（电力系统及其自动化专业论文）基于故障群组合优化的变电站故障诊断.pdf

a b s t r a c t i ti s i m p o r t a n tf o rp o w e rs y s t e mr e s t o r a t i o nt oi d e n t i f yt h ef a u l ts e c t i o n ，w h e n f a u l to c c h r s t h et a s kb e c o m e sc h a l l e n g i n gb e c a u s eo fs o m ep r o t e c t i v ed e v i c e n o n - o p e r a t i o n so rc i r c u i t b r e a k e rn o n o p e r a t i o n sa n ds o m ef a u l t so fs e n s o r sa n d c o m m u n i c a t i o n e q u i p m e n t a n e wm e t h o df o rf a u l td i a g n o s i sb a s e do n o p t i m i z i n g t h e c o m b i n a t i o no ff a u l t - m a s s e si sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r p r o t e c t i v ed e v i c en o n - o p e r a t i o n sa n dc i r c u i tb r e a k e rn o n - o p e r a t i o n sa r et h o u g h t a sf a u l t s o n eg r o u pm a d eu po faf a u l ts o u r c ea n ds o m er e l a t e dp r o t e c t i v ed e v i c e n o n - o p e r a t i o n so rc i r c u i tb r e a k e rn o n - o p e r a t i o n si sc a l l e df a u l t - m a s s ；a n das e r i e so f s y m p t o m sr e s u l t e df r o maf a u l t - m a s si s c a l l e ds y m p t o m - m a s s e a c hf a u l t - m a s si s c o r r e s p o n d i n gw i t has y m p t o m - m a s sa n daf a u l tb l a c k - o u tf i e l d t h ee n t i r ef i e l do f s u b s t a t i o ni sp l o t t e di n t om a n yf i e l d sr e p r e s e n t e db yn o d e s ，w h i c ha r ec o n n e c t e dw i t h o t h e r sb yb r a n c h e s ，a n da l lp r o t e c t i o n sa r em o d e l e db yt h ep r o t e c t i o nm o d e l f a u l t s a r es e ta n d a n a l y z e db a s e do nt h i ss u b s t a t i o nn e t w o r k , s of a u l ts y m p t o m so ft h ef a u l t s a r ea c q u i r e d t h e c o n c e p to f e f f e c t i v ef a u l t - m a s si sp r e s e n t e dw i 也t h e h e l po f t h ek n o w nf a u l t b l a c k o u tf i e l d sa n df a u l ts y m p t o m s , a n dt h ef a u l td i a g n o s i sp r o b l e mi st r a n s f o r m e d i n t om a t c h i n gt h ek n o w nf a u l ts y m p t o m sw i t l ls o m ee f f e c t i v ef a u l t - m a s s e s c a n d i d a t e a n s w e r sa r ee v a l u a t e db yt h ef i t n e s sf u n c t i o n ，a n dt h eg e n e t i c a l g o r i t h m i sa d o p t e dt o s e a r c ho u tt h eo p t i m a la n s w e rf r o mt h ec o m b i n a t i o n so f e f f e c t i v ef a u l t - m a s s e s t h e d e v e l o p e dm e t h o d o l o g yh a st h ea b i l i t yt od e a l 、j l r i mc o m p l i c a t e df a u l t s a n d t h ed i a g n o s i sr e s u l t si n c l u d en o to n l yf a u l ts o u r c e s ，b u ta l s od e v i c en o n - o p e r a t i o n s a n d m i s s i n gs i g n a l s i t i sb e n e f i c i a lf o r t h e o p e r a t o r s t oc o n f i r mb r o k e n d o w n c o m p o n e n t sq u i c k l y k e y w o r d s ：s u b s t a t i o n ；f a u l td i a g n o s i s ；f a u l t m a s s ；c o m b i n a t i o no p t i m i z a t i o n 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和取得的 研究成果，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，也不包含为获得苤凄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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名乏孑脚签字日期：翮年2 月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：鸳纠导师签名：毖炳良 签字日期：硼年三月p 日 签字日期：珈u 年f 月日 第一章绪论 第一章绪论 在现代化的社会中，用户对电能的可靠性和质量的要求越来越高，电力系统 发生故障时，要求调度人员能够迅速准确地判别故障元件和故障性质，及时处理 故障，恢复电力系统的正常运行。然而由于某些原因电力系统的故障却是不可避 免的。为了确保系统安全稳定运行，增强供电的可靠性和质量，必须快速实现电 力系统的故障诊断，以便于事故后的快速恢复供电和设备检修，这就需要有一个 优质的电力系统故障诊断系统。近年来，随着用户对电能的需求量不断增加，电 力系统规模在不断扩大，使得电力故障诊断更为重要，而各种监控设备在电力系 统中的应用又为故障诊断提供了必要的条件。当电力系统发生故障后，所有相关 的监控设各均会产生相应的报警信息送至控制中心，尤其是电力系统发生复杂故 障或自动装置动作不正常时，情况更加严重，可能在极短时间之内有许多条报警 信息涌入控制中心，这远远超出了运行人员的故障处理能力。因此在电力系统发 生故障时，个快速、准确的电力系统故障诊断系统对于运行人员快速确定故障 元件，以便尽快恢复系统运行，缩短故障停电时间有着重要的意义。 1 1 国内外研究动态及发展水平 电力系统故障诊断主要是对各级各类保护装置产生的报警信息、断路器的状 态变化信息以及遥测量信息进行分析，根据保护动作的原理、保护动作的逻辑关 系和运行人员的经验来推断可能的故障元件和故障类型。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中得到了广泛的应用。目 前国内外已经提出很多种方法，主要包括：专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 、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 ) 、优化技术( o p t i m i z a t i o n ) 、粗糙集理论( r o u g hs e t t h e o r y ) 及基于p e t r i 网( p e t r in e t ) 的方法等。 专家系统是人工智能领域应用研究最活跃和最广泛的课题之一，用来解决某 一特定领域中难以用精确数学模型表示的问题。专家系统是一个智能计算机程序 系统，其基本思想是让计算机能够存储某一领域的专门知识，并能像专家那样有 效地利用这些知识去解决该领域的复杂问题。专家系统在电力系统中得到了越来 越广泛的应用( 如故障诊断、故障恢复、负荷预测、报警系统等) 。当电力系统 发生故障时，要求运行入员快速、准确地刿断出故障的原因、地点及敞障元件等， 第一章绪论 专家系统能够帮助运行人员完成这一任务。专家系统在这一领域中的典型应用是 基于产生式规则的系统，主要由数据库、知识库、推理机组成，其中数据库的信 息包含有断路器的开合和继电保护的动作等信息，把保护装置、断路器的动作逻 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【1 4 ，5 3 ，5 4 1 。文献【1 】提出了基于逻辑推理 的专家系统，仅利用断路器的跳闸和继电保护动作进行推理，既能够对断路器拒 动作出判断，又大大提高了诊断速度。文献【2 】介绍了一种在电力系统故障诊 断专家系统中采用基于正反向推理的电力系统故障诊断方法，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动作信息逐一检验假说的正确性， 最后给出故障设备或故障范围。文献1 5 3 j 提出了基于因果关系网络和规则的知 识表示和推理过程，通过将因果关系网络和推理模型转化成矩阵形式，利用简单 的矩阵运算估计变电站的故障区域文献【5 4 1 提出了一种用于诊断输电网络或 变电站中的故障的模糊专家系统，捌用模糊推理进行故障识别，并区分误操作或 者保护装置拒动，提高了故障诊断系统的效率、通用性、可靠性。 人工神经网络理论( a 】q n ) 是8 0 年代中后期世界范围内迅速发展的一个前 沿研究领域，是一门高度综合的交叉学科，它的研究和发展涉及神经生理科学、 数理科学、信息科学和计算机科学等众多领域，是一种新的信息处理理论。它所 特有的信息处理机制与传统的数字计算机有着本质的不同。a n n 是模仿人脑结 构的种信息系统，可较好地模拟人的形象思维能力。虽然目前的模仿还处于低 级阶段，但己显示出与人脑类似的特点：大规模并行结构，信息的分布式存储和 并行处理：具有良好的自适应性、自组织性、和容错性：具有较强的学习、记忆、 联想、识别能力等。a n n 是一种非线性映射系统，具有强大的模式识别能力， 可以对任意复杂状态或过程进行分类和识别。但是必须首先用反映输入特征量的 大量样本对网络进行学习训练后，才具有这种功能。神经网络模型主要有：三层 b p ( b a c k p r o p a g a t i o n ) 神经网络、h o p f i e l d 神经网络及基于径向基函数的神经网络 等。目前a n n 在电力系统故障诊断中的应用主要在故障类型识别和故障定位两 个方面1 6 。“。文献【6 】对b p 神经网络的容错性进行了研究，以三层前向b p 网 络作为故障诊断的核心，结合专家系统，利用其推理判断能力，对变电站运行方 式进行识别，并对神经网络的某些输出结果进行必要的修正。文献【7 】提出应 用新型径向基函数( r b p ) 神经网络解决故障诊断问题，并将正交最小二乘法扩 展用于优化r b p 神经网络参数，能够有效地解决诊断问题。文献【8 】提出了采 用容错性能较高的h o i ) f i e l d 联想记忆神经网络来完成输电线路的故障诊断问 题。 基于优化技术的故障诊断方法的基本思想是根据保护动作原理将故障诊断 第一章绪论 问题表示为o 1 整型规划问题，然后采用某种优化算法即搜索技术求解a 其理论 严密，而且目前已有了求解0 一l 整型规划的有效算法，因此有很好的应用前景 1 1 2 - 1 6 1 。文献【1 2 1 介绍了利用保护和断路器信息的故障诊断的解析模型，其在数 学上是个无约束0 - 1 整数规划模型，充分利用断路器的跳闸信息，这种模型在 一定程度上解决了保护信息不完整时电力系统故障诊断问题。文献【t 3 1 提出了 基于模糊外展推理的电力系统故障诊断模型，首先将故障诊断问题描述为无约束 0 一l 整数规划问题，然后采用高效的启发式优化技术t a b u 搜索方法求解，具有 在线应用的潜力。文献【1 4 】引入信息理论来研究和处理电力系统故障过程中存 在的不确定性，建立了故障诊断的信道模型；基于信息损失最小原理，提出了适 应于大规模系统不确定性决策的故障诊断新方法，将故障诊断问题转化为求取最 小信息损失的组合优化问题。 近年来有人提出了基于粗糙集理论的电力系统故障诊断模型，主要用来解决 当故障信息不确定或者不完备时的敞障诊断问题。故障信息的不确定性主要是由 两种因素造成的：一种是在故障切除过程中可能存在保护装置及断路器拒动或误 动现象：另一种是在放障信息从故障现场到调度中心的传输过程中可能存在数据 丢失或传输错误等现象f l 叫】。文献【1 9 】运用粗糙集理论研究了因保护装置和断 路器误动或拒动、通信装置的故障等原因造成的不完备警报信号模式下的配网故 障诊断方法，揭示了报警信息集合内在的冗余性，达到了在不完备报警模式下快 速准确地诊断故障的目的。文献【2 0 1 提出了利用基于粗糙集理论的数据挖掘模 型来处理实时输入信息的畸变和实现输电线系统的故障诊断，它是依据粗糙集定 性分析能力对知识域的数据进行分析，粗糙集的约简是通过遗传算法求取的，与 神经网络模型相比，具有更高的容错能力。文献【2 l 】尝试应用粗糙集理论来处 理因保护装置和断路器误动、信号传输误码而造成的错误或不完整警报信号。提 出的方法以决策表作为主要工具，直接从故障样本集中得出诊断规则，并揭示了 警报信息内在的冗余性。文献1 2 2 介绍了利用粗糙集理论进行数据挖掘技术在 电力系统故障诊断中的应用，针对电力系统中与时间序列相关的数据集，提出了 基于粗糙集的时间序列相关的分类规则挖掘算法，利用该算法得到的分类规则， 可以较好地反映条件属性及随时间动态变化对系统状态的影响。 p e t r i 网作为一种新型的网络分析工具晟近得到了长足的发展。p e t r i 网是一 种可以用图形表示的组合模型，同时又是严格定义的数学对象，所以，借助于数 学工具开发的p e t r i 网分析方法和技术，即可以用于静态结构分析，又能用于动 态的行为分析。此外，p e t r i 网以图形方式插述系统，可使系统的复杂逻辑关系 形象化，便于理解：并可以通过变迁发生机制描述系统内部的并发性、竞争性。 近年来p e t r i 网被应用于电力系统故障诊断领域，取得了良好的效果 2 7 - 3 3 , 5 5 】。文 第一章绪论 献 2 7 1 讨论了变电站故障诊断的p e t r i 网模型，计算冗余嵌入p e 埘网的错误伴 随式矩阵，利用电力系统实时离散事件探讨了一个具体变电站故障诊断方法。文 献【2 8 】论述了利用模糊p e t r i 网络进行知识表示及推理的矩阵运算算法，并将 其应用于电力变压器故障诊断中，描述了故障征兆与故障的关系，使用了比传统 专家系统更深的知识，减少了诊断时间。文献 2 9 】从离散事件动态系统角度考 虑电力系统接线分析问题，提出了基本分析单元的有色p e t r i 网模型以及基于该 p e t r i 网的结线分析算法，p e t r i 网中的令牌代表结线分析中的结点，令牌的颜色 表示连接在同一个节点上的元件，变迁将包含相同元件的结点连接在一起。文献 【3 0 】在运用p e t f i 网进行建模的同时，也利用概率信息来处理电力系统故障诊 断中不确定性因素的问题，进而研究如何对电力系统全网进行有效地故障诊断问 题，并提出了相应的算法。文献 3 1 】给出了用模糊p e t r i 网模型来表示变压器 故障诊断专家系统中模糊产生式知识库的方法，在此模型基础上给出了有效的推 理算法。 近年来有的研究工作者考虑到故障信息的传输在时间和内容上的不同，从实 时性和灵活利用信息的角度出发，将故障信息分为不同的层次，并提出了分层信 息的故障诊断方法【3 ”司。文献1 3 5 1 论述了基于g a 的分层信息故障诊断方法的 流程，分层信息是指在不失信息的完整性和可靠性的基础上，把采集信息按目前 电力系统通讯规约在时间优先级的规定划分为遥信变位、遥测、录波三层。文献 3 6 1 提出了一种合理利用采集信息进行分层故障诊断的方法，对在复杂故障情 况下利用故障录波信息做进一步诊断的方法进行了研究，提出了虚拟保护的诊断 思想，并建立了相应的诊断模型，有效地弥补了利用开关、保护信息诊断的局限 性，利用组件对象模型和动态链接库技术建立了通用的、可共享的诊断系统。 同时对于大规模电力系统的故障诊断问题，由于大规模电力网络的信息量特 别大，尤其是在保护和断路器不正常动作或多重故障的情况下，故障诊断要保证 速度和精度尤为困难。由于故障诊断具有局域性，故分布式人工智能系统在大规 模电力系统的故障诊断问题上将优于传统的集中式故障诊断系统1 3 7 4 n 。文献【3 7 】 提出了一种用于分布式故障诊断系统的有效的网络分割法，能够将大规模电力网 络分割为给定数目的连通子网络，各个子网络的故障诊断负担基本相等，同时每 个予网络边界元件的数目最小。文献【3 8 】建议使用分布式智能系统解决大规模 电力网络的实时故障诊断问题，并为此提出了一种新的基于最小度排序的图形分 割方法，它能够将大规模电力网络有效地分割为给定数目的连通子网络，然后用 径向基函数神经网络完成各个子网络的故障诊断。文献【3 9 1 针对分布式应用系 统，捉出了一种分层模块化设计方法及模块问故障变量传播的搜索模式，并结含 电力系统对分层模块化搜索模式的应用、特点作了进一步探讨与分析，利川人工 4 第一章绪论 智能技术综合处理电力系统中存在的大量实时故障信息，实现故障诊断的综合优 化和联合决策。 由于各种人工智能技术都有其自身的优缺点。单独使用一种智能方法解决电 力系统故障诊断问题都有其局限性，有时达不到很好的效果。目前，国内外很多 研究工作着已经着手研究用两种及两种以上的智能方法混合来求解电力系统故 障诊断问题，已取得很好的效果【4 1 4 “。文献【4 1 】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的专家系统进行故障诊 断的新方案，并尝试将分布式问题求解方法用于电力系统故障诊断问题。文献 4 2 】在提出了电力变压器绝缘故障诊断概率模型的基础上，又以统计数据为依 托来考察故障与征兆之间的相互关系，考虑了在征兆提取中的模糊边界问题，比 仅用概率推理或模糊数学的方法更能真实的反映故障诊断的特性。文献 4 3 1 介 绍了采用a n n 和e s 的变电站故障诊断系统，充分利用e s 的推理能力和a n n 的学 习能力，系统首先采用e s 对故障报警信息进行预处理，再用a n n 方法确定故障 情况，最后利用e s 评价保护和开关的动作情况。文献【4 4 】提出和构造了4 类 不同的r s ( 粗糙集) 与n n ( 神经髓络) 组合的故障诊断模型，给出了r s 与n n 在4 类模型中实现的不同的互补性、关联关系、应用机理和原则及相应的局限性。 1 2 本文工作目标和内容 通过阅读大量电力系统故障诊断领域的文献资料，发现目前此领域面临的主 要问题就是在故障信息不确定或不完备情况下的故障诊断问题。电力系统故障诊 断中主要有两种形式的数据不确定性问题，一种是故障信息中保护动作和断路器 跳闸的可靠性，另一种是收到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。以上论述的种种方法虽然在某些方面取得了很好的效果，但是目前还 没有一套能较好的同时处理上述两种不确定性问题的系统。虽然基于模糊理论的 专家系统在这方面取得了一定的成功，但是由于模糊系统在推理时也要搜索知识 库内定的规则集才能得出结论，所以当系统比较大时完成诊断的速度会很慢： 而且当电力系统网络结构或自动装置的配最发生变化时，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，即存在维护上的问题。 本文将主要在这方面进行分析和新的探索，提出能有效地处理这两种信息不 确定性问题的故障诊断方法，并使之能满足在线应用在速度和准确性上的要求， 主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 创建变电站故障分析模型，研究变电站区域的划分方法，将变电站j 三 第一章绪论 接线转化成用节点和支路表示的网络结构图； ( 2 ) 为在故障诊断结果中给出可能存在的保护拒动或断路器拒动，将把故 障位置、故障类型及拒动情况一起考虑寻找一种合理的组合方法， 将拒动情况融合到故障源中： ( 3 ) 提出变电站故障分析方法，以获得在特定的故障组合下的故障征兆， 把故障征兆组合与系统收至的报警信号作比较，得到报警信号的错误 信息： ( 4 ) 研究变电站停电区域的划分，并针对具体应用解决故障停电区域的求 解； ( 5 ) 研究有效故障群组合的性质和各种优化方法的适用性，选择种合理 的优化方法，对各种故障组合进行优化，以得到故障诊断解。 第二章故障分析 第二章故障分析 变电站主要有一次设备和二次设备组成，一次设备主要指线路、母线、变压 器及断路器等设备，二次设备则包括继电保护、自动装置及控制装置等设备。在 变电站运行过程中，所有的这些设备都有可能发生故障。变电站故障分析就是在 计算机上模拟变电站故障后的各种行为，获得故障现象。 2 1 一次系统的分析模型 一次系统的分析模型旨在建立变电站一次系统的计算机模型，它是变电站故 障分析的基础，将变电站主接线图转化成便于计算机分析的变电站网络结构图。 2 1 1 节点区域划分 电源i电源2 t b 6 0 b 6l b 3 0 2 b 3 1 2 c ) b 3 1 4 图2 - 1 ：1 1 0 3 5 6 k v 变电站主接线图 主接线足由高压电器通过连接线，按其功能要求组成接收和分配电能的电 路，成为传输强电流、高电压的网络。图2 - 1 所示是简单化的变电站主接线图。 要建立变电站的计算机模型，必须对主接线图进行抽象化。本文用节点和支路来 主| 丽 哪 叭 b r 譬擘哪 指翕 第二章故障分析 表示变电站主接线的连接关系。图2 1 所示的变电站主接线图的网络结构如图2 2 所示。 m 7 n a j e b l b 2 b 4 码 b 5 i 心n , 一- i - & n 。 b 7 b 8 n 8 b 9n i ob ” b 1 9n 1 9 b 2 0 b 玎 b 2 _ l l n 2 4 b 1 2 b l ? n b 1 bh b 2 5b “ b , o 兰n , x 连- - b 3 0 玛8 ，2 li b 3 1 b | 3 图2 - 2 ：1 1 0 3 5 6 k v 变电站网络结构图 变电站主接线圈中主要包括线路( 迸线和馈线) 、变压器、母线、断路器等 设备。在变电站现场中，线路、母线、变压器都占据了一块区域，而变电站的各 种故障主要发生在这一块块的区域中；断路器则是将这些区域连接起来的设备。 变电站主接线图的网络结构图就是通过对变电站进行区域划分形成的。由图2 2 可以看出，这个结构图主要由节点和支路组成。每个节点都对应变电站现场中的 一个区域，我们称之为节点区域。区域之间通过支路相连接。为便于分析，图中 的节点区域没有严格按照线路、母线、变压器进行划分，而是采用了比这更为详 细的划分方法。具体划分方法如下： ( 1 ) 线路：将断路器以下的部分分为近区域和远区域两部分。以6 k v 侧 6 1 l 线路为例，支路b 2 8 表示断路器b 6 1 l ，节点n 2 7 、n 2 8 分别表示线 路的近区域和远区域，两个区域由支路b 2 9 连接，这里支路b 2 9 不代 表任何实际设备，只表示连接关系。 ( 2 ) 变压器：变压器由四个节点和三条支路表示，其中一个节点表示变压 器的内部区域，后面所讲的变压器节点均指内部节点；另外三个节点 分别表示变压器各侧到其各自对应断路器之间的外部区域，三条支路 表示从内部区域到三个外部区域之间的连接关系。如图2 2l = ，+ n ，为 第二章故障分析 内部区域，n 5 、n 9 、n 2 3 为外部区域。 ( 3 ) 母线：从母线到其连接的所有断路器之间包括母线本身在内的所有区 域构成了母线节点区域。图2 2 中，节点n 3 、n 4 、n l i 、n 1 2 、n 2 5 、 n 2 6 均为母线节点。 由以上对节点区域的分析可以看出，支路不表示任何区域，只表示区域之间 的连接关系。这里有两类支路：一类是表示断路器的支路，这类支路的连通状态 可以改变( 这将在下面的支路属性中讲述) ：另一类是状态不能改变，始终处于 连通状态的支路，比如连接变压器内部区域和外部区域的支路、连接线路近区域 和远区域的支路等。 2 1 2 节点和支路的属性 为了便于利用计算机对变电站的网络结构图进行计算处理，定义网络结构图 中的节点和支路在计算机中的表示形式，即定义其数据结构。本文采用面向对象 思想，分另1 j 建立节点类( t n o d e ) 和支路类( t b r a n e h ) 。 t n o d e 类定义节点的属性，包含节点的编号、类型、节点自身故障、节点故 障属性以及用于搜索的辅助标志等。 表。 c l a s st n o d e p u b l i c ： i n t b o o l n d k i n d t s e l i f a u l t t n f a u l t t y p e b o o l 其中： n o d e i d ； l s p o w e r p o i n t ； n o d e k i n d ； ( 1 1 0 k v 、3 5 k v 、 f a u l t ； f a u l t t y p e ； h a s v i s i t f l a g ； f j 节蠡。獒 ，节点编号 是否电源节点 节点类型 6 k v 节点、变压器节点等) 节点自身故障 ，节点故障属性 ，节点搜索标志 节点编号是变电站网络结构图中节点的编号，丰要用于建立支路节点关联 9 第二章故障分析 节点电源情况用于标记节点是否为电源点。 节点类型按照电压等级分为：1 1 0 k v 节点、3 5 k v 节点、6 k v 节点、变压器 节点。 节点搜索标志是在故障路径搜索过程中为了判断节点是否已经被搜索过，如 果已经搜索过，属性值为t r u e ，否则为f a l s e 。 t s e l f f a u l t 是节点自身故障的设置，其中的每个数据成员表示一个故障类型。 根据整个变电站的保护配置及它们的定值设置将变电站可能发生的故障分为若 干类。这里值得注意的是故障类型的定义是在整个变电站层面上的。而不是针对 具体节点区域的。故障类型结构如下： t y p e d e f s t r u c tt s e l f f a u l tf b o o l c l a s s l ； b o o l c l a s s 2 ； b o o l c l a s s 3 ； t s e l f f a u l t ； 如果某一节点区域中发生故障，则首先找到故障的故障类型，然后给该节点 t s e l f f a u l t 结构中相应的数据成员赋值l ，其它赋0 。 t n f a u l t t y p e 是节点故障属性结构，用于标识故障路径上节点的故障属性。 当故障路径包含某节点时按照故障路径经过变压器的次数、故障点的电压等级、 故障类型给该节点故障属性赋值，节点故障属性值可分成三部分，形式为： p a r t lp a r t 2p a r t 3 ，各部分的意义及取值如下： p a r t l ：故障路径经过变压器的次数，少于2 次，赋c o n n e c t ，否则赋r e l a t e ： p a r t 2 ：故障点的电压等级，0 表示变压器内部故障；1 表示1 1 0 k v ；3 表示 3 5 k v ：6 表示6 k v ： p a r t 3 ：故障点的故障类型，c l a s s l 、c l a s s 2 、c l a s s 3 。 假设变电站中所有故障共分为n 类，则t n f a u l t t y p e 结构中就有6 n 个b o o l 类型的故障属性值，下面是一些故障属性值及其含义： b o o lc o n n c c t _ l c l a s s l ；1 1 0 k v 第l 类故障，敞障路径经过变压器少于2 次。 b o o lc o n n e c l 】_ c l a s s 3 ；】1 0 k v 第3 类故障，故障路径经过变从器少于2 次。 0 第二章故障分析 b o o lc o n n e c t0c l a s s l ：变压器内部第l 类故障，故障路径经过变压器少 于2 次。 b o o lr e l a t e3c l a s s 3 ；3 5 k v 第3 类故障，故障路径经过变压器2 次。 b o o lr e l a t e6c l a s s 2 ；6 k v 第2 类故障，故障路径经过变压器2 次。 t b r a n c h 类定义支路的属性，包含支路编号、与支路相连接的节点、支路的 状态、支路故障属性及支路搜索标志等。 c l a s st b r a n c h支路类 p u b l i c ： i n t b r a n c h l d ；支路编号 i n t f i r s t p o i n t ；与支路相连的节点1 i n t s e c o n d p o i n t ；，与支路相连的节点2 b o o l s t a t u s ；支路状态( 开、关) t b f a u l t t y p ef a u l t t y p e ；支路故障属性 b o o l h a s v i s i t f l a g ； 支路搜索标志 ； t b f a u l t t y p e 是支路故障属性结构。用于标识故障路径上支路的故障属性。 当故障路径包含某支路时按照故障路径经过变压器的次数、故障点的电压等级、 故障类型标识该支路赋故障属性。因此与节点故障属性结构相似，支路故障属性 值标识也分成p a r t lp a r t 2p a r t 3 三部分，同样有6 n 个故障属性值，但是这里的 故障属性值不再是b o o l 类型的数据，而是f a u l t p a r a m 结构类型的： t y p e d e f s t r u c tf a u l t p a r a m b o o lf a u l t ；是否具有该类型故障 b o o ld i r e c t i o n ；故障电流方向 ) f a u l t p a r a m ； 当支路的两个节点均位于某条故障路径上时，按节点故障属性为相应的支路 故障属性的f a u l t 数据成员赋l ，且按路径上电流的方向给d i r e c t i o n 数据成员赋 值。当故障电流方向为从支路相连节点i 到支路相连节点2 时，d i r e c t i o n = l ， 第二章故障分析 否则d i r e c t i o n = 0 。 2 1 3 模糊电压和模糊电流 本文所提出的变电站故障分析只要求能对故障情况下保护装置和断路器的 动作现象进行分析，而对变电站中精确的运行参数的计算没有很高的要求。为了 提高故障分析的速度，对节点和支路的电压、电流值采取了等级划分的处理方法， 分别称之为模糊电压和模糊电流。 当某节点区域设有故障时，通过故障电流路径搜索获得从电源点到故障点的 所有故障路径，根据系统运行方式、故障点的故障类型、故障电流路径经过变压 器的次数、故障节点的类型给故障路径上各节点的故障属性赋值：按照故障路径 的方向和支路节点连接关系给故障路径上的支路故障属性赋值。然后根据专家经 验把节点故障属性、支路故障属性转化为相应的模糊电压、模糊电流。通过模糊 电压、模糊电流与保护定值的比较判断保护是否启动。 模糊电压和模糊电流的取值原则为： ( 1 ) 有故障属性值的支路：根据其故障属性值赋模糊电流。 ( 2 ) 有故障属性值的节点：根据其故障属性值赋予模糊电压。 ( 3 ) 没有故障属性值但与故障路径连通的节点：其模糊电压与最近的相连 节点的模糊电压一致。 ( 4 ) 其余节点和支路与电源连通时取正常运行情况下的值，不连通时耿0 。 2 2 故障属性的求值方法 从故障发生到断路器动作之前，相关元件的状态都会发生相应的变化，或者 有短路电流流经，或者电压明显降低。因此故障设置以后，首先要分析相关节点 的状态，即根据设置的故障位置和故障类型，给相关节点赋予不同的故障属性。 这一过程通过对变电站网络结构图故障路径搜索完成。 以图2 - 2 为例，假设1 1 0 k v n 段母线( 即图中的m 点) 上发生了桐间短路故 障，按照般的搜索策略分别从两个电源到故障点搜索故障路径。结果如下： 故障路径i ：n 一n ，一m ： 故障路径2 ：n 一n 。一n 5 一n ，一n 。一n 。一一n ! ；一n h n 。一n ： 第二章故障分析 故障路径3 ：n ，一n 。一n ；一n ：一n 。一n 。一n ：一n ，o 一一n s m ； 故障路径4 ：n ：一n ，： 故障路径2 和3 从节点n ：分别绕经6 k v 和3 5 k v 母线再从2 号变压器内部节 点到达故障点n 。的。但是在实际中，由于1 l o k v 侧发生了严重故障，电压降 低幅度很大，不可能在变压器6 k v 或3 5 k v 侧产生短路电流了。因此故障路径2 和3 是不存在的，在故障路径的搜索时需要排除这种路径。为解决这个问题，本 文提出了两种故障路径搜索过程。首先搜索变压器各侧节点的故障情况，将其各 侧节点的故障类型归并到相应的变压器外部节点上去，明确了变压器各侧的故障 情况；然后开始从电源点到故障点的故障路径的搜索，在搜索过程中如果遇到变 压器外部节点，首先查看其故障类型，如果在变压器某电压等级的外部节点上存 在严重故障，则不能跨越变压器为其他电压等级的节点提供短路电流，否则跨越 变压器继续进行搜索。下面详细论述两种故障路径的搜索及节点属性的赋值过 程。 首先给出变压器节点的辅助数据结构： t y p e d e f s t r u c tc e n t e r l n f o r m a t i o n i n tn u m b e r ； b o o l c e n t e r l 11 0 k v c e n t e r 2 ； b o o lc e n t e r l 3 5 k v _ c e n t e r 2 ； b o o l c e n t e r l 一6 k 眨g e n t e r 2 ； t s e l f f a u l t c e n t e r f a u l t ； t s e l f f a u l tc e n t e r ll o k vf a u l t ； t s e l f f a u l t c e n t e r _ 3 5 k v _ f a u l t ； t s e l f f a u l t c e n t e r 6 k v f a u l t ； c e n t e r i n f o r m a t i o n ； 变压器节点的节点编号 1 1 0k v 侧两台主变并列运行 3 5k v 侧两台主变并列运行 6k v 侧两台主变并列运行 变压器节点的故障类型 1 1 0k v 侧区域内等效故障 3 5k v 侧区域内等效故障 6k v 侧区域内等效故障 t s e l f f a u l t 结构跟节点类中的t s e l t f a u l t 相同，表示变压器各侧区域内归算 到其对应外部节点上的故障类型。 第一种搜索是从变压器外部节点到故障源节点的搜索过程从变压器外部节 点出发遇到故障源节点时将其故障类型赋给变压器辅助节点相应数据成员，然 后回溯，不穿越另一变压器，直到本侧连通区域内所有节点都被访问过为t l ：。如 果在变压器某一侧搜索到不止一个故障源，_ f ! 最，z 重的故障类型给变压器辅助钳 第二章故障分析 点数据成员赋值。 另一种搜索从电源节点出发，每经过一个新节点( 搜索标志为0 的节点) 将 其压入堆栈，并将其搜索标志置l 。遇到变压器内部节点时，根据最近访问过的 电压等级的等效故障决定是否穿越变压器( 不从包含严重故障的电压等级进入其 它电压等级) ，并在搜索过程中记录路径经过变压器的次数。遇到故障源节点时， 记录其故障类型和电压等级，取消故障源节点的搜索标志，然后回溯。对每一个 从堆栈中弹出的节点，根据故障路径经过变压器的次数、故障源节点的电压等级 和故障类型赋相应的故障属性，并取消这些节点的搜索标志。 2 3 保护类 变电站模型不仅包括变电站一次系统模型，还包括变电站二次系统( 主要是 各种保护装置) 模型。为表达保护装置的特性，用类的形式加以描述，下面是保 护装置基本类的定义： c l a s st p r o t e c f i o n p u b l i c ： i n t p r o t e c t i o n i d ； s t r i n gp r t o e c t i o n n a m e ； b o o l l p ； i m t i m e ； i n t f i x e d t i m e r ； f l o a t v a l u e ； i n t b r a n c h l d m a x ； 保护类 保护装置编号 ，保护装置名称 ，压板状态 当前时间 ，保护出口时限 保护动作整定值 相关跳闸断路器编号 v o i d t p r o t e c t i o n ( t c o m p o n e n t 4o w n e r ) b o o l o p e r a t i o n ( b o o lc o n d i t i o n ) ；保护出口，发出跳闸指令 v o i d t i m e r ( ) ；定时器 v o i d c l e a r t i m e r 0 ；定时器清零 第二章故障分析 变电站中配置的每一个保护都对应一个保护类的对象，保护对象的 o p e r a t i o n r b o o ic o n d i t i o n ) 方法被调用时，首先判断压板是否投入、有无拒动及保 护定值是否满足等条件，如果这些条件都满足： ( 1 ) 若保护没有启动( t i m e = 0 ) ，使保护启动( t i m e = 1 ) ： ( 2 ) 若保护已经启动( 0 t i m e 0 ，使t u n e = 0 。产生这种现象的原因是：某些保护动作， 使断路器跳闸，引起该保护的启动条件被破坏( 如线路过流i 段保护 动作后断路器跳闸，则该线路过流i i 段保护出口条件被破坏) 。 详细过程见图2 - 3 所示的保护动作条件判断流程图。 在故障分析系统中，创建一个定时长度为0 0 1 秒的定时器( o 0 1 秒为一个 周期) 。在每一个定时器周期内，首先对变电站一次系统进行分析和计算，得到 节点的模糊电压和支路的模糊电流，然后依次调用所有保护控件的o p e r a t i o n 函 数，最后输出保护动作信号和断路器跳闸信号。这个过程周期性的循环执行，直 到所有的保护不满足启动条件。 第二章故障分析 图2 - 3 保护动作条件判断流程图 6 第三章故障停电区域 第三章故障停电区域 在事故发生后的短时间内。即使有个别保护装置或断路器发生拒动，最终也 会有上一级的后备保护动作跳开某些断路器，将故障源与电源隔离，使故障源处 于孤立的无源网络之中。故障形成的无源网络可能有一个或多个，我们称这个 ( 些) 无源网络为故障停电区域。 3 1 图及图的遍历 图是由顶点的集合和边的集合组成的。它可以表示成为g = ( v ，e ) ，其中 g 表示一个图，v 是图g 中顶点的集合，e 是图中边的集合，e 中的每一个边可 以用偶对( v i ，v i ) 来表示，v i 、v j 是集合v 的元素。例如图2 - ：2 所示的1 1 0 3 5 6 k v 变电站网络结构图。 在一个图中，如果任意两顶点构成的偶对( v i ，v i ) 是无序的，即顶点之间的 连线没有方向性，那么称该图是