DQZHAN技術(shù)訊：研究：考慮警報冗余和時序特征的電力系統(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)院文福拴教授團隊的研究成果，該文已被IEEE Transaction on Power Systems錄用并在線發(fā)表，歡迎品讀。

1.警報信號的冗余和時序特性

當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，大量警報信號被上傳至調(diào)度中心，由調(diào)度人員進行分析和處理。當(dāng)多臺設(shè)備故障、保護/斷路器發(fā)生誤動/拒動等復(fù)雜故障情形出現(xiàn)時，警報信息會更多，而且繼電保護裝置在電力系統(tǒng)中的冗余化配置使此情況進一步加劇。全球定位系統(tǒng)為警報信號提供了統(tǒng)一的時標(biāo)信息，在增加系統(tǒng)可觀性的同時，也可能會增加調(diào)度人員處理信息的負擔(dān)。調(diào)度人員要在很短時間內(nèi)處理大量警報信號并充分利用其中有效信息進行分析決策，壓力很大，非常困難。此外，警報的漏報/誤報和時標(biāo)錯誤等不確定性因素會干擾調(diào)度人員的判斷，增加故障診斷的難度。充分利用警報冗余信息和時序信息，可提高故障診斷的準(zhǔn)確性。因此，發(fā)展可利用警報冗余和時序信息的電力系統(tǒng)故障診斷方法，以輔助調(diào)度人員快速診斷故障和誤動/拒動的保護設(shè)備，對維持電力系統(tǒng)**穩(wěn)定運行具有重要意義。

2.虛擬繼電保護和實際繼電保護的映射

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

3.故障診斷模型的基本架構(gòu)

在故障發(fā)生后，警報信息(包括實際繼電保護動作警報和斷路器跳閘警報)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，利用實時拓撲分析模塊識別故障前后的電力系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，確定停電區(qū)域，并獲取相應(yīng)的實際繼電保護、虛擬繼電保護和斷路器集合。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

一個精心設(shè)計的故障假說首先需要能夠清楚表示“觸發(fā)所獲得的警報的事件（故障）或原因”。故障診斷就是要發(fā)現(xiàn)與實際故障情況一致的故障假說。其次，所設(shè)計的故障假說應(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，故障假說應(yīng)保持簡潔，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虛擬繼電保護和斷路器的實際狀態(tài);③警報時標(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)反映了保護設(shè)備的期望狀態(tài)與實際狀態(tài)之間，以及實際狀態(tài)與警報狀態(tài)之間的不一致程度;時序沖突指標(biāo)反映了故障假說中的時序不一致程度;*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。

在警報預(yù)處理和故障診斷階段,可以對各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)進行自適應(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)該對差異度和時序沖突指標(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)可相對較小，以尋求*合理的故障假說。

5.目標(biāo)函數(shù)的計算

1）警報預(yù)處理

警報預(yù)處理的主要功能是將警報狀態(tài)和動作時間集合與相應(yīng)的保護設(shè)備相關(guān)聯(lián)，保存原始警報的時序信息和冗余信息，為下一步的故障診斷做好準(zhǔn)備。時序信息和冗余特性是原始警報信息的兩個重要特性。不過，只有經(jīng)過過濾、處理并轉(zhuǎn)換為特定的知識形式，這些特性才能被方便的利用。經(jīng)過警報預(yù)處理環(huán)節(jié)，冗余的原始警報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）保護設(shè)備動作邏輯

本文對現(xiàn)有的保護設(shè)備動作邏輯進行了提煉和**，以便適應(yīng)不同的保護配置和運行方式。主要包括：①在主保護動作邏輯中考慮了縱聯(lián)保護策略的影響；②將近后備保護和遠后備保護的動作邏輯進行了重新梳理，并整合為通用的后備保護動作邏輯，以便考慮不同保護之間的配合；③重新設(shè)計了斷路器失靈保護的動作邏輯，以便考慮不同的運行方式。

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，可以針對不同的系統(tǒng)情況和具體案例進行適當(dāng)調(diào)整。調(diào)整權(quán)重時需要著重考慮兩方面因素：警報信息之間的時序關(guān)聯(lián)和保護裝置實際狀態(tài)之間的邏輯關(guān)聯(lián)。

4）時序沖突指標(biāo)的建立

警報序列中的時序信息不僅包含警報之間的關(guān)聯(lián)特性，也隱含警報之間的時序沖突。當(dāng)某兩個保護設(shè)備動作，但它們的警報之間的時間差不匹配時，則有可能存在時間沖突。時序沖突指標(biāo)具有下述特征：①識別警報信息中的錯誤時標(biāo);②抑制誤警報信息對故障診斷結(jié)果的影響;③防止故障設(shè)備的漏診斷。

時序沖突指標(biāo)的構(gòu)建主要包括兩步:①構(gòu)建時序沖突集;②解決時序沖突。如果能夠識別出某事件警報的時標(biāo)錯誤，則可解決與該事件相關(guān)的時序沖突。故障假說的時序沖突指標(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)生的實際故障案例對所提出的故障診斷模型進行驗證。與該實際故障案例相關(guān)的電力系統(tǒng)接線圖和警報信息分別如圖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)主保護動作，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)主保護動作，分別跳開斷路器C12和C13。

4）斷路器C10的失靈保護動作，跳開與B1-I相鄰的斷路器C3、C6、C14和C15。

5）斷路器失靈保護動作引起與B1-I相鄰的線路L4333和L4339的縱聯(lián)保護跳閘閉鎖停信（即“停止發(fā)信”），進而導(dǎo)致L4333和L4339線路對側(cè)縱聯(lián)保護動作，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，其主保護動作，跳開斷路器C1、C5、C8和C16。

7）母線B2-I主保護動作導(dǎo)致與B2-I相鄰線路L4334和L4340的縱聯(lián)保護跳閘閉鎖停信，進而導(dǎo)致L4334和L4340線路對側(cè)縱連保護動作，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故障實例警報信息

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

3）對獲取的警報進行匹配，以判定保護和斷路器的警報狀態(tài)和動作時間集合。

4）運用相應(yīng)規(guī)則進行權(quán)重調(diào)整。

5）確定保護和斷路器的期望狀態(tài)，進而計算差異度指標(biāo)。

6）構(gòu)建時序沖突集,對錯誤時標(biāo)進行部分枚舉以解決沖突,并確定時序沖突指標(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，對保護和斷路器的運行行為和收到的警報信息進行評價。

*終得到的故障診斷結(jié)果如下：①故障設(shè)備:L4335;L4336；B2-I；②保護和斷路器動作評價結(jié)果：C10斷路器拒動；③警報評價：警報“塘嶺變C10斷路器跳閘(160ms)”誤報；警報“塘嶺變L4335主保護動作”漏報。故障診斷結(jié)果與實際故障情景一致。

7.結(jié)語

為利用警報信息的冗余和時序特性,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)備和識別誤動或拒動的保護與斷路器之外，還可判斷漏報、誤報或時標(biāo)錯誤的警報。同時，通過利用冗余和時序信息，故障診斷模型的容錯性和實用性得到了提升。采用實際電力系統(tǒng)的故障案例進行了大量測試，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。