CN101419267B - 一种电网故障在线快速诊断与分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电网故障在线快速诊断与分析方法，主要包括启动、快速定位、快速诊断和快速分析四部分。启动模块实时监测广域量测系统(WAMS)的动态数据，当满足启动判据时发出启动信号，并生成满足启动判据的线路集；快速定位根据定位算法从满足启动判据的线路集中快速筛选出发生故障的线路；快速诊断收到启动信号后，计算实时故障特征集，然后与标准故障特征集进行匹配，对故障类型进行快速诊断；快速分析综合快速诊断智能体的故障诊断结果和故障前后的动态数据对保护和开关的误动、拒动情况进行分析，同时结合保护动作信息对保护和开关的误动、拒动进行精确分析。该方法能够确保对电网故障及误动、拒动情况进行实时精确的诊断与分析。
Description
技术领域
本发明属于电网故障诊断技术领域，特别是涉及一种电网故障在线快速诊断与分析方法。
背景技术
近年来，国内外发生了多起大规模停电事故，其中许多事故的起因和扩散都是由保护或开关的误动、拒动引起。在这种情况下，加强在线故障诊断与分析方法的研究，为调度人员提供有力的实时调度意见与控制策略，对电网的安全稳定运行具有重大意义。
电网故障诊断与分析领域已经开展了很多研究，早在美国电力科学研究院1960年的报告中就有提及。早期的故障诊断系统主要采用基于专家系统的方法、基于人工神经网络的方法、基于随机优化技术的方法等，之后又有许多针对不确定性和信息缺失等问题的基于模糊理论的方法、基于粗糙集的方法、基于信息论的方法、基于马尔可夫链蒙特卡罗模拟的方法等，近年来又有基于协同式专家系统及多智能体技术的方法和基于复杂事件处理技术的方法等。
上述各种方法在实际应用中都不可避免的遇到以下两类问题。
(1)数据源的问题
在省级及以上的高等级调度中心里，常常存在保护开关动作信息上传不及时、时标不一致、信息缺失等问题。
在现场应用最多的专家系统，以及其他一些方法，在保护开关动作信息缺失或上传不及时时，很难给出准确的故障诊断结果。虽然有运用马尔可夫链蒙特卡罗模拟的方法在存在信息缺失等不确定性问题时进行故障诊断，可是故障诊断结果以概率的形式展现给调度人员，在发生事故尤其是大停电事故时，模糊的概率结果不足以支持调度人员的调度决策。
(2)保护、开关的误动和拒动分析的问题
现有故障诊断系统在解决误动、拒动问题时主要采用有两类方法。一种是基于知识的分析方法，一种是基于概率的分析方法。在调度中心具有指导意义的是基于知识的分析方法。可是基于知识的方法在分析误动、拒动问题时存在两个盲点，在实际应用中存在隐患。
盲点一：线路未发生故障，保护误动引起开关动作跳开线路。
盲点二：当III段保护动作时，无法准确判断是I、II段拒动还是III段误动。
无论是基于知识的分析方法还是基于概率的分析方法都不能在线诊断这两类误动、拒动问题。
相关背景技术文献包括：
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(2)Human factors review of electric power dispatch control centers，vols.1-6，EPRI EL-1960，Electric Power Research Institute，Palo Alto，CA.
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(4)何耀华，韩守木，程尚模.基于多神经网络协同推理的故障诊断系统的研制[J].中国电机工程学报，1999，19(12)：57-60，65.
(5)文福栓，韩祯祥.基于遗传算法和模拟退火算法的电力系统故障诊断[J].中国电机工程学报，1994，14(3)：29-35.
(6)束洪春，孙向飞，司大军，等.基于粗糙集理论的配电网故障诊断研究[J].中国电机工程学报，2001，21(10)：73-82.
(7)汤磊，孙宏斌，张伯明，等.基于信息理论的电力系统在线故障诊断[J].中国电机工程学报，2003，23(7)：5-11.
(8)Wei Zhao，Xiaomin Bai，Jian Ding，Zhu Fang，Zaihua Li and Ziguan Zhou.A new uncertain fault diagnosis approach of power system based on Markov ChainMonte Carlo method[C].2006 International Conference.
(9)赵伟，白晓民，丁剑，等.基于协同式专家系统及多智能体技术的电网故障诊断方法[J].中国电机工程学报，2006，26(20)：1-8.
(10)丁剑，白晓民，赵伟等.基于复杂事件处理技术的电网故障信息分析及诊断方法[J].中国电机工程学报，2007，26(20)：40-45.
(11)Ziguan Zhou，Xiaomin Bai，et al.A Large-scale Fault Diagnosis andAnalysis System Based on the Complex Event Processing Technology.PowerCon 2008，Oct 12-15，2008，New Delhi，India.
(12)Wei Zhao，Xiaomin Bai，Wenping Wang，Jian Ding.A novel alarm processingand fault diagnosis expert system based on BNF rules[C].Transmission andDistribution Conference and Exhibition：Asia and Pacific，2005.
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种电网故障在线快速诊断与分析方法，包括如下步骤：
一、启动，启动模块实时监测广域量测系统WAMS的动态数据，当满足启动判据时发出启动信号，并生成满足启动判据的线路集，具体步骤包括：
(1)读取n时刻的电流采样值i(n)；
(2)计算启动判据：
Δi(n)＝||i(n)-i(n-N)|-|i(n-N)-i(n-2N)||>Iset (1)
其中N是每基频周期采样点数，Iset是门槛值；
(3)当启动判据连续三次成立时，进入步骤(4)，否则返回步骤(1)；
(4)发出启动信号，并生成满足启动判据的线路集；
二、故障快速定位，其根据定位算法从满足启动判据的线路集中快速筛选出发生故障的线路，具体步骤包括：
(1)读取满足启动判据线路集的故障后的电流采样值i；
(2)用宽度为5，高度为5的直角三角形结构元素对其进行形态学分解，其三层形态学分解结果分别为ρ1，ρ2，ρ3；
(3)计算谱能量Iop和Ire：
其中Ts为pmu采样周期。
(4)计算定位判据：
R＝Iop/Ire>Rset (4)
其中Rset为门槛值。
(5)当定位判据成立时，则确定该线路为故障线路。
三、故障快速诊断，其接收到上述启动信号后，计算实时故障特征集，然后与标准故障特征集进行匹配，对故障类型进行快速诊断，具体步骤包括：
(1)计算故障特征集A，并与标准特征集匹配；
(2)若匹配成功，则输出诊断结果，若匹配失败，则进入步骤(3)；
(3)计算故障特征集B，并与标准特征集匹配；
(4)若匹配成功，则输出诊断结果，若匹配失败，则进入步骤(5)；
(5)计算故障特征集C，并与标准特征集匹配；
(6)若匹配成功，则输出诊断结果，若匹配失败，则进入步骤(7)；
(7)计算故障特征集D，并与标准特征集匹配；
(8)若匹配成功，则输出诊断结果，若匹配失败，则输出无结果。
四、故障快速分析，其综合快速诊断上述步骤三得到的故障快速诊断结果和故障前后的动态数据，对保护和开关的误动、拒动情况进行分析，同时结合保护动作信息对保护和开关的误动、拒动情况进行精确分析，具体步骤包括：
(1)读取故障诊断结果；
(2)若线路故障，则进入步骤(3)，若线路未故障，则进入步骤(8)；
(3)开关动作模型判断开关是否动作；
(4)若开关动作，则进入步骤(5)，若开关未动作，则进入步骤(6)；
(5)保护和开关无误动、拒动，输出结果，退出；
(6)保护或开关发生拒动，读取保护动作信息；
(7)若保护动作，则开关发生拒动，输出结果，退出，若保护未动作，则保护发生拒动，输出结果，退出；
(8)开关动作模型判断开关是否动作；
(9)若开关动作，则进入步骤(10)，若开关未动作，则进入步骤(12)；
(10)保护或开关发生误动，读取保护动作信息；
(11)若保护动作，则保护发生误动，输出结果，退出，若保护未动作，则开关发生误动，输出结果，退出；
(12)保护和开关无误动、拒动，输出结果，退出。
本发明的方法，还具有开关动作模型，其用来监测线路开关是否动作，当收到保护动作信息后还可继续进行分析，如果不能收到保护动作信息，故障快速分析步骤在保护或开关发生误动、拒动时，也可在线分析出误动、拒动的结果。
依据本发明的方法，其流程图如图2所示。
附图说明
图1是依据本发明的方法的故障快速诊断流程；
图2是依据本发明的方法的故障快速分析流程；
图3是依据本发明的方法的两个误动、拒动盲点的分析过程示意图。
具体实施方式
本发明提出了一种基于广域量测系统(WAMS)的电网故障在线快速诊断与分析方法。
故障诊断与分析是无人干预、实时运行的，传统的基于保护信息和开关信息的故障诊断系统与分析方法都采用保护或开关事件触发机制。由于基于WAMS的故障诊断与分析方法在没有保护和开关信息的情况下也要进行故障诊断与分析，因此需要启动模块实时监视WAMS的动态数据来判断系统何时启动。
启动模块实时监测系统的动态数据，当满足启动判据时，发出启动信号，并输出满足启动判据的线路集。启动模块的核心部分是启动判据。对启动判据的要求是在系统正常运行状态下不启动，在系统故障时具有较高的启动灵敏度。
启动模块的具体实施步骤如下：
(1)读取n时刻的电流采样值i(n)；
(2)计算启动判据公式(1)；
(3)当启动判据公式(1)连续三次成立时，进入步骤(4)；否则返回步骤(1)；
(4)发出启动信号，并生成满足启动判据的线路集。
电网发生故障时，故障点处产生大量的高频分量沿着输电线路传输，由于高压线路和超高压线路母线上杂散电容对高频分量有很强的过滤作用，因此未经过母线的故障电流中含有明显的高频分量。故障快速定位就是利用故障电流经形态学分解后，如果3层分解结果中主要包含高频分量则该线路为故障线路；如果1层分解结果中主要包含低频分量则该线路为非故障线路。
故障快速定位的具体实施步骤如下：
(1)读取满足启动判据线路集的故障后电流采样值i；
(2)用宽度为5，高度为5的直角三角形结构元素对其进行形态学分解，其三层形态学分解结果分别为ρ1，ρ2，ρ3；
(3)利用公式(2)计算谱能量Iop，利用公式(3)计算谱能量Ire：
(4)计算定位判据公式(4)
由于计算线路故障时Iop很大、Ire很小，而非计算线路故障时Iop很小、Ire很大，因此选择Ire/Iop更具效力。
(5)当定位判据公式(4)成立时，则表示该线路为故障线路。
故障快速诊断的具体实施步骤如下：
(1)计算故障特征集A，并与标准特征集匹配；
(2)若匹配成功，则输出诊断结果；若匹配失败，则进入步骤(3)；
(3)计算故障特征集B，并与标准特征集匹配；
(4)若匹配成功，则输出诊断结果；若匹配失败，则进入步骤(5)；
(5)计算故障特征集C，并与标准特征集匹配；
(6)若匹配成功，则输出诊断结果；若匹配失败，则进入步骤(7)；
(7)计算故障特征集D，并与标准特征集匹配；
(8)若匹配成功，则输出诊断结果；若匹配失败，则输出无结果。
故障特征集的计算与比对优先级为A>B>C>D是因为发生单相接地短路故障、两相接地短路故障、两相短路故障、三相短路故障的概率逐渐降低，这样可以使计算与比对的时间达到最小。各特征值集合与故障类型之间的对应关系如表1所示。
表1 故障特征集与故障类型对应关系
| 特征集 | 故障类型 |
| A | 单相接地短路 |
| B | 两相接地短路 |
| C | 两相短路 |
| D | 三相短路 |
故障后线路的各相相电流
运算子a＝ej120°，
分别为a相电流的正序、负序和零序分量，分别为b相电流的正序、负序和零序分量，
分别为c相电流的正序、负序和零序分量，因此有：
特征值集合中各元素均为二进制值。各特征值与其对应的不等式如下表所示。当与特征值对应的不等式成立时，该特征值为1，否则特征值为0。各故障特征集的计算方法如表2所示。
表2 各故障特征集计算方法
如图2所示，故障快速分析主要根据故障快速诊断智能体提供的故障诊断结果和故障的动态数据，对保护和开关的误动、拒动情况进行分析。开关动作模型用来监测线路开关是否动作。虚线框体表示当收到保护动作信息后可继续分析的部分。即使不能收到保护动作信息，快速分析在保护或开关发生误动、拒动时，也可以在线分析出误动、拒动的结果，只是不能确定到底是保护还是开关的误动和拒动，在实时调度中同样具有极高的参考价值。
前文提到的两个盲点的分析路径在图3中进行了标识。故障快速分析可以在线分析出所有保护和开关的误动、拒动情况，这对预防大停电事故起到了积极作用。
故障快速分析的具体实施步骤如下：
(1)读取故障诊断结果；
(2)若线路故障，则进入步骤(3)；若线路未故障，则进入步骤(8)；
(3)开关动作模型判断开关是否动作；
(4)若开关动作，则进入步骤(5)；若开关未动作，则进入步骤(6)；
(5)保护和开关无误动、拒动，输出结果，退出；
(6)保护或开关发生拒动，读取保护动作信息；
(7)若保护动作，则开关发生拒动，输出结果，退出；若保护未动作，则保护发生拒动，输出结果，退出；
(8)开关动作模型判断开关是否动作；
(9)若开关动作，则进入步骤(10)；若开关未动作，则进入步骤(12)；
(10)保护或开关发生误动，读取保护动作信息；
(11)若保护动作，则保护发生误动，输出结果，退出；若保护未动作，则开关发生误动，输出结果，退出；
(12)保护和开关无误动、拒动，输出结果，退出。
此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。
Claims (2)
1.一种电网故障在线快速诊断与分析的方法，其特征在于包括如下步骤：
一)启动，启动模块实时监测广域量测系统WAMS的动态数据，当满足启动判据时发出启动信号，并生成满足启动判据的线路集，具体步骤包括：
(1)读取n时刻的电流采样值i(n)；
(2)计算启动判据：
Δi(n)＝||i(n)-i(n-N)|-|i(n-N)-i(n-2N)||＞Iset (1)
其中N是每基频周期采样点数，Iset是门槛值；
(3)当启动判据连续三次成立时，进入步骤(4)，否则返回步骤(1)；
(4)发出启动信号，并生成满足启动判据的线路集；
二)故障快速定位，其根据定位算法从满足启动判据的线路集中快速筛选出发生故障的线路，具体步骤包括：
(1)读取满足启动判据线路集的故障后的电流采样值i；
(2)用宽度为5，高度为5的直角三角形结构元素对其进行形态学分解，其三层形态学分解结果分别为ρ1，ρ2，ρ3；
(3)计算谱能量Iop和Ire：
其中Ts为pmu采样周期；
(4)计算定位判据：
R＝Iop/Ire＞Rset (4)
其中Rset为门槛值；
(5)当定位判据成立时，则确定该线路为故障线路；
三)故障快速诊断，其接收到上述启动信号后，计算实时故障特征集，然后与标准故障特征集进行匹配，对故障类型进行快速诊断，具体步骤包括：
(1)计算故障特征集A，并与标准特征集匹配；
(2)若匹配成功，则输出诊断结果，若匹配失败，则进入步骤(3)；
(3)计算故障特征集B，并与标准特征集匹配；
(4)若匹配成功，则输出诊断结果，若匹配失败，则进入步骤(5)；
(5)计算故障特征集C，并与标准特征集匹配；
(6)若匹配成功，则输出诊断结果，若匹配失败，则进入步骤(7)；
(7)计算故障特征集D，并与标准特征集匹配；
(8)若匹配成功，则输出诊断结果，若匹配失败，则输出无结果；
四)故障快速分析，其综合快速诊断上述步骤三得到的故障快速诊断结果和故障前后的动态数据，对保护和开关的误动、拒动情况进行分析，同时结合保护动作信息对保护和开关的误动、拒动情况进行精确分析，具体步骤包括：
(1)读取故障诊断结果；
(2)若线路故障，则进入步骤(3)，若线路未故障，则进入步骤(8)；
(3)开关动作模型判断开关是否动作；
(4)若开关动作，则进入步骤(5)，若开关未动作，则进入步骤(6)；
(5)保护和开关无误动、拒动，输出结果，退出；
(6)保护或开关发生拒动，读取保护动作信息；
(7)若保护动作，则开关发生拒动，输出结果，退出，若保护未动作，则保护发生拒动，输出结果，退出；
(8)开关动作模型判断开关是否动作；
(9)若开关动作，则进入步骤(10)，若开关未动作，则进入步骤(12)；
(10)保护或开关发生误动，读取保护动作信息；
(11)若保护动作，则保护发生误动，输出结果，退出，若保护未动作，则开关发生误动，输出结果，退出；
(12)保护和开关无误动、拒动，输出结果，退出。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于还具有开关动作模型，其用来监测线路开关是否动作，当收到保护动作信息后还可继续进行分析，如果不能收到保护动作信息，故障快速分析步骤在保护或开关发生误动、拒动时，也可在线分析出误动、拒动的结果。
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