基于电网模型和通用规则的电网故障诊断方法研究

基于电网模型和通用规则的电网故障诊断方法研究

♦

张琳波李本瑜石恒初游昊赵明祁忠

摘要：论文针对电网故障综合诊断方法进行研究，提出了一种利用多源数据，基于电网模型和通用 规则的分阶式电网故障综合诊断方法。在IEC61970 CIM保护模型的基础上建立了扩展的二次设备通用保 护模型，实现对电网一二次设备的全景建模。结合电力网络模型以及开关跳闬信号之后，能够完成对电 力网络开展以网络拓扑结构以及开关跳闸信号为基础的简单的故障分析；设计基于通用规则的电网故障 解析规则库，以保护动作信号以及保护和开关动作之间的配合关系为基础，能够完成对电力网络开展以 保护与开关动作逻辑为基础的故障解析；对于较复杂的电网故障，设计了利用波形的故障诊断子系统， 可以利用录播信息进行深入的故障诊断。

关键词：电网模型；通用规则；多源数据；故障诊断__________________________________________—、刖目

电网故障诊断一直以来都是国内外研究机构和电力企业 研究的重点对象同时先后提出了多种故障解析手段与方 法，通常包括专家系统、人工神经网络、支持向量机、Petri 网络|W1、多智能体技术、粗糙集理论、多代理技术和基于信 息融合以及数据挖掘的技术。基于以上的故障诊断在一 定程度上能解决不确定问题，但在实际的应用中，会遇到一 些缺陷，如基于专家系统在知识库的建立和形成中具有一定 的难度。在使用优化技术进行电网故障诊断时，需要考虑多 级继电保护的复杂性，建立合适故障系统数学模型和目标函 数构成存在一定困难。

另外，基于稳态数据、暂态数据和动态数据等利用录波 数据的故障诊断\"31或者是对多源故障诊断结果进行集成的故 障诊断，也得到一定研究成果，但在三态数据收集、整理和 预处理方面的研究尚待深人；在故障诊断中未利用保信数据 进行详细的故障分析；欠缺针对OCS/保信系统分别采集到 的或者反映出的告警或者事件信息，进行聚类分组划分后的 综合故障分析研究。

本文研究综合运用基于全景数据建模技术、电网故障信 息自动化技术等，基于IEC61970标准^扩展建立二次设 备模型，完成全景数据建模；建立通用的专家规则库，利用 多源数据，基于模型和通用规则，实现电网故障诊断和保护 动作行文校核，提出利用多源数据、基于电网模型和通用规 则库的分阶式在线综合故障诊断系统解决方案。

接关系；且可以获得多个重合闸序列信号，保证保护开关的 全覆盖。同期检查继电器和电流继电器两个模块为设备保护 提供了更多的保护方式，也是该模型的保护原理。该保护模 型存在如下不足：

1.

保护模型难以延拓。使用的继电保护方式只有两种，

在实际的工程使用中，如果要拓展一个新的保护方式时，需 要从保护设备扩展出更多的端口和子系统，保护方式的不同 会使模型变得更加复杂，不利于建模。

2.

保护缺乏具体的原理介绍。模型仅在保护设备的延展

性上进行了一定的介绍，但对具体原理方面描述甚少。

3.

保护装置通常包含有很多类全方位、多层次的保护原

理，同时全面的线路保护设备通常有以下几类保护：电流差 动保护、纵联差动保护、线路后备保护等，但是这类模型中 通常没有完整的保护方法。

4.

保护模型中重合闸序列模块仅与保护设备模块存在间

接连接关系，缺少与一次设备间的联系，故存在设备故障动 作不够迅速、准确的问题。

二、电网_二次统一建模

(―)IEC61970CIM的保护模型

图1 IEC 61970 CIM的保护模型

(二）基于CIM扩展的通用保护模型

通常我们需要保证模型的通用性一般都是从保护建模的 保护原理人手，能够兼容多种不同型号的设备，同时还要准 确且完整的显示所需要的保护设备信息，例如系统参数、各 种定制等等。

本文按照现实生活中的工程应用的要求，扩展了一些 1EC 61970 CIM模型的通用性，同时以通用保护建模的思想 为基础，创立了一种电力网络保护模型，如图2所示。

以CIM扩展为基础的通用保护模型通常由三个部分组

IEC 61970 CIM的保护模型如图丨所示。

此模型由保护装置（Protection Equipment )、一次设 备（Conducting Equipment )、保护动作开关（Protected

Switch)、重合闸序列（Reclosed Sequence )、同期检查继电

器（Synchro check Relay)和电流继电器（Current Relay)等 模块构成。保护设备和一次设备可以多重联结，且具有一定 的延展性。保护动作开关与保护设备之间也存在着类似的连

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EXCHANGE OF EXPERIENCE

成：保护设备、保护设备模型以及通用保护模型。同时保护 设备和电网中的每个保护对象之间以一对多的连接方式组成 了一个全新的保护设备模块；保护设备模型模块构成方式与 保护装置模块一致，只是用模型代替了实际的保护装置；通 用保护模型模块是通过保护原理描述保护装置模型，这个部 分可以实现对不同保护装置的兼容使用，是通用保护模型的 核心部分。

经验交流.»>

(1 )引人了一个保护设备模型类的概念，同时在每一 个保护设备模型类里都分人一种保护设备，并且每一种保护 设备只需建立一个通用模型；接人新的保护设备时，只需将 它添加到相应的模型类中即可，减少了建模工作量。

(2)

通过保护原理，建立了通用保护模型类，兼容了

不同型号的保护设备，与原模型相比更能适应不同的工作环 境。以通用保护单元模型类为基础，能够对各种各异的故障 种类设置相应的保护单元模型，比如纵联保护模型、距离保 护模型、电流保护模型等等，并且每一种保护模型类下的每 个保护模型对象，不需要重新扩展出全新的子类，从而以此 降低了建模的任务量。

(3)

对保护设备展开了一系列完整而全面的叙述，其

中包括定值、动作信号、开人开出、压板、控制字、跳闸出口、 状态信号及故障信息等，保护设备与其输人输出信号二者之 间的联系十分紧密。

三、故障诊断通用规则库的设计

电力网络发生故障之后通常只有以下几类信号能够被调 控中心收到：保护动作信号、开关动作信号、电流电压越限 信号以及PMU告警信号等。在电网故障诊断中，首先根据 依赖关系对故障相关的数据进行融合，融合后再根据规则进 行故障诊断。

故障诊断通用规则是用于对采集的数据进行和规定 的指标，通常是一些实际工作过程中积累的经验的总结。同 时存放在相应的知识库之中，并且需要根据相应的规则种类 展开分类，例如根据相应实验的运行数据类别制定相应的规 则，又例如根据不一样的保护设备的类别制定相应的规则， 并且因子的逻辑运算可以将上述的诊断规则实现。逻辑运算 由先进的算法和规则制定而成，部分逻辑因子可以直接由输 人给出，另一部分逻辑因子则可以由复杂因子构成，不能简 单的由出人常量直接给出，需要将算法搭建并封装成插件来 调用。例如要求保护系统检查是否存在“人工置数”操作事件， 则需要调用“操作记录表”子程序进行审査，才能确认是否 存在“人工置数”的操作事件，而且还需要符合时间、设备 等相同的一系列约束条件，只有封装才可以完成如此繁杂的 规则。推理模型和规则如图3所示。

图3推理模型和规则

图2基于CIM扩展的通用保护模型

与IEC 61970 CIM原保护模型相比，基于CIM扩展的通 用保护模型有如下优点：

基于所建立的通用规则库，利用历史故障信息和保护 动作信息，可以分析获得基于专家经验的故障诊断和开关 逻辑规则。

信息系统工程丨2020.2.20

111

<〈〈< EXCHANGE OF EXPERIENCE 经验交流_________四、利用波形的故障诊断子系统

故障诊断子系统不仅可以记录和分析电网运行的稳态过 程，还可以利用故障滤波器记录电网故障的暂态过程，同时 对暂态过程的波形进行处理和分析，这将提高处理电网故障 的快速反应能力，进一步提高电力系统的稳定运行和快速调 度的能力。获取电网故障暂态过程的波形和源数据，利用故 障滤波器可以通过处理电网故障暂态过程的波形数据分析出 电网发生的故障类型、故障性质、故障地点等详细的故障数 据，基于波形的详细分析主要是提取、解析波形数据，获取 到的波形数据可以进行故障测距、故障相别、故障电流。

利用波形的电网故障诊断子系统可以对可疑故障一次设 备的保护定值和波形进行预处理，通过波形分析协调模块对 波形文件进行协调处理，然后将不同故障设备信息利用相应 的设备保护专家领域进行在线分析，实现对一次设备故障的 类型、性质、地点等精细判断，利用波形的电网故障诊断子 系统结构如图4所示。

设计利用波形的故障诊断子系统，可以利用录播信息对 较复杂的电网故障进行深入的诊断分析。

五、基于电网模型和通用规则的故障诊断实现

从实时性、适用性、综合性角度出发，设计一种分阶式 电网故障综合诊断方法及系统。为了能够更好地把单个分析 系统分为数个功能各异的子系统，以此才能够开展分阶段式 的电力网络故障分析等相关操作，融合了各种数据的不同类 型的采样特点以及不同领域中算法的适用领域。EMS模块发 出的开关SOE动作信号、EMS模块以及保护设备同时发出 的保护动作信号与EMS系统发出的实时潮流断面信号，从 而若系统发生故障时可在短时间内获取，并将其传送到第一 部分的快速故障诊断子系统中进行处理，进而可以很快地找 出出现故障的装置。同时此系统所需的波形解析与故障录波 文件等数据信息，因为操作比较消耗时间，因此将分析过程 放在结合录波故障解析子系统之后进行相应的操作。同时可 以在录波故障解析子系统中进行快速故障分析，以此自动召 集以及收集相关的故障波形数据，以此来召唤设备故障几率 相对较大的设备波形，从而增强系统的综合分析性能的时效 性。为了增强系统分析故障的效率，本文运用了在时序上两 个子系统进行分阶段式的异步处理操作，并且要求这两个子

图4利用波形的故障诊断子系统

结合故障波形的电网故障诊断子系统

可疑故障一次设备K

----------------N

故障定位、故障 性质、相别

故障时段原始 波形文件

[

可疑故障设备的

保护定值

保护动作行为 的校验结果

输入:输出:

图5分阶式在线综合故障诊断系统

112

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EXCHANGE OF EXPERIENCE

系

统

‘决速故障设备诊断系统以及带有故障分析模块的波

[3]

经验交流 >»

Shi W, Zhu Y, Huang T, et al. An Integrated Data Preprocessing

形信息通常需要并行且单独运行。同时为了整个系统的故障 分析和诊断的速度，将所有的数据都集中到故障信息群组中 进行统一的管理和储存。所以故障信息群组模块与所有次级 子系统相联结，负责每个子系统间信息处理和传递，提高了 系统的整体故障信息协调处理能力。分阶式实时综合故障分 析思路架构如图5所示。

Framework Based on Apache Spark for Fault Diagnosis of Power Grid Equipment!}]. Journal of Signal Processing Systems, 2017, 86(2-3):221~236.

[4]

Rigatos G , Serpanos D , Zervos N , et al. Distributed filtering and

local statistical approach to fault diagnosis for securing the power grid[C]// IEEE International Symposium on Industrial Electronics. IEEE, 2017.

[5] 徐彪，尹项根，汪旸，等.基于模糊时间Petri网的电网故障诊

断方法[J]•电力系统自动化，2018,42(02》70-76•

[6]

赖宏毅 ，汪旸 ，杨雯 ，等， 基于事件起点的层次化时序 Petri 网

及其电网故障诊断方法[J].电力自动化设备，2018,38(02):201-209.

六、结语

本文围绕电网故障诊断进行研究，提出的分阶式在线综 合故障诊断系统可以通过各个子系统，分阶段地开展电网故 障诊断：

1.

开关SOE信息以及实时潮流断面信息到快速诊断子系统中进 行分析，并将结果发送至故障信息管理中心备用。

2.

的故障装置和与该故障装置有关的保护动作信号、开关动作 信号、分析所需的波形通道信号以及建立相应的故障信号组， 并将其传输到后续智能故障信息组群管理系统进行相应地操 作；而此时快速故障诊断子系统则可以再次对系统的新故障 进行实时检测以及分析处理。

3.

记录和管理，有效增加了故障诊断的速度和准确性。M

参考文献

⑴喻圣，邹红波，余凡，等.基于多种智能方法结合的电网故障 诊断综述⑴.电力学报,2〇19,34(〇1):3〇-36.

[2]陈国恩，李伟，张仲孝.电网故障诊断方法及其系统架构的研 究 〇].电气技术，2018，19(01):-67.

卩】

.

[7] Zhang X , Yue S , Zha X . Method of power grid fault diagnosis

using intuitionistic fuzzy Petri nets[J]. IET Generation, Transmission & Distribution, 2018, 12(2):295-302.

[8] [9] [10] [11]

徐彪，尹项根，张哲，等.基于拓扑图元信息融合的电网故障

诊断模型田.电工技术学报，2018,33(03):512-522.

通过将保护装置和EMS系统发出的保护动作信息、

徐彪，尹项根，张哲，等.基于拓扑建模的电网故障诊断优化

模型 〇].电网技术，2018,42(10):3241-3248.信息挖掘与诊断⑴•供用电，2018,35(08):31-39.

故障信息统计分析电力系统保护与控制，2016,44(03》141-147.

[12] Wang M , Qu Z , He X , et al. Real time fault monitoring and

diagnosis method for power grid monitoring and its application[C]// 2017 IEEE Conference on Energy Internet and Energy System Integration (EI2). IEEE, 2017.

马洲俊，樊飞龙，王勇，等.基于多源异构数据的配电网故障

在快速故障诊断处理完成之后，通过对系统检测出来

宋杰，谢海宁，杨增辉，等.基于多源异构数据挖掘的配电网

[13] 何俊涛.基于录波数据的电力系统故障元件智能诊断方法研 莫国柱，佘俊，高鹏，等.基于IEC 61970/61968 C

].

究[D】.山东大学，2019.

[14]

IM

在线综合故障诊断系统能够对历史故障信息进行完备的

的发电

企业全景信息建模研究U

[15

自动化与仪器仪表，2017(06):28-30.

.CIM

】张铁峰，李佳，顾建炜，等与

IEC61850

模型协调研究

电子设计工程，2017,25(12):6-10.

(作者单位：张琳波、李本瑜、石恒初、游昊、赵明，

云南电力调度控制中心；祁忠，南京南瑞继保电气有限公司）

(上接第1〇9页）

络，建成全省集中统一的环境数据资源中心，并实现信息资源 开放共享。

三是加强业务系统的标准化建设，建立统一的系统建设、 数据字典、数据加工、数据共享、接口对接、数据储存、管理 维护规范，梳理、完善信息资源目录，对数据进行清洗，形成 统一的数据仓库/数据超市，实现系统内数据资源整合集中和 动态更新，使大气污染防治挖掘分析数据更全面，分析结果更 合理，大气污染管控更精准。

四是加强大数据、物联网、云计算、人工智能、数据挖掘 等先进技术的应用，通过更广泛的数据整合、建模、分析，实现 智慧决策，提供大气污染现状与形势预警预测，大气污染影响应 急与溯源，大气环境数据应用与决策等监管手段和依据，以更加 精细化、动态化、智慧化的方式进行大气污染防治攻坚管理。

化已经在大气污染防治攻坚战中有了比较广泛的应用，但信息 化缺乏顶层设计、总体架构，数出多门、信息混乱，信息孤岛、 数据烟囱客观存在，智慧化程度有待进一步完善，大气污染防 治攻坚业务系统标准化建设有待进一步规范，数据的共享机制 需要进一步加强，急需通过加强环境信息化建设，推动环境管 理决策“用数据说话、用数据管理、用数据决策”，从根本上 提升环境治理科技能力，为环境质量的改善提供有力的信息化 支撑。co

参考文献

[1]祁玉萍.信息化北京下浅谈大气污染防治工作〇].科学与信息 化，2019(11)185-1.

[21卫富星.信息化背景下关于大气污染形成分析及治理探析[〇.科

学与信息化,2017(29):52-55.

(作者单位；河南省环境监控中心）

七、结语

综上所述，大气污染防治是一项复杂的系统工程，信息

信息系统工程I 2020.2.20

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