智能型電網(wǎng)故障診斷的總體實(shí)現(xiàn)

趙 川，吳 靜

(1.云南電網(wǎng)公司電力調(diào)度中心，云南 昆明 650011;2.國(guó)電云南電力有限公司，云南 昆明 650021)

1 前言

目前調(diào)度中心可通過電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)和專用光纖網(wǎng)獲得廠站監(jiān)控計(jì)算機(jī)信息及故障錄波信息，智能型電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)就是建立在此通信基礎(chǔ)上的。在發(fā)生故障時(shí)，SCADA信息、故障錄波信息和廠站監(jiān)控計(jì)算機(jī)信息均送到調(diào)度中心進(jìn)行處理，由于數(shù)據(jù)完整且有較大冗余，可準(zhǔn)確地判斷出故障元件。但為了提高故障診斷速度，就必須做到故障信息就地處理及在調(diào)度中心與廠站間按診斷過程需要傳送數(shù)據(jù)。

因此，提出一種分層、分布、交互式電網(wǎng)故障診斷策略:調(diào)度中心的上層智能體根據(jù)故障復(fù)雜性逐層調(diào)用斷路器、保護(hù)、電氣量波形信息;各廠站的下層智能體向上層智能體提供所需要的中間結(jié)果和數(shù)據(jù)。上下層智能體并行處理數(shù)據(jù)，通過廣域網(wǎng)交換信息。

2 電網(wǎng)故障診斷策略

對(duì)于分層、分布、交互式電網(wǎng)故障診斷策略，首先是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的分層。分布于各廠站的數(shù)據(jù)和就地診斷系統(tǒng)作為下層智能體。廠站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可搜集全站的保護(hù)信息，并根據(jù)保護(hù)動(dòng)作判斷故障。故障錄波器記錄的斷路器、保護(hù)動(dòng)作順序及電氣量波形等大量信息，由相應(yīng)的就地診斷系統(tǒng)進(jìn)行處理，判斷故障。調(diào)度中心能獲取的數(shù)據(jù)和診斷系統(tǒng)作為上層智能體。分布在各廠站的下層智能體在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)本地信息診斷故障，但并不主動(dòng)上送診斷結(jié)果，僅當(dāng)上層智能體發(fā)出查詢請(qǐng)求時(shí)才上送。

分層的另一種含義就是信息結(jié)構(gòu)上的分層。事故發(fā)生后，信息變化的順序?yàn)?電氣量、保護(hù)啟動(dòng)、斷路器動(dòng)作，但信息獲得的難易程度從易到難為:斷路器、保護(hù)、電氣量波形。因此故障信息要分層獲取，第一層是斷路器變位，第二是保護(hù)動(dòng)作，第三是電氣量波形。

調(diào)度端的上層智能體按照分層獲取的信息進(jìn)行分層判斷，故障診斷分為以下幾個(gè)層次:

1)先由斷路器跳閘信息初步判斷故障元件，對(duì)于簡(jiǎn)單故障可立即判斷出故障元件。

2)對(duì)于復(fù)雜故障，先通過跳閘斷路器搜索停電區(qū)域，確定候選故障元件，再由計(jì)算機(jī)自動(dòng)地、有目的地去查詢相關(guān)下層智能體所診斷出的結(jié)果，對(duì)各下層智能體的結(jié)果取交集，確定故障區(qū)。

3)若此時(shí)還不能定位故障元件，查詢相關(guān)下層智能體中根據(jù)故障錄波信息診斷出的結(jié)果，再進(jìn)行分析。分層、分布、交互式電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)處理流程如圖1所示。信息的分層獲取、分層診斷使故障診斷系統(tǒng)能根據(jù)故障的復(fù)雜性有效地處理信息，既保證了診斷準(zhǔn)確性，又提高了診斷速度。以下為基于廠站層信息進(jìn)行故障診斷的兩種方法。

3 基于廠站信息的故障診斷方法

3.1 遺傳算法 (GA)的變電站故障診斷

基于遺傳算法的故障診斷在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，充分考慮保護(hù)和斷路器的誤動(dòng)、拒動(dòng)對(duì)診斷結(jié)果的影響，將電力系統(tǒng)故障診斷描述為一優(yōu)化問題，通過目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化來解決］［1］。

判斷電力系統(tǒng)發(fā)生故障的元件就是要找出最能解釋報(bào)警信號(hào)的故障假說，可表示為下述目標(biāo)函數(shù) (誤差函數(shù))最小化問題:

圖1 分層、分布、交互式故障診斷系統(tǒng)的分布及其處理流程

N:系統(tǒng)中元件的數(shù)目

Nr:保護(hù)總數(shù)目

Nc:斷路器總數(shù)目

S:N維矢量，表示系統(tǒng)中元件的狀態(tài)。S中的第i個(gè)元素Si表示第i個(gè)元件的狀態(tài)，Si=0或1分別表示第i個(gè)元件的正?；蚬收蠣顟B(tài)。

R:Nr維矢量，表示Nr個(gè)可觀測(cè)保護(hù)的實(shí)際狀態(tài)。R中的第k個(gè)元素rk表示第k個(gè)可觀測(cè)保護(hù)的實(shí)際狀態(tài)，rk=0或1分別表示其未動(dòng)作或動(dòng)作狀態(tài)。

R* (S):Nr維矢量，表示Nr個(gè)可觀測(cè)保護(hù)的期望狀態(tài)。R* (S)中的第k個(gè)元素rk*(S)表示第k個(gè)可觀測(cè)保護(hù)的期望狀態(tài)。如果第k個(gè)可觀測(cè)保護(hù)應(yīng)該動(dòng)作，rk* (S) =1，否則為0。R* (S)由S的狀態(tài)決定。

C:Nc維矢量，表示Nc個(gè)斷路器的實(shí)際狀態(tài)。C中的第j個(gè)元素cj表示第j個(gè)斷路器的實(shí)際狀態(tài)，cj=0或1分別表示第j個(gè)斷路器的未跳閘或跳閘狀態(tài)。

C* (S，R):Nc維矢量，表示Nc個(gè)斷路器的期望狀態(tài)。C* (S，R)中的第j個(gè)元素cj*(S，R)表示第j個(gè)斷路器的期望狀態(tài)。如果第j個(gè)斷路器應(yīng)該跳閘，cj* (S，R) =1，否則為0。C* (S，R)由S和R的狀態(tài)決定。

用圖2所示的簡(jiǎn)單例子說明如何根據(jù)保護(hù)動(dòng)作原理來確定rk* (S)和cj* (S，R)。

圖2 簡(jiǎn)單系統(tǒng)

圖2所示簡(jiǎn)單系統(tǒng)中共有5個(gè)元件，即A，B，C，L1和L2(依次用S1－S5表示)，6個(gè)斷路器CB1－CB6(依次用C1－C6表示)，15個(gè)保護(hù)(即 Am，Bm，Cm，L1Am，L1Bm，L2Bm，L2Cm，L1Ap，L1Bp，L2Bp，L2Cp，L1As，L1Bs，L2Bs，L2Cs，依 次 用r1－r15表示)。這里，A，B，C表示母線，L表示線路，m表示主保護(hù)，p表示第一后備保護(hù)，s表示第二后備保護(hù)。

根據(jù)主保護(hù)的動(dòng)作原理，其期望狀態(tài)不難確定。例如，根據(jù)Am(即r1)的動(dòng)作原理，A(即S1)發(fā)生故障時(shí)，其應(yīng)動(dòng)作:r1* (S) =S1;類似地，可得到:r2* (S) =S2;r3* (S) =S3;r4* (S) =S4;r5* (S) =S4;r6* (S) =S5;r7* (S) =S5。

確定后備保護(hù)的期望狀態(tài)比確定主保護(hù)的期望狀態(tài)要復(fù)雜些。例如，根據(jù)L1Ap(即r8)的動(dòng)作原理，當(dāng)L1(即S4)故障，L1Am(即r4)未動(dòng)作時(shí)，L1Ap(即r8)應(yīng)動(dòng)作:r8* (S) =S4(1－r4);類似地，可得到:r9* (S) =S4(1－r5);r10* (S) =S5(1－ r6);r11* (S) =S5(1－ r7);r12* (S) =1－ ［1－S2(1－c3)］［1－ S5(1－c3) (1－ c4)］;r13* (S) = S1(1－c2);r14* (S) =S3(1－ c5);r15* (S)=1－ ［1－S2(1－c4)］［1－ S4(1－c3)(1－c4)］。

確定斷路器的期望狀態(tài)要比確定保護(hù)的期望狀態(tài)復(fù)雜，這是由于斷路器的期望狀態(tài)可與多個(gè)元件狀態(tài)及多個(gè)保護(hù)狀態(tài)有關(guān)。例如，根據(jù)保護(hù)動(dòng)作原理可知，CB2(即C2)期望狀態(tài)與Am，L1Am，L1Ap，L1As都有關(guān)，根據(jù)它們的動(dòng)作原理，可得到CB2的期望狀態(tài):

C2* (S，R) =MAX 〈S1r1，S4r4，S4(1 －r4)r8，{1－ ［1－ S2(1－ c3)］［1－ S5(1－ c3)(1－c4)］r12〉，式中MAX表示取 〈〉中各項(xiàng)中最大者。類似，可確定其他斷路器的期望狀態(tài)。

顯然這是一個(gè)0－1整數(shù)規(guī)劃問題，適合用GA來求解［2］。但此方法的最大的不足是，目標(biāo)函數(shù)需要自動(dòng)形成，而且網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜時(shí)，確定保護(hù)和斷路器的期望狀態(tài)比較困難。

3.2 粗糙集理論用于故障診斷

粗糙集理論 (RS)是一個(gè)處理不確定性的數(shù)學(xué)工具，它無須任何先驗(yàn)信息，能有效地分析和處理不精確，不一致，不完整等各種不完備數(shù)據(jù)，并從中發(fā)現(xiàn)隱含知識(shí)，揭示潛在規(guī)律。

電力系統(tǒng)故障診斷可以用一個(gè)分類問題來描述，很適合應(yīng)用RS理論的決策表方法［3］?；舅枷胧前驯Ｗo(hù)和斷路器的動(dòng)作信息作為故障分類的條件屬性，考慮各種可能發(fā)生的故障情況并建立決策表 (類似于基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷的訓(xùn)練樣本集)，刪除多余屬性后得到診斷規(guī)則。下面舉一個(gè)簡(jiǎn)單示例。

一個(gè)簡(jiǎn)單的配電系統(tǒng)，有3個(gè)區(qū)域Sec1，Sec2和Sec3，分別配有過流保護(hù)CO1，CO2和CO3。Sec1配有距離保護(hù)RR1，為Sec2和Sec3提供后備保護(hù)。CB1，CB2和CB3是斷路器。根據(jù)保護(hù)動(dòng)作原理，考慮單一故障列出決策表，共7個(gè)樣本，如表1。表中“1”表示斷路器跳閘或保護(hù)動(dòng)作，“0”表示斷路器閉合或保護(hù)未動(dòng)作;樣本4和5為斷路器拒動(dòng)情況;樣本6為保護(hù)拒動(dòng)情況;Sec1表示故障發(fā)生在Sec1;NO表示無故障。

表1 簡(jiǎn)單配電系統(tǒng)的斷路器、保護(hù)動(dòng)作配合決策表

表1約簡(jiǎn)后得到3個(gè)reduct: {CB1，CO1，CO2，CO3}，{CO1，RR1，CO2，CO3}，{CB1，RR1，CO2，CO3}

簡(jiǎn)化后的結(jié)果清晰地顯示了每個(gè)故障的重要特征，值得注意的是斷路器CB2，CB3和后備保護(hù)RR1的信號(hào)是多余的，也就是說沒有它們一樣可以得到正確的診斷。這就為我們處理不完全報(bào)警信號(hào)提供了一條新思路，即利用報(bào)警信息的冗余性，構(gòu)筑不同的reduct，通過避開丟失或傳輸出錯(cuò)的信號(hào)而達(dá)到正確診斷的目的。

同樣也能得到5條故障分類規(guī)則，如Rule 1→If CO1=1 Then Fault=Sec1。實(shí)際上，粗糙集理論解決不確定性問題是利用信息冗余，從眾多信息中找出“核心”部分進(jìn)行故障診斷，即使有些信息是不準(zhǔn)確或不完備的，同樣能得到比較滿意的結(jié)果。

4 結(jié)論

分層、分布、交互式電網(wǎng)故障診斷策略是針對(duì)當(dāng)前或未來幾年電網(wǎng)自動(dòng)化發(fā)展水平提出的一種新的故障診斷思路，這種思路充分利用了各層報(bào)警信息，交互信息量得到了壓縮，使得電網(wǎng)故障診斷更加準(zhǔn)確快速。

［1］徐建政，李強(qiáng)，李建超.應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的電力系統(tǒng)故障診斷 ［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2010.01.

［2］林圣，何正友，錢清泉.輸電網(wǎng)故障診斷方法綜述與發(fā)展趨勢(shì) ［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010.04.

［3］張志毅，袁榮湘，楊同忠，劉敏忠.基于粗糙集和小生境遺傳算法的電網(wǎng)故障診斷規(guī)則提取 ［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009.01.

［4］馬洪琪，蘇振東.云南智能電網(wǎng)建設(shè)分析 ［J］.云南電力技術(shù)，2010.12.