廖志偉，岳苓，文福拴，朱炳銓，徐立中

(1. 華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州市 510640； 2. 國網(wǎng)山東省棗莊供電公司，山東省棗莊市 277100；3. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州市310027； 4. 文萊科技大學(xué)電機(jī)與電子工程系，文萊斯里巴加灣 BE1410；5. 國網(wǎng)浙江省電力公司，杭州市 310007)

基于規(guī)則網(wǎng)的高壓輸電線路故障診斷與保護(hù)動(dòng)作性能評(píng)價(jià)

廖志偉1，岳苓2，文福拴3,4，朱炳銓5，徐立中5

(1. 華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州市 510640； 2. 國網(wǎng)山東省棗莊供電公司，山東省棗莊市 277100；3. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州市310027； 4. 文萊科技大學(xué)電機(jī)與電子工程系，文萊斯里巴加灣 BE1410；5. 國網(wǎng)浙江省電力公司，杭州市 310007)

對(duì)于多重或復(fù)雜故障以及存在警報(bào)信息丟失或畸變等復(fù)雜情況，如何準(zhǔn)確診斷所發(fā)生的故障和評(píng)價(jià)保護(hù)裝置的動(dòng)作性能仍是值得研究的問題。在此背景下，提出一種基于規(guī)則網(wǎng)利用故障錄波信息進(jìn)行高壓輸電線路故障診斷和評(píng)價(jià)保護(hù)與斷路器動(dòng)作性能的新方法。首先，對(duì)故障錄波信息進(jìn)行預(yù)處理，利用小波變換技術(shù)從電氣模擬量信息中提取線路故障特征量，得到電流突變事件和保護(hù)動(dòng)作事件序列。在此基礎(chǔ)上，建立計(jì)及警報(bào)信息時(shí)序特性的高壓線路故障診斷規(guī)則網(wǎng)絡(luò)模型，并確定故障假說集與期望的保護(hù)和斷路器狀態(tài)，并利用它們之間存在的因果與時(shí)序關(guān)系確定故障原因以及對(duì)保護(hù)和斷路器動(dòng)作性能進(jìn)行評(píng)價(jià)；之后，對(duì)故障錄波做進(jìn)一步分析以判別故障類型、故障性質(zhì)和故障位置；最后，用實(shí)際電力系統(tǒng)故障案例對(duì)所提出的方法進(jìn)行說明。

高壓線路；故障診斷；故障錄波信息；規(guī)則網(wǎng)絡(luò)；小波理論

0 引 言

高壓輸電線路的故障診斷及相應(yīng)保護(hù)和斷路器的動(dòng)作性能評(píng)判大多是基于保護(hù)和斷路器的動(dòng)作等離散量信息[1-5]，但多重或復(fù)雜故障以及存在警報(bào)信息丟失或畸變等復(fù)雜情況，難以保證上述分析模型評(píng)判結(jié)果的準(zhǔn)確性和完整性。為此，已有學(xué)者提取連續(xù)電氣量的故障特征，并采用離散的保護(hù)和斷路器動(dòng)作信息和連續(xù)的電氣量信息實(shí)現(xiàn)故障的綜合分析判斷[6-17]。文獻(xiàn)[6]引入故障錄波信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)利用保護(hù)和斷路器動(dòng)作信息不能判定故障元件時(shí)的進(jìn)一步分析。文獻(xiàn)[8]建立了基于故障錄波信息的變電站事故分析專家系統(tǒng)，利用線性時(shí)態(tài)邏輯對(duì)從模擬電氣量信息提取保護(hù)、斷路器動(dòng)作的時(shí)序信息進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[9]采用小波理論，確定超高壓電力系統(tǒng)發(fā)生故障的時(shí)刻。文獻(xiàn)[10]探討了采用小波分析方法解決電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)的壓縮與重構(gòu)時(shí)的小波基選擇問題。文獻(xiàn)[11]優(yōu)化了融合信息理論的電力系統(tǒng)故障診斷解析模型。

故障時(shí)序，即事故過程再現(xiàn)(包括對(duì)斷路器、保護(hù)和自動(dòng)裝置的動(dòng)作性能分析)，是電力系統(tǒng)事故判別的重要依據(jù)。另一方面，也可利用警報(bào)信息的時(shí)序特征來改善故障診斷的準(zhǔn)確性和效率。文獻(xiàn)[12-14]建立了基于警報(bào)時(shí)序特性的電力系統(tǒng)在線警報(bào)處理和故障診斷的數(shù)學(xué)模型，但如何保證這些模型在警報(bào)信息不完整或有誤時(shí)的適應(yīng)性尚有待深入研究。近年來，基于Petri網(wǎng)的電力系統(tǒng)故障診斷受到了相當(dāng)多的關(guān)注，已經(jīng)取得了一些接近實(shí)用的研究成果[15-17]，但還未見實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道。

在上述背景下，針對(duì)110 kV和220 kV高壓線路，本文研究從故障發(fā)生到故障切除整個(gè)過程中高壓輸電線路的電流變化水平和變化時(shí)序，在此基礎(chǔ)上利用保護(hù)和斷路器動(dòng)作之間的邏輯關(guān)系，提出一種基于故障錄波信息的高壓線路故障診斷及保護(hù)和斷路器動(dòng)作性能評(píng)價(jià)方法。首先，對(duì)故障錄波信息進(jìn)行預(yù)處理，利用小波變換技術(shù)從電氣模擬量信息中提取線路故障特征量，得到電流突變事件和保護(hù)動(dòng)作事件序列；在此基礎(chǔ)上，建立計(jì)及信息時(shí)序特性的高壓線路故障診斷規(guī)則網(wǎng)絡(luò)模型，并確定故障假說集以及期望的保護(hù)和斷路器狀態(tài)。之后，利用保護(hù)和斷路器動(dòng)作事件序列及它們之間存在的因果關(guān)系和時(shí)序關(guān)系確定故障原因和對(duì)保護(hù)和斷路器動(dòng)作性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。最后，采用實(shí)際電力系統(tǒng)的故障案例驗(yàn)證所提方法的可行性和有效性。

1 故障錄波信息預(yù)處理

1.1 基于提升小波理論的信號(hào)奇異性檢測(cè)

故障發(fā)生、故障切除、重合閘的時(shí)刻等均可通過線路故障暫態(tài)信息的小波變換模極大值對(duì)奇異點(diǎn)檢測(cè)來確定[9]。文獻(xiàn)[9-10]通過對(duì)各種符合工程應(yīng)用的bior2.2～2.6、bior3.1～3.5和bior4.4等小波基雙正交提升小波應(yīng)在電力系統(tǒng)故障信息提取性能進(jìn)行綜合比較后可知，bior3.1小波基在壓縮比、失真率、故障時(shí)間檢測(cè)及運(yùn)算量等方面都有一定優(yōu)勢(shì)，比較適合故障暫態(tài)信號(hào)的壓縮與重構(gòu)。

基于文獻(xiàn)[8]的研究，本文對(duì)故障錄波數(shù)據(jù)的故障檢測(cè)進(jìn)行了如下改進(jìn)：

(1)對(duì)A、B、C三相電流分別進(jìn)行bior3.1提升小波分解，利用第一尺度(尺度越小，小波系數(shù)的模極大值點(diǎn)與突變點(diǎn)的對(duì)應(yīng)就越準(zhǔn)確；第一尺度即為最小尺度)上的高頻系數(shù)，求出對(duì)應(yīng)的模極大值，將其對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)作為突變點(diǎn)；

(2)取每一相第一個(gè)突變點(diǎn)判斷其突變類型，即該相是否發(fā)生了故障；

(3)判斷故障相其他對(duì)應(yīng)突變點(diǎn)的突變類型，即判斷是故障切除還是重合閘操作等。

電流突變類型的判別在1.2節(jié)做了詳細(xì)介紹。

1.2 電流突變類型分類

在文獻(xiàn)[8]的線路電流狀態(tài)劃分的基礎(chǔ)上，本文將其拓展劃分為3種電流狀態(tài)：(1)停電狀態(tài)，記為0，表示線路被斷路器切斷；(2)正常狀態(tài)，記為1，表示線路處于正常工作狀態(tài)；(3)故障狀態(tài)，記為2，表示線路處于故障狀態(tài)?？梢酝ㄟ^元件突變前后電流的幅值變化程度來確定電流狀態(tài)，具體方法如下。

對(duì)于某條高壓線路上電流的小波變換結(jié)果D1,D2,…,Dl(l為采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù))，用Tk(k=1,2,…,z)表示應(yīng)用小波變換技術(shù)提取出的突變點(diǎn)(z為突變點(diǎn)的總數(shù))，DTk-1+1,DTk-1+2,…,DTk-1+n表示突變點(diǎn)Tk-1(若無突變點(diǎn)，則取起點(diǎn))到突變點(diǎn)Tk間的對(duì)應(yīng)小波變換值，Mmax_fore表示該區(qū)段采樣值的最大值。用DTk+1,DTk+2,…,DTk+m表示從突變點(diǎn)Tk到突變點(diǎn)Tk+1(若無突變點(diǎn)，則取終點(diǎn))間的對(duì)應(yīng)小波變換結(jié)果，Mmax_back表示本區(qū)段采樣值的最大值。電流提升小波的分解波形見圖1。Mmax_fore及Mmax_back可由式(1)計(jì)算得到：

(1)

圖1 故障電流的提升小波分解波形圖Fig.1 Lifted wavelet decomposition waveform of fault current

依據(jù)式(2)，可計(jì)算得到一個(gè)0～1之間的值FI，表示電流信號(hào)在突變點(diǎn)Tk前后電流幅值的變化程度。

(2)

可由突變點(diǎn)前后電流幅值水平所發(fā)生的變化情況，根據(jù)式(3)及初始電流值對(duì)電流突變類型進(jìn)行判斷：

(3)

式中：KI表示線路電流的幅值改變系數(shù)，取值為0、1、2，分別表示電流從0值到某幅值間的變化、故障電流和正常電流間的變化及在2個(gè)正常電流范圍內(nèi)波動(dòng)。k1和k2為設(shè)定的判斷閾值，可根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的正常電流和故障電流的幅度確定。

計(jì)及高壓線路從故障發(fā)生到故障切除全過程中可能出現(xiàn)的單相電流狀態(tài)改變的所有可能性，可將單相電流的突變情況歸納為表1所示的6種類型。

表1 單相電流突變分類

Table 1 Classification of sudden change of single-phase current

即可從電力的故障錄波信息中提取出一系列電流突變事件?？捎盟脑MEI=(No-line,Phase,t,Type)表示電流突變事件。其中：No-line為線路的編號(hào)；Phase∈{a,b,c,ab,bc,ca,abd,acd,bad,abc}表示線路的故障發(fā)生相；t表示電流突變時(shí)刻，ms；Type表示突變模式。例如：E=(311,ac,35,1)表示編號(hào)為311的線路的A、C相電流在35ms時(shí)由故障狀態(tài)突變?yōu)?狀態(tài)。

采用Matlab軟件對(duì)某單電源110kV線路中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)的A相接地短路故障進(jìn)行分析。采樣頻率取為4 000Hz，設(shè)置0.2s時(shí)線路在距離母線20km處發(fā)生A相接地短路故障，故障持續(xù)時(shí)間為0.05s。圖2為發(fā)生A相接地短路時(shí)A、B、C三相的電流波形；圖3為相應(yīng)的經(jīng)提升小波第一尺度高頻系數(shù)分解后的波形。采用式(1)—(3)計(jì)算確定的A相電流的突變點(diǎn)、突變時(shí)刻和突變類型如表2所示。由表2的計(jì)算結(jié)果可見，基于故障相電流數(shù)據(jù)，采用小波分析技術(shù)可較準(zhǔn)確地提取故障時(shí)刻。

圖2 三相電流波形圖Fig.2 Waveform of three-phase current

圖3 三相電流的提升小波分解波形圖Fig.3 Lifted wavelet decomposition waveform of three-phase current

基于表1所示的單相電流突變模式，根據(jù)各復(fù)雜故障的特征，建立從簡(jiǎn)單故障發(fā)展成復(fù)雜故障，如轉(zhuǎn)換型故障、發(fā)展型故障及非全相運(yùn)行狀態(tài)的故障突變模式。

表2 A相電流經(jīng)提升小波提取的突變點(diǎn)和突變類型

Table 2 Mutation moment and pattern obtained by lifted wavelet in phase A grounded fault

注：表中的突變點(diǎn)為采樣點(diǎn)值，可依據(jù)采樣頻率及采樣點(diǎn)計(jì)算出突變時(shí)刻。

1.3 保護(hù)與斷路器動(dòng)作事件

通過掃描故障錄波數(shù)據(jù)中的開關(guān)量通道，采用異或檢測(cè)法可提取保護(hù)或斷路器動(dòng)作事件[11]，即用相鄰兩采樣點(diǎn)的開關(guān)量狀態(tài)進(jìn)行異或運(yùn)算。若滿足以下2個(gè)條件：(1)xi＾xi+1=1(＾為異或運(yùn)算符)；(2)xi之后的連續(xù)多個(gè)采樣點(diǎn)均與xi+1相同，則可判定該開關(guān)量發(fā)生了變位。其中，xi和xi+1為相鄰的2個(gè)采樣值。

保護(hù)動(dòng)作事件用三元組EP=(Np,Tp,tp)表示。其中，Np為保護(hù)通道名稱，如“廣花線路主保護(hù)”；Tp為事件類型，Tp∈{Pt,Pc}，Pt對(duì)應(yīng)跳閘元件出口，Pc對(duì)應(yīng)重合閘元件出口合閘；tp為事件發(fā)生時(shí)刻，由2.2節(jié)介紹的方法從錄波信息中提取。

斷路器動(dòng)作事件也用三元組表示，定義EB=(Nb,Tb,tb)。其中，Nb為斷路器的編號(hào)，如“311線斷路器A相”；Tb為事件類型，Tb∈{Bt,Bc}，Bt表示斷路器跳閘，Bc表示斷路器合閘，二者均為斷路器位置信號(hào)；tb為斷路器動(dòng)作時(shí)刻，由2.2節(jié)介紹的方法從錄波信息中提取。

2 計(jì)及警報(bào)信息時(shí)序特性的高壓線路故障診斷與保護(hù)/斷路器動(dòng)作性能評(píng)價(jià)

以圖4所示的某220kV局部電力系統(tǒng)為例，介紹用于診斷線路故障及評(píng)價(jià)保護(hù)和斷路器動(dòng)作性能的計(jì)及警報(bào)信息時(shí)序特性的規(guī)則網(wǎng)絡(luò)模型。

圖4 某電力系統(tǒng)局部接線圖Fig.4 A part of a power network

2.1 電流突變事件、保護(hù)和斷路器動(dòng)作間的因果邏輯關(guān)系

在文獻(xiàn)[9]研究的基礎(chǔ)上，通過考慮保護(hù)和斷路器正確動(dòng)作、誤動(dòng)、拒動(dòng)等情景條件下，可將線路故障后保護(hù)和斷路器的響應(yīng)歸納為以下5種典型情況：(1)主保護(hù)和斷路器都正確動(dòng)作；(2)主保護(hù)拒動(dòng)，線路裝置中的后備保護(hù)正確動(dòng)作，斷路器正確動(dòng)作；(3)主保護(hù)正確動(dòng)作，但斷路器拒動(dòng)，之后斷路器失靈保護(hù)正確動(dòng)作；(4)主保護(hù)拒動(dòng)，后備保護(hù)正確動(dòng)作，但斷路器拒動(dòng)，之后斷路器失靈保護(hù)正確動(dòng)作；(5)線路無故障，保護(hù)或斷路器誤動(dòng)?？紤]到現(xiàn)有220 kV以上的高壓線路一般采用近后備保護(hù)，當(dāng)斷路器拒動(dòng)時(shí)將起動(dòng)斷路器失靈保護(hù)，上述分類方法基本覆蓋了220 kV高壓線路常見的故障響應(yīng)情況。

根據(jù)電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、線路繼電保護(hù)配置、保護(hù)整定值及斷路器分(合)閘時(shí)間，以上述5種故障響應(yīng)情況為例，下面建立用于診斷線路故障及評(píng)價(jià)保護(hù)和斷路器動(dòng)作性能的計(jì)及警報(bào)信息時(shí)序特性的規(guī)則網(wǎng)絡(luò)模型。對(duì)于圖4所示系統(tǒng)，線路L2252發(fā)生故障時(shí)相關(guān)聯(lián)的保護(hù)與斷路器的動(dòng)作原理和時(shí)序特性如表3所示。

表3 與線路L2252相關(guān)聯(lián)的繼電保護(hù)動(dòng)作原理

Table 3 Operating principle of protective relays associated with line L2252

注：表3中的t1至t8可根據(jù)保護(hù)的定值配置及斷路器動(dòng)作時(shí)間確定。

上述歸納方式并未完全覆蓋實(shí)際電力系統(tǒng)所有可能出現(xiàn)的復(fù)雜故障。對(duì)于各種實(shí)際故障(如死區(qū)故障導(dǎo)致失靈動(dòng)作及區(qū)外故障保護(hù)誤動(dòng)等情況)，可以參照上述方法進(jìn)行建模分析。

2.2 計(jì)及警報(bào)信息時(shí)序特性的規(guī)則網(wǎng)絡(luò)模型

根據(jù)表3及保護(hù)動(dòng)作、斷路器動(dòng)作與電流突變事件間的因果邏輯關(guān)系，可構(gòu)建計(jì)及警報(bào)信息時(shí)序特性的線路L2252的規(guī)則網(wǎng)絡(luò)模型，如圖5所示，由節(jié)點(diǎn)、弧及時(shí)間距離構(gòu)成。其中，節(jié)點(diǎn)代表故障元件、原因事件、電流突變事件、保護(hù)動(dòng)作和斷路器的動(dòng)作事件；弧表示故障線路與故障原因的所屬關(guān)系 (如線路的單相接地、兩相短路等)、電流突變事件與保護(hù)動(dòng)作間的因果關(guān)系、保護(hù)動(dòng)作事件與斷路器動(dòng)作間的因果關(guān)系；時(shí)間距離表示電流突變事件間的時(shí)間距離約束。

2.2.1 基本定義

(1)故障元件，即故障線路。在圖5中，故障線路為L(zhǎng)2252。

(2)原因事件ci，指引起模擬電氣量發(fā)生突變、保護(hù)及斷路器動(dòng)作的根本原因，如“線路L2252發(fā)生故障，主保護(hù)動(dòng)作，斷路器斷開，重合閘動(dòng)作”。在圖5中，c1、c2、c3和c4表示原因事件，對(duì)應(yīng)表3中的典型故障。

(3)EIi表示經(jīng)故障信息預(yù)處理后得到的電流突變事件，如圖5中的EI1和EI2；由故障發(fā)生和保護(hù)動(dòng)作機(jī)理可知，每個(gè)事件可能對(duì)應(yīng)多個(gè)原因事件。定義Ccause(EIm)={ci|i=1,2,…,r}為可能引起電流突變事件EIm發(fā)生的原因事件集合。

(4)保護(hù)動(dòng)作事件用pi來表示，如“C4的斷路器主保護(hù)動(dòng)作”，在圖5中用p1表示。

(5)bi表示斷路器動(dòng)作事件，如“C4跳三相”，在圖5中用b1表示。

(6)Eexpected(ci)={pk|k=1,2,…,m}∪{bj|j=1,2,…,s}為原因事件ci對(duì)應(yīng)的期望保護(hù)及斷路器集合，即原因事件ci發(fā)生時(shí)，引發(fā)的相關(guān)保護(hù)或斷路器動(dòng)作事件。

圖5 計(jì)及警報(bào)信息時(shí)序特性的線路L2252的規(guī)則網(wǎng)絡(luò)模型Fig.5 Rule network with temporal sequence information of alarm messages for L2252

2.2.2 規(guī)則庫

(1)(ci,EIm)：表示原因事件ci的發(fā)生引起電流突變事件EIm的出現(xiàn)。在圖5中，(c1,EI1)和(c2,EI1)屬于這種類型的規(guī)則。

(2)(EIm,pj)：表示保護(hù)動(dòng)作事件pj由電流突變事件EIm引起。在圖5中，(E1,p1)和(E1,p2)屬于這種類型的規(guī)則。

(3)(pj,bk)：表示保護(hù)動(dòng)作事件pj的發(fā)生會(huì)引起斷路器動(dòng)作事件bk的出現(xiàn)。在圖5中，(p1,b1)和(p3,b2)屬于這種類型的規(guī)則。

(4)(bk,EIn)：表示斷路器動(dòng)作事件bk的發(fā)生會(huì)引起電流突變事件EIn的出現(xiàn)。在圖5中，(b1,EI3)和(b3,EI6)就屬于這種類型的規(guī)則。

(5)(EIm,EIn)：表示電流突變事件Em和En由同一個(gè)原因事件引起，且EIm先于EIn發(fā)生。

(6)D(Em,En)表示原因事件ci發(fā)生時(shí)，故障時(shí)刻tem(對(duì)應(yīng)電流突變事件Em)與故障切除時(shí)刻ten(對(duì)應(yīng)電流突變事件En)之間的時(shí)間距離約束。如圖6所示，選取故障時(shí)刻tem作為時(shí)間參考點(diǎn)，ten∈T(ten)，T(ten)=[ten-,ten+]，ten-和ten+分別為時(shí)間區(qū)間T(ten)的起點(diǎn)和終點(diǎn)，則D(Em,En)=[ten--tem,ten+-tem]。時(shí)間距離約束D(Em,En)等于線路關(guān)聯(lián)保護(hù)的整定時(shí)間區(qū)間和斷路器跳閘時(shí)間區(qū)間之和。在圖5中，D(EI1,EI3)和D(EI1,EI6)就屬于這種類型的規(guī)則。

圖6 時(shí)間距離約束Fig.6 Time-distance constraints

3 故障診斷方法

3.1 總體框架

基于規(guī)則網(wǎng)并采用故障錄波信息的故障診斷與保護(hù)和斷路器動(dòng)作性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)的基本框架如圖7所示。

3.2 故障原因分析

對(duì)故障錄波文件進(jìn)行預(yù)處理后，得到的電流突變事件序列為Esequ={EI1,EI2,…,EIr}，r為Esequ中所包含的電流突變事件個(gè)數(shù)；得到的保護(hù)動(dòng)作事件序列為Psequ={p1,p2,…,ps}，s為Psequ中所包含的保護(hù)動(dòng)作事件個(gè)數(shù)。故障原因分析就是要找到最能解釋Esequ和Psequ的原因事件ci。由于相鄰站出線發(fā)生故障時(shí)，與故障線路電氣距離較近的本站線路也會(huì)啟動(dòng)錄波，這樣對(duì)于電流突變事件序列{EI1EI2}，就有以下2種情況。

圖7 基于規(guī)則網(wǎng)絡(luò)采用故障錄波數(shù)據(jù)的 高壓線路故障診斷的基本架構(gòu)Fig.7 Rule network based framework for fault diagnosis of HV lines employing fault recorder data

(1)EI1的突變模式為正常到故障，EI2的突變模式為故障到正常。這種情況下可以判斷發(fā)生了區(qū)外故障。

(2)EI1的突變模式為正常到故障，EI2的突變模式為故障到0。這種情況下線路發(fā)生故障。

對(duì)于情況(1)，僅給出診斷結(jié)果為“區(qū)外故障，線路無故障”，而對(duì)于情況(2)，則做如下進(jìn)一步分析。

(1)確定原因假說集合H。首先，取電流突變事件EI1對(duì)應(yīng)的Ccause(EI1)，即

(4)

(2)對(duì)H中的原因假說進(jìn)行真實(shí)性評(píng)估。由3.1節(jié)歸納的6種典型故障情況可以看出，故障原因假說集合H中原因事件的n可能為：1、2、3或4。下面對(duì)此作進(jìn)一步的評(píng)估：

1)n=1，H={ci}，ci即為要尋找的原因事件。

2)n>1，H={ci,cj}。在這種情況下，需要依據(jù)電流突變事件的個(gè)數(shù)和與故障線路相關(guān)聯(lián)的主、后備保護(hù)的動(dòng)作情況來確定。

首先依據(jù)Esequ中電流突變事件的個(gè)數(shù)n進(jìn)行判斷。假設(shè)mi和mj分別為原因事件ci和cj發(fā)生時(shí)引發(fā)的電流突變事件的個(gè)數(shù)。若n=mi，則確定原因事件ci為故障原因分析結(jié)果；若n=mi=mj，即原因事件ci和cj發(fā)生所引發(fā)的電流突變事件的個(gè)數(shù)相同，則定義2維0-1向量P1=[p1,p2]與Expected(ci)中線路相關(guān)聯(lián)的主、后備保護(hù)的動(dòng)作情況一一對(duì)應(yīng)；2維0-1向量PActual=[pActual1,pActual2]為從故障錄波文件獲取的主保護(hù)和后備保護(hù)動(dòng)作情況，與實(shí)際線路相關(guān)聯(lián)的主保護(hù)和后備保護(hù)的動(dòng)作情況一一對(duì)應(yīng)，PActual=1和0分別表示保護(hù)動(dòng)作和未動(dòng)作。若P1=PActual，則確定原因事件ci為故障原因分析結(jié)果。

3.3 保護(hù)和斷路器動(dòng)作性能評(píng)價(jià)

假設(shè)接收到的事件順序告警信息集合為A={(p1,tp1),(p2,tp2),…,(pm,tpv),(b1,tb1),(b2,tb2),…,(bn,tbw)}。其中，v和w分別為A中所包含的保護(hù)和斷路器動(dòng)作事件個(gè)數(shù)；(pi,tpi)表示保護(hù)動(dòng)作事件pi在t=tpi時(shí)刻發(fā)生；(bj,tbj)表示斷路器動(dòng)作事件bj在t=tbj時(shí)刻發(fā)生。如果故障線路的原因分析結(jié)果確定為ci，則可將保護(hù)和斷路器動(dòng)作性能評(píng)價(jià)問題轉(zhuǎn)化為尋找滿足ci觸發(fā)動(dòng)作的信息，進(jìn)而識(shí)別出異常或漏報(bào)的警報(bào)。具體方法如下：

首先，找到A中與故障線路相關(guān)聯(lián)的警報(bào)集合Aci，Aci={pj|pj∈Expect(ci)}∪{bk|bk∈Expect(ci)}。之后，以Aci中最早發(fā)生的保護(hù)動(dòng)作事件pj為基準(zhǔn)，遍歷Aci中其他元素Aci(i)(即pj或bk)，計(jì)算它們之間的時(shí)間距離約束d(tpj,tpci)。若滿足式(5)：

d(tpj,tpci)∈D(ci)

(5)

則說明警報(bào)Aci(i)((pj,tpj)或(bk,tbk))是正確的；否則，警報(bào)Aci(i)發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)存在異常。

集合{bk|bk∈Expected(ci)∧bk?Aci}對(duì)應(yīng)缺失的斷路器動(dòng)作信息。

4 算 例

以圖8所示的某實(shí)際電力系統(tǒng)局部220 kV網(wǎng)絡(luò)為例來說明所提出的方法。某日16時(shí)26分43秒，L2279線黃埔廠側(cè)發(fā)生C相接地故障，線路縱聯(lián)距離保護(hù)和阻抗I段動(dòng)作，線路L2279的C相跳閘；976 ms后C1斷路器C相重合，但重合于故障，線路L2279的阻抗II段保護(hù)加速出口動(dòng)作，C1斷路器三相跳閘。表4給出了從L2279線黃埔廠側(cè)故障錄波文件中得到的電流突變事件序列。

為便于描述，在表5中對(duì)故障原因、保護(hù)動(dòng)作和斷路器動(dòng)作事件進(jìn)行了編號(hào)。部分規(guī)則網(wǎng)及用戶定義規(guī)則庫分別如圖9和表6所示。

圖8 某實(shí)際電力系統(tǒng)局部220 kV網(wǎng)絡(luò)Fig.8 Local 220 kV network of an actual power system表4 線路電流突變事件序列Table 4 Sudden change events of line current

表5 事件及其編號(hào)Table 5 Events and associated numbers

圖9 算例系統(tǒng)的部分規(guī)則網(wǎng)Fig.9 partial rule-network for sample example表6 部分規(guī)則庫表Table 6 A partial of rule base

注：表中的時(shí)間距離約束規(guī)則是依據(jù)保護(hù)配置及斷路器開斷電流的時(shí)間來確定。

所形成的部分故障診斷簡(jiǎn)報(bào)見表7。

表7 部分故障診斷簡(jiǎn)報(bào)

Table 7 A part of the brief report of fault diagnosis

5 結(jié) 論

基于規(guī)則網(wǎng)絡(luò)并利用故障錄波信息，提出了高壓線路故障診斷與保護(hù)和斷路器動(dòng)作性能評(píng)價(jià)方法。采用實(shí)際系統(tǒng)的算例分析結(jié)果表明，所提出的方法能準(zhǔn)確診斷高壓線路故障、判別故障類型及故障性質(zhì)，并正確評(píng)價(jià)保護(hù)或斷路器的動(dòng)作性能。這在相當(dāng)程度上克服了僅依賴保護(hù)和斷路器信息進(jìn)行故障診斷時(shí)有可能無法獲得明確診斷結(jié)果的弊端，為對(duì)高壓線路故障進(jìn)行準(zhǔn)確分析提供了新的思路。

本文的研究工作主要針對(duì)線路故障，下一步將引入相量測(cè)量單元、電壓變化量及功率方向變化量等信息，對(duì)模型做進(jìn)一步研究。

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(編輯 張媛媛)

A Rule-Network Based Approach for Fault Diagnosis of HV Transmission Lines and Protection Action Performance Evaluation

LIAO Zhiwei1，YUE Ling2，WEN Fushuan3,4，ZHU Bingquan5，XU Lizhong5

(1. School of Electrical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China;2. State Grid Shandong Zaozhuang Power Supply Company, Zaozhuang 277100, Shandong Province, China;3. School of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;4. Department of Electrical and Electronic Engineering, Institut Teknologi Brunei, Bandar Seri Begawan BE1410, Brunei;5. State Grid Zhejiang Electric Power Corporation, Hangzhou 310007, China)

For the situations of complicated and multiple faults with missing and/or false alarms, it is still a challenging task to develop an accurate approach for fault diagnosis of high-voltage (HV) lines and operating behavior evaluation of protective devices. Given this background, this paper presents a rule-network based approach for this purpose by employing fault recorder data. Firstly, the fault recorder data are pre-processed by using the well-developed wavelet transform to extract the fault characteristics of HV lines from analogue electrical information, and the events of sudden current change and protection action are obtained. On this basis, we construct a rule-network based model for fault diagnosis of HV lines with considering the temporal characteristics of alarm messages, determine the sets of fault hypotheses as well as the expected states of protective relays and circuit breaker, and determine the fault cause and evaluate the performance of protection and circuit breaker with using the causal and temporal relationships between them. In addition, we further analyze the fault recorder to determine the type, characteristics and location of fault. Finally, we adopt actual power system fault cases to demonstrate the proposed method.

high-voltage lines; fault diagnosis; fault recorder information; rule network; wavelet theory

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(863計(jì)劃)(2015AA050202)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目 (20120101110112)；國網(wǎng)浙江省電力公司科研項(xiàng)目 (5211ZD13000R)；國家電網(wǎng)公司總部科技項(xiàng)目 (52110115009Q)

TM 755

A

1000-7229(2016)02-0034-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.02.005

2015-11-09

廖志偉(1973)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)故障診斷、分析以及電力系統(tǒng)智能控制；

岳苓(1983)，女，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)、控制與自動(dòng)化；

文福拴(1965)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電力系統(tǒng)故障診斷、系統(tǒng)恢復(fù)和電力市場(chǎng)、智能電網(wǎng)與電動(dòng)汽車等方面的研究工作；

朱炳銓(1967)，男，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行管理工作；

徐立中(1983)，男，博士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行控制工作。

Project supported by National High Technology Research and Development Program (863 Program) (2015AA050202)；Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (20120101110112)