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计及保护和断路器误动与拒动的电力系统故障诊断解析模型郭文鑫1,文福拴2,廖志伟1,何祥针3,梁俊晖3(1.华南理工大学电力学院,广东省广州市 510640;2.浙江大学电气工程学院,浙江省杭州市 310027;3.广东电网电力调度通信中心,广东省广州市 510600)摘要:当电力系统一次设备发生故障时,如果发生保护和/或断路器拒动或误动的情况,则会导致停电区域扩大,进而增加故障诊断的复杂性。现有的电力系统故障诊断解析模型是在保护和断路器正常动作的基础上建立的,没有系统地考虑其误动或拒动的情况。在此背景下,以现有的电力系统故障诊断解析模型为基础,通过系统地计及保护和断路器发生误动与拒动的可能性,发展了故障诊断问题的新的数学模型。该模型不仅能够诊断出故障设备,还可以识别出误动或拒动的保护和/或断路器以及漏报或误报的警报。开发了相应的实用软件系统,并用实际电力系统发生的故障案例进行了仿真测试。关键词:故障诊断;解析模型;警报信息;保护和断路器误动或拒动中图分类号:TM711收稿日期:2009207206;修回日期:2009209208。国家自然科学基金资助项目(50477029);国家科技支撑计划资助项目(2008BAA13B10)。0 引言当电力系统一次设备发生故障时,所配置的保护应该动作跳开相关的断路器,将故障设备从系统中切除,使停电范围尽可能小,以维持系统健全部分的正常运行。然而,如果保护和/或断路器发生误动或拒动,则一般会使停电区域扩大。在此复杂的情况下,调度员要在很短时间内处理众多的警报信号并进行分析决策是极其困难的,尤其是在存在警报信号漏报或误报的情况下。因此,发展计及保护和断路器误动或拒动的电力系统故障诊断方法,对快速进行故障定位从而确保系统安全稳定运行具有重要意义。这就是本文旨在解决的中心问题。到目前为止,已经得到实际应用或具有实际应用潜力的故障诊断方法主要包括两大类,即基于专家系统的方法123和基于解析模型的方法428。此外,在过去的 20 年间,也提出了将人工神经元网络9、模糊集10、Petri 网11和数据挖掘技术12等现代智能方法应用于电力系统的故障诊断,并在不同程度上推进了这一研究领域的发展。文献4 28发展了基于解析模型的电力系统故障诊断方法。其基本思想是:将/停电区域中所包含的全部一次设备的不同组合发生故障0作为故障假说,构建一个反映保护与断路器实际状态和期望状态之间差异的目标函数,然后通过遗传算法4或Tabu 算法526等优化技术来寻求最能合理解释所接收到的保护和断路器动作警报的故障假说。基于解析模型的电力系统故障诊断方法将该问题转换为求解无约束的 021 整数规划问题,具有严密的数学基础和较强的容错性,当存在少量漏报或误报的警报时一般也能得到正确的诊断结果。在现有的电力系统故障诊断解析模型中,故障假说只包括/停电区域中所包含的全部一次设备的不同组合发生故障0的情形,而且在确定某个故障假说下的保护和断路器期望状态时未计及系统的保护和断路器误动或拒动的影响。这样,当实际故障发生后,如果保护和/或断路器出现误动或拒动,则可能导致与实际故障情况相吻合的故障假说所对应的保护或断路器的期望状态不合理,进而导致错误的诊断结果。以现有的电力系统故障诊断解析模型为基础,本文构建了一个计及保护和/或断路器误动与拒动的电力系统故障诊断的新的解析模型。本文的主要工作包括:1)在故障假说中加入了/保护和断路器误动或拒动0的信息。2)构造了计及保护和断路器误动与拒动情况下的故障诊断问题的新的数学模型,重点推导了在这种情况下保护和断路器的期望状态计算公式。所构建的模型不仅能诊断出故障设备,而且能识别出误动或拒动的保护和断路器,以及漏报或误报的警报。3)基于所发展的模型,根据实际工程应用的需求开发了软件系统,并对实际故障案例进行了测试。)6)第 33 卷 第 24 期2009 年 12 月 25 日Vol.33 No.24Dec.25,2009所开发的系统目前已应用于广东电网电力调度通信中心。1 所发展的故障诊断解析模型的基本框架计及保护和断路器误动与拒动的电力系统故障诊断解析模型的基本框架如图 1 所示。其中,/确定故障假说向量的各个变量0、/计算故障假说对应的目标函数值0和/漏报或误报的警报识别0分别在第2节、第 3 节和第 4 节进行详细介绍。图 1 模型基本框架Fig.1 Framework of the developed model2 故障假说假设经过停电区域识别,发现其中共有 no个设备 d1,d2,dno。由这 no个停电设备所配置的保护构成的集合为r1,r2,rnr,在故障发生前与这些事后停电的设备相连接的所有断路器所构成的集合为c1,c2,cnc。计及保护和断路器误动或拒动后,故障假说向量的基本形式如下:H=D,F,M(1)式中:D=d1,d2,dno;dk=1 或 dk=0 分别表示停电区域中的第 k 个设备处于故障或正常状态;F=fr1,fr2,frnr,fc1,fc2,fcnc;fri=1 或fri=0 分别表示保护 ri是否误动或正常;fcj=1 或fcj=0 分别表示断路器 cj是否误动或正常;M=mr1,mr2,mrnr,mc1,mc2,mcnc;mri=1 或mri=0分别表示保护 ri是否拒动或正常;mcj=1 或mcj=0分别表示断路器 cj是否拒动或正常。故障假说可分为合理的故障假说和矛盾的故障假说。合理的故障假说是指对/为什么产生所接收到的警报0的一种符合逻辑的假设;反之,不符合逻辑的假设即为矛盾的故障假说。例如,fri=1 和mri=1(即保护 ri既误动又拒动)就是一种矛盾的故障假说。关于矛盾的故障假说的识别将在第 3.3节详细介绍。3 目标函数3.1 目标函数的基本形式目标函数E(H)用于反映故障假说 H 的合理性或可信度,E(H)越小则表明故障假说 H 的可信度越高。因此,可将故障诊断问题转换为求解使E(H)最小化的故障假说。这里分 2 种情况讨论。情况 1:如果 H 是矛盾的故障假说,则 H 肯定不是正确解。此时,目标函数应该取一个很大的值,使得矛盾的故障假说无论如何不会成为最优解。例如,此时可以取 E(H)=100 000。情况2:如果 H 是合理的故障假说,则可采用下述目标函数:E(H)=w1Enri=1|$ri(H)|+Encj=1|$cj(H)|+w2|H|=w1Enri=1|ri-r*i(H)|+Encj=1|cj-c*j(H)|+w2Enok=1|dk|+Enri=1(|fri|+|mri|)+Encj=1(|fcj|+|mcj|)(2)式中:|$ri(H)|为第 i 个保护的期望状态与实际状态的差异度,|$ri(H)|=|ri-r*i(H)|;|$cj(H)|为第 j 个断路器的期望状态与实际状态的差异度,|$cj(H)|=|cj-c*j(H)|;ri为第 i 个保护的实际状态,ri=0 或 ri=1 分别表示其处于未动作或动作状态;cj为第j 个断路器的实际状态,cj=1 或cj=0分别表示其处于跳闸或未跳闸状态;r*i(H)和c*j(H)分别表示 ri和cj的期望状态;w1和 w2分别为对应于警报差异度指标和故障假说最小化指标的权值,且 w1mw2,可以取w1=100 和 w2=1。式(2)包括 2 个部分:1)警 报 差 异 度 指 标Enri=1|$ri(H)|+Encj=1|$cj(H)|。这部分反映了保护和断路器的期)7)#学术研究#郭文鑫,等 计及保护和断路器误动与拒动的电力系统故障诊断解析模型望状态与实际状态之间的差异。2)故障假说最小化指标|H|。这部分在目标函数中的作用是:在警报差异度指标一样的情况下,故障设备、误动或拒动的保护和断路器总数越少,故障假说 H 的可信度越高。故障假说 H 对应的目标函数值的确定流程见图 2,其核心部分是确定保护和断路器的期望状态r*i(H)和 c*j(H)。首先,推导出保护和断路器正常工作时的期望状态计算公式,用 ari(H)和acj(H)分别表示不计及保护和断路器误动与拒动时 ri和 cj对应的期望状态,即直接根据保护和断路器的动作逻辑进行推导;然后,根据故障假说中所包括的那些/保护和断路器误动与拒动0的假设,求出计及保护和断路器误动与拒动的期望状态 r*i(H)和 c*j(H)。图 2 H 对应的目标函数值的确定Fig.2 Determination of the objective functionvalue corresponding to H3.2 不计及保护和断路器误动与拒动时的期望状态计算3.2.1 保护定义 和分别表示逻辑乘法和逻辑加法。对各种类型的保护分别讨论如下。1)主保护设 ri为设备dk的主保护,则其动作逻辑为:若ri所保护的设备 dk故障(即 dk=1),则保护 ri应该动作,即ari(H)=dk(3)2)主后备保护设 ri为设备dk的主后备保护,rx为设备 dk的主保护,则其动作逻辑为:若 ri所保护的设备 dk故障(即 dk=1),且主保护 rx拒动(即 mrx=1),则保护 ri应该动作,即ari(H)=dkmrx(4)3)次后备保护设 ri为设备dk的次后备保护,rx为设备 dk的主保护,ry为设备 dk的主后备保护,则其动作逻辑有以下 2 种情况:情况 1:若所保护的本地设备 dk故障(即 dk=1),且主保护 rx和主后备保护 ry都拒动(即 mrx=1且 mry=1),则保护 ri应该动作,即ari(H)=dkmrxmry(5)情况 2:首先,引入关联设备和关联路径概念8。在图 3(a)的示例中,保护 ri的关联设备是指除本地设备dk以外,在 ri保护范围内(即图 3(a)中的虚线框内)的设备。定义 Z(ri)为保护 ri的关联设备集合。以图 3(a)为例,Z(ri)=d1,d2,d3,d4,d5,d6,d7。ri到dj的关联路径是指从保护ri安装位置到设备 dj的电气路径上的所有断路器集合,用p(ri,dj)表示。以图 3(a)为例,ri到 d5的关联路径p(ri,d5)=c1,c2,c5。如图 3(b)所示,保护 ri是通过关联路径 p(ri,dj)保护到远方设备 dj(djIZ(ri)的。当 dj故障时,如果关联路径 p(ri,dj)上的全部断路器都处于闭合状态,则说明故障还没有被切除,保护 ri应该动作,即ari(H)=EdjI Z(ri)djFcpI p(ri,dj)cp(6)图 3 关联设备与关联路径Fig.3 Related equipments and related paths综合以上 2种情况,可得:ari(H)=dkmrxmry EdjI Z(ri)djFcpI p(ri,dj)cp(7)4)断路器失灵保护在不同电压等级的电力系统中,断路器失灵保护的配置策略也有所不同:在 220 kV 以下的系统中,断路器失灵时一般由上一级设备或线路的保护和断路器来切除故障;而在 220 kV 及以上系统中,一般为断路器专门配置了失灵保护。由于本文所提出的故障诊断方法主要是针对输电系统的,因此这)8)2009,33(24)里只讨论 220 kV 及以上系统的断路器失灵保护。设 cj为与设备dk相连的一个断路器,rx,ry,rz分别为 dk的主保护、主后备保护和次后备保护;ri为出口断路器cj的断路器失灵保护,则其动作逻辑为:如果 rx,ry,rz中任何一个保护动作并向断路器cj发送了跳闸指令,但 cj拒动了,则保护 ri应该动作,即ari(H)=(r*x(H)r*y(H)r*z(H)mcj(8)应用于不同电压等级断路器的失灵保护的出口逻辑有所不同:在 220 kV 系统中,其出口为与拒动的断路器位于同一母线上的所有其他断路器;对于500 kV 系统的 3/2 接线,断路器失灵保护的出口与拒动的断路器位置有关:当断路器拒动时,该保护的出口为相邻的 2 个边断路器,其向对侧变电站发送远跳指令跳开对侧断路器;当边断路器拒动时,该保护的出口为与之相邻的中断路器及与之位于同一母线上的所有其他断路器,其向对侧变电站发送远跳指令跳开对侧断路器。5)重合闸自动重合闸装置有多种启动方式,这里以保护动作启动方式的单相重合闸13为例进行说明。设ri为线路 dk的自动重合闸装置,cj为 ri重合的断路器,R(cj)为出口断路器 cj的保护集合,pa,cj,pb,cj,pc,cj分别标识cj所跳闸的相别。动作逻辑为:当任何出口断路器 cj的保护rx动作了,断路器 cj单相跳闸,则重合闸 ri应该动作重合 cj,即ari(H)=ErxI R(cj)r*x(H)cj(pa,cjpb,cjpc,cjpa,cjpb,cjpc,cjpa,cjpb,cjpc,cj)(9)3.2.2 断路器断路器的动作逻辑为:只要任何出口断路器 cj的保护rx(rxI R(cj)动作向断路器 cj发送了跳闸指令,则 cj都应该动作,即acj(H)=ErxI R(cj)r*x(H)(10)3.3 计及保护和断路器误动与拒动的期望状态计算如表1 所示,对于在 3.2 节中求出的 ari(H),根据故障假说中 mri和fri,可最终确定计及保护和断路器误动与拒动时保护 ri的期望状态r*i(H)。表 1 保护和断路器的期望状态计算Table 1 Determination of the expected status of protective relays and circuit breakersmri(mcj)fri(fcj)ari(H)(acj(H)r*i(H)(c*j(H)说明1010符合保护(断路器)的动作逻辑条件,但由于其拒动,则将不会收到保护(断路器)的动作警报0101不符合保护(断路器)的动作逻辑条件,但由于其误动,则将会收到保护(断路器)的动作警报0011符合保护(断路器)的动作逻辑条件,保护(断路器)正常动作,则将会收到保护(断路器)的动作警报0000不符合保护(断路器)的动作逻辑条件,保护(断路器)也无异常,则将不会收到保护(断路器)的动作警报111-保护(断路器)既误动又拒动,是矛盾的故障假说110-保护(断路器)既误动又拒动,是矛盾的故障假说100-不符合保护(断路器)的动作逻辑条件,所以不存在拒动的说法,是矛盾的故障假说011-符合保护(断路器)的动作逻辑条件,所以不存在误动的说法,是矛盾的故障假说 同理,可确定断路器的期望状态 c*j(H)(见表 1中括号部分)。最终可得到保护和断路器的期望状态计算公式:r*i(H)=mrifriari(H)mrifriari(H)(11)c*j(H)=mcjfcjacj(H)mcjfcjacj(H)(12)同时,由表 1 可得,矛盾的故障假说包括以下3 种类型:1)mri=fri=1 或 mcj=fcj=1;2)ari(H)=0 且 mri=1,或 acj(H)=0 且 mcj=1;3)ari(H)=1 且 fri=1,或 acj(H)=1 且 fcj=1。)9)#学术研究#郭文鑫,等 计及保护和断路器误动与拒动的电力系统故障诊断解析模型4 漏报和误报的警报识别可以采用 Tabu 算法14215求解第 3 节形成的无约束 021 整数规划问题,最终得到最优解 Hbest。对漏报或误报的警报的识别方法如表 2 所示(这里假设最优解只有 1 个,如果存在多解情况,则对每个最优解都进行这样的识别)。表 2 漏报和误报的警报识别Table 2 Identification of the false or missing alarms期望状态实际状态漏报和误报的警报识别r*i(Hbest)=1ri=0保护 ri动作警报被漏报r*i(Hbest)=0ri=1保护 ri动作警报为误报c*j(Hbest)=1cj=0断路器 cj跳闸警报被漏报c*j(Hbest)=0cj=1断路器 cj跳闸警报为误报5 算例测试基于所发展的故障诊断模型开发了相应的实用化软件系统,该系统目前已应用于广东电网电力调度通信中心。为验证所提出的故障诊断模型的正确性,下面对 2008 年 9 月 18 日发生在广东电网增城变电站的实际故障案例进行测试。与该故障案例相关的电力系统接线图和警报信息分别如附录 A 图A1 和表 A1 所示。采用所开发的软件系统对该故障案例进行诊断,得到诊断结果如下:故障设备:增华甲线故障;增城站增华甲线 2417 断路器故障。保护和断路器动作评价:荔城站陈荔甲线 2219 断路器失灵保护误动;增城站增华甲线 2417 断路器拒动。诊断结果与实际发生的故障情况相吻合。6 结语在现有的电力系统故障诊断解析模型的基础上,构建了一种能够系统地计及保护和断路器误动与拒动的新的解析模型。该模型不仅能够诊断出故障设备,还能同时识别出误动或拒动的保护和断路器,以及漏报或误报的警报。采用所提出的解析模型并根据实际工程应用的需求,开发了相应的软件系统,并已应用于广东电网电力调度通信中心。通过实际系统的故障案例测试结果表明,所发展的模型正确,方法有效,可以满足实际工程应用的需要。附录见本刊网络版(http:/ 考 文 献1 LEE H J,AHN B S,PARK Y M.A fault diagnosis expertsystem fordistribution substations.IEEETrans on PowerDelivery,2000,15(1):92297.2 MIAO H J,SFORNA M,LIU C C.A new logic2based alarmanalyzer for on 2line operational environment.IEEE Trans onPower Systems,1996,11(3):160021606.3 PARK Y M,KIM G W,SOHN J M.A logic based expertsystem(LBES)for fault diagnosis of power system.IEEETrans on Power Systems,1997,12(1):3632369.4 WEN Fushuan,HAN Zhenxiang.Fault section estimation 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account.Automationof Electric Power Systems,2008,32(22):26231.9 YANG H T,CHANG W Y,HUANG C L.A new neuralnetworks approach to on 2line fault section estimation usinginformation of protective relays and circuit breakers.IEEETrans on Power Delivery,1994,9(1):220 2230.10 SUN Jing,QIN Shiyin,SONG Yonghua.Fault diagnosis ofelectric power systems based on fuzzy Petri nets.IEEE Transon Power Systems,2004,19(4):2053 22059.11 LUO Xu,KEZUNOVIC M.Implementing fuzzy reasoningPetri 2nets for fault section estimation.IEEE Trans on PowerDelivery,2008,23(2):676 2685.12 廖志伟,孙雅明.基于数据挖掘模型的高压输电线系统故障诊断.电力系统自动化,2001,25(15):15 219.LIAO Zhiwei,SUN Yaming.A new data mining approach forfault diagnosis of high voltage transmission line based on roughset theory.Automation of Electric Power Systems,2001,25(15):15 219.13 江苏省电力公司.电力系统继电保护原理与实用技术.北京:中国电力出版社,2006.14 GLOVER F.Tabu search:Part.ORSAJournalonComputing,1989,1(3):190 2206.15 GLOVER F.Tabu search:Part.ORSAJournalonComputing,1990,2(1):4 232.(下转第 42 页 continued on page 42)10)2009,33(24)18 HEYDT G T,LIU C C,PHADKE A G,et al.Solutions forthecrisisinelectricpowersupply.IEEEComputerApplications in Power,2001,14(3):22 230.19 SU Sheng,LI K K,CHAN W L,et al.Agent2based self 2healing protection system.IEEE Trans on Power Delivery,2006,21(2):610 2618.20 诸骏伟.电力系统分析.北京:中国电力出版社,1995.21 袁季修.电力系统安全稳定控制.北京:中国电力出版社,1996.22 韩祯祥.电力系统稳定.北京:中国电力出版社,1995.陈星莺(1964),女,通信作者,博士,教授,博士生导师,主要研究方向:电力系统经济运行分析与控制、电力市场与电力经 济、可 再生能源发 电系统的运 行分析 与控制。E2mail:顾欣欣(1953),女,教授级高级工程师,主要研究方向:电力系统继电保护、变电站综合自动化、分布式发电与新能源技术。余 昆(1978),男,博士研究生,讲师,主要研究方向:地区电力经济运行、地区电网安全分析与控制。E 2mail:Architecture for Self2healing Control of Urban Power GridCHEN Xingying1,GU Xinxin2,YU Kun1,LI U Haoming1,WANG Ping1(1.Hohai University,Nanjing 210098,China;2.State Grid Electric Power Research Institute,Nanjing 210003,China)Abstract:It is an inevitable result of the electric power system development as well as the newest motive force of its advance tobuild the smart grid while self 2healing is its most important feature.Based on an analysis of the urban power grid characteristicsand the operation mode different from the main power grid,the self 2healing control of urban power grid is defined.Thearchitecture for self 2healing control of urban power grid is conceived and the framework of whole system is designed.Thecomputer system for self 2healing control of urban power grid is developed.Fast simulation is performed for the operation of theJiangning urban power grid,the results showing that the proposed self 2healing control system is capable of coping with all kindsof threats to urban power grid so that it is given the internal drive for transferring to a better status.In other words,the urbanpower grid will have the ability of self 2healing.This work is supported by State Grid Corporation of China.Key words:urban power grid;smart grid;self 2healing control;system architecture(上接第 10 页 continued from page 10)郭文鑫(1985),男,硕士研究生,主要研究方向:电力系统故障诊断及恢复技术。E2mail:文福拴(1965),男,通信作者,特聘教授,博士生导师,主要研究方向:电力市场及电力系统故障诊断与系统恢复。E2mail:廖志伟(1973),男,副教授,硕士生导师,主要研究方向:电力系 统故障 诊断、分 析以 及电力 系统 智能 控制。E2mail:An Analytic Model for Power System Fault Diagnosis with Malfunctions of Protective Relaysand Circuit Breakers Taken into AccountGUO Wenxin1,WEN Fushuan2,LI AO Zhiwei1,HE Xiangzhen3,LIANG J unhui3(1.South China University of Technology,Guangzhou 510640,China;2.Zhejiang University,Hangzhou 310027,China;3.Guangdong Electric Power Dispatching&Communication Center,Guangzhou 510600,China)Abstract:When a fault occurs on a section or a component in a given power system,if some or all protective relays(PRs)andcircuit breakers(CBs)associated do not work properly,or in other words,a malfunction or malfunctions are happening withthese PRs and/or CBs,the outage range could be significantly extended.As a result,the complexity of fault diagnosis could beincreased.The existing analytic models for power system fault diagnosis do not systematicallyaddress the possible malfunctionsof PRs and CBs,and hence may lead to incorrect diagnosis results if such malfunctions do occur.Given this background,basedon the existing analytic models,an effort is made to develop a new analytic model to well take into account of the possiblemalfunctions of PRs and CBs,and further to improve the accuracy of fault diagnosis results.The developed model could notonly estimate the faulted section(s),but also identify the malfunctioned PRs and CBs as well as the missing and/or falsealarms.A software system is developed for practical applications,and realistic fault scenarios from an actual power system areserved for demonstrating the correctness of the presented model and the efficiency of the developed software system.This work is jointly supported by National Natural Science Foundation of China(No.50477029)and National KeyTechnology Research&Developed Program(No.2008BAA13B10).Key words:fault diagnosis;analytic model;alarm message;malfunctions of protective relays and circuit breakers)42)2009,33(24)