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1、收稿日期:1999O12O12电网故障诊断专家系统的一种实现赵冬梅,郭 锐,徐开理,高 曙(华北电力大学,北京102206)摘要:在电力系统发生故障时,能量管理系统(EMS)和远程监控和数据采集(SCADA)系统产生大量未经处理的报警信息,对调度员工作压力过大,易发生误判。为解决这个问题,介绍了基于开关跳闸信息的故障判断专家系统的实现方法,开发了相应的故障诊断专家系统。该方法简单易行、搜索速度快。最后提出了进一步利用保护动作信息进行分层诊断的思想。关键词:电力系统;故障诊断;专家系统;C+编程中图分类号:TM 711;TP 182 文献标识码:B 文章编号:1006O6047(2000)04O
2、0033O041 电网故障诊断及其模型现代电力系统日趋大型化和复杂化,一旦系统发生事故,如何尽快判断故障,为故障解列和恢复供电提供依据,以减少停电损失,成为预防电力系统事故以及辅助系统调度员提高故障处理速度的重要课题。近几年来,各级电网调度中心普遍配备了能量管理系统(EMS)和远程监控及数据采集(SCADA)系统,并配备许多控制软件,主要用于正常状态下电力系统监视和控制。在故障状态下,调度自动化系统仅是单纯的数据采集系统,将大量报警信息不加选择地提供给调度员,而在此情况下要求调度员迅速、正确地判断故障是非常困难的。如何拓展现有调度自动化系统的功能,为调度员提供恢复供电的决策依据,具有重要意义和
3、实用价值。近几年来,电力系统研究工作者提出了各种电网故障诊断模型。例如:根据潮流的变化诊断故障;通过保护动作信息判断故障元件;通过建立故障模式库,把故障情况与库中的模型相匹配,确定故障类型;通过开关跳闸信息,搜索出停电区域等。故障诊断程序务求快速准确。用潮流值的变化虽可判断故障,但由于潮流值信息量大,对其处理要耗费大量时间,会影响诊断速度;另外,由于正常运行时某些潮流值接近于0(如轻载线路等),所以很难用潮流变化判断故障,影响了诊断精度。用保护信息诊断故障,程序设计简单,且具有较高的准确性,然而信息量大,信号收集困难,比较适合自动化水平较高的地区。同时,详细确定保护范围时要求复杂的计算,很难达
4、到实时的要求。采用匹配法将故障跳闸分成多种模式,与事先给定的模式库进行比较,从而确定故障。此方法对于模式库的“库存”故障,可快速给出诊断结果,但对于接线特殊、运行方式特殊的电网,往往由于没有匹配模式而无法得出正确结果。另外,此方法也无法抵御像开关动作漏报那样的干扰。电力系统的所有永久性故障,最终都将由开关跳闸从正常系统隔离出来。开关报警信息(遥信量)的信息量最小,在故障情况下能最先到达调度端,可满足故障诊断实时性的要求。在开关动作信息准确的情况下,能唯一确定一个故障区域;即使存在少量开关的漏报、误报,也可以大致确定停电区域和可能的漏报和误报的开关。本文介绍基于跳闸开关信息判断故障区域的模型,建
5、立故障诊断专家系统的实现方法。2 电网结构的知识表示及其实现电力系统是由开关设备将各种设备连接起来而组成的整体。整个电力系统都可以用图1所示的拓扑图表示,图中所示设备节点指母线、线路、变压器、发电机等,支路为开关,它的开断状态由其代表的开关状态而定。现建立如下两个框架结构:框架1设备名称 X X设备类型 X X设备代号 X X设备状态 X X设备可靠性 X X设备粗略故障概率X X设备精确故障概率X X框架2开关名称 X X开关代号 X X开关状态 X X开关方向 X X开关可靠性 X X与之相连的设备1X X与之相连的设备2X X第20卷第4期2000年8月 电力自动化设备Electric
6、Power Automation Equipment Vol.20 No.4Aug.2000 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.设备设备设备设备开关开关开关设备开关图1 电网的拓扑结构用C+语言具体实现如下:框架1typedef struct2vexnodearcnodelist3 firstarc;type vexdataCString code;char type;int status;0为无故障,1为有故障CString descriptor;备用,存储相应设备的描述float rfp
7、;粗略故障概率 vexnode框架2typedef struct2switchs CString code;int status;0为合闸状态,1为跳闸状态,都为遥测量int direction;1为单向,2为双向,0为未知CString descriptor;备用,存储开关的相应描述int device1int device2switchs程序中用了两个数据结构,实现了描述开关和设备的两个框架结构。在编程过程中,把电网看为一个有向图,其中以设备为顶点(vertex,本文简写为vex),开关为弧(arc),通过邻接表(adjacency list)建立起一种链式存储结构,如图2所示。其中第一部
8、分为头结点,存储设备编号、状态等信息;以后的部分为表结点,分别存储相邻设备、相邻开关和指向另一相邻设备的指针。这个邻接表实现了以设备为结点、以开关为弧的图的框架表示,清楚地显示了设备与设备之间的连接关系,以及它们之间是通过哪些开关连接的。图2 电网模型图的邻接表由于在故障诊断过程中要提取跳闸开关的两端设备,而邻接表并不能很好地显示这一点,为了解决这个问题,又以开关为顶点、设备为弧建立了框架2。这样,通过框架1和框架2就完全实现了该专家系统的知识表示。3 推理机的设计推理机利用电网结构知识和接收到的开关报警信息进行故障元件或停电区域的判断。故障诊断程序应能处理尽量复杂的各种故障,但这使程序变得复
9、杂,运行速度变慢。然而,系统出现最多的往往是简单的故障,对这些故障没有必要启动复杂的诊断程序。为了提高整体运行效率,对实际系统故障分成以下两种情况:a.简单故障,指单个元件的故障,没有开关误报警和漏报警;b.复杂故障,指存在保护越级动作的故障,可以有误报警和漏报警。另外,单向馈电线路故障可能只有一个开关跳闸切除故障,为了处理方便,也把它列为复杂故障。311 深度优先的网络搜索策略本文通过用带有启发信息的深度优先搜索(depth2first search)来判断故障区域。假设初始状态是图中所有顶点未曾被访问,则深度优先搜索可以从图2中某个顶点出发,访问此顶点,然后依次从该顶点的未被访问的邻接点出
10、发深度优先地访问全图,直至图中所有与该顶点有路径相通的顶点都被访问到;若此时图中尚有顶点未被访问,则另选图中一个未曾被访问的顶点作起始点,重复上述过程,直到图中所有顶点都被访问到为止。用设备i粗略故障率Fsi=M/N作为深度优先搜索的启发信息,其中,M为与设备i所连的跳闸开关数,N为与设备i所连的开关总数。当与设备i所连的开关全部跳闸时,Fsi=110,这时故障设备就是设备i,判断为简单故障;当FsiFsb时,说明设备a侧更可能为故障侧,搜索就从该方向展开,即搜索沿着粗略故障率大的方向展开;当Fsa=Fsb时,则可以从任意方向搜索,这种情况一般比较少见。312 网络搜索中开关的方向性判断网络中
11、开关的方向性极为重要,这将直接43 电力自动化设备 2000年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.决定能否分清哪些开关为漏报开关,哪些开关为正常不动作开关。如单侧电源供电线路,当负荷线路发生故障时,只要电源侧开关跳闸,就可以完全隔离故障区域。具体标记开关“方向性”的方法如下:a.设置所有开关的临时方向“无向”。b.从电源开始搜索,按照深度优先原则进行,标记搜索中所遇到的开关临时方向为搜索方向,记录已搜索设备。c.若在搜索中第二次遇到某设备,说明网络中某些设备首尾相连形成了环形,将环中各设备间
12、连接开关临时方向标记为“双向”。d.若搜索中遇到某开关已被标记为“双向”,说明设备形成环形并已完成搜索。停止该方向搜索。e.每完成一次搜索,综合前次结果用临时方向修正开关方向。f.对每一电源都进行一次搜索。313 故障区域的诊断当电网发生复杂故障时,设备粗略故障率已经不能判断出故障区域,更不能判断出误报或漏报的开关。这时需要引入设备i的精确故障概率Fpi作为区域的故障率的取值判断条件,来确定故障区域和误报、漏报的开关,Fpi=1N6Nn=1TiK,n(1)式中 TiK为设备i所连的开关K的跳闸率;式中的求和就是对设备所连的所有开关的跳闸率求和;N为设备i所连开关的总数。TiK计算如下:a.若开
13、关K在跳闸位置,TiK=110。b.若开关K在合闸位置,继续向下扩展,扩展节点位于设备i通过开关K所连的下一设备j,把设备j称为设备i的下一级设备,设备j所连的除K外的其他开关,都称为开关K的截止开关。则TiK=1NZ6NZn=1TiK,n(2)式中 NZ为开关K的截止开关总数;式中的求和是对开关K的所有截止开关的跳闸率求和。若设备j为变压器或线路,搜索深度H+1。依此规则继续搜索,到H 2时若还有在合闸状态的截止开关,将该开关跳闸率记为0,并向前逐级归算。若TiK 0.5,则认为该开关为候选丢失报警开关,同时设置开关K的跳闸率TiK=0。再把TiK值代入式(1),计算出设备的精确故障率Fpi
14、,令Fpi等于区域故障率PZ,若PZPZ016,说明已形成故障区域,但可能存在漏报的开关。这时按最大故障区原则确定漏报开关,并给出相应漏报开关的输出作为调度运行人员的参考信息;当PZ=1,说明跳闸开关形成了封闭的故障区域,不存在误报、漏报开关(即使有也不予考虑),输出结果为停电故障区域。对以上论述说明如下:a.在深度优先搜索过程中之所以限制搜索深度H2,是由于考虑到实际系统发生故障时,保护动作越级一般不超过两级。搜索起点H=0,当搜索中遇到线路、变压器时H+1。b.跳闸率取015作为确定判别丢失报警的边界条件,是因为这点是节点判断的“最不确定点”,其处理原则近似于“四舍五入”原则:015时,考
15、虑其作用;否则忽略其作用。c.当搜索中遇到了单侧电源开关,且电源指向负荷的方向和搜索方向一致时,搜索深度不受H2的限制。因为在搜索方向上已经没有电源,因此搜索中可能也不再有跳闸开关,但如果故障真的存在,该开关以后的所有设备肯定是停电设备。这时,取消搜索深度限制,将所遇单侧电源开关后的所有设备包含在搜索区中。4 进一步诊断的考虑鉴于利用保护动作信息进一步诊断故障元件的可能性,可采用分层分布式诊断系统的思想,也就是根据各个变电所内能收集到的保护动作信息,利用变电所内的计算机进行就地报警信息处理,初步诊断出可能的故障元件或故障范围,以及保护报警信息的正确性。同时,调度中心的计算机在收到开关变位的报警
16、信息后,利用开关信息进行故障元件的初步诊断。对于简单故障,可立即诊断出故障设备;对于那些不能精确诊断的复杂故障,可以通过电网中各个厂站内的计算机远程网络,对调度端与各个厂站初步诊断结果信息进行交换或对话,最终确定故障元件以及保护和开关的误动、拒动的诊断,为进一步分析故障和故障恢复提供依据。5 结论本文比较成功地将专家系统技术应用到电网故障诊断中,已完成基于开关跳闸的故障区域诊断软件的开发。该故障诊断系统具有以下特点:53第4期 赵冬梅,等:电网故障诊断专家系统的一种实现 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights re
17、served.a.准确性,保证诊断程序正确;b.实时性,保证程序快速反应,得出结论;c.可读性,诊断结果透明,对程序详加注释;d.稳定性,程序运行良好,无死机或死循环现象;e.灵活性,由于程序用Visual C+编写,故模块性较强,易于增删。参考文献:1 杨以涵,唐国庆,高曙.专家系统在电力系统中的应用M.北京:水利电力出版社,199512 严蔚敏,吴伟明.数据结构M.北京:清华大学出版社,19921(责任编辑:王洪生)作者简介:赵冬梅(1965O),女,副教授,主要从事人工智能理论在电力系统中的应用研究;郭 瑞(1977O),男,助理工程师,主要从事电网故障诊断的研究;徐开理(1974O),
18、男,讲师,从事电网故障诊断的研究;高 曙(1938O),女,教授,主要从事人工智能理论在电力系统中的应用研究。An Implementation Method for Power System Fault Diagnosis Expert SystemZHAO Dong2mei,G UO Rui,XU Kai2li,G AO Shu(North China Electric Power University,Beijing 102206,China)Abstract:During a power system fault,a great deal of unprocessed alarm me
19、ssages is generated by EMS orSCADA system.It is too difficult for the operator to cope with and it may cause misjudgment.An implementa2tion method of fault diagnosis expert system by alarm messages relative to state change of circuit breakers ispresented.The expert system has been developed.A concep
20、t of hierarchic fault diagnosis by protection mes2sages is put forward.Keywords:power system;fault diagnosis;expert system;C+programming(上接第32页)良好的人机界面。可以实现电网绘图、推理机和知识库功能。既可为电力系统操作人员开列操作票用,也可作为培训新手的工具。参考文献:1 陈珍珍,陶向红,张学成,等.Windows NT与Windows 95版电力系统潮流图软件的研制J.电网技术,1997,21(10):66-6812 尤钟晓,卢章辉,岑文辉.面向对象的
21、电力系统调度操作专家系统J.电力自动化设备,1999,19(1):28-311(责任编辑:于 玲)作者简介:许巧燕(1966O),女,工程师,研究方向为人工智能在电力系统中的应用;尤钟晓(1965O),男,高工,研究方向为人工智能在电力系统中的应用。A Novel Intelligent Dispatch Operation Sheet SystemXU Qiao2yan,Y OU Zhong2xiao(Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)Abstract:A novel method for realizing the int
22、elligent dispatch operation sheet system is proposed.The modulefunctions and implementation methods in this system are presented.By using the inference method of hierarchyand relativity,the deduction process becomes simple and reliable.Because the objective status change istraced in the system,the d
23、ispatch operation sheet system simulates the manual operation process better.Com2bining with the expert experience,the system is highly intelligent.The object2oriented technique and opendatabase connectivity(ODBC)technique are applied in the system.Keywords:expert system;operation sheet;object2oriented63 电力自动化设备 2000年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.