CN103278746B - 考虑不确定信息的电网故障诊断系统的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电力系统智能分析与控制技术领域,特别涉及考虑不确定信息的电网故障诊断系统的实现方法。信息论与专家系统的电网故障诊断系统实用化方法,该方法基于公开号为CN101661070A的中国专利提出的基于信息论与专家系统的电力系统故障诊断方法,增加重合闸和备自投的动作情况;满足将该方法付诸实际电力系统故障诊断系统的实用化需求。本发明在继承原方法的同时,还能利用重合闸和备自投的动作信息,给出重合闸和备自投的动作情况说明。利用故障相别和故障类型,减小可能动作的保护集的规模,降低了诊断过程的复杂度。本发明可以作为基于同等算法的电网故障诊断系统的参考。
Description
技术领域
本发明属于电力系统智能分析与控制技术领域,特别涉及考虑不确定信息的电网故障诊断系统的实现方法。
背景技术
随着各级电网调度中心建设调控一体化,EMS(Energymanagementsystem)能量管理系统不仅要负责监视电网运行状况,而且还接收了大量的异常、事故告警及控制信息。传统的EMS系统更侧重于电网的某一在线运行断面的各种安全和经济性指标的分析和计算,没有事故告警信息的分析处理功能。调度员除了需要维持电网运行稳定外,还需要在事故来临的时候作出快速准确的处理。特别是当电网发生大面积停电故障时,海量的故障告警信息瞬间上送,调度员仅能凭经验和直觉立刻判断故障,并采取有效措施减少事故损失。这无疑大大地增加了调度员的工作压力。
电网故障诊断系统为辅助调度员的工作,从海量故障数据中有效地提取信息,并在保护、断路器拒动误动或通信线路传输错误等不确定因素出现的情况下,快速地给出正确的故障诊断结果。
目前,较为成熟的电网故障诊断系统主要采用以下三种方法:(1)基于专家系统。这种方法利用计算机技术将相关专业领域的理论知识与专家的经验知识融合在一起,不仅可解决那些依靠解析方法不能解决的问题,也可使所求解问题的知识搜索和推理范围缩小,提高问题求解速度和推理效率。这种方法在应用中出现了一些瓶颈。专家系统利用专家的经验知识,通过固定的推理机制推理出结果,然而实际情况是千变万化的,很难设计出一种固定的推理机制去适应各种现实情况。当EMS系统发生误传信息或丢失信息时,专家系统往往难以给出正确的诊断结果。另外专家系统的知识维护量大,知识缺乏自学习能力。(2)基于优化模型。基于优化技术的诊断模型创造性地将电网故障诊断问题转换为求取极值的0-1整数规划问题,但是这种方法不考虑故障发生过程的物理模型,容易导致诊断结果不唯一、运算速度低等问题。(3)基于Petri网。这种方法将电力系统故障看作是由一组离散事件组成,从电气量变化、保护检测到故障,到保护动作于开关跳闸,故障切除。整个过程用Petri网的形式表现出来。Petri网结构由五个元素组成,分别是库所、变迁、托肯、库所到变迁的有向弧和变迁到库所的有向弧。在形成Petri网结构后,根据初始状态设置托肯所在的库所,然后通过点火机制,托肯将沿着变迁和有向弧最终到达一个库所,该库所即是推理的结论。这种方法的难点在于,Petri网模型将随着元件数目的增加和网络的扩大出现状态组合爆炸,使得用户难以进行维护。另外它也无法适应不确定信息的问题。
上述三种方法都有一定的实际应用,其中基于专家系统方法往往结合了其他的智能算法,但是总的来说,三种方法都难以解决现实情况遇到的信息误报漏报问题。
公开号为CN101661070A的中国专利提出的基于信息论与专家系统的算法既继承了专家系统实用高效的特点,还利用信息论的方法弥补了专家系统对于不确定信息的不足。在实验算例中即使远动通信出现较大的干扰,也可以给出正确的诊断结果。但算法功能不完善,原方法没有考虑实用化过程可能遇到的问题,例如诊断过程由于保护和开关动作情况过于复杂导致的诊断速度慢的问题,并且只能给出包括故障设备、保护和开关的动作情况说明的诊断结果,不包括重合闸和备自投的动作情况说明。
发明内容
本发明针对基于信息论与专家系统的算法功能不完善,原系统没有考虑到的重合闸功能和备自投功能,系统的运算速度难以满足实际应用的需求的不足,提出了考虑不确定信息的电网故障诊断系统的实现方法。
考虑不确定信息的电网故障诊断系统的实现方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤1:建立电网故障诊断库;
该电网故障诊断库包括保护属性、保护范围、保护时限、保护和开关之间的关联关系、保护和主设备之间的关联关系、备自投装置属性、重合闸和开关之间的关联关系、重合闸成功概率、一次设备故障概率、保护装置误动作概率、开关误动作概率和信道误码概率;其中,
所述保护属性包括保护性质,用以描述保护属于主保护、后备保护、重合闸、备自投;
所述保护范围,用以描述保护的范围是本主设备、本主设备及下级设备、本主设备及下两级设备;
所述保护时限,用以描述保护动作的延时;
所述备自投装置属性,按性质分为总信号保护和普通保护,总信号保护的关联开关是备自投涉及到的所有开关,普通保护的关联开关是具体动作的某个开关;
步骤2:将电网结构看作拓扑图,根据数据采集与监控系统所采集的保护动作信息,利用电网故障诊断库的保护范围,对拓扑图进行广度优先搜索,将所有搜索到的设备列为可疑故障设备,所有可疑故障设备所在的区域形成故障区域;
步骤3:当采集的保护动作信息涉及到备自投保护动作时,进入备自投判断过程;
备自投判断步骤如下:
(1)根据备自投总信号保护的关联开关,列举备自投的各种运行方式并一一进行拓扑分析,从中找出使备自投成功的一种运行方式,对比与备自投动作前的运行方式,得出应该动作的开关集和应该动作的保护集;对每个应该动作的开关进行动作和不动作假设,并在此基础上对应该动作的保护进行动作和拒动假设;一种开关和保护动作情况组成一个信源,记为第一信源,所有第一信源形成第一信源集;
(2)对每一个第一信源,当假设的开关情况是使备自投成功的运行方式时,判断该第一信源备自投成功,否则判断该第一信源备自投不成功;最后计算第一信源先验概率,并通过比照各第一信源与采集的备自投保护动作信息和相应的开关动作信息,即信宿,计算第一信源的转移概率,最后得出后验概率最大的第一信源作为备自投动作情况的判断结果,并输出判断结果;
步骤4:反向推理,分别假设故障区域内的各可疑故障设备故障;
步骤5:根据实时采集的保护动作信息,确定设备的故障相别和故障类型;
若实时采集的保护动作事项包含有故障相别或故障类型信息,则通过模糊匹配关键字的方法对之进行提取;
若实时采集的保护动作事项只有总信号保护,不包含故障相别或故障类型信息,则不考虑故障相别,只一一假设可疑故障设备发生各种可能的故障类型;
步骤6:将符合故障相别和故障类型,而且假设的可疑故障设备在保护范围内的保护搜集起来,形成可能动作的保护集;取各保护的动作开关的并集,形成可能动作的开关集;
步骤7:若在可能动作的保护集中涉及到母线保护,则由实时拓扑断面动态识别母线保护动作的开关,形成含母线保护的保护集的可能动作开关集;
步骤8:对可能动作的开关进行动作和不动作假设;若可能动作的开关在采集事项中跳闸,则认为该开关是动作的;然后在开关动作情况的基础上,按保护时限短的先动作,保护时限长的后动作的保护逻辑,对可能动作的保护进行动作、拒动假设;假设的故障设备、一种开关和保护的动作情况组成第二信源,所有第二信源形成第二信源集;
步骤9:当假设的可疑故障设备为线路或负荷,且采集的保护动作信息涉及到重合闸动作时,进入重合闸判断过程;
(1)对每一个第二信源,根据电网故障诊断库中动作保护的关联开关,搜索库中有相同关联开关的重合闸,放在一张表里;搜索电网故障诊断库中关联开关与动作的开关相同的重合闸,放在一张表里;两张表取交集,得到应该动作的重合闸;对每一个应该动作的重合闸进行动作、拒动假设,并将假设情况添加到第二信源中;
(2)对每一个第二信源,若第二信源中有一个重合闸动作,假设重合闸成功与不成功;重合闸成功,第二信源开关征兆添加关联的开关合闸;重合闸不成功,第二信源开关征兆添加关联的开关合闸、关联的开关跳闸;若第二信源中没有一个重合闸动作,则认为第二信源没有重合闸动作,最后形成包括重合闸动作情况在内的第三信源,所有第三信源形成第三信源集;
步骤10:结合电网故障诊断库中一次设备故障概率、保护装置误动作概率、开关误动作概率,计算每个第三信源的先验概率,然后根据接收的故障信息,利用信息传输理论计算每个第三信源的转移概率,最后计算出每个第三信源的后验概率;
步骤11:将第三信源集的信源后验概率按照由大到小排列,排在最前面的第三信源对应的故障情况最有可能发生,作为故障诊断结果。
本发明的有益效果:本发明是基于公开号为CN101661070A的中国专利提出的基于信息论与专家系统的电力系统故障诊断方法,建立了实用化的电力系统故障诊断系统。本发明在继承原方法的同时,还能利用重合闸和备自投的动作信息,给出重合闸和备自投的动作情况说明。利用故障相别和故障类型,减小可能动作的保护集的规模,降低了诊断过程的复杂度。本发明已达到实用化的要求,并可以作为基于同等算法的电网故障诊断系统的参考。
附图说明
图1为某供电局惠普红线故障的故障图例;
图2为110kV双母线接线方式;
图3为该系统的整体流程图。
具体实施方式
下面结合附图,对优选实施例做详细说明。应该强调的是,下述说明仅仅是示例性的,而不是为了限制本发明的范围及应用。
以图1为例对本发明做进一步说明,实时事故告警事项与开关变位事项如下表1所示。
实-表1实时采集的故障事项
以表1的保护动作为例说明电网故障诊断库内容。
惠普红线零序二段出口:保护性质是后备保护;保护范围是本主设备和下一级设备;保护时限是一级延时;关联的开关是182开关;该保护所属的保护装置误动作概率是ppro1。
惠普红线重合闸动作:保护性质是重合闸;关联的开关是182开关;该保护所属的保护装置误动作概率是ppro1。
10kVⅠ/Ⅱ段备自投装置动作:保护性质是备自投;属于总信号保护,关联的开关是601开关、600开关和602开关;该保护所属的保护装置误动作概率是ppro2。
10kVⅠ/Ⅱ段备自投合Ⅰ/Ⅱ段母分600开关:保护性质是备自投;属于普通保护,关联的开关是600开关;该保护所属的保护装置误动作概率是ppro2。
10kVⅠ/Ⅱ段备自投跳1号主变10侧601开关:保护性质是备自投;属于普通保护,关联的开关是601开关;该保护所属的保护装置误动作概率是ppro2。
规定所有开关的误动作概率是pbr,信道误码率是ps,惠普红线故障先验概率是pline,惠普红线重合闸成功先验概率是pauto。
除表1的知识外,惠普红线还配置有三段式接地距离保护和三段式相间距离保护。1#主变配置有主变主保护和后备保护。
具体步骤如下:
1、利用电网故障诊断库可知,只有惠普红线零序二段出口设置了保护范围,搜索惠普红线的下级设备,是110kVⅠ段母线和1#主变。所以惠普红线、110kVⅠ段母线和1#主变为可疑故障设备,它们形成的区域为可疑故障区域。
2、利用电网故障诊断库的保护性质可知,普安变电站上送的事项包含备自
投动作信息,推理进入备自投判断过程。
[1]10kVⅠ/Ⅱ段备自投装置动作是备自投的总信号,对其关联的三个开关列举备自投的三种运行方式,如下表2所示。
结合备自投的三种运行方式和电网实时结构断面进行拓扑分析,分析结果中只有运行方式3能保证10kVⅠ段母线和10kVⅡ母线持续带电,所以定义运行方式3为能使备自投动作成功的运行方式。
实-表2备自投的运行方式
601开关 | 600开关 | 602开关 | |
运行方式1 | 合 | 合 | 分 |
运行方式2 | 合 | 分 | 合 |
运行方式3 | 分 | 合 | 合 |
备自投动作前的运行方式为运行方式2,对比运行方式3可知601开关应该分闸,600开关应该合闸。将两个开关列为应该动作的开关,利用电网故障诊断库发现,保护10kVⅠ/Ⅱ段备自投合Ⅰ/Ⅱ段母分600开关能使600开关合闸,保护10kVⅠ/Ⅱ段备自投跳1号主变10侧601开关能使601开关分闸。所以将这两个保护列为应该动作的保护。
对每个应该动作的开关假设动作和不动作,在此基础上对每个应该动作的保护假设动作和拒动。形成第一信源集,部分第一信源如表3所示。
实-表3部分第一信源
[2]实表3中信源1的开关动作情况和运行方式3相同,所以把第一信源集合中与信源1有相同开关动作情况的第一信源判断为备自投成功,其他第一信源判断为备自投不成功。
计算各个第一信源的先验概率,如实表3中信源1,以m1表示,先验概率pm1为:
实表3中信源2,以m2表示,先验概率pm2为:
计算各个第一信源的转移概率,对比各个第一信源的开关和保护动作情况与采集的备自投事项是否相同,相同的转移概率乘以(1-ps),不同的转移概率乘以ps。采集的事项的动作情况以m表示。如实表3信源1,转移概率p(m|m1)为:
p(m|m1)=(1-ps)4
实表3信源2的转移概率p(m|m2)为:
p(m|m1)=(1-ps)3ps
利用下式计算各个第一信源的后验概率,mi表示第i个第一信源,N表示第一信源集的大小。
最后按照第一信源的后验概率大小排序,最大的后验概率为本次备自投动作的诊断结果,结果如表4所示。
实-表4备自投动作诊断结果
3、分别假设惠普红线、110kVⅠ段母线和1#主变故障。为方便讨论,下面仅对假设故障发生在惠普红线进行描述。
4、因假设故障设备类型为线路,以零序、相间、接地等关键字对采集的保护动作信息进行模糊匹配。零序关键字匹配到惠普红线零序二段出口,所以可确定本次故障的故障类型为接地故障。因没有采集到关于相别的信息,所以不考虑故障相别。
5、分别假设惠普红线发生单相接地故障和两相接地故障。发生单相接地故障时,只有零序保护和接地距离保护能动作。发生两相接地故障时,零序保护、接地距离保护和相间距离保护都能动作。为方便讨论,下面仅对惠普红线发生单相接地故障进行描述。
利用电网故障诊断库的保护范围,可知惠普红线零序二段、惠普红线零序三段、惠普红线接地距离二段和惠普红线接地距离三段应该动作,将上述四个保护列为可能动作的保护。因这四个保护的关联开关都是182开关,所以将182开关列为可能动作的开关。
6、因为采集到182开关由合转分的跳闸信息,所以认为182开关动作,不假设182开关不动作。在此基础上,按符合保护动作逻辑的方式假设四个可能动作的保护动作或拒动。形成第二信源集。部分第二信源如表5所示。
实-表5部分第二信源
7、利用电网故障诊断库的保护性质可知,惠安变电站上送的事项包含重合闸动作信息,当信源的假设故障设备为惠普红线时,推理进入重合闸判断过程。
[1]在第二信源中添加重合闸动作情况。为讨论方便,以表5的信源1为例进行描述。信源1中动作的保护是零序保护二段,动作的开关是182开关。零序保护二段关联的开关是182开关,搜索电网故障诊断库中有相同关联开关的重合闸保护,得到保护:惠普红线重合闸,建立两保护的关联表。重合闸关联开关是182开关,与动作的开关相同,建立182开关与重合闸的关联表。两个表的交集是惠普红线重合闸,所以该重合闸应该动作。在信源1中添加该重合闸动作或拒动情况,如表6所示。
实-表6信源1添加重合闸动作情况后的开关和保护动作情况
[2]在第二信源添加了重合闸动作情况后,继续添加重合闸成功与不成功情况。为方便讨论,以表6的信源11和信源12为例进行描述。信源11重合闸拒动,不对该重合闸进行成功或不成功假设。信源12重合闸动作,假设重合闸动作后重合闸成功和重合闸不成功。
实-表7信源1添加重合闸成功与不成功后的保护和开关动作情况
若假设重合闸成功,应在第二信源中添加关联的开关闭合,得到信源121;若假设重合闸不成功,应在第二信源中添加关联的开关闭合、关联的开关跳闸,得到信源122。基于信源11和信源12得出的新的信源如表7所示。类似,在第二信源基础上形成第三信源,所有第三信源组成第三信源集。
8、计算各个第三信源的先验概率、转移概率,为方便讨论,以表7所示的信源为例进行描述。信源11以m11表示,先验概率pm11:
信源121以m121表示,先验概率pm121:
信源122以m122表示,先验概率pm122:
对比各个第三信源的开关和保护动作情况与采集的非备自投开关和保护事项是否相同,相同的转移概率乘以(1-ps),不同的转移概率乘以ps。采集的事项的动作情况以m表示。如信源11,转移概率p(m|m11):
p(m|m11)=(1-ps)5ps 3
信源121转移概率p(m|m121):
p(m|m11)=(1-ps)7ps
信源122转移概率p(m|m122):
p(m|m11)=(1-ps)8
计算了所有第三信源的先验概率和转移概率后,由下式计算各第三信源的后验概率,mi表示第i个第三信源,如i=11,i=121或i=122,N表示第三信源集的大小。
9、所有第三信源按照后验概率从大到小的顺序进行排序,后验概率最大的第三信源是最有可能发生的,把该第三信源作为本次故障的诊断结果,如表8所示。
实-表8故障诊断结果
以图2为例说明发明内容步骤7,即如何动态识别母线保护动作的开关。Ⅰ段母线配置了Ⅰ段母线差动保护,在电网故障诊断库中设置该保护的关联开关为101开关、102开关、100开关、103开关和104开关。当故障推理涉及到该母线保护时,根据实时电网结构断面判断各开关是否挂接在Ⅰ段母线上。
具体步骤为:利用电网结构模型,找到与101开关相连的隔离开关,包括101-1和101-2。根据实时电网结构断面,101开关与101-1隔离开关处于闭合状态,因此判断101开关挂接在Ⅰ段母线。类似的103开关也挂接在Ⅰ段母线上。102开关是挂接在Ⅱ段母线上。因104开关处于打开状态,故判断其不挂接在任一母线上。综上所述,Ⅰ段母线配置的Ⅰ段母线差动保护的关联开关为101开关和103开关。
Claims (1)
1.考虑不确定信息的电网故障诊断系统的实现方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤1:建立电网故障诊断库;
该电网故障诊断库包括保护属性、保护范围、保护时限、保护和开关之间的关联关系、保护和主设备之间的关联关系、备自投装置属性、重合闸和开关之间的关联关系、重合闸成功概率、一次设备故障概率、保护装置误动作概率、开关误动作概率和信道误码概率;其中,
所述保护属性包括保护性质,用以描述保护属于主保护、后备保护、重合闸或备自投;
所述保护范围,用以描述保护的范围是本主设备、本主设备及下级设备或本主设备及下两级设备;
所述保护时限,用以描述保护动作的延时;
所述备自投装置属性,按性质分为总信号保护和普通保护,总信号保护的关联开关是备自投涉及到的所有开关,普通保护的关联开关是具体动作的某个开关;
步骤2:将电网结构看作拓扑图,根据数据采集与监控系统所采集的保护动作信息,利用电网故障诊断库的保护范围,对拓扑图进行广度优先搜索,将所有搜索到的设备列为可疑故障设备,所有可疑故障设备所在的区域形成故障区域;
步骤3:当采集的保护动作信息涉及到备自投保护动作时,进入备自投判断过程;
备自投判断步骤如下:
(301)根据备自投总信号保护的关联开关,列举备自投的各种运行方式并一一进行拓扑分析,从中找出使备自投成功的一种运行方式,对比与备自投动作前的运行方式,得出应该动作的开关集和应该动作的保护集;对每个应该动作的开关进行动作和不动作假设,并在此基础上对应该动作的保护进行动作和拒动假设;一种开关和保护动作情况组成一个信源,记为第一信源,所有第一信源形成第一信源集;
(302)对每一个第一信源,当假设的开关情况是使备自投成功的运行方式时,判断该第一信源备自投成功,否则判断该第一信源备自投不成功;最后计算第一信源先验概率,并通过比照各第一信源与采集的备自投保护动作信息和相应的开关动作信息,即信宿,计算第一信源的转移概率,最后得出后验概率最大的第一信源作为备自投动作情况的判断结果,并输出判断结果;
步骤4:反向推理,分别假设故障区域内的各可疑故障设备故障;
步骤5:根据实时采集的保护动作信息,确定设备的故障相别和故障类型;
若实时采集的保护动作事项包含有故障相别或故障类型信息,则通过模糊匹配关键字的方法对之进行提取;
若实时采集的保护动作事项只有总信号保护,不包含故障相别或故障类型信息,则不考虑故障相别,只一一假设可疑故障设备发生各种可能的故障类型;
步骤6:将符合故障相别和故障类型,而且假设的可疑故障设备在保护范围内的保护搜集起来,形成可能动作的保护集;取各保护的动作开关的并集,形成可能动作的开关集;
步骤7:若在可能动作的保护集中涉及到母线保护,则由实时拓扑断面动态识别母线保护动作的开关,形成含母线保护的保护集的可能动作开关集;
步骤8:对可能动作的开关进行动作和不动作假设;若可能动作的开关在采集事项中跳闸,则认为该开关是动作的;然后在开关动作情况的基础上,按保护时限短的先动作,保护时限长的后动作的保护逻辑,对可能动作的保护进行动作或拒动假设;假设的故障设备、一种开关和保护的动作情况组成第二信源,所有第二信源形成第二信源集;
步骤9:当假设的可疑故障设备为线路或负荷,且采集的保护动作信息涉及到重合闸动作时,进入重合闸判断过程;
(901)对每一个第二信源,根据电网故障诊断库中动作保护的关联开关,搜索库中有相同关联开关的重合闸,放在一张表里;搜索电网故障诊断库中关联开关与动作的开关相同的重合闸,放在一张表里;两张表取交集,得到应该动作的重合闸;对每一个应该动作的重合闸进行动作或拒动假设,并将假设情况添加到第二信源中;
(902)对每一个第二信源,若第二信源中有一个重合闸动作,假设重合闸成功与不成功;重合闸成功,第二信源开关征兆添加关联的开关合闸;重合闸不成功,第二信源开关征兆添加关联的开关合闸和关联的开关跳闸;若第二信源中没有一个重合闸动作,则认为第二信源没有重合闸动作,最后形成包括重合闸动作情况在内的第三信源,所有第三信源形成第三信源集;
步骤10:结合电网故障诊断库中一次设备故障概率、保护装置误动作概率、开关误动作概率,计算每个第三信源的先验概率,然后根据接收的故障信息,利用信息传输理论计算每个第三信源的转移概率,最后计算出每个第三信源的后验概率;
步骤11:将第三信源集的信源后验概率按照由大到小排列,排在最前面的第三信源对应的故障情况最有可能发生,作为故障诊断结果。
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