，如过流一、二段。 后矫保护的选择性、迷动性与灵敏性指标均不如主保护，理想情况f 设备故障将由其丰 保护切除，只有当主保护拒动或相邻设备的断路器失灵则后备保护才会动作，装改后 保护 的目的是提高继电保护的可靠性。主保护虽然原理完善，但速动性的要求使其必须在故障的 暂态故障过程尚未结求时就做出判断，强烈的电气暂态分量恶化了，保护的工作条件：厉备保 护相对较氏的动作延时使它可以从容地利j j 故障的稳态电气量进行判断，因此更加可靠。文 献 2 对我国变压器荠动保护与复合【b 压过流保护运行可靠性的统计对比充分说明了这一 点。 在土、后备保护配置完整、整定合理的l 睦力系统中，任何设备均处在其亡l 身的主、后备 保护以及相邻元什后备保护的交叉保护之f ，从而减小了故障不能被切除的可能性。 2 1 2 我国继电保护的典型配置 历史上我国电网构架薄弱一次设备制造质簧不够理想，往往需要依靠二= 次设备改善系 统安全可靠运行指标，因此对继电保护技术比较重视，并在该领域内取得r 丰富的成果。我 国电网中装没了种类齐全的保护设备，电力监管部门颁布了详细的保护配置、整定、运行标 准。对丁：输电网中线路、变压器、母线三种常见设备的保护配置有明确规定，这里简单陈述 如下： 1 输电线路：输电线路的主保护是纵联保护，可在全线范围内无延时快速切除故障。输电 线路的后备保护是带有方向性的相间距离、过流保护和零序距离、过流保护。输i 王线路 保护装置还有一些其它的功能：重合闸、后加速、断路器失灵判别。输电线路保护的特 色是两侧保护之间有很强的相互配合关系，并且保护配置双重化。 2 变压器：变压器f | 勺主保护是羞动保护与瓦斯保护。差动保护按照电流流入与流出是否平 衡判断故障瓦斯保护又称非电量保护，动作于变压器油箱与油枕间油流速度。变压器 的厉备保护是复合电压闭锁的相间过流保护和零序电压闭锁的零序过流保护。对终端配 电变而言，其后备保护只反映变压器自身与低压侧山线的故障：对电网联络变而言，变 压器厉番保护有时还要作为其它设备的后备保护，具体的鹅定方案要视电网的具体情况 而定。变压器保护也判断断路器失灵，但没有莛台闸与后加速。 3 母线：母线保护配置比较简单，母线差动保护是其主保护，变压器或线路后备保护是其 后备保护，母线联络( 分段) 断路器上还配有短时投入的母线充电保护。1 l o k v 以上母 线如聚出线数超过a 同，还要配置母线断路器失灵保护，负责当母线外接支路断路器失 灵时将该段母线的全部断路器跳开。 保护制造厂家按照上述典型配置生产成套保护装置，这些保护装簧【由含有为完成保 护功能所必须的继也器，由调度根据电网的贝体情况进行整定。我国继也保护配置的指 导思想是完善主保护，简化后备保护。 2 1 3 我国继电保护的整定原则 继电保护装置能否发挥积极作 h 。与电网结构及一次瑷备f i 勺布置是否合理、定值整定 是否正确密切相关。我国电力行业国家标准规定：电网继电保护的运行整定，应以保证电 网全局的安全稳定运行为根本目标，电网继电保护的栏定应满足速度性、选择性和灵敏性 要求。 主保护整定着眦丁二设备自身故障冈而相对简单，后备保护在整定值上需要考虑与其邻 接元件保护的配合田此相对复杂。r 面以输电线路后备阻抗保护为例况明这种配合关系 ( 过流保护整定原则与相同) 。 河潍人学顺f - 学位论文 第2 章小叫故障玲断的一蚰耻奉问题 一 1 2 0 。1 5 0 t 3 85。90一t2 t 2 r n i “ k 度 阁2 - 1 ：三段式距离保护的作川原理 为了满足可靠- 陛、速动性、选择性和灵敏性的要求，距离保护目前广泛使州具有三段动 作范围的阶梯形时限特性，如图2 - 1 所示，并分别称为距离保护i 、i i 、i i i 段。距离保护 的i 段瞬时动作，是保护的嘲有动作时间，为防l e r 级线路山口短路时灾去选抒性，i 段的保护范围只能整定为本线路全欧8 0 8 5 。为切除本线路末端1 5 2 0 范围以内的故 障，需要设置距离保护i i 段，它整定值的选择不超出下一条线路距离i 段的保护范用，同 时带有高山一个f 的时限以保证选择性。为了作为相邻线路保护装置或断路器 ! i 勺后备保护， 同时也作为距离i 段和i i 段的后备，还应该装没距离保护第1 i i 段，其房动阻抗一般按躲 最小负荷阻抗来整定，动作时限需要在f 级二段理之上再加一个f 。 2 2 面向对象的电网知识表示 _ 【_ j 计算机进行i 毡网故障诊断的前提是将与故障诊断相关的电网“知识”输入其中。 2 2 1 电网故障诊断的信息需求 电网故障诊断需要使川三种信息：保护配置信息、设备邻接信息利故降信息，f 面结合 图2 - 2 说明： b 1b 3 l c b l l 1 c b 2c b 6c b 7 l 3 l 一一 1 - j i 一 b 2i jc b 5 l 。8 3 l 2 c b 4 c b 8 i4 c b 9 i b 4 一墨吕一 幽2 - 2 ：输电网局部 陶2 2 是输l u 网n 勺局部，b 3 与b 4 通过c b 5 绷成单堪线分段接线，两段对线i j j ：接前列 州海人学硕+ 学位论文 筇2 尊e 1 3 嘲故障诊断的一挡缺奉问题 条线路与一台主变，母线b l 、b 2 、酾、b 6 柱其它站内，b 7 是主变另一侧母线，幽中b l 、b z 、 b 5 、b 6 、b 7 均接有l b 源。 1 )保护配置信息 保护配置信息是指电网中各设备受哪些保护装置的保护，每台保护装置由哪儿种继电器 组成，以及这些继l b 器的投退状态与动作范围。保护配置信息是电刚故障诊断的主要依据之 一，当组成i 也网的一次设备确定后，保护配镶也就随之基本确定。保护配置信息可以从s c a d a 系统数据库中直接读取。 2 ) 邻接信息 邻接设备是指与本设备具有电气联接关系的其它一次设备，邻接信息是指这科；联接的具 体路径，以图2 - 2 中的b 3 母线为例，它的邻接设备与邻接路径如下： b 3 一 c b 2 一) l 1 ： b 3 一 c b 6 一 l 3 ： b 3 一 c b 5 一) b 4 一) c b l 0 一) t 1 ； b 3 一) c b 5 一 b 4 一 c b 4 一) l 2 ： b 3 一 c b 5 一) b 4 一 c b 8 一 i ，4 ： 邻接信息对故障诊断之所以重要，是因为一个设备的故障信息不完全体现在它自身的断 路器与保护动作信号中，根多情况f 它会蕴涵在邻接设备的故障信号中。这是口= 1 为出于可靠 性的考虑，相邻元件问后备保护的动作范同需要相互重叠，以防【l 保护或断路器拒动造成故 障无法切除。因此电刚中各元件除了装设有动作于自身故障的主保护之外，还具有能够反映 邻接设备故障的后备保护。以图2 2 为例，当图中全部断路器均台闸时，如果b 3 母线故障 并且其羞动保护拒动时，故障将由l 1 后备保护二段跳开c b l 、1 2 后备保护二二段跳开c b 3 、 l 3 后备保护二段跳开c b 7 、l 4 后备保护二段跳开c b 9 以及t l 后备保护二段跳开c b l o 延时 切除。 电网结线方式确定后，任一设备的邻接设备也就随之确定。邻接设备必然足本设备的周 边设备，但邻接关系是否成立还要取决于邻接路径中断路器的位置，仍以b 3 为例当c b 5 断 开时，b 3 与t l 、l 2 、l 4 不再具有邻接关系。用计算机实现电网故障诊断时需要自动生成设 备的邻接信息，并根据网络运行方式的变化修改。 3 )故障信息 在本文中故障信息是指断路器位置变化信息与保护动作信息，由$ c a d a 、r s 系统提供。 2 2 ，2 电网知识的计算机表示 从故障诊断问题的角度山发，可以抛开各种设备的具体参数不谈，将输电网看作是由竹 点与支路联接而成的无向图，保护继电器隶属于节点与支路，监视它们的状态。这里箝点是 指各电压等级的母线，支路是指处在这些母线之问的设备如线路与变压器，支路与节点问是 否榴联取决于支路的断路器是否闭合。 h j 面向对蒙的方法分析，可以从支路、：牲点、保护的概念抽象出“支路类”、“母线类”、 “继l 乜器类”，具体的支路、1 7 点、继电器足这些类的对象，电网信息可以用对象数组存储。 1 )支路类：支路类族关系蹦如f ： 0 第2 章i u 随嫂障渗断的。驰某奉l q 题 阁2 - 3 ：支路类族关系图 利川面向对象方法r | 1 的继承方法，将各种支路的共同属陛抽象出米构成支路类，