基于專家系統的電力系統故障分析與研究

胡連梅

(蘇州信息職業技術學院電氣與電子工程系，江蘇蘇州215200)

基于專家系統的電力系統故障分析與研究

胡連梅

(蘇州信息職業技術學院電氣與電子工程系，江蘇蘇州215200)

根據斷路器跳閘、保護動作信息建立保護/斷路器動作行為分析的決策樹，采用專家系統進行故障定性分析，查找故障原因，找出故障設備。故障分析專家系統為維修人員快速、準確地處理和控制電力系統故障提供了科學的理論依據。

專家系統；決策樹；電力系統；故障分析

TM773

A

1 概述

專家系統(ES，Expert System)就是應用于某一專門領域，擁有該領域相當數量的專家級知識，能模擬專家的思維，能達到專家級水平，能像專家一樣解決困難和復雜的實際問題的計算機(軟件)系統。[1]它的突出特點在于一般解決的是沒有算法的問題，并且經常要在不完全、不精確或不確定的信息基礎上作出結論。從1985年起至今，隨著專家系統技術以及計算機技術的飛速發展，該技術在電力系統很多領域都取得了顯著的成果。[2]

故障分析專家系統分為故障診斷、保護斷路器動作行為分析以及事故處理專家系統，它們三者構成了一個完整的電網事故分析處理過程。準確的故障診斷和定位是分析的基礎，保護、斷路器動作行為分析是分析的繼續，事故處理才是專家系統應用的最終目的。電網故障診斷專家系統主要依據電網事故時的故障錄波信息、斷路器跳閘及保護動作信息來判斷故障。下面主要是以斷路器跳閘、保護動作信息為依據進行故障分析。

2 專家系統的故障分析依據

2.1基于模擬量的故障診斷

技術人員經常利用故障錄波器連續觀察從故障發生到故障切除的整個過程中的電流(電壓)的變化時序，并以電流(電壓)突變量為判斷依據來確定故障的性質。

以電流突變量為依據的故障診斷過程：首先確定電流突變點，然后分以下3種情況進行分析。

①突變前正常，突變后電流為0，可以判斷是保護或開關誤動；突變前正常，突變后故障，可以判斷是區內故障。

②突變前故障，突變后正常，可以判斷是區外故障；突變前故障，突變后電流為0，可以判斷是故障在本地切除。

③突變前電流為0，突變后正常，可以判斷重合閘成功；突變前電流為0，突變后故障，可以判斷是重合閘失敗。

但基于模擬量的故障診斷技術目前還存在一些不足，對于線路重負荷、線路一側為弱電源或無電源等情況時，使用電流判據比較困難。再者，故障錄波器中沒有足夠大的故障時電流存儲空間，有時故障時故障錄波器未啟動，因而就無法使用模擬量來分析故障。

2.2基于斷路器和保護信息的故障診斷

因斷路器跳閘和保護信息能夠在故障時第一時間傳到，所以在無法使用模擬量進行故障分析時，技術人員可以使用斷路器和保護信息來診斷故障。根據保護和斷路器的故障切除原理和模式，采用基于規則的正向推理和反向推理來診斷故障。

因斷路器(除誤動外)總是在保護范圍內設備故障時動作跳閘，所以說跳閘斷路器與故障設備之間存在著一定的聯系。采用正向推理，并根據斷路器的保護范圍進行正向推理來確立初步故障集。而在初步故障集中只有那些被跳閘斷路器從帶電部分隔離下來的設備，才有可能是故障設備。采用反向推理過程對初步故障集中的假設故障設備進行逐個求證，從而找到故障設備。

基于斷路器和保護信息的故障診斷技術在只考慮所有保護都帶有方向性時，便于推理，而在考慮失去方向性的情況，故障的搜索范圍就比較大；考慮所有線路都帶有雙側電源時，同樣便于推理，而單側電源和負荷線路的情況，就無法利用線路兩端保護和斷路器的動作來確認故障線路。

2.3混合故障診斷

保護、斷路器無不正確動作時，只利用斷路器變位信息就可確定故障范圍。如斷路器出現不正確動作時，就必須把斷路器變位信息和保護動作信息結合起來才可確定故障設備；保護出現不正確動作時，只利用斷路器、保護動作信息不能夠確定故障設備，一定要結合故障錄波信息才能確認故障設備。

在實際應用中，究竟采用哪何種方式，應根據系統中斷路器信息、保護信息以及故障錄波信息的獲得方式、數據的可靠性和完整性等因素決定。這3種故障診斷技術可以有不同的配合方式。

3 基于決策樹的保護/斷路器動作行為分析專家系統

3.1保護/斷路器動作行為分析專家系統的組成

保護/斷路器動作行為分析專家系統的組成如圖1所示。

圖1 保護/斷路器動作行為分析專家系統的組成

3.2決策樹

決策樹(decision tree)也稱判斷樹，它是由對象的若干屬性、屬性值和有關決策組成的一棵樹，每個節點代表一種屬性。從同一節點出發的各個分枝之間是邏輯“或”的關系；根節點為對象的某一屬性；從根節點到每一個葉子節點的所有的節點，按順序串連一條分枝路徑，位于同一分枝路徑上的各個屬性對之間是邏輯“與”的關系，葉子節點是這個與關系的對應結果，即決策。[3]它剛好構成一個產生式規則，各個屬性對的合取構成規則的前提，葉子節點的決策就是規則的結論。

由于產生式規則專家系統表達直觀、模塊性強、推理較為簡單等特點，所以成為專家系統應用較廣泛的一種推理模式。決策樹分析法就是用構造樹型數據結構的方法從一批事實數據中歸納總結出若干分類、決策規則。一棵決策樹實際上就表示了一組產生式規則，一組特定的產生式規則也可以表示成一棵決策樹，決策樹也是一種知識的表示形式。它可以描述分類、決策、診斷、評判等性質的知識。[4]

3.3基于保護/斷路器動作行為分析的決策樹建立

電力系統各電氣元件之間通常用斷路器互相連接，每臺斷路器都裝有相應的繼電保護裝置，可以向斷路器發出跳閘脈沖。每一電氣元件一般都有2種繼電保護裝置，即主保護和后備保護，必要時還要另外增加輔助保護。高壓電網中的輸電線路一般配備縱聯保護作為主保護，主保護根據對側保護的信息，可以有選擇性地快速切除全線故障。如故障時主保護拒絕動作，作為后備保護通道的保護瞬時或帶時限來切除故障。為了防止斷路器拒絕動作這種情況，還必須裝設斷路器失靈保護。

本文在分析問題構建決策樹時，主要考慮3種初始事件：①主保護區內無故障；②主保護區內部故障；③后備保護區故障。以電網故障的性質為根節點，以主保護區內無故障、主保護區內部故障、后備保護區故障為葉子建立1棵總決策樹，如圖2所示。然后再按照這3種初始事件，分別建立3棵子決策樹，如圖3～5所示。建立決策樹時，只考慮輸電線路保護，且只考慮保護、斷路器以及通信通道的異常行為(保護拒動、誤動以及非選擇性動作)等情況。

S1為主保護區內無故障；S2為主保護區內部故障；S3為

后備保護區故障。

圖2電網故障性質決策樹

A1為主保護未起動；A2為保護起動；A3為跳閘命令被閉鎖；A4為跳閘命令未被閉鎖；A5為斷路器跳開；A6為斷路器未跳開；A7為自動重合閘起動，線路恢復運行；A8為自動重合閘未起動；A9為斷路器失靈保護動作；A10為斷路器失靈保護未動作；X1為保護選線正確；X2為跳閘動作正確；X3為重合閘正確；X4為重合閘錯誤；X5為失靈保護正確；X6為失靈保護拒動。圖3 主保護區內無故障的決策樹

B1為保護檢測到故障；B2為保護檢未測到故障；B3為保護動作，發跳閘命令；B4為保護未動作；B5為保護收到相繼動作信號；B6為保護未收到相繼動作信號；B7為后備保護動作(近后備)；B8為后備保護未動作，故障被其他斷路器切除(遠后備)；B9為斷路器跳開；B10為斷路器未跳開；B11為斷路器失靈保護動作；B12為斷路器失靈保護未動作；Y1為通信信道故障；Y2為斷路器動作正確；Y3為失靈保護正確；Y4為失靈保護拒動；Y5為主保護、近后備保護皆拒動，遠后備保護動作。圖4 主保護區內故障的決策樹

C1為遠后備保護檢測到故障；C2為遠后備保護未檢測到故障；C3為遠后備起動；C4為遠后備未起動；C5為故障被其他保護(相鄰組件主保護)切除；C6為故障未被其他保護切除；C7為遠后備保護被復歸或閉鎖；C8為遠后備保護未被復歸或閉鎖；C9為遠后備保護動作；C10為斷路器未跳開；C11為沒有多余的跳閘；C12為存在多余的跳閘(本線路被切除)；C13為斷路器失靈保護動作；C14為斷路器失靈保護未起動；Z1為保護配合正確；Z2為相鄰組件主保護、近后保護拒動；Z3為遠后備保護動作正確；Z4為跳閘動作正確；Z5為遠后備錯誤動作；Z6為相鄰組件主保護、遠后備正確動作；Z7為失靈保護正確；Z8為失靈保護拒動。圖5 后備保護區故障的決策樹

由以上決策樹可以得到保護/斷路器動作情況，根據具體的保護/斷路器動作情況采取相應處理方案。

3.4知識獲取與表示

1)知識獲取

知識獲取是構建專家系統的關鍵點問題，是專家系統設計的“瓶頸”問題。保護/斷路器動作行為分析專家系統知識獲取是從電力系統領域專家、調度工程師、維護人員、管理人員、相關的書籍及資料中獲得。計算機人員對上述知識，進行挖掘、搜索、分析、整理、歸納，然后以一定的結構和規則表示形式存入知識庫。通過知識獲取能夠擴充和修改知識庫中內容，使知識庫的內容合理化。

2)知識表示

知識表示就是知識的符號化和形式化的過程。知識的表示模式和選擇會影響一個專家系統知識的有效存儲，如處理不當會使知識獲取能力和知識的運用效率低下。保護/斷路器動作行為分析專家系統的知識表示采用規則模型。它的特點是準確靈活、易被電力系統領域專家理解，并能夠充分地表達出該領域相關推理規則和行為。[5]其規則模型是以決策樹為依據建立的，通過決策樹可以得到多個IF-THEN的規則，可以在很大程度上降低系統知識獲取的難度，解決了專家系統獲取知識的“瓶頸”問題。所生成的知識庫簡化、冗余度低，便于推理。

專家系統中的知識通常具有經驗性和因果性，非常適合用產生式規則來構建知識庫。知識庫中儲存的知識和經驗被抽取成一條條的規則用于推理。將保護/斷路器動作用一組產生式規則來表示：IF(條件)THEN(結論)。

由圖5后備保護區故障保護/斷路器動作行為分析決策樹可以得到下面的規則集：

rule1：IF C1 AND C3 AND C5 AND C7 THEN Z3

rule2：IF C1 AND C3 AND C5 AND C8 AND C11 THEN Z4

rule3：IF C1 AND C3 AND C5 AND C8 AND C12 THEN Z5

?

rule10：IF C2 AND C6 THEN Z2

3.5推理過程

推理過程主要由推理機來完成，它根據當前輸入的數據利用知識庫的知識按一定推理策略去逐步推理直到得出相應的結論為止。

通常推理方法有精確推理和不精確推理兩種。本專家系統采用精確推理把領域的知識表示成必然的因果關系，推理的結論是肯定的或否定的。

專家系統常用的推理方法有3種，即正向推理、反向推理及正反向混合推理。3種方法中最常用的是正向推理。

正向推理是從原始數據開始，根據原始數據在知識庫中尋找能夠和它匹配的規則，直到找到最終結論。當高壓電網中的輸電線路發生故障時，應該首先判斷故障發生屬于主保護區內無故障、主保護區內部故障、后備保護區故障的哪一類事件，然后再以該事件為根，從子決策樹結構的分支中找出相應的屬性點，依次類推理，直至找出最終故障原因為止。推理過程如圖6所示。

圖6 專家系統的推理過程

4 結語

縱觀多年來國內外專家系統在電力系

統中的應用，故障診斷和報警處理是專家系統應用最多且最為成熟的領域。專家系統將專家的建議和專業技術人員的經驗綜合運用到故障診斷中，制定的診斷方案較為實用、靈活，對診斷結果具有解釋能力，能滿足實時運行的要求，可以適用于大規模網絡的診斷。

[1]劉玉梅.基于SCADA系統的輸電網絡狀態檢測及故障診斷專家系統[D].南京：南京理工大學,2002.

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

[3]牛成林,于希寧,李建強.專家系統在電力預測負荷中的應用[J].儀器儀表用戶,2005,12(4):67-68.

[4]孫向林,李紀全.基于神經網絡與專家系統的高壓斷路器故障診斷研究與分析[J].煤礦機電，2008,12(6):42-44.

[5]張強.繼電保護故障專家系統研究[J].低壓電器,2006(3):24-28.

責任編輯：陳 亮

ExpertSystem-basedAnalysisandResearchonPowerSystemFault

HULianmei

(Department of Electrical and Electronic Engineering,Suzhou College of Information Technology，Suzhou 215200)

In this paper，circuit breaker trip information is used as a basis for building a decision tree of breaker′s protection.And the expert system is used for fault qualitative analysis to find the reasons for failure and identify the faulty equipment.This system provides theoretical ground for the technicians in their timely ans quick handling power faults.

expert system；decision tree;power system；fault analysis

2014- 04-22

胡連梅(1965— )，女，碩士，副教授，工程師。

1671- 0436(2014)03- 0033- 05