基于专家系统的电力系统故障分析与研究

胡连梅

(苏州信息职业技术学院电气与电子工程系，江苏苏州215200)

基于专家系统的电力系统故障分析与研究

胡连梅

(苏州信息职业技术学院电气与电子工程系，江苏苏州215200)

根据断路器跳闸、保护动作信息建立保护/断路器动作行为分析的决策树，采用专家系统进行故障定性分析，查找故障原因，找出故障设备。故障分析专家系统为维修人员快速、准确地处理和控制电力系统故障提供了科学的理论依据。

专家系统；决策树；电力系统；故障分析

TM773

A

1 概述

专家系统(ES，Expert System)就是应用于某一专门领域，拥有该领域相当数量的专家级知识，能模拟专家的思维，能达到专家级水平，能像专家一样解决困难和复杂的实际问题的计算机(软件)系统。[1]它的突出特点在于一般解决的是没有算法的问题，并且经常要在不完全、不精确或不确定的信息基础上作出结论。从1985年起至今，随着专家系统技术以及计算机技术的飞速发展，该技术在电力系统很多领域都取得了显著的成果。[2]

故障分析专家系统分为故障诊断、保护断路器动作行为分析以及事故处理专家系统，它们三者构成了一个完整的电网事故分析处理过程。准确的故障诊断和定位是分析的基础，保护、断路器动作行为分析是分析的继续，事故处理才是专家系统应用的最终目的。电网故障诊断专家系统主要依据电网事故时的故障录波信息、断路器跳闸及保护动作信息来判断故障。下面主要是以断路器跳闸、保护动作信息为依据进行故障分析。

2 专家系统的故障分析依据

2.1基于模拟量的故障诊断

技术人员经常利用故障录波器连续观察从故障发生到故障切除的整个过程中的电流(电压)的变化时序，并以电流(电压)突变量为判断依据来确定故障的性质。

以电流突变量为依据的故障诊断过程：首先确定电流突变点，然后分以下3种情况进行分析。

①突变前正常，突变后电流为0，可以判断是保护或开关误动；突变前正常，突变后故障，可以判断是区内故障。

②突变前故障，突变后正常，可以判断是区外故障；突变前故障，突变后电流为0，可以判断是故障在本地切除。

③突变前电流为0，突变后正常，可以判断重合闸成功；突变前电流为0，突变后故障，可以判断是重合闸失败。

但基于模拟量的故障诊断技术目前还存在一些不足，对于线路重负荷、线路一侧为弱电源或无电源等情况时，使用电流判据比较困难。再者，故障录波器中没有足够大的故障时电流存储空间，有时故障时故障录波器未启动，因而就无法使用模拟量来分析故障。

2.2基于断路器和保护信息的故障诊断

因断路器跳闸和保护信息能够在故障时第一时间传到，所以在无法使用模拟量进行故障分析时，技术人员可以使用断路器和保护信息来诊断故障。根据保护和断路器的故障切除原理和模式，采用基于规则的正向推理和反向推理来诊断故障。

因断路器(除误动外)总是在保护范围内设备故障时动作跳闸，所以说跳闸断路器与故障设备之间存在着一定的联系。采用正向推理，并根据断路器的保护范围进行正向推理来确立初步故障集。而在初步故障集中只有那些被跳闸断路器从带电部分隔离下来的设备，才有可能是故障设备。采用反向推理过程对初步故障集中的假设故障设备进行逐个求证，从而找到故障设备。

基于断路器和保护信息的故障诊断技术在只考虑所有保护都带有方向性时，便于推理，而在考虑失去方向性的情况，故障的搜索范围就比较大；考虑所有线路都带有双侧电源时，同样便于推理，而单侧电源和负荷线路的情况，就无法利用线路两端保护和断路器的动作来确认故障线路。

2.3混合故障诊断

保护、断路器无不正确动作时，只利用断路器变位信息就可确定故障范围。如断路器出现不正确动作时，就必须把断路器变位信息和保护动作信息结合起来才可确定故障设备；保护出现不正确动作时，只利用断路器、保护动作信息不能够确定故障设备，一定要结合故障录波信息才能确认故障设备。

在实际应用中，究竟采用哪何种方式，应根据系统中断路器信息、保护信息以及故障录波信息的获得方式、数据的可靠性和完整性等因素决定。这3种故障诊断技术可以有不同的配合方式。

3 基于决策树的保护/断路器动作行为分析专家系统

3.1保护/断路器动作行为分析专家系统的组成

保护/断路器动作行为分析专家系统的组成如图1所示。

图1 保护/断路器动作行为分析专家系统的组成

3.2决策树

决策树(decision tree)也称判断树，它是由对象的若干属性、属性值和有关决策组成的一棵树，每个节点代表一种属性。从同一节点出发的各个分枝之间是逻辑“或”的关系；根节点为对象的某一属性；从根节点到每一个叶子节点的所有的节点，按顺序串连一条分枝路径，位于同一分枝路径上的各个属性对之间是逻辑“与”的关系，叶子节点是这个与关系的对应结果，即决策。[3]它刚好构成一个产生式规则，各个属性对的合取构成规则的前提，叶子节点的决策就是规则的结论。

由于产生式规则专家系统表达直观、模块性强、推理较为简单等特点，所以成为专家系统应用较广泛的一种推理模式。决策树分析法就是用构造树型数据结构的方法从一批事实数据中归纳总结出若干分类、决策规则。一棵决策树实际上就表示了一组产生式规则，一组特定的产生式规则也可以表示成一棵决策树，决策树也是一种知识的表示形式。它可以描述分类、决策、诊断、评判等性质的知识。[4]

3.3基于保护/断路器动作行为分析的决策树建立

电力系统各电气元件之间通常用断路器互相连接，每台断路器都装有相应的继电保护装置，可以向断路器发出跳闸脉冲。每一电气元件一般都有2种继电保护装置，即主保护和后备保护，必要时还要另外增加辅助保护。高压电网中的输电线路一般配备纵联保护作为主保护，主保护根据对侧保护的信息，可以有选择性地快速切除全线故障。如故障时主保护拒绝动作，作为后备保护通道的保护瞬时或带时限来切除故障。为了防止断路器拒绝动作这种情况，还必须装设断路器失灵保护。

本文在分析问题构建决策树时，主要考虑3种初始事件：①主保护区内无故障；②主保护区内部故障；③后备保护区故障。以电网故障的性质为根节点，以主保护区内无故障、主保护区内部故障、后备保护区故障为叶子建立1棵总决策树，如图2所示。然后再按照这3种初始事件，分别建立3棵子决策树，如图3～5所示。建立决策树时，只考虑输电线路保护，且只考虑保护、断路器以及通信通道的异常行为(保护拒动、误动以及非选择性动作)等情况。

S1为主保护区内无故障；S2为主保护区内部故障；S3为

后备保护区故障。

图2电网故障性质决策树

A1为主保护未起动；A2为保护起动；A3为跳闸命令被闭锁；A4为跳闸命令未被闭锁；A5为断路器跳开；A6为断路器未跳开；A7为自动重合闸起动，线路恢复运行；A8为自动重合闸未起动；A9为断路器失灵保护动作；A10为断路器失灵保护未动作；X1为保护选线正确；X2为跳闸动作正确；X3为重合闸正确；X4为重合闸错误；X5为失灵保护正确；X6为失灵保护拒动。图3 主保护区内无故障的决策树

B1为保护检测到故障；B2为保护检未测到故障；B3为保护动作，发跳闸命令；B4为保护未动作；B5为保护收到相继动作信号；B6为保护未收到相继动作信号；B7为后备保护动作(近后备)；B8为后备保护未动作，故障被其他断路器切除(远后备)；B9为断路器跳开；B10为断路器未跳开；B11为断路器失灵保护动作；B12为断路器失灵保护未动作；Y1为通信信道故障；Y2为断路器动作正确；Y3为失灵保护正确；Y4为失灵保护拒动；Y5为主保护、近后备保护皆拒动，远后备保护动作。图4 主保护区内故障的决策树

C1为远后备保护检测到故障；C2为远后备保护未检测到故障；C3为远后备起动；C4为远后备未起动；C5为故障被其他保护(相邻组件主保护)切除；C6为故障未被其他保护切除；C7为远后备保护被复归或闭锁；C8为远后备保护未被复归或闭锁；C9为远后备保护动作；C10为断路器未跳开；C11为没有多余的跳闸；C12为存在多余的跳闸(本线路被切除)；C13为断路器失灵保护动作；C14为断路器失灵保护未起动；Z1为保护配合正确；Z2为相邻组件主保护、近后保护拒动；Z3为远后备保护动作正确；Z4为跳闸动作正确；Z5为远后备错误动作；Z6为相邻组件主保护、远后备正确动作；Z7为失灵保护正确；Z8为失灵保护拒动。图5 后备保护区故障的决策树

由以上决策树可以得到保护/断路器动作情况，根据具体的保护/断路器动作情况采取相应处理方案。

3.4知识获取与表示

1)知识获取

知识获取是构建专家系统的关键点问题，是专家系统设计的“瓶颈”问题。保护/断路器动作行为分析专家系统知识获取是从电力系统领域专家、调度工程师、维护人员、管理人员、相关的书籍及资料中获得。计算机人员对上述知识，进行挖掘、搜索、分析、整理、归纳，然后以一定的结构和规则表示形式存入知识库。通过知识获取能够扩充和修改知识库中内容，使知识库的内容合理化。

2)知识表示

知识表示就是知识的符号化和形式化的过程。知识的表示模式和选择会影响一个专家系统知识的有效存储，如处理不当会使知识获取能力和知识的运用效率低下。保护/断路器动作行为分析专家系统的知识表示采用规则模型。它的特点是准确灵活、易被电力系统领域专家理解，并能够充分地表达出该领域相关推理规则和行为。[5]其规则模型是以决策树为依据建立的，通过决策树可以得到多个IF-THEN的规则，可以在很大程度上降低系统知识获取的难度，解决了专家系统获取知识的“瓶颈”问题。所生成的知识库简化、冗余度低，便于推理。

专家系统中的知识通常具有经验性和因果性，非常适合用产生式规则来构建知识库。知识库中储存的知识和经验被抽取成一条条的规则用于推理。将保护/断路器动作用一组产生式规则来表示：IF(条件)THEN(结论)。

由图5后备保护区故障保护/断路器动作行为分析决策树可以得到下面的规则集：

rule1：IF C1 AND C3 AND C5 AND C7 THEN Z3

rule2：IF C1 AND C3 AND C5 AND C8 AND C11 THEN Z4

rule3：IF C1 AND C3 AND C5 AND C8 AND C12 THEN Z5

⋮

rule10：IF C2 AND C6 THEN Z2

3.5推理过程

推理过程主要由推理机来完成，它根据当前输入的数据利用知识库的知识按一定推理策略去逐步推理直到得出相应的结论为止。

通常推理方法有精确推理和不精确推理两种。本专家系统采用精确推理把领域的知识表示成必然的因果关系，推理的结论是肯定的或否定的。

专家系统常用的推理方法有3种，即正向推理、反向推理及正反向混合推理。3种方法中最常用的是正向推理。

正向推理是从原始数据开始，根据原始数据在知识库中寻找能够和它匹配的规则，直到找到最终结论。当高压电网中的输电线路发生故障时，应该首先判断故障发生属于主保护区内无故障、主保护区内部故障、后备保护区故障的哪一类事件，然后再以该事件为根，从子决策树结构的分支中找出相应的属性点，依次类推理，直至找出最终故障原因为止。推理过程如图6所示。

图6 专家系统的推理过程

4 结语

纵观多年来国内外专家系统在电力系

统中的应用，故障诊断和报警处理是专家系统应用最多且最为成熟的领域。专家系统将专家的建议和专业技术人员的经验综合运用到故障诊断中，制定的诊断方案较为实用、灵活，对诊断结果具有解释能力，能满足实时运行的要求，可以适用于大规模网络的诊断。

[1]刘玉梅.基于SCADA系统的输电网络状态检测及故障诊断专家系统[D].南京：南京理工大学,2002.

[2]赵振忠.基于模糊专家系统的输电线路故障诊断[D].南京：南京理工大学,2004.

[3]牛成林,于希宁,李建强.专家系统在电力预测负荷中的应用[J].仪器仪表用户,2005,12(4):67-68.

[4]孙向林,李纪全.基于神经网络与专家系统的高压断路器故障诊断研究与分析[J].煤矿机电，2008,12(6):42-44.

[5]张强.继电保护故障专家系统研究[J].低压电器,2006(3):24-28.

责任编辑：陈 亮

ExpertSystem-basedAnalysisandResearchonPowerSystemFault

HULianmei

(Department of Electrical and Electronic Engineering,Suzhou College of Information Technology，Suzhou 215200)

In this paper，circuit breaker trip information is used as a basis for building a decision tree of breaker′s protection.And the expert system is used for fault qualitative analysis to find the reasons for failure and identify the faulty equipment.This system provides theoretical ground for the technicians in their timely ans quick handling power faults.

expert system；decision tree;power system；fault analysis

2014- 04-22

胡连梅(1965— )，女，硕士，副教授，工程师。

1671- 0436(2014)03- 0033- 05