淺析電網事故診斷及處理算法綜述

2013-12-31 00:00:00張金忠

電子世界 2013年24期

【摘要】隨著社會的發展，電能在社會各個領域發揮著重要的角色作用，安全越來越受到人們的重視，電網安全已經成為行業內討論的話題。本文從電網故障診斷和恢復處理角度，主要論述了基于人工智能的故障診斷方法、基于矩陣計算的故障定位方法，以及幾種事故處理算法，并對各自的優缺點進行了評價，指出了此領域研究存在的問題。

【關鍵詞】電網故障；診斷；處理；人工智能；智能電網

科學技術進步促進了電網安全技術的發展，當代電網的安全控制中，緊急狀態下的緊急控制主要由“離線整定、實時動作”的繼電保護和穩定控制裝置來實現。這些自動裝置除了不具備事態發展的評估能力外，當離線模擬與在線實際情況相差較大時，還可能發生保護動作過慢導致電網振蕩，或發生不必要的解列問題。因此，電網在正常狀態下動態安全評估的預防性控制亟待加強。本文對電網事故定位和診斷的方法、事故處理中的電網恢復算法進行了綜合研究。

1.電網故障定位和事故處理概念

綜合分析大量的事故，如要預防和控制事故，使事故損失降低到可以接受的范圍內，就需要掌握事故規律，采取恰當的措施、方法和手段預防和控制事故。

1）事故預想，是指根據工作實際情況，對可能出現的事故進行分析設想，就事故發生后可能出現的情況進行推斷，并就如何正確地判斷事故情況，有效地控制事故擴大進行管理。

2）故障定位，是指電網發生單一故障時，迅速判斷并確定故障發生區段。電網發生事故時，調度人員要在最短時間內對故障做出正確評判和決策，就要研究各種算法來及時有效地做出故障定位和隔離。

3）事故處理，需要注意解列判斷、故障隔離和故障恢復。在電網事故處理之前，需要對系統進行解列狀態判斷，以了解系統是否解列及各子系統所包含的廠站。配電網發生故障后，在現有條件下繼電保護裝置一般無法精確地隔離故障設備，其動作結果往往造成一條或數條饋線上的負荷全部失電。為了提高供電可靠性，有必要先將故障隔離，再將那些非故障停電區域的負荷先恢復供電，稱為故障恢復，其首要目標是在允許的操作條件和電氣約束下，通過網絡重構盡可能多地將停電區域的負荷轉供到正常的饋線上。

2.電網故障診斷算法

電網故障診斷方法中較常見的有專家系統、模糊理論、人工神經網絡、Petri網、優化理論、信息理論等。這些方法在遇到多重故障（如繼電保護和斷路器的故障、通信失敗）時，每個方法都有自身的局限性。專家系統方法在電力系統故障診斷中取得了較大的進展，其存在的難題是創建和維護專家系統知識庫相當復雜，且推理速度較慢也難以滿足大規模電力系統在線應用。神經網絡算法從簡單電網上選取樣本，并得到訓練，不適合大規模電網的案例。針對目前國內外對電網故障診斷算法的研究現狀，以下分析基于人工智能的故障診斷方法和基于矩陣計算的故障定位方法。

2.1 基于人工智能的故障診斷方法是一種新模型

基于停電區域的電力系統故障診斷運用無源信息識別停電區域法，有效地將故障診斷問題局限于某個小的局部網絡中；在停電區域內，根據停電元件、斷路器和保護動作信息構造了新的只在停電區域中識別故障元件的0-1模型，并采用貪婪算法對故障診斷模型求解，驗證了模型的正確性。采用粗糙集理論進行電網故障診斷，大大提高了診斷的容錯性，但丟失或出錯的故障信息為關鍵信息時診斷結果會受到影響，準確率較低。

嘗試綜合分析處理故障信息，運用粗糙集理論的方法解決電網故障診斷問題，保護動作分析模塊先根據故障錄波數據判斷保護是否正確動作，將修正后的故障信息存入相應的模塊，然后用歷史故障樣本建立決策表，采用基于可辨識矩陣和信息熵的屬性約簡算法提取最佳屬性約簡組合，最后利用最佳屬性約簡組合形成的約簡決策表進行電網的故障診斷，其準確度較高。電網故障信息分為正常運行狀態下的信息、事故后的動作信息和靜態的繼電保護信息。根據信息記錄對象可分為開關動作、保護動作、故障錄波。行波故障定位系統，不考慮阻抗、線路和電源參數及系統運行方式的影響，故障引起的高頻電流信號是電流變壓器通過多通道測量信號所必需的，開發了基于全網的行波故障定位系統，設計了行波感應器、故障定位和故障計算中心，滿足電網的故障定位要求，可以計算故障行波到達時間與故障計算中心配合，可以通過星形模型計算定位出故障位置。

2.2 矩陣計算的故障定位方法

綜合矩陣法，可適用于單電源樹狀網和多電源復雜配電網。首先通過遠方或就地設置裝置的工作模式，將故障狀態變量通過配電網自動化通信系統上傳至配電自動化控制中心，在配電自動化控制中心計算機上應用綜合矩陣法確定故障判斷矩陣中元素為1的位置，根據配電網網絡結構找到故障所在區間，下達調度命令、隔離故障區間、恢復非故障區間供電。基于過熱區域搜索的多電源復雜配電網故障定位新方法（見圖1），通過判斷區域故障以及引入頂點對弧的負荷和區域負荷，給出簡便的最小配電區域分離算法，并詳細論述了過熱區域的搜索步驟，對饋線測控終端故障信息不完備的情況給出了相應對策。該方法具有較高的實用價值，容錯性好，可精確衡量故障的程度。

針對饋線區域和開關頂點的關聯拓撲聯結關系，提出改進型矩陣算法，并通過最終形成的故障區間判定矩陣可直觀地定位出故障區域。該算法優點是可以同時確定出隔離該區域應斷開的電源側開關，可滿足在線應用的需要；缺點是不能應用于多電源和多故障復雜配電網故障定位，需要拓展研究。

3.電網事故處理算法

電網發生事故時，迅速正確地判斷事故是盡快消除故障源、防止事故擴大的前提，首先根據事故現象的關聯性，正確判斷事故性質，確定送受端；根據電網的有功、無功潮流及電壓的變化，正確判斷事故所產生的后果。隨著電網結構的變化，及時了解與控制系統的薄弱環節，在恢復過程中分清主次關系，理順送電次序。

專家系統是目前人工領域內最為活躍的一部分，故障診斷與恢復處理專家系統應用很廣。其提出尋找無源連通區域，進一步確定故障區的方法大大縮小了故障搜索范圍，提高了實時定位速度，同時也簡化了多重故障。根據戴克斯特拉算法（Dijkstra）的思想，快速分離故障源，找出最優供電路徑，迅速恢復未故障停電區的供電，采用面向服務的體系結構（SOA）進行故障診斷及恢復專家系統，根據事故處理的原則給出了處理措施。最短路徑法故障處理如圖2所示：

系統的恢復過程分為：黑啟動階段、系統重構階段和負荷恢復階段這3個階段。系統重構階段劃分為“串行”送電階段和“并行”送電階段。“串行”送電階段即在系統恢復初期，系統電源較少，頻率和電壓調節能力不足時，只可以逐步地送電，該階段的優化算法的尋優目標是以最短的路徑向一些關鍵廠站供電；隨著投入廠站的增多，“并行”送電階段系統頻率和電壓調節能力也隨之增強，該階段的優化算法的尋優目標是以最小的代價向所有失電節點供電。選擇恰當的尋優策略，適應不同的初始條件，求解不同的多項式時間算法，結果準確合理。研究了一種快速可靠的方法計算恢復系統的工作，運用國際通用數理計算法的分支限定法來探討恢復系統的目標方案。目標函數確定為滿足快速斷路器最小的動作次數和最小停電面積和運行人員的操作措施。綜合考慮開關操作次數最少和網損最小的配電網故障恢復重構模型，將禁忌（Tabu）搜索技術應用于所建立的故障恢復模型的求解，Tabu搜索技術的基本思想是通過記錄搜索歷史，從中獲得知識并利用其來指導今后的搜索以避開局部最優解。該方法的缺點是所有開關的權重因子都取相同的值，Tabu搜索是考慮局部最優解，因此可以在此方法基礎上拓展研究，使得模型求解更準確。

電網事故恢復處理系統如下：

①通過歷史數據來找到解決問題的方案；

②采取適應法來提出一個新的方案，包含各種恢復方案和參數、規則來評價負荷電力系統的電氣參數表現；

③回顧主要專家知識；

④確定最后的恢復步驟。

4.電網事故診斷和處理方法存在的問題

1）在基于人工智能的故障診斷算法研究中，雖然引入了優化問題的不同尋優方法，來提高算法中尋優方案的能力，但是從算法的計算效率上看，達到實時的在線運用要求還有差距。

2）在實際的調度工作中，當碰到事故發生時，由于時間的限制性，有可能來不及調用專家系統的知識庫來判斷及處理，大多還是憑借多年的工作經驗來解決問題。

3）考慮事故的多樣性。如何利用合適的診斷和處理方法，來解決問題是未來工作的重心。

4）在故障恢復時，不僅要考慮局部的故障恢復，還要考慮全局，要能夠有效地調配整個配電網恢復容量。需要進一步研究在保證恢復事故效率的前提下更加優化的恢復方案。

5.結語

電網事故診斷及處理是電網系統研究的重要部分。本文從故障診斷和恢復處理角度，論述并評價了不同的事故診斷和處理的算法，這將對電力系統的預防控制和緊急控制功能以及電力系統恢復控制功能、連鎖性故障發生的機理及控制策略的研究有重要的推動。