基于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)異常變化的故障診斷方法研究

宋紫嫣 楊歷偉 劉 哲

（河南省濮陽(yáng)市濮陽(yáng)供電公司，河南 濮陽(yáng) 457000）

電網(wǎng)故障診斷指的是在調(diào)度中心進(jìn)行的系統(tǒng)級(jí)的故障診斷，它的目的是在電力系統(tǒng)發(fā)生故障的時(shí)候，根據(jù)可以獲得的各種故障信息，判定故障區(qū)域、故障性質(zhì)和評(píng)價(jià)保護(hù)和繼電器動(dòng)作行為，為調(diào)度員的決策提供相關(guān)的判據(jù)。電網(wǎng)故障診斷的方法研究主要集中在專(zhuān)家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊集、粗糙集、優(yōu)化方法和Petri網(wǎng)等。文獻(xiàn)[1]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專(zhuān)家系統(tǒng)方法相結(jié)合,以期在多重故障或保護(hù)和斷路器異常動(dòng)作的情況下能得到準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于粗糙集理論的故障診斷方法，以從大量的保護(hù)和斷路器動(dòng)作信息中挖掘隱含的知識(shí)，為建立故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)提供更加簡(jiǎn)潔有效的規(guī)則。文獻(xiàn)[4]提出了動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)路徑的概念,構(gòu)造了利用警報(bào)信息時(shí)序特性的電力系統(tǒng)故障診斷的一種解析模型，描述了現(xiàn)代電力系統(tǒng)多

種保護(hù)配置下保護(hù)和斷路器的動(dòng)作時(shí)序關(guān)系，以期在面對(duì)復(fù)雜故障可以得到更為明確的診斷結(jié)果。雖然故障診斷的研究有一段歷史，采用了不少方法，但在實(shí)用化方面一直未有太大發(fā)展。本文根據(jù)我國(guó)電網(wǎng)實(shí)際，提出了一種實(shí)用化的電網(wǎng)故障診斷方法。

1 故障診斷實(shí)用化面臨的問(wèn)題

目前制約電網(wǎng)故障診斷進(jìn)入應(yīng)用階段的最關(guān)鍵問(wèn)題依然是數(shù)據(jù)源的問(wèn)題。SCADA系統(tǒng)雖然可以覆蓋整個(gè)電網(wǎng)采集繼電保護(hù)和斷路器動(dòng)作的開(kāi)關(guān)量信息，但它只能采集穩(wěn)態(tài)的模擬量數(shù)據(jù)，開(kāi)關(guān)量動(dòng)作信息是對(duì)于故障的間接反映，但也無(wú)法反映故障的基本性質(zhì)，如短路類(lèi)型、持續(xù)時(shí)間等等，這就使得依靠 SCADA所采集的信息進(jìn)行電網(wǎng)故障診斷只能依賴對(duì)于繼電保護(hù)和斷路器動(dòng)作的邏輯關(guān)系的分析，而這些信息只能間接反映故障，所以邏輯分析中缺乏分析起點(diǎn)，只能先假定故障設(shè)備，再分析相關(guān)信息的動(dòng)作序列是否符合預(yù)先設(shè)定的行為特征。這也使得推理中存在大量的假設(shè)和不確定因素，當(dāng)面對(duì)存在保護(hù)和斷路器拒動(dòng)和誤動(dòng)的情況時(shí)，往往無(wú)法給出確定性結(jié)論，而確定性的結(jié)論和決策支持卻是電網(wǎng)運(yùn)行中必須保證的。

2 基于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)異常變化的故障設(shè)備確定方法

通過(guò)上述分析可知，現(xiàn)階段電網(wǎng)故障診斷必須依賴 SCADA系統(tǒng)，而故障信息系統(tǒng)只能起到輔助作用，甚至無(wú)法利用其所采集的數(shù)據(jù)，所以現(xiàn)在的研究主要集中于通過(guò)分析故障時(shí)所采集的繼電保護(hù)和斷路器動(dòng)作的開(kāi)關(guān)量信息和故障之間的關(guān)系來(lái)進(jìn)行，而這類(lèi)方法將設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的推理算法以應(yīng)對(duì)電網(wǎng)的較為復(fù)雜的實(shí)際故障事件。

為了在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)源的基礎(chǔ)上完成故障診斷的基本任務(wù)，本文采用了一種更為簡(jiǎn)單直觀的分析思路，在現(xiàn)有 SCADA數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障診斷的基本任務(wù)。這種分析的理論基礎(chǔ)是電網(wǎng)正常操作和故障跳閘之間的狀態(tài)變化差異。

而電網(wǎng)發(fā)生故障的時(shí)候，故障設(shè)備被斷路器由電網(wǎng)中切除出去，由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，功率潮流發(fā)生突然變化，最典型的就是故障設(shè)備不再流過(guò)原有的功率。這一變化過(guò)程是隨機(jī)的，未能被電網(wǎng)所預(yù)見(jiàn)，但由于繼電保護(hù)和斷路器會(huì)按照人工預(yù)先設(shè)定的順序動(dòng)作，即使發(fā)生了存在開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作的復(fù)雜故障也嚴(yán)格符合預(yù)設(shè)規(guī)則，因此故障跳閘的過(guò)程是可一個(gè)可以用斷路器開(kāi)關(guān)量變位描述的可測(cè)可觀但不可以預(yù)見(jiàn)的離散事件序列。

舉例來(lái)講：如圖1中的局部電網(wǎng)，假設(shè)圖中母線A為唯一電源。在正常操作111線路停電的時(shí)候，所有的停電順序都由調(diào)度員預(yù)先設(shè)定，其下級(jí)母線在111線路停電前會(huì)被轉(zhuǎn)入空載運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)流過(guò)111線路的功率為0，當(dāng)開(kāi)始對(duì)111線路操作時(shí)，首先會(huì)來(lái)拉開(kāi)負(fù)荷側(cè)的斷路器，也就是112開(kāi)關(guān)，然后再拉開(kāi)111開(kāi)關(guān)，這一順序由人工操作實(shí)現(xiàn)，112開(kāi)關(guān)分和 111開(kāi)關(guān)分之間一般需要以分鐘計(jì)算的較長(zhǎng)時(shí)間。

而當(dāng)111線路發(fā)生故障的時(shí)候，此時(shí)其對(duì)應(yīng)的繼電保護(hù)動(dòng)作觸發(fā)斷路器111跳閘，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于故障的切除。但111開(kāi)關(guān)分是調(diào)度員所未預(yù)見(jiàn)的隨機(jī)事件，并造成了112線路和1#變所帶負(fù)荷的失電，111線路上流過(guò)的較大功率躍變?yōu)?。

圖1 網(wǎng)絡(luò)圖

3 算法設(shè)計(jì)

1）算法首先采用的兩個(gè)基本假設(shè)

（1）電網(wǎng)的正常操作是有序進(jìn)行可以預(yù)見(jiàn)的，反映于斷路器分合行為上就是可預(yù)見(jiàn)的離散化事件序列，而故障時(shí)候的斷路器分合是不可預(yù)見(jiàn)的離散化事件序列。這也就意味著當(dāng)電網(wǎng)中的斷路器變位事件為突發(fā)隨機(jī)事件并造成設(shè)備停電的，可以認(rèn)為停電設(shè)備發(fā)生故障。

（2）電網(wǎng)正常操作過(guò)程中，斷路器的分閘要盡量避免對(duì)于電網(wǎng)自身運(yùn)行的沖擊，由斷路器切除的功率很小，可以為小于正常運(yùn)行的最小負(fù)荷；故障時(shí)候斷路器的分閘將造成較大功率被切除，可以認(rèn)為大于斷路器所關(guān)聯(lián)的電氣設(shè)備所帶的最小負(fù)荷。根據(jù)以上假設(shè)，設(shè)計(jì)算法基本流程如下：

首先定義了三個(gè)狀態(tài)和四個(gè)離散事件序列描述這三個(gè)狀態(tài)間的過(guò)程，狀態(tài)q1為當(dāng)前狀態(tài)，狀態(tài) q'為預(yù)計(jì)的下一個(gè)正常狀態(tài)，狀態(tài)q2則是電網(wǎng)實(shí)際發(fā)生變化后的下一個(gè)狀態(tài)，離散序列S1是狀態(tài)q1到狀態(tài) q'之間預(yù)計(jì)的操作過(guò)程描述，離散序列S2為狀態(tài)q1到狀態(tài)q2之間的實(shí)際發(fā)生的斷路器變位事件過(guò)程描述，離散序列 S3為狀態(tài) q1到狀態(tài) q2之間的實(shí)際發(fā)生的包含保護(hù)動(dòng)作和斷路器變位的事件過(guò)程描述。離散序列 S4為狀態(tài) q1到狀態(tài) q2之間的應(yīng)該發(fā)生的包含保護(hù)動(dòng)作和斷路器動(dòng)作的事件過(guò)程描述。

為了分析故障過(guò)程中的繼電保護(hù)和斷路器動(dòng)作行為是否正確，定義離散事件序列S4，它用以描述當(dāng)某個(gè)電氣設(shè)備故障時(shí)候，繼電保護(hù)的和斷路器的順序動(dòng)作。由于繼電保護(hù)和斷路器的動(dòng)作行為嚴(yán)格依據(jù)事先得人工設(shè)定，符合相關(guān)規(guī)則限定，因此事件序列的構(gòu)建可以依據(jù)繼電保護(hù)的規(guī)程設(shè)定。

離散序列 S1由斷路器順序動(dòng)作數(shù)組表示，單個(gè)斷路器動(dòng)作 k由兩個(gè)屬性構(gòu)成：編號(hào) C和狀態(tài)變位z，即 KS1(C, z)。由于正常運(yùn)行時(shí)兩個(gè)斷路器變位之間的時(shí)間較長(zhǎng)，數(shù)組長(zhǎng)度一般為1。

離散序列 S2由斷路器順序動(dòng)作數(shù)組表示，單個(gè)斷路器動(dòng)作k由兩個(gè)屬性：編號(hào) C'和狀態(tài)變位 z'，即 KS2(C', z')。正常運(yùn)行時(shí)數(shù)組長(zhǎng)度一般為1，發(fā)生故障時(shí)，數(shù)組長(zhǎng)度可能超過(guò)1。

離散序列 S3由遙信順序動(dòng)作數(shù)組[p1, p2,…]表示，p用來(lái)表示繼電保護(hù)或斷路器動(dòng)作，由兩個(gè)屬性：編號(hào)和狀態(tài)變位。正常運(yùn)行時(shí)數(shù)組長(zhǎng)度可能不為1。

離散序列 S4由順序動(dòng)作數(shù)組表示，p用來(lái)表示繼電保護(hù)或斷路器動(dòng)作，它表示當(dāng)某一電氣設(shè)備發(fā)生故障的時(shí)候，相關(guān)的繼電保護(hù)和斷路器應(yīng)該發(fā)生地順序動(dòng)作行為。

描述狀態(tài)的離散序列的時(shí)間記錄長(zhǎng)度，一般以s計(jì)算，可以取為10s，以完整捕捉故障事件；如果同一斷路器在1s內(nèi)分合重復(fù)動(dòng)作不記錄，以減少采樣過(guò)程中由于節(jié)點(diǎn)抖動(dòng)所造成的擾動(dòng)。

定義： δ（ q1, s1）= q '，δ為電網(wǎng)正常運(yùn)行的操作規(guī)則。

2）算法的基本流程

（1）根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)定下一將要變位的斷路器數(shù)組，正常操作數(shù)組中將只有一臺(tái)斷路器，即離散序列 S1中的斷路器 KS1(C, z)。

（2）以較低采樣周期采集斷路器變位信息，采樣周期可以設(shè)定為 1s；記錄采樣周期內(nèi)的斷路器 K的變位信息和預(yù)先設(shè)定的操作過(guò)程中的斷路器數(shù)組相比較，如果，則返回步驟1；否則進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，以確定斷路器動(dòng)作的直接后果。

（4）故障設(shè)備 di確定后，以確定的故障設(shè)備為邏輯分析起點(diǎn)，進(jìn)行故障流程的設(shè)定，驗(yàn)證故障相關(guān)繼電保護(hù)和斷路器 KS2(C', z')的動(dòng)作行為。

根據(jù)上述分析可以看出，算法將整個(gè)流程分為兩部分離散序列的對(duì)比，對(duì)電網(wǎng)中離散化的控制手段進(jìn)行連續(xù)性分析，一是以電網(wǎng)中實(shí)際動(dòng)作的斷路器和預(yù)先設(shè)定的斷路器動(dòng)作的比較來(lái)捕捉故障發(fā)生并確定故障設(shè)備，二是以故障過(guò)程的繼電保護(hù)和斷路器動(dòng)作的離散事件的序列對(duì)比來(lái)確定故障過(guò)程中繼電保護(hù)和斷路器的動(dòng)作行為的正確性，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔ぷ髁?，剔除斷路器的誤動(dòng)作信號(hào)，盡可能的減小數(shù)據(jù)對(duì)于診斷系統(tǒng)的影響，提高算法的正確率。

例證 1：如圖 1所示電網(wǎng)，正常情況下，要對(duì)1#變進(jìn)行停電的時(shí)侯，會(huì)逐步拉開(kāi)1#變所帶負(fù)荷的開(kāi)關(guān)，等所有負(fù)荷的開(kāi)關(guān)都拉開(kāi)完后，再拉開(kāi)1#變負(fù)荷側(cè)的開(kāi)關(guān)，即301開(kāi)關(guān)，最后拉開(kāi)501開(kāi)關(guān)。而當(dāng)1#變故障時(shí)候，301開(kāi)關(guān)和501開(kāi)關(guān)會(huì)同時(shí)跳開(kāi)，即實(shí)際變位的斷路器 KS2(C', z')為 301開(kāi)關(guān)和501開(kāi)關(guān)；而離散序列 S1中的斷路器 KS1(C, z)為最先拉開(kāi)的一個(gè)負(fù)荷開(kāi)關(guān)，(C, z)≠ KS2(C', z')，1#變被完全隔離，則可以認(rèn)為1#變即為故障設(shè)備。

例證 2：如圖 2所示的局部電網(wǎng)發(fā)生電網(wǎng)接地故障，111線路保護(hù)動(dòng)作，斷路器111跳閘。在正常操作111線路停電時(shí)，其下級(jí)母線B在111線路停電前會(huì)被轉(zhuǎn)入空載運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)開(kāi)始對(duì)111線路操作時(shí)，首先會(huì)拉開(kāi)負(fù)荷側(cè)的斷路器，也就是112開(kāi)關(guān)，然后再拉開(kāi)111開(kāi)關(guān)。即離散序列 S1中的斷路器KS1(C , z)為 112開(kāi)關(guān)，實(shí)際變位的斷路器(C', z')為111開(kāi)關(guān)， KS1(C, z)≠KS2(C', z')，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?11線，112線，母線B，1#變失電，即q2中有4個(gè)設(shè)備由1→0，進(jìn)入繼電保護(hù)信息輔助分析階段，如果111線路動(dòng)作的保護(hù) PS3為主保護(hù)，則確認(rèn)故障設(shè)備為111線路， KS2(C', z')（111開(kāi)關(guān)）動(dòng)作正確；如果 PS3的性質(zhì)無(wú)法區(qū)分是主保護(hù)還是后備保護(hù)，則無(wú)法確認(rèn)明確的故障設(shè)備，必須依靠故障錄波輔助確定。通過(guò)對(duì)一次設(shè)備開(kāi)關(guān)和二次系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作信息的分離、分析，簡(jiǎn)化推理過(guò)程，提高了計(jì)算速度和準(zhǔn)確率。

圖2 故障實(shí)例網(wǎng)絡(luò)圖

4 本方法的優(yōu)點(diǎn)

對(duì)比早期開(kāi)發(fā)的診斷系統(tǒng)[4]，本算法在運(yùn)算速度、決策支持的精確程度上都有著顯著的提高，其主要優(yōu)點(diǎn)如下：

1）由于電網(wǎng)是人工構(gòu)建的大系統(tǒng)，運(yùn)行具有嚴(yán)格的規(guī)則要求，其操作順序可以預(yù)計(jì)，而故障的隨機(jī)特性則不可預(yù)見(jiàn)，如例證1、2所示，本方法可以快速捕捉電網(wǎng)中發(fā)生的故障，由于故障本身和正常運(yùn)行過(guò)程中的差異，本方法還能夠快速地確定故障設(shè)備。

2）本方法可以區(qū)分?jǐn)嗦菲鞯恼`動(dòng)作行為。

3）本方法可減少數(shù)據(jù)對(duì)于診斷系統(tǒng)的影響。

4）本方法對(duì)于電網(wǎng)中的離散化的控制手段進(jìn)行連續(xù)性分析，可以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔ぷ髁?，有助于提高?jì)算速度。

5）本方法將一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)的動(dòng)作信息分離分析，簡(jiǎn)化了推理過(guò)程和規(guī)則約束的復(fù)雜性。

5 結(jié)論

在電網(wǎng)故障診斷的研究工作中，復(fù)雜故障的診斷依然是難點(diǎn)，其主要問(wèn)題就是當(dāng)電氣設(shè)備主保護(hù)拒動(dòng)作，后備保護(hù)動(dòng)作所帶來(lái)的故障設(shè)備確定的模糊性，雖然復(fù)雜故障概率極小，但卻是診斷系統(tǒng)中體現(xiàn)其智能特性的關(guān)鍵因素。而依靠開(kāi)關(guān)量變位信息在這種情況下無(wú)法給出有效結(jié)論，只有依靠故障時(shí)候的錄波數(shù)據(jù)才能完整解決這一問(wèn)題。在今后的研究中，以電網(wǎng)中有限布置的故障信息系統(tǒng)所采集的錄波數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于故障設(shè)備的準(zhǔn)確定位，是診斷系統(tǒng)必須解決的問(wèn)題。

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