基于故障录波器的电气传输网络的时间和其他相关故障诊断外文翻译资料

基于故障录波器的电气传输网络的时间和其他相关故障诊断

摘 要

本文描述了一种基于模型的诊断系统，用于诊断电气传输系统（实时离线系统）中的故障。该诊断系统使用从数字故障记录器获得的数据，这些数据是在网络故障事件（例如短路）发生后收集的。该数据用于通过将其操作与通过增强反应模型（ARM）（基于扩展有限状态自动机优化的模型）所预测的操作相比较来检测网络设备中的初期故障。因此，Timely的离线系统结合了信号处理和基于模型的诊断技术，以提供一个实用的基于模型的系统，帮助系统在发生网络故障事件之后分析保护设备的性能。ARM注重对直接从故障记录器文件导出的数据（例如电压和阻抗大小）的使用，意味着系统可以诊断更加微小的故障（例如，实时相关故障）。

关键词：故障录波器，高压输电网络，基于ARM模型的诊断。

一 引言

故障记录器（FR）记录每相的电压和电流的模拟值，即实际的正弦波，以及由保护装置产生的数字信号，例如通过保护继电器的跳闸或断开断路器本身。 Timely的离线诊断系统使用来自多个FR的可用数据来分析网络行为中的故障。因此，离线诊断系统通过将网络的操作与通过一组称为增强反应模型（ARMS）的扩展有限状态自动机模型所预测的操作进行比较来检测网络设备（包括其“保护继电器”）中的初期故障。输出是标准化报告的形式，其可以由保护工程师定制和改变。这与Timely的在线系统不同，该系统使用来自“连续的事件录波器”种的离散的事件数据来诊断短路的位置以及向控制中心提供的网络设备的故障操作。人们已经对电力传输网络的故障报警处理和在线诊断进行了大量研究。然而，这些研究多使用联系事件录波器提供的逻辑数据。 因此，他们没有详细的能够在ARM模型种使用的时序和阻抗信息。

也许是因为新一代数字故障记录器现在只用于网络通信，用故障记录器的数据自动提供网络的整体监控并不常见 。Cederblad和Gjerde报告使用模拟量数据诊断电力网络中的故障[4]。然而，与Timely离线系统不同，它旨在识别和定位短路点，但不分析保护装置的行为，此外，系统是基于一定规则的，因此这种方法缺失灵活性。也许最接近的工作是McDonald及其同事[6]的报告。这份报告描述了一个基于模型的系统来用FR数据诊断故障。然而，他没有提供多个FR文件的自动处理来全局监视网络上的事件方法以及阻抗值的估计的方法，而是在它们的示例中，由单个FR感测的故障电流的“观察方法”被呈现给它们的诊断系统。另外，没有提及解决时间CSP的问题，这意味着不能满足多个定时约束，除非它们是离散的可观察事件，实际上他没有讨论作为模型中的间隔的定时约束的配合问题。

本文介绍了Timely中的离线诊断系统。第二节描述离线系统的目的。第三节详细介绍了离线诊断系统中采用的架构和方法。它描述了两个主要的子任务，全局查看器，其处理从故障记录器提取的数据和诊断器，其使用ARMS来分析网络设备的行为。最后，第四节展示了一个在意大利电力传输网络发生的真实事件记录的FR数据的示例

二．离线诊断系统的功能

离线诊断系统确定以下内容：

a）保护装置的行为的描述（即，当不需要保护时它们是否工作，或者当保护需要时它们没有发生相互干预）。

b）检测保护装置的行为可能的时间偏差。

此功能很重要，因为时间偏差指示潜在故障正在发展。 注意，目前只有距离保护满足要求，但是也可以添加其他保护类型。分析的结果可以用于至少两个目的：预防性维护干预的调度，以及收集统计信息

假设保护装置的特性是已知的，我们可以将观察到的现象的特性与预期行为进行比较以确定可能的差异。以这种方式，我们可以确定没有正确操作的设备或者存在潜在故障操作的设备。分析的结果允许我们在对发现异常的变电站中安排预防性维护干预。 例如，当由保护装置操作的断路器在比通常打开所需的时间更长的时间内打开时，可以安排预防性维护（该异常行为可能没有任何负面影响，但是它使断路器条件恶化，并且 最终断路器甚至可能在需要时断开）。

离线系统允许保护工程师通过考虑启动的所有继电器的行为来扩展特定故障的分析范围。但这种细化分析对于手动操作是不切实际的。

三． TIMELY 离线系统工作

离线系统可以分解为以下子系统：

a）全局查看器，其负责信号处理和事件检测；

b）诊断器，其使用从全局查看器可用的数据以及从建模系统获得的网络的基于组件的模型，以检测故障；

c）包括数据库和HCI功能的其它模块。

这里我们只详细讨论全局查看器和诊断器。

1. 全局查看器

图1示出了全局查看器执行的处理。 输入是FR数据文件。 使用傅立叶分析来分析数字电压和电流数据，以提供幅度和相位估计。 这些数据用于提供线路阻抗的估计。 我们将一组局部分析规则应用于每组FR数据以检测诸如短路，断路器断开和闭合之类的事件。 在同步不同FR文件的时基后，应用全局分析将不同故障记录器检测到的事件分组在一起。

全局查看器的主输出是在FR记录期间发生的事件的同步概览。 此外，信号处理数据可通过HCI获得，并可根据需要提供给Diagnoser。Diagnoser使用的主要信号处理数据包括线路阻抗的估计

本节的其余部分描述了封装在全局查看器中的主要任务：即信号处理和本地和全局分析。

1）信号处理：全局查看器的主要部分是低级信号处理。 其用于检测对AC信号的干扰和对与那些信号相关联的信息的服务请求。 信号处理器从FR检索模拟数据，并使用傅立叶分析来估计所有电流和电压信号的幅度和相位。 目前，波形分析应避免非正弦波形，噪声或其他效应如饱和的影响。

图2示出了本示例的线L355的相位电压及其估计的幅度。

信号的电流和电压的幅度的突然变化被用于检测和分类网络事件。 在该图中，电压幅度的第一减小是由于短路，第二个是由于断路器断开。 注意，该过程和随后的阻抗估计对于三相中的每一相而不是地进行。

2）本地和全局分析

在执行信号处理任务之后，全局查看器解释干扰，即，它将每个过渡状态与较高级别的事件相关联。 这里执行两种类型的分析：局部和全局分析。 本地过程是通过考虑来自单个故障记录器的数据在变电站内引起的。 全局过程是同时解释所有可用数据的过程。

本地分析是基于一定规则的。规则主要涉及电流和电压（即增加或减小）的变化，断路器的先前状态和存在的数字信号的性质的简单条件。它们检测和分类在FR本地的线路上发生的事件。 这些事件包括短路和本地断路器的断开/闭合。

非局部断路器的打开/关闭是可见的，因此引起可检测的干扰，但不进行局部解释。进行解释是在全局分析期间执行的。

在系统应用全局分析之前，需要中间步骤即同步处理。这是非常重要的，因为FR的时基并不完全同步。 之所以使用短路事件的发生来执行同步，是因为这种事件在所有变电站中是可见的和可识别的。

同步后，全局分析识别同时发生的事件，并匹配相关联的解释。 例如，如果在局部分析期间没有解释在变电站A处检测到的干扰，则在全局分析期间，发现与将变电站B的另一个结果解释为事件E的结果同时对干扰进行解释。

逻辑（离散）数据以类似的方式处理，但是它们的解释比模拟数据简单得多。 逻辑数据解释在模拟数据分析之前执行，因为它们可以用于支持本地分析。

（2）诊断器

诊断器接收两种类型的输入：来自建模系统的传输网络的模型（包括拓扑结构和一组FSM组件模型）的数据以及网络事件的总体视图以及来自全局查看器的信号处理数据。

诊断程序对全局查看器提供的事件的原因，并执行以下任务：分析保护设备的行为，并检测保护设备行为的时间偏差。上述任务使用增强反应模型（ARM）来解决，该模型是有限状态机的增强版本。

1）增强反应模型：保护部件的正确和故障行为都被称为扩展有限状态机，称为无功模型（RM）[8]。 RM的简单示例如图3所示。

反应模型（RM）由一组稳定状态（上面的灰色），一组不稳定状态和一组转变组成。 每个转换标记有至多一个输入事件（表示为En）和任何数量的输出事件（An）。

可以指定时间间隔（表示为耦合[min-delay max-delay]），代替输入事件，其表示相对于先前转换的延迟，即转换的开始状态的持续时间。延迟时间间隔是输入事件的替代方案，使得转换可以对由其他组件的行为限制的行为的一部分建模，或者仅仅通过其自身的功能来调节，而不是两者的合并

增强响应模型（ARM）是RM，其转换也可以由能够触发转换的通用条件标记的。我们可以指定特定类型的条件以便也建立转变的确切触发时间; 通常，它被解读为：“一旦数量的值落在阈值之下，转换就可以触发。”当这种条件与延迟规格一起出现时，要求该条件必须在与前一转换的触发时间和指定的延迟间隔一致的时间瞬间被验证。

2）建模距离保护：让我们介绍一个实例化ARM的例子。 距离保护在不同的步骤中工作，通过测量由保护看到的网络的保护阻抗对可操作地估计的短路定位。 这种类型的保护的具体特性在图5中给出。其中每个点P(t,Z)表示由瞬时保护测量的阻抗（Z）的值。当保护开始时，其连续地测量这样的阻抗值，使得所有这些测量的集合由（理想地）连续线表示，也叫所谓的阻抗演进，即尽量把点放置在保护特性曲线之上。

跳闸点与跳闸时间Ttrip相关，由阻抗变化曲线与保护特性的交点表示，即当阻抗值小于由特性指定的阈值时（该阈值可以是动态的且随时间变化）。 然而，在大多数情况下，阻抗保持静态，并且其变化由对应于切换步骤的奇异点中的特性相交的直线表示，如图6所示的示例。 其中保护由阻抗的值小于启动阻抗Z_starts 时开始动作，导致保护在第三步骤操作。

当保护以小于的阻抗值开始时，理想地应当立即使断路器跳闸，但是实际上它被延迟了T_st 时间

图7示出了包括正常运行和故障的启动装置ARM的一部分。 为了清楚起见，该模型不包括关于在第二或第三步骤处的跳闸的行为的演变。 该扩展不需要任何特殊的建模特征，并且保护装置的动作类似于在第一步骤处的跳闸

为了清楚起见，过渡阶段没有用相应的诊断动作和朝向其他建模组件输出的消息标记。过渡阶段StdByS0,S0Start,StartZlt;Z1,Zlt;Z1Trip1stStdBy.

该过渡过程描述了对应于具有低于第一阈值(Z1)的阻抗测量的短路的起动装置的正常运行的状态。Z是线路的估计阻抗，必须从全局查看器获取。该路径识别事件为短路，动作和跳闸（也从全局查看器获得）的一系列结果，并验证这些事件的正确时序。

例如，如果发现短路，则允许转变StdBy。 然后，当阻抗值满足Zlt;Zstart即与事件start_on对应的条件（start）时，如果在区间[tshort，tshort]中存在时刻，则会发生S0Start过程。 时间t_short表示对应于短路的时刻的前一转换的触发时间。为简洁起见，我们只描述了一个转换。

3）ARMS的解释：离线诊断任务可以被视为解释问题：给定模型的规范和保护系统的每个组件的初始状态，解释问题包括通过各种发生短路之后可用的数据来找到路径集合（即转换序列）。

定义1（解决方案）：解释问题P=(A,S,O)的解是一组（可能为空）路径（即转换实例的序列），每个自动机一个路径，使得：

• 对于每个路径，初始状态为S，最终状态为稳定状态;
• 观测序列由路径O证明，即路径中包括的跃迁恰好输出实际序列中的给定观测值;
• 包含在任何路径中的每个具有输出信息的转换实例在某个其他路径中具有对应的转换实例;
• 验证属于包括在路径中的转移实例的每个条件。

解释问题是状态空间中的搜索问题。转换必须考虑对所计算的变量（例如线阻抗）的值和允许的时间间隔的离散事件（通过数字报告）约束。离散事件首先用于使用搜索算法来找到可能的解释。然后，关于它们的时间和其他约束，进一步测试这些解释（状态转换的序列）。

4）解决CSP：约束满足问题使用两种算法顺序解决：

a）首先使用线性方程求解器通过求解等式约束的系统来确定尽可能多的值。 b）第二，线性规划算法用于检查所有约束的一致性，包括均衡和不等式。

在第一步骤中，采用AGE（稀疏矩阵的高斯消元法），而第二步采用PCx包

四 实例

以下示例描述了从实际事件导致的FR数据的处理：非永久短路。网络拓扑的相关部分如图8所示。

故障是线路L355的临时短路，关闭变电站Ostiglia。 此变电站中的断路器打开并正确执行其自动重合闸。 同时，从变电站Flero接收到指示其还检测到故障的电传线指令。

网络中的七个FR被触发并记录与短路和后续事件有关的数据。在由FR监测的线路中观察到三相和地的电压和电流。与每个FR本地设备相关的数字信号，例如：起动，跳闸，跳闸，断路器断路和重合闸，也在FR文件中报告。

全局查看器解释从所有七个FR文件提取的模拟数据。 如果我们检查从直接连接到线路L355的FR提取的数据，我们可以看到由于短路和断

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