基于模糊理論的電力系統(tǒng)故障診斷

摘要：為了給電力系統(tǒng)故障診斷提供決策依據(jù)，提出了一種基于模糊理論的故障元件識(shí)別模型。在停電區(qū)域中，根據(jù)保護(hù)和斷路器工作原理，推導(dǎo)元件故障狀態(tài)集合及待檢狀態(tài)集合，給出了集合元素賦值規(guī)則，采取貼近度作為目標(biāo)函數(shù)，利用故障元件識(shí)別規(guī)則實(shí)現(xiàn)故障診斷的目的。最后，算例分析驗(yàn)證了所提出模型和算法的有效性。

關(guān)鍵詞：模糊理論；貼近度；電力系統(tǒng)；故障診斷

引言

電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，盡快診斷出故障對(duì)于系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行、減少停電時(shí)間有著重要的意義。電力系統(tǒng)故障診斷的研究工作主要集中在故障元件的識(shí)別[1]。目前，國(guó)內(nèi)外提出了許多電力系統(tǒng)故障診斷的技術(shù)和方法[2-5]，主要有專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Petri網(wǎng)絡(luò)、粗糙集理論等方法，為了適應(yīng)各種簡(jiǎn)單和復(fù)雜事故情況下故障的快速、準(zhǔn)確識(shí)別，本文提出了一種基于距離測(cè)度的電力系統(tǒng)故障診斷方法，為電力系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)作決策參考。

1.模糊理論

模糊理論是在美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校電氣工程系的L.A.Zadeh教授于1965年創(chuàng)立的模糊集合理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要包括模糊集合理論、模糊邏輯、模糊推理和模糊控制等方面內(nèi)容。近年來，模糊系統(tǒng)理論的研究受到了廣泛重視，特別是在東方世界中，吸引了眾多專家學(xué)者的關(guān)注，至今其理論研究與工程應(yīng)用發(fā)展相當(dāng)迅速，目前模糊控制已經(jīng)作為智能控制的一個(gè)重要分支，發(fā)展成為具有一定系統(tǒng)理論及大量實(shí)際應(yīng)用背景的一個(gè)新的研究領(lǐng)域。

貼近度是對(duì)兩個(gè)模糊集接近程度的一種度量，是一個(gè)原則性的概念，其具體規(guī)則視實(shí)際需要而定，常見的幾種貼近度有：

2.電力系統(tǒng)故障診斷模型建立與分析

2.1基于停電區(qū)域的數(shù)學(xué)建模

故障元件的識(shí)別就是找到最能解釋警報(bào)信息的故障假說，本文采用歐幾里得貼近度作為目標(biāo)函數(shù)，則故障診斷就可表示為下面目標(biāo)函數(shù)的最大化問題：

式中：

i：?jiǎn)喂收峡倲?shù)目，等于元件數(shù)和線路數(shù)之和；

n：集合元素?cái)?shù)目，等于保護(hù)和斷路器數(shù)量之和；

F0：待檢故障狀態(tài)集合；

ui：?jiǎn)蝹€(gè)故障元件或者單條故障線路；

Fui：?jiǎn)蝹€(gè)元件故障集合或者單條線路故障集合，簡(jiǎn)稱單故障集合；

N（F0，F(xiàn)ui）：待檢故障集合與單故障集合歐幾里得貼近度。

2.2故障集合構(gòu)造及集合元素賦值規(guī)則

狀態(tài)集合由保護(hù)和斷路器信息聯(lián)立構(gòu)造，設(shè)有m個(gè)保護(hù)，n個(gè)斷路器，則狀態(tài)集合形式為{r1，r2，…，rm，c1，c2，…，cn}，對(duì)于待檢故障集合元素，保護(hù)動(dòng)作時(shí)取值1，否則取0；斷路器跳開時(shí)取值1，否則取值0；對(duì)于單故障集合元素，保護(hù)動(dòng)作時(shí)取值1，否則取0；斷路器跳開時(shí)取值1，否則取值0；當(dāng)同一元件或線路故障狀態(tài)的兩種模式中保護(hù)或者斷路器信息有沖突時(shí)，即一個(gè)模式取值為1，另一個(gè)模式取值為0，取0.5作為該保護(hù)或者斷路器的值。

2.3故障元件識(shí)別規(guī)則

規(guī)則1 貼近度最大的一定為故障元件或故障線路。

規(guī)則2 以貼近度平均值為閾值，貼近度小于平均值的，認(rèn)定為故障元件或故障線路。

3.基于模糊理論的電力系統(tǒng)故障診斷步驟

1）讀入系統(tǒng)數(shù)據(jù)，包括電力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及保護(hù)動(dòng)作和斷路器跳閘的信息；

2）識(shí)別出停電區(qū)域，并在停電區(qū)域中，列舉出保護(hù)動(dòng)作和斷路器跳閘原理；

3）根據(jù)保護(hù)動(dòng)作和短路器跳閘原理，導(dǎo)出單故障狀態(tài)時(shí)，保護(hù)和斷路器狀態(tài)信息；

4）導(dǎo)出各元件故障模式狀態(tài)集合，并導(dǎo)入待檢故障狀態(tài)集合；

5）計(jì)算貼近度，根據(jù)識(shí)別規(guī)則，診斷出故障元件。

4.算例分析

為驗(yàn)證所提方法的正確性，以文獻(xiàn)[7]中所列系統(tǒng)的故障情況進(jìn)行算例分析。

假設(shè)發(fā)生報(bào)警信息為保護(hù)Am，L2Bm和L2Cm 動(dòng)作，斷路器CB1，CB2，CB4和CB5斷開，劃出停電區(qū)域，如圖1所示：

根據(jù)停電區(qū)域列出保護(hù)動(dòng)作和斷路器跳閘原理[7]，保護(hù)下標(biāo)m、s和p分別表示主保護(hù)、第1后備保護(hù)和第2后備保護(hù)。

根據(jù)保護(hù)動(dòng)作和斷路器跳閘原理，已經(jīng)上面提出的集合元素賦值規(guī)則，得到元件故障狀態(tài)集合，如表1所示

表1中，r1，r2，…，r14分別表示14個(gè)保護(hù)器，c1，c2，c3，c4，c5分別表示5個(gè)斷路器。根據(jù)警報(bào)消息，可得到待檢模式狀態(tài)集合為{r1，r5，r6，c1，c2，c4，c5}，由表1中數(shù)據(jù)，計(jì)算歐幾里得貼近度得到：NA，F(xiàn)=0.4265，NB，F(xiàn)=0.3717，NL1，F(xiàn)=0.3214，NL2，F(xiàn)=0.4499。排序可得：NL2，F(xiàn)> NA，F(xiàn)> NB，F(xiàn)>。NL1，F(xiàn)，根據(jù)判定規(guī)則1，元件L2一定發(fā)生故障，計(jì)算貼近度平均值N=0.3924，根據(jù)規(guī)則2，元件A、線路L2都發(fā)生故障，與定性分析結(jié)果相符。運(yùn)用本文提出的方法對(duì)文獻(xiàn)[7]中系統(tǒng)各種故障情況進(jìn)行診斷的結(jié)果同其診斷結(jié)果一致，表明本方法是有效的。

結(jié)束語

電力系統(tǒng)故障診斷是關(guān)系到電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要問題，國(guó)內(nèi)外從20世紀(jì)80年代起已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作，提出了多種故障診斷技術(shù)和方法，但實(shí)際系統(tǒng)中該問題并未很好地解決。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模日趨龐大，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，對(duì)電力系統(tǒng)故障診斷提出了更高的要求。本文提出了一種基于模糊理論的電力系統(tǒng)故障診斷方法，在停電區(qū)域中，利用保護(hù)與斷路器信息，通過貼近度計(jì)算，給出故障元件或者線路概率的大小，為系統(tǒng)故障診斷提供決策依據(jù)，算例分析表明本方法的正確性和有效性。

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作者簡(jiǎn)介：

唐曉東（1976.10.27），重慶工業(yè)設(shè)備安裝集團(tuán)有限公司，工程師，二級(jí)機(jī)電工程注冊(cè)建造師，主要從事建筑電氣專業(yè)方面的研究。