基于五层三区式因果规则网的区域电网故障诊断方法

摘要

本发明公开了一种基于五层三区式因果规则网的区域电网故障诊断方法，可对SCADA系统中的保护、开关动作信息进行反向推理，追溯出故障原因，进而确定故障元件。然后对故障原因进行正向推理，检测出误动、拒动的保护与开关集合。本发明所建五层三区式因果规则网的结构清晰、物理含义明确，可进行图形化表达，直观性很强，便于理解。在判断误动、拒动的保护与开关时，通过多个集合的运算，简单快速。本发明通过构造动作条件层来使得各候选原因彼此约束，通过构造中间诊断辅助区，反映线路对侧的各种故障征兆对本侧的影响，加强了本侧故障诊断的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及电网调度与故障分析领域，特别涉及一种电网故障诊断方法。

背景技术

电网故障诊断就是利用SCADA中的保护、开关的动作信息，结合继电保护原理来识别故障元件和拒动、误动的保护与开关。目前，电力系统故障诊断方法主要有专家系统、Petri网、优化解析法、贝叶斯网络、D-S证据融合等。但是在某些情况下由于保护与开关的误动、拒动及信息丢失等不确定性因素的存在，使得上述的故障诊断方法很难得到正确的诊断结果。

由于因果规则网能够准确地反映故障元件与故障候选原因，故障候选原因与保护、开关动作之间的因果关系，具有描述简洁直观、模型复杂度低、推理求解速度快等优点，已用于电网故障诊断中。然而现有基于因果规则网的电网故障诊断方法只利用本站的保护与开关动作信息，易受单侧保护误动影响而错判正常线路为故障。已有因果规则网缺少在各故障候选原因之间建立约束关系，在其完成推理后，会得到几个发生概率相同或相近的候选原因，增加了从多个候选原因中判断出真正故障原因的难度。

在确定故障元件后检测误动的保护与开关的正向推理中，以往的方法多是直接去找误动元件，这样做有以下不足：当有两条相邻线路(L_m、L_n)故障时，故障线路L_m的一段、二段保护拒动，三段保护作为本线路的远后备保护正确动作并跳闸；但是，在相邻元件L_n的正向推理中，L_n的主保护正确动作并跳闸，那么L_m的三段保护作为L_n的远后备保护就属于误动。这样，已有方法就会出现L_m的三段保护动作在两条线路的判断中一个是正确动作、一个是误动的矛盾结论。为此，本专利给出的一种基于集合运算的判断保护与开关误动、拒动的方法解决了此问题。

相关背景技术文献包括：

[1]Wen-Hui Chen，Chih-Wen Liu，Men-Shen Tsai.On-Line Fault Diagnosis of Distribution Substations Using Hybrid Cause-Effect Network and Fuzzy Rule-Based Method.IEEE Transactions on Power Delivery，2000，15(2)：710-717.

[2]童晓阳.基于分层因果规则网和模糊可信度的变电站报警评估方法.电力系统自动化，2011，35(5)：36-40.

[3]韦刘红，郭文鑫，文福拴，廖志伟，辛建波.数字化变电站在线智能警报处理系统.电力系统自动化，2010，34(18)：39-45.

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[5]吕鹏.基于混合因果网络的配电变电站故障诊断的研究.天津大学硕士学位论文.2004.

[6]孙雅明，吕鹏.基于混合因果网络的配电变电站故障诊断.电力系统自动化，2004，28(13)：26-30.

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是提供一种基于五层三区式因果规则网的区域电网故障诊断方法，使之克服了已有技术中仅利用本站信息、易受单侧保护误动影响、可能错判正常线路为故障等问题。本发明的方法更清楚地表达了不同候选原因之间的约束关系，更容易突出和确定故障原因。

本发明所使用的方法为：

基于五层三区式因果规则网的区域电网故障诊断方法，从电网数据采集与监控系统SCADA中获取保护与开关的动作信息，利用这些故障征兆信号，运用五层三区式因果规则网进行反向推理，通过概率计算追溯出可能的故障候选原因，从中确定真正的故障原因，进而找到故障元件，依以下主要步骤进行诊断检测：

步骤1，针对电网中的每一个元件，建立五层三区式诊断因果规则网的子网模型，即存储建立故障元件层、候选原因层、动作条件层、保护动作层和开关动作层的五层结构，针对线路，利用单侧及其相邻线路的保护与开关的动作信息，分别建立线路的左、右两侧诊断区，再加入中间诊断辅助区，所述中间诊断辅助区可向左、右两侧诊断区分别传递线路对侧的诊断概率；

步骤2：获得来自SCADA系统中保护与开关的动作信息后，先由开关动作信息判断出故障区域，将故障区域中的元件列为疑似故障元件。针对动作了的保护与开关，为其在因果规则网中对应的保护动作节点、开关动作节点，赋予动作概率值0.95，而其它未动作的保护动作节点、开关动作节点赋概率值0.05。

步骤3：对于列出的疑似故障元件的所有候选原因，通过收集到的保护与开关动作信息，对每个候选原因进行路径计算的启动判断，得到疑似故障元件中需要计算的候选原因。候选原因路径计算的启动判据为：该候选原因的下属3层节点中有三分之二数量以上的节点动作时，该候选原因的路径计算才启动。其中需特别注意的是，这时“与”节点、“或”节点及其子节点共同算做一个节点。

步骤4：对于已启动的候选原因，先分别计算其各子路径的概率，然后再将各子路径的概率值与其权值的乘积相加，合成得到该候选原因的故障概率。通过指向中间诊断辅助区中的LiLw或LiRw节点的子路径，可将对侧的故障信息引入到本侧故障概率计算中。

步骤5：当候选原因的故障概率计算完成后，同时满足下列要求的候选原因成为故障原因：(1)其故障概率值大于阀值0.75；(2)其故障概率值大于本元件中已启动的其它候选原因节点的故障概率值。故障原因所对应的元件确定为故障元件。如果某个疑似元件的所有候选原因均小于阀值0.75，则表明该元件不故障。

故障原因所对应的元件确定为故障元件。然后计算故障元件的故障概率，对于母线，取故障原因的概率值作为母线元件的故障概率；对于线路，取左、右两侧的两个故障原因中最大值作为该线路元件的故障概率。

步骤6：当获得故障原因及其故障元件后，通过以下两条规则获得误动或拒动的保护和开关动作情况：(1)部分拒动信息已经暗含在不同候选原因之间的约束关系中，如附图2中母线B1的候选原因B1b(表示B1故障，主保护拒动，母线所连线路的远后备动作)成为故障原因，就表明母线的主保护拒动。(2)通过多个集合的运算，得到“误动保护与开关集合”。设故障信息中“已动作保护与开关集合”为{A}。在所有的故障原因的路径中，如有保护或开关动作节点不动作，则判为该节点拒动，加入“拒动保护与开关集合”{R}；除去拒动的保护外，所有故障原因的路径中含有的保护节点为正确动作，存入“正确动作保护集合”{P}，将所有的故障原因的路径中，与集合{P}中保护节点相连的动作了的开关存入“正确动作开关集合”{B}。这样可得到了“误动保护与开关集合”{M}，{M}＝{A}-{P}-{B}。

步骤7：输出步骤5中得出的故障元件及其故障概率，输出步骤6中误动保护与开关集合、拒动保护与开关集合，即集合{M}与{R}。

该诊断流程如附图3所示。

采用如上的方法，构建了一种新型的五层三区式因果规则网用于电网故障诊断。根据保护原理，建立了故障元件层、候选原因层、动作条件层、保护动作层和开关动作层的五层结构。针对线路，利用单侧及其相邻线路的保护与开关的动作信息，分别建立线路的左、右两侧诊断区，再加入中间诊断辅助区，它可向左、右两侧诊断区分别传递线路对侧的诊断概率，有效地解决了已有技术中仅利用本站信息、易受单侧保护误动影响、错判正常线路为故障等问题。模型中的动作条件层，能够更清楚地表达了不同候选原因之间的约束关系，更容易突出和确定故障原因。该五层三区式因果规则网结构清晰、物理含义明确，可进行图形化表达，直观性很强，便于理解，能够识别出多重故障的发生。

附图说明

图1为本发明实施例中L1的因果规则网网络图。

图2为本发明实施例中B1的因果规则网网络图。

图3为基于五层三区式因果规则网的区域电网故障诊断流程图。

图4为本发明实施例局部电力系统继电保护示意图。

图5为本发明实施例候选原因L1La的路径计算示意图。

图6为本发明实施例候选原因L1Rw的路径计算示意图。

图7为本发明实施例候选原因L1Ld的路径计算示意图。

具体实施方式

1.五层三区式因果规则网模型的构造方法

(1)五层三区式因果规则网的模型结构

这里以一个局部电力系统继电保护网络为例(如附图4所示)，对其中元件L1、B1建立五层因果规则网模型，如附图1、2所示。附图4中的28个元件依次为母线A1～A4，B1～B8；变压器T1～T8；线路L1～L8。元件中L、R分别表示元件的左侧和右侧。m为主保护，p为近后备保护，s为远后备保护。

该网络模型纵向分故障元件层、故障候选原因层、动作条件层、保护动作层和开关动作层五层。

(1)故障元件层是指电网中所有的元件Fi，具体分为线路Li、母线Bi等。特别地对于线路，在Li下设两个子节点LiL和LiR，分别表示线路左侧和线路右侧的诊断情况。

(2)候选原因层是指元件故障时可能的故障候选原因。线路LiL(Li左侧)的故障候选原因有5种组合：LiLa(线路Li故障，主保护动作，开关正常动作)、LiLb(线路Li故障，主保护拒动，近后备保护动作，开关正常动作)、LiLc(线路Li故障，主保护与近后备保护拒动，远后备保护动作，开关正常动作)、LiLd(线路Li故障，主保护与近远后备拒动，相邻元件的远后备动作)、LiLe(线路Li故障，开关拒动，相邻元件的远后备动作)。LiR(Li右侧)与LiL类似。

母线Bi的故障候选原因有3种组合：Bia (Bi故障，母差主保护动作，各开关正常动作)、Bib(Bi故障，母差主保护拒动，母线所连各线路的远后备动作)、Bic(Bi故障，母差主保护动作而某个或某些开关拒动，母线所连某个或某些线路的远后备动作)。根据拒动的开关，又可将Bic分为若干子原因。有n个开关可能会拒动，每一个拒动开关对应一个子原因，分别为Bic1-Bicn。各子原因之间是“或”的关系，意味着会有一个或多个子原因同时成为故障候选原因。附图2中用“OR”来表示“或”节点：当它指向的子节点中有一个动作时，该节点就动作。

故障元件可包含多个候选原因，它们之间满足以下关系：若某元件发生故障，有且只有一个候选原因成为故障原因。

(3)动作条件层的作用是：如果某个候选原因满足动作条件，则它成为故障原因的概率将增加，反之则下降。因为每个候选原因的动作条件是“互斥”的，所以加入动作条件层带来的好处是使故障原因的概率增大，而抑制其他候选原因的故障概率。

附图1、2中“与”节点(“AND”)表示当它指向的下属所有节点都动作时，该节点才动作。

附图1、2中如这类在保护或开关的名称上加一条横线的节点，本文命名为“保护动作取反节点”，在SCADA的故障信息报文中如果该类节点对应的保护或开关不动作，则该节点才视为动作。

以附图1中候选原因L1Lb为例，它指向的动作条件层的节点有(L1左侧主保护不动作时，该节点视为动作)和L1Rw。L1Rw表示线路右侧的故障概率信息，它通过一个“或”节点与L1Ra′-L1Re′相连，L1Ra′与L1右侧诊断区的候选原因L1Ra的唯一区别是其不指向中间诊断辅助区节点L1Lw，只指向保护动作层的节点(如L1Rm节点)。所以L1Lb的动作条件为“当L1左侧主保护不动作，并且L1右侧有故障征兆(即L1Rw动作了，有动作概率)”，这与L1Lb的定义“线路L1故障，主保护拒动，近后备保护动作，开关CB7正常动作”是相符的。

(4)保护动作层与开关动作层对应各元件下的保护和开关设备。在故障候选原因C与保护动作A之间、保护动作A与开关动作X之间有如下因果关系：1个故障候选原因c_i引发多个保护动作。一个保护动作a_i可能由多个故障候选原因引发，而一个保护动作可有一个或多个开关跳闸与之对应。

在横向，线路Li可被分成三个区，左侧诊断区LiL、右侧诊断区LiR和中间诊断辅助区。中间诊断辅助区中包含两个节点LiLw和LiRw，构造它们，目的是将对侧信息引入到本侧的故障诊断中，便可以有效地避免因单侧保护与开关误动而带来的线路故障误判情况。(2)五层三区式因果规则网模型的候选原因路径计算方法

一条候选原因路径以某个候选原因为起点，包含该候选原因指向的所有动作条件、保护和开关。对候选原因层的节点，当计算概率值大于0.75时，该候选原因为动作。对于动作条件层、保护动作层和开关动作层中的各节点，若其动作，则赋予概率值0.95；否则，赋予概率值0.05。对“与”节点、“或”节点，要注意的是它与其下属所有子节点构成一个节点。以附图1中L1Rw指向的“或”节点OR1为例，它与线路对侧候选原因L1Ra′-L1Re′共同构成了一个节点，当L1Ra′-L1Re′五个节点中至少有一个为真时，该共同构成的节点OR1的动作概率值赋为0.95，否则赋为0.05。以B1m指向的“与”节点AND1为例，它与CB4、CB5、CB6、CB7、CB9共同构成了一个节点，当CB4、CB5、CB6、CB7、CB9这五个节点都动作时，该共同构成的节点AND1动作，赋动作概率值为0.95，否则为0.05。

以附图1、2中的L1、B1为例，说明候选原因的故障概率计算方法。

在L1中，L1La的路径计算如下：L1La是L1L的一条候选原因路径，如图5所示。该候选原因路径又分为两条可达子路径，一条由L1La指向保护动作层，另一条由L1La指向中间诊断辅助区的L1Rw，这里为第一条子路径赋权值为0.55，为第二条子路径赋权值为0.45。子路径赋权值的依据为：认为本侧主保护正确动作的可信度较高一些。

L1Rw具体的表示如附图6，判断L1Rw是否动作的方法是依次计算线路对侧候选原因L1Ra′-L1Re′的概率值，当其中一个概率值大于0.75时，则认为该对侧候选原因节点动作，为简便计算过程，不再计算剩余对侧候选原因的概率，并认为L1Rw动作，并赋予L1Rw的动作概率为0.95。

候选原因总有至少一条可达子路径指向保护层节点，而保护动作又引发开关跳闸，这两个环节缺一不可，而继电保护中故障引发保护动作的这个环节更重要，因此为候选原因指向保护动作层节点的子路径、保护动作层节点指向开关动作层节点的子路径，分别赋予不同的权值PC1，PC2(0.54，046)。

于是，计算L1La的概率值为P_L1La＝0.55×[PC₁×P_L1Lm+PC₂×P_CB7]+0.45×P_L1Rw。

L1Ld有多条候选原因子路径，如附图7所示。该候选原因路径分为七条可达子路径，一条指向本侧区的动作条件层的AND2，一条指向中间诊断辅助区L1Rw，其余五条指向保护动作层节点。我们认为指向保护动作层节点的五条子路径彼此是平等的，所以求取它们的平均值，然后为指向AND2的子路径赋权值为0.3，为指向L1Rw的子路径赋权值为0.35，为指向保护动作层节点的五条子路径的平均值赋权值为0.35。

计算L1Ld的概率值为P_L1Ld＝0.3×P_AND2+0.35×P_L1Rw+0.35×[(PC₁×P_L3Rs+PC₂×P_CB28)+(PC₁×P_T1Ls+PC₂×P_CB2)+(PC₁×P_T2Ls+PC₂×P_CB3)+(PC₁×P_L4Rs+PC₂×P_CB27)+(PC₁×P_L2Rs+PC₂×P_CB12)]/5。

2、基于五层三区式因果规则网的故障诊断方法

步骤1：针对电网中的每一个元件，建立五层三区式诊断因果规则网的子网模型，加以存储。

步骤2：获得来自SCADA系统中保护与开关的动作信息后，先利用已跳开的开关位置信息判断出故障区域，将故障区域中的元件列为疑似故障元件。针对动作了的保护与开关信息，为其在因果规则网中对应的保护动作节点、开关动作节点，赋予动作的概率值。

步骤3：对于列出的疑似故障元件的所有候选原因，通过收集到的保护、开关动作信息，对每个候选原因进行路径计算的启动判断，得到疑似故障元件中需要计算的候选原因。

步骤4：对于疑似故障元件中需要计算的候选原因，先分别计算其各子路径的概率，然后再将各子路径的概率值与其权值的乘积相加，合成得到该候选原因的故障概率。

步骤5：当候选原因的故障概率计算完成后，同时满足下列要求的候选原因成为故障原因：(1)其故障概率值大于阀值；(2)其故障概率值大于本元件中已启动的其它候选原因节点的故障概率值。故障原因所对应的元件确定为故障元件。然后再计算故障元件的故障概率。如果某个疑似元件的所有候选原因均小于阀值，则表明该元件不故障。

步骤6：当获得故障原因及其故障元件后，通过以下两条规则获得误动或拒动的保护与开关动作情况：(1)部分拒动信息已经暗含在不同候选原因之间的约束关系中。(2)通过多个集合的运算，得到误动保护与开关集合、拒动保护与开关集合。

步骤7：输出步骤5中得出的故障元件及其故障概率，输出步骤6中误动保护与开关集合、拒动保护与开关集合。

与现有技术相比，本发明的优点是明显的：

1.根据电网结构、保护原理，构建了五层三区式因果规则电网故障诊断网，它包括故障元件、故障候选原因、动作条件、保护动作及开关动作共五层，充分利用了线路对侧及其相邻线路的保护与开关动作信息，将因果规则网划分为左侧诊断区、右侧诊断区和中间诊断辅助区三个区，建立各层、各区之间的因果关系，该因果规则网的结构清晰、物理含义明确，可图形化表达。

2.在传统因果规则网中加入“与”、“或”、“取反”三类逻辑节点，使网络在解释多个候选原因之间的约束关系时更加精确，推理能力更强。

3.本发明提出了新的保护与开关的误动、拒动判断方法。在得到故障元件及其故障原因后，可直接判断正确动作和拒动的保护与开关，进而用已动作保护与开关集合减去正确动作保护与开关集合，就得到了误动保护与开关集合。该方法避免了在不同电气元件的正向推理时，一个保护或开关既被判为误动、又被判为正常动作的矛盾情况。

4.本方法有别于传统因果规则网的元件、原因、保护、开关四层结构，提出构造动作条件层和中间诊断辅助区。通过动作条件层中的逻辑“与”节点使得各候选原因彼此约束和独立，通过逻辑“或”节点反映对侧各种故障征兆对本侧诊断的影响，避免了受单侧保护误动、错判正常线路为故障的情况。