企業電網諧振故障診斷模糊專家系統的研究

摘 要：現代化生產對電網安全穩定運行的要求日益提高，而電網結構的大型化，復雜化的趨勢又給技術人員判斷電網故障增加了困難。以德興銅礦35 kV電網為對象，首先采用Matlab對電網的隨機諧振故障進行故障仿真來驗證諧振誘因，然后對電網的采集數據通過模糊理論中的隸屬函數計算相應的隸屬度，編寫模糊規則，為電網維護人員判斷解決諧振故障提供有力的依據。

關鍵詞：電網安全；諧振故障；模糊理論；模糊規則

中圖分類號：TP274文獻標識碼：A文章編號：1004373X(2008)2016204

Study of Fault Diagnosis on Resonance in Power System of Large Enterprise

YOU Fang，LUO Jing，WANG Rugang，WU Liangdan

(Jiujiang University，Jiujiang，332005，China)

Abstract：Modern production needs safe and more efficient power system，more and more complicated power network structure makes fault diagnosis more difficult，In this paper，it analyzes power system of 35KV in Dexing Copper Mining Company，and checks resonance caused with Matlab and brings forward a way of fault diagnosis expert system based on fuzzy theory by applying theory of artificial intelligent，database and fuzzy theory，applies the technology of the ER database to establish the database，adopts positive inference control policy in inference module，applies the object-oriented technology to realize the system，gives the gist to solve resonance fault for workers.

Keywords：security power system;resonance fault;fuzzy theory;fuzzy rule

1 引 言

隨著現代化大生產的飛速發展和科學進步，企業生產對電網安全運行的需求與日俱增。現代電網發展的一個明顯趨勢是大型化、高速化、連續化和自動化，設備組成與結構復雜化，潛伏著一個危機，即一旦發生故障，所造成的直接、間接損失也將十分嚴重。在電網各種故障事故中，由于過電壓引起的事故又占主導地位，其中，因系統的電感、電容參數配合不當，出現的諧振過電壓因幅值高，且持續時間長，危及電器設備的絕緣，也能因持續的過電流燒毀電感元件設備（如電壓互感器），還會影響保護裝置的工作條件（如避雷器的正常運行），給企業造成巨大的損失^［1，2］。在我國，35 kV線路往往采用不接地或經消弧線圈接地的形式，在中性點不接地系統中進行開關操作或發生故障時，外加的強迫振蕩頻率等于振蕩系統中的某一自由振蕩頻率時，容易激發起持續時間較長的鐵磁諧振，引起諧振過電壓^［3］。

系統采用自檢的方法，在沒有故障發生時，系統每隔一段時間進行自檢，以判斷電網狀態；一旦故障發生立即進入諧振故障診斷模塊，判斷諧振故障原因，給出診斷結論，為技術人員

快速準確地解決諧振故障恢復電網供電提供幫助。

2 江西德興銅礦動力廠35 kV諧振故障仿真實驗

以德興銅礦回水2站為例，系統開始運行在20 kV，0.3 s后給等效加沖擊電壓35 kV，系統迅速振蕩到50 kV，在1 s后切除沖擊電壓，系統電壓幅值超過30 kV，且負載系統不能恢復正常運行。仿真波形近似于鋸齒波形，在橫坐標1 s處系統進入穩定振蕩。線路在母線接地電容C=1e-6 F時35 kV線路的三相電壓波形為正常的正弦波形，電壓幅值為28 kV。當在0.5 s處將母線接地電容人為更改為C=2e-5F時，線路上通過三相電壓計得到的線路三相電壓波形表示系統進入了穩定諧振，通過三相電壓計得到的線路三相電壓幅值為40 kV且系統不能恢復正常電壓。

將后兩種情況下的波形比較可以得出：在提高線路對地電容值后，線路相電壓將由2.8 kV升高到3.5~3.8 kV，并且進入了穩定振蕩。

3 模糊專家系統的研發

模糊專家系統是在知識獲取、知識表示和運用過程中全部或部分采用模糊技術來處理其不確定性的一類專家系統。也就是說，在傳統專家系統處理解決問題的過程中，往往存在著許多概括性的、籠統的、含糊的表示事物狀態的自然語言，以及具有不完善的專家知識模式。運用模糊技術來處理這類專家系統，并稱其為模糊專家系統^［4-6］。

3.1 隸屬函數的構建及模糊規則

電網諧振故障誘因較多，是一種或多種原因的組合。本模糊專家系統是將諧振故障發生時SCADA系統監測的電網各相電壓，電壓互感器的開口電壓和電流值通過模糊理論的隸屬函數計算隸屬度為技術人員快速準確判斷故障原因，解決故障恢復生產提供依據^［7，8］。

當采集到實時數據后，根據實時數據的數值范圍分別與模糊語言較高或較低相對應，再計算相應的隸屬度。如：UA=28 kV，則電壓高的隸屬度為：

μ高=28－（3－1）×20.220.20.6

將檢測到的電流和電壓經過隸屬函數的預處理后和相應的模糊規則進行匹配，判斷諧振故障發生的原因和發生故障的位置，從而得出診斷結果，所以本系統采用帶有可信度的模糊規則。系統根據專家經驗和企業歷來發生諧振故障時各種故障征兆所占比例給定每個規則激活閾值和結論可信度的對比值，即診斷結論可信度>0.5，則認為診斷結論正確。限于篇幅原因，僅列舉本系統中的一些規則。

規則1：如果頻率高（0.4）且開口電壓高（0.6），則線路高頻諧振（0.5，0.4）。

規則2：如果UΔ正常（0.3）且UB低（0.5）且UA高（0.1）且UC較高（0.1），則線路B相接地（0.6，0.4）。

規則3：如果UΔ正常（0.3）且UC低（0.5）且UB高（0.1）且UA高（0.1），則線路C相接地（0.6，0.4）。

以規則1為例，假設采集到現場電壓互感器的開口電壓為50，頻率為45，先計算開口電壓高的隸屬度和頻率高的隸屬度分別為0.6和0.4，則：

前件合取可信度=0.6×0.4+0.4×0.6=0.48，而規則1的規則激活閾值為0.4，0.48>0.4，則證據匹配成功，激活規則1，結論可信度CF=0.5×0.48=0.24。

3.2 本系統的知識庫管理模塊的具體實現

本系統的知識庫管理模塊的具體實現為：

(1) 以數據庫為載體。采用Microsoft SQL Server 2000進行知識庫的建立和存儲；

(2) 分為原始知識庫（事先已設計好）、知識錄入界面、知識修改界面3個子菜單；

(3) 人機接口界面。使操作簡單直接；

(4) 口令驗證界面，提高系統的安全性；

(5) 語法檢查，避免誤操作；

(6) 隨著實踐的發展，對故障原因、處理措施等不斷總結的事故樣本庫，通過樣本管理界面實現樣本的查詢、刪除、添加和修改4個內容^［9-11］。

事故樣本管理界面如圖1所示，雙擊某個樣本記錄可調用樣本修改模塊，對該樣本進行修改；若雙擊表格空處則調用樣本添加模塊，由用戶自行增加事故樣本。對事故樣本的查詢采取2種方式：一是按事故類型查詢，一是按事故發生的時間查詢。用戶可自行選擇查詢的方式。事故樣本查詢界面如圖2所示。

圖1 系統的樣本管理界面

圖2 系統的樣本查詢界面

對事故樣本的修改和添加包含對事故的處理措施，則可由用戶選擇是否將其處理措施設為默認措施。用戶選擇是，當發生同類事故時，系統將自動把該處理措施提示給用戶。事故樣本修改界面如圖3所示。

3.3 系統測試

(1) 單相接地引起的諧振故障測試

測試過程：以324線路為例，先設定故障值如圖4所示，此值將產生一個單相接地故障。

點擊開始，系統運行。系統運行結果如圖5所示；點擊故障符號，顯示故障線路的狀態值，并彈出詳細故障信息窗口。雙擊表中記錄，只彈出詳細故障信息窗口，如圖6所示；故障結束后，單擊“事故日志”（見圖7），其故障信息已存入歷史記錄。

測試分析：系統可如實反映出故障信息和故障時的電氣狀態，并診斷出基頻諧振是由于324線路A相單相接地故障引起，與事實相符。響應速度達到設定時間的要求，其功能達到預期目標。

圖3 系統的樣本修改界面

圖4 324線路參數設置界面

圖5 324線路故障運行界面

(2) 單相斷線引起的諧振故障測試

輸入信息：以318線路為例，設定值如圖8所示；測試過程：點擊開始，系統運行。點擊故障符號，顯示故障線路的狀態值，并彈出詳細故障信息窗口。如圖8所示。

雙擊表中記錄，只彈出詳細故障信息窗口圖9；故障結束后，單擊“事故日志”，其故障信息（見圖10）已存入歷史記錄（見圖11）。

測試分析：系統可如實反映出故障信息和故障時的電氣狀態，且響應速度達到設定時間的要求，其功能達到預期目標。

4 結 語

首先分析鐵磁諧振故障機理及其產生條件，將模糊理論、專家系統、數據庫理論、面向對象

的程序設計方法

圖6 324線路故障信息窗口

圖7 324線路故障信息存入事故日志窗口

圖8 318線路單相斷線故障參數設置

等應用于諧振的故障診斷中，并成功的設計了一個基于企業電網的諧振故障診斷模糊專家系統。軟件已經在江西銅業集團的德興銅礦上機調試，基本達到了預期的功能效果。本系統具有以下特點：

(1)在系統的開發上，本模糊專家系統模型的搭建繼承并改進了專家系統的典型結構。系統采用面向對象編程技術和Visual C++ 6.0程序語言開發專家系統，并采用Microsoft SQL Server 2000數據庫構造知識庫，突破以往采用人工智能語言LISP，Prolog開發專家系統的框架。

(2)在模糊知識設計上使用了模糊產生式規則形式和正反向推理機制。獨到的解決了系統的不確定性的特點。

(3)在實現組態王向用戶數據庫系統傳輸大量數據的編程中，巧妙地解決數據庫接口問題，提高了系統的編程效率，并實現了該系統的可移植性。

圖9 318線路單相斷線故障運行界面

圖10 詳細故障信息

參考文獻

［1］于永源，楊綺雯.電力系統分析\\.北京：中國電力出版

圖11 故障信息存入事故日志界面

社，2004.

［2］劉萬順.電力系統故障分析\\.北京：中國電力出版社，2004.

［3］容健綱.中性點不接地電力系統中鐵磁諧振的數學模型\\.高電壓技術，1979.

［4］吳泉源，劉江寧.人工智能與專家系統\\.長沙：國防科技大學出版社，1995.

［5］尹朝慶，尹皓.人工智能與專家系統\\.北京：中國水利水電出版社，2002.

［6］孫增圻.智能控制理論與技術\\.北京：清華大學出版社，2004.

［7］趙振忠.基于模糊專家系統的輸電線路故障診斷\\.南京：南京理工大學，2004.

［8］毛鵬，許揚，蔣平.輸電網故障診斷研究綜述及發展\\.繼電器，2005，33（22）:79-86.

［9］周立柱.SQL server 數據庫原理設計與實現\\.北京：清華大學出版社，2004.

［10］陳士昂，劉謹，吳惠明.數據庫及其相關技術在故障診斷專家系統中的應用\\.機電工程，2004，21(3):13-16.

［11］王雪梅.Visual C++開發高級界面實例\\.北京:人民郵電出版社，2000.

作者簡介 游 芳 1974年出生，碩士。研究方向為計算機控制。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文