專利名稱：基于五層三區式因果規則網的區域電網故障診斷方法
技術領域：
本發明涉及電網調度與故障分析領域，特別涉及一種電網故障診斷方法。
背景技術：
電網故障診斷就是利用SCADA中的保護、開關的動作信息，結合繼電保護原理來識別故障元件和拒動、誤動的保護與開關。目前，電力系統故障診斷方法主要有專家系統、 Petri網、優化解析法、貝葉斯網絡、D-S證據融合等。但是在某些情況下由于保護與開關的誤動、拒動及信息丟失等不確定性因素的存在，使得上述的故障診斷方法很難得到正確的診斷結果。由于因果規則網能夠準確地反映故障元件與故障候選原因，故障候選原因與保護、開關動作之間的因果關系，具有描述簡潔直觀、模型復雜度低、推理求解速度快等優點， 已用于電網故障診斷中。然而現有基于因果規則網的電網故障診斷方法只利用本站的保護與開關動作信息，易受單側保護誤動影響而錯判正常線路為故障。已有因果規則網缺少在各故障候選原因之間建立約束關系，在其完成推理后，會得到幾個發生概率相同或相近的候選原因，增加了從多個候選原因中判斷出真正故障原因的難度。在確定故障元件后檢測誤動的保護與開關的正向推理中，以往的方法多是直接去找誤動元件，這樣做有以下不足當有兩條相鄰線路(Lm、Ln)故障時，故障線路Lm的一段、二段保護拒動，三段保護作為本線路的遠后備保護正確動作并跳閘；但是，在相鄰元件Ln的正向推理中，Ln的主保護正確動作并跳閘，那么Lm的三段保護作為Ln的遠后備保護就屬于誤動。這樣，已有方法就會出現Lm的三段保護動作在兩條線路的判斷中一個是正確動作、一個是誤動的矛盾結論。為此，本專利給出的一種基于集合運算的判斷保護與開關誤動、拒動的方法解決了此問題。相關背景技術文獻包括[l]ffen-Hui Chen, Chih-ffen Liu, Men-Shen Tsai. On-Line Fault Diagnosis of Distribution Substations Using Hybrid Cause-Effect Network and Fuzzy Rule-Based Method. IEEE Transactions on Power Delivery,2000,15(2) :710-717.[2]童曉陽.基于分層因果規則網和模糊可信度的變電站報警評估方法.電力系統自動化，2011，；35(5) :36-40.[3]韋劉紅，郭文鑫，文福拴，廖志偉，辛建波.數字化變電站在線智能警報處理系統·電力系統自動化，2010，34 (18) :39-45.[4]許方榮，秦立軍，章廣清.基于事件樹和混合C-E Nets相結合的變電站報警信息處理.2007中國繼電保護及自動化行業年會論文集137-141.[5]呂鵬.基于混合因果網絡的配電變電站故障診斷的研究.天津大學碩士學位論文· 2004.[6]孫雅明，呂鵬.基于混合因果網絡的配電變電站故障診斷.電力系統自動化， 2004,28(13) :26-30.
發明內容
鑒于現有技術的以上不足，本發明的目的是提供一種基于五層三區式因果規則網的區域電網故障診斷方法，使之克服了已有技術中僅利用本站信息、易受單側保護誤動影響、可能錯判正常線路為故障等問題。本發明的方法更清楚地表達了不同候選原因之間的約束關系，更容易突出和確定故障原因。本發明所使用的方法為基于五層三區式因果規則網的區域電網故障診斷方法，從電網數據采集與監控系統SCADA中獲取保護與開關的動作信息，利用這些故障征兆信號，運用五層三區式因果規則網進行反向推理，通過概率計算追溯出可能的故障候選原因，從中確定真正的故障原因， 進而找到故障元件，依以下主要步驟進行診斷檢測步驟1，針對電網中的每一個元件，建立五層三區式診斷因果規則網的子網模型， 即存儲建立故障元件層、候選原因層、動作條件層、保護動作層和開關動作層的五層結構， 針對線路，利用單側及其相鄰線路的保護與開關的動作信息，分別建立線路的左、右兩側診斷區，再加入中間診斷輔助區，所述中間診斷輔助區可向左、右兩側診斷區分別傳遞線路對側的診斷概率；步驟2 獲得來自SCADA系統中保護與開關的動作信息后，先由開關動作信息判斷出故障區域，將故障區域中的元件列為疑似故障元件。針對動作了的保護與開關，為其在因果規則網中對應的保護動作節點、開關動作節點，賦予動作概率值0. 95，而其它未動作的保護動作節點、開關動作節點賦概率值0. 05。步驟3 對于列出的疑似故障元件的所有候選原因，通過收集到的保護與開關動作信息，對每個候選原因進行路徑計算的啟動判斷，得到疑似故障元件中需要計算的候選原因。候選原因路徑計算的啟動判據為該候選原因的下屬3層節點中有三分之二數量以上的節點動作時，該候選原因的路徑計算才啟動。其中需特別注意的是，這時“與”節點、 “或”節點及其子節點共同算做一個節點。步驟4:對于已啟動的候選原因，先分別計算其各子路徑的概率，然后再將各子路徑的概率值與其權值的乘積相加，合成得到該候選原因的故障概率。通過指向中間診斷輔助區中的LiLw或LiRw節點的子路徑，可將對側的故障信息引入到本側故障概率計算中。步驟5 當候選原因的故障概率計算完成后，同時滿足下列要求的候選原因成為故障原因(1)其故障概率值大于閥值0. 75 ； (2)其故障概率值大于本元件中已啟動的其它候選原因節點的故障概率值。故障原因所對應的元件確定為故障元件。如果某個疑似元件的所有候選原因均小于閥值0. 75，則表明該元件不故障。故障原因所對應的元件確定為故障元件。然后計算故障元件的故障概率，對于母線，取故障原因的概率值作為母線元件的故障概率；對于線路，取左、右兩側的兩個故障原因中最大值作為該線路元件的故障概率。步驟6 當獲得故障原因及其故障元件后，通過以下兩條規則獲得誤動或拒動的保護和開關動作情況(1)部分拒動信息已經暗含在不同候選原因之間的約束關系中，如附圖2中母線Bl的候選原因Blb (表示Bl故障，主保護拒動，母線所連線路的遠后備動作) 成為故障原因，就表明母線的主保護拒動。(2)通過多個集合的運算，得到“誤動保護與開關集合”。設故障信息中“已動作保護與開關集合”為{A}。在所有的故障原因的路徑中，如有保護或開關動作節點不動作，則判為該節點拒動，加入“拒動保護與開關集合” {R}；除去拒動的保護外，所有故障原因的路徑中含有的保護節點為正確動作，存入“正確動作保護集合” {P}，將所有的故障原因的路徑中，與集合{P}中保護節點相連的動作了的開關存入“正確動作開關集合” {B}。這樣可得到了“誤動保護與開關集合” {Μ}，{Μ} = {A}-{P}_{B}。步驟7 輸出步驟5中得出的故障元件及其故障概率，輸出步驟6中誤動保護與開關集合、拒動保護與開關集合，即集合{M}與{R}。該診斷流程如附圖3所示。采用如上的方法，構建了一種新型的五層三區式因果規則網用于電網故障診斷。 根據保護原理，建立了故障元件層、候選原因層、動作條件層、保護動作層和開關動作層的五層結構。針對線路，利用單側及其相鄰線路的保護與開關的動作信息，分別建立線路的左、右兩側診斷區，再加入中間診斷輔助區，它可向左、右兩側診斷區分別傳遞線路對側的診斷概率，有效地解決了已有技術中僅利用本站信息、易受單側保護誤動影響、錯判正常線路為故障等問題。模型中的動作條件層，能夠更清楚地表達了不同候選原因之間的約束關系，更容易突出和確定故障原因。該五層三區式因果規則網結構清晰、物理含義明確，可進行圖形化表達，直觀性很強，便于理解，能夠識別出多重故障的發生。
圖1為本發明實施例中Ll的因果規則網網絡圖。圖2為本發明實施例中Bl的因果規則網網絡圖。圖3為基于五層三區式因果規則網的區域電網故障診斷流程圖。圖4為本發明實施例局部電力系統繼電保護示意圖。圖5為本發明實施例候選原因LlLa的路徑計算示意圖。圖6為本發明實施例候選原因LlRw的路徑計算示意圖。圖7為本發明實施例候選原因LlLd的路徑計算示意圖。
具體實施例方式1.五層三區式因果規則網模型的構造方法(1)五層三區式因果規則網的模型結構這里以一個局部電力系統繼電保護網絡為例(如附圖4所示)，對其中元件L1、B1 建立五層因果規則網模型，如附圖1、2所示。附圖4中的觀個元件依次為母線Al A4， Bl B8 ；變壓器Tl T8 ；線路Ll L8。元件中L、R分別表示元件的左側和右側。m為主保護，P為近后備保護，s為遠后備保護。該網絡模型縱向分故障元件層、故障候選原因層、動作條件層、保護動作層和開關動作層五層。(1)故障元件層是指電網中所有的元件Fi，具體分為線路Li、母線Bi等。特別地對于線路，在Li下設兩個子節點LiL和LiR，分別表示線路左側和線路右側的診斷情況。(2)候選原因層是指元件故障時可能的故障候選原因。線路LiL(Li左側)的故障候選原因有5種組合LiLa (線路Li故障，主保護動作，開關正常動作)、LiLb (線路Li故障，主保護拒動，近后備保護動作，開關正常動作)、LiLc (線路Li故障，主保護與近后備保護拒動，遠后備保護動作，開關正常動作)、LiLd (線路Li故障，主保護與近遠后備拒動，相鄰元件的遠后備動作)、LiLe (線路Li故障，開關拒動，相鄰元件的遠后備動作)。LiR(Li 右側)與LiL類似。母線Bi的故障候選原因有3種組合Bia (Bi故障，母差主保護動作，各開關正常動作)、Bib (Bi故障，母差主保護拒動，母線所連各線路的遠后備動作)、Bic (Bi故障，母差主保護動作而某個或某些開關拒動，母線所連某個或某些線路的遠后備動作)。根據拒動的開關，又可將Bic分為若干子原因。有η個開關可能會拒動，每一個拒動開關對應一個子原因，分別為Bicl-Bicn。各子原因之間是“或”的關系，意味著會有一個或多個子原因同時成為故障候選原因。附圖2中用“OR”來表示“或”節點當它指向的子節點中有一個動作時， 該節點就動作。故障元件可包含多個候選原因，它們之間滿足以下關系若某元件發生故障，有且只有一個候選原因成為故障原因。(3)動作條件層的作用是如果某個候選原因滿足動作條件，則它成為故障原因的概率將增加，反之則下降。因為每個候選原因的動作條件是“互斥”的，所以加入動作條件層帶來的好處是使故障原因的概率增大，而抑制其他候選原因的故障概率。附圖1、2中“與”節點(“AND”)表示當它指向的下屬所有節點都動作時，該節點才動作。附圖1、2中如ETI^這類在保護或開關的名稱上加一條橫線的節點，本文命名為 “保護動作取反節點”，在SCADA的故障信息報文中如果該類節點對應的保護或開關不動作， 則該節點才視為動作。以附圖1中候選原因LlLb為例，它指向的動作條件層的節點有ETI^ (Li左側主保護不動作時，該節點視為動作)和LIRw。LlRw表示線路右側的故障概率信息，它通過一個“或”節點與LlRa' -LlRe'相連，LlRa'與Ll右側診斷區的候選原因LlRa的唯一區別是其不指向中間診斷輔助區節點LILw，只指向保護動作層的節點(如LlRm節點)。所以 LlLb的動作條件為“當Ll左側主保護不動作，并且Ll右側有故障征兆(即LlRw動作了， 有動作概率)”，這與LlLb的定義“線路Ll故障，主保護拒動，近后備保護動作，開關CB7正常動作”是相符的。(4)保護動作層與開關動作層對應各元件下的保護和開關設備。在故障候選原因 C與保護動作A之間、保護動作A與開關動作X之間有如下因果關系1個故障候選原因Ci 引發多個保護動作。一個保護動作％可能由多個故障候選原因引發，而一個保護動作可有一個或多個開關跳閘與之對應。在橫向，線路Li可被分成三個區，左側診斷區LiL、右側診斷區LiR和中間診斷輔助區。中間診斷輔助區中包含兩個節點LiLw和LiRw，構造它們，目的是將對側信息引入到本側的故障診斷中，便可以有效地避免因單側保護與開關誤動而帶來的線路故障誤判情況。(2)五層三區式因果規則網模型的候選原因路徑計算方法—條候選原因路徑以某個候選原因為起點，包含該候選原因指向的所有動作條件、保護和開關。對候選原因層的節點，當計算概率值大于0. 75時，該候選原因為動作。 對于動作條件層、保護動作層和開關動作層中的各節點，若其動作，則賦予概率值0. 95 ；否則，賦予概率值0.05。對“與”節點、“或”節點，要注意的是它與其下屬所有子節點構成一個節點。以附圖1中LlRw指向的“或”節點ORl為例，它與線路對側候選原因LlRa' -LlRe' 共同構成了一個節點，當LlRa' -LlRe'五個節點中至少有一個為真時，該共同構成的節點ORl的動作概率值賦為0. 95，否則賦為0. 05。以Blm指向的“與”節點ANDl為例，它與 CB4、CB5、CB6、CB7、CB9共同構成了一個節點，當CB4、CB5、CB6、CB7、CB9這五個節點都動作時，該共同構成的節點ANDl動作，賦動作概率值為0. 95，否則為0. 05。以附圖1、2中的L1、B1為例，說明候選原因的故障概率計算方法。在Ll中，LlLa的路徑計算如下=LlLa是LlL的一條候選原因路徑，如圖5所示。 該候選原因路徑又分為兩條可達子路徑，一條由LlLa指向保護動作層，另一條由LlLa指向中間診斷輔助區的LIRw，這里為第一條子路徑賦權值為0. 55，為第二條子路徑賦權值為 0.45。子路徑賦權值的依據為認為本側主保護正確動作的可信度較高一些。LlRw具體的表示如附圖6，判斷LlRw是否動作的方法是依次計算線路對側候選原因LlRa' -LlRe'的概率值，當其中一個概率值大于0. 75時，則認為該對側候選原因節點動作，為簡便計算過程，不再計算剩余對側候選原因的概率，并認為LlRw動作，并賦予LlRw 的動作概率為0. 95。候選原因總有至少一條可達子路徑指向保護層節點，而保護動作又引發開關跳閘，這兩個環節缺一不可，而繼電保護中故障引發保護動作的這個環節更重要，因此為候選原因指向保護動作層節點的子路徑、保護動作層節點指向開關動作層節點的子路徑，分別賦予不同的權值PCl，PC2 (0. 54，046)。于是，計算LlLa 的概率值為 PL1La = 0. 55X [PC1XPui^PC2XPcb7HO. 45XPliew0LlLd有多條候選原因子路徑，如附圖7所示。該候選原因路徑分為七條可達子路徑，一條指向本側區的動作條件層的AND2，一條指向中間診斷輔助區LIRw，其余五條指向保護動作層節點。我們認為指向保護動作層節點的五條子路徑彼此是平等的，所以求取它們的平均值，然后為指向AND2的子路徑賦權值為0. 3，為指向LlRw的子路徑賦權值為 0. 35，為指向保護動作層節點的五條子路徑的平均值賦權值為0. 35。計算LlLd 的概率值為 PL1Ld = 0. 3 X PAND2+0. 35 X PL1Ew+0. 35 X [ (PC1X PL3Es+PC2 X PCB2 8) + (PC1X Ptils+PC2 X Pcb2) + (PC1X PT2Ls+PC2 X PCB3) + (PC1X PL4Es+PC2 X PCB27) + (PC1X PL2Rs+PC2 X Pc B12) ] /5 °2、基于五層三區式因果規則網的故障診斷方法步驟1 針對電網中的每一個元件，建立五層三區式診斷因果規則網的子網模型， 加以存儲。步驟2 獲得來自SCADA系統中保護與開關的動作信息后，先利用已跳開的開關位置信息判斷出故障區域，將故障區域中的元件列為疑似故障元件。針對動作了的保護與開關信息，為其在因果規則網中對應的保護動作節點、開關動作節點，賦予動作的概率值。步驟3 對于列出的疑似故障元件的所有候選原因，通過收集到的保護、開關動作信息，對每個候選原因進行路徑計算的啟動判斷，得到疑似故障元件中需要計算的候選原因。步驟4:對于疑似故障元件中需要計算的候選原因，先分別計算其各子路徑的概率，然后再將各子路徑的概率值與其權值的乘積相加，合成得到該候選原因的故障概率。
步驟5 當候選原因的故障概率計算完成后，同時滿足下列要求的候選原因成為故障原因(1)其故障概率值大于閥值；(2)其故障概率值大于本元件中已啟動的其它候選原因節點的故障概率值。故障原因所對應的元件確定為故障元件。然后再計算故障元件的故障概率。如果某個疑似元件的所有候選原因均小于閥值，則表明該元件不故障。步驟6 當獲得故障原因及其故障元件后，通過以下兩條規則獲得誤動或拒動的保護與開關動作情況(1)部分拒動信息已經暗含在不同候選原因之間的約束關系中。(2) 通過多個集合的運算，得到誤動保護與開關集合、拒動保護與開關集合。步驟7 輸出步驟5中得出的故障元件及其故障概率，輸出步驟6中誤動保護與開關集合、拒動保護與開關集合。與現有技術相比，本發明的優點是明顯的1.根據電網結構、保護原理，構建了五層三區式因果規則電網故障診斷網，它包括故障元件、故障候選原因、動作條件、保護動作及開關動作共五層，充分利用了線路對側及其相鄰線路的保護與開關動作信息，將因果規則網劃分為左側診斷區、右側診斷區和中間診斷輔助區三個區，建立各層、各區之間的因果關系，該因果規則網的結構清晰、物理含義明確，可圖形化表達。2.在傳統因果規則網中加入“與”、“或”、“取反”三類邏輯節點，使網絡在解釋多個候選原因之間的約束關系時更加精確，推理能力更強。3.本發明提出了新的保護與開關的誤動、拒動判斷方法。在得到故障元件及其故障原因后，可直接判斷正確動作和拒動的保護與開關，進而用已動作保護與開關集合減去正確動作保護與開關集合，就得到了誤動保護與開關集合。該方法避免了在不同電氣元件的正向推理時，一個保護或開關既被判為誤動、又被判為正常動作的矛盾情況。4.本方法有別于傳統因果規則網的元件、原因、保護、開關四層結構，提出構造動作條件層和中間診斷輔助區。通過動作條件層中的邏輯“與，，節點使得各候選原因彼此約束和獨立，通過邏輯“或”節點反映對側各種故障征兆對本側診斷的影響，避免了受單側保護誤動、錯判正常線路為故障的情況。
權利要求
1.基于五層三區式因果規則網的區域電網故障診斷方法，從電網數據采集與監控系統 SCADA中獲取保護與開關的動作信息，利用這些故障征兆信號，運用五層三區式因果規則網進行反向推理，通過故障概率計算追溯出可能的故障候選原因，從中確定真正的故障原因， 進而找到故障元件，依據以下主要步驟進行診斷檢測步驟1，針對電網中的每一個元件，建立五層三區式診斷因果規則網的子網模型，即存儲建立的故障元件層、候選原因層、動作條件層、保護動作層和開關動作層的五層結構，針對線路，利用單側及其相鄰線路的保護與開關的動作信息，分別建立線路的左、右兩側診斷區，再加入中間診斷輔助區，所述中間診斷輔助區可向左、右兩側診斷區分別傳遞線路對側的診斷概率；步驟2 獲得來自SCADA系統中保護與開關的動作信息后，先由開關動作信息判斷出故障區域，將故障區域中的元件列為疑似故障元件；針對動作了的保護與開關，為其在因果規則網中對應的保護動作節點、開關動作節點，賦予動作概率值0. 95，而其它未動作的保護動作節點、開關動作節點賦概率值0. 05 ；步驟3 對于列出的疑似故障元件的所有候選原因，通過收集到的保護與開關動作信息，對每個候選原因進行路徑計算的啟動判斷，得到疑似故障元件中需要計算的候選原因； 候選原因路徑計算的啟動判據為該候選原因的下屬3層節點中三分之二數量以上的節點動作時，該候選原因的路徑計算才啟動，這時“與”節點、“或”節點及其子節點共同算做一個節點。 步驟4:對于已啟動的候選原因，先分別計算其各子路徑的概率，然后再將各子路徑的概率值與其權值的乘積相加，合成得到該候選原因的故障概率；通過指向中間診斷輔助區中的LiLw或LiRw節點的子路徑，將對側的故障信息引入到本側故障概率計算中；步驟5 當候選原因的故障概率計算完成后，同時滿足下列要求的候選原因成為故障原因(1)其故障概率值大于閥值0. 75 ； (2)其故障概率值大于本元件中已啟動的其它候選原因節點的故障概率值；故障原因所對應的元件確定為故障元件，如果某個疑似元件的所有候選原因均小于閥值0. 75，則表明該元件不故障；將故障原因對應的元件確定為故障元件，然后計算故障元件的故障概率；對于母線，取故障原因的概率值作為母線元件的故障概率，對于線路，取左、右兩側的兩個故障原因中最大值作為該線路元件的故障概率；步驟6 當獲得故障原因及其故障元件后，通過以下兩條規則獲得誤動或拒動的保護和開關動作情況(1)部分拒動信息已經暗含在不同候選原因之間的約束關系中；(2)通過多個集合的運算，得到保護與開關誤動集合；步驟7 輸出步驟5中得出的故障元件及其故障概率，輸出步驟6中誤動保護與開關集合、拒動保護與開關集合。
全文摘要
本發明公開了一種基于五層三區式因果規則網的區域電網故障診斷方法，可對SCADA系統中的保護、開關動作信息進行反向推理，追溯出故障原因，進而確定故障元件。然后對故障原因進行正向推理，檢測出誤動、拒動的保護與開關集合。本發明所建五層三區式因果規則網的結構清晰、物理含義明確，可進行圖形化表達，直觀性很強，便于理解。在判斷誤動、拒動的保護與開關時，通過多個集合的運算，簡單快速。本發明通過構造動作條件層來使得各候選原因彼此約束，通過構造中間診斷輔助區，反映線路對側的各種故障征兆對本側的影響，加強了本側故障診斷的準確性。
文檔編號H02H7/26GK102156240SQ20111012382
公開日2011年8月17日 申請日期2011年5月13日 優先權日2011年5月13日
發明者孫明蔚, 童曉陽 申請人:西南交通大學