DQZHAN技术讯：研究：考虑警报冗余和时序特征的电力系统故障诊断解析模型
今天带给大家的是浙江大学电气工程学院文福拴教授团队的研究成果，该文已被IEEE Transaction on Power Systems录用并在线发表，欢迎品读。
1.警报信号的冗余和时序特性
当电力系统发生故障时，大量警报信号被上传至调度中心，由调度人员进行分析和处理。当多台设备故障、保护/断路器发生误动/拒动等复杂故障情形出现时，警报信息会更多，而且继电保护装置在电力系统中的冗余化配置使此情况进一步加剧。全球定位系统为警报信号提供了统一的时标信息，在增加系统可观性的同时，也可能会增加调度人员处理信息的负担。调度人员要在很短时间内处理大量警报信号并充分利用其中有效信息进行分析决策，压力很大，非常困难。此外，警报的漏报/误报和时标错误等不确定性因素会干扰调度人员的判断，增加故障诊断的难度。充分利用警报冗余信息和时序信息，可提高故障诊断的准确性。因此，发展可利用警报冗余和时序信息的电力系统故障诊断方法，以辅助调度人员快速诊断故障和误动/拒动的保护设备，对维持电力系统**稳定运行具有重要意义。
2.虚拟继电保护和实际继电保护的映射
本文基于虚拟保护装置和实际保护装置之间存在的映射关系，在利用冗余信息增强诊断准确性的同时，提高诊断效率。虚拟继电保护用于合并针对相同位置或设备并具有功能的实际继电保护，并继承后者的功能;合并时可以保留警报的冗余和时序信息，并压缩所建解析模型的求解空间，提高诊断的准确性和计算效率。通过对冗余信息的处理，虚拟继电保护集合能够以较少的元素个数完全映射具有冗余性的实际继电保护集合，并应用于故障诊断。虚拟保护和与其对应的实际保护的期望状态、实际状态、警报状态和动作时间集合是相关联的。
3.故障诊断模型的基本架构
在故障发生后，警报信息(包括实际继电保护动作警报和断路器跳闸警报)被上传到调度中心，作为故障诊断的基础。所构造的故障诊断模型的基本架构如图1所示。首先，利用实时拓扑分析模块识别故障前后的电力系统拓扑结构，确定停电区域，并获取相应的实际继电保护、虚拟继电保护和断路器集合。下面依次介绍故障假说和目标函数的形成，以及目标函数值的计算等内容。
图1故障诊断模型的基本架构
4.故障假说和目标函数
1）故障假说
一个精心设计的故障假说首先需要能够清楚表示“触发所获得的警报的事件（故障）或原因”。故障诊断就是要发现与实际故障情况一致的故障假说。其次，所设计的故障假说应能够有效利用所能获取的信息，以提高故障诊断的准确性。同时，故障假说应保持简洁，以压缩优化问题的求解空间，提高求解效率。本文所定义的故障假说包括以下信息:①失电区域中设备的状态，即其是否故障;②虚拟继电保护和断路器的实际状态;③警报时标信息的正确性。
2）目标函数
目标函数反映故障假说的置信度，其取值越小则故障假说的置信度越高。所构建的目标函数由3部分组成，即差异度指标、时序冲突指标和*小集指标。其中,差异度指标反映了保护设备的期望状态与实际状态之间，以及实际状态与警报状态之间的不一致程度;时序冲突指标反映了故障假说中的时序不一致程度;*小集指标的含义为:在其它指��保持相同的前提下,故障假说中所包含的故障设备的数目越小,其为*优解的可能性越高。
在警报预处理和故障诊断阶段,可以对各指标的权重系数进行自适应调整，以提升故障诊断方法的灵活性、适应性和准确性。一般而言，应该对差异度和时序冲突指标给定较大的权重系数,而*小集指标的权重系数可相对较小，以寻求*合理的故障假说。
5.目标函数的计算
1）警报预处理
警报预处理的主要功能是将警报状态和动作时间集合与相应的保护设备相关联，保存原始警报的时序信息和冗余信息，为下一步的故障诊断做好准备。时序信息和冗余特性是原始警报信息的两个重要特性。不过，只有经过过滤、处理并转换为特定的知识形式，这些特性才能被方便的利用。经过警报预处理环节，冗余的原始警报信息将被压缩和整合，以便在故障诊断过程中被更好的利用。
2）保护设备动作逻辑
本文对现有的保护设备动作逻辑进行了提炼和**，以便适应不同的保护配置和运行方式。主要包括：①在主保护动作逻辑中考虑了纵联保护策略的影响；②将近后备保护和远后备保护的动作逻辑进行了重新梳理，并整合为通用的后备保护动作逻辑，以便考虑不同保护之间的配合；③重新设计了断路器失灵保护的动作逻辑，以便考虑不同的运行方式。
3）权重系数调整
前已述及,目标函数中的权重系数的设置具有一定的灵活性，可以针对不同的系统情况和具体案例进行适当调整。调整权重时需要着重考虑两方面因素：警报信息之间的时序关联和保护装置实际状态之间的逻辑关联。
4）时序冲突指标的建立
警报序列中的时序信息不仅包含警报之间的关联特性，也隐含警报之间的时序冲突。当某两个保护设备动作，但它们的警报之间的时间差不匹配时，则有可能存在时间冲突。时序冲突指标具有下述特征：①识别警报信息中的错误时标;②抑制误警报信息对故障诊断结果的影响;③防止故障设备的漏诊断。
时序冲突指标的构建主要包括两步:①构建时序冲突集;②解决时序冲突。如果能够识别出某事件警报的时标错误，则可解决与该事件相关的时序冲突。故障假说的时序冲突指标越小，则该假说为*优故障假说的可能性越高。
6.算例分析
采用浙江电力系统2009年9月9日发生的实际故障案例对所提出的故障诊断模型进行验证。与该实际故障案例相关的电力系统接线图和警报信息分别如图2和表1所示。故障案例表述如下:
1）线路L4335发生故障。
2）线路L4335两侧主保护动作，分别发送跳闸指令，断路器C11分闸，断路器C10拒跳。
3）在线路L4335故障发生后的30ms，线路L4336故障，其两侧主保护动作，分别跳开断路器C12和C13。
4）断路器C10的失灵保护动作，跳开与B1-I相邻的断路器C3、C6、C14和C15。
5）断路器失灵保护动作引起与B1-I相邻的线路L4333和L4339的纵联保护跳闸闭锁停信（即“停止发信”），进而导致L4333和L4339线路对侧纵联保护动作，分别跳开断路器C2和C7。
6）在线路L4335故障发生后的340ms，母线B2-I故障，其主保护动作，跳开断路器C1、C5、C8和C16。
7）母线B2-I主保护动作导致与B2-I相邻线路L4334和L4340的纵联保护跳闸闭锁停信，进而导致L4334和L4340线路对侧纵连保护动作，分别跳开断路器C4和C9。
8）*终形成的停电区域如图2中阴影所示。
表1故障实例警报信息
图2浙江电力系统局部网络
采用所提出的方法进行故障诊断的流程如下:
1）首先确定故障发生后的停电区域。该区域内所有设备均为可疑故障设备。
2）识别相关的实际继电保护和断路器。将实际继电保护映射为虚拟继电保护,在此基础上确定故障假说的基本形式。
3）对获取的警报进行匹配，以判定保护和断路器的警报状态和动作时间集合。
4）运用相应规则进行权重调整。
5）确定保护和断路器的期望状态，进而计算差异度指标。
6）构建时序冲突集,对错误时标进行部分枚举以解决冲突,并确定时序冲突指标。
7）采用遗传算法和禁忌搜索混合寻优算法求取*优故障假说。
8）基于所获得的*优故障假说，对保护和断路器的运行行为和收到的警报信息进行评价。
*终得到的故障诊断结果如下：①故障设备:L4335;L4336；B2-I；②保护和断路器动作评价结果：C10断路器拒动；③警报评价：警报“塘岭变C10断路器跳闸(160ms)”误报；警报“塘岭变L4335主保护动作”漏报。故障诊断结果与实际故障情景一致。
7.结语
为利用警报信息的冗余和时序特性,在现有电力系统故障诊断解析模型的基础上，构建了新的故障假说模式，更新和增加了故障判据，发展了新的解析模型。该模型除了能够诊断故障设备和识别误动或拒动的保护与断路器之外，还可判断漏报、误报或时标错误的警报。同时，通过利用冗余和时序信息，故障诊断模型的容错性和实用性得到了提升。采用实际电力系统的故障案例进行了大量测试，仿真结果表明了所构造的故障诊断模型的正确性和有效性。
