本發(fā)明涉及配電網(wǎng)故障分析領(lǐng)域,特別涉及基于方向分層模糊Petri網(wǎng)的多源信息融合配電網(wǎng)故障分析的方法。
背景技術(shù):
隨著配電網(wǎng)自動(dòng)化水平及通信、廣域測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,系統(tǒng)終端通??梢圆杉酱罅康墓收闲畔?,進(jìn)而故障的快速準(zhǔn)確分析越來(lái)越困難。近些年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同的角度出發(fā),提出了一系列故障分析的方法和思路,這些方法可以分為基于優(yōu)化、計(jì)算、推理的方法,主要有遺傳算法、專家系統(tǒng)法、小波變換、模糊集方法、粗糙集方法等。目前,這方面的研究工作雖取得了進(jìn)展和成果,但仍存在不足:基于優(yōu)化的方法主要存在在建立規(guī)劃模型的過(guò)程中,多級(jí)后備保護(hù)建模困難,以及在尋優(yōu)過(guò)程中容易陷入局部最優(yōu)的缺點(diǎn);基于計(jì)算分析的方法主要存在需要的故障數(shù)據(jù)源沒(méi)有全網(wǎng)布置;基于推理的方法主要存在有主觀因素的影響。
傳統(tǒng)的單信息源的配電網(wǎng)故障診斷方法無(wú)法消除保護(hù)、開(kāi)關(guān)誤動(dòng)、拒動(dòng)和傳輸過(guò)程當(dāng)中故障信息丟失等不確定狀況對(duì)故障診斷產(chǎn)生的不利影響,因此依據(jù)單一數(shù)據(jù)源的故障診斷方法不能得到令人滿意的結(jié)果。充分利用時(shí)序信息和電壓電流信息,并與開(kāi)關(guān)量相結(jié)合的診斷方法是研究配電網(wǎng)故障診斷的趨勢(shì)。同時(shí),隨著智能電網(wǎng)的迅速發(fā)展,分布式電源的大量不確定接入,配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜。
基于方向分層模糊Petri網(wǎng)故障分析模型是以基于方向保護(hù)集形式處理配電網(wǎng)保護(hù)信息。當(dāng)配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變時(shí),只需更新相應(yīng)的保護(hù)集信息,不需要重新建模,對(duì)配電網(wǎng)的靈活多變、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的適應(yīng)性。為增強(qiáng)該模型的容錯(cuò)性和可靠性,采用D-S證據(jù)體融處理時(shí)序可信度、電氣量可信度和動(dòng)作可信度。
因此,基于方向分層模糊Petri網(wǎng)的多源信息融合配電網(wǎng)故障分析,具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明提出一種基于多源信息融合的模糊Petri網(wǎng)配電網(wǎng)故障分析的方法,包括以下步驟:
步驟1、根據(jù)SCADA系統(tǒng)、WAMS系統(tǒng),提取保護(hù)、斷路器的動(dòng)作信息、時(shí)序信息和相關(guān)的電氣量信息。建立基于保護(hù)方向的行向量,并利用保護(hù)、斷路器的電氣量信息進(jìn)行信息糾錯(cuò);
步驟2、通過(guò)修正后的斷路器變位信息中獲取一個(gè)故障區(qū)域邊界斷路器,沿其停電側(cè)方向,采用深度優(yōu)先搜索方法,以快速確定故障區(qū)域。若故障區(qū)域只有一個(gè)元件,直接輸出該元件為故障元件;
步驟3、將故障區(qū)域中各元件均視為故障可疑元件,并建立基于方向分層模糊Petri網(wǎng)故障分析模型。
步驟4、采用改進(jìn)D-S證據(jù)理論處理各個(gè)保護(hù)(斷路器)的動(dòng)作可信度、時(shí)序可信度、電氣量可信度,并重置各個(gè)保護(hù)(斷路器)的庫(kù)所初始置信度。通過(guò)矩陣算法求出各可疑故障元件的故障概率;
步驟5、根據(jù)可疑故障元件的故障概率計(jì)算其伽馬函數(shù)值進(jìn)行初始分類,再采用C-均值算法進(jìn)行故障分類,最后輸出故障元件。
步驟1的中所述利用建立基于保護(hù)方向的行向量和保護(hù)、斷路器的電氣量信息進(jìn)行信息糾錯(cuò)的具體實(shí)施如下:
將繼電保護(hù)裝置、斷路器以基于方向整理,即屬于同一保護(hù)方向的繼電保護(hù)裝置、斷路器一起整理。構(gòu)建基于方向保護(hù)動(dòng)作行向量A=[a1 a2 a3 a4]、斷路器動(dòng)作行向量B=[b1 b2 b3 b4]。其中a1、a2、a3、a4分別表示某可疑元件的主保護(hù)、近后備保護(hù)、第一遠(yuǎn)后備保護(hù)、第二遠(yuǎn)后備保護(hù),b1、b2、b3、b4表示主保護(hù)、近后備保護(hù)、第一遠(yuǎn)后備保護(hù)、第二遠(yuǎn)后備保護(hù)控制相應(yīng)的斷路器。主保護(hù)和近后備保護(hù)主保護(hù)和近后備保護(hù)保護(hù)或者斷路器動(dòng)作時(shí),設(shè)置行向量A與B相應(yīng)的元素為1,否則為0。行向量A與B進(jìn)行同或運(yùn)算得到行向量C=[c1 c2c3 c4]。若行向量C中各元素均為1,則說(shuō)明各個(gè)保護(hù)和與之其相對(duì)應(yīng)的斷路器邏輯關(guān)系正確。若行向量C中一個(gè)或者幾個(gè)元素為1,計(jì)算N=A-B=[n1 n2 n3 n4],再與B進(jìn)行比較。以行向量C中第i個(gè)元素等于1進(jìn)行說(shuō)明:若則說(shuō)明與i相對(duì)應(yīng)保護(hù)誤動(dòng)、斷路器拒動(dòng)或信息丟失。若則說(shuō)明與i相對(duì)應(yīng)斷路器誤動(dòng)、保護(hù)拒動(dòng)或信息丟失。行向量C中多個(gè)元素為1的判定相類似。
針對(duì)以上討論中存在保護(hù)信息丟失、拒動(dòng)、誤動(dòng)情況,利用以下的方法進(jìn)行判斷:
設(shè)系統(tǒng)中采集到斷路器跳閘時(shí)刻為T0。考慮到可能發(fā)生擾動(dòng)的情況,若從Ti起連續(xù)5次采樣的點(diǎn)均滿足式(1)、(2),則說(shuō)明保護(hù)應(yīng)該動(dòng)作。
Ti=T0-ΔTp (3)
式中為事先設(shè)定保護(hù)動(dòng)作的電流、電壓閾值,ΔTp為保護(hù)的整定時(shí)間與斷路器機(jī)械延時(shí)之和。若保護(hù)滿足式(1)、(2),則說(shuō)明保護(hù)動(dòng)作信息丟失或拒動(dòng)的可能;若保護(hù)不滿足式(1)、(2),則說(shuō)明保護(hù)誤動(dòng)。根據(jù)上述情況修正相應(yīng)的保護(hù)。
通過(guò)該斷路器的電流為零、斷路器兩端的電壓一側(cè)為額定電壓一端為零或者兩端都為零,這兩個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證斷路器是否動(dòng)作。檢測(cè)方法如下:設(shè)系統(tǒng)中采集到斷路器跳閘時(shí)刻為T0,則提取WANS中T0時(shí)刻后3個(gè)采樣周期內(nèi)該斷路器流過(guò)的電流及該斷路器兩端的電壓量:左端電壓右端電壓
if FlagI+FlagU≡2,則證明該斷路器動(dòng)作 (6)
式中IN、UN為斷路器正常工況下的額定電流、電壓。
與某斷路器相關(guān)聯(lián)的保護(hù)(根據(jù)上述已修正)進(jìn)行修正。若與之相關(guān)聯(lián)的保護(hù)動(dòng)作而報(bào)警信息顯示斷路器沒(méi)動(dòng)作,如果滿足式(6),則說(shuō)明該斷路器信息丟失,否則說(shuō)明該斷路器拒動(dòng)。若與之相關(guān)聯(lián)的保護(hù)沒(méi)動(dòng)作而警信息顯示斷路器沒(méi)動(dòng)作,如果滿足式(6),則說(shuō)明該斷路器誤動(dòng),否則斷路器動(dòng)作信息畸變。
步驟2的中所述通過(guò)修正后的斷路器變位信息沿其停電側(cè)方向,采用深度優(yōu)先搜索方法,以快速確定故障區(qū)域。具體步驟如下:
步驟2.1、對(duì)所有跳閘斷路器編號(hào)并形成集合K=QF1,QF2,…QFn,并選取編號(hào)最小且滿足式(7)、(8)、(9)的一個(gè)故障邊界斷路器QFi。
步驟2.2、沿QFi故障可能蔓延的方向進(jìn)行搜索尋找滿足式(7)、(8)、(9)的故障邊界斷路器并記錄,直到搜索所遍歷的配電網(wǎng)區(qū)域才結(jié)束。
步驟2.3、以步驟2中所記錄的故障邊界斷路器劃出停電區(qū)域,即為跳閘斷路器QFi對(duì)應(yīng)的可疑故障區(qū)域Qi;
步驟2.4、確定可疑故障區(qū)域后,返回步驟1,對(duì)QFi+1進(jìn)行搜索,若K集合中無(wú)待搜索跳閘斷路器進(jìn)入步驟5;
步驟2.5、將m個(gè)跳閘斷路器分別確定的m個(gè)可疑故障區(qū)域進(jìn)行合并,去除重復(fù)的可疑故障區(qū)域,可疑故障區(qū)域內(nèi)元件即為可疑故障元件;
步驟2.6、若可疑故障區(qū)域內(nèi)元件唯一,則該元件即為故障元件,診斷結(jié)束;
步驟3的中所述建立基于方向分層模糊Petri網(wǎng)分析模型的具體實(shí)施方法如附圖1所示。若配電網(wǎng)的增加、減少某一條線路時(shí),只需要重置該方向的庫(kù)所置信度,不需要重建模型。
步驟4的中所述步驟如下:
步驟4.1:根據(jù)故障和保護(hù)之間、保護(hù)和斷路器之間存在時(shí)間邏輯關(guān)系,利用模糊規(guī)則、相應(yīng)的隸屬度函數(shù)化處理得到時(shí)序可信度。以可疑故障元件i進(jìn)行如下說(shuō)明:
步驟4.1.1、提取修正后各個(gè)保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間點(diǎn)。根據(jù)保護(hù)對(duì)于故障的延時(shí)時(shí)間段,反向推算出保護(hù)之相關(guān)的可疑故障元件i可能故障的時(shí)間ti,若可疑故障元件i有多個(gè)保護(hù)與之相關(guān),則ti為多個(gè)保護(hù)推算出的故障時(shí)間段的交集。
步驟4.1.2、提取修正后各個(gè)斷路器動(dòng)作的時(shí)間點(diǎn)。據(jù)斷路器對(duì)于故障的延時(shí)時(shí)間段,反向推算出斷路器與之相關(guān)的可疑故障元件i可能故障的時(shí)間t'i,若可疑故障元件i有多個(gè)斷路器與之相關(guān),則t'i為多個(gè)斷路器推算出的故障時(shí)間段的交集。
步驟4.1.3、由保護(hù)和斷路器推斷出的故障時(shí)間段ti和t'i,進(jìn)行交集運(yùn)算求得可疑故障元件可能發(fā)生故障的時(shí)間段為t″i。
步驟4.1.4、由時(shí)間段為t″i正向推算出與之相關(guān)的保護(hù)和斷路器動(dòng)作的時(shí)間段分別為tp=[tpmin,tpmax]和tCB=[tCBmin,tCBmax]。根據(jù)如表1所示的模糊規(guī)則和時(shí)間可信度、變遷可信度、時(shí)間差的隸屬度函數(shù)(如附圖2所示),進(jìn)行量化得到保護(hù)、斷路器的時(shí)序可信度。
表1時(shí)序可信度的模糊規(guī)則
步驟4.2:根據(jù)采集故障前保護(hù)和斷路器附近電氣量進(jìn)行8層小波分解,再利用模糊規(guī)則、相應(yīng)的隸屬度函數(shù)量化,設(shè)置相應(yīng)的電氣量可信度。
步驟4.2.1、由WAMS系統(tǒng)提取保護(hù)或者斷路器附近故障前一個(gè)周期電流,需要b個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(若采樣頻率為f,則)進(jìn)行8層小波分解,得到分解后的高頻細(xì)節(jié)信號(hào)系數(shù)n1(k)-ns(k)及低頻近似信號(hào)系數(shù)n9(k)。
步驟4.4.2、由高頻細(xì)節(jié)信號(hào)利用公式(7)求出第m個(gè)保護(hù)(斷路器)的再由(8)公式歸一化處理求出電氣量能量度
步驟4.2.3、由步驟4.4.2求出的電氣量能量度根據(jù)如下的模糊規(guī)則(如表2所示)和時(shí)間可信度、變遷可信度、時(shí)間差的隸屬度函數(shù)(如附圖2所示)進(jìn)行量化得到第m個(gè)保護(hù)(斷路器)的電氣量可信度
表2電氣量可信度的模糊規(guī)則
步驟4.3:引入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù),進(jìn)行整理,得到保護(hù)和斷路器動(dòng)作可信度。
步驟4.4:改進(jìn)D-S證據(jù)理論重置各個(gè)保護(hù)(斷路器)的庫(kù)所初始置信度。以重置第m個(gè)保護(hù)的庫(kù)所初始置信度為例進(jìn)行以下說(shuō)明:
步驟4.4.1、計(jì)算時(shí)序可信度、電氣量可信度和動(dòng)作可信度3個(gè)證據(jù)體的平均值式中分別表示第m個(gè)保護(hù)(斷路器)的時(shí)序可信度、電氣量可信度和動(dòng)作可信度。
步驟4.4.2、計(jì)算各個(gè)證據(jù)體到平均證據(jù)體的歐式距離其中a=t,i,d。
步驟4.4.3、利用歐式距離對(duì)求得各個(gè)證據(jù)的權(quán)重,并計(jì)算其對(duì)對(duì)各個(gè)證據(jù)體進(jìn)行修正。
步驟4.4.4、由步驟4.3.3修正后各個(gè)證據(jù)證按照D-S規(guī)則迭代處理融合。重置相應(yīng)的庫(kù)所初始置信度。
步驟4.5、通過(guò)矩陣算法求出各可疑故障元件的故障概率具體步驟如下:
步驟4.5.1、寫出輸入矩陣I,初始庫(kù)所狀態(tài)令推理步驟k=0;
步驟4.5.2、計(jì)算每個(gè)變遷的合成輸入可信度Ek+1=Iθk;
步驟4.5.3、將合成輸入可信度與變遷閾值進(jìn)行比較Gk+1=Ek+1*Th;
步驟4.5.4、計(jì)算合成輸入可信度中可信度大于變遷閾值的項(xiàng)Hk+1=Ek+1⊙Gk+1;
步驟4.5.5、計(jì)算庫(kù)所下一步狀態(tài)
步驟4.5.6、若θk+1≠θk,令推理步驟k=k+1,返回步驟4.4.2重新計(jì)算θk+1;若θk+1=θk,推理結(jié)束。
其中,以上推理步驟中所涉及到的符號(hào)意義如下:
1)其中A、B和D均為m×n矩陣,則dij=max{aij,bij};
2)其中A、B和D分別為m×p、p×n和m×n矩陣,則
4)*:A*B=D,其中A、B和D均為m×n矩陣,則當(dāng)aij≥bij時(shí),cij=1,否則cij=0;
5)|⊙:A⊙B=D其中A、B和D均為m×n矩陣,cij=aij·bij。
步驟5中采用C-均值算法對(duì)上述故障概率分析最終判定出故障元件的具體步驟如下:
步驟5.1、由m個(gè)可疑故障故障元件的故障概率分別為m(F1),m(F2),…,m(Fm)。將所有元件初始分為2類,若滿足條件:則為故障元候選集Γ1,否則為非故障元候選集Γ2;
步驟5.2、故障元候選集Γ1有N1個(gè)元件,對(duì)應(yīng)的伽馬函數(shù)值分別為取最小值相對(duì)應(yīng)的元件為絕對(duì)故障元件;
步驟5.3、對(duì)所有元件的初始分類(Γ1、Γ2),計(jì)算其均值,最后計(jì)算如式(15)、(16)所示的誤差平方和分類準(zhǔn)則;
步驟5.4、從中選取樣本m(Fj)。若N1=1,則重新選擇樣本,否則繼續(xù);
步驟5.5、根據(jù)公式(17)計(jì)算。若滿足σk≤σi,則將m(Fj)從Γi移到另一個(gè)候選集,在重新計(jì)算mi和mk的值,并修改Je;
步驟5.6、若連續(xù)迭代N次Je不改變,則停止,否則轉(zhuǎn)至步驟5.4;
步驟5.7、故障候選類中的元件即為故障元件。
說(shuō)明書附圖
附圖1元件基于方向分層的診斷模型。
附圖2某配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
附圖3L1基于方向分層的診斷模型。
附圖4隸屬度函數(shù)。
具體實(shí)現(xiàn)方法
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式做詳細(xì)說(shuō)明。
假設(shè)如附圖3所示簡(jiǎn)單電網(wǎng)模型,模型中:LDxm、LDxp、LDxs為負(fù)荷的主保護(hù)、近后備保護(hù)、遠(yuǎn)后備保護(hù);Lxlm、Lxlp、Lxls為線路左端的近后備保護(hù)的主保護(hù)、近后備保護(hù)、遠(yuǎn)后備保護(hù),Lxrm、Lxrp、Lxrs為線路右端的近后備保護(hù)的主保護(hù)、近后備保護(hù)、遠(yuǎn)后備保護(hù)其中X表示編號(hào)。
步驟1、根據(jù)SCADA系統(tǒng)、WAMS系統(tǒng),提取保護(hù)、斷路器的動(dòng)作信息、時(shí)序信息和相關(guān)的電氣量信息。建立基于保護(hù)方向的行向量和保護(hù)、斷路器的電氣量信息進(jìn)行信息糾錯(cuò)。
根據(jù)SCADA、WAMS系統(tǒng)獲取某次故障過(guò)程中產(chǎn)生的報(bào)警信息、電氣量信息如表3、表4所示:
將繼電保護(hù)裝置、斷路器以基于方向整理,即屬于同一保護(hù)方向的繼電保護(hù)裝置、斷路器一起整理。沿L1左端、右端和LD16右端保護(hù)方向建立保護(hù)動(dòng)作行向量A1=[1 0 0 0]、A2=[1 0 0 0]和A3=[0 1 1 0],建立斷路器動(dòng)作行向量B1=[1 0 0 0]、B2=[0 01 0]和B3=[0 0 1 0]。保護(hù)動(dòng)作與斷路器動(dòng)作行向量進(jìn)行同或運(yùn)算得到行向量C1=[1 1 1 1]、C2=[0 1 01]和C3=[1 0 1 1]。根據(jù)步驟2中的說(shuō)明,可以判定L1左端保護(hù)方向的各個(gè)保護(hù)和與之其相對(duì)應(yīng)的斷路器邏輯關(guān)系正確,L1rm、L2rs、LD16p、CB6、CB26的動(dòng)作情況需進(jìn)一步斷。
表3保護(hù)、開(kāi)關(guān)標(biāo)有時(shí)序的報(bào)警信息
表4保護(hù)、開(kāi)關(guān)附近電氣量信息
利用WAMS系統(tǒng)采集L1rm、L2rs、LD16p附近電壓和電流均滿足則說(shuō)明L2rs動(dòng)作信息丟失。
利用WAMS系統(tǒng)采集CB6、CB26附近電壓和電流驗(yàn)證是否滿足其電流為零、兩端的電壓一側(cè)為額定電壓一端為零的條件、與之相對(duì)的保護(hù)(已修正)是否動(dòng)作,判定CB6、CB26拒動(dòng)(其中,由報(bào)警信息可知CB26處于閉鎖情況)。
步驟2、通過(guò)CB3、CB11、CB23變位信息中獲取一個(gè)故障區(qū)域邊界斷路器沿其停電側(cè)方向,采用深度優(yōu)先搜索方法,以快速確定故障區(qū)域Q1、Q2,其中Q1={L1,L2,LD4,LD5,L3}Q2={L6,LD16,L7,LD17}。
步驟3、將故障區(qū)域Q1、Q2中各元件均視為故障可疑元件,并建立基于方向分層模糊Petri網(wǎng)故障分析模型。如附圖4建立L1、LD16基于方向保護(hù)集形式處理模糊Petri網(wǎng)。
步驟4、采用改進(jìn)D-S證據(jù)理論處理各個(gè)保護(hù)(斷路器)的動(dòng)作可信度、時(shí)序可信度、電氣量可信度,并重置各個(gè)保護(hù)(斷路器)的庫(kù)所初始置信度。通過(guò)矩陣算法求出各可疑故障元件的故障概率;
步驟4.1:根據(jù)故障和保護(hù)之間、保護(hù)和斷路器之間存在時(shí)間邏輯關(guān)系,用模糊規(guī)則量化處理得到時(shí)序可信度。以可疑故障元件L1進(jìn)行如下說(shuō)明:
根據(jù)元件L1與L1lm、L1rm、L2rs保護(hù),CB3、CB11斷路器之間存在時(shí)間邏輯關(guān)系,由步驟求4.1.1至4.1.4出L1lm、L1rm、L2rs、CB3、CB11的動(dòng)作的最佳時(shí)間段如表5所示。根據(jù)步驟求4.1.5可計(jì)算保護(hù)、斷路器相對(duì)應(yīng)的時(shí)序可信度如表5所示。
表5保護(hù)和斷路器的動(dòng)作時(shí)間、時(shí)序可信度
步驟4.2:根據(jù)采集故障前保護(hù)和斷路器附近電氣量進(jìn)行8層小波分解,再利用模糊規(guī)則量化,設(shè)置相應(yīng)的電氣量可信度。
由步驟4.2.1至步驟4.2.3,根據(jù)采集故障前保護(hù)和斷路器附近電氣量,經(jīng)過(guò)小波變換特征提取方法計(jì)算得到的特征量,最后經(jīng)過(guò)模糊規(guī)則量化得到相應(yīng)的保護(hù)、斷路器電氣量可信度分別如表6所示。
表6保護(hù)、開(kāi)關(guān)電氣量可信度
步驟4.3:引入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù),進(jìn)行整理,得到保護(hù)和斷路器動(dòng)作可信度如表7所示。
表7保護(hù)和斷路器的動(dòng)作可信度
步驟4.4:改進(jìn)D-S證據(jù)理論重置各個(gè)保護(hù)(斷路器)的庫(kù)所初始置信度。
由步驟4.4.1至步驟4.4.4所述改進(jìn)D-S證據(jù)理論重置各個(gè)保護(hù)(斷路器)的庫(kù)所初始置信度如表8所示。
表8庫(kù)保護(hù)、開(kāi)關(guān)庫(kù)所置信度
步驟4.5、通過(guò)矩陣算法求出各可疑故障元件的故障概率。
由步驟4.5.1至4.5.6矩陣算法求出各可疑故障元件的故障概率為:L1=0.875,L2=0.435,LD4=0.328,LD5=0.229,L3=0.101。同理得出Q2中可疑故障元件故障概率為:L6=0.475,LD16=0.735,L7=0.103,L17=0.143。
步驟5中采用C-均值算法對(duì)上述故障概率分析最終判定出故障元件。
由步驟5.1至5.7采用C-均值算法對(duì)上述故障概率分析最終判定出故障元件為L(zhǎng)1、LD16。