分層模型及開關(guān)量時(shí)序下的電力系統(tǒng)故障元件診斷探討

1、分層模型及開關(guān)量時(shí)序下的電力系統(tǒng)故障元件診斷探討摘要：電力系統(tǒng)故障診斷是電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的重要保證，通過對(duì)保護(hù)器和斷路器動(dòng)作信息的判斷和分析，及時(shí)、準(zhǔn)確的判斷發(fā)生故障的元件，為電力系統(tǒng)發(fā)生故障后快速的恢復(fù)供電提供重要的信息支持，幫助電氣運(yùn)行人員恢復(fù)供電，保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。專家系統(tǒng)是目前電力系統(tǒng)故障診斷中常用的診斷方法，但是其在實(shí)際的運(yùn)用過程中診斷的效率較低、冗余信息過量造成嚴(yán)重影響診斷的準(zhǔn)確率和速度。本文從電力系統(tǒng)故障診斷的研究現(xiàn)狀入手，分析專家系統(tǒng)存在問題，并提出一種基于專家系統(tǒng)的分層模型及開關(guān)量時(shí)序的電力系統(tǒng)故障診斷方法，通過構(gòu)建分層模型和分析開關(guān)量的時(shí)序進(jìn)行電力系統(tǒng)故障元件的診

2、斷，大大提高了故障診斷的效率，以期為我國(guó)的電力系統(tǒng)故障診斷工作提供參考。關(guān)鍵詞：分層模型；開關(guān)量時(shí)序；電力系統(tǒng)；故障診斷隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)電力系統(tǒng)可靠性的要求也越來越高。但是由于受到自然環(huán)境、系統(tǒng)自身缺陷以及操作不當(dāng)?shù)纫蛩氐挠绊?，造成電力系統(tǒng)不斷的出現(xiàn)各種故障，因此需要對(duì)電力系統(tǒng)故障診斷進(jìn)行研究具有積極的意義。電力系統(tǒng)故障診斷能夠在發(fā)生故障時(shí)，幫助電力系統(tǒng)運(yùn)行人員及時(shí)、準(zhǔn)確的判斷故障類型，找到故障元件的所在，快速地處理故障，降低停電事故對(duì)人民生活和社會(huì)生產(chǎn)造成的損失，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行的可靠性。電力系統(tǒng)故障診斷主要是通過對(duì)發(fā)生動(dòng)作的保護(hù)器和斷路器的報(bào)警信息和

3、狀態(tài)信息的收集、整理、分析，判斷發(fā)生故障的類型，并識(shí)別發(fā)生故障的電氣元件。在電力系統(tǒng)故障診斷中故障元件的識(shí)別是關(guān)鍵，同時(shí)通過對(duì)發(fā)生保護(hù)的保護(hù)器和相關(guān)電氣量的推理分析，從而形成完整的、全面的電力系統(tǒng)故障診斷結(jié)果，以供電力系統(tǒng)運(yùn)行人員及時(shí)的采取相應(yīng)的措施，快速的恢復(fù)供電。一、電力系統(tǒng)故障診斷的研究現(xiàn)狀（一）電力系統(tǒng)故障診斷的研究現(xiàn)狀電力系統(tǒng)故障診斷是隨著電力系統(tǒng)的智能化、規(guī)?；l(fā)展而誕生的，經(jīng)歷過近30年的發(fā)展，已經(jīng)形成了許多重要的診斷方法。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)故障診斷主要是運(yùn)用電力運(yùn)行人員的知識(shí)和工作經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)系統(tǒng)中電器元件與發(fā)生動(dòng)作的保護(hù)器、斷路器的動(dòng)作邏輯分析故障的類型，判斷發(fā)生故障的電氣元件。

4、但是隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)的復(fù)雜程度日益增加，電器元件和保護(hù)器的動(dòng)作邏輯隨之復(fù)雜化，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)故障診斷方法已經(jīng)無法滿足電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的需求。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，研究人員開始講其引入到電力系統(tǒng)故障診斷中，人工智能技術(shù)可以使實(shí)現(xiàn)模擬人類思考從而分析、處理問題，對(duì)于難以運(yùn)用數(shù)學(xué)模型描述且缺乏計(jì)算方法的電力系統(tǒng)故障診斷來說特別適合，為故障診斷開辟了新途徑?，F(xiàn)階段電力系統(tǒng)故障診斷常用方法有：專家系統(tǒng)、解析模型、模糊理論、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及Petri網(wǎng)絡(luò)等。（二）專家系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)是發(fā)展最早的智能診斷處理方法，其具備一套豐富的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)程序，在對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷的過

5、程中根據(jù)系統(tǒng)自身的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)發(fā)生的故障進(jìn)行分析、推理，并且模擬專家的決策，并將處理結(jié)果顯示在客戶端以供電氣運(yùn)行人員進(jìn)行核查與處理。在專家系統(tǒng)故障診斷中可以根據(jù)診斷知識(shí)的表示形式與推理策略的不同將其分為：基于生產(chǎn)式規(guī)則的專家系統(tǒng)、基于模型的專家系統(tǒng)和正反向推理專家系統(tǒng)三中類型。其中應(yīng)用較為普遍的是基于生產(chǎn)規(guī)則的專家系統(tǒng)，其通過將保護(hù)、斷路器的動(dòng)作邏輯和運(yùn)行人員的診斷經(jīng)驗(yàn)用規(guī)則的形式表現(xiàn)出來，并形成完善的專家診斷系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)，將系統(tǒng)收集到的故障報(bào)警信息與知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則進(jìn)行匹配，推理、分析故障的類型與故障元件，形成相應(yīng)的故障診斷結(jié)果?；谀Ｐ偷膶＜蚁到y(tǒng)則是通過建立電力系統(tǒng)的保護(hù)結(jié)構(gòu)和功能模型，對(duì)故障

6、報(bào)告進(jìn)行分析，假設(shè)產(chǎn)生故障的元件，并在功能模型中進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果與報(bào)警信息判斷假設(shè)故障元件是否成立。正反向推理專家系統(tǒng)根據(jù)保護(hù)開關(guān)的動(dòng)作信息提出相應(yīng)的假設(shè)，并進(jìn)行進(jìn)一步的檢驗(yàn)，以驗(yàn)證假設(shè)的準(zhǔn)確性確定故障的元件與故障范圍。專家系統(tǒng)在電力系統(tǒng)的故障診斷中發(fā)展最為成熟，應(yīng)用較為廣泛，故障的診斷效率也較高，但是在實(shí)際的運(yùn)用中還存在諸多的問題。首先，專家系統(tǒng)在應(yīng)用的過程中需要建立完整的知識(shí)庫(kù)，如果系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)不夠完善，在應(yīng)用的過程中會(huì)造成推理的混亂，并會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的診斷結(jié)果。其次，專家系統(tǒng)在對(duì)電力系統(tǒng)故障進(jìn)行推理的過程中，需要將故障信息與知識(shí)庫(kù)內(nèi)的規(guī)則集進(jìn)行匹配，這也就需要一定的匹配時(shí)間，如果電力系統(tǒng)

7、過于復(fù)雜，則匹配速度將會(huì)變慢，匹配時(shí)間增加。再次，專家系統(tǒng)不具備學(xué)習(xí)的能力，當(dāng)發(fā)生的故障在知識(shí)庫(kù)中無法匹配時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)輸出錯(cuò)誤的診斷結(jié)果或者無結(jié)果。最后，專家系統(tǒng)的容錯(cuò)能力不足，通常情況下電力系統(tǒng)中的保護(hù)器或斷路器會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作，專家系統(tǒng)由于缺乏識(shí)別錯(cuò)誤信息的方法，將會(huì)輸出錯(cuò)誤的結(jié)果。專家系統(tǒng)的這些不足嚴(yán)重限制了其發(fā)展，因此需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)，以提高故障診斷的有效率。二、分層模型及開關(guān)量時(shí)序下的電力系統(tǒng)故障元件診斷（一）專家系統(tǒng)中知識(shí)結(jié)點(diǎn)和連接弧在專家系統(tǒng)電力系統(tǒng)故障診斷中，知識(shí)結(jié)點(diǎn)是構(gòu)成系統(tǒng)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的基本單位，而知識(shí)結(jié)點(diǎn)之間連接的基本方式就是有向弧，這也就構(gòu)成了專家系統(tǒng)的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)類

8、型的不同知識(shí)節(jié)點(diǎn)之間的連接弧可以分為普通弧、助判弧和競(jìng)爭(zhēng)弧三種類型，普通弧是存在與專家系統(tǒng)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的基本有向弧，其與知識(shí)點(diǎn)的連接方式如圖1所示。ABCTrueFalseRtABRfAC圖1 知識(shí)結(jié)點(diǎn)連接弧的方式由圖1可知，在知識(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，知識(shí)結(jié)點(diǎn)之間的連接主要有“f”弧和“t”弧兩種形式，知識(shí)結(jié)點(diǎn)之間的連接與其邏輯狀態(tài)有關(guān)，若為真時(shí)，則通過“t”弧連接，否則通過“f”弧與其他結(jié)點(diǎn)連接。在知識(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中不同的連接弧具有不同的權(quán)重，表示在進(jìn)行推理的過程中上級(jí)知識(shí)結(jié)點(diǎn)置信度對(duì)下級(jí)知識(shí)結(jié)點(diǎn)的影響，且在推理的過程中需要通過判決函數(shù)對(duì)知識(shí)結(jié)點(diǎn)的邏輯狀態(tài)進(jìn)行判斷，其表達(dá)公式為： （1）根據(jù)知識(shí)結(jié)點(diǎn)的可信

9、度情況，可以得到知識(shí)結(jié)點(diǎn)的置信度平面，如圖2所示。TrueUnknownFalse10.500.51 圖2 知識(shí)結(jié)點(diǎn)置信度平面由圖2可知，通過判斷知識(shí)結(jié)點(diǎn)的置信度在置信度平面的位置就可以對(duì)其邏輯狀態(tài)進(jìn)行判斷，通常將知識(shí)結(jié)點(diǎn)的邏輯狀態(tài)分為真、假、未知三個(gè)狀態(tài)。當(dāng)知識(shí)結(jié)點(diǎn)的邏輯狀態(tài)為“真”時(shí)，根據(jù)圖2的顯示可知其置信度大于0.5，如果邏輯狀態(tài)為“假”，則其置信度大于0.5。設(shè)知識(shí)結(jié)點(diǎn)N的“t”弧置信度影響因子為NtN，“f”弧的置信度影響因子為NfN，則其表達(dá)式分別為： （2）從上式可以看出，當(dāng)知識(shí)結(jié)點(diǎn)的置信度位于“True”區(qū)域時(shí)，“t”弧置信度影響因子必為大于零的數(shù)；當(dāng)知識(shí)結(jié)點(diǎn)的置信度位于“F

10、lase”區(qū)域時(shí)，“f”弧的置信度影響因子必為小于零的數(shù)，說明在應(yīng)用專家系統(tǒng)進(jìn)行邏輯推理時(shí)置信度值在逐漸減??；對(duì)于置信度處于“Unknown”區(qū)域的知識(shí)結(jié)點(diǎn)，其連接弧的置信度影響因子均小于零。上級(jí)知識(shí)點(diǎn)在與下級(jí)知識(shí)點(diǎn)連接的過程中通過權(quán)重和置信度因子決定下級(jí)知識(shí)結(jié)點(diǎn)的置信度。根據(jù)連接弧的不同，分為兩種類型，其中“t”弧的影響公式為： （3）“f”弧的影響公式為： （4）此外，助判弧和競(jìng)爭(zhēng)弧均是連接兩故障結(jié)點(diǎn)的連接弧，兩者具有相反的意義，兩個(gè)故障結(jié)點(diǎn)之間存在助判弧時(shí)，一個(gè)結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障的可能性會(huì)增加另外一個(gè)故障結(jié)點(diǎn)的置信度落入True的可能性，而競(jìng)爭(zhēng)弧則會(huì)導(dǎo)致另一故障點(diǎn)落入Flase的可能性增大。（

11、二）電力系統(tǒng)分層模型隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，如果電力系統(tǒng)發(fā)生故障將會(huì)出現(xiàn)大量的警報(bào)信息傳遞到監(jiān)控信息處理中心，處理中心通過對(duì)故障報(bào)警信息的分析、推理，形成最終的診斷結(jié)果。在處理中心分析故障報(bào)警信息時(shí)，首先需要對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行分類整理，以啟動(dòng)專家系統(tǒng)。本文采用將監(jiān)控信息四個(gè)信息層，各層之間相互聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的歸類整理，并將歸類整理的信息作為系統(tǒng)故障診斷的基礎(chǔ)判據(jù)。分層模型的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。中心變電站變電站輸電線路變壓器斷路器控制回路線路保護(hù)測(cè)控設(shè)備CT、PT跳閘信號(hào)刀閘信號(hào)回路異常信號(hào)第一線路保護(hù)動(dòng)作第二線路保護(hù)動(dòng)作異常信號(hào)異常信號(hào)機(jī)構(gòu)異常信號(hào) 圖3 分層模型結(jié)構(gòu)示意圖（三）知識(shí)點(diǎn)連接

12、弧的初始化在電力系統(tǒng)故障診斷中，監(jiān)控系統(tǒng)收到的遙信變位信息并不一定都是正常的，因此需要對(duì)變位信息進(jìn)行確定，而確定變位信息的主要依據(jù)則是信號(hào)的時(shí)序和變?yōu)樾盘?hào)。通常情況下如果電力系統(tǒng)的一次設(shè)備發(fā)生故障，則系統(tǒng)中的主保護(hù)器首先跳閘，然后才是系統(tǒng)配電線路中的斷路器跳開，在電力系統(tǒng)中，如果斷路器由于自身機(jī)構(gòu)異常而出現(xiàn)失靈時(shí)，系統(tǒng)中的后備保護(hù)和斷路器失靈保護(hù)將會(huì)發(fā)生動(dòng)作及時(shí)的故障線路切除，保證非故障線路的正常運(yùn)行。對(duì)于電力系統(tǒng)中的繼電保護(hù)設(shè)備和斷路器，在發(fā)生故障后均會(huì)產(chǎn)生遙信變位信號(hào)，但是這些動(dòng)作信號(hào)是具有一定時(shí)序性的，這也是對(duì)知識(shí)結(jié)點(diǎn)連接弧進(jìn)行初始化必備的條件。表1為其初始化的要求。表1編號(hào)變位信息時(shí)序

13、要求（t1t2）狀態(tài)描述123有有無滿足不滿足不滿足TFF正常變位誤變位無變位完成知識(shí)結(jié)點(diǎn)連接弧的初始化后，需要對(duì)個(gè)元件結(jié)點(diǎn)的權(quán)重值進(jìn)行賦值，本文將機(jī)電主保護(hù)遙信變位信號(hào)結(jié)點(diǎn)的權(quán)重值設(shè)置為0.5，后備保護(hù)機(jī)電設(shè)備的權(quán)重值設(shè)置為0.2，將斷路器遙信變位信號(hào)的權(quán)重值設(shè)置為0.15，系統(tǒng)中其他電氣元件的遙信變位信號(hào)權(quán)重值則處在0.150.5之間。（四）監(jiān)控信息知識(shí)結(jié)點(diǎn)的分層根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控信息的不同，將其監(jiān)控信息知識(shí)結(jié)點(diǎn)分為現(xiàn)象層、中間層和故障層三層結(jié)構(gòu)，其中現(xiàn)象層知識(shí)結(jié)點(diǎn)主要是對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)收集到的信息進(jìn)行整理、歸類，并按照“或”的形式形成間隔總信號(hào)，通過間隔總信號(hào)出發(fā)專家系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)中間層知識(shí)結(jié)點(diǎn)的推理、

14、分析。中間層知識(shí)結(jié)點(diǎn)則是進(jìn)行故障推理的信號(hào)結(jié)點(diǎn)，根據(jù)其類型的不同又可以分為初始值和運(yùn)行值兩大類，如表2所示。故障層知識(shí)結(jié)點(diǎn)則是用于存儲(chǔ)通過中間層的推理形成的診斷結(jié)果，其內(nèi)部知識(shí)結(jié)點(diǎn)是用于推理得出診斷結(jié)果的，根據(jù)存儲(chǔ)內(nèi)容的不同又可以分為存儲(chǔ)一次設(shè)備診斷結(jié)果和中間結(jié)點(diǎn)邏輯狀態(tài)值與存儲(chǔ)故障層結(jié)點(diǎn)的推導(dǎo)值。表2編號(hào)內(nèi)容描述1224初始值名稱置信度初始值指針權(quán)重保護(hù)繼電器或者斷路器的遙信變位信號(hào)知識(shí)結(jié)點(diǎn)的初始化值指向推理的下一個(gè)結(jié)點(diǎn)需要根據(jù)電力系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置567運(yùn)行值置信度影響因子發(fā)送值置信度影響因子接收值置信度最終值發(fā)送給下級(jí)結(jié)點(diǎn)的影響因子值接受上級(jí)結(jié)點(diǎn)的發(fā)來的影響因子值根據(jù)系統(tǒng)置信度的初值

15、與接收值計(jì)算所得三、算例分析為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的電力系統(tǒng)故障診斷方法的可行性，本文將該方法引入到實(shí)際的故障診斷案例中進(jìn)行分析，圖4為某電力系統(tǒng)的接線圖，根據(jù)設(shè)定的故障探討其診斷的過程。圖4 某電力系統(tǒng)的接線圖根據(jù)電力系統(tǒng)的接線圖，假設(shè)該系統(tǒng)內(nèi)部3號(hào)變壓器的差動(dòng)保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)作，造成變壓器兩側(cè)斷路器跳閘，低壓側(cè)斷路器CSB14動(dòng)作，而斷路器CSB13無反應(yīng)，在經(jīng)過系統(tǒng)的延時(shí)及反饋后，高壓側(cè)的后備保護(hù)裝置發(fā)出保護(hù)動(dòng)作，并發(fā)出斷開高壓側(cè)斷路器的命令，但是斷路器CSB13仍無反應(yīng)。隨后變壓器保護(hù)設(shè)備發(fā)出啟動(dòng)正母線的斷路器保護(hù)信號(hào)，使斷路器CSB4和斷路器CSB7動(dòng)作，從而將故障切除。在對(duì)故障進(jìn)行診斷

16、時(shí)，首先需要設(shè)置故障的起始時(shí)間以及各個(gè)信號(hào)的接收時(shí)間和遙信變位時(shí)間，以確保信號(hào)的時(shí)序，根據(jù)故障的發(fā)生過程，各個(gè)信號(hào)的接收時(shí)序如表3所示。表3順序信號(hào)類型狀態(tài)時(shí)間（ms）時(shí)序（ms）知識(shí)結(jié)點(diǎn)弧12345673號(hào)主變保護(hù)CSB14CSB133號(hào)主變后備保護(hù)正母線失靈保護(hù)CSB4CSB7動(dòng)作動(dòng)作未變化動(dòng)作動(dòng)作變位變位501402804906106300707024070240240400400600600800600800ttftttt首先以間隔總信號(hào)為現(xiàn)象層啟動(dòng)推理結(jié)點(diǎn)，根據(jù)初始化的知識(shí)結(jié)點(diǎn)連接弧進(jìn)行推理。由于監(jiān)控信息中，出現(xiàn)變壓器主保護(hù)動(dòng)作信號(hào)和斷路器失靈信號(hào)，所以知識(shí)網(wǎng)絡(luò)有兩條推理路徑，最終在

17、故障層得到兩個(gè)故障節(jié)點(diǎn)，其中主變故障的置信度影響因子為0.08736 置信度最終值0.094；斷路器失靈的置信度影響因子為0.1217置信度最終值為0.1161 。以( 05，0 3) 作為起始置信度值，隨著推理的深入，置信度值往“True”移動(dòng)，當(dāng)沒有收到斷路器信號(hào)時(shí)，置信度值往“False”區(qū)移動(dòng)，最終診斷為“變壓器故障”和“斷路器失靈”符合實(shí)際情況。傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)在實(shí)際的電力系統(tǒng)故障診斷中由于受到種種限制，發(fā)展較慢，本文通過設(shè)定分層模型和開關(guān)量時(shí)序進(jìn)行電力系統(tǒng)故障元件的診斷，大大提高了故障診斷的準(zhǔn)確率和效率，更好的為電力系統(tǒng)故障診斷與處理提供有力的支持。同時(shí)，我國(guó)的電力研究者應(yīng)該積極的探索新的故障診斷方法，進(jìn)一步提高故障診斷的效率，促進(jìn)電力系統(tǒng)故障診斷的快速發(fā)展，保證我國(guó)電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。參考文獻(xiàn)：1胡友琳,葉康,肖飛,鄧祥力,陳亞杰. 基于分層模型和開關(guān)量時(shí)序的電力系統(tǒng)故障元件診斷研究J. 華東電力,2014,11:2271-2276.2肖艷梅. 計(jì)及信息多源化條件下的電力系統(tǒng)故障診斷模型與體系的研究D.華南理工大學(xué),2015.3蘇宏升. 軟計(jì)算方法及其在電力系統(tǒng)故障診斷中的若干應(yīng)用研究D.西南交通大學(xué),2007.4陳靖秋. 基于信息融合的電力系統(tǒng)不確定性故障診斷的研究D.西南交通大學(xué),2014.5吳文可. 電力系統(tǒng)故