DQZHAN技術訊：研究：考慮警報冗余和時序特征的電力系統故障診斷解析模型
今天帶給大家的是浙江大學電氣工程學院文福拴教授團隊的研究成果，該文已被IEEE Transaction on Power Systems錄用并在線發表，歡迎品讀。
1.警報信號的冗余和時序特性
當電力系統發生故障時，大量警報信號被上傳至調度中心，由調度人員進行分析和處理。當多臺設備故障、保護/斷路器發生誤動/拒動等復雜故障情形出現時，警報信息會更多，而且繼電保護裝置在電力系統中的冗余化配置使此情況進一步加劇。全球定位系統為警報信號提供了統一的時標信息，在增加系統可觀性的同時，也可能會增加調度人員處理信息的負擔。調度人員要在很短時間內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/誤報和時標錯誤等不確定性因素會干擾調度人員的判斷，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確性。因此，發展可利用警報冗余和時序信息的電力系統故障診斷方法，以輔助調度人員快速診斷故障和誤動/拒動的保護設備，對維持電力系統**穩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系，在利用冗余信息增強診斷準確性的同時，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完全映射具有冗余性的實際繼電保護集合，并應用于故障診斷。虛擬保護和與其對應的實際保護的期望狀態、實際狀態、警報狀態和動作時間集合是相關聯的。
3.故障診斷模型的基本架構
在故障發生后，警報信息(包括實際繼電保護動作警報和斷路器跳閘警報)被上傳到調度中心，作為故障診斷的基礎。所構造的故障診斷模型的基本架構如圖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拓撲結構，確定停電區域，并獲取相應的實際繼電保護、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函數的形成，以及目標函數值的計算等內容。
圖1故障診斷模型的基本架構
4.故障假說和目標函數
1）故障假說
一個精心設計的故障假說首先需要能夠清楚表示“觸發所獲得的警報的事件（故障）或原因”。故障診斷就是要發現與實際故障情況一致的故障假說。其次，所設計的故障假說應能夠有效利用所能獲取的信息，以提高故障診斷的準確性。同時，故障假說應保持簡潔，以壓縮優化問題的求解空間，提高求解效率。本文所定義的故障假說包括以下信息:①失電區域中設備的狀態，即其是否故障;②虛擬繼電保護和斷路器的實際狀態;③警報時標信息的正確性。
2）目標函數
目標函數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。所構建的目標函數由3部分組成，即差異度指標、時序沖突指標和*小集指標。其中,差異度指標反映了保護設備的期望狀態與實際狀態之間，以及實際狀態與警報狀態之間的不一致程度;時序沖突指標反映了故障假說中的時序不一致程度;*小集指標的含義為:在其它指標保持相同的前提下,故障假說中所包含的故障設備的數目越小,其為*優解的可能性越高。
在警報預處理和故障診斷階段,可以對各指標的權重系數進行自適應調整，以提升故障診斷方法的靈活性、適應性和準確性。一般而言，應該對差異度和時序沖突指標給定較大的權重系數,而*小集指標的權重系數可相對較小，以尋求*合理的故障假說。
5.目標函數的計算
1）警報預處理
警報預處理的主要功能是將警報狀態和動作時間集合與相應的保護設備相關聯，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，只有經過過濾、處理并轉換為特定的知識形式，這些特性才能被方便的利用。經過警報預處理環節，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）保護設備動作邏輯
本文對現有的保護設備動作邏輯進行了提煉和**，以便適應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）權重系數調整
前已述及,目標函數中的權重系數的設置具有一定的靈活性，可以針對不同的系統情況和具體案例進行適當調整。調整權重時需要著重考慮兩方面因素：警報信息之間的時序關聯和保護裝置實際狀態之間的邏輯關聯。
4）時序沖突指標的建立
警報序列中的時序信息不僅包含警報之間的關聯特性，也隱含警報之間的時序沖突。當某兩個保護設備動作，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。時序沖突指標具有下述特征：①識別警報信息中的錯誤時標;②抑制誤警報信息對故障診斷結果的影響;③防止故障設備的漏診斷。
時序沖突指標的構建主要包括兩步:①構建時序沖突集;②解決時序沖突。如果能夠識別出某事件警報的時標錯誤，則可解決與該事件相關的時序沖突。故障假說的時序沖突指標越小，則該假說為*優故障假說的可能性越高。
6.算例分析
采用浙江電力系統2009年9月9日發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的電力系統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發生故障。
2）線路L4335兩側主保護動作，分別發送跳閘指令，斷路器C11分閘，斷路器C10拒跳。
3）在線路L4335故障發生后的30ms，線路L4336故障，其兩側主保護動作，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的縱聯保護跳閘閉鎖停信（即“停止發信”），進而導致L4333和L4339線路對側縱聯保護動作，分別跳開斷路器C2和C7。
6）在線路L4335故障發生后的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主保護動作導致與B2-I相鄰線路L4334和L4340的縱聯保護跳閘閉鎖停信，進而導致L4334和L4340線路對側縱連保護動作，分別跳開斷路器C4和C9。
8）*終形成的停電區域如圖2中陰影所示。
表1故障實例警報信息
圖2浙江電力系統局部網絡
采用所提出的方法進行故障診斷的流程如下:
1）首先確定故障發生后的停電區域。該區域內所有設備均為可疑故障設備。
2）識別相關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和動作時間集合。
4）運用相應規則進行權重調整。
5）確定保護和斷路器的期望狀態，進而計算差異度指標。
6）構建時序沖突集,對錯誤時標進行部分枚舉以解決沖突,并確定時序沖突指標。
7）采用遺傳算法和禁忌搜索混合尋優算法求取*優故障假說。
8）基于所獲得的*優故障假說，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果如下：①故障設備:L4335;L4336；B2-I；②保護和斷路器動作評價結果：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。故障診斷結果與實際故障情景一致。
7.結語
為利用警報信息的冗余和時序特性,在現有電力系統故障診斷解析模型的基礎上，構建了新的故障假說模式，更新和增加了故障判據，發展了新的解析模型。該模型除了能夠診斷故障設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。采用實際電力系統的故障案例進行了大量測試，仿真結果表明了所構造的故障診斷模型的正確性和有效性。
