一種基于網絡化繼電保護模型的電網故障診斷方法
【專利摘要】一種基于網絡化繼電保護模型的電網故障診斷方法，包括根據(jù)以最小隔離區(qū)域和最短動作時間切除故障元件的繼電保護設計理念，提出一種不針對單個保護建立動作規(guī)則的網絡化保護模型；基于最小隔離區(qū)域內可達節(jié)點間有向連通路徑搜索的策略，提出考察保護實際動作行為是否匹配模型規(guī)則的實現(xiàn)方法；基于網絡化繼電保護模型，提出一種電網故障診斷判據(jù)。與傳統(tǒng)逐一描述電網單個保護預設邏輯的方法建立保護模型相比，本發(fā)明所提方法有助于解決電網故障診斷中可能面臨的繼電保護模型庫規(guī)模較大、創(chuàng)建和維護困難的問題，能夠在出現(xiàn)短路電流路徑被上級保護跳閘切斷情形時，給出更為合理的診斷結果。
【專利說明】-種基于網絡化繼電保護模型的電網故障診斷方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電網故障診斷技術，尤其涉及一種基于網絡化繼電保護模型的電 網故障診斷方法。

【背景技術】
[0002] 采用智能決策支持系統(tǒng)輔助調度員處理電網事故，快速確定故障設備以提高事故 處理效率，是電網故障診斷研究的方向。目前已提出了多種故障診斷方法，主要有基于專家 系統(tǒng)和解析模型的方法。此外，還提出了將人工神經網絡、Petri網、粗糙集、模糊集和貝 葉斯網絡運用于電網故障診斷，目前主要處于研究階段。
[0003] 專家系統(tǒng)將保護和斷路器的動作邏輯和專家經驗用規(guī)則表示，通過將實際故障信 息與規(guī)則匹配的方式推理故障元件，具有推理能力強和解釋故障過程的優(yōu)點，但存在知識 庫龐大復雜、創(chuàng)建和維護困難的問題。解析模型通過構建一個能夠反映保護和斷路器實際 狀態(tài)與期望狀態(tài)之間差異的目標函數(shù)，并基于所收到的警報信息，尋求使該目標函數(shù)最小 的故障假說，能夠給出全局最優(yōu)或局部最優(yōu)的多個可能的診斷結果，如何建立合理的故障 診斷數(shù)學模型仍待進一步研究。
[0004] 在進行電網故障診斷時，通常需要預先建立繼電保護模型，以實現(xiàn)專家規(guī)則的制 定或對保護裝置實際動作行為的合理性做出評價。現(xiàn)有故障診斷方法通常采用逐一描述電 網單個保護預設邏輯的方法建立保護模型，該技術至少具有以下缺點：運用于較大規(guī)模電 網時，存在保護模型庫規(guī)模龐大、維護困難的問題。另外，當出現(xiàn)短路電流路徑被上級保護 跳閘切斷情形時，基于單個保護預設邏輯的保護模型可能對保護實際動作行為做出不合理 評價，導致故障診斷結果不合理。


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種基于網絡化繼電保護模型的電網故障診斷方法，該方法 有助于解決電網故障診斷中可能面臨的繼電保護模型庫規(guī)模較大、創(chuàng)建和維護困難的問 題，在出現(xiàn)短路電流路徑被上級保護跳閘切斷情形時，給出更為合理的診斷結果。
[0006] 本發(fā)明采取的技術方案為：一種基于網絡化繼電保護模型的電網故障診斷方法， 包括：
[0007] 1) -種不針對單個保護建立動作規(guī)則的網絡化保護模型，給出模型的建立規(guī)則；
[0008] 2) -種考察保護實際動作行為是否匹配模型規(guī)則的實現(xiàn)方法，對保護裝置動作行 為的合理性做出評價；
[0009] 3) -種基于網絡化保護模型的故障診斷判據(jù)，實現(xiàn)電網故障元件的診斷。
[0010] 所述的網絡化保護模型的建立規(guī)則：
[0011] 網絡化保護模型包含以下兩個評價保護動作行為合理性的建立規(guī)則。
[0012] 規(guī)則一：評價動作保護的規(guī)則
[0013] 若動作保護同時滿足以下三個條件，則該保護合理動作。否則，該保護誤動。
[0014] 1)若該保護動作于斷路器跳閘，將有助于縮小或形成現(xiàn)有最小隔離區(qū)域。
[0015] 2)若該保護動作于斷路器跳閘，將有助于縮短或形成現(xiàn)有故障元件與電源間的短 路電流路徑切斷時間。
[0016] 3)故障元件位于該動作保護的保護范圍內。
[0017] 規(guī)則二：評價未動作保護的規(guī)則
[0018] 若動作保護同時滿足以下兩個條件，則該保護拒動。否則，該保護合理未動作。
[0019] 1)若該保護動作于斷路器跳閘，將有助于縮短現(xiàn)有故障元件與電源間的短路電流 路徑切斷時間，且有助于縮小或形成現(xiàn)有最小隔離區(qū)域。
[0020] 2)故障元件位于該動作保護的保護范圍內。
[0021] 根據(jù)權利要求1所述的模型匹配實現(xiàn)方法
[0022] 網絡化保護模型評價保護動作行為合理性時，需要將保護動作行為與模型規(guī)則進 行匹配，模型匹配的實現(xiàn)方法如下。
[0023] 1)確定停電區(qū)域：據(jù)電網拓撲和斷路器變位信息，通過電網結線分析確定停電區(qū) 域。
[0024] 2)形成網絡拓撲圖：以線路和母線為節(jié)點，斷路器為邊，將停電區(qū)域內各元件及 其連接關系抽象為網絡拓撲圖。
[0025] 3)確定最小隔離區(qū)域：在停電區(qū)域網絡拓撲中，采用節(jié)點收縮的方法，獲取故障 元件節(jié)點所在的連通子圖，該連通子圖對應著最小隔離區(qū)域的網絡拓撲。
[0026] 4)確定短路電流開斷邊：對于跳閘斷路器對應的邊，若其一側節(jié)點位于最小隔離 區(qū)域內，另一側節(jié)點位于最小隔離區(qū)域外，則該邊為短路電流開斷邊。
[0027] 5)確定短路電流路徑：在最小隔離區(qū)域網絡拓撲中，將由各非故障元件節(jié)點指向 故障元件節(jié)點的有向連通路徑稱為短路電流路徑。采用圖論深度優(yōu)先搜索方法，對最小隔 離區(qū)域網絡拓撲進行遍歷，獲取上述短路電流路徑。
[0028] 6)對于驅動最小隔離區(qū)域外的邊（不包含短路電流開斷邊）對應斷路器跳閘的保 護裝置，可直接評價其動作行為的合理性。
[0029] 動作保護的評價：誤動。原因：不滿足網絡化模型"規(guī)則一"中條件1)。
[0030] 未動作保護的評價：合理未動作。原因：不滿足網絡化模型"規(guī)則二"中條件1)。
[0031] 7)對于驅動短路電流開斷邊對應斷路器跳閘的保護裝置，以及驅動最小隔離區(qū)域 內斷路器跳閘的保護裝置，如下評價其動作行為的合理性。
[0032] 按如下"步驟一"判斷保護跳閘是否有助于縮小或形成現(xiàn)有最小隔離區(qū)域；按如下 "步驟二"判斷保護跳閘是否有助于縮短或形成現(xiàn)有故障元件與電源間的短路電流路徑切 斷時間；按如下"步驟三"判斷故障元件是否位于保護裝置的保護范圍內。在此基礎上，根 據(jù)網絡化保護模型；按前述"規(guī)則一"和"規(guī)則二"分別實現(xiàn)動作保護和未動作保護行為與 網絡化模型的匹配。
[0033] 步驟一：匹配最小隔離區(qū)域
[0034] 保護驅動短路電流開斷邊對應斷路器跳閘時，將有助于形成現(xiàn)有最小隔離區(qū)域； 保護驅動最小隔離區(qū)域外的邊（不包含短路電流開斷邊）對應斷路器跳閘時，將無助于縮 小或形成現(xiàn)有最小隔離區(qū)域；保護驅動最小隔離區(qū)域內的邊對應斷路器跳閘時，將有助于 縮小現(xiàn)有最小隔離區(qū)域。
[0035] 步驟二：匹配短路電流路徑切斷時間
[0036] 將短路電流開斷邊位于最小隔離區(qū)域側的節(jié)點稱為端節(jié)點，則每個端節(jié)點可能連 接有一條或以上條短路電流開斷邊，當各條短路電流開斷邊的開斷時間不完全相同時，將 其中最長的開斷時間稱為該端節(jié)點的斷流時間。保護驅動最小隔離區(qū)域內斷路器跳閘時， 若其跳閘時限小于（或等于）該斷路器對應邊所在各條短路電流路徑端節(jié)點斷流時間中的 最大值，則該保護跳閘將有助于縮短（或形成）現(xiàn)有故障元件與電源間的短路電流路徑切 斷時間。其中，短路電流開斷邊的開斷時間，由驅動其開斷的保護實際動作時限決定。
[0037] 步驟三：匹配保護范圍
[0038] 對于最小隔離區(qū)域內的一次元件，驅動其各側斷路器跳閘的保護裝置的保護范圍 內是否包含故障元件，可根據(jù)該元件節(jié)點與故障元件節(jié)點間的短路電流路徑進行判斷。需 要說明，近后備保護范圍通過僅延伸至下級線路的一部分，當下級故障線路的主保護拒動 時，本線路的近后備保護動作或不動作于切除下級線路故障的行為均是合理的。為描述這 種情況，評價動作的近后備保護時，認為其保護范圍延伸至下級線路的全部，而評價未動作 的近后備保護時，認為其保護范圍僅包括本元件自身。
[0039] 根據(jù)權利要求1所述的電故障診斷判據(jù)
[0040] 設在停電區(qū)域中有η個動作的保護裝置，記為r2,. . .，rn，有m個未動作的保護 裝置，記為I^r2, ，有w個停電的一次元件，記為(I1, d2, ...，dw。將第k個停電元件dk 假設為故障元件，k = 1，2,... w，則以該dk為故障元件，該dk所在連通區(qū)域為最小隔離區(qū)域 為條件，對上述η個動作保護裝置和m個未動作保護裝置的動作行為逐一進行評價，則該故 障假設是否有利于解釋保護裝置實際動作行為的評價指標F (dk，S，R)如下。

【權利要求】
1. 一種基于網絡化繼電保護模型的電網故障診斷方法，其特征在于包括： 1) 一種不針對單個保護建立動作規(guī)則的網絡化保護模型，給出模型的建立規(guī)則； 2) -種考察保護實際動作行為是否匹配模型規(guī)則的實現(xiàn)方法，對保護裝置動作行為的 合理性做出評價； 3) -種基于網絡化保護模型的故障診斷判據(jù)，實現(xiàn)電網故障元件的診斷。
2. 根據(jù)權利要求1所述一種基于網絡化繼電保護模型的電網故障診斷方法，其特征在 于，網絡化保護模型的建立規(guī)則： 網絡化保護模型包含以下兩個評價保護動作行為合理性的建立規(guī)則； 規(guī)則一：評價動作保護的規(guī)則： 若動作保護同時滿足以下三個條件，則該保護合理動作，否則，該保護誤動； 1) 、若該保護動作于斷路器跳閘，將有助于縮小或形成現(xiàn)有最小隔離區(qū)域； 2) 若該保護動作于斷路器跳閘，將有助于縮短或形成現(xiàn)有故障元件與電源間的短路電 流路徑切斷時間； 3) 故障元件位于該動作保護的保護范圍內； 規(guī)則二：評價未動作保護的規(guī)則： 若動作保護同時滿足以下兩個條件，則該保護拒動，否則，該保護合理未動作； 1) 、若該保護動作于斷路器跳閘，將有助于縮短現(xiàn)有故障元件與電源間的短路電流路 徑切斷時間，且有助于縮小或形成現(xiàn)有最小隔離區(qū)域； 2) 、故障元件位于該動作保護的保護范圍內。
3. 根據(jù)權利要求1所述一種基于網絡化繼電保護模型的電網故障診斷方法，其特征在 于， 網絡化保護模型評價保護動作行為合理性時，需要將保護動作行為與模型規(guī)則進行匹 配，模型匹配的實現(xiàn)方法如下： 1) 、確定停電區(qū)域：據(jù)電網拓撲和斷路器變位信息，通過電網結線分析確定停電區(qū)域； 2) 、形成網絡拓撲圖：以線路和母線為節(jié)點，斷路器為邊，將停電區(qū)域內各元件及其連 接關系抽象為網絡拓撲圖； 3) 、確定最小隔離區(qū)域：在停電區(qū)域網絡拓撲中，采用節(jié)點收縮的方法，獲取故障元件 節(jié)點所在的連通子圖，該連通子圖對應著最小隔離區(qū)域的網絡拓撲； 4) 、確定短路電流開斷邊：對于跳閘斷路器對應的邊，若其一側節(jié)點位于最小隔離區(qū)域 內，另一側節(jié)點位于最小隔離區(qū)域外，則該邊為短路電流開斷邊； 5) 、確定短路電流路徑：在最小隔離區(qū)域網絡拓撲中，將由各非故障元件節(jié)點指向故障 元件節(jié)點的有向連通路徑稱為短路電流路徑，采用圖論深度優(yōu)先搜索方法，對最小隔離區(qū) 域網絡拓撲進行遍歷，獲取上述短路電流路徑； 6) 對于驅動最小隔離區(qū)域外的邊，不包含短路電流開斷邊，對應斷路器跳閘的保護裝 置，可直接評價其動作行為的合理性； 動作保護的評價：誤動，原因：不滿足網絡化模型"規(guī)則一"中條件1); 未動作保護的評價：合理未動作，原因：不滿足網絡化模型"規(guī)則二"中條件1); 7) 、對于驅動短路電流開斷邊對應斷路器跳閘的保護裝置，以及驅動最小隔離區(qū)域內 斷路器跳閘的保護裝置，評價其動作行為的合理性。
4. 根據(jù)權利要求3所述一種基于網絡化繼電保護模型的電網故障診斷方法，其特征在 于， 按如下"步驟一"判斷保護跳閘是否有助于縮小或形成現(xiàn)有最小隔離區(qū)域； 按如下"步驟二"判斷保護跳閘是否有助于縮短或形成現(xiàn)有故障元件與電源間的短路 電流路徑切斷時間； 按如下"步驟三"判斷故障元件是否位于保護裝置的保護范圍內。在此基礎上，根據(jù)網 絡化保護模型；按所述"規(guī)則一"和"規(guī)則二"分別實現(xiàn)動作保護和未動作保護行為與網絡 化模型的匹配； 步驟一：匹配最小隔離區(qū)域 保護驅動短路電流開斷邊對應斷路器跳閘時，將有助于形成現(xiàn)有最小隔離區(qū)域；保護 驅動最小隔離區(qū)域外的邊，不包含短路電流開斷邊，對應斷路器跳閘時，將無助于縮小或形 成現(xiàn)有最小隔離區(qū)域；保護驅動最小隔離區(qū)域內的邊對應斷路器跳閘時，將有助于縮小現(xiàn) 有最小隔離區(qū)域。 步驟二：匹配短路電流路徑切斷時間 將短路電流開斷邊位于最小隔離區(qū)域側的節(jié)點稱為端節(jié)點，則每個端節(jié)點可能連接有 一條或以上條短路電流開斷邊，當各條短路電流開斷邊的開斷時間不完全相同時，將其中 最長的開斷時間稱為該端節(jié)點的斷流時間；保護驅動最小隔離區(qū)域內斷路器跳閘時，若其 跳閘時限小于或等于該斷路器對應邊所在各條短路電流路徑端節(jié)點斷流時間中的最大值， 則該保護跳閘將有助于縮短或形成現(xiàn)有故障元件與電源間的短路電流路徑切斷時間；其 中，短路電流開斷邊的開斷時間，由驅動其開斷的保護實際動作時限決定。 步驟三：匹配保護范圍 對于最小隔離區(qū)域內的一次元件，驅動其各側斷路器跳閘的保護裝置的保護范圍內是 否包含故障元件，可根據(jù)該元件節(jié)點與故障元件節(jié)點間的短路電流路徑進行判斷。需要說 明，近后備保護范圍通過僅延伸至下級線路的一部分，當下級故障線路的主保護拒動時，本 線路的近后備保護動作或不動作于切除下級線路故障的行為均是合理的；為描述這種情 況，評價動作的近后備保護時，認為其保護范圍延伸至下級線路的全部，而評價未動作的近 后備保護時，認為其保護范圍僅包括本元件自身。
5. 根據(jù)權利要求1所述一種基于網絡化繼電保護模型的電網故障診斷方法，其特征在 于，電故障診斷判據(jù)： 設在停電區(qū)域中有η個動作的保護裝置，記為Γι，r2,. . .，rn，有m個未動作的保護裝置， 記為A,r2,. . .，&，有w個停電的一次元件，記為(I1,d2,. . .，dw，將第k個停電元件dk假設為 故障元件，k= 1，2,. . .w，則以該dk為故障元件，該dk所在連通區(qū)域為最小隔離區(qū)域為條 件，對上述η個動作保護裝置和m個未動作保護裝置的動作行為逐一進行評價，則該故障假 設是否有利于解釋保護裝置實際動作行為的評價指標F(dk，S，R)如下：
式中，u(rii表示第i個動作保護裝置評價結果，評價為"誤動"時取值為1，否則，取值 為〇 (ra表示第i個未動作保護裝置評價結果，評價為"拒動"時取值為1，否則，取值為 0。C為停電區(qū)域內各斷路器實際變位信息，R為停電區(qū)域內各保護裝置實際動作信息； 保護裝置異常動作行為是一種小概率事件，同時"誤動"和"拒動"的保護裝置數(shù)量 越多，表明故障假設實際發(fā)生的可能性越?。辉u價指標F(dk，S，R)越高，被評價為"誤動" 和"拒動"的保護裝置數(shù)量越多，表明dk為故障元件的故障假設越不利于解釋保護裝置實 際動作行為；因此，針對停電區(qū)域內的w個停電元件(I1,d2, ...，dw,分別計算其評價指標 F(dk，S，R)，并認為評價指標值最小的故障假設成立。
【文檔編號】G06F19/00GK104459467SQ201410720788
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月2日 優(yōu)先權日:2014年12月2日
【發(fā)明者】鄒圣權, 楊文輝, 楊世勇, 胡為民, 賀菲, 汪敬忠, 李黃強, 許陽, 周云海 申請人:國家電網公司, 國網湖北省電力公司宜昌供電公司, 三峽大學