电力系统故障诊断的研究现状与展望综述.pdf
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1、电力系统故障诊断的研究现状与展望综述寇为刚, 等 电力系统故障诊断的研究现状与展望综述 寇为刚 ,李永祥 ,孙艳军 ( 甘肃政法学院公安技术学院 甘肃兰州,7 3 0 0 7 0 ) ( 国家电网甘 肃省电力公司武成供 电公司 武咸,7 3 3 0 0 0 ) ( 兰州G_ V - 大学电气工程与信息工程学院 甘肃兰州,7 3 0 0 5 0 ) 摘要:本文概述了目前电力系统故障诊断的研究现状, 分别对专家系统法、 模糊理论法、 人工神经网络法、 遗传算法 、 p e t r i 网的方法、 粗糙集理论、 多代理系统、 贝叶斯网络法等逐一进行了分析介绍, 并对其在电力系统故障诊断实际应用中存在
2、 的一些问题进行了阐述 。最后指出了电力系统故障诊断所需要解决的问题和今后发展的趋势, 以促进该研究领域的进一步 发展 。 关键词:电力系统; 故障诊断; 专家系统; 人工神经网络; 遗传算法; 贝叶斯法 D OI 编码 :1 0 1 4 0 1 6 c n k i 1 0 0 1 - 9 2 2 7 2 0 1 5 0 2 0 0 4 Ab s t r a c t : Th i s a r t i c l e p r o v i d e s a l l o v e r v i e w o f c u r r e n t r e s e a r c h o n p o we r s y s t
3、 e m f a u l t d i a g n o s i s , d e s c ri b e a n d an a l y s i s a n u mb e r o f me t h o d s , s u c h a s e x p e r t s y s t e ms , f u z z y t h e o r y , a r t i fi c i a l n e u r a l n e t wo r k s , g e n e t i c a l g o r i t h ms , P e t r i n e t a p p r o a c h , r o u g h s e t t
4、 h e o r y , mu l t i a g e n t s y s t e m s , Bi a s n e tw o r k me t h o d , e t c we a l s o d e s c ri b e s s o me o f the p r o b l e m s i n p o we r s y s t e m f a u l t d i a gn o s i s a p p l i c a t i o n s Th e l a s t c h a p t e r n o t o n l y p o i n t s o u t the p o we r s y s
5、t e m f a u l t d i a gn o s i s p r o b l e ms wh i c h n e e d t o b e s o l v e d b u t a l s o i n d i c a t e s the t r e n d o f f u t u r e d e v e l o p me n t to p r o mo t e fut u r e d e v e l o p me n t i n t h i s fi e l d Ke y wo r d s :P o we r s y s t e m; Fa u l t d i a gn o s i s ;
6、 E x p e rt s y s t e m; Ar t i fi c i a l n e ura l n e tw o r k ; Ge n e t i c a l g o rit h m; Bi a s me t h o d 中图分类号:T P I 8 3 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1 9 2 2 7 ( 2 0 1 5 )0 2 0 0 0 4 0 4 0 引 言 近年来 ,随着电力系统在国民经济中的地位越来越突出, 对电力系统的安全性、可靠性提出了更高的要求。目前电网的 规模越来越大,结构越来越复杂,区域之间的联系也越来越紧 密,做好电力系统故障的诊断研究具有十分重要的意
7、义。电力 系统故障诊断是通过分析各级各类保护装置中产生的相关信 息,基于一定的理论基础和运行人员的经验来对故障发生的区 段 、故 障元器件、故障性 质作出快速 、准确的处理 。虽然 S C A D E MS 系统在电力系统故障的获取方面起到了一定的作 用,但是电网故障时大量的信息远远超出了运行人员的能力, 所以迫切的需要一套更加完整的电力系统故障诊断系统 ,实现 对电网故障的自动快速诊断。 由于电力系统中电力设备的种类繁多,保护装置配合的复 杂性、电网拓扑的变化不确定性,导致了电网故障诊断是一个 复杂的综合问题。近年来国内外许多学者提出了多种故障诊断 的技术和方法 ,主要包括:专家系统法E S
8、 ( E x p e r t S y s t e m ) 、模 糊理论法F T ( F u e e y T h e o r y ) 、人工神经网络法A N N ( A r t i fi e a i a l N e u r a l N e t w o r k )、 遗 传 算 法 法 G A ( G e n e t i c A l g o r i t h ms ) 、p e t r i 网法 、粗糙集理论 R S T ( R o u g h S e t T h e o ry) 、 多代理 系统 MA S ( M u l t i a g e n t S y e t e m) 、贝叶斯法 B N (
9、 b e l i e f n e t w o r k )等。本文对上述方法逐一进行归纳总结,阐述了各 自 在电力网中的故障诊断的应用,分析各种方法的特点,并对一 些相关技术和方法的发展进行简要的介绍。 收稿 日期: 2 0 1 4 1 2 0 9 作者简介:寇为刚 ( 1 9 8 6 一 ) ,男,陕西武功人,助教 ,主要从事 智能仪器仪表及电网故障诊断的研究。 4 1 电力系统故障诊断国内外研究发展现状 1 1 基于专家 系统的方法E S 专 家系统 E S ( E x p e r t S y s t e m ) 是 目前 发展最早相对 比较成熟 的一种智能技术。它是一个智能计算机程序系统,
10、内部含有大 量的某个领域专家水平的知识与经验,具有大量的专业知识与 经验的程序系统 ,利用人类专家的知识和解决问题的方法来处 理该领域问题。 一般而言 ,专家系统大概 由6部分构成 :知识库 、数据 源 、推理机 、咨询说明、知识学习和人机界面;其中用来存放 系统待解决问题的相关领域的专业知识的知识库和用来控制 、 协调整个系统工作的推理机是专家系统的核心。在电力系统 中,专家系统通过把断路器、保护器的动作逻辑结合运行人员 的经验以适当的表达式和结构形式录入知识库,根据电网中报 警系统所提供的相关信息由推理机进行分析,从而获得相关故 障诊断结果,然后反应给调度员。专家系统结合了相关的理论 知识
11、和专家的经验知识来解决问题 ,这样一方面解决了那些只 能依靠解析才能解决的问题,另一方面缩小了搜素和推理的范 围,提高了故障诊断的效率。随着控制理论和数学规划技术决 策支持不断在电力系统 中的运用和专家系统知识表达的多样 性,使得专家系统在电网故障诊断中发挥了其独特的作用。 然而随着电网互联规模和运行复杂性越来越大,运行程度 越来越接近极限,专家系统渐渐暴露出一些问题 ,主要归纳有 如下几点:( 1 )专家系统知识库的灵活性较低。现在专家系统 知识库知识的获取还主要是靠人工移植来获取所需要领域的专 业知识 ,当电网中网络结构和各种电气设备的配置等发生改变 时知识库就需要作出相应的修改。因此专业
12、知识的获取和对知 识库的完备需要我们进行深入的研究 ,能够设计一种方便的可 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 自动化与仪器仪表 2 0 1 5 年2 期( 总第 1 8 4 期) 以自动进行知识的获取和修改、升级的系统来完备知识库 ,来 提高它存储 、检索、修改等功能。( 2 )目前的专家系统中知识 库不具备模仿学习的能力。在电力运行的过程中,一旦出现以 前没有出现过的故障情况时,该系统不能利用现有的知识来作 出正确的诊断,这样就很容易造成误判,直接影响运行人员的 操作。( 3 )专家系统的容错能力低。在电力故障发生以后 ,断 路器和保护装置发生误动作时专家系统由
13、于缺乏有效的识别错 误信息的方法和计算推理能力,有可能就会做出错误的诊断结 果。因此需要我们进一步来提高系统的适应性。( 4 )知识库的 维护比较困难。因为电网规模的扩大直接对专家系统的规模提 出了更大的要求 ,而大规模的专家系统规模的维护、修改难度 也逐渐增大,因此要随时进行系统的维护和修改需要投人大量 的人力和财力。( 5 )系统在故障诊断的过程中很难避免要进行 多次迭代 ,这样容易造成推理计算速度变慢和系统组合的奔 溃,从而实时性和有效性将会受到一定的影响。 1 2 基 于模糊理论 的方法F T 模糊理论的方法F T ( F u e e y T h e o r y )是通过经典集合理 论
14、模糊化,运用语言变量和近似推理的模糊逻辑,具有完整推 理体系的智能技术。模糊理论系统包括模糊知识库、模糊推理 机和人机界面等组成。由于模糊理论使用变量来表达专家经 验,这样更加符合人们正常的表达习惯 ,然后将精确推理模糊 化,在一定程度上增加了专家系统的容错能力,这样可以适应 不确定的问题。 在电力系统故障诊断中,模糊理论主要有两种情况:一种 是推理机诊断所依据的信息完全正确,而是故障于对应的保护 装置、断路器状态之间关联关系无法来确定,以及用模糊隶属 度对这种可能性描述的度量;另一种则是认为诊断所依据的报 警信息有误,而根据电力网络拓扑结构与保护装置、断路器的 动作状态提供的报警信息可信度,
15、再结合其它只能系统给出的 诊断结果综合来做出判断。 模糊理论由于其推理理论的特殊性 ,在电力故障中常常需 要结合其它几种方法一起使用。根据对其具体应用的分析,存 在一些问题还待进一步来深入研究。比如在故障诊断过程中由 于所隶属的函数关系的不确定性 ,需要建立复杂的的数学模型 来适应其隶属度 ,还有其模糊逻辑语言规范性的获取、遗忘 、 修改等理论还不够成熟,一定程度上成为了模糊理论进一步发 展的瓶颈。 1 3 基 于人 工神 经网络 的方法A NN 人 工 神 经 网络 的 方 法 A N N ( A r t i fi c a i a l N e u r a l N e t w o r k )是
16、模拟人类神经系统中信息的传递 、处理过程的一种 人工智能技术,也是A I 技术的一个重要分支。人工神经通过 专家领域所提供的大量先验知识和故障实例来构成A N N所需 要的知识库样本 ,免去了对所涉及的专业知识进行形成 、转 化、表达等工作。人工神经方法采用神经元及它们之间的有向 权重连接来隐含处理问题所需要的知识 ,而其自学能力、自我 组织能力、容错能力以及各神经元之间计算的相互独立性 、鲁 棒性高,省去了推理机的构造 ,且推理速度与规模大小无明显 的关系,很快引起学者们的关注,使得基于人工神经网络的故 障诊断的研究也 日益广泛。 近年来,许多学者对人工神经网络的方法进行了大量的研 究和实践
17、,这种方法在电力故障中的体现出其优越性的同时也 暴露出了该方法的一些问题 ,主要包括 :( 1 )在大型电力网络 中,样本的完备性直接影响着其性能的好坏。( 2 )对自身行为 和输出的结果无法做出合理的解释。( 3 )该方法存在训练速度 慢 ,无法收敛甚至可能会陷入局部最优。( 4 )不擅长处理启发 性的知识。这些问题在大型电网系统中表现的更为突出,因此 如何解决这些问题使其能够适应大型电力系统的故障诊断,仍 然是一个有待进一步研究的问题。 1 4 基于遗传 算法的方法 G A 遗传算法 G A ( G e n e t i c A l g o r i t h ms 1 最初 由美 国Mi c
18、h i g a n 大学J H o l l a n d 教授于 1 9 7 5 年首先提出来的,是依据达尔文的 生物进化论中所提到的生物进化过程中自然选择和遗传学机 理 ,通过模仿生物遗传和进化的进程,寻求对复杂问题的全局 最优解的优化算法。它依据适者生存 ,优胜劣汰的进化规则, 对包含可能解的群体进行基于遗传学的操作,不断生成新的群 体并使群体不断进化,同时以全局并行搜索优化群体中的最优 个体,以求得满足要求的最优解。 电力系统故障诊断过程中,采用遗传算法的基本思想是将 电网故障诊断描述为优化问题,建立诊断的解析模型,最终都 归结为无约束O - 1 整规划问题 ,并采用遗传算法进行求解数学
19、模型得到故障设备。由于电网故障诊断问题有保护或断路器误 动作的复杂故障情况, 合理的诊断结果可能有多个, 而且其 可信程度一样。从优化的角度讲, 就是可能存 在多个最优 解。求得所有合理的结果无疑是希望的, 因为这些故障发生的 概率是相等的。因此遗传算法在每次迭代中都保留一组候选 解。按其解的优劣进行排序 ,并按某种指标从中选出一些解, 利用一些遗传算子如交3 ( c r o s s o v e r ) 7 fl l 变异( mu t a t i o n ) 等对其进 行运算,希望选出的这些解具有良好的特征,以便产生出优 良 的 “ 后代” ,并且选出的这些解在解空间中相当分散 ,增加了 求得
20、全局最优解的机会 ,重复此过程,直至满足某种收敛指标 为止。 遗传算法的模型由于其严密的理论和依据不完整信息的情 况下给出最优的多个可能的结果,具有良好的应用前景。但是 如何根据保护配置原则 、断路器之间的逻辑关系来建立 目标 函 数成为该算法得益推广的瓶颈。另外,其在运算过程中寻优过 程的随机性 ,可能会导致一些最优解的漏选;而重复进行求解 全局最优解可能会导致计算速度的变慢,直接影响诊断的时 效性。 1 5 基p e t r i 网的方法 P e t r i 网是在 1 9 6 2年由德 国的C a r l A d a m P e t r i 在他 的博 士论文 用 自动机通信中首先使用
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