孫維真，王 超，張 巖，張 勇，文福拴

(1.浙江電力調(diào)度控制中心，浙江 杭州310007;2.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州310027)

0 引 言

電力系統(tǒng)故障診斷是指利用故障發(fā)生后所產(chǎn)生的警報信號等信息識別故障元件、評價保護和斷路器動作行為，為調(diào)度人員快速辨識和清除故障提供輔助決策，以盡可能縮短故障后的系統(tǒng)恢復(fù)過程。國內(nèi)外學(xué)者在這一領(lǐng)域開展了大量研究，提出了基于專家系統(tǒng)［1］、解析模型［2～6］、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)［7］、Petri 網(wǎng)［8］、貝葉斯網(wǎng)［9］等的故障診斷方法。其中，已實際應(yīng)用或具備應(yīng)用潛力的主要為前兩種方法。專家系統(tǒng)被較早地應(yīng)用于電力系統(tǒng)故障診斷，文獻［1］ 發(fā)展的警報處理專家系統(tǒng)已成功應(yīng)用于意大利ENEL 電力公司調(diào)度中心的能量管理系統(tǒng)中?；诮馕瞿Ｐ偷墓收显\斷方法［2～6］則是根據(jù)保護和斷路器的動作原理，構(gòu)建使實際警報信息與期望警報信息之間差異最小化的優(yōu)化模型，把故障診斷問題表示為0 －1整數(shù)規(guī)劃，這種方法已經(jīng)在一些電力系統(tǒng)中得到實際應(yīng)用。

當電力系統(tǒng)發(fā)生單個元件故障且保護和斷路器都正確動作時，故障診斷并不困難。然而，實際電力系統(tǒng)可能發(fā)生復(fù)雜故障、保護和/或斷路器可能不正確動作、保護和/或斷路器警報信號也有可能發(fā)生畸變和丟失，在這些情況下，要靠調(diào)度人員判斷故障就相當困難。這樣，就需要發(fā)展電力系統(tǒng)故障診斷決策系統(tǒng)，以輔助調(diào)度人員對所發(fā)生的故障做出及時而正確的診斷。針對這些問題，文獻［5，6］ 在計及了保護和斷路器的誤動和拒動、警報的誤報和漏報的情況下，發(fā)展了電力系統(tǒng)故障診斷解析模型。

近年來，我國省級電力系統(tǒng)行業(yè)管理日趨現(xiàn)代化，系統(tǒng)發(fā)生故障時繼電保護動作、斷路器跳/合閘及其它事故處理相關(guān)信息獲取更加及時和有效;另一方面，系統(tǒng)規(guī)模逐步增大，發(fā)生故障或事故時所引起的警報數(shù)量趨于增加，這對電力系統(tǒng)故障診斷和事故處理提出了更高的要求。

在上述背景下，針對省級電力系統(tǒng)特別是浙江電力系統(tǒng)的實際需要，研究和開發(fā)了針對輸電系統(tǒng)的故障診斷決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)以故障診斷解析模型為基礎(chǔ)，以保護和斷路器狀態(tài)為診斷信息源，采用優(yōu)化算法實施故障診斷。該系統(tǒng)的軟件開發(fā)以公共信息模型架構(gòu)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了與能量管理系統(tǒng) (Energy Management System，EMS)、

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition System)以及故障信息系統(tǒng) (Fault Information System，F(xiàn)IS)的信息交互。該系統(tǒng)實現(xiàn)了電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信與解析、異常信息監(jiān)視、智能故障診斷與分析等功能，可以協(xié)助調(diào)度人員在面對復(fù)雜故障和非常見故障時，迅速定位故障源，進而加快事故處理速度，盡快恢復(fù)供電。

1 故障診斷模型

隨著我國省級電力調(diào)度控制中心的SCADA和FIS 系統(tǒng)的逐步發(fā)展與完善，所獲取的繼電保護裝置動作信息和斷路器跳/合閘信息更加快速和準確，這為實現(xiàn)在線故障診斷提供了基礎(chǔ)。本系統(tǒng)采用保護動作信息和斷路器跳/合閘信息作為故障診斷信息源，以文獻［2 ～6］ 中所發(fā)展的故障診斷解析模型和優(yōu)化方法為基礎(chǔ)，算法流程如圖1 所示。

圖1 在線故障診斷算法流程圖Fig.1 The flowchart of the on-line fault diagnosis algorithm

1.1 故障區(qū)域自動識別

網(wǎng)絡(luò)拓撲分析功能是故障診斷系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的、經(jīng)常被調(diào)用的模塊，因為其是識別故障區(qū)域的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲分析方法主要采用堆棧技術(shù)和深度優(yōu)先搜索算法［10］，其缺點在于重復(fù)搜索支路，造成搜索效率不高，速度較慢。在所開發(fā)的診斷系統(tǒng)中，運用圖論中鄰接表的存放方式合理組織存放數(shù)據(jù)，并采用了隊列和寬度優(yōu)先搜索方法［11，12］，明顯提高了內(nèi)存利用率和計算速度。

故障發(fā)生后，相關(guān)斷路器發(fā)生變位且該斷路器在故障區(qū)域內(nèi)，因此可從故障后接收的警報信息中選取合適的故障區(qū)域邊界斷路器出發(fā)，沿其停電側(cè)方向，采用寬度優(yōu)先搜索算法對斷路器進行搜索，以快速確定故障區(qū)域邊界，形成故障區(qū)域，避免對全網(wǎng)進行拓撲分析，提高計算效率。

1.2 故障診斷目標函數(shù)

故障假說是對故障的完整描述，包括故障元件、保護/斷路器動作情況(包括誤動/拒動情況)、警報漏報/誤報情況。故障假說可由式 (1)所示矢量描述:

式中:D = ［d1，d2，…，dnd］，dk=1 或dk=0 分別表示停電區(qū)域的第k 個設(shè)備處于故障或正常狀態(tài);R = ［r1，r2，…，rnr］，rk=1 或rk=0 分別表示相應(yīng)保護是否動作;C = ［c1，c2，…，cnc］，ck=1 或ck=0 分別表示相應(yīng)斷路器是否動作;E = ［er1，er2，…，ernr，ec1，ec2，…，ecnc］，ek=0 或ek=1 分別表示相應(yīng)保護/斷路器正確動作或發(fā)生誤動或拒動;W = ［wr1，wr2，…，wrnr，wc1，wc2，…，wcnc］，wk=0 或wk=1 分別表示相應(yīng)保護/斷路器警報為正確警報或為誤報或漏報。

所開發(fā)的系統(tǒng)按浙江電力系統(tǒng)保護配置情況以及保護動作時限和保護范圍將保護類型分為三級:

一級保護為元件主保護，指保護范圍為本元件且動作零延時的所有保護;

二級保護可保護本元件，且為本身或相鄰元件的后備保護，動作時限比一級保護要延時一個等級;

三級保護可保護本元件，且為本身或相鄰元件的后備保護，動作時限又比二級保護要延時一個等級。

按照這種劃分，輸電線路的三段式距離保護和零序保護，分別劃分為一、二、三級保護;常見的一級保護還有線路縱聯(lián)保護、主變或者母線差動保護等;遠跳保護和斷路器失靈保護需要特殊處理。保護及斷路器的動作邏輯參見文獻［3］。

故障診斷解析模型的目標函數(shù)用式 (2)表示:

E (H)反映故障假說的可信度:故障設(shè)備、誤動/拒動的保護/斷路器和誤報/漏報的警報總數(shù)越少，E (H)越小，故障假說H 的可信度就越高。

式 (2)所描述的故障診斷優(yōu)化模型是0 －1整數(shù)規(guī)劃問題。

1.3 故障診斷優(yōu)化模型求解

在所開發(fā)的系統(tǒng)中，采用了禁忌搜素算法(Tabu Search，TS)求解式 (2)所表示的故障診斷優(yōu)化模型。TS 算法是一種限制性局部搜索技術(shù)，其采用特有的“禁忌”方式避免了陷入局部最優(yōu)解，并通過藐視準則來赦免一些被禁忌的優(yōu)良狀態(tài)，從而保證多樣化的有效搜索。TS 算法的基本流程和相關(guān)概念已有不少文獻做過介紹［13～15］，此處不再贅述。如何設(shè)定禁忌表的長度是TS 算法的核心問題。當出現(xiàn)所有可能的移動都被禁忌的時候，若候選解集中沒有解可通過藐視原則，則后繼的迭代是徒勞的。當出現(xiàn)這種情況時，則采用重新隨機產(chǎn)生一個新解開始下一步迭代，并清空禁忌表。經(jīng)大量仿真驗證，TS 算法的計算速度和優(yōu)化效果均滿足要求。

2 基于CIM/XML 的故障診斷軟件系統(tǒng)建模

故障診斷系統(tǒng)作為能量管理系統(tǒng)的高級應(yīng)用子系統(tǒng)，首先必須解決與EMS 的合理集成問題。國際電工技術(shù)委員會 (IEC)標準IEC 61970［16］給定了能量管理系統(tǒng)的應(yīng)用程序接口，定義了一種電力系統(tǒng)公共信息模型CIM (Common Information Model)。

CIM 是一個抽象模型，其規(guī)定統(tǒng)一采用XML文檔來描述。CIM 通過提供一種用對象類和屬性及它們之間關(guān)系來表示電力系統(tǒng)資源的標準方法，以及定義一種基于CIM 的公共語言 (即語法和語義)，使得這些應(yīng)用或系統(tǒng)能夠不依賴于信息的內(nèi)部表示而訪問公共數(shù)據(jù)和交換信息來實現(xiàn)，為集成由多個開發(fā)商獨立開發(fā)的EMS 系統(tǒng)以及EMS 系統(tǒng)與其它涉及電力系統(tǒng)運行的不同類型系統(tǒng)如發(fā)電或配電管理系統(tǒng)之間的集成提供了方便，可以充分利用已有系統(tǒng)數(shù)據(jù)，減少信息維護量。

基于CIM 模型對故障診斷系統(tǒng)進行建模，使其遵循IEC61970 能量管理系統(tǒng)應(yīng)用程序接口要求，就可以利用EMS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)，減少信息維護量，使故障診斷系統(tǒng)作為一個高級應(yīng)用模塊無縫地集成到EMS 系統(tǒng)之中，這有利于系統(tǒng)未來的拓展。

EMS 系統(tǒng)與故障診斷系統(tǒng)的交互方式如圖2所示。

(1)從EMS 系統(tǒng)導(dǎo)出的CIM 文件可以通過CIM 文件解析器將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到故障診斷系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲數(shù)據(jù)庫;

(2)網(wǎng)絡(luò)拓撲數(shù)據(jù)庫也可以通過CIM 文件生成器生成CIM 文件，使系統(tǒng)易于擴充。

3 省級輸電網(wǎng)絡(luò)故障診斷系統(tǒng)的實現(xiàn)

所開發(fā)的面向省級電力系統(tǒng)的輸電網(wǎng)絡(luò)故障診斷系統(tǒng)主要具備以下兩個方面的功能:

(1)在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，為調(diào)度人員進行實時故障定位提供決策輔助。

圖2 EMS 與故障診斷系統(tǒng)的交互Fig.2 Interactions between EMS and the fault diagnosis system

(2)離線模擬故障診斷和事故復(fù)現(xiàn)，幫助調(diào)度人員事后分析故障。

為實現(xiàn)這些功能，所開發(fā)的軟件系統(tǒng)以NET為開發(fā)平臺，采用SQL-Server 數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問和維護。該系統(tǒng)集成了EMS 系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)拓撲信息、FIS 系統(tǒng)中的保護配置和保護動作信息、SCADA 系統(tǒng)中的斷路器信息。通過對省級電力系統(tǒng)的信息系統(tǒng)進行仔細分析，構(gòu)造出故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用平臺架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用平臺軟件架構(gòu)Fig.3 The software framework of the application platform in the fault diagnosis system

所開發(fā)的故障診斷系統(tǒng)軟件架構(gòu)分為存儲層、數(shù)據(jù)維護層和核心層。下面分別對這三個層次的功能做簡要介紹。

3.1 存儲層

存儲層主要由系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫組成，完成數(shù)據(jù)的獲取和存儲。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括4 個子數(shù)據(jù)庫:網(wǎng)絡(luò)拓撲數(shù)據(jù)庫、繼電保護數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫和用戶數(shù)據(jù)庫。歷史數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)為離線故障診斷信息源，用戶數(shù)據(jù)庫則存放用戶信息。存儲層通過數(shù)據(jù)通信接受外部傳送的數(shù)據(jù):

(1)接收EMS 一次設(shè)備的配置信息、電氣設(shè)備的一次連接關(guān)系等，分析網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，并將數(shù)據(jù)存入網(wǎng)絡(luò)拓撲數(shù)據(jù)庫;

(2)接收FIS 系統(tǒng)的保護參數(shù)配置信息，通過讀取保護控制字以及軟壓板信息，獲取保護投退狀態(tài)等信息，并將相關(guān)數(shù)據(jù)存入保護配置數(shù)據(jù)庫;

(3)接收FIS 系統(tǒng)和SCADA 系統(tǒng)的保護信息和斷路器動作信息等實時數(shù)據(jù)，以鏈表形式存入內(nèi)存，以滿足數(shù)據(jù)處理的實時性要求。經(jīng)實時數(shù)據(jù)解析后，作為實時故障診斷信息源，并存入歷史數(shù)據(jù)庫。

3.2 數(shù)據(jù)解析層

數(shù)據(jù)解析層主要包括CIM 文件解析和實時數(shù)據(jù)解析這兩個功能模塊。

用CIM 文件描述的網(wǎng)絡(luò)拓撲模型及其元件參數(shù)經(jīng)過解析后，可獲取設(shè)備統(tǒng)一ID 標識等關(guān)鍵參數(shù)，之后將解析的數(shù)據(jù)存入網(wǎng)絡(luò)拓撲數(shù)據(jù)庫。

實時數(shù)據(jù)包含大量信息，其中不僅有故障診斷所直接需要的各種保護和斷路器動作信息，還有各種裝置異?；蚓瘓笮畔ⅰ崟r數(shù)據(jù)處理模塊將這些信息進行分類和篩選，以便快速而準確地實現(xiàn)故障診斷。

根據(jù)信息類型和結(jié)構(gòu)對實時數(shù)據(jù)進行如下劃分:a.動作信息，即所有的保護和斷路器動作信息;b.閉鎖信息，即所有對保護和斷路器動作行為產(chǎn)生影響的信息，如重合閘閉鎖等;c.警報信息，如電流越限等。把這些信息通過統(tǒng)一ID 標識與設(shè)備進行關(guān)聯(lián)解析，把解析后的數(shù)據(jù)作為實時故障診斷信息源，并存入歷史數(shù)據(jù)庫。

3.3 核心層

核心層由故障診斷及分析模塊、異常信息監(jiān)視模塊組成。下面簡要介紹這兩個模塊的功能。

(1)故障診斷及分析模塊。故障診斷系統(tǒng)的架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 故障診斷系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4 The framework of the fault diagnosis system

a.程序初始化。在對程序初始化時，將系統(tǒng)各控制參數(shù)和系統(tǒng)通信接口初始化，同時將網(wǎng)絡(luò)拓撲數(shù)據(jù)庫和保護配置數(shù)據(jù)庫讀取至緩存區(qū)，通過與SCADA 和FIS 通信，讀取系統(tǒng)所有狀態(tài)信息，并更新靜態(tài)數(shù)據(jù)庫。為確保SCADA 和FIS 的數(shù)據(jù)安全，不對SCADA 和FIS 數(shù)據(jù)進行操作，只通過通信接口進行單向?qū)崟r數(shù)據(jù)獲取并放入緩存區(qū)，等待分析處理。在系統(tǒng)運行過程中，通過中斷程序以實時信息通信協(xié)議讀取保護動作、斷路器變位信息或SOE 事件信息［17］。b.程序狀態(tài)轉(zhuǎn)換。故障診斷軟件并非一直處于運行狀態(tài)。當系統(tǒng)正常運行時，軟件處于休眠狀態(tài);一旦檢測到斷路器、隔離開關(guān)或保護狀態(tài)發(fā)生改變，軟件就被激活，進入工作狀態(tài):Ⅰ檢測到網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)或運行方式發(fā)生變化，即啟動網(wǎng)絡(luò)拓撲自動跟蹤模塊;Ⅱ檢測到系統(tǒng)發(fā)生故障，即啟動故障診斷核心程序。

在系統(tǒng)進行倒閘操作的情況下，同樣會收到斷路器、隔離開關(guān)變位信息;針對這種情況，在所開發(fā)的故障診斷系統(tǒng)中設(shè)置了故障檢測程序。每當收到斷路器、隔離開關(guān)變位信息時，故障診斷系統(tǒng)都會進入故障檢測程序進行“故障判別”。故障檢測程序根據(jù)所收集的信號中是否包含事故總信號來判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障，一旦檢測到該信號，則判定系統(tǒng)發(fā)生故障并進入核心診斷程序。若僅是網(wǎng)絡(luò)拓撲或運行方式發(fā)生改變，則只運行網(wǎng)絡(luò)拓撲跟蹤程序。

考慮實際系統(tǒng)中SCADA 對實時信息的傳輸速率、事故總信號判定的時延，以及系統(tǒng)發(fā)生故障時后備保護動作時間和斷路器分閘時間，來適當確定“警報信息”的時間區(qū)間。收集該時間區(qū)間內(nèi)所有的保護和斷路器警報，作為診斷依據(jù)。c.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更新。當系統(tǒng)發(fā)生故障后，相關(guān)斷路器在保護作用下跳閘，將故障設(shè)備和電源隔離，防止設(shè)備損壞和故障進一步擴大。這樣，電力系統(tǒng)就被分割成若干個有源子系統(tǒng) (帶電區(qū)域)和若干個無源子系統(tǒng) (停電區(qū)域);對于簡單故障，通常形成一個帶電區(qū)域和一個停電區(qū)域。故障設(shè)備肯定在停電區(qū)域內(nèi)，換言之停電區(qū)域內(nèi)所包含設(shè)備即為可疑故障設(shè)備，這樣就可以大大減少故障元件的搜索計算量。

當電力系統(tǒng)拓撲或運行方式發(fā)生變化后，首先更新數(shù)據(jù)庫中斷路器、隔離開關(guān)的實時狀態(tài)，然后調(diào)用網(wǎng)絡(luò)拓撲分析程序，得到最新的拓撲結(jié)構(gòu)和運行方式。d.故障診斷。針對可疑故障設(shè)備，從保護配置數(shù)據(jù)庫中提取相應(yīng)保護和斷路器及其動作邏輯，采用故障診斷解析模型，利用獲取的保護和斷路器動作實時信息，經(jīng)過尋優(yōu)計算得到故障元件，之后對保護和斷路器動作情況及警報信息進行評價。

(2)異常信息監(jiān)視模塊。當發(fā)生實時信息、網(wǎng)絡(luò)拓撲信息或保護參數(shù)配置無法讀取等情況時，故障診斷系統(tǒng)發(fā)出警報信息，并按功能分為異常信息監(jiān)測部分和錯誤日志管理部分。

系統(tǒng)運行過程中會出現(xiàn)多種錯誤信息:SCADA 數(shù)據(jù)獲取失敗，無法從SCADA 獲取最新的斷路器動作信息;FIS 數(shù)據(jù)獲取失敗，無法從FIS 獲取保護配置信息或保護動作信息;網(wǎng)絡(luò)拓撲數(shù)據(jù)庫無法讀取、不全或遭破壞;保護配置數(shù)據(jù)庫無法讀取、不全或遭破壞。異常信息監(jiān)測部分將監(jiān)測到的錯誤信息整理成錯誤日志。錯誤日志管理部分將錯誤日志分類并按類別將錯誤的詳細信息寫入當日的運行錯誤日志中。

4 結(jié) 論

針對省級電力系統(tǒng)特別是浙江電力系統(tǒng)的實際需要，研究和開發(fā)了針對輸電系統(tǒng)的故障診斷決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)以故障診斷解析模型為基礎(chǔ)，以保護和斷路器狀態(tài)為診斷信息源，采用優(yōu)化算法實施故障診斷。

采用所開發(fā)的故障診斷系統(tǒng)對浙江電力系統(tǒng)所發(fā)生過的多種類型的典型故障案例進行了大量測試。測試結(jié)果表明:

(1)當警報信息完全正確時，診斷結(jié)果及動作評價的準確率極高;

(2)當警報信息中摻雜少量誤報或漏報時，該故障診斷系統(tǒng)依然能夠給出符合邏輯的、正確的診斷結(jié)果;

(3)隨著警報信息錯誤率的不斷增加，故障診斷系統(tǒng)的診斷準確率下降。這些結(jié)果說明，該故障診斷系統(tǒng)具有一定的容錯能力，可以輔助系統(tǒng)調(diào)度人員在面對復(fù)雜故障和非常見故障時快速進行故障定位，加快事故處理速度，進而快速恢復(fù)供電。

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