基于Multi-agents的智能变电站警报处理及故障诊断系统.pdf

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基于Multi-agents的智能变电站警报处理及故障诊断系统1 基于Multi-agents的智能变电站警报处理及故障诊断系统2 基于Multi-agents的智能变电站警报处理及故障诊断系统3 基于Multi-agents的智能变电站警报处理及故障诊断系统4 基于Multi-agents的智能变电站警报处理及故障诊断系统5 基于Multi-agents的智能变电站警报处理及故障诊断系统6
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第39卷第16期2011年8月16日电力系统保护与控制PowerSvstemProtectionandControl、b1_39N0.16Aug.16,2011基于MuItI_agents的智能变电站警报处理及故障诊断系统辛建波,廖志伟(1.江西省电力科学研究院,江西南昌330096;2.华南理工大学电力学院,广东广州510640)摘要:针对传统变电站故障诊断的不足,在智能变电站架构的基础上,提出了基于multi.agems的智能变电站警报处理及故障诊_断系统。根据智能变电站的体系结构、信息流和数据流特点,设计了警报处理、输变电设备诊断等主要功能模块,以此满足变电站事故分析各层次的功能需求。就警报处理和输变电设备故障诊断系统中各个agent及agent之间的协作机制等方面做了详细论述,实际变电站故障案例证明了该警报处理和输变电诊断模型的可行性和有效性。关键词:multi.agents;智能变电站;警报处理;故障诊断—ResearchonsmartsubstationalarmprocessandfaultdiagnosissytembasedonmultiagentsarchitectureXINJian.bo,L1AOZhiwei(1.JiangxiElectricPowerResearchInstitute,Nanchang330096,China;2.SchoolofElectricPower,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)Abstract:Becausethefaultdiagnosisofthetraditionalsubstationhasmanydrawbacks,asystemofintelligentalarmandfaultdiagnosisfortransmissionandtransformationequ ̄mentsinthesmartsubstationisproposedbasedonthemulti。agentsstructure.Accordingtothearchitectureofthesmartsubstation,thecharacteristicofinformationflowanddataflow,twomainfuncti011modules,i.e.,theintelligentalarmmoduleandthetransmissionandtransformationequipmentsfaultdiagnosismodule,aredesignedforsatisfyingthefunctionneedofanalyzingthesubstationfaulthierarchically.Thentheagentsoftheintelligentalarmandfaultdiagnosis,andthecoordinationmechanismbetweenthemarediscussedindetail.Finally,thefaultcaseof。realsubstationdemonstratesthefeasibilityandvalidityofthemethodpresented.—Keywords:multiagents;smartsubstation;alarmprocess;faultdiagnosis中图分类号:TM76文献标识码:A—文章编号:16743415(2011)16-0083-06O引言变电站发生故障时,运行人员往往要面对众多孤立的保护、测量信息,难以在短时间内准确地判断出故障根源。因此,研究准确高效的变电站故障诊断方法对快速故障定位,确保电力系统安全稳定运行和供电可靠性具有重要意义。目前已提出的电力系统故障诊断方法主要有:基于遗传算法的方法B-2]、基于解析模型的方法趴、基于神经网络的方法】、基于Petri网的方法[10-12】和基于数据挖掘的方法[I3】。IEC61850标准的颁布和智能电子设备的采用使得变电站一、二次设备结合成为现实,从根本上改变了传统变电站二次设备的基本面貌,同时为智能变电站的实现奠定了基础。目前,国家电网公司正在大力推进智能变电站建设和改造,智能变电站已成为变电站管理、运行研究和应用的技术热点。随着基于IEC61850标准的智能变电站技术日益成熟,全数字化设备、基于网络的信息共享,使得变电站内部每一部分的信息,每一设备的运行状况都可以获取。变电站的运行数据及实时信息已变得异常丰富,尽管事故情况下所获得的信息更加趋向于完备和全面,但极可能由于处理手段的单一和数据深加工的缺乏,将导致运行、值班人员在海量故障信息前束手无策、无所适从,为此,有必要对智能变电站警报处理及故障诊断进行研究,实现快速分析事故原因、重现电网事故过程和评价设备及装置动作行为。本文对IEC61850的特点进行分析,结合智能变电站的主要特征,根据故障后事故处理流程和故障信息层次性的特点,设计了基于multi.agents结构的警报处理、输变电设备诊断等主要功能模块,以电力系统保护与控制此满足变电站事故分析各层次的功能需求。最后通过实际变电站故障案例分析对所提出的方法进行了说明。1智能变电站的技术特点1。1智能变电站的体系结构智能变电站从逻辑上将系统分为三层,即站控层、间隔层和过程层,并定义了三层间的9种逻辑接口,如图1所示。站控层远控中心技术服务厂⑧.固匦[回圆圈圈④⑤上④⑤上囹圈J艘层l圈匝一次设备图1变电站自动化系统接口模型Fig.1Interfacemodelofthesubstationautomationsystem过程层主要完成开关量、模拟量采样和控制命令的执行等与一次设备相关的功能,通过逻辑接口④⑤、与间隔层通信。间隔层主要完成对一次设备③进行测量、控制、保护的功能,逻辑接口用于间⑧隔层内部通信,逻辑接口用于间隔层之间的通信。间隔层与远方控制中心、站控层工程师站的通信通①⑥⑦过逻辑接口、、完成。各层之间通过高速以太网进行信息交互。1.2智能变电站的信息流和数据流智能变电站内有各种类型的信息,主要有实时传输信息、故障信息(准实时信息)、电量信息(定时信息)、非实时信息、视频监控信息以及变电站语音信息等。IEC61850标准采用面向对象的建模方法,数据自我描述,接收方不需要再对数据进行工程物理量对应、标度转换等工作,简化了数据的管理和维护,这正符合警报处理及故障诊断对大量数据进行筛选和分析的需要。为了实现故障诊断功能,需要从站控层的数据服务器中获取相关数据,其通信体系如图2所示。上述通信体系主要分为信息建模、抽象服务、具体映射三部分。1)信息建模定义了近一百种兼容逻辑节点(cPLN),二十多种公共数据类型CDC和三百多种兼容数据类型图2数据服务器与故障诊断的通信体系Fig.2Communicationarchitectureofthedataserverandfaultdiagnosis(CPDC),用来表示智能变电站中的各种信息,实现智能设备的互操作性和信息共享。2)抽象服务抽象通信服务接口ACSI描述了服务器和客户端间的通信:实时数据交换、事件报告、设备的自我描述、文件传输。3)通信映射将ACSI映射到制造报文规范MMS。MMS运用抽象对象模型方法描述设备模型,并描述了抽象对象及其属性对象,以及抽象对象的操作。其映射方法是将LD映射到MMS的域;LN映射到MMS的命名变量;DO与DA都映射到MMS的命名变量的结构组件中,这样SCL文件中所有的数据都可以通过MMS进行数据传输,实现数据共享。智能变电站采用面向通用对象的变电站事件(GenericObjectOrientedSubst ̄ionEvent,GOOSE)模型,以网络通信方式取代传统的信号和控制电缆实时传送变电站内的开关状态、控制、闭锁和联动信号。2基于multi-agents的故障诊断框架2.1multi-agents系统agent是指在一定环境下自主运行,包含信念、承诺、义务、意图等精神状态的实体,它具有自治性、反应性、能动性、连续执行性等基本特征。单个agent的智能有限,通过适当的体系结构把agent组织起来,从而弥补各个agent的不足,使得整个系统的能力超过任何单个agent的能力。这就是multi.agents的基本思路。multi.agents技术的实现关键在于两个方面:一是代理之间的协作,二是对环境的适应。考虑到智能变电站警报处理及故障诊断系统需要处理海量数据,并与多个应用进行交互,为此,本文根据第一部分介绍的智能变电站的体系结构及信息流和数据流的特征,提出基于multi.agents的变电站故障诊断框架体系,如图3所示。—辛建波,等基于Multiagents的智能变电站警报处理及故障诊断系统-85一图3基于ItlUIti-agents的故障诊断框架Fig.3FrameworkoffaultdiagnosisbasedOnmulti-agents该系统主要由通信agent、维护agent、诊断agent等多个agent间协调控制而完成。其中诊断agent主要分为变电站级诊断、变压器元件诊断、断路器元件诊断、线路元件诊断、综合诊断等子agent。各个agent具有自己的通信、数据获取、维护或诊断判断等功能,拥有一定的独立性,而各个agent之间相互协作、相互作用、完成智能变电站的故障诊断功能。需要说明的是,考虑到设备状态及潜在故障与电网电气故障存在本质区别,电网电气故障的判断主要由继电保护设备完成,而当继电保护和断路器误动与拒动或保护动作信息丢失时,本文利用multi.agents技术,结合与继电保护动作相关的一次和二次设备信息,建立计及保护和断路器误动与拒动和保护动作信息丢失的电网电气故障诊断模型进行综合诊断。2.2agent的通信机制agent的通信机制主要采用发布者/订阅者通信结构来完成多个agent之间的信息交互。此通信结构支持多个agent之间的点对点直接通信,发布者agent直接将信息传送给订阅者agent,即点对点通信,系统内其余的agent不接收此信息。采用发布者/订阅者结构的agent通信机制如图4所示,该模型采用事件驱动模式,能对时序进行控制从而实现实时应用,信息传输的时间延迟可以人工设置,因此在信息传输的可靠性与时间确定性之间具有折衷选择的能力。2_3agent的数据获取功能根据故障诊断所需数据的特征,可将数据分为静态数据和动态数据两种,如图5所示。静态数据包括一次/二次设备模型以及具有可拓展性质的规则库等,动态数据包括变位数据、断面数据和录波f ̄agent、发布者本地发送l———,一,__一数据集发布清求图4基于发布者/订阅者结构的agent.通信方式Fig.4Communicationmodeofagentsbasedonthepublisher/subscriberstructure图5数据类型Fig.5Datatype文件等。根据数据传输方式的不同,可将数据分为警报数据和文件数据。因此,agent数据获取包含了警报接收和文件接收两种方式,如图6所示。agent每隔一段时间,周期读取全部警报信息,并将该信息存到数据库中,来更新数据库中的实时警报表和断面信息表。文件接收agent周期性读取录波文件存储于本地文件夹中。警报接收更新断面信息II更新变位信息土兰竺苎坚更新录波文件…囤固固…f夹图6Agent的数据获取过程Fig.6AcquisitionoftheAgentdata2.4agent的数据维护功能数据维护agent是系统维护的重要内容之一,包括数据内容的维护(无错漏、无冗余、无有害数据)、数据更新、数据逻辑一致性等方面的维护。其主要功能包括SCL文件解析、CIM文件解析、历史警报数据管理、Comtrade文件管理以及规则库维护一86一电力系统保护与控制等,如图7。图7数据维护agentFig.7DatamaintenanceagentSCL文件解析与CIM文件解析模块分别对SCL文件和CIM文件进行解析,将所提取的一次设备与二次设备信息存入数据库中;历史警报数据管理与Comtrade文件管理模块,可分别对历史警报信息和Comtrade文件进行查询、存储和修改等操作;规则库维护模块可实现规则库用户自定义设置功能。3故障诊断的实现变电站输变电设备故障诊断主要通过诊断agent:变电站级诊断、变压器、断路器、线路元件诊断agent以及综合诊断agent来实现。由于在事故发生后不一定能把所有数据都同时提供给各诊断agent,因此子agent有可能只能启动一部分。诊断子agent除了通信以及数据获取功能外,还包括诊断模型、诊断结果两部分。除了综合分析agent需要根据各Agent的结果进行综合分析外,各个子agent ̄独立或者并行运行。3.1变电站级诊断agent变电站级诊断agent通过保护、断路器、重合闸以及二次设备等变位信息,利用智能诊断方法与优化技术对智能变电站进行故障诊断分析。诊断结果包括变压器故障、线路故障、母线故障、二次设备故障等。3.2变压器元件诊断agent变压器元件诊断agent通过油色谱在线监测信息,利用改良三比值法对变压器进行诊断,变压器故障类型诊断结果,包括局部放电、低温过热(低℃于150oC)、低温过热(150~300)、中温过热、高温过热、为低能放电、低能放电兼过热、电弧放电、电弧放电兼过热等。3.3断路器元件诊断agent断路器元件诊断agent通过断路器动作信息、断路器在线监测信息、断路器在线监测波形文件,基于Dempster合成原理,结合专家知识库,利用分合闸线圈电流、开关量波形文件、储能电机单次储能时间和电流波形曲线等在线监测信息,建立状态征兆集:分合闸线圈电流有效值、分合闸线圈电流时间、储能电机储能时间、断路器总行程、断路器分合闸瞬时速度、断路器分合闸平均速度等,对断路器故障做出诊断分析。诊断结果包括分合闸线圈铁芯配合精度差和运动过程中阻力大、分合闸线圈短路、分合闸线圈烧毁、断线、与铁芭=顶杆连接的锁扣和阀门变形、移位等。3.4线路元件诊断agent线路元件诊断agent通过分析和提取Comtrade文件(故障录波文件)中的故障电流、电压、时序等信息,利用相电流差突变量等方法进行故障选相,包括单相接地故障、两相短路接地故障、相间短路故障、三相短路故障等。并且,根据分析出的数据利用单端测距方法进行故障测距。3.5综合诊断agent当变电站级诊断agent和变压器、断路器、线路元件诊断agent中至少。。。。个被启动且存在故障诊断结果时,启动综合分析agent,利用各个诊断子agent之间的结果,结合规则库给出综合分析的最终结果。4Mufti-agents的协作机制—Multiagents之问的协作主要包括以卜步骤:1)维护agent可对SCL数据解析、CIM数据解析、历史警报数据管理、Comtrade文件管理以及规则库等进行更新维护。2)各元件诊断agent可周期启动通信,获取断面信息中的数据进行实时异常检测,如对交直流、变压器状态监测、网络通信、保护自检、断路器等进行状态监测,并预判是否存在故障及其趋势。3)变电站级诊断agent,根据保护动作或断路器跳闸警报,进行故障定位,判断出故障元件。然后,根据故障元件的类型,启动元件诊断agent进行故障分析。例如,若是变压器故障,则启动变压器元件诊断agent;若是线路故障,则启动线路元件诊断agent;若有断路器动作了,则启动断路器元件诊断agent,对断路器动作进行动作评价等等。最后根据综合的诊断结果,利用综合分析agent对故障进行最终分析,并给出故障评价。5案例分析基于本文所研究的智能变电站警报处理及故障诊断方法,开发了相应的软件系统并已成功应Jl『j于辛建波,等基于Multi-agents的智能变电站警报处理及故障诊断系统-87-江西省赣州市兴国110kV数字化变电站中。该变电“”站完全遵循IEC61850标准,除具备四遥和当地测控、保护功能外,还安装了变压器、断路器、避雷器等设备在线监测装置及统一数据信息平台,实现了变电站保护、测量、故障录波、视频、一次设备在线监测等各种信息的综合监测。以图8所示兴国变电站的故障案例为例验证所研究的智能变电站警报处理及故障诊断方法。某次故障后,变电站监控界面显示110kV埠兴I线接地距离1段动作,但是没有收到与该保护对应的111断路器的动作信号,为此,下面综合变电站110kV埠兴I线保护、111断路器在线监测及埠兴I线故障录波等信息对基于multi.agent的变电站警报处理及故障诊断流程进行详细分析。/l123O_¨匝巫固甲¨1011ii1022—■1L+--广・T1l13110x\Il.13120110kVI110kVIIUKVIIUKV眦变。5w变5kv图8某110kV智能变电站部分接线图具体如下:—1)在201002-1007:30:25770ms时刻,变电站级诊断agent从统一数据信息平台中获取到警报:PCOSP11OL1NE1/QOPTOC1¥ST¥Op¥general,该警报属于保护动作。2)变电站级诊断agent启动基于发布者/订阅者结构的agent通信功能,从数据维护agent的SCL数据解析功能中订阅该警报的描述:110kV埠兴I线接地距离1段动作。3)变电站级诊断agent通过保护动作警报,利用优化技术判断该故障存在三种可能原因:110kV埠兴I线接地距离1段保护误动;110kV埠兴I故障且存在警报遗漏;110kV埠兴I故障且l11断路器拒动。4)变电站级诊断agent根据上述诊断结果,启动断路器元件诊断agent和线路元件诊断agent。断路器元件诊断agent获取111断路器在线监测波形文件,诊断结果为断路器不存在故障,为正常合闸情况。线路元件诊断agent获取埠兴I线故障录波Contrade文件,诊断结果为埠兴I线存在单相接地短路故障。5)综合诊断agent获取变电站级诊断agent、断路器元件诊断agent ̄tl线路元件诊断agent的结果,综合分析该故障的最终结果为:110kV埠兴I线存在单相接地短路故障且存在警报遗漏。6结语根据智能变电站的体系结构、信息流和数据流的特点,以及故障后事故处理流程以及故障信息的层次性等特点,提出了基于multi.agents结构的智能变电站警报处理及故障诊断系统。该系统可以满足变电站事故分析各层次的功能需求,实际变电站故障案例证明了该警报处理和输变电诊断模型的可行性和有效性。参考文献[1]WENFu-shuan,HANZhen.xiang.Faultsectionestimationinpowersystemsusingageneticalgorithm[J].ElectricPowerSystemsResearch,1995,34(3):165-172.[2]许议勋,陆拯,郭志忠.基于遗传算法的电力系统分层信息故障诊断方法[J】.继电器,2000,28(10):l5一l8.XUYi-xun,LUZheng,GUOZhi-zhong.Layeredinformationfaukdiagnosissystembasedongeneticalgorithm[J].Relay,2000,28(10):15-18.[3]杜一,张沛超,郁惟镛,等.基于故障录波数据的分布式电网故障诊断系统[J】.继电器,2003,31(1):2629,38.—DUYi,ZHANGPeichao,YUWei-yong,etaLAdistributedpowersystemfaultdiagnosissystembasedonrecordedfaultdata[J].Relay,2003,31(1):2629,38.[4]文福拴,韩祯祥.基于覆盖集理论和Tabu搜索方法的电力系统警报处理[J].电力系统自动化,1997,21(2):l8.23.—WENFu-shuan,HANZhenxiang.AnewapproachtoalarmprocessinginpowersystemsbaseduponthesetcoveringtheoryandTabusearchmethod[J].AutomationofEleetricPowerSys 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