一種集中監(jiān)控模式下電網(wǎng)故障診斷算法

蔣 宇，李 明，張 勇，胡鶴軒

(1.江蘇電力調度控制中心，江蘇 南京210024；2.江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇南京210019；3.河海大學能源電氣學院，江蘇南京210098)

隨著江蘇電網(wǎng)“大運行”體系改革試點工作的完成，其事故處理模式發(fā)生了根本性變革。對電網(wǎng)事故異常的監(jiān)視和分析，從傳統(tǒng)的以變電站為獨立單元的分散模式轉變?yōu)楦骷壵{度機構大規(guī)模、遠方集中的故障監(jiān)視和分析模式。新模式帶來故障信息量巨大以及故障遙信量不正確、丟失等問題。基于離散事件系統(tǒng)的故障診斷方法模型能自動生成可以辨識所有類型故障的故障診斷器，對所有故障假設逐一掃描。與傳統(tǒng)的基于專家系統(tǒng)（ES）[1]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡[2]、優(yōu)化算法[3]、以及同屬于離散事件系統(tǒng)范疇的Petri網(wǎng)絡的故障診斷方法相比，該方法具有建模簡單、完全覆蓋所有故障假設的優(yōu)點。文中針對電網(wǎng)集中監(jiān)控模式，提出了一種基于離散事件系統(tǒng)的電網(wǎng)故障診斷方法。

1 集中監(jiān)控模式

1.1 集中監(jiān)控的特點

國內電網(wǎng)事故異常的傳統(tǒng)診斷模式是以單個變電站為基礎的孤立診斷模式，即故障發(fā)生后由各變電站值班人員單獨對本站事故進行分析，再將診斷結果匯報給值班調度員。傳統(tǒng)故障診斷流程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)故障異常診斷模式

在新的集中監(jiān)控模式下，故障診斷是以各級調度機構為中心的遠程方式進行故障的監(jiān)視和診斷。江蘇省調的集中監(jiān)控范圍包括全省500 kV輸電網(wǎng)及33個500 kV變電站（包括站內220 kV，110 kV，35 kV系統(tǒng)）的全部一、二次設備，其診斷流程如圖2所示。

圖2 “大運行”后故障異常診斷模式

集中監(jiān)控模式是在廣域測量技術上的一次行業(yè)制度革新，具有全面、高效的技術特點,因此在國際上被廣泛采用，例如美國PJM公司和英國NG公司。集中監(jiān)控模式改變了以往只能根據(jù)單個變電站的信號進行電網(wǎng)故障診斷的孤立模式，取而代之的是全網(wǎng)統(tǒng)籌、協(xié)調的綜合診斷模式。

1.2 新模式下電網(wǎng)故障診斷的問題

在傳統(tǒng)的以站為單位的監(jiān)控模式下，故障異常的影響范圍只局限于單個變電站內的設備，設備數(shù)量少，因此值班人員進行故障診斷時需要分析的警告信息量是適當?shù)摹６诩斜O(jiān)控模式下，由于接入監(jiān)控系統(tǒng)的設備數(shù)量龐大、電網(wǎng)中各部分之間電氣上的強聯(lián)系特性，在電網(wǎng)發(fā)生故障、異常時往往伴隨海量的警告信號上傳，造成監(jiān)控人員很難及時準確地發(fā)現(xiàn)并判斷出電網(wǎng)的真實故障情況。

此外，新模式下監(jiān)控人員不在設備現(xiàn)場，因此遠方監(jiān)控值班人員掌握不到保護和裝置設備的準確、詳細情況，存在警告信號丟失和誤發(fā)的可能。

2 離散事件系統(tǒng)

離散事件系統(tǒng)（DES）的故障診斷方法，首先需要針對目標系統(tǒng)進行建模，構建故障分析器，隨后根據(jù)觀測到的系統(tǒng)狀態(tài)的跳轉情況，通過診斷器自動推導出已發(fā)生的電網(wǎng)故障。

2.1 故障診斷流程

故障診斷流程如圖3所示。

圖3 離散事件系統(tǒng)故障診斷流程

2.2 離散事件模型的建模方法

首先根據(jù)觀測到的故障信息及繼電保護選擇性配置原則，選定故障影響范圍。根據(jù)選定的范圍，將局部故障電網(wǎng)系統(tǒng)定義為如下的有限自動機：

式中：X為系統(tǒng)G的狀態(tài)集合（x0為在線觀測到的系統(tǒng)初始狀態(tài)，xm為最終狀態(tài)）；Σ為引起系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生轉變的事件；δ：X×Σ→X為系統(tǒng)G自身的狀態(tài)跳轉映射；Y為保護、開關狀態(tài)變化的觀測集合，包括Hi為開關i的動作序列，Sj為保護j的動作序列，有：

2.3 構建故障分析器

根據(jù)電網(wǎng)系統(tǒng)G，以窮舉的方法對局部電網(wǎng)系統(tǒng)可能發(fā)生的所有類型的故障進行窮舉，獲得表征故障類型狀態(tài)的集合Κ，則構建的系統(tǒng)故障診斷器如式（4）、（5）、（6）、（7）所示：

其中Fk表示發(fā)生第k類故障時系統(tǒng)G所包含的狀態(tài)集合。

2.4 故障診斷過程

通過數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)（EMS），故障診斷系統(tǒng)接收到故障遙信量集合為：

其中y（i）表示第i次觀測到的保護和設備動作行為。

根據(jù)已經(jīng)建立的故障診斷器模板，按圖4所示診斷過程，逐個對故障假設Fi進行掃描。根據(jù)，if x∈FithenΚ（x）=Fi，的推理規(guī)則，有：

圖4 故障診斷過程

診斷系統(tǒng)輸出故障診斷結果為K（n）＝Fk。

3 故障診斷實例

3.1 算列驗證

以文獻[4]所述的江蘇電網(wǎng)一次實際故障為例，驗證該算法。如圖5所示，220 kV諫常L2551線發(fā)生單相接地故障，兩側斷路器的高頻保護動作，常州變側2402號斷路器跳閘，但諫壁變側2205號斷路器拒動，引起諫壁變1號母線失靈保護動作,跳開母聯(lián)2210號斷路器和2204號斷路器，但諫壁變2203號斷路器拒動作，引起L2553三井變側零序Ⅱ段保護動作，跳開三井變2301號斷路器。同時電網(wǎng)中發(fā)生了丹陽變2103號斷路器零序Ⅱ段誤動作造成小環(huán)網(wǎng)解列的復雜故障。故障診斷的結果如表1所示。

圖5 電網(wǎng)接線

表1 故障診斷結果

3.2 實列驗證

以江蘇省調開展集中監(jiān)控業(yè)務以來的實際電網(wǎng)事故作為案例，用文中所述算法進行仿真計算。2011年江蘇省調集中監(jiān)控業(yè)務內總計發(fā)生36次電網(wǎng)事故，由于篇幅所限僅列出部分仿真計算結果，如表2所示。

表2 故障仿真計算結果

4 結束語

江蘇電網(wǎng)作為國家電網(wǎng)公司“大運行”改革試點單位，在全國率先完成了以高效化、專業(yè)化為方向的轉變過程。電網(wǎng)管理方式的變革必然帶來電網(wǎng)故障異常處理模式及分析技術方法的變化，文中針對國內電網(wǎng)管理結構發(fā)生變化的情況，提出基于離散事件系統(tǒng)的集中監(jiān)控模式下的故障異常分析與輔助決策系統(tǒng)。該方法的工程化應用，不但可以為陸續(xù)在全國電網(wǎng)企業(yè)推進的調度集中監(jiān)控業(yè)務，提供運行經(jīng)驗和技術支持；還可以為離散事件系統(tǒng)方法，在電網(wǎng)故障異常診斷中的先期研究。

[1]李雄剛.故障診斷專家系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的運用[J].廣東電力，1999，2（2）：39-41.

[2]顧 雪平，盛四清，張文勤，等.電力系統(tǒng)故障診斷神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)的一種實現(xiàn)方式[J].電力系統(tǒng)自動化，1995，19（9）：26-30.

[3]HERTZ A，KOBLERD.A Framework for the Description of Evolutionary Algorithms[J].European Journal of Operational Research，2000，126（1）：1-12.

[4]周 昕，殷蕓輝.新型電網(wǎng)故障診斷專家系統(tǒng)的設計[J].江蘇電機工程，2007，26（3）：15-17.