DQZHAN技術(shù)訊：研究：考慮警報(bào)冗余和時(shí)序特征的電力系統(tǒng)故障診斷解析模型

今天帶給大家的是浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院文福拴教授團(tuán)隊(duì)的研究成果，該文已被IEEE Transaction on Power Systems錄用并在線發(fā)表，歡迎品讀。

1.警報(bào)信號(hào)的冗余和時(shí)序特性

當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，大量警報(bào)信號(hào)被上傳至調(diào)度中心，由調(diào)度人員進(jìn)行分析和處理。當(dāng)多臺(tái)設(shè)備故障、保護(hù)/斷路器發(fā)生誤動(dòng)/拒動(dòng)等復(fù)雜故障情形出現(xiàn)時(shí)，警報(bào)信息會(huì)更多，而且繼電保護(hù)裝置在電力系統(tǒng)中的冗余化配置使此情況進(jìn)一步加劇。全球定位系統(tǒng)為警報(bào)信號(hào)提供了統(tǒng)一的時(shí)標(biāo)信息，在增加系統(tǒng)可觀性的同時(shí)，也可能會(huì)增加調(diào)度人員處理信息的負(fù)擔(dān)。調(diào)度人員要在很短時(shí)間內(nèi)處理大量警報(bào)信號(hào)并充分利用其中有效信息進(jìn)行分析決策，壓力很大，非常困難。此外，警報(bào)的漏報(bào)/誤報(bào)和時(shí)標(biāo)錯(cuò)誤等不確定性因素會(huì)干擾調(diào)度人員的判斷，增加故障診斷的難度。充分利用警報(bào)冗余信息和時(shí)序信息，可提高故障診斷的準(zhǔn)確性。因此，發(fā)展可利用警報(bào)冗余和時(shí)序信息的電力系統(tǒng)故障診斷方法，以輔助調(diào)度人員快速診斷故障和誤動(dòng)/拒動(dòng)的保護(hù)設(shè)備，對(duì)維持電力系統(tǒng)**穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

2.虛擬繼電保護(hù)和實(shí)際繼電保護(hù)的映射

本文基于虛擬保護(hù)裝置和實(shí)際保護(hù)裝置之間存在的映射關(guān)系，在利用冗余信息增強(qiáng)診斷準(zhǔn)確性的同時(shí)，提高診斷效率。虛擬繼電保護(hù)用于合并針對(duì)相同位置或設(shè)備并具有功能的實(shí)際繼電保護(hù)，并繼承后者的功能;合并時(shí)可以保留警報(bào)的冗余和時(shí)序信息，并壓縮所建解析模型的求解空間，提高診斷的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。通過對(duì)冗余信息的處理，虛擬繼電保護(hù)集合能夠以較少的元素個(gè)數(shù)完全映射具有冗余性的實(shí)際繼電保護(hù)集合，并應(yīng)用于故障診斷。虛擬保護(hù)和與其對(duì)應(yīng)的實(shí)際保護(hù)的期望狀態(tài)、實(shí)際狀態(tài)、警報(bào)狀態(tài)和動(dòng)作時(shí)間集合是相關(guān)聯(lián)的。

3.故障診斷模型的基本架構(gòu)

在故障發(fā)生后，警報(bào)信息(包括實(shí)際繼電保護(hù)動(dòng)作警報(bào)和斷路器跳閘警報(bào))被上傳到調(diào)度中心，作為故障診斷的基礎(chǔ)。所構(gòu)造的故障診斷模型的基本架構(gòu)如圖1所示。首先，利用實(shí)時(shí)拓?fù)浞治瞿K識(shí)別故障前后的電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確定停電區(qū)域，并獲取相應(yīng)的實(shí)際繼電保護(hù)、虛擬繼電保護(hù)和斷路器集合。下面依次介紹故障假說和目標(biāo)函數(shù)的形成，以及目標(biāo)函數(shù)值的計(jì)算等內(nèi)容。

圖1故障診斷模型的基本架構(gòu)

4.故障假說和目標(biāo)函數(shù)

1）故障假說

一個(gè)精心設(shè)計(jì)的故障假說首先需要能夠清楚表示“觸發(fā)所獲得的警報(bào)的事件（故障）或原因”。故障診斷就是要發(fā)現(xiàn)與實(shí)際故障情況一致的故障假說。其次，所設(shè)計(jì)的故障假說應(yīng)能夠有效利用所能獲取的信息，以提高故障診斷的準(zhǔn)確性。同時(shí)，故障假說應(yīng)保持簡(jiǎn)潔，以壓縮優(yōu)化問題的求解空間，提高求解效率。本文所定義的故障假說包括以下信息:①失電區(qū)域中設(shè)備的狀態(tài)，即其是否故障;②虛擬繼電保護(hù)和斷路器的實(shí)際狀態(tài);③警報(bào)時(shí)標(biāo)信息的正確性。

2）目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)反映故障假說的置信度，其取值越小則故障假說的置信度越高。所構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)由3部分組成，即差異度指標(biāo)、時(shí)序沖突指標(biāo)和*小集指標(biāo)。其中,差異度指標(biāo)反映了保護(hù)設(shè)備的期望狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)之間，以及實(shí)際狀態(tài)與警報(bào)狀態(tài)之間的不一致程度;時(shí)序沖突指標(biāo)反映了故障假說中的時(shí)序不一致程度;*小集指標(biāo)的含義為:在其它指標(biāo)保持相同的前提下,故障假說中所包含的故障設(shè)備的數(shù)目越小,其為*優(yōu)解的可能性越高。

在警報(bào)預(yù)處理和故障診斷階段,可以對(duì)各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，以提升故障診斷方法的靈活性、適應(yīng)性和準(zhǔn)確性。一般而言，應(yīng)該對(duì)差異度和時(shí)序沖突指標(biāo)給定較大的權(quán)重系數(shù),而*小集指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)可相對(duì)較小，以尋求*合理的故障假說。

5.目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算

1）警報(bào)預(yù)處理

警報(bào)預(yù)處理的主要功能是將警報(bào)狀態(tài)和動(dòng)作時(shí)間集合與相應(yīng)的保護(hù)設(shè)備相關(guān)聯(lián)，保存原始警報(bào)的時(shí)序信息和冗余信息，為下一步的故障診斷做好準(zhǔn)備。時(shí)序信息和冗余特性是原始警報(bào)信息的兩個(gè)重要特性。不過，只有經(jīng)過過濾、處理并轉(zhuǎn)換為特定的知識(shí)形式，這些特性才能被方便的利用。經(jīng)過警報(bào)預(yù)處理環(huán)節(jié)，冗余的原始警報(bào)信息將被壓縮和整合，以便在故障診斷過程中被更好的利用。

2）保護(hù)設(shè)備動(dòng)作邏輯

本文對(duì)現(xiàn)有的保護(hù)設(shè)備動(dòng)作邏輯進(jìn)行了提煉和**，以便適應(yīng)不同的保護(hù)配置和運(yùn)行方式。主要包括：①在主保護(hù)動(dòng)作邏輯中考慮了縱聯(lián)保護(hù)策略的影響；②將近后備保護(hù)和遠(yuǎn)后備保護(hù)的動(dòng)作邏輯進(jìn)行了重新梳理，并整合為通用的后備保護(hù)動(dòng)作邏輯，以便考慮不同保護(hù)之間的配合；③重新設(shè)計(jì)了斷路器失靈保護(hù)的動(dòng)作邏輯，以便考慮不同的運(yùn)行方式。

3）權(quán)重系數(shù)調(diào)整

前已述及,目標(biāo)函數(shù)中的權(quán)重系數(shù)的設(shè)置具有一定的靈活性，可以針對(duì)不同的系統(tǒng)情況和具體案例進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。調(diào)整權(quán)重時(shí)需要著重考慮兩方面因素：警報(bào)信息之間的時(shí)序關(guān)聯(lián)和保護(hù)裝置實(shí)際狀態(tài)之間的邏輯關(guān)聯(lián)。

4）時(shí)序沖突指標(biāo)的建立

警報(bào)序列中的時(shí)序信息不僅包含警報(bào)之間的關(guān)聯(lián)特性，也隱含警報(bào)之間的時(shí)序沖突。當(dāng)某兩個(gè)保護(hù)設(shè)備動(dòng)作，但它們的警報(bào)之間的時(shí)間差不匹配時(shí)，則有可能存在時(shí)間沖突。時(shí)序沖突指標(biāo)具有下述特征：①識(shí)別警報(bào)信息中的錯(cuò)誤時(shí)標(biāo);②抑制誤警報(bào)信息對(duì)故障診斷結(jié)果的影響;③防止故障設(shè)備的漏診斷。

時(shí)序沖突指標(biāo)的構(gòu)建主要包括兩步:①構(gòu)建時(shí)序沖突集;②解決時(shí)序沖突。如果能夠識(shí)別出某事件警報(bào)的時(shí)標(biāo)錯(cuò)誤，則可解決與該事件相關(guān)的時(shí)序沖突。故障假說的時(shí)序沖突指標(biāo)越小，則該假說為*優(yōu)故障假說的可能性越高。

6.算例分析

采用浙江電力系統(tǒng)2009年9月9日發(fā)生的實(shí)際故障案例對(duì)所提出的故障診斷模型進(jìn)行驗(yàn)證。與該實(shí)際故障案例相關(guān)的電力系統(tǒng)接線圖和警報(bào)信息分別如圖2和表1所示。故障案例表述如下:

1）線路L4335發(fā)生故障。

2）線路L4335兩側(cè)主保護(hù)動(dòng)作，分別發(fā)送跳閘指令，斷路器C11分閘，斷路器C10拒跳。

3）在線路L4335故障發(fā)生后的30ms，線路L4336故障，其兩側(cè)主保護(hù)動(dòng)作，分別跳開斷路器C12和C13。

4）斷路器C10的失靈保護(hù)動(dòng)作，跳開與B1-I相鄰的斷路器C3、C6、C14和C15。

5）斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作引起與B1-I相鄰的線路L4333和L4339的縱聯(lián)保護(hù)跳閘閉鎖停信（即“停止發(fā)信”），進(jìn)而導(dǎo)致L4333和L4339線路對(duì)側(cè)縱聯(lián)保護(hù)動(dòng)作，分別跳開斷路器C2和C7。

6）在線路L4335故障發(fā)生后的340ms，母線B2-I故障，其主保護(hù)動(dòng)作，跳開斷路器C1、C5、C8和C16。

7）母線B2-I主保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致與B2-I相鄰線路L4334和L4340的縱聯(lián)保護(hù)跳閘閉鎖停信，進(jìn)而導(dǎo)致L4334和L4340線路對(duì)側(cè)縱連保護(hù)動(dòng)作，分別跳開斷路器C4和C9。

8）*終形成的停電區(qū)域如圖2中陰影所示。

表1故障實(shí)例警報(bào)信息

圖2浙江電力系統(tǒng)局部網(wǎng)絡(luò)

采用所提出的方法進(jìn)行故障診斷的流程如下:

1）首先確定故障發(fā)生后的停電區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)所有設(shè)備均為可疑故障設(shè)備。

2）識(shí)別相關(guān)的實(shí)際繼電保護(hù)和斷路器。將實(shí)際繼電保護(hù)映射為虛擬繼電保護(hù),在此基礎(chǔ)上確定故障假說的基本形式。

3）對(duì)獲取的警報(bào)進(jìn)行匹配，以判定保護(hù)和斷路器的警報(bào)狀態(tài)和動(dòng)作時(shí)間集合。

4）運(yùn)用相應(yīng)規(guī)則進(jìn)行權(quán)重調(diào)整。

5）確定保護(hù)和斷路器的期望狀態(tài)，進(jìn)而計(jì)算差異度指標(biāo)。

6）構(gòu)建時(shí)序沖突集,對(duì)錯(cuò)誤時(shí)標(biāo)進(jìn)行部分枚舉以解決沖突,并確定時(shí)序沖突指標(biāo)。

7）采用遺傳算法和禁忌搜索混合尋優(yōu)算法求取*優(yōu)故障假說。

8）基于所獲得的*優(yōu)故障假說，對(duì)保護(hù)和斷路器的運(yùn)行行為和收到的警報(bào)信息進(jìn)行評(píng)價(jià)。

*終得到的故障診斷結(jié)果如下：①故障設(shè)備:L4335;L4336；B2-I；②保護(hù)和斷路器動(dòng)作評(píng)價(jià)結(jié)果：C10斷路器拒動(dòng)；③警報(bào)評(píng)價(jià)：警報(bào)“塘嶺變C10斷路器跳閘(160ms)”誤報(bào)；警報(bào)“塘嶺變L4335主保護(hù)動(dòng)作”漏報(bào)。故障診斷結(jié)果與實(shí)際故障情景一致。

7.結(jié)語

為利用警報(bào)信息的冗余和時(shí)序特性,在現(xiàn)有電力系統(tǒng)故障診斷解析模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了新的故障假說模式，更新和增加了故障判據(jù)，發(fā)展了新的解析模型。該模型除了能夠診斷故障設(shè)備和識(shí)別誤動(dòng)或拒動(dòng)的保護(hù)與斷路器之外，還可判斷漏報(bào)、誤報(bào)或時(shí)標(biāo)錯(cuò)誤的警報(bào)。同時(shí)，通過利用冗余和時(shí)序信息，故障診斷模型的容錯(cuò)性和實(shí)用性得到了提升。采用實(shí)際電力系統(tǒng)的故障案例進(jìn)行了大量測(cè)試，仿真結(jié)果表明了所構(gòu)造的故障診斷模型的正確性和有效性。