基于拓撲知識的配電網故障診斷系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于拓撲知識及拓撲搜索方法的配電網故障診斷系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括資源層、知識層和診斷層，資源層包括故障錄波器、監(jiān)測終端、配電設備臺賬、拓撲文件及數(shù)據庫，監(jiān)測終端用于收集故障后的開關狀態(tài)信息，故障錄波器用于獲取故障后波形，拓撲文件用于提供整個電網的電氣接線圖，配電設備臺賬用于獲取配電設備故障時的運行情況；知識層包括為診斷層提供信息的知識庫；診斷層包括故障診斷服務器，故障診斷服務器上設有故障診斷程序模塊。該方法基于上述系統(tǒng)實現(xiàn)拓撲知識形成和故障診斷。該系統(tǒng)及方法可以進行故障后事故分析，為運行人員提供參考，節(jié)省人力、財力、時間，而且系統(tǒng)運行高效、快速，使用效果好。
【專利說明】基于拓撲知識的配電網故障診斷系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及配電網故障診斷【技術領域】，特別是一種基于拓撲知識及拓撲搜索方法的配電網故障診斷系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002]傳統(tǒng)的配電網故障診斷就是依據測控、保護、錄波等故障信息，采用某種診斷機制來確定故障饋線、故障位置，并隔離故障區(qū)域、盡量減少停電面積和縮短停電時間，同時，對配電網電能質量進行分析，而不包括故障后的事故分析功能，如分析事故的原因(人為因素、自然因素、設備故障等)、事故影響范圍以及事故造成的停電損失等。這需要由人工經過事故現(xiàn)場勘查、調查統(tǒng)計后給出相應的報告，配電網是事故頻發(fā)的部分，因此，事故分析要耗費大量的人力和時間。
[0003]隨著配電網自動化系統(tǒng)的建設，可用于故障診斷的數(shù)據量越來越龐大，來源越來越廣泛，這些數(shù)據在蘊含信息上存在冗余，且在故障后段時間內涌入調度中心，使得操作人員人工診斷故障十分困難，如何有效利用這些數(shù)據是亟待解決的一個問題。因此，傳統(tǒng)的故障診斷框架在快速準確性上仍有很大的提升空間。
[0004]另外，電網拓撲分析是故障診斷的基礎，一種良好的電網拓撲數(shù)據結構可以極大的提升故障診斷的效率。傳統(tǒng)的電網拓撲表示方法有矩陣法和鄰接表法等，基于矩陣的電網拓撲分析法，在斷路器等開關器件跳閘后要對整個配網形成的子電氣島進行辨識，另外在搜索過程中還需要為電網的每個節(jié)點構造不同的支路鏈表以形成節(jié)點樹，整個搜索過程需要矩陣、電氣島以及鏈表形式的節(jié)點樹三類數(shù)據結構，搜索過程較為繁瑣，效率較低。而傳統(tǒng)鄰接表法在建立初始節(jié)點-支路關系表以及支路-訪問標志-節(jié)點關系表時，需要輸入整個電網的節(jié)點-支路信息，因此工作量十分巨大。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于拓撲知識的配電網故障診斷系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)及方法可以進行故障后事故分析，為運行人員提供參考，節(jié)省人力、財力、時間，而且系統(tǒng)運行高效、快速，使用效果好。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是:一種基于拓撲知識的配電網故障診斷系統(tǒng)，包括資源層、知識層和診斷層；
所述資源層包括故障錄波器、監(jiān)測終端、配電設備臺賬、拓撲文件以及數(shù)據庫，所述監(jiān)測終端用于收集故障后的開關狀態(tài)信息，所述故障錄波器用于獲取故障后波形，所述拓撲文件用于提供整個電網的電氣接線圖，所述配電設備臺賬用于獲取各種配電設備在故障時的運行情況；
所述知識層包括為診斷層提供信息的知識庫，所述知識庫包括拓撲知識庫和故障知識庫；所述拓撲知識庫按如下方法形成:在IEC61970中拓撲包的基礎上創(chuàng)建兩個類=Vertex類和adjNode類，分別對應鄰接表的頭結點類和表結點類；VerteX類的三個域分別為訪問標志位、頂點名稱、首節(jié)點指針，Vertex類包含母線、線路、變壓器和電源，adjNode類反映與Vertex類發(fā)生連接關系的電氣元件，即一個Vertex設備連接的ConnectivityNode含有n個端子，則鄰接表中其對應的單鏈表就有n-1個adjNode，每一個adjNode類的三個域分別為關聯(lián)電氣元件的名稱、連接的斷路器、next域；另外，根據IEC61970中拓撲包對ConnectivityNode類的定義,在兩個直接相連的斷路器之間加入Y節(jié)點，節(jié)點的判斷方法為:如果一個ConnectivityNode對象連接了兩個斷路器與一條線路端點,則作為Y節(jié)點保留；將處于“閉合”狀態(tài)的隔離開關看作導線；
所述診斷層包括故障診斷服務器，所述故障診斷服務器上設有故障診斷程序模塊。
[0007]本發(fā)明還提供了基于拓撲知識的配電網故障診斷系統(tǒng)對應的診斷方法，包括拓撲知識形成和故障診斷；
所述拓撲知識形成按如下步驟進行:
(1)故障發(fā)生時，處于最底層的資源層收集各種故障信息，從監(jiān)測終端收集故障后的開關狀態(tài)信息，從故障錄波器獲取故障后波形，從配電設備臺賬獲取各種配電設備在故障時的運行情況，從拓撲文件獲得整個電網的電氣接線圖；
(2)提供符合基于CIM模型規(guī)則的RDF數(shù)據文件，或CM-XML模型數(shù)據文件；
(3)整合SVG圖元形成各個廠站和配網饋線的接線圖，并以CIS服務的形式對上層提供接口 ；
(4)通過LINQto XML對各個廠站和配網饋線的接線圖進行查詢，查找各電氣元件的名稱、連接點、連接元件，存放在拓撲庫中；所述拓撲庫在內存中以DataSet的形式存在，是.NET中定義的數(shù)據的脫機容器，不包含數(shù)據庫連接的概念，僅僅是在內存中的一組數(shù)據集；拓撲庫以鄰接表的形式存儲在DataSet中，并以服務器的形式隨系統(tǒng)啟動；
(5 )對全網的拓撲進行搜索，獲得全網的拓撲結構；
所述故障診斷按如下方法進行:獲得全網的拓撲結構后，結合資源層的監(jiān)測終端獲得的故障后的開關狀態(tài)信息，通過故障診斷程序模塊得到因故障而斷開的饋線以及這些饋線上所連接的配電變壓器，通過配電設備臺賬統(tǒng)計這些停運的配電變壓器的信息；故障診斷程序模塊與配電GIS建立接口聯(lián)系，從配電GIS中調用停電線路的地理信息，即停電饋線所處地理位置，然后將所述地理信息傳給天氣預報系統(tǒng)、雷電定位系統(tǒng)，獲得故障時故障區(qū)域內的天氣情況以及落雷情況，再利用配電設備臺賬獲得故障時故障區(qū)域內配電設備的運行情況，最后根據天氣、雷電、設備運行情況給出故障原因的初步判斷。
[0008]進一步的，在步驟(204)中，所述拓撲庫的形成過程為:
(401)應用程序按照DataSet模板啟動一個空DataSet；
(402)從各廠站接線圖中按DataSet模板的定義搜索相關數(shù)據，填充拓撲庫；這部分功能在數(shù)據填充層以接口的形式提供給應用層；
(403)用相同的方法搜索到饋線、配電變壓器、以及連接的開關設備。
[0009]相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的有益效果是:
1、提出的故障診斷及分析方法彌補了傳統(tǒng)故障診斷中無故障后事故分析功能的缺點，對故障原因、故障嚴重程度、故障影響范圍等作出初步判斷，為運行人員提供參考，節(jié)省人力財力時間。
[0010]2、提出的故障診斷中電網拓撲在內存中的表示方法，將符合CM模型的電網接線圖直接映射為鄰接表，解決初始化復雜的問題，提高了對廠站接線xml文件的搜索效率，而且能夠表示各種復雜的接線方式，提高了電網拓撲速度。
[0011]3、對廠站接線圖通過LINQ to XML查找各電氣元件的名稱、連接點、連接元件，存放在拓撲庫，基于電網拓撲的運算都可以通過搜索拓撲庫得到，這樣就避免了對廠站接線圖XML文件的頻繁操作，不僅能夠提高系統(tǒng)的運行速度，而且有利于數(shù)據的分布式維護與管理。
[0012]4、建立好的鄰接表以服務器的形式隨系統(tǒng)啟動，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在:1)基于鄰接表的遍歷算法已經相當成熟，各個客戶端可以根據不同的需求編寫不同的算法得到想要的數(shù)據。2)—次啟動并長駐內存，不需要重復生成，以多線程的訪問方式同時提供給不同客戶端需要的拓撲數(shù)據，提高了系統(tǒng)的并行能力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明實施例的診斷系統(tǒng)的結構圖。
[0014]圖2是本發(fā)明實施例中鄰接表的UML映射圖。
[0015]圖3是本發(fā)明實施例中3/2接線與鄰接表的對應關系圖。
[0016]圖4是本發(fā)明實施例中雙母線分段帶旁路接線與鄰接表的對應關系圖。
[0017]圖5是本發(fā)明實施例中電網拓撲生成層次結構圖。
[0018]圖6是本發(fā)明實施例中全網拓撲流程圖。
【具體實施方式】
[0019]本發(fā)明基于拓撲知識的配電網故障診斷系統(tǒng)，如圖1所示，包括資源層、知識層和診斷層。
[0020]所述資源層包括故障錄波器、監(jiān)測終端、配電設備臺賬、拓撲文件以及數(shù)據庫等故障信息采集裝置，所述監(jiān)測終端用于從分段開關、隔離開關和斷路器等收集故障后的開關狀態(tài)信息，所述故障錄波器用于獲取故障后波形并以C0MTRADE形式表示，所述拓撲文件用于提供整個電網的電氣接線圖，所述配電設備臺賬用于獲取各種配電設備在故障時的運行情況。
[0021]所述知識層包括為診斷層提供信息的知識庫，所述知識庫包括拓撲知識庫和故障知識庫，它們?yōu)樵\斷層發(fā)揮作用提供依據。
[0022]本層中的拓撲知識庫按如下方法形成:IEC61970通過Terminal (端子)以及ConnectivityNode (連接點)反映設備之間的連接關系,在物理上相連的設備在CIM中通過自身的Terminal連接到一個公共的ConnectivityNode上。而鄰接表則對圖中每個頂點建立一個單鏈表，單鏈表中的結點表示依附于此頂點的所有邊。經過對比可以得到在CM中每一個ConnectivityNode都對應于鄰接表中的一個單鏈表。通過以上分析，本發(fā)明在拓撲包(Topology)的基礎上創(chuàng)建兩個類:Vertex類和adjNode類,分別對應鄰接表的頭結點類和表結點類。Vertex類的三個域分別為訪問標志位、頂點名稱、首節(jié)點指針,Vertex類包含母線、線路、變壓器和電源，adjNode類用于反映與Vertex類發(fā)生連接關系的電氣元件，即一個Vertex設備連接的ConnectivityNode含有n個端子,則鄰接表中其對應的單鏈表就有n-1個adjNode。每一個adjNode類的三個域分別為關聯(lián)電氣元件的名稱、連接的斷路器、next域。根據拓撲包(Topology)建立鄰接表的UML框圖如圖2所示。
[0023]另外，作為配電網一部分的變電站低壓側母線，會采用3/2、雙母線分段帶旁路等復雜接線方式，為了解決3/2接線中斷路器直連的情況，本發(fā)明根據IEC61970中拓撲包(Topology)對ConnectivityNode類的定義,在兩個直接相連的斷路器之間加入Y節(jié)點。Y節(jié)點的判斷方法為:如果一個ConnectivityNode對象連接了兩個斷路器與一條線路端點，則作為Y節(jié)點保留，舉例說明如圖3所示。而在雙母線分段帶旁路接線中，會涉及到隔離開關，斷路器不同運行方式下通過不同的隔離開關接到不同的母線，本發(fā)明將處于“閉合”狀態(tài)的隔離開關看作導線，轉換圖舉例說明如圖4所示。
[0024]所述診斷層是整個系統(tǒng)的界面，它完成人和系統(tǒng)的交流。所述診斷層包括故障診斷服務器和故障后事故分析程序模塊，所述故障診斷服務器上設有故障診斷程序模塊，用于對故障原因、影響等作出初步判斷，為運行人員提供參考。
[0025]本發(fā)明還提供了基于拓撲知識的配電網故障診斷系統(tǒng)對應的診斷方法，包括拓撲知識形成和故障診斷。
[0026]所述拓撲知識形成按如下方法進行:
(I)故障發(fā)生時，處于最底層的資源層收集各種故障信息，通過監(jiān)測終端從分段開關、隔離開關和斷路器等收集故障后的開關狀態(tài)信息，從故障錄波器獲取故障后波形，從配電設備臺賬獲取各種配電設備在故障時的運行情況，從拓撲文件獲得整個電網的電氣接線圖。
[0027](2)通過RDF Scheme Editor軟件提供符合基于CM模型規(guī)則的RDF數(shù)據文件，或CIM-XML模型數(shù)據文件。
[0028](3)整合SVG圖元形成各個廠站和配網饋線的接線圖，并以CIS服務的形式對上層提供接口。其中，SVG是一種采用XML來描述的二維圖形語言，在標準IEC61970-553-4部分，將其作為變電站圖元的信息載體，電力圖形生成與交換的標準。
[0029](4)通過LINQ to XML對各個廠站和配網饋線的接線圖進行查詢，查找各電氣元件的名稱、連接點、連接元件，存放在拓撲庫中。所述拓撲庫在內存中以DataSet的形式存在，是.NET中定義的數(shù)據的脫機容器，不包含數(shù)據庫連接的概念，僅僅是在內存中的一組數(shù)據集。此處的拓撲庫為查看廠站圖形、拓撲分析、潮流計算提供不同的接口。
[0030]上述(2)、(3)、(4)的過程如圖5所示。
[0031]上述步驟(204)中提到的拓撲庫是核心部分，其形成過程為:
(401)應用程序(線路故障分析、潮流計算等)按照DataSet模板啟動一個空DataSet。
[0032](402)從各廠站接線圖中按DataSet模板的定義搜索相關數(shù)據，填充拓撲庫。這部分功能在數(shù)據填充層以接口的形式提供給應用層。以查找IOkV母線為例，搜索步驟為:
a.讀取整個電網圖形文件。通過cim:SubControlArea求子控制區(qū)。
[0033]b.對每一個子控制區(qū)通過 cim: SubControlArea.Contain_Substations 求得各廠站。
[0034]c.對各廠站對應的圖形文件用LINQ to XML查找母線cim:BusbarSection及其對應的電壓等級。
[0035]d.通過母線的ConnectivityNode取出母線連接的開關。
[0036]e.判斷是否訪問到所有廠站，否則轉第b步。[0037](403)用相同的方法搜索到饋線、配電變壓器、以及連接的分段開關、隔離開關等開關設備。
[0038]拓撲庫以鄰接表的形式存儲在DataSet中，并以服務器的形式隨系統(tǒng)啟動。
[0039](5)根據上述的鄰接表表示方法，對全網的拓撲進行搜索，獲得全網的拓撲結構，其算法流程如圖6所示。
[0040]所述故障診斷按如下方法進行:
獲得全網的拓撲結構后，結合資源層監(jiān)測終端獲得的故障后的開關狀態(tài)信息，通過故障診斷服務程序即可得到因故障而斷開的饋線，再通過深度優(yōu)先搜索方法，獲得這些饋線上所連接的配電變壓器。通過配電設備臺賬信息統(tǒng)計這些停運配變的信息，如配變容量，故障時流過配變的瞬時功率等。
[0041]配電GIS提供集成的“地理信息+屬性信息+關系信息”模型，故障診斷程序模塊與配電GIS建立接口聯(lián)系，從配電GIS中調用停電線路的地理信息，即停電饋線所處地理位置，然后將所述地理信息傳給天氣預報系統(tǒng)、雷電定位系統(tǒng)，獲得故障時故障區(qū)域內的天氣情況以及落雷情況，再利用配電設備臺賬獲得故障時故障區(qū)域內配電設備的運行情況，最后根據天氣、雷電、設備運行情況給出故障原因的初步判斷，供運行人員參考。
[0042]以上是本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明技術方案所作的改變，所產生的功能作用未超出本發(fā)明技術方案的范圍時，均屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種基于拓撲知識的配電網故障診斷系統(tǒng)，其特征在于，包括資源層、知識層和診斷層； 所述資源層包括故障錄波器、監(jiān)測終端、配電設備臺賬、拓撲文件以及數(shù)據庫，所述監(jiān)測終端用于收集故障后的開關狀態(tài)信息，所述故障錄波器用于獲取故障后波形，所述拓撲文件用于提供整個電網的電氣接線圖，所述配電設備臺賬用于獲取各種配電設備在故障時的運行情況； 所述知識層包括為診斷層提供信息的知識庫，所述知識庫包括拓撲知識庫和故障知識庫；所述拓撲知識庫按如下方法形成:在IEC61970中拓撲包的基礎上創(chuàng)建兩個類=Vertex類和adjNode類，分別對應鄰接表的頭結點類和表結點類；VerteX類的三個域分別為訪問標志位、頂點名稱、首節(jié)點指針，Vertex類包含母線、線路、變壓器和電源，adjNode類反映與Vertex類發(fā)生連接關系的電氣元件，即一個Vertex設備連接的ConnectivityNode含有n個端子，則鄰接表中其對應的單鏈表就有n-1個adjNode，每一個adjNode類的三個域分別為關聯(lián)電氣元件的名稱、連接的斷路器、next域；另外，根據IEC61970中拓撲包對ConnectivityNode類的定義,在兩個直接相連的斷路器之間加入Y節(jié)點，節(jié)點的判斷方法為:如果一個ConnectivityNode對象連接了兩個斷路器與一條線路端點,則作為Y節(jié)點保留；將處于“閉合”狀態(tài)的隔離開關看作導線； 所述診斷層包括故障診斷服務器，所述故障診斷服務器上設有故障診斷程序模塊。
2.根據權利要求1所述的基于拓撲知識的配電網故障診斷系統(tǒng)對應的診斷方法，其特征在于，包括拓撲知識形成和故障診斷； 所述拓撲知識形成按如下步驟進行: (1)故障發(fā)生時，處于最底層的資源`層收集各種故障信息，從監(jiān)測終端收集故障后的開關狀態(tài)信息，從故障錄波器獲取故障后波形，從配電設備臺賬獲取各種配電設備在故障時的運行情況，從拓撲文件獲得整個電網的電氣接線圖； (2)提供符合基于CIM模型規(guī)則的RDF數(shù)據文件，或CM-XML模型數(shù)據文件； (3)整合SVG圖元形成各個廠站和配網饋線的接線圖，并以CIS服務的形式對上層提供接口 ； (4)通過LINQto XML對各個廠站和配網饋線的接線圖進行查詢，查找各電氣元件的名稱、連接點、連接元件，存放在拓撲庫中；所述拓撲庫在內存中以DataSet的形式存在，是.NET中定義的數(shù)據的脫機容器，不包含數(shù)據庫連接的概念，僅僅是在內存中的一組數(shù)據集；拓撲庫以鄰接表的形式存儲在DataSet中，并以服務器的形式隨系統(tǒng)啟動； (5 )對全網的拓撲進行搜索，獲得全網的拓撲結構； 所述故障診斷按如下方法進行:獲得全網的拓撲結構后，結合資源層的監(jiān)測終端獲得的故障后的開關狀態(tài)信息，通過故障診斷程序模塊得到因故障而斷開的饋線以及這些饋線上所連接的配電變壓器，通過配電設備臺賬統(tǒng)計這些停運的配電變壓器的信息；故障診斷程序模塊與配電GIS建立接口聯(lián)系，從配電GIS中調用停電線路的地理信息，即停電饋線所處地理位置，然后將所述地理信息傳給天氣預報系統(tǒng)、雷電定位系統(tǒng)，獲得故障時故障區(qū)域內的天氣情況以及落雷情況，再利用配電設備臺賬獲得故障時故障區(qū)域內配電設備的運行情況，最后根據天氣、雷電、設備運行情況給出故障原因的初步判斷。
3.根據權利要求2所述的基于拓撲知識的配電網故障診斷方法，其特征在于，在步驟(204)中，所述拓撲庫的形成過程為: (401)應用程序按照DataSet模板啟動一個空DataSet； (402)從各廠站接線圖中按DataSet模板的定義搜索相關數(shù)據，填充拓撲庫；這部分功能在數(shù)據填充層以接口的形式提供給應用層； (403)用相同的方法搜索到 饋線、配電變壓器、以及連接的開關設備。
【文檔編號】G01R31/08GK103675600SQ201310399457
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月5日 優(yōu)先權日:2013年9月5日
【發(fā)明者】李天友, 王慶華, 陳敏維, 黃建業(yè), 陳青, 高湛軍 申請人:國家電網公司, 國網福建省電力有限公司, 國網福建省電力有限公司電力科學研究院, 山東大學