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( 三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

1 引言

隨著電力系統(tǒng)向大機(jī)組、大電網(wǎng)、高電壓和遠(yuǎn)距離輸電發(fā)展，目前我國正在加緊進(jìn)行各大區(qū)域電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，最后達(dá)到全國聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電力“西電東送”、“南北互供”，這對(duì)于合理利用資源，提高經(jīng)濟(jì)效益和保護(hù)環(huán)境具有重要意義[1]。但是也給電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來了一些新問題，其中保證大區(qū)域電力系統(tǒng)能在正常情況下安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；發(fā)生事故時(shí)，能迅速判斷、及時(shí)有效的進(jìn)行處理，使電網(wǎng)盡快恢復(fù)正常供電，是各電網(wǎng)公司對(duì)電網(wǎng)調(diào)度人員提出的新要求。

現(xiàn)在電網(wǎng)發(fā)生故障后所呈現(xiàn)的故障形式越發(fā)復(fù)雜，如擴(kuò)大性故障、越級(jí)故障和多重故障，在這些故障中我們能夠利用的信息包括：開關(guān)信息、電氣量信息、保護(hù)信息、開關(guān)和保護(hù)所帶時(shí)標(biāo)的時(shí)間順序記錄信息，以及這些信息之間固有的邏輯關(guān)系。電網(wǎng)故障后有點(diǎn)保護(hù)和斷路器發(fā)生了誤動(dòng)或拒動(dòng)，上報(bào)到調(diào)度中心的告警信號(hào)發(fā)生了誤報(bào)和漏報(bào)，至使電網(wǎng)故障診斷的結(jié)果不準(zhǔn)確[2]?，F(xiàn)在國內(nèi)外許多研究者利用各種方法如：專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊集、粗糙集、Petri網(wǎng)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、信息論和基于優(yōu)化算法的方法等，再結(jié)合各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，利用數(shù)據(jù)信息的時(shí)序性和邏輯性對(duì)電網(wǎng)故障診斷中保護(hù)和斷路器發(fā)生誤動(dòng)或拒動(dòng)、告警信號(hào)發(fā)生誤報(bào)或漏報(bào)時(shí)，能進(jìn)行有效準(zhǔn)確診斷，提高了故障診斷的容錯(cuò)性和準(zhǔn)確性。

2 電網(wǎng)故障診斷常用方法

2.1 專家系統(tǒng)方法

專家系統(tǒng)(expert system)是目前發(fā)展最早、也是最成熟的一種人工智能診斷方法，它利用專家推理方法的計(jì)算機(jī)模型來解決問題[3]。在電力系統(tǒng)故障的專家系統(tǒng)診斷中，常用的表示方法有：基于知識(shí)模型表示法、謂詞邏輯表示法，語義網(wǎng)絡(luò)表示法、產(chǎn)生式規(guī)則表示法，基于框架式表示法、面向?qū)ο蠹夹g(shù)和過程表示法。根據(jù)故障診斷的知識(shí)表示和所用推理策略的不同,專家系統(tǒng)主要兩種推理，分別是：基于啟發(fā)式規(guī)則推理系統(tǒng)和結(jié)合正反推理系統(tǒng)[4]。

基于啟發(fā)式規(guī)則推理的系統(tǒng),將保護(hù)、斷路器的動(dòng)作邏輯以及運(yùn)行人員的診斷經(jīng)驗(yàn)用規(guī)則表示出來,形成故障診斷專家系統(tǒng)的知識(shí)庫,采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的正向推理將所獲得的征兆與知識(shí)庫中的規(guī)則進(jìn)行匹配,進(jìn)而獲得故障診斷的結(jié)論[5]?，F(xiàn)在大多數(shù)故障診斷屬于這一類。結(jié)合正、反推理的系統(tǒng)，它結(jié)合了正反向混合推理方法,根據(jù)斷路器和繼電保護(hù)與被保護(hù)設(shè)備之間的邏輯關(guān)系建立推理規(guī)則,同時(shí)通過反向推理,有效地縮小可能故障的范圍,以動(dòng)作的繼電保護(hù)與故障假設(shè)的符合程度計(jì)算可信度。文獻(xiàn)介紹了基于事例推理和基于規(guī)則推理的混合推理的故障診斷專家系統(tǒng)。由于采用了混合推理,提高了故障診斷專家系統(tǒng)的適應(yīng)性與自學(xué)習(xí)能力[6]。

2.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法

基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法主要是避免了專家系統(tǒng)故障診斷所面臨的知識(shí)庫構(gòu)造難得問題，它不需要構(gòu)造推理機(jī)，容錯(cuò)能力強(qiáng)、學(xué)習(xí)能力強(qiáng)且具有很好的魯棒性等特點(diǎn)[7]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于電力系統(tǒng)故障診斷主要集中在對(duì)電網(wǎng)故障樹的處理上。電網(wǎng)中不同故障組合會(huì)產(chǎn)生不同的故障信息組合，可以將故障診斷表示為模式識(shí)別問題，這樣就適合用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來處理。其基本原理為：把故障告警信息進(jìn)行數(shù)字量化作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入量，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出量則代表故障診斷結(jié)果，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入量的計(jì)算就可以完成故障診斷[8]。

2.3 模糊集理論方法

模糊集理論是在經(jīng)典模糊理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,它善于處理不確定性、不精確對(duì)象。在電力系統(tǒng)故障診斷中，告警信號(hào)存在不完備,不精確的特性，應(yīng)用模糊集理論能很好的處理此類問題。文獻(xiàn)[9]指出電網(wǎng)繼電保護(hù)存在保護(hù)動(dòng)作的可靠性和保護(hù)范圍的不確定性問題(線路主保護(hù)的范圍為線路全長的80%左右，后背保護(hù)范圍則延伸到線路全長的110%～140%),在此基礎(chǔ)上用模糊有向圖建立了故障元件與保護(hù)及斷路器之間不確定的關(guān)聯(lián)關(guān)系。文中首先假設(shè)所用的故障信息為可靠、完全信息，用近似推理的方法推出各元件的故障程度，然后將可疑故障元件按繼電保護(hù)的邏輯配合關(guān)系對(duì)比校驗(yàn)，找出動(dòng)作不正確的保護(hù)和斷路器，同時(shí)也可找出錯(cuò)誤的警告信號(hào)[10]。

2.4 Petri網(wǎng)方法

Petri是可用圖形和矩陣運(yùn)算進(jìn)行嚴(yán)格數(shù)學(xué)表示，用網(wǎng)絡(luò)描述系統(tǒng)中同時(shí)發(fā)生、次序發(fā)生或循環(huán)發(fā)生的各種活動(dòng)的一種通用模型[11]。Petri網(wǎng)可用位置節(jié)點(diǎn)和變遷節(jié)點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，用于描述電力系統(tǒng)故障及切除的離散事件動(dòng)態(tài)行為。文獻(xiàn)[8]針對(duì)電力系統(tǒng)故障診斷問題的特點(diǎn)，以Petri網(wǎng)為工具，并結(jié)合概率信息加權(quán)的表示方法，從而提出了建模和診斷分析的決策方法。文獻(xiàn)[12]首先建立繼電保護(hù)切除故障的Petri網(wǎng)模型(稱為前向Petri網(wǎng))，將有向圖反向后即得到故障診斷Petri網(wǎng)(稱為反向Petri網(wǎng))。每個(gè)假想故障元件根據(jù)其拓?fù)溥B接和保護(hù)關(guān)系都對(duì)應(yīng)著一個(gè)Petri網(wǎng)，采用令牌反向傳播的矩陣運(yùn)算即可判斷該元件是否發(fā)生了故障。

2.5 優(yōu)化技術(shù)診斷方法

基于優(yōu)化技術(shù)的電力系統(tǒng)故障診斷是根據(jù)其故障特點(diǎn)，設(shè)定假想事故集，構(gòu)建故障目標(biāo)函數(shù)，通過各種優(yōu)化算法根據(jù)適應(yīng)度值對(duì)假想事故集進(jìn)行更新，直至搜索到適應(yīng)度最大的假想事故集以作為最終故障診斷的結(jié)果。通常將故障診斷問題表示為0-1整數(shù)規(guī)劃問題，通過優(yōu)化算法尋找使構(gòu)造的目標(biāo)函最小或最，此最小或最大解就是所選故障區(qū)域內(nèi)各個(gè)元件的故障情況以及保護(hù)和斷路器的動(dòng)作情況[13]。

3 數(shù)據(jù)源及其特性對(duì)診斷影響

3.1 基于SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)源

基于SCADA數(shù)據(jù)源信息的故障診斷是最早應(yīng)用于電力系統(tǒng)的，在故障診斷中信息的有效提取對(duì)后面的診斷具有重要的影響。文獻(xiàn)[14]基于SACDA信息平臺(tái)提出一種故障診斷信息的在線獲取方法。該方法采用動(dòng)態(tài)事件窗生成技術(shù)，先對(duì)含有電網(wǎng)故障信息的告警信號(hào)進(jìn)行截獲，然后結(jié)合故障元件、保護(hù)動(dòng)作和斷路器跳閘的關(guān)聯(lián)性，從截獲的告警信號(hào)中提取電網(wǎng)故障診斷信息。動(dòng)態(tài)事件窗生成技術(shù)可有效地克服錯(cuò)誤告警信息影響，保證所獲取電網(wǎng)故障信息的正確性和完整性。文獻(xiàn)[15]利用SCADA系統(tǒng)的元件狀態(tài)信息即保護(hù)和斷路器信息進(jìn)行電網(wǎng)故障診斷數(shù)學(xué)模型的建立，開發(fā)了相應(yīng)關(guān)聯(lián)矩陣進(jìn)行故障診斷，能夠?yàn)檎{(diào)度人員提供及時(shí)、有效的電網(wǎng)故障診斷結(jié)果。

3.2 基于廣域量測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)源

廣域量測(cè)系統(tǒng)是基于GPS的同步相量測(cè)量技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)，對(duì)地域廣闊的電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，來獲取電網(wǎng)拓?fù)鋵?shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為電網(wǎng)故障診斷提供更加豐富的數(shù)據(jù)信息。文獻(xiàn)[16]在進(jìn)行初始網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龅幕A(chǔ)上，提出一種基于廣域測(cè)量信息的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龇椒?，該方法適用于非故障情況下及故障后的對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，為故障診斷提供及時(shí)有效的數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[17]針對(duì)數(shù)據(jù)源中保護(hù)和開關(guān)動(dòng)作信息上傳不及時(shí)、時(shí)標(biāo)不一致和信息缺失以及保護(hù)和斷路器誤動(dòng)、拒動(dòng)問題，提出基于廣域量測(cè)系統(tǒng)的電網(wǎng)故障快速診斷與分析的解決方案。該方法具有診斷速度快、結(jié)果準(zhǔn)確，尤其在誤動(dòng)、拒動(dòng)問題上可達(dá)到實(shí)時(shí)精確地分析，目前在智能輸電網(wǎng)中已經(jīng)使用，停電事故發(fā)生的概率也大為降低。

3.3 基于故障錄波數(shù)據(jù)源

為了提供更為豐富的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在很多輸電線路網(wǎng)安裝了故障錄波器來記錄輸電線路中電壓、電流和功率變化情況。在系統(tǒng)發(fā)生復(fù)雜故障或保護(hù)與斷路器發(fā)生較多誤動(dòng)、拒動(dòng)以及因傳輸信道的影響而發(fā)生信息丟失等諸多不確定因素的影響下,目前基于SCADA系統(tǒng)或EMS系統(tǒng)的故障診斷方法已經(jīng)不能取得滿意的結(jié)果,必須尋找新的信息源。文獻(xiàn)[18]提出了考慮故障錄波信息系統(tǒng)的診斷方法，提出了一種合理利用采集信息進(jìn)行分層故障診斷，面對(duì)復(fù)雜故障情況時(shí)利用故障錄波信息作進(jìn)一步診斷的方法進(jìn)行了研究，再結(jié)合虛擬保護(hù)的診斷思想,并建立了相應(yīng)的面診斷模型有效地彌補(bǔ)了利用開關(guān)、保護(hù)信息診斷的局限性。

4 結(jié)論

電網(wǎng)故障診斷對(duì)保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行具有重要意義，它需要診斷結(jié)果及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠，近幾十年國來許多學(xué)者也對(duì)此多了大量的研究工作，并取得了不錯(cuò)的成果，但是隨著電力系統(tǒng)規(guī)模日趨龐大和復(fù)雜對(duì)診斷結(jié)果提出了更高的要求。本文通過綜述了目前國內(nèi)外對(duì)電網(wǎng)故障診斷中所采用的一些通用方法，以及這些方法在故障診斷中所采用的不同數(shù)據(jù)源信息，分析這些方法在面對(duì)診斷中保護(hù)和斷路器的拒動(dòng)或誤動(dòng)，告警信號(hào)發(fā)生誤報(bào)或漏報(bào)等不確定因素時(shí)，利用不同的數(shù)據(jù)源有效的診斷出準(zhǔn)確的結(jié)果。我們應(yīng)該更好的立足于電網(wǎng)故障診斷的實(shí)用化進(jìn)程，通過結(jié)合實(shí)際情況考慮更全面、細(xì)致的影響因素，這樣才能更有利于電網(wǎng)故障診斷的發(fā)展。

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