考慮拓?fù)潢P(guān)聯(lián)與信息關(guān)聯(lián)的電網(wǎng)故障解析診斷方法

何 明，王利平，楊 琪，陳虹靜，田豐勛，易建波

（1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司調(diào)度控制中心，四川成都 610041；2.國(guó)網(wǎng)樂(lè)山供電公司，四川樂(lè)山 614099；3.電子科技大學(xué)，四川成都 611731）

0 引言

現(xiàn)代電力系統(tǒng)配備了大量的保護(hù)裝置，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性，然而繼電保護(hù)之間關(guān)系復(fù)雜，保護(hù)區(qū)域相互重疊。系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）及能量管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS）會(huì)接收到海量的信息。信息的高密集性與復(fù)雜性給故障診斷帶來(lái)困難，不易構(gòu)建故障與信息間的單一映射關(guān)系[1-4]。此外，保護(hù)裝置和斷路器拒動(dòng)、誤動(dòng)的情況時(shí)有發(fā)生，可能導(dǎo)致故障誤判及連鎖影響，故障診斷的復(fù)雜度進(jìn)一步增加。目前已有較多基于信息的故障診斷方法研究，如專家系統(tǒng)[5]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[6-9]、模糊理論[10-11]、粗糙集理論[12-13]、Petri 網(wǎng)[14-16]、機(jī)器學(xué)習(xí)[17]和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等[18-20]。這些方法都應(yīng)歸屬于間接故障診斷方法，往往需要耗費(fèi)大量的時(shí)間精力，且實(shí)際應(yīng)用局限性明顯。專家系統(tǒng)應(yīng)用在結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的電力系統(tǒng)時(shí)就很難獲得知識(shí)并建立完整的知識(shí)庫(kù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推理能力差，僅適用于中小型系統(tǒng)的故障診斷。Petri 網(wǎng)的容錯(cuò)能力差，難以識(shí)別錯(cuò)誤信息，對(duì)大型電網(wǎng)進(jìn)行故障診斷的性能較低。對(duì)于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)而言，其先驗(yàn)概率獲取較為困難并且難以自動(dòng)建模。因此，基于海量狀態(tài)量、開(kāi)關(guān)、保護(hù)信息的高適用性故障診斷方法亟待深研。

近年來(lái)，出現(xiàn)了研究解析診斷模型及信息與元件之間構(gòu)建單一映射的直接故障診斷方法[21-23]。解析方法將診斷規(guī)則表達(dá)為一系列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)公式，且具有更嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[24]討論了故障診斷的解析方法，將保護(hù)裝置和斷路器存在的拒動(dòng)、誤動(dòng)操作計(jì)入解析模型，提升了故障診斷方法的邏輯溯源能力和準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[25]研究在故障診斷模型中引入元件拓?fù)涿枋?，通過(guò)系統(tǒng)中各元件之間的關(guān)系構(gòu)建故障信息與故障元件的映射算法。但是，解析方法構(gòu)造的解析診斷模型和算法處理過(guò)程較為復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度增加會(huì)使得故障診斷的計(jì)算非常繁重，其診斷準(zhǔn)確性難以保證。

本文根據(jù)輸電網(wǎng)的元件結(jié)構(gòu)和保護(hù)動(dòng)作間的邏輯關(guān)系，提出構(gòu)建元件、斷路器和繼電保護(hù)裝置之間的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)矩陣和事件動(dòng)作描述矩陣。當(dāng)保護(hù)信息接入到故障診斷過(guò)程后，可根據(jù)矩陣拓?fù)錁?gòu)建可疑故障元件的繼電保護(hù)動(dòng)作邏輯鏈，并通過(guò)矩陣運(yùn)算推導(dǎo)出保護(hù)信息與線路元件、保護(hù)裝置、斷路器之間的映射關(guān)系。最后，將本文提出的故障診斷解析方法應(yīng)用于四區(qū)輸電系統(tǒng)和四川某地220 kV輸電網(wǎng)，驗(yàn)證了診斷方法的可行性和診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 元件拓?fù)潢P(guān)聯(lián)矩陣和關(guān)聯(lián)關(guān)系描述矩陣

1.1 輸變電系統(tǒng)保護(hù)配置

輸變電網(wǎng)絡(luò)中主要討論的故障元件包括輸電線路，母線和變壓器，與其關(guān)聯(lián)的繼電保護(hù)系統(tǒng)采用典型的三段式電流保護(hù)，包括主保護(hù)，近后備保護(hù)和元后備保護(hù)。

圖1 所示的輸變電系統(tǒng)繼電保護(hù)配置模型中，有A，B，C，D 4 條母線，1 個(gè)變壓器T，2 條線路（L1和L2）、6 個(gè)斷路器（CB1—CB6）。m 表示主保護(hù)，p表示近后備保護(hù)，s 表示遠(yuǎn)后備保護(hù)，L 表示線路左端，R 表示線路右端。（如L1Rm 表示線路L1 的右側(cè)主保護(hù)）

圖1 輸變電系統(tǒng)繼電保護(hù)配置圖Fig.1 Relay protection configuration of transmission system

1.2 元件關(guān)聯(lián)關(guān)系描述矩陣

網(wǎng)絡(luò)元件之間的連接關(guān)系s可由式（1）定義：

圖1 所示的輸變電網(wǎng)絡(luò)元件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以表述為關(guān)聯(lián)關(guān)系描述矩陣S：

通過(guò)定義關(guān)聯(lián)關(guān)系描述矩陣，可以容易地形成斷路器、母線、變壓器等元件的關(guān)聯(lián)關(guān)系描述矩陣CB，M，Y。也可以定義接入一次系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置關(guān)聯(lián)關(guān)系描述矩陣，如母線主保護(hù)、線路主保護(hù)、近后備保護(hù)、遠(yuǎn)后備保護(hù)關(guān)聯(lián)關(guān)系描述矩陣Mm，Ym，Yp，Ys等。根據(jù)圖1 所示的輸變電網(wǎng)絡(luò)元件和機(jī)電保護(hù)裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，定義的網(wǎng)絡(luò)元件拓?fù)潢P(guān)聯(lián)矩陣和關(guān)聯(lián)關(guān)系描述矩陣形式如表1 所示。

從表1 分析可知，網(wǎng)絡(luò)元件在很多情況下可能有相同的關(guān)聯(lián)關(guān)系描述矩陣，但從元件拓?fù)潢P(guān)聯(lián)矩陣可進(jìn)一步分析元件可能有不同的元件關(guān)聯(lián)信息。這一問(wèn)題使得故障信息和相關(guān)元件之間不能生成單一的映射關(guān)系，無(wú)法根據(jù)故障信息進(jìn)行精確的故障診斷。因此，本文考慮使用事件描述和事件動(dòng)作邏輯序列來(lái)彌補(bǔ)之前關(guān)聯(lián)關(guān)系矩陣的不足。

表1 元件拓?fù)潢P(guān)聯(lián)矩陣和關(guān)聯(lián)關(guān)系描述矩陣Table 1 Component topological relationship matrix and associated relationship description matrix

1.3 保護(hù)動(dòng)作邏輯運(yùn)算方法

首先，主保護(hù)和斷路器的動(dòng)作邏輯可以由矩陣運(yùn)算公式（3）和（4）確定。

⊙運(yùn)算進(jìn)行的是將2 個(gè)同型矩陣的對(duì)應(yīng)元素相乘的操作。表示母線與主保護(hù)和關(guān)聯(lián)斷路器的保護(hù)動(dòng)作邏輯關(guān)系。表示變壓器與主保護(hù)和關(guān)聯(lián)斷路器的動(dòng)作邏輯關(guān)系。例如：，表示當(dāng)變壓器T 發(fā)生故障時(shí)，變壓器的主保護(hù)TRm 起作用，觸發(fā)斷路器CB2跳閘，達(dá)到切除故障的目的。

考慮到可能會(huì)出現(xiàn)元件某一側(cè)主保護(hù)故障的情況，則可以通過(guò)矩陣運(yùn)算式（5）來(lái)確定近后備保護(hù)的動(dòng)作順序。

式中：為變壓器與主保護(hù)、近后備保護(hù)，以及后續(xù)關(guān)聯(lián)斷路器的動(dòng)作邏輯關(guān)系。

考慮到遠(yuǎn)后備保護(hù)觸發(fā)的是相鄰線路上的斷路器，因此本文定義了一個(gè)相鄰關(guān)聯(lián)矩陣S′。例如，變壓器T 的相鄰線路是L1 和L2，將矩陣S中與L1 和L2 另一端相對(duì)應(yīng)的元素設(shè)置為1，就能獲得變壓器T 的相鄰關(guān)聯(lián)矩陣。類似地操作可以獲得母線的相鄰關(guān)聯(lián)矩陣。

則圖1 中變壓器T 的遠(yuǎn)后備保護(hù)動(dòng)作邏輯順序可以由矩陣運(yùn)算公式（6）來(lái)描述。

根據(jù)式（3）—式（7）的計(jì)算結(jié)果，可以形成元件的繼電保護(hù)動(dòng)作邏輯鏈。圖2 所示的是變壓器T的繼電保護(hù)動(dòng)作邏輯鏈，E1—E13 分別代表關(guān)聯(lián)的13 個(gè)邏輯事件，其事件描述在表2 中。

圖2 變壓器T的繼電保護(hù)動(dòng)作邏輯鏈Fig.2 Relay protection operation logic chain of transformer T

表2 變壓器T動(dòng)作邏輯鏈的事件描述Table 2 Event description of action logic chain of transformer T

2 故障診斷模型與解析診斷方法

2.1 事件關(guān)系描述矩陣

繼電保護(hù)動(dòng)作邏輯鏈的每個(gè)連接弧都可以表示1 個(gè)事件，如圖2 中TLm-TLp 這一連接弧可以表示為：主保護(hù)TLm 發(fā)生故障，近后備保護(hù)TLp 動(dòng)作。以圖2 中變壓器T 的繼電保護(hù)動(dòng)作邏輯鏈為例，對(duì)與T 相關(guān)的事件進(jìn)行編號(hào)，并示于圖2 中。

特別說(shuō)明的是，E1 事件不對(duì)應(yīng)連接弧，E1 表示變壓器T 故障后繼電保護(hù)動(dòng)作邏輯鏈的觸發(fā)事件。圖2 中事件所對(duì)應(yīng)的動(dòng)作描述列于表2。

根據(jù)繼電保護(hù)動(dòng)作邏輯鏈，可以確定每個(gè)事件之間的時(shí)序邏輯關(guān)系，該關(guān)系定義如下：

因此，根據(jù)式（8）可以形成變壓器T 的繼電保護(hù)動(dòng)作邏輯鏈的事件關(guān)系描述矩陣R。

事件關(guān)系描述矩陣R是一個(gè)k階方陣，k為元件繼電保護(hù)動(dòng)作邏輯鏈的事件個(gè)數(shù)。矩陣元素R（i，j）表示事件Ei與事件Ej之間的關(guān)系，其中R（i，j）=1 表示事件Ei將觸發(fā)事件Ej發(fā)生。

已知事件向量K，該向量表示動(dòng)作邏輯鏈每個(gè)事件已知的發(fā)生情況，所有事件發(fā)生的情況可由SCADA，EMS 等狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得。向量K的元素值由式（9）確定，向量元素包含了k個(gè)布爾邏輯值，分別對(duì)應(yīng)k個(gè)事件的發(fā)生情況。

為了確定繼電保護(hù)動(dòng)作邏輯鏈的事件關(guān)系描述矩陣與事件真實(shí)發(fā)生情況之間的聯(lián)系，本文定義了一個(gè)矩陣邏輯乘運(yùn)算（?）：A?B表示A和B兩個(gè)矩陣進(jìn)行矩陣相乘運(yùn)算，并用邏輯與代替實(shí)際相乘，用邏輯或代替實(shí)際求和。

矩陣邏輯乘運(yùn)算可將元件繼電保護(hù)動(dòng)作邏輯鏈中的事件關(guān)系描述矩陣與保護(hù)、斷路器的實(shí)際動(dòng)作情況相結(jié)合，將繼電保護(hù)動(dòng)作邏輯鏈中的事件關(guān)系描述矩陣轉(zhuǎn)換為實(shí)際動(dòng)作發(fā)生情況。

2.2 電網(wǎng)故障解析診斷流程

1）確定故障診斷區(qū)域。為避免故障診斷算法陷入高維度復(fù)雜系統(tǒng)元件及事件關(guān)聯(lián)關(guān)系的廣域搜索，優(yōu)先根據(jù)已獲得的斷路器跳閘信息，將停電區(qū)域視為故障可疑區(qū)域，該區(qū)域中的元件視為故障可疑元件。

2）對(duì)應(yīng)輸電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)元件和保護(hù)裝置拓?fù)?，建立相?yīng)的元件拓?fù)潢P(guān)聯(lián)矩陣和關(guān)聯(lián)關(guān)系描述矩陣，同時(shí)建立相關(guān)元件的繼電保護(hù)動(dòng)作邏輯鏈。

3）根據(jù)某元件的繼電保護(hù)動(dòng)作邏輯鏈建立一個(gè)k階的事件關(guān)系描述矩陣R。根據(jù)SCADA 等監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所接收的信息構(gòu)建已知事件向量K。

4）將事件關(guān)系描述矩陣R與已知事件向量K進(jìn)行矩陣邏輯乘運(yùn)算，得到轉(zhuǎn)移向量T：

轉(zhuǎn)移向量T包含了繼電保護(hù)動(dòng)作邏輯鏈中引起電網(wǎng)故障的特征信息。

5）計(jì)算故障識(shí)別向量，將轉(zhuǎn)移向量T與已知事件向量K相減，得到故障識(shí)別向量F：

故障識(shí)別向量F是轉(zhuǎn)移向量T與已知事件向量K相比較的結(jié)果，包含了電網(wǎng)元件、保護(hù)以及斷路器的故障信息。如果故障識(shí)別向量F中某些元素為1，則表示這些元素所對(duì)應(yīng)的事件為與故障相關(guān)的事件，正是因?yàn)檫@些事件出現(xiàn)錯(cuò)誤導(dǎo)致電網(wǎng)故障區(qū)域擴(kuò)大，因此這些事件就是故障診斷結(jié)果。

3 算例測(cè)試與分析

3.1 典型四區(qū)輸電網(wǎng)故障診斷測(cè)試

為了驗(yàn)證本文提出的電網(wǎng)故障解析診斷方法的可行性，首先以圖3 所示的典型四區(qū)輸電系統(tǒng)為例進(jìn)行測(cè)試與分析。該系統(tǒng)包括12 條母線（A1—A4，B1—B8），8 條輸電線路（L1—L8），8 個(gè)變壓器（T1—T8），40 個(gè)斷路器（CB1—CB40）和108 個(gè)保護(hù)裝置（包括12 個(gè)母線主保護(hù)，48 個(gè)變壓器左右側(cè)主保護(hù)、近后備保護(hù)和遠(yuǎn)后備保護(hù)，48 個(gè)輸電線路左右側(cè)主保護(hù)、近后備保護(hù)和遠(yuǎn)后備保護(hù)）。該四區(qū)輸電網(wǎng)的繼電保護(hù)配置與圖1 系統(tǒng)相同。

圖3 典型四區(qū)輸電網(wǎng)元件拓?fù)銯ig.3 Typical four-zone transmission network component topology

根據(jù)式（2）—式（7），可以確定可疑故障元件的繼電保護(hù)動(dòng)作邏輯鏈。以L2 為例，其繼電保護(hù)動(dòng)作邏輯鏈和事件描述如圖4 和表3 所示。

表3 輸電線路L2動(dòng)作邏輯的事件描述Table 3 Event description of operation logic chain of L2

圖4 輸電線路L2的繼電保護(hù)動(dòng)作邏輯鏈Fig.4 Relay protection operation logic chain of L2

同時(shí)，可以根據(jù)式（8）構(gòu)造L2 的事件關(guān)系矩陣RL2。

根據(jù)已獲得的繼電保護(hù)動(dòng)作信息，生成已知事件向量KL2。

根據(jù)式（10），通過(guò)矩陣邏輯乘運(yùn)算導(dǎo)出傳遞向量TL2。

然后，根據(jù)式（11）計(jì)算故障識(shí)別向量FL2。

通過(guò)分析故障識(shí)別向量FL2，可知與故障相關(guān)的事件為E1，E8，E9，E11?？紤]到事件E1 作為繼電保護(hù)動(dòng)作順序網(wǎng)絡(luò)的觸發(fā)事件的特殊性，參照表3的動(dòng)作事件描述，可獲得以下故障診斷結(jié)果：故障發(fā)生在輸電線路L2，主保護(hù)L2Rm 發(fā)生故障和斷路器CB12 故障。然后可以通過(guò)相同的方法來(lái)對(duì)其他的可疑故障元件進(jìn)行診斷，得到故障識(shí)別向量FL5，F(xiàn)T3和FT4，這3 個(gè)故障識(shí)別向量除首元素外，其余均為零元素，從而判定元件L5，T3 和T4 未發(fā)生故障。此外，“保護(hù)L5Lp 動(dòng)作”未出現(xiàn)在故障識(shí)別向量中，可初步判定為通信誤報(bào)。

診斷結(jié)果出來(lái)后，可將這種情況當(dāng)作一種知識(shí)存入知識(shí)庫(kù)，形成一種故障診斷庫(kù)。當(dāng)下次出現(xiàn)這種情況時(shí)，可直接加速相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作，如本算例中，因輸電線路L2 的主保護(hù)L2Rm 故障，可加速其后備保護(hù)L2Rp 動(dòng)作，同時(shí)發(fā)送“主保護(hù)L2Rm 故障”的消息給調(diào)度人員，達(dá)到盡快消除故障的目的。

3.2 實(shí)際電網(wǎng)應(yīng)用測(cè)試

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文故障診斷方法的實(shí)用性和準(zhǔn)確性，本節(jié)采用圖5 所示的四川某地區(qū)220 kV 輸電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，該局部網(wǎng)絡(luò)包括8 條母線（B1—B8），6 條輸電線（L1—L6），2 個(gè)變壓器（T1，T2），18個(gè)斷路器（CB1—CB18）和56 個(gè)保護(hù)裝置（包括8 個(gè)母線主保護(hù)，36 個(gè)輸電線路左右側(cè)主保護(hù)、近后備保護(hù)和遠(yuǎn)后備保護(hù)，12 個(gè)變壓器左右側(cè)主保護(hù)、近后備保護(hù)和遠(yuǎn)后備保護(hù)）。

教育心理學(xué)告訴我們，相容的師生關(guān)系直接影響著學(xué)生的學(xué)習(xí)情緒，師生心理相容能提離教學(xué)效果。學(xué)生喜歡這位老師，就相信老師講授的道理，愿意學(xué)習(xí)老師講授的知識(shí)，自然就對(duì)老師講的課表現(xiàn)出濃厚的興趣，這就是我們常說(shuō)的”愛(ài)屋及烏”。相反，如果學(xué)生不喜歡，甚至害怕這位老師，要想他們對(duì)這位老師所授的課程感興趣是很困難的?？梢?jiàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，必須在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生對(duì)老師的親切感，創(chuàng)造一個(gè)師生心理相容的良好環(huán) 境。教師要做學(xué)生的知心朋友，建立起相互信任、尊重、幫助、團(tuán)結(jié)、友愛(ài)、共同進(jìn)步的良好關(guān)系。學(xué)生親其師，才能信其道，樂(lè)其道。

圖5 四川某地區(qū)220 kV局部輸電網(wǎng)Fig.5 220 kV local transmission network in Sichuan Province

由于輸電網(wǎng)發(fā)生故障，監(jiān)控中心接收到一系列保護(hù)和斷路器的動(dòng)作信息，本節(jié)驗(yàn)證4 次故障觸發(fā)事例的具體診斷情況，接收到的詳細(xì)動(dòng)作信息見(jiàn)表4 所示。

表4 斷路器和保護(hù)裝置的動(dòng)作信息Table 4 Operation information of circuit breakers and protection devices

通過(guò)斷路器和保護(hù)裝置的動(dòng)作信息可以分別確定出不同的可疑故障區(qū)域，進(jìn)而確定其可疑故障元件。利用2.2 節(jié)的相同的診斷流程對(duì)可疑故障元件進(jìn)行故障診斷，診斷結(jié)果如表5。

表5 實(shí)際電網(wǎng)應(yīng)用測(cè)試的故障診斷結(jié)果Table 5 Fault diagnosis result of actual power grid application test

根據(jù)接收到的不同的保護(hù)裝置和斷路器的動(dòng)作信息，按照本文的故障診斷方法，首先建立保護(hù)動(dòng)作的邏輯時(shí)序關(guān)系，而這些邏輯關(guān)系被表示為關(guān)聯(lián)描述矩陣，這為后續(xù)利用解析的計(jì)算方法進(jìn)行故障診斷提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。鑒于基于元件關(guān)聯(lián)描述矩陣和事件關(guān)聯(lián)描述矩陣推導(dǎo)的故障轉(zhuǎn)移向量和識(shí)別向量，幾乎可以形成故障元件和故障信息之間的單一映射關(guān)系。所以，測(cè)試和診斷結(jié)果中，沒(méi)有出現(xiàn)類似于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法[18-19]中可能出現(xiàn)的故障元件錯(cuò)判、漏判情況。

特別說(shuō)明的是，在故障事例3 中，“保護(hù)L2Rs動(dòng)作”這一條動(dòng)作信息未出現(xiàn)在元件B1 故障診斷的繼電保護(hù)動(dòng)作邏輯鏈中，也沒(méi)有后續(xù)驅(qū)動(dòng)的斷路器跳閘，因此判斷其為通信誤報(bào)。此外，本文故障診斷方法中，提出了保護(hù)動(dòng)作邏輯鏈的概念，診斷各種元件故障均可形成較為完整的保護(hù)動(dòng)作時(shí)序描述。因此，故障診斷結(jié)果可以給出相應(yīng)的后續(xù)后備保護(hù)動(dòng)作策略，并形成保護(hù)動(dòng)作知識(shí)庫(kù)，一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中相同故障再現(xiàn)，可以加快故障診斷和隔離的速度，提升輸電系統(tǒng)的安全性和可靠性。

3.3 對(duì)比分析

為進(jìn)一步論述本文方法在電網(wǎng)故障診斷中的優(yōu)越性，本節(jié)從模型復(fù)雜度、計(jì)算量、準(zhǔn)確度、容錯(cuò)性及通信錯(cuò)誤識(shí)別等5 個(gè)方面對(duì)比分析了改進(jìn)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法，具有智能推理的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network，ANN）、證據(jù)理論（Dempster-Shafer，D-S）診斷方法，以及本文解析診斷方法的特點(diǎn)和局限性。

首先對(duì)于診斷模型的復(fù)雜度來(lái)講，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型將保護(hù)裝置與斷路器通過(guò)Noisy-or 和Noisyand 節(jié)點(diǎn)與待診斷元件連接，預(yù)先進(jìn)行故障概率計(jì)算。但是該模型缺乏斷路器和保護(hù)之間有效的連接關(guān)系描述，沒(méi)有考慮及利用他們之間的動(dòng)作邏輯關(guān)系。具有故障隔離思想的改進(jìn)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，將故障診斷模型的構(gòu)造分為斷路器隔離與保護(hù)隔離兩大支路，斷路器節(jié)點(diǎn)和保護(hù)節(jié)點(diǎn)分別通過(guò)斷路器隔離節(jié)點(diǎn)和保護(hù)隔離節(jié)點(diǎn)連接到元件，達(dá)到對(duì)元件形成故障隔離的目的。但是該模型中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)通過(guò)隔離節(jié)點(diǎn)直接聯(lián)系到元件，不管是處于故障末端的斷路器，還是作為遠(yuǎn)后備的保護(hù)裝置，這樣導(dǎo)致其模型動(dòng)作關(guān)系復(fù)雜。本文利用元件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和斷路器與保護(hù)裝置的動(dòng)作邏輯鏈建立故障診斷模型，使模型規(guī)模和邏輯關(guān)系更加清晰、簡(jiǎn)潔。

對(duì)于診斷方法的計(jì)算量，改進(jìn)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)故障診斷方法在進(jìn)行故障診斷時(shí)需要正向推理和反向推理兩步計(jì)算，且在計(jì)算前需要知道網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率，需要大量的計(jì)算。如圖6 所示，隨著診斷區(qū)域元件數(shù)量的增加，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算量會(huì)急劇增加。當(dāng)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法面對(duì)SCADA 系統(tǒng)中的通信錯(cuò)誤時(shí)，無(wú)論采用ANN，D-S，還是基于概率推理的方法來(lái)彌補(bǔ)診斷準(zhǔn)確性的不足，都不可避免地會(huì)增加計(jì)算量，并會(huì)導(dǎo)致故障診斷出現(xiàn)誤判和漏判的情況。本文診斷方法計(jì)算量增加是因?yàn)樵脑黾訉?dǎo)致矩陣維數(shù)和相應(yīng)矩陣運(yùn)算的擴(kuò)大，沒(méi)有復(fù)雜的推理過(guò)程。

圖6 不同方法計(jì)算量的比較Fig.6 Comparison of calculation amount of different methods

對(duì)于通信中可能存在的誤報(bào)以及保護(hù)裝置誤動(dòng)問(wèn)題，以表5 中的事例3 為例，各種不同故障診斷方法的測(cè)試結(jié)果如表6 所示。當(dāng)母線B1 發(fā)生故障時(shí)，接收到的信息包括CB1，CB2，CB4，CB15 跳閘和B1m，L1Rs，L2Rs 觸發(fā)。在不知道通信誤報(bào)的情況下，改進(jìn)貝葉斯方法不能準(zhǔn)確診斷故障。如果特殊貝葉斯方法附加有D-S 理論等推理功能，確實(shí)可以識(shí)別通信誤報(bào)和保護(hù)誤動(dòng)。但這種方式的代價(jià)是，大量的計(jì)算時(shí)間浪費(fèi)在驗(yàn)證錯(cuò)誤信息上，故障診斷時(shí)間顯著增加。

表6 不同方法的對(duì)比分析結(jié)果Table 6 Comparative analysis results of different methods

本文的故障診斷方法是利用元件拓?fù)潢P(guān)聯(lián)描述和事件關(guān)系矩陣構(gòu)造解析方法，不需要計(jì)算網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率，摒棄了正向推理和反向推理的復(fù)雜過(guò)程，僅需進(jìn)行一次計(jì)算就可以直接獲得電網(wǎng)元件、保護(hù)裝置和斷路器的故障診斷結(jié)果，具有診斷模型復(fù)雜度低、計(jì)算量小、診斷精度高、容錯(cuò)性強(qiáng)的特點(diǎn)。無(wú)論針對(duì)只有元件故障或者保護(hù)誤動(dòng)/拒動(dòng)的情況，還是元件故障、保護(hù)誤動(dòng)/拒動(dòng)以及通信錯(cuò)誤混疊的復(fù)雜故障，本文方法均能準(zhǔn)確識(shí)別，非常適合在元件和設(shè)備復(fù)雜的現(xiàn)代電網(wǎng)中應(yīng)用推廣。

4 結(jié)語(yǔ)

輸變電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、信息關(guān)聯(lián)關(guān)系復(fù)雜，使得故障的解析診斷方法難以實(shí)現(xiàn)。本文提出了一種考慮元件關(guān)聯(lián)關(guān)系和保護(hù)信息關(guān)聯(lián)關(guān)系的故障解析診斷方法。

1）基于元件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)建出元件與保護(hù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系描述矩陣，并推導(dǎo)出基于矩陣運(yùn)算的故障診斷解析方法。

2）該方法具有嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)，闡釋了元件的具體關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)建出元件的繼電保護(hù)動(dòng)作邏輯鏈，避免了故障診斷因保護(hù)或斷路器的誤動(dòng)、拒動(dòng)而出現(xiàn)誤判漏判的情況。

算例測(cè)試與分析證明，本文方法不會(huì)出現(xiàn)故障元件錯(cuò)判、漏判的情況，同時(shí)還能判斷通信誤報(bào)情況，且算法簡(jiǎn)單，診斷準(zhǔn)確度高，容錯(cuò)性強(qiáng)，具有良好的推廣應(yīng)用前景。