孙维真，王 超，张 岩，张 勇，文福拴

(1.浙江电力调度控制中心，浙江 杭州310007;2.浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州310027)

0 引 言

电力系统故障诊断是指利用故障发生后所产生的警报信号等信息识别故障元件、评价保护和断路器动作行为，为调度人员快速辨识和清除故障提供辅助决策，以尽可能缩短故障后的系统恢复过程。国内外学者在这一领域开展了大量研究，提出了基于专家系统［1］、解析模型［2～6］、人工神经元网络［7］、Petri 网［8］、贝叶斯网［9］等的故障诊断方法。其中，已实际应用或具备应用潜力的主要为前两种方法。专家系统被较早地应用于电力系统故障诊断，文献［1］ 发展的警报处理专家系统已成功应用于意大利ENEL 电力公司调度中心的能量管理系统中。基于解析模型的故障诊断方法［2～6］则是根据保护和断路器的动作原理，构建使实际警报信息与期望警报信息之间差异最小化的优化模型，把故障诊断问题表示为0 －1整数规划，这种方法已经在一些电力系统中得到实际应用。

当电力系统发生单个元件故障且保护和断路器都正确动作时，故障诊断并不困难。然而，实际电力系统可能发生复杂故障、保护和/或断路器可能不正确动作、保护和/或断路器警报信号也有可能发生畸变和丢失，在这些情况下，要靠调度人员判断故障就相当困难。这样，就需要发展电力系统故障诊断决策系统，以辅助调度人员对所发生的故障做出及时而正确的诊断。针对这些问题，文献［5，6］ 在计及了保护和断路器的误动和拒动、警报的误报和漏报的情况下，发展了电力系统故障诊断解析模型。

近年来，我国省级电力系统行业管理日趋现代化，系统发生故障时继电保护动作、断路器跳/合闸及其它事故处理相关信息获取更加及时和有效;另一方面，系统规模逐步增大，发生故障或事故时所引起的警报数量趋于增加，这对电力系统故障诊断和事故处理提出了更高的要求。

在上述背景下，针对省级电力系统特别是浙江电力系统的实际需要，研究和开发了针对输电系统的故障诊断决策系统。该系统以故障诊断解析模型为基础，以保护和断路器状态为诊断信息源，采用优化算法实施故障诊断。该系统的软件开发以公共信息模型架构为基础，实现了与能量管理系统 (Energy Management System，EMS)、

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition System)以及故障信息系统 (Fault Information System，FIS)的信息交互。该系统实现了电力系统数据通信与解析、异常信息监视、智能故障诊断与分析等功能，可以协助调度人员在面对复杂故障和非常见故障时，迅速定位故障源，进而加快事故处理速度，尽快恢复供电。

1 故障诊断模型

随着我国省级电力调度控制中心的SCADA和FIS 系统的逐步发展与完善，所获取的继电保护装置动作信息和断路器跳/合闸信息更加快速和准确，这为实现在线故障诊断提供了基础。本系统采用保护动作信息和断路器跳/合闸信息作为故障诊断信息源，以文献［2 ～6］ 中所发展的故障诊断解析模型和优化方法为基础，算法流程如图1 所示。

图1 在线故障诊断算法流程图Fig.1 The flowchart of the on-line fault diagnosis algorithm

1.1 故障区域自动识别

网络拓扑分析功能是故障诊断系统中最基础的、经常被调用的模块，因为其是识别故障区域的基础。传统网络拓扑分析方法主要采用堆栈技术和深度优先搜索算法［10］，其缺点在于重复搜索支路，造成搜索效率不高，速度较慢。在所开发的诊断系统中，运用图论中邻接表的存放方式合理组织存放数据，并采用了队列和宽度优先搜索方法［11，12］，明显提高了内存利用率和计算速度。

故障发生后，相关断路器发生变位且该断路器在故障区域内，因此可从故障后接收的警报信息中选取合适的故障区域边界断路器出发，沿其停电侧方向，采用宽度优先搜索算法对断路器进行搜索，以快速确定故障区域边界，形成故障区域，避免对全网进行拓扑分析，提高计算效率。

1.2 故障诊断目标函数

故障假说是对故障的完整描述，包括故障元件、保护/断路器动作情况(包括误动/拒动情况)、警报漏报/误报情况。故障假说可由式 (1)所示矢量描述:

式中:D = ［d1，d2，…，dnd］，dk=1 或dk=0 分别表示停电区域的第k 个设备处于故障或正常状态;R = ［r1，r2，…，rnr］，rk=1 或rk=0 分别表示相应保护是否动作;C = ［c1，c2，…，cnc］，ck=1 或ck=0 分别表示相应断路器是否动作;E = ［er1，er2，…，ernr，ec1，ec2，…，ecnc］，ek=0 或ek=1 分别表示相应保护/断路器正确动作或发生误动或拒动;W = ［wr1，wr2，…，wrnr，wc1，wc2，…，wcnc］，wk=0 或wk=1 分别表示相应保护/断路器警报为正确警报或为误报或漏报。

所开发的系统按浙江电力系统保护配置情况以及保护动作时限和保护范围将保护类型分为三级:

一级保护为元件主保护，指保护范围为本元件且动作零延时的所有保护;

二级保护可保护本元件，且为本身或相邻元件的后备保护，动作时限比一级保护要延时一个等级;

三级保护可保护本元件，且为本身或相邻元件的后备保护，动作时限又比二级保护要延时一个等级。

按照这种划分，输电线路的三段式距离保护和零序保护，分别划分为一、二、三级保护;常见的一级保护还有线路纵联保护、主变或者母线差动保护等;远跳保护和断路器失灵保护需要特殊处理。保护及断路器的动作逻辑参见文献［3］。

故障诊断解析模型的目标函数用式 (2)表示:

E (H)反映故障假说的可信度:故障设备、误动/拒动的保护/断路器和误报/漏报的警报总数越少，E (H)越小，故障假说H 的可信度就越高。

式 (2)所描述的故障诊断优化模型是0 －1整数规划问题。

1.3 故障诊断优化模型求解

在所开发的系统中，采用了禁忌搜素算法(Tabu Search，TS)求解式 (2)所表示的故障诊断优化模型。TS 算法是一种限制性局部搜索技术，其采用特有的“禁忌”方式避免了陷入局部最优解，并通过藐视准则来赦免一些被禁忌的优良状态，从而保证多样化的有效搜索。TS 算法的基本流程和相关概念已有不少文献做过介绍［13～15］，此处不再赘述。如何设定禁忌表的长度是TS 算法的核心问题。当出现所有可能的移动都被禁忌的时候，若候选解集中没有解可通过藐视原则，则后继的迭代是徒劳的。当出现这种情况时，则采用重新随机产生一个新解开始下一步迭代，并清空禁忌表。经大量仿真验证，TS 算法的计算速度和优化效果均满足要求。

2 基于CIM/XML 的故障诊断软件系统建模

故障诊断系统作为能量管理系统的高级应用子系统，首先必须解决与EMS 的合理集成问题。国际电工技术委员会 (IEC)标准IEC 61970［16］给定了能量管理系统的应用程序接口，定义了一种电力系统公共信息模型CIM (Common Information Model)。

CIM 是一个抽象模型，其规定统一采用XML文档来描述。CIM 通过提供一种用对象类和属性及它们之间关系来表示电力系统资源的标准方法，以及定义一种基于CIM 的公共语言 (即语法和语义)，使得这些应用或系统能够不依赖于信息的内部表示而访问公共数据和交换信息来实现，为集成由多个开发商独立开发的EMS 系统以及EMS 系统与其它涉及电力系统运行的不同类型系统如发电或配电管理系统之间的集成提供了方便，可以充分利用已有系统数据，减少信息维护量。

基于CIM 模型对故障诊断系统进行建模，使其遵循IEC61970 能量管理系统应用程序接口要求，就可以利用EMS 系统数据，减少信息维护量，使故障诊断系统作为一个高级应用模块无缝地集成到EMS 系统之中，这有利于系统未来的拓展。

EMS 系统与故障诊断系统的交互方式如图2所示。

(1)从EMS 系统导出的CIM 文件可以通过CIM 文件解析器将数据导入到故障诊断系统的网络拓扑数据库;

(2)网络拓扑数据库也可以通过CIM 文件生成器生成CIM 文件，使系统易于扩充。

3 省级输电网络故障诊断系统的实现

所开发的面向省级电力系统的输电网络故障诊断系统主要具备以下两个方面的功能:

(1)在系统出现故障时，为调度人员进行实时故障定位提供决策辅助。

图2 EMS 与故障诊断系统的交互Fig.2 Interactions between EMS and the fault diagnosis system

(2)离线模拟故障诊断和事故复现，帮助调度人员事后分析故障。

为实现这些功能，所开发的软件系统以NET为开发平台，采用SQL-Server 数据库，实现对数据库的访问和维护。该系统集成了EMS 系统中的网络拓扑信息、FIS 系统中的保护配置和保护动作信息、SCADA 系统中的断路器信息。通过对省级电力系统的信息系统进行仔细分析，构造出故障诊断系统应用平台架构如图3 所示。

图3 故障诊断系统应用平台软件架构Fig.3 The software framework of the application platform in the fault diagnosis system

所开发的故障诊断系统软件架构分为存储层、数据维护层和核心层。下面分别对这三个层次的功能做简要介绍。

3.1 存储层

存储层主要由系统数据库组成，完成数据的获取和存储。系统数据库包括4 个子数据库:网络拓扑数据库、继电保护数据库、历史数据库和用户数据库。历史数据库数据为离线故障诊断信息源，用户数据库则存放用户信息。存储层通过数据通信接受外部传送的数据:

(1)接收EMS 一次设备的配置信息、电气设备的一次连接关系等，分析网络拓扑结构，并将数据存入网络拓扑数据库;

(2)接收FIS 系统的保护参数配置信息，通过读取保护控制字以及软压板信息，获取保护投退状态等信息，并将相关数据存入保护配置数据库;

(3)接收FIS 系统和SCADA 系统的保护信息和断路器动作信息等实时数据，以链表形式存入内存，以满足数据处理的实时性要求。经实时数据解析后，作为实时故障诊断信息源，并存入历史数据库。

3.2 数据解析层

数据解析层主要包括CIM 文件解析和实时数据解析这两个功能模块。

用CIM 文件描述的网络拓扑模型及其元件参数经过解析后，可获取设备统一ID 标识等关键参数，之后将解析的数据存入网络拓扑数据库。

实时数据包含大量信息，其中不仅有故障诊断所直接需要的各种保护和断路器动作信息，还有各种装置异常或警报信息。实时数据处理模块将这些信息进行分类和筛选，以便快速而准确地实现故障诊断。

根据信息类型和结构对实时数据进行如下划分:a.动作信息，即所有的保护和断路器动作信息;b.闭锁信息，即所有对保护和断路器动作行为产生影响的信息，如重合闸闭锁等;c.警报信息，如电流越限等。把这些信息通过统一ID 标识与设备进行关联解析，把解析后的数据作为实时故障诊断信息源，并存入历史数据库。

3.3 核心层

核心层由故障诊断及分析模块、异常信息监视模块组成。下面简要介绍这两个模块的功能。

(1)故障诊断及分析模块。故障诊断系统的架构如图4 所示。

图4 故障诊断系统架构Fig.4 The framework of the fault diagnosis system

a.程序初始化。在对程序初始化时，将系统各控制参数和系统通信接口初始化，同时将网络拓扑数据库和保护配置数据库读取至缓存区，通过与SCADA 和FIS 通信，读取系统所有状态信息，并更新静态数据库。为确保SCADA 和FIS 的数据安全，不对SCADA 和FIS 数据进行操作，只通过通信接口进行单向实时数据获取并放入缓存区，等待分析处理。在系统运行过程中，通过中断程序以实时信息通信协议读取保护动作、断路器变位信息或SOE 事件信息［17］。b.程序状态转换。故障诊断软件并非一直处于运行状态。当系统正常运行时，软件处于休眠状态;一旦检测到断路器、隔离开关或保护状态发生改变，软件就被激活，进入工作状态:Ⅰ检测到网络拓扑结构或运行方式发生变化，即启动网络拓扑自动跟踪模块;Ⅱ检测到系统发生故障，即启动故障诊断核心程序。

在系统进行倒闸操作的情况下，同样会收到断路器、隔离开关变位信息;针对这种情况，在所开发的故障诊断系统中设置了故障检测程序。每当收到断路器、隔离开关变位信息时，故障诊断系统都会进入故障检测程序进行“故障判别”。故障检测程序根据所收集的信号中是否包含事故总信号来判断系统是否发生故障，一旦检测到该信号，则判定系统发生故障并进入核心诊断程序。若仅是网络拓扑或运行方式发生改变，则只运行网络拓扑跟踪程序。

考虑实际系统中SCADA 对实时信息的传输速率、事故总信号判定的时延，以及系统发生故障时后备保护动作时间和断路器分闸时间，来适当确定“警报信息”的时间区间。收集该时间区间内所有的保护和断路器警报，作为诊断依据。c.网络结构更新。当系统发生故障后，相关断路器在保护作用下跳闸，将故障设备和电源隔离，防止设备损坏和故障进一步扩大。这样，电力系统就被分割成若干个有源子系统 (带电区域)和若干个无源子系统 (停电区域);对于简单故障，通常形成一个带电区域和一个停电区域。故障设备肯定在停电区域内，换言之停电区域内所包含设备即为可疑故障设备，这样就可以大大减少故障元件的搜索计算量。

当电力系统拓扑或运行方式发生变化后，首先更新数据库中断路器、隔离开关的实时状态，然后调用网络拓扑分析程序，得到最新的拓扑结构和运行方式。d.故障诊断。针对可疑故障设备，从保护配置数据库中提取相应保护和断路器及其动作逻辑，采用故障诊断解析模型，利用获取的保护和断路器动作实时信息，经过寻优计算得到故障元件，之后对保护和断路器动作情况及警报信息进行评价。

(2)异常信息监视模块。当发生实时信息、网络拓扑信息或保护参数配置无法读取等情况时，故障诊断系统发出警报信息，并按功能分为异常信息监测部分和错误日志管理部分。

系统运行过程中会出现多种错误信息:SCADA 数据获取失败，无法从SCADA 获取最新的断路器动作信息;FIS 数据获取失败，无法从FIS 获取保护配置信息或保护动作信息;网络拓扑数据库无法读取、不全或遭破坏;保护配置数据库无法读取、不全或遭破坏。异常信息监测部分将监测到的错误信息整理成错误日志。错误日志管理部分将错误日志分类并按类别将错误的详细信息写入当日的运行错误日志中。

4 结 论

针对省级电力系统特别是浙江电力系统的实际需要，研究和开发了针对输电系统的故障诊断决策系统。该系统以故障诊断解析模型为基础，以保护和断路器状态为诊断信息源，采用优化算法实施故障诊断。

采用所开发的故障诊断系统对浙江电力系统所发生过的多种类型的典型故障案例进行了大量测试。测试结果表明:

(1)当警报信息完全正确时，诊断结果及动作评价的准确率极高;

(2)当警报信息中掺杂少量误报或漏报时，该故障诊断系统依然能够给出符合逻辑的、正确的诊断结果;

(3)随着警报信息错误率的不断增加，故障诊断系统的诊断准确率下降。这些结果说明，该故障诊断系统具有一定的容错能力，可以辅助系统调度人员在面对复杂故障和非常见故障时快速进行故障定位，加快事故处理速度，进而快速恢复供电。

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