1、基于正反向推理的電力系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)劉青松太原電力高等專科學(xué)校,030013太原夏道止西安交通大學(xué)電氣系,710049西安EXPERT S Y STE M OF POW ER S Y STE M FAUL T D I AGNOSIS BASED ON FOR W ARD AND BACK W ARD REAS ON INGL iu Q ingsongT aiyuan In stitu te of E lectric Pow er T aiyuan,030013Ch inaX ia D aozh iX ian J iaoTong U n iversity X ian,710049Ch ina

2、ABSTRACTA n app roach of pow er system fau lt diagno stic expert system based on fo rw ard and backw ard reason ing is p resen ted.It first generates a list of fau lt hypo theses from the tri pped b reakers,then iden tifies the hypo theses one by one u sing the operati info rm ati on s of b reaker a

3、nd p ro tective relaying,and finally po in ts ou t the fau lty equ i pm en ts o r fau lty spo t.T he p ropo sed app roach can be u sed in the diagno sis the fau lts occu rred in tran s m issi on lines,bu sbars,tran sfo rm ers and generato rs as w ell as the m alfuncti on s of circu it b reakers and

4、p ro tective relayings. R eason ing ru les and the confidence calcu lati on m ethod acco rding to the operati on of p ro tective relaying under comp lex conditi on s are described in detail.T he resu lt of p ractical fau lt diagno sis in Shanx i p rovincial pow er system show s that the m ethod is e

5、fficien t.KEY WOR D Sexpert system;pow er system;fau lt diagno sis摘要介紹了一種在電力系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)中采用的基于正反向推理的電力系統(tǒng)故障診斷方法。該方法首先根據(jù)跳閘斷路器提出故障假說,然后根據(jù)斷路器和繼電保護(hù)動作的信息逐一檢驗假說的正確性,最后給出故障設(shè)備或故障范圍。該方法可以診斷輸電線路、母線、變壓器和發(fā)電機(jī)設(shè)備的故障及繼電保護(hù)和斷路器的非正確動作。對山西電網(wǎng)實際故障事例的測試結(jié)果表明,該方法是有效的。關(guān)鍵詞專家系統(tǒng)電力系統(tǒng)故障診斷目前,電力系統(tǒng)故障診斷的主要方法有:專家系統(tǒng)法、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)相結(jié)合的方法和基于

6、優(yōu)化技術(shù)的方法。人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)結(jié)合的方法,采用專家系統(tǒng)的推理能力以形成假想故障設(shè)備集,應(yīng)用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)想記憶和擴(kuò)延能力確認(rèn)故障設(shè)備,其診斷故障的性能取決于訓(xùn)練樣本的完備性,由于收集大型電力系統(tǒng)完備的故障樣本極其困難,所以不能保證診斷的正確性。基于優(yōu)化技術(shù)的方法,將故障診斷轉(zhuǎn)化為0-1整數(shù)規(guī)則問題,目標(biāo)函數(shù)為斷路器和繼電保護(hù)動作情況與假說故障的適配指標(biāo),求解采用遺傳算法或模擬退火算法。這種方法速度較慢,不能滿足實時要求,此外目標(biāo)函數(shù)的建立也有待進(jìn)一步探討。專家系統(tǒng)是廣泛采用的一種故障診斷方法,現(xiàn)有的電力系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng),存在以下問題:(1需事先建立設(shè)備故障模型。與收集故障樣本一樣

7、,故障模型要達(dá)到完備也是相當(dāng)困難的,當(dāng)實際故障與模型不匹配時,得不出正確的結(jié)果,所以有一定的局限性。(2只進(jìn)行由跳閘斷路器到故障設(shè)備的正向推理。這樣得到的可能故障設(shè)備較多,需大量提問保護(hù)動作信息,使用不便。(3以拒動斷路器或繼電保護(hù)對故障假說的違背程度計算可信度。然而,復(fù)雜的故障往往是由繼電保護(hù)或斷路器的拒動造成的。這種方法不能保證真正的故障設(shè)備可信度,不利于快速確認(rèn)故障設(shè)備。本文采用基于規(guī)則的正反向混合推理方法,根據(jù)斷路器和繼電保護(hù)與被保護(hù)設(shè)備之間的邏輯關(guān)系建立推理規(guī)則,保證了推理的正確性。通過反向推理,有效地縮小了可能的故障范圍;以動作的斷路器或繼電保護(hù)與故障假說的符合程度計算可信度,更符

8、合電網(wǎng)故障后繼電保護(hù)動作的實際行為。1電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的表示在進(jìn)入故障推理之前,即推理系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)時,系統(tǒng)讀取電網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫和斷路器、隔離開關(guān)位置狀態(tài)數(shù)據(jù)庫,將電網(wǎng)表示為由節(jié)點和支路構(gòu)成的圖。節(jié)點為母線、變壓器、線路和發(fā)電機(jī)等電氣設(shè)備,支路為斷路器。這使得斷路器與設(shè)備的關(guān)系一目第23卷第9期1999年9月電網(wǎng)技術(shù)Pow er System T echno logyV o l.23N o.9Sep t.1999了然,可以進(jìn)行快速的圖上推理。2推理過程及規(guī)則當(dāng)發(fā)生故障引起斷路器跳閘時,推理系統(tǒng)由睡眠狀態(tài)激活進(jìn)行推理。推理過程如下:(1由跳閘斷路器,根據(jù)斷路器的三段保護(hù)范圍,進(jìn)行正向推理,求出初步故障設(shè)

9、備集F1。(2對F1中的每一項設(shè)備,作為假說故障,依據(jù)繼電保護(hù)的動作原則和實際跳閘的斷路器,進(jìn)行反向推理,求假說故障的切除模式。如能得到這樣的模式,則故障假說成立,設(shè)備存入可能故障設(shè)備集F2;否則,該設(shè)備故障假說不成立。F2是對F1的壓縮,大大減少了可能故障的數(shù)目。(3如果F2中只有一個設(shè)備,則該設(shè)備就是故障設(shè)備,推理結(jié)束,否則轉(zhuǎn)(4。(4對F2中的設(shè)備按跳閘斷路器計算故障可信度,依照可信度從大到小的順序在屏幕上顯示。(5按故障可信度從大到小的順序逐個提問保護(hù)動作信息。如果保護(hù)動作與設(shè)備的切除模式匹配,則將其存入故障設(shè)備集F3;否則,該設(shè)備故障是不可能的,將其剔除。F3是對F2的壓縮,又一次減

10、少了故障設(shè)備的數(shù)目。(6如果F3中只有一個設(shè)備,則該設(shè)備就是故障設(shè)備,推理結(jié)束;否則轉(zhuǎn)(7。(7對F3中的設(shè)備按保護(hù)動作信息重新計算可信度,重新按可信度大小順序顯示可能的故障設(shè)備。2.1正向推理規(guī)則斷路器(除誤動作外總是反應(yīng)保護(hù)范圍內(nèi)設(shè)備故障而動作跳閘的。所以,跳閘斷路器與故障設(shè)備之間有內(nèi)在的關(guān)聯(lián)。根據(jù)斷路器的保護(hù)范圍進(jìn)行正向推理建立初步故障設(shè)備集F1的規(guī)則如下:規(guī)則1:跳閘斷路器(三段保護(hù)范圍內(nèi)的設(shè)備屬初步故障設(shè)備集。在高壓系統(tǒng)中,通常裝有斷路器失靈保護(hù)。但失靈保護(hù)的動作方式與一般的方向式保護(hù)不同,因此有專門規(guī)則搜尋由斷路器失靈保護(hù)切除的故障設(shè)備。規(guī)則2:與跳閘斷路器同廠站同電壓等級的帶斷路

11、器失靈保護(hù)的未跳閘斷路器相連的設(shè)備屬初步故障設(shè)備集。由于在斷路器的保護(hù)范圍內(nèi)包含許多設(shè)備,按以上兩個規(guī)則建立的初步故障設(shè)備集F1中包含大量的非故障設(shè)備。因其搜索范圍大,可達(dá)到不遺漏故障設(shè)備的目的。通過反向推理可大大壓縮F1。2.2反向推理規(guī)則發(fā)生故障的設(shè)備,總會有斷路器跳閘將其與健康部分隔離,所以初步故障設(shè)備集中只有那些由跳閘斷路器將其與健康部分隔離的設(shè)備,才可能是故障設(shè)備。根據(jù)這一思想,對F1中的每一設(shè)備,作為假說故障,通過下面的規(guī)則進(jìn)行反向推理。剔除F1中的非故障設(shè)備,形成可能故障設(shè)備集F2。規(guī)則3:如果設(shè)備的主保護(hù)斷路器全部跳閘,則設(shè)備屬可能故障設(shè)備集。規(guī)則4:如果設(shè)備的主保護(hù)斷路器部分

12、或全部未跳閘,但與未跳閘主保護(hù)斷路器相應(yīng)的第一后備斷路器跳閘,則設(shè)備屬可能故障設(shè)備集。規(guī)則5:如果第一后備保護(hù)斷路器部分或全部未跳閘,但與未跳閘的第一后備斷路器相應(yīng)的第二后備斷路器跳閘,則設(shè)備屬可能故障設(shè)備集。在使用規(guī)則3、4、5時,需要分別求出假說故障設(shè)備的主保護(hù)斷路器,第一臺后備斷路器或第二臺后備斷路器。此時采用如下規(guī)則:規(guī)則6:如果B1斷路器與假說故障設(shè)備直接相連,則B1為主保護(hù)斷路器。規(guī)則7:如果斷路器B1未跳,B2是與B1屬不同廠站,或雖屬相同廠站但屬不同電壓等級的斷路器,B2經(jīng)除假說故障設(shè)備外的設(shè)備E與B1所在的電壓相連,且B2至少有一條經(jīng)過E到假說故障設(shè)備的通路,則B2為第一后備

13、斷路器。規(guī)則8:如果第一后備斷路器未跳,則規(guī)則7中E的第一后備斷路器就是假說故障設(shè)備的第二后備斷路器。在使用規(guī)則3、4、5進(jìn)行反向推理的同時,逐步形成了設(shè)備故障的切除模式。這種模式記錄了假說故障設(shè)備動作和拒動的主保護(hù)、第一后備保護(hù)和第二后備保護(hù)斷路器。此模式給以保存,以便需要時有針對性的提問保護(hù)動作信息。2.3按跳閘斷路器計算故障可信度當(dāng)可能故障設(shè)備集中設(shè)備數(shù)為1,則故障即可確認(rèn);否則就須提問保護(hù)動作信息。為了盡快確認(rèn)故障設(shè)備,須將可能故障設(shè)備按故障可信度從大到小排序。考慮到大多數(shù)跳閘斷路器是為切除故障而動作的,可信度可簡單地用下式計算:C F d i=N i N(1式中C F d i為可能故

14、障設(shè)備集中第i個設(shè)備故障的76第23卷第9期電網(wǎng)技術(shù)可信度;N i為切除第i個設(shè)備的故障而跳閘的斷路器數(shù);N為跳閘的斷路器總數(shù)。為切除設(shè)備故障而跳閘的斷路器數(shù)N i可由設(shè)備的切除模式計算。這種可信度計算方法不僅非常簡單,而且信任度高。即使在故障設(shè)備的主保護(hù)斷路器全部拒動、故障由后備斷路器切除的情況下,也能將實際故障設(shè)備排在前面。這就避免了由于保護(hù)或斷路器拒動而使實際故障設(shè)備可信度減小的弊端。2.4提問保護(hù)動作信息,進(jìn)行再次反向推理由于目前我國電力調(diào)度中心一般不能實時得到繼電保護(hù)動作信息,所以采用人機(jī)對話形式,對可能故障設(shè)備集F2中的設(shè)備按可信度大小順序逐一提問。問題1:設(shè)備的主保護(hù)(100%保

15、護(hù)是否動作?規(guī)則9:如果對問題1的回答是肯定的,則繼。規(guī)則10:如果對問題1的回答是否定的,則找出通過斷路器與設(shè)備相連的變壓器,并逐個提問問題2。問題2:變壓器后備保護(hù)是否動作?將問題2的回答記錄下來,作為計算可信度的依據(jù)。提問結(jié)束后,對線路在故障切除模式中找出主保護(hù)斷路器,逐個提問問題3;其它設(shè)備,找出第一后備斷路器,逐個提問問題4。問題3:斷路器所裝繼電保護(hù)裝置是否動作(1:一段動作;2:二段動作;0:未動作?規(guī)則11:如果所有斷路器對問題3的回答是1或2,則繼續(xù)下一可能故障設(shè)備的提問。規(guī)則12:如果至少一個跳閘斷路器問題3的回答是0,則設(shè)備不屬于故障設(shè)備。規(guī)則13:如果未跳閘斷路器對問題

16、3的回答是0,則在故障切除模式中,找出該斷路器拒動時的第一后備斷路器,并逐個提問問題4。問題4:斷路器所裝繼電保護(hù)裝置是否動作(2:二段動作;3:三段動作;0:未動作?規(guī)則14:如果所有斷路器對問題4的回答是2或3,則繼續(xù)對其余未經(jīng)提問的主保護(hù)斷路器提問問題3(僅對線路。規(guī)則15:如果至少一個跳閘斷路器對問題4的回答是0,則設(shè)備不屬于故障設(shè)備。規(guī)則16:如果對未跳閘斷路器問題4的回答是0,則在故障切除模式中,找出該斷路器時的第二后備斷路器,并逐個提問問題5。問題5:斷路器所裝繼電保護(hù)裝置是否動作(2:二段保護(hù);3:三段保護(hù);0:未動作?規(guī)則17:如果所有斷路器對問題5的回答是2或3,則繼續(xù)對其

17、余未經(jīng)提問的第一后備斷路器提問問題4。規(guī)則18:如果至少一個跳閘斷路器問題5的回答是0,則設(shè)備不屬于故障設(shè)備。規(guī)則19:如果在問題1、2、3、4和5的提問過程中,未能否定設(shè)備的故障,則設(shè)備屬于故障設(shè)備集F3。2.5按繼電保護(hù)動作情況計算可信度如果經(jīng)提問保護(hù)信息得到的F3中只包含一個設(shè)備,則該設(shè)備就是故障設(shè)備;否則,按下述方法計算可信度。如果設(shè)備的主保護(hù)動作,則C F ri=1.0。否則C F ri=C ri N r(2式中C F ri為故障設(shè)備集中第i個設(shè)備故障的可信度;C ri為動作保護(hù)對第i個設(shè)備的故障的支持度總和;N i為動作保護(hù)總數(shù)。支持度可理解為動作保護(hù)對設(shè)備故障的認(rèn)可程度,依據(jù)經(jīng)驗

18、按下述規(guī)則進(jìn)行計算:動作保護(hù)是設(shè)備的主保護(hù),則支持度為1;動作保護(hù)為對設(shè)備起后備保護(hù)作用的變壓器后備保護(hù),則支持度為0.5;動作保護(hù)裝于主保護(hù)斷路器的繼電保護(hù)裝置的一段,則支持度為1,二段為0.5;動作保護(hù)裝于第一后備斷路器的繼電保護(hù)裝置的二段,則支持度為1,三段為0.5;動作保護(hù)裝于第二后備斷路器的繼電保護(hù)裝置的三段,則支持度為1,二段為0.5。3實例應(yīng)用本文實用TU RBO2PROLO G邏輯程序設(shè)計語言實現(xiàn)了上述推理過程,并用山西電網(wǎng)近年來發(fā)生的故障進(jìn)行了測試。圖1為某電廠母線失電事故的接線圖。實際情況為,220kV北母單相接地,母線保護(hù)拒動,對側(cè)二段保護(hù)動作切除故障,電廠斷路器102、

19、202、204、205、206由主變后備保護(hù)動作跳閘。診斷結(jié)果是合理的。(下轉(zhuǎn)第71頁con ti nued on page7186Pow er System T echno logy V o l.23N o.9人員的勞動強(qiáng)度。(4機(jī)組的可控性明顯提高,機(jī)組負(fù)荷控制的準(zhǔn)確度由原來的35MW 提高到0.3MW ,并可隨時接受中央調(diào)度R TU 來的負(fù)荷命令,實現(xiàn)電網(wǎng)的A GC 控制。(5經(jīng)濟(jì)效益顯著。根據(jù)專家論證的初步結(jié)果并參照其它電廠經(jīng)濟(jì)效益情況的分析,協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)穩(wěn)定投入后,可降低煤耗35g k W h ,截止1999年4月,直接經(jīng)濟(jì)效益約728萬元。4結(jié)束語作為全國首臺國產(chǎn)200MW 機(jī)組自

20、動化系統(tǒng)技術(shù)改造,在沒有成功的經(jīng)驗借鑒和現(xiàn)成模式參考的前提下,根據(jù)未來電網(wǎng)發(fā)展對機(jī)組自動化水平的要求,并考慮因原有自動化設(shè)備無法滿足機(jī)組A GC 控制的要求而限制了機(jī)組效率的進(jìn)一步提高,以及這些設(shè)備維護(hù)性差等諸多方面的因素,長春熱電二廠和中國電力科學(xué)研究院合作,充分利用電科院的技術(shù)資源,共同完成了1、2號機(jī)組自動化系統(tǒng)的技術(shù)改造。由于機(jī)組控制技術(shù)的進(jìn)步,機(jī)組管理水平有了明顯的提高,于1996年10月被國家電力公司首批授予一流火電廠的稱號。長春熱電二廠1、2號機(jī)組自動化系統(tǒng)改造后自1995年10月投入運行以來,經(jīng)過多次離線和在線檢查、試驗、測試,以及機(jī)組的多次啟停證明,改造后的系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠

21、,操作簡捷,響應(yīng)快,計算能力強(qiáng),歷史信息存儲科學(xué)、分析問題快捷、準(zhǔn)確,沒有發(fā)生過因為控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定或故障造成機(jī)組停機(jī)事故或障礙。1998年11月,按照國家電力行業(yè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和在線測試規(guī)程,省電力公司生產(chǎn)部組織專家組對長春熱電二廠1、2號機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行實地驗收試驗。結(jié)果表明,各項指標(biāo)均符合有關(guān)規(guī)程要求,通過了省電力公司的驗收。收稿日期:1998207201。隋劍平高級工程師,副廠長,1984年畢業(yè)于東北電力學(xué)院。邱忠昌高級工程師,1982年畢業(yè)于大連理工大學(xué)。(上接第71頁con ti nued fro m page 71圖1故障區(qū)域(220kV 母線接線圖F ig .1Fault area (220kV bu