基于專家系統(tǒng)的電力系統(tǒng)故障分析與研究

胡連梅

(蘇州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與電子工程系，江蘇蘇州215200)

基于專家系統(tǒng)的電力系統(tǒng)故障分析與研究

胡連梅

(蘇州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與電子工程系，江蘇蘇州215200)

根據(jù)斷路器跳閘、保護動作信息建立保護/斷路器動作行為分析的決策樹，采用專家系統(tǒng)進行故障定性分析，查找故障原因，找出故障設(shè)備。故障分析專家系統(tǒng)為維修人員快速、準確地處理和控制電力系統(tǒng)故障提供了科學(xué)的理論依據(jù)。

專家系統(tǒng)；決策樹；電力系統(tǒng)；故障分析

TM773

A

1 概述

專家系統(tǒng)(ES，Expert System)就是應(yīng)用于某一專門領(lǐng)域，擁有該領(lǐng)域相當(dāng)數(shù)量的專家級知識，能模擬專家的思維，能達到專家級水平，能像專家一樣解決困難和復(fù)雜的實際問題的計算機(軟件)系統(tǒng)。[1]它的突出特點在于一般解決的是沒有算法的問題，并且經(jīng)常要在不完全、不精確或不確定的信息基礎(chǔ)上作出結(jié)論。從1985年起至今，隨著專家系統(tǒng)技術(shù)以及計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，該技術(shù)在電力系統(tǒng)很多領(lǐng)域都取得了顯著的成果。[2]

故障分析專家系統(tǒng)分為故障診斷、保護斷路器動作行為分析以及事故處理專家系統(tǒng)，它們?nèi)邩?gòu)成了一個完整的電網(wǎng)事故分析處理過程。準確的故障診斷和定位是分析的基礎(chǔ)，保護、斷路器動作行為分析是分析的繼續(xù)，事故處理才是專家系統(tǒng)應(yīng)用的最終目的。電網(wǎng)故障診斷專家系統(tǒng)主要依據(jù)電網(wǎng)事故時的故障錄波信息、斷路器跳閘及保護動作信息來判斷故障。下面主要是以斷路器跳閘、保護動作信息為依據(jù)進行故障分析。

2 專家系統(tǒng)的故障分析依據(jù)

2.1基于模擬量的故障診斷

技術(shù)人員經(jīng)常利用故障錄波器連續(xù)觀察從故障發(fā)生到故障切除的整個過程中的電流(電壓)的變化時序，并以電流(電壓)突變量為判斷依據(jù)來確定故障的性質(zhì)。

以電流突變量為依據(jù)的故障診斷過程：首先確定電流突變點，然后分以下3種情況進行分析。

①突變前正常，突變后電流為0，可以判斷是保護或開關(guān)誤動；突變前正常，突變后故障，可以判斷是區(qū)內(nèi)故障。

②突變前故障，突變后正常，可以判斷是區(qū)外故障；突變前故障，突變后電流為0，可以判斷是故障在本地切除。

③突變前電流為0，突變后正常，可以判斷重合閘成功；突變前電流為0，突變后故障，可以判斷是重合閘失敗。

但基于模擬量的故障診斷技術(shù)目前還存在一些不足，對于線路重負荷、線路一側(cè)為弱電源或無電源等情況時，使用電流判據(jù)比較困難。再者，故障錄波器中沒有足夠大的故障時電流存儲空間，有時故障時故障錄波器未啟動，因而就無法使用模擬量來分析故障。

2.2基于斷路器和保護信息的故障診斷

因斷路器跳閘和保護信息能夠在故障時第一時間傳到，所以在無法使用模擬量進行故障分析時，技術(shù)人員可以使用斷路器和保護信息來診斷故障。根據(jù)保護和斷路器的故障切除原理和模式，采用基于規(guī)則的正向推理和反向推理來診斷故障。

因斷路器(除誤動外)總是在保護范圍內(nèi)設(shè)備故障時動作跳閘，所以說跳閘斷路器與故障設(shè)備之間存在著一定的聯(lián)系。采用正向推理，并根據(jù)斷路器的保護范圍進行正向推理來確立初步故障集。而在初步故障集中只有那些被跳閘斷路器從帶電部分隔離下來的設(shè)備，才有可能是故障設(shè)備。采用反向推理過程對初步故障集中的假設(shè)故障設(shè)備進行逐個求證，從而找到故障設(shè)備。

基于斷路器和保護信息的故障診斷技術(shù)在只考慮所有保護都帶有方向性時，便于推理，而在考慮失去方向性的情況，故障的搜索范圍就比較大；考慮所有線路都帶有雙側(cè)電源時，同樣便于推理，而單側(cè)電源和負荷線路的情況，就無法利用線路兩端保護和斷路器的動作來確認故障線路。

2.3混合故障診斷

保護、斷路器無不正確動作時，只利用斷路器變位信息就可確定故障范圍。如斷路器出現(xiàn)不正確動作時，就必須把斷路器變位信息和保護動作信息結(jié)合起來才可確定故障設(shè)備；保護出現(xiàn)不正確動作時，只利用斷路器、保護動作信息不能夠確定故障設(shè)備，一定要結(jié)合故障錄波信息才能確認故障設(shè)備。

在實際應(yīng)用中，究竟采用哪何種方式，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)中斷路器信息、保護信息以及故障錄波信息的獲得方式、數(shù)據(jù)的可靠性和完整性等因素決定。這3種故障診斷技術(shù)可以有不同的配合方式。

3 基于決策樹的保護/斷路器動作行為分析專家系統(tǒng)

3.1保護/斷路器動作行為分析專家系統(tǒng)的組成

保護/斷路器動作行為分析專家系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 保護/斷路器動作行為分析專家系統(tǒng)的組成

3.2決策樹

決策樹(decision tree)也稱判斷樹，它是由對象的若干屬性、屬性值和有關(guān)決策組成的一棵樹，每個節(jié)點代表一種屬性。從同一節(jié)點出發(fā)的各個分枝之間是邏輯“或”的關(guān)系；根節(jié)點為對象的某一屬性；從根節(jié)點到每一個葉子節(jié)點的所有的節(jié)點，按順序串連一條分枝路徑，位于同一分枝路徑上的各個屬性對之間是邏輯“與”的關(guān)系，葉子節(jié)點是這個與關(guān)系的對應(yīng)結(jié)果，即決策。[3]它剛好構(gòu)成一個產(chǎn)生式規(guī)則，各個屬性對的合取構(gòu)成規(guī)則的前提，葉子節(jié)點的決策就是規(guī)則的結(jié)論。

由于產(chǎn)生式規(guī)則專家系統(tǒng)表達直觀、模塊性強、推理較為簡單等特點，所以成為專家系統(tǒng)應(yīng)用較廣泛的一種推理模式。決策樹分析法就是用構(gòu)造樹型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的方法從一批事實數(shù)據(jù)中歸納總結(jié)出若干分類、決策規(guī)則。一棵決策樹實際上就表示了一組產(chǎn)生式規(guī)則，一組特定的產(chǎn)生式規(guī)則也可以表示成一棵決策樹，決策樹也是一種知識的表示形式。它可以描述分類、決策、診斷、評判等性質(zhì)的知識。[4]

3.3基于保護/斷路器動作行為分析的決策樹建立

電力系統(tǒng)各電氣元件之間通常用斷路器互相連接，每臺斷路器都裝有相應(yīng)的繼電保護裝置，可以向斷路器發(fā)出跳閘脈沖。每一電氣元件一般都有2種繼電保護裝置，即主保護和后備保護，必要時還要另外增加輔助保護。高壓電網(wǎng)中的輸電線路一般配備縱聯(lián)保護作為主保護，主保護根據(jù)對側(cè)保護的信息，可以有選擇性地快速切除全線故障。如故障時主保護拒絕動作，作為后備保護通道的保護瞬時或帶時限來切除故障。為了防止斷路器拒絕動作這種情況，還必須裝設(shè)斷路器失靈保護。

本文在分析問題構(gòu)建決策樹時，主要考慮3種初始事件：①主保護區(qū)內(nèi)無故障；②主保護區(qū)內(nèi)部故障；③后備保護區(qū)故障。以電網(wǎng)故障的性質(zhì)為根節(jié)點，以主保護區(qū)內(nèi)無故障、主保護區(qū)內(nèi)部故障、后備保護區(qū)故障為葉子建立1棵總決策樹，如圖2所示。然后再按照這3種初始事件，分別建立3棵子決策樹，如圖3～5所示。建立決策樹時，只考慮輸電線路保護，且只考慮保護、斷路器以及通信通道的異常行為(保護拒動、誤動以及非選擇性動作)等情況。

S1為主保護區(qū)內(nèi)無故障；S2為主保護區(qū)內(nèi)部故障；S3為

后備保護區(qū)故障。

圖2電網(wǎng)故障性質(zhì)決策樹

A1為主保護未起動；A2為保護起動；A3為跳閘命令被閉鎖；A4為跳閘命令未被閉鎖；A5為斷路器跳開；A6為斷路器未跳開；A7為自動重合閘起動，線路恢復(fù)運行；A8為自動重合閘未起動；A9為斷路器失靈保護動作；A10為斷路器失靈保護未動作；X1為保護選線正確；X2為跳閘動作正確；X3為重合閘正確；X4為重合閘錯誤；X5為失靈保護正確；X6為失靈保護拒動。圖3 主保護區(qū)內(nèi)無故障的決策樹

B1為保護檢測到故障；B2為保護檢未測到故障；B3為保護動作，發(fā)跳閘命令；B4為保護未動作；B5為保護收到相繼動作信號；B6為保護未收到相繼動作信號；B7為后備保護動作(近后備)；B8為后備保護未動作，故障被其他斷路器切除(遠后備)；B9為斷路器跳開；B10為斷路器未跳開；B11為斷路器失靈保護動作；B12為斷路器失靈保護未動作；Y1為通信信道故障；Y2為斷路器動作正確；Y3為失靈保護正確；Y4為失靈保護拒動；Y5為主保護、近后備保護皆拒動，遠后備保護動作。圖4 主保護區(qū)內(nèi)故障的決策樹

C1為遠后備保護檢測到故障；C2為遠后備保護未檢測到故障；C3為遠后備起動；C4為遠后備未起動；C5為故障被其他保護(相鄰組件主保護)切除；C6為故障未被其他保護切除；C7為遠后備保護被復(fù)歸或閉鎖；C8為遠后備保護未被復(fù)歸或閉鎖；C9為遠后備保護動作；C10為斷路器未跳開；C11為沒有多余的跳閘；C12為存在多余的跳閘(本線路被切除)；C13為斷路器失靈保護動作；C14為斷路器失靈保護未起動；Z1為保護配合正確；Z2為相鄰組件主保護、近后保護拒動；Z3為遠后備保護動作正確；Z4為跳閘動作正確；Z5為遠后備錯誤動作；Z6為相鄰組件主保護、遠后備正確動作；Z7為失靈保護正確；Z8為失靈保護拒動。圖5 后備保護區(qū)故障的決策樹

由以上決策樹可以得到保護/斷路器動作情況，根據(jù)具體的保護/斷路器動作情況采取相應(yīng)處理方案。

3.4知識獲取與表示

1)知識獲取

知識獲取是構(gòu)建專家系統(tǒng)的關(guān)鍵點問題，是專家系統(tǒng)設(shè)計的“瓶頸”問題。保護/斷路器動作行為分析專家系統(tǒng)知識獲取是從電力系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)＜摇⒄{(diào)度工程師、維護人員、管理人員、相關(guān)的書籍及資料中獲得。計算機人員對上述知識，進行挖掘、搜索、分析、整理、歸納，然后以一定的結(jié)構(gòu)和規(guī)則表示形式存入知識庫。通過知識獲取能夠擴充和修改知識庫中內(nèi)容，使知識庫的內(nèi)容合理化。

2)知識表示

知識表示就是知識的符號化和形式化的過程。知識的表示模式和選擇會影響一個專家系統(tǒng)知識的有效存儲，如處理不當(dāng)會使知識獲取能力和知識的運用效率低下。保護/斷路器動作行為分析專家系統(tǒng)的知識表示采用規(guī)則模型。它的特點是準確靈活、易被電力系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)＜依斫?，并能夠充分地表達出該領(lǐng)域相關(guān)推理規(guī)則和行為。[5]其規(guī)則模型是以決策樹為依據(jù)建立的，通過決策樹可以得到多個IF-THEN的規(guī)則，可以在很大程度上降低系統(tǒng)知識獲取的難度，解決了專家系統(tǒng)獲取知識的“瓶頸”問題。所生成的知識庫簡化、冗余度低，便于推理。

專家系統(tǒng)中的知識通常具有經(jīng)驗性和因果性，非常適合用產(chǎn)生式規(guī)則來構(gòu)建知識庫。知識庫中儲存的知識和經(jīng)驗被抽取成一條條的規(guī)則用于推理。將保護/斷路器動作用一組產(chǎn)生式規(guī)則來表示：IF(條件)THEN(結(jié)論)。

由圖5后備保護區(qū)故障保護/斷路器動作行為分析決策樹可以得到下面的規(guī)則集：

rule1：IF C1 AND C3 AND C5 AND C7 THEN Z3

rule2：IF C1 AND C3 AND C5 AND C8 AND C11 THEN Z4

rule3：IF C1 AND C3 AND C5 AND C8 AND C12 THEN Z5

?

rule10：IF C2 AND C6 THEN Z2

3.5推理過程

推理過程主要由推理機來完成，它根據(jù)當(dāng)前輸入的數(shù)據(jù)利用知識庫的知識按一定推理策略去逐步推理直到得出相應(yīng)的結(jié)論為止。

通常推理方法有精確推理和不精確推理兩種。本專家系統(tǒng)采用精確推理把領(lǐng)域的知識表示成必然的因果關(guān)系，推理的結(jié)論是肯定的或否定的。

專家系統(tǒng)常用的推理方法有3種，即正向推理、反向推理及正反向混合推理。3種方法中最常用的是正向推理。

正向推理是從原始數(shù)據(jù)開始，根據(jù)原始數(shù)據(jù)在知識庫中尋找能夠和它匹配的規(guī)則，直到找到最終結(jié)論。當(dāng)高壓電網(wǎng)中的輸電線路發(fā)生故障時，應(yīng)該首先判斷故障發(fā)生屬于主保護區(qū)內(nèi)無故障、主保護區(qū)內(nèi)部故障、后備保護區(qū)故障的哪一類事件，然后再以該事件為根，從子決策樹結(jié)構(gòu)的分支中找出相應(yīng)的屬性點，依次類推理，直至找出最終故障原因為止。推理過程如圖6所示。

圖6 專家系統(tǒng)的推理過程

4 結(jié)語

縱觀多年來國內(nèi)外專家系統(tǒng)在電力系

統(tǒng)中的應(yīng)用，故障診斷和報警處理是專家系統(tǒng)應(yīng)用最多且最為成熟的領(lǐng)域。專家系統(tǒng)將專家的建議和專業(yè)技術(shù)人員的經(jīng)驗綜合運用到故障診斷中，制定的診斷方案較為實用、靈活，對診斷結(jié)果具有解釋能力，能滿足實時運行的要求，可以適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的診斷。

[1]劉玉梅.基于SCADA系統(tǒng)的輸電網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測及故障診斷專家系統(tǒng)[D].南京：南京理工大學(xué),2002.

[2]趙振忠.基于模糊專家系統(tǒng)的輸電線路故障診斷[D].南京：南京理工大學(xué),2004.

[3]牛成林,于希寧,李建強.專家系統(tǒng)在電力預(yù)測負荷中的應(yīng)用[J].儀器儀表用戶,2005,12(4):67-68.

[4]孫向林,李紀全.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)的高壓斷路器故障診斷研究與分析[J].煤礦機電，2008,12(6):42-44.

[5]張強.繼電保護故障專家系統(tǒng)研究[J].低壓電器,2006(3):24-28.

責(zé)任編輯：陳 亮

ExpertSystem-basedAnalysisandResearchonPowerSystemFault

HULianmei

(Department of Electrical and Electronic Engineering,Suzhou College of Information Technology，Suzhou 215200)

In this paper，circuit breaker trip information is used as a basis for building a decision tree of breaker′s protection.And the expert system is used for fault qualitative analysis to find the reasons for failure and identify the faulty equipment.This system provides theoretical ground for the technicians in their timely ans quick handling power faults.

expert system；decision tree;power system；fault analysis

2014- 04-22

胡連梅(1965— )，女，碩士，副教授，工程師。

1671- 0436(2014)03- 0033- 05