【正文】 可以進(jìn)行故障元件的檢測(cè)識(shí)別。不過有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)不止一套的保護(hù)設(shè)備動(dòng)作，更有可能是誤動(dòng)，這都屬于元件故障診斷。發(fā)生故障時(shí)，繼電保護(hù)裝置會(huì)發(fā)出信號(hào)或斷路器跳閘，以便快速的切除故 障或發(fā)出警告信息。調(diào)度中心就會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)搜集出保護(hù)裝置和開關(guān)變位信息，并提供給調(diào)度員，他們會(huì)根據(jù)所掌握的信息結(jié)合電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)單位所提供的分析結(jié)果做出最后的故障分析報(bào)告。若是不能通過一定準(zhǔn)確有效的方法來恢復(fù)故障元件，就會(huì)影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。而且電力系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)也會(huì)傳輸錯(cuò)誤的保護(hù)動(dòng)作信息。因此，還必須要有有效的分析計(jì)算方法來準(zhǔn)確的判斷出故障元件的位置，方便檢測(cè)并消除事故來及時(shí)的讓電力系統(tǒng)恢復(fù)其供電運(yùn)行。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 面對(duì)如今很多復(fù)雜的電力系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于故障診斷方面的研究多都處在故 障元件的識(shí)別與檢測(cè)上，并提出了很多方法 [3~4]。主要有以下幾類：邏輯處理法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，專家系統(tǒng)以及基于優(yōu)化技術(shù)方法四類。 在早期的電力系統(tǒng)中，其故障診斷多是用的傳統(tǒng)的邏輯處理法 [5]，這種方法對(duì)于以前的電力系統(tǒng)是比較合適，因?yàn)槠湎到y(tǒng)簡(jiǎn)單遠(yuǎn)沒有現(xiàn)在這么復(fù)雜，而要想應(yīng)用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)則恐怕難以實(shí)現(xiàn)。自從 20 世紀(jì) 70 年代中期第一個(gè)專家系統(tǒng)（ ES） Dendral 在美國(guó)的斯坦福大學(xué)問世以后，經(jīng)過近五十年的研究發(fā)展，專家系統(tǒng)漸漸的在各個(gè)領(lǐng)域開始流行起來。在電力系統(tǒng)方面，專家系統(tǒng)也占據(jù)了不小的比重，很多地方都投入 實(shí)用，主要表現(xiàn)在電力系統(tǒng)故障診斷方面 [6~7]。 但專家系統(tǒng)也有缺點(diǎn)，比如檢測(cè)診斷速度慢，知識(shí)獲取困難，開發(fā)周期長(zhǎng)，維護(hù)也相對(duì)麻煩。后來，專家們也嘗試將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ ANN）的方法運(yùn)用到電力系統(tǒng)的故障診斷中 [8~9]，但是該方法的有效性卻因樣本的合理選取上略顯一般，對(duì)于大型的電力系統(tǒng)要形成一個(gè)完整的樣本集非常困難，使其結(jié)果的準(zhǔn)確性在理論上無法得到保證。同時(shí)，在處理不同的故障元件引起的相同的保護(hù)裝置以及斷路器動(dòng)作的情況時(shí)，該方法只有一個(gè)解，這在復(fù)雜的電力系統(tǒng)中局限性太大。而近些年，提出基于優(yōu)化技術(shù)的方法，其原 理是根據(jù)按照元件故障，保護(hù)動(dòng)作和開關(guān)跳閘之間的邏2 輯關(guān)系，將故障診斷問題表示為 01 這樣無約束的規(guī)劃問題，然后利用優(yōu)化技術(shù)求解。 本課題所研究的就是優(yōu)化技術(shù)中的遺傳算法（ GA）在電力系統(tǒng)故障診斷中的研究應(yīng)用[10~12]。文獻(xiàn) [13]簡(jiǎn)要的介紹了遺傳算法的研究現(xiàn)狀，它是由美國(guó)學(xué)者 Holland 于 1975 年首次提出，是模擬自然界生物進(jìn)化的計(jì)算模型。遺傳算法是建立在達(dá)爾文自然選擇和孟德爾遺傳學(xué)說基礎(chǔ)上，通過模仿生物遺傳和進(jìn)化的過程，尋找對(duì)復(fù)雜困難問題的最優(yōu)解的算法，所依照的是優(yōu)勝略汰的進(jìn)化規(guī)律。與傳統(tǒng)的優(yōu)化技術(shù)所 不同的是，遺傳算法對(duì)于求解問題不會(huì)涉及常規(guī)問題求解的數(shù)學(xué)過程。同時(shí)遺傳算法也不需要直接對(duì)訓(xùn)練樣本與知識(shí)規(guī)則進(jìn)行選擇處理，這是它對(duì)比于專家系統(tǒng)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)。 因此在電力系統(tǒng)的故障診斷中基于遺傳算法的研究尤為重要，文獻(xiàn) [14~16]分別是基于遺傳算法的電力系統(tǒng)故障診斷的解析模型與算法的三部分。 第一部分主要介紹發(fā)展了電力系統(tǒng)故障診斷的基于遺傳算法與解析模型的方法；其數(shù)學(xué)模型依然是無約束的 01 整數(shù)規(guī)劃模型借助于充分利用斷路器的跳 闡信息。這種模型在一定程度上解決了保護(hù)信息不完整時(shí)的電力系統(tǒng)的 故障診斷問題。然后概述了利用實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龇椒▉頇z測(cè)出故障平息后的故障區(qū)域的方法 , 從而可將故障診斷縮小到這些區(qū)域之中 , 以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。 第二部分在第一部分的基礎(chǔ)上，先是提出了利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)形成故障診斷的目標(biāo)函數(shù)的方法，是實(shí)現(xiàn)在線故障診斷分析的必要階段，然后介紹了為浙江省供電局設(shè)計(jì)的在線故障診斷檢測(cè)軟件的組成結(jié)構(gòu)以及功能 。 第三部分介紹將該軟件實(shí)際應(yīng)用到浙江省 220kV 以上電力系統(tǒng)時(shí) EMS 信息的獲取方法與模擬在線測(cè)試結(jié)果。算例分析表明該文基于保護(hù)設(shè)備與斷路器故障診斷的數(shù)學(xué)模型是正確的，遺傳算法的應(yīng)用有效 可靠，并且通過聯(lián)合應(yīng)用故障區(qū)域的識(shí)別法，提高了故障診斷的速度。 在文獻(xiàn) [17]中從提高實(shí)時(shí)性與靈活性的角度闡述了一種分層信息故障診斷法。在不失信息的可靠性和完整性的基礎(chǔ)上，把系統(tǒng)采集到的信息按時(shí)間的優(yōu)先級(jí)劃分為以下三層：遙信變位信息，遙測(cè)信息以及 錄 波信息。該診斷法介紹了采用分層信息和遺傳算法的優(yōu)點(diǎn)，論述了基于遺傳算法的分層信息故障診斷法的流程，并通過模型算例來證明了方法的有效性與準(zhǔn)確性。 當(dāng)然，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于遺傳算法的研究也都尚不完善，文獻(xiàn) [18]就遺傳算法提出了一些改進(jìn)。為了提高遺傳算法的收斂性，又考 慮到交叉率（ Pc）與變異率（ Pm）的選擇問題，該文獻(xiàn)簡(jiǎn)要介紹了在個(gè)體適應(yīng)度的基礎(chǔ)上自動(dòng)適應(yīng)調(diào)整 Pc 與 Pm 的自適應(yīng)遺傳算法，在分析其不足并加以改進(jìn)后提出了改進(jìn)的自適應(yīng)遺傳算法，使其在最優(yōu)解的收斂速度上有了明顯提高。 另外，為了更好的適應(yīng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)，提高其穩(wěn)定可靠性，人們將遺傳算法與其他技術(shù)結(jié)合來研究出新型算法。如文獻(xiàn) [19]就是將遺傳算法與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合提出的新方法以及文獻(xiàn) [20]將免疫，混沌和遺傳三個(gè)算法結(jié)合利用混沌運(yùn)動(dòng)的遍歷性以及隨機(jī)性產(chǎn)生初始種群，加快搜索的速度；利用免疫理論的濃度計(jì)算與調(diào)整加入新的 混沌 序列補(bǔ)充 種群，增加 了 種群的多樣性，避免陷入局部 的 最優(yōu)；交叉變異結(jié)束后在最優(yōu)解附近再 利 用混沌進(jìn)行局部尋優(yōu)提高結(jié)果的 準(zhǔn)確度 。當(dāng)然，這些研究都還不夠成熟完善，要適應(yīng)現(xiàn)在以及未來發(fā)展的電力系統(tǒng)應(yīng)用還需要做很多方面的分析與研究。 本文的主要內(nèi)容 1) 研究 基于遺傳算法的電網(wǎng)故障診斷的發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢(shì)。 2) 從 電網(wǎng)故障診斷的目標(biāo)、數(shù)據(jù)源及方法的角度，撰寫電網(wǎng)故障診斷方法綜述。 3) 深入理解采用遺傳算法診斷故障的方法，明確基于遺傳算法的故障診斷原理后建立復(fù)雜故障情況下的目標(biāo)函數(shù)，確定其診斷流程。 3 4) 通過 實(shí)際案例結(jié)果 驗(yàn)證方法的有效性 與可靠性。4 第 2 章 常見電網(wǎng) 故障診斷方法 電網(wǎng) 故障診斷 的基本概念 電力系統(tǒng)故障診斷是指在電網(wǎng)中，通過實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所得到的系統(tǒng)狀態(tài)以及設(shè)備狀態(tài)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)處理的運(yùn)算結(jié)果提供的數(shù)據(jù)信息，來找出電網(wǎng)的故障地點(diǎn)位置原因以及嚴(yán)重程度，然后提供相關(guān)處理建議。 電力系統(tǒng)故障診斷的基本內(nèi)容包括： 1) 故障的檢測(cè)：根據(jù)相關(guān)監(jiān)測(cè)措施手段，測(cè)量正在運(yùn)行的設(shè)備的各種數(shù)據(jù)，來用作判斷故障的依據(jù)。 2) 故障的分析：根據(jù)系統(tǒng)檢測(cè)到的故障信息進(jìn)行一定的分析，來發(fā)現(xiàn)并找出故障，同時(shí)確定故障的嚴(yán)重程度和性質(zhì) 。 3) 故障的評(píng)價(jià)：在故障的分析檢測(cè)后，通過對(duì)故障的位置，程度以及性質(zhì)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的影響做出一定判斷，明確影響程度和故障等級(jí)。 4) 故障的決定：通過故障的評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)電力系統(tǒng)做出相關(guān)的決定，如報(bào)警停機(jī)等。 根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，可以將電力系統(tǒng)故障信息分類如下： 1) 開關(guān)信息：主要包含自動(dòng)重合閘 設(shè)備動(dòng)作引起的開關(guān)閉合的信息與繼電保護(hù)器設(shè)備動(dòng)作引起的開關(guān)合閘或跳閘信息。 2) 刀閘信息：目前的大部分的刀閘 信息一般都不傳遞給調(diào)度，只是保留在電廠的監(jiān)控系統(tǒng)里，提供給查詢使用，主要原因是其數(shù)據(jù)信息量過大。 3) 保護(hù)信息：事故或故障后保 護(hù)的動(dòng)作信息主要包含保護(hù)軟壓板狀態(tài)報(bào)告，保護(hù)跳閘報(bào)告，保護(hù)自檢報(bào)告以及保護(hù)錄 波 報(bào)告等。 4) 安全自動(dòng)裝置信息：主要包含 備 自投，過負(fù)荷以及自動(dòng)重合閘等安全自動(dòng)裝置的動(dòng)作信息。 保護(hù)動(dòng)作 類型 通常故障區(qū)域內(nèi)動(dòng)作的保護(hù)可以分為以下 3 種： 主保護(hù)：母線的主保護(hù)在動(dòng)作時(shí)會(huì)跳開所有與該母線直接相連的斷路器，變壓器主保護(hù)在動(dòng)作時(shí)會(huì)跳開其兩端的所有斷路器，線路的主保護(hù)在動(dòng)作時(shí) 會(huì)跳開所有與該線路 直接相連的 斷路器。 近后備保護(hù)（第一后備保護(hù)）：變壓器的近后備 保護(hù) 用于當(dāng) 主 保 護(hù)發(fā) 生 拒 動(dòng)后引起動(dòng) 作跳 開 變 壓器兩端 的所有 斷路 器。線路的兩個(gè)第一后備保護(hù)用于當(dāng)主保護(hù)拒動(dòng)時(shí)引起動(dòng)作跳開線路兩端的全部斷路器。 遠(yuǎn)后備保護(hù)（第二后備保護(hù)）：線路的遠(yuǎn)后備保護(hù)主要用作保護(hù)變壓器，在相鄰的區(qū)域故障而該區(qū)域的保護(hù)未 動(dòng) 作時(shí)。跳開 相鄰區(qū)域內(nèi)的全部斷路器，完成隔離并切除故障的目的。 5 故障區(qū)域識(shí)別 這里通過變電所為例子來說明故障區(qū)域的識(shí)別問題。變電所的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以看作是一個(gè)圖 G=（ N， E）， N 是節(jié)點(diǎn)的集合， E 是支路的集合。圖 G 的連接分子圖是所要確定的 G`=（ N`，E`）。其中 G`屬于集合 G， N`屬于集合 N， E`屬于集合 E。 一般變電站的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常是支路集合以及節(jié)點(diǎn)集合組合成的，其中支路又是通過一個(gè)或者是多個(gè) 串 聯(lián) 的 裝 置 構(gòu) 成。變電所的網(wǎng) 絡(luò) 拓 撲在發(fā)生變化時(shí)主要是支路的連 通 狀 況 發(fā)生變化而引起的，而支路的斷開與聯(lián)通則主要取決于支路上設(shè)備的連通狀況。 規(guī)則 A 支路的合與斷的定義： “或”的 關(guān)系：支路上任何一個(gè)串聯(lián)設(shè)備都是斷開的狀態(tài)，支路才是“不連通”。 “與”的 關(guān)系：支路上所有的串聯(lián)裝置都是閉合的狀態(tài)，支路才會(huì)是“連通”。 規(guī)則 B 判斷支路 iE 和節(jié)點(diǎn) iN 是否在一個(gè)連通區(qū)域范圍內(nèi)的定義： 1) 支路 如果 是連通的， 那么該 支路 以及所在 兩端 的 節(jié)點(diǎn) 都 屬 于同 一個(gè)區(qū)域 范圍 。 2) 支路如果是斷開的，那么該支路就不屬于任意一個(gè)連通的區(qū)域。 孤立的節(jié)點(diǎn)如果是輸入以及輸出的節(jié)點(diǎn)，那么就定義成 屬于相同的一個(gè)連通區(qū)域，并且這個(gè)區(qū)域只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)。如果孤立的節(jié)點(diǎn)是屬于其他的節(jié)點(diǎn)，那么就不用考慮。 當(dāng)變電站有故障發(fā)生的時(shí)候，一般只會(huì)有少數(shù)的支路發(fā)生合與斷，所以在每次故障診斷的時(shí)候都檢測(cè)所有的支路并確認(rèn)停電范圍明顯是很不 必要的。為了增加實(shí)時(shí)性，防止重復(fù)的工作，進(jìn)一步的提高診斷效率，在診斷的模塊啟動(dòng)時(shí)，對(duì)變電所進(jìn)行一次網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)鋭澐忠约皩?duì)變電所 所有的支路完成變電所的連通 區(qū)域的劃分。只需要在故障信息出現(xiàn)時(shí)根據(jù)所跳閘的支路對(duì)該變電所進(jìn)行局部的拓?fù)湫拚涂梢浴? 由于所含的開關(guān)設(shè)備閉合而引起原來斷開的支路 iE 連通對(duì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)溆绊懀? 1) 如果支路的兩端都屬于一個(gè)連通的子圖 sG ，那么 sG 就只增加 一個(gè)支路 iE 。 2) 如果支路的兩端節(jié)點(diǎn)最開始屬于不相同的兩個(gè)連通子圖 G1 和 G2，那么就合并這兩個(gè)子圖 G1 與 G2 成為一個(gè)新的連通子圖 sG ，這個(gè) sG 包括 G1 和 G2 的全部支路以及節(jié)點(diǎn)，同樣包括 iE 。 由于所包括的開關(guān)設(shè)備斷開而引起原連通支路 iE 不連通時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆绊懀? 1) 如果支路的兩 端節(jié)點(diǎn)之間依然有連通子圖 sG 的存在，那么 sG 所擁有的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不會(huì)變，支路上會(huì)缺少 iE 。 2) 由于支路 iE 的斷開引起 sG 會(huì)被分裂成兩個(gè)連通子圖 G1 和 G2，這兩個(gè)端點(diǎn)不會(huì)再存在連通路徑，而是分別屬于 G1 以及 G2，這里有可能會(huì)有一個(gè) 節(jié)點(diǎn)成為孤立的節(jié)點(diǎn)，如果該節(jié)點(diǎn)是輸入與輸出的節(jié)點(diǎn) ，那么就保留。 這樣一來，當(dāng)有開關(guān)關(guān)斷或閉合時(shí)，就只需要對(duì)幾條有關(guān)支路進(jìn)行判斷，即可以快速的得到新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 變電所網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般通過停電區(qū)域的劃分可以分成多個(gè)連通的區(qū)域，再進(jìn)一步經(jīng)過電源點(diǎn)的檢測(cè)來確定停電的區(qū)域以及帶電的區(qū)域，所有這些無源的連通區(qū)域并不是代表有故障點(diǎn)就會(huì)被保護(hù)切除，而是包括下列五種情況： 1) 停運(yùn)設(shè)備區(qū)。 6 2) 由于保護(hù)以及開關(guān)誤動(dòng)作導(dǎo)致的被誤操作斷電的區(qū)域。 3) 由于有設(shè)備發(fā)生故障，導(dǎo)致保護(hù)誤操作的切除的區(qū)域。 4) 由于上一級(jí)的元件設(shè)備故障被切除而導(dǎo)致停電的區(qū)域。 5) 由于下一級(jí)的元件設(shè)備故障，開關(guān)或 者是保護(hù)拒動(dòng)導(dǎo)致本級(jí)后備動(dòng)作，本級(jí)元件被斷電，并且和下一級(jí)元件同樣斷開的情況。 電網(wǎng)故障診斷方法 專家系統(tǒng) 專家系統(tǒng)（ ES）在人工智能的領(lǐng)域中是最成功并且發(fā)展最早的一個(gè)方法，它是通過各項(xiàng)有機(jī)連接來利用計(jì)算機(jī)的技術(shù)將各專業(yè)領(lǐng)域的專家經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)融合，使其達(dá)到解決各領(lǐng)域問題的能力。專家系統(tǒng)法有謂詞邏輯表達(dá)法，基于框架的知識(shí)表達(dá)法，語意網(wǎng)絡(luò)表達(dá)法，以及產(chǎn)生式規(guī)則表達(dá)法等多種表達(dá)法。 圖 1 專家系統(tǒng)的完整結(jié)構(gòu) 目前研究最多也較成熟的一個(gè)復(fù)雜電網(wǎng)故障診斷方法就是專家系統(tǒng)法，它有著比較成熟的理論體系及研究，并且能很有效穩(wěn)定的模擬出在故障診斷中的分析檢測(cè)過程。其中圖 1 為專家系統(tǒng)的完整結(jié)構(gòu)。 在電力系統(tǒng)故障診斷上，根據(jù)其知識(shí)的表達(dá)和推算方法的不同，專家系統(tǒng)主要分為兩類： 1) 基于啟發(fā)式規(guī)則推理。 7 2) 結(jié)合正反推理的系統(tǒng)。 基于規(guī)則基于框架基于案例基于模型基于網(wǎng)絡(luò) 圖 2 專家系統(tǒng)的發(fā)展 這些基于專家系統(tǒng)的診斷方法的主要特點(diǎn)是可以快速有效的把保護(hù)設(shè)備和斷路器的相關(guān)動(dòng)作和運(yùn)行人員的檢測(cè)診斷經(jīng)驗(yàn)通過規(guī)則表達(dá)出來，在確保診斷系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性同時(shí)能給出相應(yīng)的結(jié)論的情況下，在其知識(shí)庫(kù)中修改或者刪減增 加一些合適的規(guī)則，在故障診斷中，適合中小型的電力系統(tǒng)和電站的故障診斷。 作為發(fā)展最早的人工智能系統(tǒng)之一，專家系統(tǒng)雖然已經(jīng)有著較為成熟的理論知識(shí)體系，但是也存在很多缺陷在實(shí)際的應(yīng)用中。其中要去的完整的知識(shí)庫(kù)是專家系統(tǒng)在故障診斷中的一大難題。同時(shí)，專家系統(tǒng)的容錯(cuò)能力也有待提升，這方面可以通過將模糊集的理論與其相結(jié)合，對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行模糊的推理使專家系統(tǒng)得到改善，這是專家系統(tǒng)在故障診斷方法