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

（河南省濮陽市濮陽供電公司，河南 濮陽 457000）

電網(wǎng)故障診斷指的是在調(diào)度中心進行的系統(tǒng)級的故障診斷，它的目的是在電力系統(tǒng)發(fā)生故障的時候，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)和評價保護和繼電器動作行為，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[1]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)方法相結(jié)合,以期在多重故障或保護和斷路器異常動作的情況下能得到準確的診斷結(jié)果。文獻[2]提出了一種基于粗糙集理論的故障診斷方法，以從大量的保護和斷路器動作信息中挖掘隱含的知識，為建立故障診斷專家系統(tǒng)提供更加簡潔有效的規(guī)則。文獻[4]提出了動態(tài)關(guān)聯(lián)路徑的概念,構(gòu)造了利用警報信息時序特性的電力系統(tǒng)故障診斷的一種解析模型，描述了現(xiàn)代電力系統(tǒng)多

種保護配置下保護和斷路器的動作時序關(guān)系，以期在面對復(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，但在實用化方面一直未有太大發(fā)展。本文根據(jù)我國電網(wǎng)實際，提出了一種實用化的電網(wǎng)故障診斷方法。

1 故障診斷實用化面臨的問題

目前制約電網(wǎng)故障診斷進入應(yīng)用階段的最關(guān)鍵問題依然是數(shù)據(jù)源的問題。SCADA系統(tǒng)雖然可以覆蓋整個電網(wǎng)采集繼電保護和斷路器動作的開關(guān)量信息，但它只能采集穩(wěn)態(tài)的模擬量數(shù)據(jù)，開關(guān)量動作信息是對于故障的間接反映，但也無法反映故障的基本性質(zhì)，如短路類型、持續(xù)時間等等，這就使得依靠 SCADA所采集的信息進行電網(wǎng)故障診斷只能依賴對于繼電保護和斷路器動作的邏輯關(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，只能先假定故障設(shè)備，再分析相關(guān)信息的動作序列是否符合預(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，當面對存在保護和斷路器拒動和誤動的情況時，往往無法給出確定性結(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分析故障時所采集的繼電保護和斷路器動作的開關(guān)量信息和故障之間的關(guān)系來進行，而這類方法將設(shè)計較為復(fù)雜的推理算法以應(yīng)對電網(wǎng)的較為復(fù)雜的實際故障事件。

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單直觀的分析思路，在現(xiàn)有 SCADA數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上實現(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)備不再流過原有的功率。這一變化過程是隨機的，未能被電網(wǎng)所預(yù)見，但由于繼電保護和斷路器會按照人工預(yù)先設(shè)定的順序動作，即使發(fā)生了存在開關(guān)誤動作的復(fù)雜故障也嚴格符合預(yù)設(shè)規(guī)則，因此故障跳閘的過程是可一個可以用斷路器開關(guān)量變位描述的可測可觀但不可以預(yù)見的離散事件序列。

舉例來講：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線路停電的時候，所有的停電順序都由調(diào)度員預(yù)先設(shè)定，其下級母線在111線路停電前會被轉(zhuǎn)入空載運行狀態(tài)，此時流過111線路的功率為0，當開始對111線路操作時，首先會來拉開負荷側(cè)的斷路器，也就是112開關(guān)，然后再拉開111開關(guān)，這一順序由人工操作實現(xiàn)，112開關(guān)分和 111開關(guān)分之間一般需要以分鐘計算的較長時間。

而當111線路發(fā)生故障的時候，此時其對應(yīng)的繼電保護動作觸發(fā)斷路器111跳閘，實現(xiàn)了對于故障的切除。但111開關(guān)分是調(diào)度員所未預(yù)見的隨機事件，并造成了112線路和1#變所帶負荷的失電，111線路上流過的較大功率躍變?yōu)?。

圖1 網(wǎng)絡(luò)圖

3 算法設(shè)計

1）算法首先采用的兩個基本假設(shè)

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

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

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

為了分析故障過程中的繼電保護和斷路器動作行為是否正確，定義離散事件序列S4，它用以描述當某個電氣設(shè)備故障時候，繼電保護的和斷路器的順序動作。由于繼電保護和斷路器的動作行為嚴格依據(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)繼電保護的規(guī)程設(shè)定。

離散序列 S1由斷路器順序動作數(shù)組表示，單個斷路器動作 k由兩個屬性構(gòu)成：編號 C和狀態(tài)變位z，即 KS1(C, z)。由于正常運行時兩個斷路器變位之間的時間較長，數(shù)組長度一般為1。

離散序列 S2由斷路器順序動作數(shù)組表示，單個斷路器動作k由兩個屬性：編號 C'和狀態(tài)變位 z'，即 KS2(C', z')。正常運行時數(shù)組長度一般為1，發(fā)生故障時，數(shù)組長度可能超過1。

離散序列 S3由遙信順序動作數(shù)組[p1, p2,…]表示，p用來表示繼電保護或斷路器動作，由兩個屬性：編號和狀態(tài)變位。正常運行時數(shù)組長度可能不為1。

離散序列 S4由順序動作數(shù)組表示，p用來表示繼電保護或斷路器動作，它表示當某一電氣設(shè)備發(fā)生故障的時候，相關(guān)的繼電保護和斷路器應(yīng)該發(fā)生地順序動作行為。

描述狀態(tài)的離散序列的時間記錄長度，一般以s計算，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)動作不記錄，以減少采樣過程中由于節(jié)點抖動所造成的擾動。

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

2）算法的基本流程

（1）根據(jù)當前運行狀態(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)定的操作過程中的斷路器數(shù)組相比較，如果，則返回步驟1；否則進行網(wǎng)絡(luò)拓撲，以確定斷路器動作的直接后果。

（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，進行故障流程的設(shè)定，驗證故障相關(guān)繼電保護和斷路器 KS2(C', z')的動作行為。

根據(jù)上述分析可以看出，算法將整個流程分為兩部分離散序列的對比，對電網(wǎng)中離散化的控制手段進行連續(xù)性分析，一是以電網(wǎng)中實際動作的斷路器和預(yù)先設(shè)定的斷路器動作的比較來捕捉故障發(fā)生并確定故障設(shè)備，二是以故障過程的繼電保護和斷路器動作的離散事件的序列對比來確定故障過程中繼電保護和斷路器的動作行為的正確性，簡化網(wǎng)絡(luò)拓撲工作量，剔除斷路器的誤動作信號，盡可能的減小數(shù)據(jù)對于診斷系統(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1#變進行停電的時侯，會逐步拉開1#變所帶負荷的開關(guān)，等所有負荷的開關(guān)都拉開完后，再拉開1#變負荷側(cè)的開關(guān)，即301開關(guān)，最后拉開501開關(guān)。而當1#變故障時候，301開關(guān)和501開關(guān)會同時跳開，即實際變位的斷路器 KS2(C', z')為 301開關(guān)和501開關(guān)；而離散序列 S1中的斷路器 KS1(C, z)為最先拉開的一個負荷開關(guān)，(C, z)≠ KS2(C', z')，1#變被完全隔離，則可以認為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線路保護動作，斷路器111跳閘。在正常操作111線路停電時，其下級母線B在111線路停電前會被轉(zhuǎn)入空載運行狀態(tài)，當開始對111線路操作時，首先會拉開負荷側(cè)的斷路器，也就是112開關(guān)，然后再拉開111開關(guān)。即離散序列 S1中的斷路器KS1(C , z)為 112開關(guān)，實際變位的斷路器(C', z')為111開關(guān)， KS1(C, z)≠KS2(C', z')，進行網(wǎng)絡(luò)拓撲，111線，112線，母線B，1#變失電，即q2中有4個設(shè)備由1→0，進入繼電保護信息輔助分析階段，如果111線路動作的保護 PS3為主保護，則確認故障設(shè)備為111線路， KS2(C', z')（111開關(guān)）動作正確；如果 PS3的性質(zhì)無法區(qū)分是主保護還是后備保護，則無法確認明確的故障設(shè)備，必須依靠故障錄波輔助確定。通過對一次設(shè)備開關(guān)和二次系統(tǒng)保護動作信息的分離、分析，簡化推理過程，提高了計算速度和準確率。

圖2 故障實例網(wǎng)絡(luò)圖

4 本方法的優(yōu)點

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

1）由于電網(wǎng)是人工構(gòu)建的大系統(tǒng)，運行具有嚴格的規(guī)則要求，其操作順序可以預(yù)計，而故障的隨機特性則不可預(yù)見，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行過程中的差異，本方法還能夠快速地確定故障設(shè)備。

2）本方法可以區(qū)分斷路器的誤動作行為。

3）本方法可減少數(shù)據(jù)對于診斷系統(tǒng)的影響。

4）本方法對于電網(wǎng)中的離散化的控制手段進行連續(xù)性分析，可以簡化網(wǎng)絡(luò)拓撲工作量，有助于提高計算速度。

5）本方法將一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)的動作信息分離分析，簡化了推理過程和規(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，其主要問題就是當電氣設(shè)備主保護拒動作，后備保護動作所帶來的故障設(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。而依靠開關(guān)量變位信息在這種情況下無法給出有效結(jié)論，只有依靠故障時候的錄波數(shù)據(jù)才能完整解決這一問題。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)來實現(xiàn)對于故障設(shè)備的準確定位，是診斷系統(tǒng)必須解決的問題。

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