!基于調(diào)度綜合數(shù)據(jù)平臺的大規(guī)模電網(wǎng)分層故障診斷_圖文

1、基于調(diào)度綜合數(shù)據(jù)平臺的大規(guī)模電網(wǎng)分層故障診斷朱傳柏,郭創(chuàng)新,曹一家(浙江大學電氣工程學院,浙江省杭州市310027摘要:當大規(guī)模電力系統(tǒng)發(fā)生單一或復雜故障時,各種開關(guān)及保護動作信息、報警和事件信息在短時間內(nèi)同時上傳到調(diào)度中心各應(yīng)用系統(tǒng),此時僅靠單個系統(tǒng)信息和單一診斷手段很難解決故障診斷問題。文中提出了一個基于調(diào)度綜合數(shù)據(jù)平臺(DIIP 的針對大規(guī)模電力網(wǎng)故障診斷的分層故障診斷多智能體系統(tǒng)(MAS 模型,通過分級故障特征信息訂閱機制及區(qū)域智能體并行診斷和全局智能體總體診斷的分層協(xié)調(diào)診斷機制,得出最終的故障診斷結(jié)論。測試案例表明,利用基于DIIP 的多智能體模型診斷故障有效且具有較好的實際應(yīng)用能力

2、。關(guān)鍵詞:調(diào)度綜合數(shù)據(jù)平臺;大規(guī)模電網(wǎng);故障診斷;多智能體系統(tǒng)中圖分類號:TM732收稿日期:2008207217;修回日期:2008210210。國家自然科學基金資助項目(50677062;教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃資助項目(NCET 207207245;浙江省自然科學基金資助項目(R107062。0引言故障診斷是關(guān)系到電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要問題,隨著電力系統(tǒng)規(guī)模日趨龐大,電網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加復雜,對電力系統(tǒng)故障診斷提出了更高要求。迄今為止,國內(nèi)外在電力系統(tǒng)故障診斷方面已經(jīng)提出了很多方法,如基于專家系統(tǒng)的方法、基于Pet ri 網(wǎng)絡(luò)的方法、基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的方法、基于粗糙集理論的方法、基于模糊集

3、理論方法和基于優(yōu)化技術(shù)的方法等129,其中,有些方法提供了在充分獲取信息及信息完全正確假設(shè)下的比較準確的診斷手段,但往往構(gòu)建在單一集中系統(tǒng)上無法獲得故障的全部信息,同時誤動、拒動及信息時滯等不確定性問題時常發(fā)生;另外一些方法雖然在處理不確定性方面取得了不同程度的進展,但對大規(guī)模電網(wǎng)會出現(xiàn)狀態(tài)和知識組合爆炸現(xiàn)象,導致很難推理建模和建立經(jīng)驗知識庫,因而在診斷大規(guī)模電網(wǎng)多重故障上具有一定的局限性。同時,大規(guī)模電網(wǎng)發(fā)生故障必然涉及電網(wǎng)多級控制中心,而在同一級控制中心內(nèi)部,故障表征信息又分布在不同的應(yīng)用系統(tǒng)中,如數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控/能量管理系統(tǒng)(SCADA/EMS 、電網(wǎng)動態(tài)安全監(jiān)測預警系統(tǒng)(WAMS 、保

4、護故障信息管理系統(tǒng)(RPMS 等。準確地獲得電網(wǎng)故障診斷結(jié)果需要全局信息,以往基于調(diào)度單一系統(tǒng)的電網(wǎng)故障診斷方案,雖然信息來自全網(wǎng),但不充分,站內(nèi)的大量壓板、輔助節(jié)點等故障特征信息不能充分發(fā)揮作用;而基于單一站內(nèi)的故障診斷系統(tǒng)信息比較片面,也難以實現(xiàn)理想的全局故障診斷。通過在各級控制中心建立綜合數(shù)據(jù)平臺,利用綜合數(shù)據(jù)平臺橫向集成和縱向交換功能10211,結(jié)合具有分布式智能特性的多智能體系統(tǒng)(MAS 12213,在全局信息基礎(chǔ)上實現(xiàn)電網(wǎng)故障診斷。本文給出了構(gòu)建于多級調(diào)度綜合數(shù)據(jù)平臺(DIIP 基礎(chǔ)上、采用多智能體的大規(guī)模電網(wǎng)故障診斷體系結(jié)構(gòu)和模型,并通過實際測試案例對模型的工作過程進行了詳細的描

5、述。1DIIP 簡介1.1DIIP 體系結(jié)構(gòu)DIIP 能將不同安全分區(qū)的各應(yīng)用系統(tǒng)中不同類型的數(shù)據(jù)整合成共享的信息資源,形成電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)、動態(tài)和暫態(tài)的廣域一體化集成信息平臺。多級DIIP 建立在高速電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)基礎(chǔ)上,按照調(diào)度控制中心級別分層建立,體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。多級DIIP 包括:網(wǎng)省調(diào)級DIIP 、地縣調(diào)級DIIP 、集控站/變電站級DIIP 及縱向互聯(lián)平臺,縱向互聯(lián)平臺將各級橫向整合的綜合數(shù)據(jù)平臺實現(xiàn)縱向集成。實際工程應(yīng)用中DIIP 嚴格按照調(diào)度安全分區(qū)獨立建設(shè):安全二區(qū)DIIP (DIIP2和安區(qū)三區(qū)DIIP (DIIP3。DIIP2通過防火墻與安全一區(qū)的SCADA/WAMS 等系統(tǒng)

6、進行數(shù)據(jù)交互,DIIP2與DIIP3間通過單向物理隔離網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)同步數(shù)據(jù)。電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)則基于DIIP2建立。15第33卷第1期2009年1月10 日Vol.33No.1J an.10,2009 圖1多級調(diào)度綜合數(shù)據(jù)平臺體系結(jié)構(gòu)Fig.1Hierarchical structure of dispatch integratedinform ation platform1.2應(yīng)用DIIP 進行大規(guī)模電網(wǎng)故障診斷的優(yōu)勢大規(guī)模電網(wǎng)的故障診斷系統(tǒng)尤其適合在DIIP 系統(tǒng)上建立,主要原因有以下幾點:1DIIP 已經(jīng)是網(wǎng)省級調(diào)度部門的標準調(diào)度數(shù)據(jù)中心,為電網(wǎng)高級應(yīng)用提供標準全數(shù)據(jù)服務(wù),電網(wǎng)故障診斷也包含在

7、其中;2大規(guī)模電網(wǎng)故障診斷要求信息多而全,DIIP 能夠提供電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)、動態(tài)和暫態(tài)的三態(tài)數(shù)據(jù),以及電網(wǎng)的歷史、實時和未來的數(shù)據(jù)、模型、圖形等信息,完全涵蓋了電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的需求;3DIIP 對所有電網(wǎng)調(diào)度數(shù)據(jù)能夠提供統(tǒng)一的訪問方式,避免故障診斷系統(tǒng)對多系統(tǒng)的異構(gòu)訪問方式進行開發(fā)和維護。2大規(guī)模電網(wǎng)分層故障診斷系統(tǒng)模型2.1MAS多智能體技術(shù)可解決傳統(tǒng)理論面對大規(guī)模復雜系統(tǒng)所遇到的困難,即采用MAS 將大規(guī)模的復雜系統(tǒng)分解成小的、易于管理和維護的子系統(tǒng),這些自主或半自主的智能體之間通過相互協(xié)作,快速求解復雜過程的大規(guī)模任務(wù)。因此,大規(guī)模電網(wǎng)分層故障診斷系統(tǒng)(L HFS 在充分考慮了大規(guī)模電

8、網(wǎng)的地域分布性和任務(wù)復雜性后采用了分布式多智能體技術(shù)。2.2L HFS 總體結(jié)構(gòu)L HFS 充分考慮了電網(wǎng)的地域分布性、信息分散性、診斷復雜性和診斷結(jié)果快速性,采用一體化DIIP 為集成化信息獲取平臺,以分布式MAS 為基礎(chǔ)構(gòu)架,結(jié)合先進的診斷算法進行設(shè)計。基于DIIP 的L H FS 結(jié)構(gòu)分為4層:1區(qū)域運行信息(ARI 層;2區(qū)域智能體(AA 層;3協(xié)調(diào)智能體(DCA 層;4全局診斷智能體(GDA 層。L H FS 將電力網(wǎng)絡(luò)看做在地理上分布的、有一定自治能力的智能體。首先,AA 通過DIIP 獲得本區(qū)域故障特征信息A RI ,通過智能體之間的通信和協(xié)商得到邊界信息,推理得出本區(qū)域的初步故

9、障診斷結(jié)果,然后在DCA 的協(xié)調(diào)下,將各區(qū)域診斷結(jié)果上報到GDA ,最后在GDA 的推理診斷下完成電力系統(tǒng)全網(wǎng)的故障診斷任務(wù)。2.3AA 的結(jié)構(gòu)模型AA 智能體通過監(jiān)測智能體(SA 與DIIP 的交互獲得本區(qū)域ARI 及相鄰AA 的邊界信息,它采用2步Pet ri 網(wǎng)建模方法5對變電站區(qū)域電網(wǎng)進行故 障診斷。AA 是局部問題解決的核心組件,是整個分布式體系中非常關(guān)鍵的組成部分。AA 的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。圖2AA 子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型Fig.2Structure of AA sub 2system model2.4G DA 的結(jié)構(gòu)模型GDA 在電網(wǎng)發(fā)生故障時,通過DCA 迅速通知各個AA ,開始進

10、行分區(qū)域的并行故障診斷,并將區(qū)域診斷結(jié)果上報GDA ,由GDA 進行全局故障診斷和校核。GDA 是故障診斷任務(wù)的分解者和下達者,同時也是故障診斷的匯總者和決策者。GDA 結(jié)構(gòu)模型與AA 結(jié)構(gòu)相同,GDA 在AA 初步診斷結(jié)果假設(shè)的基礎(chǔ)上采用基于時序的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法8對全局電網(wǎng)進行故障診斷。2.5ARI 的數(shù)據(jù)需求電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)對DIIP 的數(shù)據(jù)需求主要體現(xiàn)在:在SCADA/EMS 的電網(wǎng)模型、開關(guān)動作、量測越限、保護動作及事件順序記錄(SO E 等;WAMS 中帶時序的開關(guān)動作、帶相角及時標的量測;保護及故障管理系統(tǒng)的保護配置信息、保護動作 及故障錄波信息。其作用簡述見表1。252009,3

11、3(1表1大規(guī)模故障診斷系統(tǒng)信息需求表T able 1Data required in L HFS調(diào)度級系統(tǒng)信息診斷用途區(qū)域調(diào)度級SCADA電網(wǎng)模型和拓撲;開關(guān)信息、保護動作及SO E ;量測及越限告警;歷史信息抽象電網(wǎng)為母線/變壓器、開關(guān)、線路,建立電網(wǎng)貝葉斯拓撲模型;設(shè)備故障的先驗概率生成,推理診斷故障原件WAMS開關(guān)動作;帶時標及相角的量測開關(guān)動作和保護動作進行時序一致性識別;故障設(shè)備相角量測值驗證故障類型RPMS保護動作;保護配置;故障錄波提供元件保護配置,輔助故障推理策略形成;保護時序一致性識別站控級SCADA電網(wǎng)模型和拓撲;開關(guān)信息、保護動作及SO E ;量測及越限告警;歷史信息變

12、電站全模型Petri 網(wǎng)建立,診斷故障區(qū)域;設(shè)備診斷Petri 網(wǎng),推理診斷故障元件RPMS保護動作;壓板及光字牌動作;保護配置;故障錄波 提供元件保護配置,輔助故障推理策略形成;評估故障診斷結(jié)論2.6SA 的信息感知DIIP 遵循IEC 61970等標準建立,其提供組件接口規(guī)范(CIS ,在L HFS 中,SA 作為CIS 客戶端訪問DIIP 的CIS 服務(wù)器以獲取開關(guān)量、量測及事件等故障信息?；诠矊ο笳埱蟠眢w系結(jié)構(gòu)(CORBA 消息中間件的DIIP 集成框架如圖3所示,包括上層的CIS 服務(wù)器構(gòu)架和組標識(GID 客戶端構(gòu)架。圖3基于DIIP 的CIS 服務(wù)構(gòu)架Fig.3Struct

13、ure of CIS services b ased on DIIPSA 可通過CIS 接口實現(xiàn)對電網(wǎng)事故總信號和特定故障特征量的訂閱和輪詢,電網(wǎng)運行實時數(shù)據(jù)采用訂閱方式,而模型、歷史數(shù)據(jù)等則采用輪詢方式。3L HFS 的診斷過程L HFS 診斷大規(guī)模電網(wǎng)故障一般分為變電站級和區(qū)域級。對于省級以上大電網(wǎng)則可采用3級或多級診斷。本文按2級診斷系統(tǒng)來描述L H FS 的診斷過程。L HFS 的分層診斷方法如下:1GDA 訂閱全網(wǎng)事故總信號,如果沒有事故總信號則組合故障特征信息量為中間代理量,作為事故發(fā)生標志。一旦GDA 感知到事故總信號動作,則迅速通知各AA 啟動故障診斷過程。2AA 對變電站級采

14、用Pet ri 網(wǎng)故障診斷方法,先根據(jù)變電站電網(wǎng)拓撲建立一次設(shè)備Pet ri 網(wǎng),通過求變遷后集確定可能的故障區(qū)域和可能故障設(shè)備。3根據(jù)可能故障區(qū)域和保護配置信息建立設(shè)備診斷Pet ri 網(wǎng) ,通過變遷迭代判斷目標庫中托肯數(shù)來確定設(shè)備故障事件的發(fā)生。通過遍歷所有可能故障設(shè)備,最終得到AA 的元件故障診斷結(jié)果。4各個AA 將自己的診斷結(jié)果通過DCA 提交給GDA 。5GDA 建立全局電網(wǎng)拓撲,并根據(jù)AA 提交的區(qū)域診斷結(jié)果,確定可能的故障區(qū)域,結(jié)合保護配置信息對故障區(qū)域的設(shè)備建立含時序的貝葉斯診斷網(wǎng)絡(luò),然后根據(jù)SO E 信息或WAMS 時序信息進行時序一致性識別和修正,并利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的逆向推理

15、功能,推理元件發(fā)生故障的后驗概率從而進一步診斷結(jié)果。6GDA 通過遍歷可能的故障設(shè)備的貝葉斯診斷網(wǎng),完成全網(wǎng)故障設(shè)備診斷,得出最終故障診斷結(jié)果。L H FS 電網(wǎng)故障診斷過程如圖4所示。圖4L HFS 故障診斷過程Fig.4F ault diagnosis process of L HFS可以看出,通過將AA 的區(qū)域診斷結(jié)果作為GDA 全局診斷的初始化入口對象,能夠大大降低大規(guī)模電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)復雜度,提高診斷效率。4測試案例分析L H FS 已經(jīng)在基于自適配通信環(huán)境(ACE /基于ACE 構(gòu)建的CORBA (TAO 分布式開發(fā)平臺上實現(xiàn),底層數(shù)據(jù)訪問和通信采用與DIIP 共用一套系統(tǒng)平臺,界面則采

16、用多平臺的C +圖形用戶界面應(yīng)用程序框架(Q T 實現(xiàn),多智能體則采用G old35研制與開發(fā)朱傳柏,等基于調(diào)度綜合數(shù)據(jù)平臺的大規(guī)模電網(wǎng)分層故障診斷Works (簡稱GW ,是由美國G old Hill 金山公司提供的專家系統(tǒng)和業(yè)務(wù)規(guī)則推理編程平臺的專家系統(tǒng)框架,GW 是一個實時環(huán)境,它提供了強大的基于規(guī)則推理引擎。系統(tǒng)在上海電力公司的DIIP (IDP90產(chǎn)品基礎(chǔ)上進行了測試,結(jié)果表明L H FS 在大規(guī)模電網(wǎng)故障診斷方面能夠取得很好的效果。案例是以上海電力公司泗涇分區(qū)電網(wǎng)為模型,泗涇分區(qū)電網(wǎng)包括1個500kV 變電站(泗涇站、6個220kV 變電站(春申站、文祥站、古美站、長春站、干練站、

17、紀青站以及1個發(fā)電廠(吳二廠。整個電網(wǎng)如圖5所示 。圖5泗涇分區(qū)電網(wǎng)故障診斷案例Fig.5L HFS case of Sijing area grid泗涇分區(qū)電網(wǎng)L H FS 系統(tǒng)按照站級和區(qū)域級2層建立,其角色分配如下:1DIIP 由上海電力公司IDP90系統(tǒng)以及變電站一體化綜合信息平臺PCOS100系統(tǒng)組成,負責L H FS 的信息提供。2A RI1ARI8,AA1AA8分別對應(yīng)泗涇、春申及文祥等站的運行信息和站級區(qū)域故障診斷智能體。3對應(yīng)于泗涇分區(qū)電網(wǎng)的GDA ,它的功能是根據(jù)IDP90運行信息和AA1AA8的診斷結(jié)果,作出最終的全局故障診斷結(jié)果。春申站的3號CST 變壓器在某時刻發(fā)生高

18、壓繞組接地故障,如圖5所示。同時,文祥站2號WXT 變壓器低壓側(cè)35kV 母線發(fā)生兩相接地故障。當春申站的3號CST 變壓器發(fā)生高壓繞組接地故障時,3號CST 差動保護繼電器動作,發(fā)出分閘信號給斷路器CSB13和CSB14,CSB14順利跳閘成功,而由于機械問題使CSB13失靈未能動作,導致正母段保護動作,跳開CSB7和CSB8斷路器,同時,泗申4117線路過流保護動作,跳開CSB4斷路器。3號CST 變壓器低壓側(cè)35kV 母線全部失電。當文祥站2號WXT 變壓器低壓側(cè)35kV 母線發(fā)生兩相接地故障,母線保護動作,跳開WXB13斷路器。泗涇分區(qū)電網(wǎng)L HFS 的故障診斷過程如表2所示。表2泗涇

19、分區(qū)電網(wǎng)L HFS 故障診斷過程T able 2L HFS fault diagnosis process of Sijing area grid電網(wǎng)區(qū)域智能體現(xiàn)象診斷結(jié)果泗涇站AA1泗申4117線路的負荷為0;無保護和開關(guān)動作,對側(cè)站開關(guān)動作無故障春申站AA23號CST 主保護動作,CSB14跳閘,CSB13有跳閘信號無跳閘動作;正母段保護動作,CSB7和CSB8跳閘;泗申4117線路過流保護動作,CSB7跳閘,線路對側(cè)開關(guān)無動作3號CST 變壓器發(fā)生故障;斷路器CSB13功能失常文祥站AA32號WXT 低壓側(cè)35kV 母線保護動作,斷路器WXB13跳閘;無其他保護和開關(guān)動作2號WXT 低壓

20、側(cè)35kV 母線故障泗涇分區(qū)GDA斷路器CSB14,CSB7,CSB8,CSB4,WXB13跳閘;泗申4117線路的負荷為03號CST 變壓器發(fā)生故障;2號WXT 低壓側(cè)35kV 母線故障首先,GDA 向IDP90訂閱得到事故總信號動作后,啟動L HFS 故障診斷進程,并通過告警信息初步判斷故障可能涉及的區(qū)域為泗涇站、春申站及文祥站,其他站沒有非檢修開關(guān)動作等故障特征信息上報,通知對應(yīng)的AA1,AA2,AA3開始進行站級故障診斷。泗涇站AA1向本站PCOS100請求本站的開關(guān)、保護動作及量測信息,同時通過DCA 請求泗申4117線路對側(cè)開關(guān)信息,發(fā)現(xiàn)對側(cè)開關(guān)已跳閘。因此,AA1通過Pet ri

21、 網(wǎng)建模推理作出本站故障診斷假設(shè):泗申4117線路失去負荷(泗申4117線是否故障由GDA 診斷,本站無故障點。春申站AA2向本站PCOS100請求本站的開關(guān)、保護動作及量測信息,告知在某時刻3號CST 變壓器主保護動作,斷路器CSB14跳閘,斷路器CSB13有跳閘信號但無跳閘動作,3號CST 變壓器低壓側(cè)35kV 母線失電。接下來的時序是正母段保護動作,斷路器CSB7和CSB8跳閘。泗申4117線路過流保護動作,斷路器CSB4跳閘,通過DCA 請求泗申4117線路對側(cè)開關(guān)信息,發(fā)現(xiàn)對側(cè)開關(guān)無動作。AA2通過對3號CST 變壓器和正母452009,33( 1建立Pet ri診斷網(wǎng)進行元件故障推

22、理,作出診斷假設(shè):3號CST變壓器發(fā)生故障,斷路器CSB13功能失常,其他設(shè)備無故障。文祥站AA3向本站PCOS100請求本站開關(guān)、保護動作及量測信息后得知變壓器2號WXT低壓側(cè)35kV母線保護動作,斷路器WXB13跳閘, 35kV母線全部失電。因此,AA3通過對2號WXT 變壓器和正母建立Pet ri診斷網(wǎng)作出診斷:主變低壓側(cè)35kV母線故障。最后,AA1,AA2,AA3將各自的診斷結(jié)果通過DCA上傳到GDA,GDA匯總從AA1,AA2,AA3匯報的區(qū)域故障局部診斷結(jié)果信息,并得出可能故障區(qū)域,同時,GDA向市調(diào)IDP90系統(tǒng)請求全網(wǎng)開關(guān)、保護動作信息及可能故障設(shè)備的保護配置和動作時序信息,

23、建立假設(shè)元件的時序貝葉斯診斷網(wǎng),最終得出的故障結(jié)果為:春申站變壓器3號CST故障,文祥站變壓器2號WXT低壓側(cè)35kV母線故障。此案例說明了L H FS針對大規(guī)模電網(wǎng)故障診斷是如何分布式并行工作的,因此,當在大規(guī)模電力系統(tǒng)中發(fā)生多重故障時,調(diào)度人員將面對大量的告警、越限及動作信息,如果沒有L H FS這類分布式智能系統(tǒng),一旦故障發(fā)生在多個區(qū)域,就很難確認電網(wǎng)真正狀況,供電恢復也變得相當困難。5結(jié)語本文結(jié)合大規(guī)模電網(wǎng)的故障診斷要求,在分布式DIIP基礎(chǔ)上,針對大規(guī)模電網(wǎng)故障診斷進行區(qū)域分布式處理,建立了基于MAS的分層故障診斷體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)由分布式DIIP、GDA以及分布AA組成,該結(jié)構(gòu)模

24、型具有較好的主動性、適應(yīng)性和交互診斷性。測試案例表明其具有一定的應(yīng)用潛力。參考文獻1周明,任建文,李庚銀,等.基于模糊推理的分布式電力系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng).電力系統(tǒng)自動化,2001,25(24:33236.ZHOU Ming,REN Jianwen,L I Gengyin,et al.Distributed power system fault diagnosis expert system based on fuzzy inference.Automation of Electric Power Systems,2001, 25(24:33236.2文福拴,韓禎祥.基于遺傳算法和模擬退火算法

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