基于多信息源的電網(wǎng)故障診斷智能分析系統(tǒng)研究

摘要：精確的電網(wǎng)故障診斷是保證電力安全運(yùn)行的一個(gè)重要措施。電網(wǎng)發(fā)生故障后，調(diào)度員在短時(shí)間內(nèi)處理眾多的警報(bào)信息并進(jìn)行分析決策是極其困難的，如果不能快速地正確判斷故障點(diǎn)，往往會(huì)導(dǎo)致故障的范圍擴(kuò)大，造成嚴(yán)重的后果。在此背景下，以分層、智能和集成的思想，構(gòu)建了一個(gè)基于多信息源的電網(wǎng)故障診斷智能分析系統(tǒng)的基本框架。采用了基于優(yōu)化技術(shù)的故障診斷方法，解決了該系統(tǒng)中核心的部分——故障元件識(shí)別，使得系統(tǒng)有更強(qiáng)的拓展性和容錯(cuò)性。最后，通過(guò)實(shí)際算例證明了本文提出的方法的有效性。

關(guān)鍵詞：安全運(yùn)行；電力系統(tǒng)；故障診斷；目標(biāo)函數(shù)；優(yōu)化技術(shù)；禁忌搜索

作者簡(jiǎn)介：韋劉紅（1985-），女，壯族，廣西柳州人，廣州供電局有限公司變電管理一所；伍玉林（1985-），男，廣東臺(tái)山人，廣州供電局有限公司調(diào)控中心。（廣東 廣州 510000）

中圖分類(lèi)號(hào)：TM727 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）23-0206-03

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們不斷加強(qiáng)電網(wǎng)的聯(lián)系，擴(kuò)大電網(wǎng)規(guī)模，并采取各種有效措施以提高系統(tǒng)的安全運(yùn)行水平。可是，故障的發(fā)生仍是不可避免的，而且隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，系統(tǒng)事故處理難度大大增加。2003年發(fā)生的美加停電事故就是典型的大面積停電事故。該事故的調(diào)查報(bào)告指出，其重要的原因是電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)障礙，引起對(duì)事故判斷的措施錯(cuò)誤，進(jìn)而耽誤了事故處理的最佳時(shí)機(jī)，導(dǎo)致了可怕的后果。可見(jiàn)，故障后診斷和故障處理不正確將會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)更加惡化，甚至使整個(gè)電力系統(tǒng)癱瘓。所以，故障后對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行快速正確的判斷，提出正確的事故處理措施，對(duì)于電力網(wǎng)安全運(yùn)行是非常重要的。

在沒(méi)有電網(wǎng)故障診斷智能分析系統(tǒng)之前，調(diào)度員首先需要電話(huà)確認(rèn)故障跳閘的設(shè)備，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的電話(huà)匯報(bào)與電網(wǎng)調(diào)度中心SCADA系統(tǒng)所獲的各種信息，對(duì)系統(tǒng)事故進(jìn)行判斷、分析，并確定處理方案。[1]然而，這樣往往只能處理電網(wǎng)中發(fā)生的簡(jiǎn)單事故。對(duì)于比較復(fù)雜的事故，一般電網(wǎng)調(diào)度人員很難短時(shí)間內(nèi)獲取準(zhǔn)確、完整的事故信息，更難以制定可行的處理方案。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，除了原有的SCADA、EMS系統(tǒng)外，電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)又增加了WAMS系統(tǒng)、數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)以及變電站自動(dòng)化系統(tǒng)等等。這些先進(jìn)的技術(shù)為電網(wǎng)故障診斷智能分析系統(tǒng)提供了豐富的信息源，在此基礎(chǔ)上，本文構(gòu)建了一個(gè)電網(wǎng)故障診斷智能分析系統(tǒng)，能從海量警報(bào)信息中快速、準(zhǔn)確地判斷事故的性質(zhì)，找到故障的根源。

本文所做的工作包括以下三個(gè)方面：構(gòu)建了一個(gè)多信息源的電網(wǎng)故障診斷智能分析系統(tǒng)的基本框架，并對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊做了概述；提出了本系統(tǒng)核心的部分即故障元件識(shí)別的解決方案——基于優(yōu)化技術(shù)的故障診斷方法；通過(guò)實(shí)際算例證明了本文故障元件識(shí)別方法的有效性。

一、系統(tǒng)框架

1.系統(tǒng)架構(gòu)

基于多信息源的電網(wǎng)故障診斷智能分析系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由變電站端系統(tǒng)和調(diào)度端系統(tǒng)兩部分組成。其中，變電站端系統(tǒng)主要對(duì)變電站內(nèi)的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行就地分析處理和過(guò)濾，然后將有用信息上傳到調(diào)度端系統(tǒng)。調(diào)度端系統(tǒng)綜合各個(gè)變電站端系統(tǒng)上傳的信息進(jìn)行診斷，判斷出故障點(diǎn)，分析故障原因，同時(shí)給出事故處理方案。本文重點(diǎn)研究調(diào)度端系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

2.變電站端系統(tǒng)

變電站端系統(tǒng)的主要功能包括：

（1）匯集信息。對(duì)斷路器跳閘信息、保護(hù)動(dòng)作信息、自動(dòng)裝置信息和故障錄波信息等信息進(jìn)行接入。

（2）對(duì)警報(bào)信息進(jìn)行處理與過(guò)濾，找出變電站發(fā)生的具體事件和存在異常的警報(bào)信息。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于保護(hù)設(shè)備非正常動(dòng)作或者通信失效會(huì)造成誤動(dòng)作信號(hào)和不明確信號(hào)。這些警報(bào)信息如果未經(jīng)過(guò)濾處理就上送到調(diào)度端系統(tǒng)，則調(diào)度端將很難區(qū)別有用的和錯(cuò)誤的信息，可能導(dǎo)致診斷錯(cuò)誤。通過(guò)警報(bào)處理，可以在故障時(shí)鑒別出異常信息。

3.調(diào)度端系統(tǒng)

調(diào)度端系統(tǒng)采用分層診斷的思想，如圖2所示。每一個(gè)層的診斷都必須利用上一次層的診斷結(jié)果，隨著層次的增加，診斷精度將逐漸精細(xì)。前兩層為基本分析模塊，用于故障元件識(shí)別；最后一層為高級(jí)分析模塊，用于更精細(xì)的故障定位和故障原因分析。下面對(duì)各層進(jìn)行說(shuō)明：

（1）網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)涓櫦肮收贤ｋ妳^(qū)域自動(dòng)識(shí)別。該層通過(guò)變電站端上傳的斷路器和刀閘開(kāi)合信息，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)拓?fù)涓櫍渚唧w原理是：首先，根據(jù)開(kāi)關(guān)狀態(tài)通過(guò)節(jié)點(diǎn)聚合的思想劃分電網(wǎng)子系統(tǒng)；然后，根據(jù)子系統(tǒng)是否有電源注入，識(shí)別各子系統(tǒng)是否帶電；最后，比較故障前后各子系統(tǒng)的帶電情況，即可自動(dòng)識(shí)別出故障停電區(qū)域。

（2）如果停電區(qū)域只包括一個(gè)元件，則該元件為故障元件；如果停電區(qū)域包括多個(gè)元件，則必須啟動(dòng)第二層基于優(yōu)化技術(shù)的方法進(jìn)行故障元件的識(shí)別。該層根據(jù)停電區(qū)域中的元件，提取繼電保護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)的繼電保護(hù)知識(shí)和變電站端傳送上來(lái)的實(shí)時(shí)保護(hù)動(dòng)作信息，并進(jìn)行診斷，最終識(shí)別出故障元件。該層是本文構(gòu)建系統(tǒng)的最核心部分，其具體算法可參見(jiàn)第3部分。

（3）根據(jù)上一層診斷出的故障元件，還需要對(duì)各種警報(bào)信息進(jìn)行更加詳細(xì)的分析處理，即實(shí)現(xiàn)高級(jí)分析功能，包括故障錄波分析、故障測(cè)距、繼電保護(hù)特性分析等。

故障錄波分析：對(duì)COMTRADE格式的故障錄波文件進(jìn)行處理，分析出故障時(shí)刻、故障持續(xù)時(shí)間、故障類(lèi)型、故障相別、SOE列表等信息。

故障測(cè)距：根據(jù)故障錄波信息，運(yùn)用測(cè)距算法對(duì)事故進(jìn)行計(jì)算和綜合分析判斷，給出準(zhǔn)確的故障點(diǎn)和故障相別。

繼電保護(hù)特性分析：綜合利用保護(hù)信息與故障錄波信息，結(jié)合保護(hù)原理，對(duì)繼電器和保護(hù)裝置動(dòng)作特性進(jìn)行分析，以確定繼電器和保護(hù)裝置是否正確動(dòng)作，動(dòng)作結(jié)果是否符合保護(hù)的動(dòng)作原理、特性。如果出現(xiàn)不正確或不符合的情況，及時(shí)制定反事故措施，避免同類(lèi)事故再次發(fā)生。

二、基于優(yōu)化技術(shù)的故障診斷方法

1.基本思想

基于優(yōu)化技術(shù)的故障診斷方法[2-7]的基本思想是：根據(jù)設(shè)備故障與保護(hù)和斷路器動(dòng)作之間的邏輯關(guān)系，構(gòu)建一個(gè)能夠反映保護(hù)和斷路器實(shí)際狀態(tài)和期望狀態(tài)之間差異的目標(biāo)函數(shù)，然后基于所收到的警報(bào)信息采用優(yōu)化算法尋求使該目標(biāo)函數(shù)最小的故障假說(shuō)，即如圖3所示，找到一個(gè)最能解釋實(shí)際警報(bào)信息集合的故障假說(shuō)。這樣，就將故障診斷問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)無(wú)約束的0-1整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題。

2.目標(biāo)函數(shù)

基于優(yōu)化技術(shù)的故障診斷方法的目標(biāo)函數(shù)必須能夠準(zhǔn)確反映保護(hù)和斷路器實(shí)際狀態(tài)和期望狀態(tài)之間的差異，其基本形式如下[2-3]：

（1）

式中：nr為保護(hù)總數(shù)；nc為斷路器總數(shù)；D為一個(gè)no維向量（no為停電區(qū)域內(nèi)設(shè)備的總數(shù)），第k個(gè)元素dk表示停電區(qū)域內(nèi)第k個(gè)設(shè)備的狀態(tài)，dk=1或dk=0分別表示第k個(gè)設(shè)備處于故障或正常狀態(tài)；ri為第i個(gè)保護(hù)的實(shí)際狀態(tài)，ri=0或ri=1分別表示處于未動(dòng)作或動(dòng)作狀態(tài)；ci為第j個(gè)斷路器的實(shí)際狀態(tài)，cj=0或cj=1分別表示處于分?jǐn)嗷蚝祥l狀態(tài)；ri*和cj*分別對(duì)應(yīng)ri和cj的期望狀態(tài)；為第i個(gè)保護(hù)的期望狀態(tài)和實(shí)際狀態(tài)的差異度；為第j個(gè)斷路器的期望狀態(tài)和實(shí)際狀態(tài)的差異度。

3.禁忌搜索算法

建立診斷模型及構(gòu)造了相應(yīng)目標(biāo)函數(shù)后，本文采用禁忌搜索算法[8-9]（Tabu Search）進(jìn)行求解。Tabu算法是一種全局逐步尋優(yōu)算法，它通過(guò)采用特有的“禁忌”方式避免了迂回搜索，并通過(guò)藐視準(zhǔn)則來(lái)赦免一些被禁忌的優(yōu)良狀態(tài)，進(jìn)而保證多樣化的有效探索。Tabu算法思想簡(jiǎn)單容易理解，計(jì)算速度和效果比較令人滿(mǎn)意。

基于優(yōu)化技術(shù)的故障診斷，當(dāng)有保護(hù)、斷路器不正確動(dòng)作時(shí)，也能夠給出準(zhǔn)確的診斷結(jié)果；當(dāng)存在保護(hù)信息丟失時(shí)，也能夠給出符合邏輯和準(zhǔn)確的結(jié)果，具有一定的容錯(cuò)能力，診斷結(jié)果合理符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，并能給出多種在實(shí)際中有可能發(fā)生的故障診斷結(jié)果。

三、算例

為了驗(yàn)證系統(tǒng)采用的智能算法和模型的有效性，基于第2部分所提的算法，以江西省贛州市興國(guó)變電站真實(shí)故障事故為例進(jìn)行仿真測(cè)試。變電站接線(xiàn)圖如圖4所示，故障發(fā)生時(shí)，開(kāi)關(guān)與保護(hù)動(dòng)作信息如表1所示。通過(guò)所提出的系統(tǒng)分析，可得診斷結(jié)果為：“35kV興小線(xiàn)故障，興小線(xiàn)過(guò)流I段、II段保護(hù)動(dòng)作，315斷路器拒動(dòng)，最后由#2主變后備過(guò)流保護(hù)跳開(kāi)302與331斷路器”，與實(shí)際情況相符。可見(jiàn)，電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，該系統(tǒng)能為調(diào)度員進(jìn)行故障分析提供有效的決策參考方案。

四、結(jié)論

本文以分層、智能和集成的思想，構(gòu)建了一個(gè)基于多信息源的電網(wǎng)故障診斷智能分析系統(tǒng)的基本框架。重點(diǎn)提出了該系統(tǒng)最核心部分即故障原件識(shí)別模塊的解決方案：基于優(yōu)化技術(shù)的故障診斷方法。理論和實(shí)例表明，診斷模型與算法能為調(diào)度人員提供診斷決策方案。因此，本文提出的電網(wǎng)故障診斷智能分析系統(tǒng)在保障電力安全運(yùn)行方面具有很強(qiáng)的應(yīng)用潛力。

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（責(zé)任編輯：劉輝）