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基于IEC61850的电网故障诊断完全解析化建模.pdf

基于IEC61850的电网故障诊断完全解析化建模

cwhawk
2012-08-05 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《基于IEC61850的电网故障诊断完全解析化建模pdf》,可适用于工程科技领域

DOI:10.3969/j.issn.1000-1026.2012.10.017基于IEC 61850的电网故障诊断完全解析化建模刘道兵顾雪平李海鹏(华北电力大学电气与电子工程学院河北省保定市071003)摘要:电网故障诊断完全解析模型在对故障诊断规则进行解析的过程中完整保留了电网元件、保护动作和断路器跳闸之间的逻辑关系有很好的容错能力和应用前景。文中基于IEC 61850标准提出一种利用变电站系统配置描述文件(SCD)构建电网故障诊断完全解析模型的方法。该方法通过解析变电站系统配置描述文件获取系统元件的保护配置信息和保护动作与断路器跳闸的逻辑关系再结合电网拓扑信息可在线生成电网故障诊断的完全解析模型。最后通过一个复杂故障的诊断算例证明了该建模方法的可行性可望用于在线故障诊断。关键词:数字化变电站IEC 61850故障诊断解析模型收稿日期:2011-07-19修回日期:2011-11-28。中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(10QX34)。0 引言现代电网规模的扩大和互联程度的提高在提高电力系统可靠性和经济性的同时也给电网故障的在线诊断增加了难度。目前电网故障诊断的方法主要有专家系统方法[1-3]、人工神经网络方法[4-6]和基于解析模型的方法另外还有基于Petri网[7-9]、粗糙集理论[10]、信息理论[11]和贝叶斯网络[12]的新方法。专家系统方法逻辑推理能力较强但学习和容错能力弱在信息不完整或有错误的情况下很容易得到错误的诊断结论神经网络方法原理相对简单诊断速度快有很强的容错能力但对大规模电网很难建立完备的故障样本集其训练的收敛性和推广性能也难以保证基于解析模型的故障诊断方法[13-16]是在对故障诊断规则进行解析化表达的基础上先将故障诊断问题转化成使目标函数最小化的0-1整数规划问题然后采用优化技术求解有着严密的数学基础和理论依据有很好的应用前景。目前故障诊断的解析模型[13-16]是把保护和断路器的动作期望表示成实际告警信息与待优化参数的函数通过优化算法使得保护和断路器的动作期望与实际告警信息尽可能地匹配以求得最优解。当实际告警信息有错误时如保护或断路器的动作信息出现漏报和误报时错误的信息会在动作期望的求解中进一步扩散诊断结论的正确性难以保证。故障诊断完全解析模型充分考虑了故障元件、保护动作和断路器跳闸之间的整体关联性在计及保护与断路器的误动和拒动情况下对故障诊断规则完全解析表达可有效地克服当前解析模型在容错能力上的不足。完全解析模型由表达故障诊断规则的逻辑方程组组成。所谓规则就是故障设备、保护动作和断路器跳闸之间的关联关系。通常故障设备与保护动作的关系可由保护配置信息结合继电保护原理推得但保护与断路器的关联关系无法从保护信息中得到如何完整表达上述关联关系是构建完全解析模型的难点。IEC 61850标准[17]为构建故障诊断完全解析模型提供了有效的信息平台。该标准面向应用对整个电力系统进行统一建模保护配置及关联信息在其系统配置文件中进行了充分描述。本文基于IEC 61850信息平台提出一种电网故障诊断完全解析模型的建模方法。1 电网故障诊断的完全解析模型电网运行中当电网元件发生故障时根据保护原理和保护配置规则与此元件相关的保护因监测到故障征兆信息而动作驱动对应的断路器跳闸。如果主保护拒动则由近后备保护动作当断路器拒动则由元件的远后备保护及相应断路器动作直至把故障元件隔离并上报保护动作和断路器跳闸的告警信息。故障诊断的解析模型就是把上述的保护原理和规则用逻辑方程组的形式进行表达以求解故障模式。所谓故障模式就是对故障场景的完整描述包括可疑故障设备的故障情况、保护和断路器动作情况以及其拒动和误动情况。故障诊断的完全解析模型的数学表达式可写成:49第36卷 第10期2012年5月25日Vol.36 No.10May 252012R=P(SRCMD)C=Q(SRCMD)H(SRCMD)=烅烄烆0(1)式中:S={s1s2…sN}为可疑故障设备集合且si=1或si=0分别表示S中第i个元件处于故障状态或正常状态N为元件的数量R={r1r2…rZ}为与S相关保护集合且ri=1或ri=0分别表示R中第i个保护动作或未动作Z为保护的数量C={c1c2…cK}为与S相关的断路器集合且ci=1或ci=0分别表示C中第i个断路器跳闸或未跳闸K为断路器的数量M={MRMC}={mr1mr2…mrZmc1mc2…mcK}mri=1(mci=1)或mri=0(mci=0)分别表示保护ri(断路器ci)误动或正常D={DRDC}={dr1dr2…drZdc1dc2…dcK}dri=1(dci=1)或dri=0(dci=0)分别表示保护ri(断路器ci)拒动或正常第1个方程中的关系P代表保护动作解析第2个方程中的Q代表断路器跳闸解析第3个方程中的H代表矛盾逻辑的约束。式(1)的每一个解对应一个故障模式。完全解析模型的构建可按保护规则解析和动作状态解析分层实现。1.1 保护和断路器动作规则的解析保护(断路器)动作规则的解析即对保护(断路器保护跳闸)的配置原则进行逻辑表达是根据继电保护原理要求保护(断路器)作出动作(跳闸)响应的激励在本解析模型中称之为动作期望。需要说明的是在下文的逻辑运算中:逻辑运算与、或、非、等价分别以符号、、-、来表示且在不影响表达的情况下通常省略。1.1.1 保护规则解析1)主保护设ri为设备sn的主保护如果设备sn故障(sn=1)保护ri应该动作其动作期望(fri)为:fri=sn(2)2)第一后备保护(近后备)设rj为设备sn的第一后备保护如果设备sn故障(sn=1)且其主保护ri未动则rj应动作其动作期望(frj)为:frj=snri(3)3)第二后备保护(远后备)设rl为设备sn的第二后备保护在其保护范围内也为sn的邻近设备sx提供远后备保护有2种情况rl应该动作:①sn故障(sn=1)且其主保护(ri)和第一后备保护(rj)均未动②设备sx∈A(rlsn)故障且rl到sx的关联路径上的所有断路器均处于闭合状态。其中A(rlsn)是指rl保护范围内sn邻近设备的集合p(rlsx)是指沿供电路径从保护rl安装处到设备sx处的所有断路器的集合。为此第二后备保护rl动作期望(frl)为:frl=snrirj∑sx∈A(rlsn()sx∏ct∈p(rlsx)c)t(4)式中:∑表示逻辑连或运算∏表示逻辑连与运算。4)断路器失灵保护220kV及以上电网的断路器一般装设失灵保护当保护rx动作并驱动断路器ck跳闸如ck未跳此时断路器失灵保护rk应该动作其动作期望frk为:frk=ck∑rx∈R(ck)rx(5)式中:R(ck)为所有能驱动断路器ck跳闸的保护的集合下同。1.1.2 断路器动作规则解析任何能驱动断路器ci跳闸的保护rj动作断路器ci应该跳闸其动作期望fci为:fci=∑rj∈R(ci)rj(6)从式(2)式(6)可以看出保护的动作期望(frr∈R)和断路器的动作期望(fcc∈C)都是SRC的显式函数即frfc∈J。这里J={f|f:(SRC)→{10}}。在此需要说明的是:为了简化表达式在不引起混淆的前提下对任意给定保护(断路器)用r(c)来表示下标省略。1.2 保护和断路器动作状态的解析在保护规则解析的基础上考虑保护的拒动和误动情况并对矛盾的逻辑进行约束。矛盾的逻辑有:拒动又误动、动作又拒动、未动又误动、有激励(即动作期望)又误动无激励又拒动。为此对任一保护r∈R其动作状态解析表达为:r=frdrmrdrmrrdrr mrfrmrfrdr=烅烄烆0(7)式中:r∈R。同样考虑到断路器的拒动和误动情况以及对矛盾逻辑的约束。对任一断路器c∈C其跳闸状态解析表达为: c=fcdcmcdcmccdccmcfcmcfcdc=烅烄烆0(8)式中:c∈C。联立式(7)、式(8)即得到式(1)的完全解析模型的详细表达为:59·研制与开发· 刘道兵等 基于IEC 61850的电网故障诊断完全解析化建模r=frdrmrdrmrrdrrmrfrmrfrdr=0c=fcdcmcdcmccdccmcfcmcfcdc=烅烄烆0(9)式中:r∈Rc∈Cfrfc∈J。由上述可知构建完全解析模型所进行的保护规则解析和动作状态解析是对故障诊断规则的完全表达。在模型中保护动作状态(R)、断路器跳闸状态(C)以及它们的拒动(DRDC)和误动(MRMC)通过规则解析(frfc)而充分耦合。这种耦合关系对提高模型的鲁棒性和故障诊断的容错能力非常有利。完全解析模型能完整保留这种耦合关系这是与文献[13-16]的几种解析模型的主要不同之处。1.3 SRC元素的选定在完全解析模型中确定SRC内的元素十分关键这影响着模型的维数和求解的效率。电网发生故障后故障元件对应的保护应该动作并触发断路器跳闸形成一片或多片停电区域故障元件被隔离在停电区域中。因此停电区域内的电网元件(发电机、母线、变压器、线路、负荷和电容器等)均有可能是故障元件即可疑故障设备。故S取停电区域内的所有电网元件。而对故障元件作出跳闸响应(包括拒动和误动)的断路器是需要分析的对象其应分布在停电区域内及边界上且边界一定是分闸的断路器故C取停电区域内及边界上的所有断路器。为了确定R先定义Rall和Call分别为系统中所有保护、断路器的集合并引入S×Rall上的二元关系∨:s∨r表示s故障可能使r动作s∈Sr∈Rall。再定义C(r)={c|r动作驱动c跳闸c∈Call}为保护r(r∈R)所驱动跳闸的断路器的集合令R1={r|s∨rs∈Sr∈Rall}R2={r|r是c的失灵保护c∈Cr∈Rall}则R={r|C(r)Cr∈R1∪R2}。至此SRC全部确定完毕。2 IEC 61850标准IEC 61850标准是2004年颁布的应用于变电站通信网络和系统的国际标准其目的是为了实现不同变电站自动化设备和系统之间的互操作使变电站自动化系统能够共享新的、高性能的通信网络以满足不断增长的技术需要。IEC 61850有信息建模、抽象服务与具体映射和设备自描述等3方面的内容。2.1 信息建模信息建模的思想是按功能划分节点并用逻辑设备抽象物理设备。逻辑节点是IEC 61850中用来表示功能的最小单元逻辑节点之间经过逻辑连接来交换数据。逻辑设备是一种虚拟设备它是为了通信而定义的一组逻辑节点的容器。以双绕组变压器数字式保护与跳闸为例来说明信息建模的过程。为了叙述方便本文简化了数字式变压器保护的智能电子设备(IED)配置。变压器主保护功能通过纵联差动保护逻辑节点PDIF来建模后备保护功能的模型采用过电流保护逻辑节点PTOC通过实例化PTOC1和PTOC2这2个逻辑节点来实现变压器高、低压侧的后备保护。保护跳闸条件逻辑节点PTRC的2个实例(PTRC1和PTRC1)实现跳闸指令输出其与保护节点的关联关系如图1所示。各保护逻辑节点下的数据对象Str和Op分别表示保护启动与保护动作数据。PTRC逻辑节点下的数据对象Tr为跳闸指令数据。保护逻辑节点和跳闸条件逻辑节点PTRC一般封装在逻辑设备PROT中。1个IED中可包含多个逻辑设备每个逻辑设备可包含多个逻辑节点以实现不同的功能。智能终端主要实现断路器跳闸功能而断路器跳闸功能建模在逻辑节点XCBR上而XCBR一般包含在逻辑设备RPIT中其数据对象POS封装了断路器跳闸的状态数据其数据属性ctVal和stVal分别表示数据控制行为和数据状态值。图1 变压器保护信息流Fig.1 Information flow of the transformer protection2.2 抽象通信服务抽象服务是指通过定义抽象通信服务接口(ACSI)使功能独立于具体通信技术。IEC 61850在应用层定义了ACSIACSI通过特定通信服务映射(SCSM)将抽象服务映射到实际的通信协议栈上使得IEC 61850独立于网络技术而存在。在IEC 61850 7-2部分定义了ACSI的模型与服务其中通用面向对象变电站事件(GOOSE)模型可用于实现实时跳闸的数据通信。GOOSE是一种派生于GSE类的通用变电站事件模型类。GOOSE通信采用发布者/订阅者模式该模式是一个或多个数据源(发布者)向多个接收者(即订阅者)发送数据的最佳69201236(10) 解决方案适合于数据量大且对实时性要求高的场合。GOOSE提供的主要服务为Send GOOSEMessage以多播方式发送GOOSE报文。GOOSE报文中含有数据集信息及数据发布方与订阅方的关联信息这些数据信息和关联信息配置在变电站配置描述(SCD)文件中。2.3 系统配置文件与GOOSE配置IEC 61850定义了变电站配置描述语言(SCL)变电站自动化系统及所有符合IEC 61850标准的智能电子装置都采用SCL进行自我描述。变电站SCD文件描述了变电站的配置情况主要包括变电站一次设备信息、通信网络信息、智能电子装置的配置信息以及它们之间的关联关系等。一次设备信息中包含有所采用的一次设备功能及设备间的连接关系。通信网络信息描述了IED所连接的子网络(或网络)以及对应的通信访问点(通信端口)。智能电子装置分层配置了服务器、通信访问点、逻辑设备和逻辑节点等信息。智能电子装置间的关联关系包含信息传递、函数调用和事件触发等。在IEC 61850中保护动作驱动断路器跳闸是基于GOOSE机制来实现故保护IED与断路器(智能终端)间的关联关系体现在SCD文件的GOOSE配置上具体的配置过程如下。GOOSE配置包含IED和Communication这2个部分。IED部分在逻辑节点LLN0下配置有数据集和GOOSE控制块信息。数据集的配置包括名称、触发条件和数据成员GOOSE控制块用于实现数据集中数据对象或数据属性的发布。IED部分还可通过配置Inputs数据集来表明该IED订阅的GOOSE数据信息。Inputs内的每条数据信息均为其他GOOSE所发布的数据集信息的一部分通过GOOSE数据集的发布与订阅可实现不同IED之间的关联。Communication部分对整个系统中所有IED的GOOSE控制块进行配置:每个IED所配置的GOOSE控制块以及每个控制块的MAC地址、APPID和VLAN-ID等信息。在定义GOOSE控制块时须满足:①GSE控制块的名称在LN0上且在逻辑设备内唯一②同一变电站内的不同控制块的APPID值是唯一的。在GOOSE实现实时跳闸数据通信过程中保护功能的IED发布的信息是由PTRC逻辑节点组成的触发跳闸数据(在其数据集中配置)接收的信息是由各个智能终端发出的断路器跳闸数据(在Inputs部分中配置)。而智能终端发布的信息为断路器跳闸状态数据其接收的信息为PTRC的跳闸指令数据。3 基于IEC 61850信息平台构建完全解析模型3.1 SCD文件解析通过对SCD文件解析可以得到以下关系。1)保护IED与保护设备的关系即IED与保护对象的对应关系。如变压器保护IED对应于其所保护的变压器线路保护IED对应于其所保护的线路等。2)保护IED内的保护逻辑节点以及保护逻辑节点与PTRC逻辑节点的关联关系。3)PTRC与断路器XCBR关联关系。根据前两者结合网络拓扑可得到电网所配置的保护集合以及每个保护r所能保护的电网元件的集合进而可得到元件集和保护集上的二元关系∨。根据后两者可以得到每个保护r所能驱动跳闸的断路器C(r)。3.2 完全解析模型建模过程在完全解析模型的建模中保护规则解析是难点可按如下思路实现。根据故障前后的电网拓扑变化先确定可疑故障设备集合S和待解析断路器集合C再确定待解析保护集合R。对于任一保护r∈R根据继电保护原理和故障前的电网拓扑确定其保护范围A(rsn)∪sn(sn为该保护r所在的IED对应的保护对象在此需要说明有些保护的保护范围可能不含sn如变压器的中、低后备保护)并根据sx∈A(rsn)∪sn的关联路径p(rsx)确定保护sx与r的动作逻辑关系记为frsx。frsx为一逻辑表达式且frsx∈J即frsx的析取范式的项仅由SRC中元素组成(如果含有其他元素则该项舍去)。于是保护r的规则解析fr为:fr=∑sx∈A(rsn)∪snfrsx(10)断路器的动作规则解析相对简单。对于c∈C根据解析SCD得到的C(r)进而得到:R(c)={r|r动作可驱动c跳闸r∈R}(11)取fc=R(c)(12)于是基于IEC 61850信息平台实现构建完全解析模型的过程归纳如下。1)对故障前后的电网拓扑进行分析确定停电区域并选定可疑故障设备集S和待解析断路器集合C。2)根据S和C选定待解析保护集合R(选定方法见第1.3节)。79·研制与开发· 刘道兵等 基于IEC 61850的电网故障诊断完全解析化建模3)对于保护r∈R和断路器c∈C分别按式(10)和式(12)确定其动作规则解析frfc。4)考虑保护和断路器的拒动、误动情况以及对矛盾逻辑的约束分别按式(7)和式(8)写出保护和断路器的动作状态解析方程。5)联立所有保护r∈R和断路器c∈C的动作状态解析方程则可得到如式(9)所示形式的完全解析模型。4 算例分析与验证4.1 算例系统以图2的测试系统为例系统中母线、变压器和线路分别配置相应的数字式保护装置且按IEC61850标准对保护功能和断路器功能进行建模:母线配置有差动保护变压器以重瓦斯保护为其主保护差动保护和带时限过电流保护作为其后备保护输电线路以纵联差动保护为主保护距离保护和带时限过电流保护为其后备保护。图2 算例系统Fig.2 power system for instance系统中有28个元件、40个断路器、124个保护。其中28个元件:A1A2…A4T1T2…T8B1B2…B8L1L2…L8。40个断路器:QF1QF2…QF40。124个保护又分为主保护、后备保护和断路器失灵保护。其中36个主保护:A1mA2mA3mA4mT1mT2m…T8mB1mB2m…B8mL1SmL1Rm…L8SmL8Rm。48个后备保护:T1pT2p…T8pL1SpL1RpL2SpL2Rp…L8SpL8RpL1SsL1RsL2SsL2Rs…L8SsL8Rs。40个断路器失灵保护:QF1fQF2f…QF40f。这里A和B表示母线T表示变压器L表示线路S和R分别表示线路的首、末端(从上到下从左到右来定义线路首、末端)m表示主保护p表示第一后备保护s表示第二后备保护f表示断路器失灵保护。4.2 故障模式分析变压器T3、母线B2同时发生故障变压器主保护T3m动作跳开QF16断路器QF14拒动其失灵保护QF14f动作跳开QF12QF13QF19母线B2主保护B2m动作跳QF4QF6QF8断路器QF10拒动其失灵保护QF10f拒动线路保护L3Rs动作QF27跳闸。监控中心收到告警信息:T3mT3p、L3RsQF14fQF4QF6QF8QF12QF16QF19QF27。经拓扑分析停电区域有:元件B2B4T3L1L2对应于S={s1s2…s5}断路器QF4QF6QF8QF10QF12QF13QF14QF16QF19QF27对应于C={c1c2…c10}。根据S和C选定保护T3mT3pT3sB4mB2mL2SmL2RmL2SpL2RpL2SsL2RsL3SmL3RmL3SpL3RpL3SsL3RsQF4fQF8fQF10fQF12fQF14fQF19f共23个对应于R={r1r2…r23}。按式(10)和式(12)形成的方法分别对保护r∈R和断路器c∈C进行动作规则解析。fr1=s3fr2=s3r1fr3=s3r1r2s2c7s4c5fr4=s2fr5=s1fr6=s4fr7=s4fr8=s4r6fr9=s4r7fr10=s4r6r8s2c5s3c5c7fr11=s4r7r9s1c3s5c3c4fr12=s5fr13=s5fr14=s5r12fr15=s5r13fr16=s5r12r14fr17=s5r13r15s1c4s4c3c4fr18=c1(r5r19r20)fr19=c3(r5r6r8r10r18r20)fr20=c4(r5r12r14r16r18)fr21=c3(r4r7r9r11r18r23)fr22=c7(r4r21r23)fr23=c9(r4r18r21)fc1=r5r19r20fc2=r5r18r19r20fc3=r5r6r8r10r18r20fc4=r5r12r14r16r18r20fc5=r4r7r9r11r22r23fc6=r4r21r22r23fc7=r1r2r3r4r21r23fc8=r1r2r3fc9=r4r21r22fc10=r13r15r17计及保护和断路器的拒动、误动情况以及对矛盾逻辑的约束完全解析模型写成:89201236(10) ri=fridrimridrimriridririmrifrimrifridri=0cj=fcjdcjmcjdcjmcjcjdcjcjmcjfcjmcjfcjdcj=烅烄烆0(13)式中:i=12…23j=12…10。为了求解式(13)将完全解析模型中的方程写成统一的形式:F(SRCMD)=0且采用优化方法以G=(SRCMD)为参变量目标函数为: E(G)=∑23i=1‖riri′‖+∑10i=1‖cici′‖+w1∑23+10i=1‖di‖+w2∑23+10i=1‖mi‖+w3∑46+20i=1‖fi(SRCMD)‖(14)式中:r1′r2′…r23′c1′c2′…c10′分别为与R和C对应的告警信息其值依次为110000000000000010000101110110111‖·‖定义为逻辑变量的范数(‖1‖=1‖0‖=0)。式(4)等号右边的第12项分别为保护、断路器的动作状态与实际告警值的差异反映系统中告警信息的误报和漏报情况第34项为保护和断路器的拒动、误动情况第5项为模型约束。w1和w2分别为保护和断路器的拒动、误动相对权值(相对于告警信息误报、漏报)w3为解析模型的保障系数其取值须满足w31且w3w1w3w2。以G为粒子以式(14)为粒子的适应度函数w1w2w3分别取0.751.5100采用离散粒子群优化算法[18](40个粒子)求解耗时3s得到的诊断结果为:s1=1s3=1dr17=1dc4=1dc7=1即变压器T3、母线B2同时发生故障且断路器QF10和QF14以及失灵保护QF10f拒动。诊断结论完全正确验证了所生成的完全解析模型的正确性以及建模方法的可行性。5 结语本文提出了一种利用IEC 61850信息平台构建电网故障诊断完全解析模型的方法。该方法首先通过解析SCD文件来获取电网元件的保护配置信息和保护与断路器的关联关系然后基于此保护配置信息和关联关系构建电网故障诊断的完全解析模型。该方法为电网故障诊断完全解析模型的在线建模提供了一条可行的路径。参考文献[1]FUKUI CKAWAKAMI J.An expert system for fault sectionestimation using information from protective relays and circuitbreakers[J].IEEE 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UniversityBaoding 071003China)Abstract:Complete reserving logic relations between the fault elements and act of protective relays/circuit breakers trip largelycontributes perfect error-tolerance ability and application prospect when complete analytic model(CAM)for power systems faultdiagnosis(PSFD)is in analysis process of fault diagnosis rules.In this paperbased on IEC 61850standard a constructingmethod of CAM for PSFD which uses substation configuration description(SCD)file of substation system is presented.Theprotection configuration information of devices and the logical relationships between act of protective relays and circuit breakerstrip can be acquired with analyzing SCD fileand CAM for PSFD may on-line form by combining the topology information.Finallythe feasibility of the modeling method as well as CAM itself are verified with a complex fault diagnosis exampleandthe modeling method presented in the paper is expected to apply to on-line fault diagnosis of power systems.This work is supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities(No.10QX34).Key words:digital substationIEC 61850fault diagnosisanalyticmodel001201236(10) 

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