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1、利用保护和断路器信息的电力系统故障 诊断与不可观测的保护的状态识别的 模型与Tabu 搜索方法A Tabu Search Based Approach to Fault Section Estimation and State Identification of Unobserved Protective Relays in Power Systems UsingInformation from Protective Relays and Circuit Breakers文福拴 钱源平 韩祯祥 田 磊 史觉纬 张怀宇(浙江大学)Wen Fushuan Qian Yuanping Han Zhe
2、nxiang Tian Lei Shi Juewei Zhang Huaiyu(Zhejiang University)摘 要根据元件故障与保护动作和断路器跳闸之间的逻辑关系, 首先构造了电力系统故障诊断与不可观测的保护的状态识别 (FSE- SIUPR) 的一种新的 0- 1 整数规划模型。该模型充分利用了断路器信息, 在一些保护信息不完整的情况下也能正常工作。之后, 提出了用Tabu搜索 (T S) 方法来求解这一问题。TS 方法是近年来出现的用于求解组合优化问题的高效的启发式搜索技术。算例计算表明, 所发展的FSE-SIUPR的数学模型是正确的, 采用的基于TS的方法相当有效。叙词: 电
3、力系统 故障诊断 状态识别AbstractA T abu search(TS)approach is presented for fault section estimation and state identificationof those protective relays whose state information is not available in electrical power dispatchingcenters(hereafter we call these protective relays as unobserved protective relays).T he
4、 proposedfault section estimation method utilizes incomplete operational information of protective relays andtripping information of circuit breakers.At first,based upon the logic relationship among sectionfault, protective relay operation and circuit breaker trip, a 0-1 integer programming model fo
5、r thefault section estmation and the state identification of unobserved protective relays (FSE- SIUPR) isdeveloped. In this model, the problem of the fault section estimation undel incomplete informationfrom protective relays is dealt with in a formal and systematic manner. Second, the TS method isu
6、sed to solve this0-1programming model in order to find the optimal solution efficiently.Extensivetest results of a sample powersystem have demonstrated the correctness ofthe developedmathematical model,and the国家自然科学基金青年基金和浙江省中青年科技人才培养专项资金资助课题。1997-01-14 收到初稿, 1998-04-28 收到修改稿。文福拴 男, 1965 年生, 1991 年在
7、浙江大学获博士学位, 现任浙江大学电机系教授, 曾获得 1997 年度国家自然科学奖和1997 年度浙江省英才奖一等奖。钱源平 男, 1939 年生, 浙江大学毕业, 现任浙江大学电机系副教授, 曾两次获得浙江省科技进步奖。第 13 卷第 5 期电 工 技 术 学 报1998 年 10 月efficiency of the TS-based method.Key words: Power system Fault section estimationState identification of unobserved protective relays Tabu search1 引言电力系统的
8、故障诊断就是利用保护和断路器的动作信息识别发生故障的元件和误动作的保护与断路器, 其中故障元件的识别是关键问题。 迄今已提出了多种故障元件的识别方法, 从总体上可分为四大类, 即逻辑处理方法1, 专家系统方法2,3, 人工神经元网络方法 4和基于优化技术的方法58。其中,专家系统方法和基于优化技术的方法有较好的应用前景。 专家系统方法在近十多年来发展很快, 在电力系统故障诊断中也已取得了很大的发展。但专家系统的维护比较困难, 推理速度也不够快, 难以满足大规模电力系统在线应用的需要, 目前主要应用于离线故障分析。最近提出的基于优化技术的方法有比较严密的数学基础, 且用常规算法可以有效地实现。这
9、种方法的基本思想是首先将电力系统故障诊断描述为优化问题, 之后用优化方法求解。文献 6, 7发展了利用保护动作信息的故障诊断的数学模型,文献 8 构造了利用断路器跳闸的分段时序信息的故障诊断的数学模型。 在文献 58 的工作基础上,本文提出了利用发生故障时的警报信息 (即保护动作和断路器跳闸信息) 对不可观察的保护( 即动作信息在电力系统调度中心中不可获取的保护) 状态进行识别的新概念, 并构造了故障诊断与不可观察的保护的状态识别 (FSE- SIUPR) 的集成的数学模型,这是一个无约束 0-1整数规划问题。本文采用了近年来出现的一种用于求解组合优化问题的高效的启发式搜索技术, 即 Tabu
10、 搜索 ( TS) 方法911来求解这一问题。此外, 还利用了文献 8 提出的识别故障平息后的停电 (故障) 区域的方法。由于故障元件肯定在这些停电区域内, 这样故障诊断可局限于这些小的区域之中, 诊断速度可大大提高。2 数学模型为便于解释, 先定义几个符号n 系统中元件的数目nr 保护总数目nor 可观测的保护的数目nur 不可观测的保护的数目nc 断路器总数目S一个n 维矢量, 表示系统中元件的状态。S 中的第i个元素si表示第i个元件的状态,si= 0或1分别表示第 i 个元件的正常或故障状态。R+一个 nor维矢量, 表示 nor个可观测的保护的实际的状态。R+中的第 k 个元素 rk
11、+表示第 k 个可观测的保护的实际状态, rk+=0 或 1 分别表示第k 个可观测的保护的未动作或动作状态。R0一个 nur维矢量, 表示 nur个不可观测的保护的状态。R0中的第 k 个元素 rk0表示第k个不可观测的保护的状态, rk0=0或 1 分别表示第 k 个不可观测的保护的未动作或动作状态。R一个 nr维矢量, 表示 nr个保护的实际状态。R中的第 k 个元素 rk表示第 k 个保护的实际状态,rk= 0或 1 分别表示第k个保护的未动作或动作状态。R 由 R+和 R0组成, R=(R+, R0) , R 中的前nor个元素表示可观测的保护的实际状态, 后 nur个元素表示不可观
12、测的保护的状态。R*(S,R) 一个 nr维矢量, 表示nr个保护的期望的状态。 R*(S, R) 中的第 k 个元素 rk*(S, R) 表示第 k 个保护的期望的状态。如果第 k 个保护应该动作, rk*(S,R) = 1, 否则 rk*(S,R) = 0。R*(S,R) 由S和R的状态决定。C一个 nc维矢量, 表示 nc个断路器的实际状态。 C 中的第 j 个元素 cj表示第 j 个断路器的实际状态, cj= 0或 1分别表示第j 个断路器的未跳闸或跳闸状态。C*(S, R) 一个nc维矢量, 表示 nc个断路器的期望的状态。C*(S, R)中的第 j 个元素 cj*( S, R)表示
13、第j 个断路器的期望的状态。 如果第j 个断路器应该跳闸,cj*(S,R)= 1, 否则cj*(S,R) = 0。C*(S,R)由S和 R 的状态决定。下面用图 1 所示的简单例子来说明如何根据保护动作原理来确定 rk*(S,R) 和 cj*(S,R) 。图 1 所示系统中共有 5个元件, 即 A、 B、 C、L1和 L2 ( 依次用 s1 s5表示), 6个断路器CB1CB6(依次用 c1c6表示) , 15 个保护 (即 Am、 Bm、 Cm、2电 工 技 术 学 报1998年 10 月图 1 简单例子L1Am、L1Bm、 L2Bm、 L2Cm、L1Ap、 L1Bp、L2Bp、L2Cp、L
14、1As、L1Bs、L2Bs 和 L2Cs, 依次用 r1 r15表示) 。这里, A、B、C 表示母线, L 表示线路, m表示主保护, P 表示第一后备保护, s 表示第二后备保护。主保护和后备保护的动作原理分列于表 1 和表 2。表 1 主保护动作原理保护名动作原理AmA 发生故障时, Am 动作跳开 CB1 和 CB2BmB发生故障时,Bm动作跳开CB3 和CB4CmC 发生故障时, Cm 动作跳开CB5 和 CB6L1AmL1 发生故障时,L1Am动作跳开CB2L 1BmL 1 发生故障时, L1Bm 动作跳开 CB3L2BmL2 发生故障时,L2Bm动作跳开CB4L2CmL 2 发生
15、故障时, L2Cm 动作跳开CB5表 2 后备保护动作原理保护名动作原理L1Ap L1 故障, L1Am 未动作时, L1Ap 动作跳开 CB2L 1Bp L1 故障, L1Bm 未动作时, L1Bp 动作跳开 CB3L 2Bp L2 故障, L2Bm 未动作时, L2Bp 动作跳开 CB4L2Cp L2 故障, L2Cm 未动作时, L2Cp 动作跳开 CB5L1As B 故障, CB3 未跳开时或 L2 故障, CB3 和 CB4未跳开时,L1As动作跳CB2L1Bs A 故障, CB2 未动作时, L 1Bs 动作跳开 CB3L2Bs C故障,CB5 未动作时,L2Bs动作跳开CB4L2
16、Cs B 故障, CB4 未跳开时或 L1 故障, CB3 和 CB4未跳开时,L2Cs动作跳CB5根据主保护的动作原理, 其期望的状态不难确定。例如, 根据Am( 即 r1) 的动作原理,A(即 s1) 发生故障时, 其应动作r1*(S, R) = s1 ( 1)类似地, 可得到r2*(S, R) = s2 ( 2)r3*(S, R) = s3 ( 3)r4*(S,R) = s4 ( 4)r5*(S, R) = s4 ( 5)r6*(S,R) = s5 ( 6)r7*(S, R) = s5 (7)确定后备保护的期望状态比确定主保护的期望状态要复杂些。例如, 根据 L1Ap ( 即 r8) 的动作原理, 当L1 ( 即s4) 故障,L1Am( 即 r4) 未动作时,L1Ap 应该动作r8*( S, R) = s4(1 - r4)(8)类似地, 可得到r9*( S, R) = s4(1 - r5)(
