基于正反向推理的电力系统故障诊断

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1、基于正反向推理的电力系统故障诊断张学军 刘小冰 阎彩萍 (太原电力高等专科学校 030013 太原) 陈佩琳 王锡田 (山西电力调度局 030010 太原)摘 要 介绍了一种基于正反向推理的电力系统故障诊断方法。该方法首先根据跳闸断路器提出 故障假说,然后根据断路器和继电保护的动作信息逐一检验假说的正确性,最后给出故障设备或故 障范围。该方法可以诊断输电线路、 母线、 变压器和发电机设备的故障及继电保护和断路器的非正 确动作。文中详细介绍了采用的推理规则及在复杂情况下计算故障可信度的方法。对山西电网实 际故障事例的测试结果表明,该方法是有效的。关键词 专家系统 故障诊断 电力系统1997- 0

2、5- 11收稿, 1997- 10- 17改回。0 引言目前,电力系统故障诊断的主要方法有:专家系 统法1, 2、 人工神经网络与专家系统相结合的方法3 和基于优化技术的方法4。人工神经网络与专家系 统相结合的方法,其诊断故障的性能取决于训练样 本的完备性。由于收集大型电力系统完整的故障样 本极其困难,所以不能保证诊断的正确性。 基于优化 技术的方法,速度较慢,不能满足实时要求,且目标 函数的建立也有待进一步探讨。 专家系统是被广泛采用的一种故障诊断方法。 但现有的电力系统故障诊断专家系统需事先建立设 备故障模型,且只能进行由跳闸断路器到故障设备 的正向推理,得到的可能故障设备的数目较多,不利

3、 于快速确认故障设备。 本文采用基于规则的正反向混合推理方法,根 据断路器和继电保护与被保护设备之间的逻辑关系 建立推理规则,保证了推理的正确性。通过反向推 理,有效地缩小了可能故障范围;以动作的断路器或 继电保护与故障假说的符合程度计算可信度,更适 合电网故障后继电保护动作的实际行为。1 电网结构的表示在进入故障推理之前,即推理系统处于睡眠状 态时,系统读取电网结构数据库和断路器、 隔离开关 位置状态数据库,将电网表示为由节点和支路构成 的结构图。节点为母线、 变压器、 线路和发电机等电 气设备,支路为断路器。 这使得断路器与设备的关系 一目了然,可以进行快速的图上推理。2 推理过程及规则当

4、有故障发生使断路器跳闸时,推理系统由睡 眠状态激活。推理工作过程概述如下。 (1)由跳闸断路器根据断路器的三段保护范围 进行正向推理,求出初步故障设备集F1。 (2)对F1中的每一设备,设为假说故障,依据 继电保护的动作原则和实际跳闸的断路器,进行反 向推理,求取假说故障的切除模式。 如能得到这样的 模式,则故障假说成立,设备存入可能故障设备集F2;否则,该设备故障假说不成立,将其剔除。F2是 对F1的压缩,大大减少了可能故障设备的数目。 (3)如果F2中只有一个设备,则该设备就是故 障设备,推理结束;否则转(4)。 (4)对F2中的设备按跳闸断路器计算故障可 信度,按可信度从大到小的顺序在屏

5、幕上显示。 (5)按故障可信度从大到小的顺序逐个提问保 护动作信息。 如果保护动作与设备的切除模式匹配, 将其存入故障设备集F3;否则,该设备故障是不可 能的,将其剔除。F3是对F2的压缩,又一次减少了故 障设备的数目。 (6)如果F3中只有一个设备,则该设备就是故 障设备,推理结束;否则转(7)。 (7)对F3中的设备按保护动作信息重新计算 可信度,重新按可信度大小顺序显示可能故障设备。 211 正向推理规则 断路器(除误动外)总是反应于保护范围内设备 故障而动作跳闸的。 所以,跳闸断路器与故障设备之 间有内在的联系。根据断路器的保护范围进行正向 推理建立初步故障设备集F1的规则如下: 规则

6、1:跳闸断路器(三段)保护范围内的设备 属初步故障设备集。031998年5月 电 力 系 统 自 动 化 A utomation of Electric Power System s 第22卷 第5期在高压系统中,通常装有断路器失灵保护。 但失 灵保护的动作方式与一般的方向式保护不同,因此 有专门规则搜寻由断路器失灵保护切除的故障设 备。 规则2:与跳闸断路器同厂站、 同电压,带断路 器失灵保护的未跳闸断路器,与其相连的设备属初 步故障设备集。如图1所示, 202跳闸, 209是与202 同厂、 同电压,带失灵保护的未跳闸断路器,则与 209相连的L2属初步故障设备集。 即故障可能发生 在L2

7、上, 209拒动,其失灵保护动作使202跳闸。图1故障区域Fig . 1Faulty area东222变电站46号B5号B4号B2号B102202204205206北南209208L5L4L3L2L1268288235变电站3变电站2 267变电站1在合位的断路器跳闸断路器由于断路器的保护范围内包含的设备较多,按 规则1、 规则2建立的初步故障设备集F1中包含大 量的非故障设备。 但搜索范围大,可达到不遗漏故障 设备的目的,同时通过反向推理也可大大压缩F1。 212 反向推理规则 有故障的设备,总会有断路器跳闸将其与带电 部分隔离。 所以初步故障设备集中,只有那些由跳闸 断路器将其与带电部分隔

8、离的设备,才可能是故障 设备。 根据这一思想,对F1中的每一设备,设为假说 故障,通过下面的规则,进行反向推理。 剔除F1中的 非故障设备,形成可能故障设备集F2。 规则3:如果设备的主保护断路器全部跳闸,则 设备属可能故障设备集。 规则4:如果设备的主保护断路器的一部分或 全部未跳闸,但与未跳闸主保护断路器相应的第一 后备断路器全部跳闸,则设备属可能故障设备集。 如 图1所示,L1的主保护断路器208未跳闸,相应的第一后备断路器222, 235, 288, 267全部跳闸,则L1 属可能故障设备集。 规则5:如果第一后备保护断路器的一部分或 全部未跳闸,但与未跳闸的第一后备断路器相应的 第二

9、后备断路器跳闸,则设备属可能故障设备集。 如 图2所示,L的主保护断路器B1、 第一后备断路器B2都未跳闸,第二后备断路器B3、B4跳闸,则L属 可能故障设备集。图2规则5示意图 Fig . 2Example of rule 5ELB1B2B3B4在使用规则3, 4, 5时,求取假说故障设备的主 保护断路器、 第一后备断路器或第二后备断路器的 规则如下: 规则6:如果断路器B1与假说故障设备直接关 联,则B1为主保护断路器。 规则7:如果主保护断路器B1未跳闸,B2是与B1属不同厂站或虽属相同厂站但属不同电压等级 的断路器。B2经非假说故障设备E与B1所在的电压 相连,且B2至少有一条经过E到

10、假说故障设备的通 路,则B2为第一后备断路器(参见图2)。 规则8:如果第一后备断路器B2未跳闸,则规 则7中E的第一后备就是假说故障设备的第二后 备断路器。 在使用规则3, 4, 5进行反向推理的同时,逐步 形成了设备故障的切除模式,这种模式记录了假说 故障设备动作和拒动的主保护、 第一后备保护和第 二后备保护断路器。 保存此模式,以便需要时有针对 性地提问保护动作信息。 213 按跳闸断路器计算故障可信度 当可能故障设备集中设备数为1时,则故障即 可确认;否则就需提问保护动作信息。 为了尽快确认 故障设备,须将可能故障设备按故障可信度从大到 小排序。考虑到大多数跳闸断路器是为切除故障而 动

11、作的,可信度可简单地用下式计算:CFdi=Ni N(1)式中 CFdi为可能故障设备集中第i个设备故障的 可信度;Ni为切除第i个设备的故障而跳闸 的断路器数;N为跳闸的断路器总数。 为切除设备故障而跳闸的断路器数可由设备的 切除模式计算。 这种可信度计算方法不但非常简单,13学术论文与应用研究 张学军等 基于正反向推理的电力系统故障诊断而且信任度高。即使在故障设备的主保护断路器全 部拒动、 故障由后备断路器切除的情况下,也能将实 际故障设备排在前面。这就克服了由于保护或断路 器拒动而使实际故障设备可信度减小的弊端。 214 提问保护动作信息,进行再次反向推理 由于我国电力调度中心一般不能实时

12、得到继电 保护动作信息,所以采用人机对话形式,对可能故障 设备集F2中的设备按可信度大小顺序逐一提问。 问题1:设备的主保护(100%保护)是否动作? 规则9:如果对问题1的回答是肯定的,继续下 一可能故障设备的提问。 规则10:如果对问题1的回答为否定,则找出 通过断路器与设备相连的变压器,逐个提问问题2。 问题2:变压器后备保护是否动作? 将问题2的回答记录下来,作为计算可信度的 依据。 提问结束后,对线路,在故障切除模式中,找出 主保护断路器,逐个提问问题3;对其它设备,找出 第一后备断路器,逐个提问问题4。 问题3:断路器所装继电保护装置(1:一段动 作, 2:二段动作; 0:未动作)

13、是否动作? 规则11:如果所有断路器问题3的回答是1或 2,继续下一可能故障设备的提问。 规则12:如果至少有一个跳闸断路器问题3的 回答是0,则设备不属故障设备。 规则13:如果未跳闸断路器问题3的回答是0, 则在故障切除模式中,找出该断路器拒动时的第一 后备断路器,逐个提问问题4。 问题4:断路器所装继电保护装置(2:二段动 作, 3:三段动作, 0:未动作)是否动作? 规则14:如果所有断路器问题4的回答是2或 3,则继续对其余未经提问的主保护断路器提问问题3(仅对线路)。 规则15:如果至少有一个跳闸断路器问题4的 回答是0,则设备不属故障设备。 规则16:如果对未跳闸断路器问题4的回

14、答是 0,则在故障切除模式中,找出该断路器拒动时的第 二后备断路器,逐个提问问题5。 问题5:断路器所装继电保护装置(2:二段动 作, 3:三段动作, 0:未动作)是否动作? 规则17:如果所有断路器问题5的回答是2或 3,则继续对其余未经提问的第一后备断路器提问问 题4。 规则18:如果至少有一个跳闸断路器问题5的 回答是0,则设备不属故障设备。 规则19:如果在问题15的提问过程中,未能 否定设备的故障,则该设备属故障设备集F3。215 按继电保护动作情况计算可信度 如果经提问保护信息得到的F3中只包含一个 设备,则该设备就是故障设备;否则,按下述方法计 算可信度。 如果设备的主保护动作,

15、则:CFri= 110。否则:CFri=Cri Nr(2)式中 CFri为故障设备集中第i个设备故障的可信 度;Cri为动作保护对第i个设备故障的支持 度总和;Nr为动作保护总数。 支持度可理解为动作保护对设备故障的赞成程 度,依据经验按下列规则进行计算: (1)变压器的后备保护动作,则支持度为015; (2)动作保护为对设备起后备保护作用的变压 器后备保护,则支持度为015; (3)动作保护是装于主保护断路器的继电保护 装置的一段,则支持度为1,二段则为015; (4)动作保护是装于第一后备断路器的继电保 护装置的二段,则支持度为1,三段则为015; (5)动作保护是装于第二后备断路器的继电

16、保 护装置的三段,则支持度为1,二段则为015。3 测试实例运用TURBO2PROLOG逻辑程序设计语言实 现了上述推理过程,并用山西电网近年来发生的故 障进行了测试。表1给出某电厂(见图1)母线失电 事故的诊断结果。表1 母线失电事故的诊断结果 Table 1 D iagnostic results of bus fault故障设备按动作断路器 计算的可信度按动作保护 计算的可信度220南017 0178 220东0160178 220北0160178 L10150172 L20150172 L30150172 L40150172 L50150172 2号主变012015实际情况为, 220 kV北母单相接地,母线保护 拒动。对侧二段保护动作切除故障。电厂102, 202, 204, 205, 206由主变后备保护动作跳闸。诊断结果 是合理的。4 结语本文介绍的电网故障诊断方法,采用正反向推 (下转第55页)23(2)综合自动化系统对网络及装置的运行可靠 性要求较高,尤其对分散安装的单元,网络通信的抗 干扰性能要求更高。这样,