基于正反向推理的电力系统故障诊断专家系统

1、基于正反向推理的电力系统故障诊断专家系统刘青松太原电力高等专科学校,030013太原夏道止西安交通大学电气系,710049西安EXPERT S Y STE M OF POW ER S Y STE M FAUL T D I AGNOSIS BASED ON FOR W ARD AND BACK W ARD REAS ON INGL iu Q ingsongT aiyuan In stitu te of E lectric Pow er T aiyuan,030013Ch inaX ia D aozh iX ian J iaoTong U n iversity X ian,710049Ch ina

2、ABSTRACTA n app roach of pow er system fau lt diagno stic expert system based on fo rw ard and backw ard reason ing is p resen ted.It first generates a list of fau lt hypo theses from the tri pped b reakers,then iden tifies the hypo theses one by one u sing the operati info rm ati on s of b reaker a

3、nd p ro tective relaying,and finally po in ts ou t the fau lty equ i pm en ts o r fau lty spo t.T he p ropo sed app roach can be u sed in the diagno sis the fau lts occu rred in tran s m issi on lines,bu sbars,tran sfo rm ers and generato rs as w ell as the m alfuncti on s of circu it b reakers and

4、p ro tective relayings. R eason ing ru les and the confidence calcu lati on m ethod acco rding to the operati on of p ro tective relaying under comp lex conditi on s are described in detail.T he resu lt of p ractical fau lt diagno sis in Shanx i p rovincial pow er system show s that the m ethod is e

5、fficien t.KEY WOR D Sexpert system;pow er system;fau lt diagno sis摘要介绍了一种在电力系统故障诊断专家系统中采用的基于正反向推理的电力系统故障诊断方法。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动作的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。该方法可以诊断输电线路、母线、变压器和发电机设备的故障及继电保护和断路器的非正确动作。对山西电网实际故障事例的测试结果表明,该方法是有效的。关键词专家系统电力系统故障诊断目前,电力系统故障诊断的主要方法有:专家系统法、人工神经元网络与专家系统相结合的方法和基于

6、优化技术的方法。人工神经元网络与专家系统结合的方法,采用专家系统的推理能力以形成假想故障设备集,应用神经元网络的联想记忆和扩延能力确认故障设备,其诊断故障的性能取决于训练样本的完备性,由于收集大型电力系统完备的故障样本极其困难,所以不能保证诊断的正确性。基于优化技术的方法,将故障诊断转化为0-1整数规则问题,目标函数为断路器和继电保护动作情况与假说故障的适配指标,求解采用遗传算法或模拟退火算法。这种方法速度较慢,不能满足实时要求,此外目标函数的建立也有待进一步探讨。专家系统是广泛采用的一种故障诊断方法,现有的电力系统故障诊断专家系统,存在以下问题:(1需事先建立设备故障模型。与收集故障样本一样

7、,故障模型要达到完备也是相当困难的,当实际故障与模型不匹配时,得不出正确的结果,所以有一定的局限性。(2只进行由跳闸断路器到故障设备的正向推理。这样得到的可能故障设备较多,需大量提问保护动作信息,使用不便。(3以拒动断路器或继电保护对故障假说的违背程度计算可信度。然而,复杂的故障往往是由继电保护或断路器的拒动造成的。这种方法不能保证真正的故障设备可信度,不利于快速确认故障设备。本文采用基于规则的正反向混合推理方法,根据断路器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;以动作的断路器或继电保护与故障假说的符合程度计算可信度,更符

8、合电网故障后继电保护动作的实际行为。1电网结构的表示在进入故障推理之前,即推理系统处于睡眠状态时,系统读取电网结构数据库和断路器、隔离开关位置状态数据库,将电网表示为由节点和支路构成的图。节点为母线、变压器、线路和发电机等电气设备,支路为断路器。这使得断路器与设备的关系一目第23卷第9期1999年9月电网技术Pow er System T echno logyV o l.23N o.9Sep t.1999了然,可以进行快速的图上推理。2推理过程及规则当发生故障引起断路器跳闸时,推理系统由睡眠状态激活进行推理。推理过程如下:(1由跳闸断路器,根据断路器的三段保护范围,进行正向推理,求出初步故障设

9、备集F1。(2对F1中的每一项设备,作为假说故障,依据继电保护的动作原则和实际跳闸的断路器,进行反向推理,求假说故障的切除模式。如能得到这样的模式,则故障假说成立,设备存入可能故障设备集F2;否则,该设备故障假说不成立。F2是对F1的压缩,大大减少了可能故障的数目。(3如果F2中只有一个设备,则该设备就是故障设备,推理结束,否则转(4。(4对F2中的设备按跳闸断路器计算故障可信度,依照可信度从大到小的顺序在屏幕上显示。(5按故障可信度从大到小的顺序逐个提问保护动作信息。如果保护动作与设备的切除模式匹配,则将其存入故障设备集F3;否则,该设备故障是不可能的,将其剔除。F3是对F2的压缩,又一次减

10、少了故障设备的数目。(6如果F3中只有一个设备,则该设备就是故障设备,推理结束;否则转(7。(7对F3中的设备按保护动作信息重新计算可信度,重新按可信度大小顺序显示可能的故障设备。2.1正向推理规则断路器(除误动作外总是反应保护范围内设备故障而动作跳闸的。所以,跳闸断路器与故障设备之间有内在的关联。根据断路器的保护范围进行正向推理建立初步故障设备集F1的规则如下:规则1:跳闸断路器(三段保护范围内的设备属初步故障设备集。在高压系统中,通常装有断路器失灵保护。但失灵保护的动作方式与一般的方向式保护不同,因此有专门规则搜寻由断路器失灵保护切除的故障设备。规则2:与跳闸断路器同厂站同电压等级的带断路

11、器失灵保护的未跳闸断路器相连的设备属初步故障设备集。由于在断路器的保护范围内包含许多设备,按以上两个规则建立的初步故障设备集F1中包含大量的非故障设备。因其搜索范围大,可达到不遗漏故障设备的目的。通过反向推理可大大压缩F1。2.2反向推理规则发生故障的设备,总会有断路器跳闸将其与健康部分隔离,所以初步故障设备集中只有那些由跳闸断路器将其与健康部分隔离的设备,才可能是故障设备。根据这一思想,对F1中的每一设备,作为假说故障,通过下面的规则进行反向推理。剔除F1中的非故障设备,形成可能故障设备集F2。规则3:如果设备的主保护断路器全部跳闸,则设备属可能故障设备集。规则4:如果设备的主保护断路器部分

12、或全部未跳闸,但与未跳闸主保护断路器相应的第一后备断路器跳闸,则设备属可能故障设备集。规则5:如果第一后备保护断路器部分或全部未跳闸,但与未跳闸的第一后备断路器相应的第二后备断路器跳闸,则设备属可能故障设备集。在使用规则3、4、5时,需要分别求出假说故障设备的主保护断路器,第一台后备断路器或第二台后备断路器。此时采用如下规则:规则6:如果B1断路器与假说故障设备直接相连,则B1为主保护断路器。规则7:如果断路器B1未跳,B2是与B1属不同厂站,或虽属相同厂站但属不同电压等级的断路器,B2经除假说故障设备外的设备E与B1所在的电压相连,且B2至少有一条经过E到假说故障设备的通路,则B2为第一后备

13、断路器。规则8:如果第一后备断路器未跳,则规则7中E的第一后备断路器就是假说故障设备的第二后备断路器。在使用规则3、4、5进行反向推理的同时,逐步形成了设备故障的切除模式。这种模式记录了假说故障设备动作和拒动的主保护、第一后备保护和第二后备保护断路器。此模式给以保存,以便需要时有针对性的提问保护动作信息。2.3按跳闸断路器计算故障可信度当可能故障设备集中设备数为1,则故障即可确认;否则就须提问保护动作信息。为了尽快确认故障设备,须将可能故障设备按故障可信度从大到小排序。考虑到大多数跳闸断路器是为切除故障而动作的,可信度可简单地用下式计算:C F d i=N i N(1式中C F d i为可能故

14、障设备集中第i个设备故障的76第23卷第9期电网技术可信度;N i为切除第i个设备的故障而跳闸的断路器数;N为跳闸的断路器总数。为切除设备故障而跳闸的断路器数N i可由设备的切除模式计算。这种可信度计算方法不仅非常简单,而且信任度高。即使在故障设备的主保护断路器全部拒动、故障由后备断路器切除的情况下,也能将实际故障设备排在前面。这就避免了由于保护或断路器拒动而使实际故障设备可信度减小的弊端。2.4提问保护动作信息,进行再次反向推理由于目前我国电力调度中心一般不能实时得到继电保护动作信息,所以采用人机对话形式,对可能故障设备集F2中的设备按可信度大小顺序逐一提问。问题1:设备的主保护(100%保

15、护是否动作?规则9:如果对问题1的回答是肯定的,则继。规则10:如果对问题1的回答是否定的,则找出通过断路器与设备相连的变压器,并逐个提问问题2。问题2:变压器后备保护是否动作?将问题2的回答记录下来,作为计算可信度的依据。提问结束后,对线路在故障切除模式中找出主保护断路器,逐个提问问题3;其它设备,找出第一后备断路器,逐个提问问题4。问题3:断路器所装继电保护装置是否动作(1:一段动作;2:二段动作;0:未动作?规则11:如果所有断路器对问题3的回答是1或2,则继续下一可能故障设备的提问。规则12:如果至少一个跳闸断路器问题3的回答是0,则设备不属于故障设备。规则13:如果未跳闸断路器对问题

16、3的回答是0,则在故障切除模式中,找出该断路器拒动时的第一后备断路器,并逐个提问问题4。问题4:断路器所装继电保护装置是否动作(2:二段动作;3:三段动作;0:未动作?规则14:如果所有断路器对问题4的回答是2或3,则继续对其余未经提问的主保护断路器提问问题3(仅对线路。规则15:如果至少一个跳闸断路器对问题4的回答是0,则设备不属于故障设备。规则16:如果对未跳闸断路器问题4的回答是0,则在故障切除模式中,找出该断路器时的第二后备断路器,并逐个提问问题5。问题5:断路器所装继电保护装置是否动作(2:二段保护;3:三段保护;0:未动作?规则17:如果所有断路器对问题5的回答是2或3,则继续对其

17、余未经提问的第一后备断路器提问问题4。规则18:如果至少一个跳闸断路器问题5的回答是0,则设备不属于故障设备。规则19:如果在问题1、2、3、4和5的提问过程中,未能否定设备的故障,则设备属于故障设备集F3。2.5按继电保护动作情况计算可信度如果经提问保护信息得到的F3中只包含一个设备,则该设备就是故障设备;否则,按下述方法计算可信度。如果设备的主保护动作,则C F ri=1.0。否则C F ri=C ri N r(2式中C F ri为故障设备集中第i个设备故障的可信度;C ri为动作保护对第i个设备的故障的支持度总和;N i为动作保护总数。支持度可理解为动作保护对设备故障的认可程度,依据经验

18、按下述规则进行计算:动作保护是设备的主保护,则支持度为1;动作保护为对设备起后备保护作用的变压器后备保护,则支持度为0.5;动作保护装于主保护断路器的继电保护装置的一段,则支持度为1,二段为0.5;动作保护装于第一后备断路器的继电保护装置的二段,则支持度为1,三段为0.5;动作保护装于第二后备断路器的继电保护装置的三段,则支持度为1,二段为0.5。3实例应用本文实用TU RBO2PROLO G逻辑程序设计语言实现了上述推理过程,并用山西电网近年来发生的故障进行了测试。图1为某电厂母线失电事故的接线图。实际情况为,220kV北母单相接地,母线保护拒动,对侧二段保护动作切除故障,电厂断路器102、

19、202、204、205、206由主变后备保护动作跳闸。诊断结果是合理的。(下转第71页con ti nued on page7186Pow er System T echno logy V o l.23N o.9人员的劳动强度。(4机组的可控性明显提高,机组负荷控制的准确度由原来的35MW 提高到0.3MW ,并可随时接受中央调度R TU 来的负荷命令,实现电网的A GC 控制。(5经济效益显著。根据专家论证的初步结果并参照其它电厂经济效益情况的分析,协调控制系统稳定投入后,可降低煤耗35g k W h ,截止1999年4月,直接经济效益约728万元。4结束语作为全国首台国产200MW 机组自

20、动化系统技术改造,在没有成功的经验借鉴和现成模式参考的前提下,根据未来电网发展对机组自动化水平的要求,并考虑因原有自动化设备无法满足机组A GC 控制的要求而限制了机组效率的进一步提高,以及这些设备维护性差等诸多方面的因素,长春热电二厂和中国电力科学研究院合作,充分利用电科院的技术资源,共同完成了1、2号机组自动化系统的技术改造。由于机组控制技术的进步,机组管理水平有了明显的提高,于1996年10月被国家电力公司首批授予一流火电厂的称号。长春热电二厂1、2号机组自动化系统改造后自1995年10月投入运行以来,经过多次离线和在线检查、试验、测试,以及机组的多次启停证明,改造后的系统运行稳定、可靠

21、,操作简捷,响应快,计算能力强,历史信息存储科学、分析问题快捷、准确,没有发生过因为控制系统的不稳定或故障造成机组停机事故或障碍。1998年11月,按照国家电力行业有关标准和在线测试规程,省电力公司生产部组织专家组对长春热电二厂1、2号机组控制系统进行实地验收试验。结果表明,各项指标均符合有关规程要求,通过了省电力公司的验收。收稿日期:1998207201。隋剑平高级工程师,副厂长,1984年毕业于东北电力学院。邱忠昌高级工程师,1982年毕业于大连理工大学。(上接第71页con ti nued fro m page 71图1故障区域(220kV 母线接线图F ig .1Fault area (220kV bu