電力系統(tǒng)故障的時序特性

0基于因果網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法

對故障后電網(wǎng)的快速恢復(fù)和系統(tǒng)故障的穩(wěn)定運(yùn)行和故障后可靠性的快速恢復(fù)具有重要意義。

迄今為止，國內(nèi)外已提出多種電力系統(tǒng)故障診斷方法,如專家系統(tǒng)、解析模型、Petri網(wǎng)、

人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、因果網(wǎng)絡(luò)等。專家系統(tǒng)應(yīng)用于電力系統(tǒng)故障診斷已有接近30年的歷史，

但仍存在知識庫維護(hù)困難、推理時間長等缺陷。基于解析模型方法的難點(diǎn)在于如何構(gòu)造故

障診斷的數(shù)學(xué)模型，尤其是如何適當(dāng)描述故障的演變過程?；赑elri網(wǎng)的方法在處理復(fù)

雜電力系統(tǒng)的故障診斷時,會出現(xiàn)關(guān)聯(lián)矩陣維數(shù)過大的問題?；谌斯ど窠?jīng)元網(wǎng)絡(luò)的方法，

則存在學(xué)習(xí)算法收斂速度過慢，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時需要重新訓(xùn)練的問題,而且對診斷結(jié)果

的解釋能力差。

電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，故隙設(shè)備和警報信息在邏輯上存在因果關(guān)系,這與因果網(wǎng)絡(luò)(cause-

effectnet,CEN)的知識表示方式有很好的對應(yīng)關(guān)系。文獻(xiàn)［9-10］針對配電變電站,提出了

一種基于因果網(wǎng)絡(luò)的識別故障饋線的方法。該方法描述了設(shè)備故障與保護(hù)和斷路器動作之

間的邏輯關(guān)系,利用保護(hù)和斷路器狀態(tài)信息進(jìn)行故隙診斷。這種方法可以較好地解耕故障

演變過程,并具有推理速度快、數(shù)據(jù)庫維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),具有良好的在線應(yīng)用前景。文獻(xiàn)對

文獻(xiàn)的方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出一種基于因果網(wǎng)絡(luò)的輸電系統(tǒng)故障診斷方法;該方法首先利用

因果網(wǎng)絡(luò)牛.成關(guān)聯(lián)矩陣R,然后通過關(guān)聯(lián)矩陣與故障真值狀態(tài)向量T、故障節(jié)點(diǎn)向量F之間

的邏輯運(yùn)算推斷出故障元件。

在實(shí)際電力系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(SCADA)系統(tǒng)采集的保護(hù)和斷路器狀態(tài)信息可能出現(xiàn)誤

報和漏報等不確定性情況,此時文獻(xiàn)［9T1］中的向量T將出現(xiàn)錯誤,從而影響最終故障診斷

結(jié)果?；谌蚨ㄎ幌到y(tǒng)(GPS)對時的事件順序記錄(S0E)信息,能夠以亳秒級的分辨沃識

別事件發(fā)生時間和設(shè)備狀態(tài)變化的先后順序，這為利用警報的時序信息提供了客觀條件。

文獻(xiàn)［13T4］分析了警報信息的時序特性,建立了能夠處理警報時序信息的故障診斷模型。

在復(fù)雜故障的情況下,所述方法能夠得到更為明確的診斷結(jié)果。文獻(xiàn)研究了事件發(fā)生時間

的不確定性問題,并構(gòu)造了基于時序約束網(wǎng)絡(luò)的故障診斷模型,可在相當(dāng)程度上避免文獻(xiàn)

［13T4］中的方法要求對時間進(jìn)行精確定義的缺點(diǎn)。但是,該方法在利用正向推理得到期望

警報信息的過程中，需不斷搜索規(guī)則庫并與實(shí)際收到的警報序列信息進(jìn)行匹配運(yùn)算,這對于

復(fù)雜故障場景計算量較大,

在上述背景下，針對輸電系統(tǒng)提出了一種能夠利用警報時序信息的時序因果網(wǎng)絡(luò)(temporal

cause-effectnot,TCEN)故障診斷方法。所提出的方法能夠較好地處理警報誤報或漏報、

保護(hù)或斷路器誤動或拒動等不確定情況,具備較好的容錯性,且能夠較好地解釋故障演變過

程。

1電氣量正常運(yùn)行

前已述及，電力系統(tǒng)發(fā)生故障時的警報信息(事件)具有時序特性。首先，設(shè)備故障使得電氣

量發(fā)生變化,之后是保護(hù)裝置動作,最后是斷路器跳閘。電力系統(tǒng)發(fā)生復(fù)雜故障時.，警報信

息的時序特性是分析故障原因、故障演變過程及評價保護(hù)和斷路器動作行為的重要依據(jù)。

迄今為止，在利用警報信息時序特性的故障診斷方面已取得了一些初步成果。

1.1類型內(nèi)各預(yù)報事件的出現(xiàn)時段

在實(shí)際系統(tǒng)中,保護(hù)和斷路器動作在觸發(fā)、整定或動作環(huán)節(jié)都可能存在一定的延時誤差。

因此相對于故障發(fā)生時刻:各警報事件的出現(xiàn)時刻應(yīng)該在一定區(qū)間之內(nèi)。為表述方便，定義

TBEG(mi)為警報事件mi的發(fā)生時刻,TCONS(mi)為mi發(fā)生時刻的時間點(diǎn)約束，tDIST(mi,mj)

表示mi和mj這2個關(guān)聯(lián)事件先后出現(xiàn)的時間區(qū)間約束。

1.2保護(hù)時間的估計

保護(hù)動作事件的時間點(diǎn)約束可以由保護(hù)動作時間整定值估算。假設(shè)某保護(hù)P的時間整定值

為tP,故障發(fā)生于tO時刻,則考慮實(shí)際運(yùn)行的時間誤差tP之后(TP為整定時間的一定比

例)，可以估算該保護(hù)事件的時間點(diǎn)約束為：

例如：線路I.的后備保護(hù)rh動作整定值為1000m：假設(shè)故障發(fā)生于0時刻，加果考慮±5%的

時間誤差(TP=50ms),則可確定TCONS(Pb)=mso

設(shè)備故障事件mi與保護(hù)動作事件mj的時間區(qū)間約束為：

1.3保護(hù)動作事件的區(qū)間約束

斷路器動作事件的時間點(diǎn)約束可由斷路器分閘時間估算。假設(shè)某斷路器C的分閘時間為tc,

觸發(fā)斷路器的保護(hù)動作時刻為11,則考慮實(shí)際運(yùn)行的時間誤差I(lǐng)C后,可估算該斷路器事件

的時間點(diǎn)約束為：

保護(hù)動作事件mi引發(fā)斷路器動作事件mj的時間區(qū)間約束為：

1.4tbegmi

警報事件的時序特性必須滿足一致性約束,如卜.式所示：

式(1)表示:若事件mi發(fā)生于TBEG(mi),則事件m.j的發(fā)生時刻TBEG(mj)須滿足時間點(diǎn)約束,

即TBEG(mj)e(TBEG(mi)+tDIST(mi,mj))o若實(shí)際收到的警報事件mj的發(fā)生時刻TBEG(mj)

不滿足式(1),則稱mj不滿足時序特性一致性約束，屬于錯誤警報信息。

2cen的基本原則

2.1節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)關(guān)系

CEN是一種可用于描述故障設(shè)備與保護(hù)、斷路器等警報動作信息之間邏輯關(guān)系的圖形化建

模工具，由各類事件節(jié)點(diǎn)和帶有方向的弧組成。這里采用的節(jié)點(diǎn)包括4類，即故障設(shè)備節(jié)點(diǎn)、

保護(hù)節(jié)點(diǎn)、斷路器節(jié)點(diǎn)及虛擬節(jié)點(diǎn)（VN）;各類節(jié)點(diǎn)在CEN中用Ck表示,下標(biāo)k為節(jié)點(diǎn)序號。

在CEN中，各個節(jié)點(diǎn)由帶有方向的弧連接,表示各個事件節(jié)點(diǎn)之間的因果關(guān)系。文獻(xiàn)中給出

了3種節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)關(guān)系，見附錄A圖AU弧的起點(diǎn)A表示原因，弧的終點(diǎn)B表示A引發(fā)的結(jié)果。

1）故障設(shè)備節(jié)點(diǎn)A引發(fā)相應(yīng)的保護(hù)節(jié)點(diǎn)B動作之間的關(guān)聯(lián)。

2）保護(hù)節(jié)點(diǎn)A動作引發(fā)相應(yīng)斷路器節(jié)點(diǎn)B動作之間的關(guān)聯(lián)。

3）斷路器節(jié)點(diǎn)拒動引發(fā)相應(yīng)的后備保護(hù)節(jié)點(diǎn)動作之間的關(guān)聯(lián),其中虛擬節(jié)點(diǎn)A'表示斷路器

節(jié)點(diǎn)A動作不成功（拒動）引發(fā)的節(jié)點(diǎn)。

第3類關(guān)聯(lián)關(guān)系中出現(xiàn)了虛擬節(jié)點(diǎn),該類節(jié)點(diǎn)的作用是為了防止CEN中出現(xiàn)環(huán)網(wǎng)。環(huán)網(wǎng)的

形成會影響后續(xù)的基于矩陣運(yùn)算的推理過程。

2.2enen

在故障發(fā)生后,對所有存在故障可能的設(shè)備按附錄A圖A1所示的3種關(guān)聯(lián)關(guān)系構(gòu)造CENo

如此建立的CEN可以用被稱為美聯(lián)矩陣的二進(jìn)制矩陣R來描述。R是一個對角線元素均為

1的n階方陣,n為CEN中的節(jié)點(diǎn)總數(shù)。R中的各元素ri,j定義如下：

式中:ri,j=l表示節(jié)點(diǎn)Ci與Cj之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系,Cj=Ci表示節(jié)點(diǎn)Cj的發(fā)生引發(fā)節(jié)點(diǎn)Ci

的發(fā)生;ri,j=0表示節(jié)點(diǎn)Ci與Cj之間不存在關(guān)聯(lián)關(guān)系c

3基于ten的故障診斷

3.1u3000cen的建立

電力系統(tǒng)警報事件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系可分為事件邏輯關(guān)聯(lián)和時序邏輯關(guān)聯(lián)2類。這里構(gòu)造的

TCEN將警報信息時序特性約束引入CEN之中，從而形成一種新的可計及時序特性的因果網(wǎng)

絡(luò)。利用事件之間不同形式的關(guān)聯(lián)關(guān)系的互補(bǔ)性,可以增加冗余信息,增強(qiáng)診斷模型的容錯

性。

考慮時序特性之后,TCEN中的各類事件節(jié)點(diǎn)和弧就具備了時間屬性。同時,這里新增了主保

護(hù)拒動與后備保護(hù)動作之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以此進(jìn)一步判斷主保護(hù)是否發(fā)生拒動。圖1給出

了TCEN中各類事件節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，虛擬節(jié)點(diǎn)的發(fā)生時刻為相應(yīng)主保護(hù)拒動或斷路器拒動

發(fā)生時刻。在TCEN中，關(guān)茯關(guān)系不同的弧具有不同的時間區(qū)間屬性,在實(shí)際應(yīng)用中可利用

當(dāng)?shù)匾酝慕y(tǒng)計數(shù)據(jù)確定,

CEN的建立過程如下:首先在離線狀態(tài)下，根據(jù)專家或運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn),建立各元件保護(hù)動作

的邏輯規(guī)則,CEN以邏輯規(guī)則的形式存放在數(shù)據(jù)庫中。在故障診斷系統(tǒng)初始化時，首先限據(jù)

故障前后的拓?fù)浯_定停電區(qū)域，然后在規(guī)則庫中讀取停電區(qū)域中相關(guān)元件的保護(hù)配置規(guī)則

自動構(gòu)建CEN。保護(hù)配置變化后,就需要更新規(guī)則庫。然而，電網(wǎng)在不同運(yùn)行方式下部分保

護(hù)和斷路器的動作邏輯可能發(fā)生變化，例如失靈保護(hù)所保護(hù)的母線相連線路及斷路器的觸

發(fā)保護(hù)與電網(wǎng)的運(yùn)行方式有關(guān),這可以通過對運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行識別、相關(guān)性分析和動態(tài)拓?fù)?/p>

分析等途徑來解決。

3.2故障推理過程

為便于敘述,本節(jié)以一個簡化的輸電系統(tǒng)為例來闡述基于TCEN的故障診斷模型。圖2為一

個簡化的輸電系統(tǒng)。圖中:Rim和R2m分別為與1號斷路器和2號斷路器相關(guān)的主保護(hù);Rib

和R2b分別為與1號斷路器和2號斷路器相關(guān)的后備保護(hù)。假設(shè)線路L發(fā)生故障后,左右

兩側(cè)主保護(hù)Rim和R2m分別在TBEG主2)和TBEG(C6)時刻動作，1號斷路器于TBEG(C3)時刻

跳閘,2號斷路器于TBEG(C7)時刻跳閘。圖3為與圖2輸電系統(tǒng)相對應(yīng)的TCEN。

在圖3中,VN(Ci,Cj)=CiACj-表示節(jié)點(diǎn)Ci發(fā)生且Cj不發(fā)生。例如:VN(C1,C2)表示L發(fā)

生故障,且1號斷路器主保護(hù)拒動。

下面對故障診斷過程中所涉及的各個矩陣和向量進(jìn)行說明。

1)關(guān)聯(lián)矩陣R:在TCEN中,R的各個元素與CEN中R的定義一致。R是一個對角線元素溝為

1的n階方陣,n為事件節(jié)點(diǎn)總個數(shù)。

在圖3已建立的TCEN基俶上,根據(jù)式(2)的定義可得到RoR除各對角元素為1外，以下元

素的布爾狀態(tài)值亦為l:r2,l,r3,2,r3,5,r5,4,r6,l,r7,6,素,9,r9,8。

2)故障真值狀態(tài)向量T:T反映實(shí)際上傳的所有警報信息狀態(tài)值。若某事件節(jié)點(diǎn)Ci發(fā)生，即

接收到節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)的警報信息,則該節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)為1;若未接收到相應(yīng)的警報信息，則該節(jié)點(diǎn)

狀態(tài)置為0。T的生成是整個故障推理過程中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，考慮到實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行中警報

信息可能出現(xiàn)漏報或誤報等不確定性情況，必須對接收的錯誤警報序列進(jìn)行過濾。T為n維

列向量，其各個元素的定義如下：

式中:cis.t.表征Ci是否滿足時序一致性約束,若滿足則取1,否則為0。

如果接收的警報信息均是正確的，則圖3所示系統(tǒng)的T為：

3)故障節(jié)點(diǎn)向量F:F反映TCEN中各故障設(shè)備的節(jié)點(diǎn)分布。F為n維列向量,其各個元素fi

的定義如下：

圖3所示系統(tǒng)的故障設(shè)備節(jié)點(diǎn)只有C1,因此除fl=l外,其他元素均為0o

這里將虛擬節(jié)點(diǎn)(包括主保護(hù)拒動和斷路器拒動節(jié)點(diǎn))對應(yīng)的Ci加入F中，可以進(jìn)一步判定

主保護(hù)與斷路器的拒動情況。

在以上3個矩陣或向量生成之后,便可通過矩陣運(yùn)算實(shí)現(xiàn)故障推理,具體步驟如下。

步驟1：將關(guān)聯(lián)矩陣R的轉(zhuǎn)置矩陣與故障真值狀態(tài)向量T進(jìn)行二進(jìn)制乘法運(yùn)算,得到轉(zhuǎn)換矩

陣T*。該過程可用式⑸表示，其中“二進(jìn)制乘法”用?表示：

R反映各個事件節(jié)點(diǎn)之間的因果關(guān)系,R轉(zhuǎn)置之后，原有節(jié)點(diǎn)間的因果關(guān)系互換，即TCEN中

各關(guān)聯(lián)關(guān)系的弧全部發(fā)生轉(zhuǎn)向。例如:ri,j=l表示節(jié)點(diǎn)Ci與Cj之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，且Cj

的發(fā)生會引發(fā)節(jié)點(diǎn)Ci的發(fā)生。轉(zhuǎn)置后ri,j行列互換，孤的方向變成由Ci指向Cj。因此，

轉(zhuǎn)換矩陣T*的計算過程在邏輯上實(shí)現(xiàn)的是從警報信號向故障設(shè)備反向推理的過程。

步驟2:生成轉(zhuǎn)換矩陣T*之后，將T*與故障節(jié)點(diǎn)向量F進(jìn)行邏輯“與”運(yùn)算,得到最終的故

障判斷矩陣Tend,即

由于故障只可能發(fā)生在故障設(shè)備節(jié)點(diǎn)，因此,即可判定矩陣Tend中非零元素對應(yīng)的設(shè)備發(fā)

生了故障。

步驟3:故障演變過程分析。

在用Tend估計出故障設(shè)備之后，結(jié)合接收到的警報時序信息，借助TCEN中各節(jié)點(diǎn)和前后節(jié)

點(diǎn)間各弧的時間屬性,通過正向推理和反向推理,并利用式（1）,可以導(dǎo)出故障演變過程,并

估算出設(shè)備故障時刻以及漏報信息的發(fā)生區(qū)間。這里引入“允許漏報程度”的概念。例如:

當(dāng)允許漏報程度為1時，表示實(shí)際系統(tǒng)口J以接受1個警報信息被漏報的情況。這樣，在正反

向推理時,故障演變過程中允許經(jīng)過1個布爾值為0的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián),且該布爾值為0的節(jié)

點(diǎn)為漏報信息節(jié)點(diǎn)。

3.3系統(tǒng)架構(gòu)

基于TCEN的故障診斷,需對警報事件進(jìn)行時序特性一致性約束判斷，其詳細(xì)架構(gòu)如圖4所

Zj'>o

4u3000tcen中各類弧的時間區(qū)間約束屬性

以圖5所示廣州地區(qū)220kV電力系統(tǒng)的實(shí)際故障案例為例，來說明本文所述模型及方法的

可行性與有效性。

根據(jù)文獻(xiàn)給出的實(shí)際電力系統(tǒng)中保護(hù)和斷路器動作時延數(shù)據(jù),結(jié)合廣州電力系統(tǒng)的實(shí)際情

況,這里對TCEN中各類弧的時間區(qū)間約束屬性給定如下:①△ta=tDIST（故障發(fā)生,主保護(hù)

動作）￡ms;②△tb=tDIST（保護(hù)動作,斷路器動作）￡ms;③△tcsl=tDIST（斷路器拒動,失靈

保護(hù)動作）￡ms;④△td=tDIST（主保護(hù)拒動,后備保護(hù)動作）

附錄B表B1列出了圖5所示故障發(fā)生后收到的警報序列。

4.1故障判定和判斷

1）生成關(guān)聯(lián)矩陣R,其各元素取值見附錄Co

2)生成故障真值狀態(tài)向量T。根據(jù)附錄B表Bl列出的警報序列，確定T中以下元素的布爾

狀態(tài)值為1:t2,t3,t4,t5,t7,t8,t9,tlO,t!8,t25,t26,130。

3)生成故隙節(jié)點(diǎn)向量F。對應(yīng)故隙案例中故障設(shè)備節(jié)點(diǎn),F中以下元素的布爾狀態(tài)值為

f22o

4)計算轉(zhuǎn)換矩陣T*。將R和T代入式⑸求得T*,結(jié)果見表U

5)計算故障判斷矩陣Tend。將T*和F代入式(6)計算Tend,最終判斷故障設(shè)備為L2943和

L2295。結(jié)果見附錄B表E2。

4.2teen的故障診斷

在收到警報信息序列和完成故障區(qū)域自動識別之后，需要檢查警報序列是否滿足時序特性

一致性約束,然后構(gòu)造最終的TCENo圖6為所構(gòu)造的本故障案例的TCEN,其中各個節(jié)點(diǎn)的

含義列于附錄B表B3,節(jié)點(diǎn)上方的數(shù)字表示該節(jié)點(diǎn)相應(yīng)警報發(fā)生的時刻。

考慮到實(shí)際電力系統(tǒng)發(fā)生放障時,錯誤警報信息占警報信息總數(shù)的比例一般較小，因此,在

檢查時序特性一致性約束時可以采用以下方法:假設(shè)某一警報信息A正確,利用式(1)和CEN

檢查與其關(guān)聯(lián)的警報信息B是否正確。若警報信息B正確，在余下的警報信息中找到與B

關(guān)聯(lián)的警報信息C,同樣利用式⑴和CEN檢查C是否正僚;若警報信息B錯誤,則假設(shè)警報

信息C正確,然后對C采用與A同樣的方法判斷余下的警報信息。重復(fù)此過程,并記錄各種

假設(shè)情形下的錯誤警報信息個數(shù)。最后，選擇錯誤警報個數(shù)較少的假設(shè)情形作為結(jié)果。這

里，以假設(shè)最先接收到的主保護(hù)相關(guān)警報信息為正確信息來啟動這一檢查過程。

基于TCEN的故障診斷的具體步驟如下。

步驟1:警報序列時序特性一致性約束檢杳。

假設(shè)在收到的警報序列中：表示主保護(hù)動作的警報1和警報2是正確信息，警報4(即斷路器

C12動作)和警報5(即碧山站L2295縱聯(lián)差動保護(hù)動作)為錯誤警報,則錯誤警報信息有2

個?，F(xiàn)在分析收到的所有警報序列：(1)警報4是由警報1相關(guān)的保護(hù)動作引發(fā)的,屬二圖

1(b)類關(guān)聯(lián)關(guān)系；參照附錄B表B2,可求得Atb=tDIST(C4,C5)=90msue05bms,即不滿足時

序特性一致性約束，由式⑶可知C5不滿足時序一致性約束時c5s.t.=0o(2)與警報5相關(guān)

的事件引發(fā)警報9(即斷路器C7動作)，屬于圖1(a)類關(guān)聯(lián)關(guān)系,可求得

Ata=tDIST(C25,C26)=217msuc05bms,因此警報5不滿足時序特性一致性約束,此時

c25s.t.=0o

其他假設(shè)情形同參照上述分析方法。因篇幅限制，這里不再贊述。

步驟2:生成關(guān)聯(lián)矩陣R,且R中各元素的布爾值與4.1節(jié)中給出的關(guān)聯(lián)矩陣各元素相同。

步驟3:生成故障真值狀態(tài)向量T。由于警報4和警報5為錯誤警報,因此,根據(jù)式(3)可確

定T中以下元素的布爾狀態(tài)值為1:12,13,14,17,18,19,110,118,126。

步驟4:生成故障節(jié)點(diǎn)向量F。F中以下元素的布爾狀態(tài)值為

l:fl,fl2,fl4,f22,f6,f19,f27,f31,f32,f33。

步驟5:計算轉(zhuǎn)換矩陣T*。將R和T代入式⑸計算T*,結(jié)果列于表lo

步驟6:計算故障判斷矩陣Tend,將T*和F代入式⑹計算Tend,最終診斷出來的故障設(shè)備

為L2943。結(jié)果見表1°

步驟7:故障演變過程分析。

以接收到的第1個警報的時標(biāo)為基準(zhǔn)點(diǎn)（定義此時刻為0時刻），通過分析TCEM和T*可知，

實(shí)際故障演變過程為:在T2,40ms期間，線路L2943故障;0ms時碧山站L2943縱聯(lián)差動

保護(hù)動作，并向C12發(fā)出跳閘信號，但是C12拒動;21Tls時煉化站L2943縱聯(lián)差動保護(hù)動作，

引發(fā)50nls時C14跳閘；279ms時C12失