第一章 绪 论
1.1 课题来源与背景
电力资源一直是一个国家的经济命脉与核心资源。随着我国经济的蓬勃发展，对电力资源的需求与日俱增，传统的电力运营模式面临着空前的挑战，高效、稳定、可靠的电力供应逐渐成为电力用户们的普遍要求。从全国范围来看，我国目前的电力仍然呈现相对短缺状态，尤其夏季个别地区电力负荷激增，出现电荒事故，电力紧缺的局面更是严峻。对庞大的电力输送系统，日益复杂的变电系统管理与调度，电力运输网络设备种类的数量大量增加，不可预见的自然灾害与操作运营人员的错误操作也大大加重了正常的电力供应负担。电力作为国家的战略资源，不仅关系到国家的经济生产，老百姓的日常生活质量的提高，同时电力供应故障将造成巨大的经济损失，更有甚者可能造成社会恐慌，对国家安全造成巨大威胁。
电力网络在各种因素的综合作用下，发生故障呈现不可预见性的特点，如果运营部门出现调度不及时，决策失误，那么会在很大程度上造成大面积的停电事故。目前我国正在进行的全国性电网改造，实现全国联网，厂网分离，但由于外部因素及电网建设资金筹措的影响，主干网络仍然不能满足负荷增长的需要和保证电力系统的运行安全。网络之间的互联仍然呈现线路少，线路走廊集中单一，线路载容量小等不良现象，造成电力通道输送潮流增大，造成巨大的运行隐患。1965 年 3 月美国东北部大停电事故，使美国纽约市和东北部六大州停电，还波及加拿大安大略省，停电负荷 21000MW，停电区域 20 万平方公里，最长停电时间长达 13 小时。1996 年 7 月、8 月美国西部两次发生大面积停电事故。1990 年9 月，我国广东发生大停电事故，220kV 线路短路故障造成了 7 个发电厂解裂，13条 220kV 线路跳闸，11 个 220kV 变电站停电，广州市区约 2/3 负荷，佛山约 1/2负荷及韶关市、清远市、肇庆市全部负荷中断供电。最近发生的有极重大影响的电力事故是 2003 年 8 月北京时间 15 日凌晨 4 时许（美国东部时间 14 日下午 4 点）美国的纽约、底特律、克利弗兰以及加拿大的多伦多和渥太华等城市发生大面积断电，5 000 万人生活受到影响，造成了上百亿美元的经济损失。类似的大面积停电事故均造成了巨大的经济损失，这些事例表明保证电网安全、可靠运行与快速准确的故障排查与处理技术研究的紧迫性，这将是电力系统所面临的一项重大任务与挑战。现在各级电网调度中心均配备运行监控和数据采集系统（SCADA）及能量管理系统（EMS）。在输电网络突发故障时，相应的数据监控设备会产生报警信息，如开关跳闸、自动保护装置动作、欠电压、过电流、设备过负荷等信息并由专用网络传上传到电力调度中心。特别是当整体架构规模巨大的电力输送系统发生故障、电网发生复故障或自动装置动作不正常时，会在短时间内产生大量的故障报警信息到达控制中心。其中包括大量的由保护或断路器误动、拒动，信道传输干扰错误，保护动作时间偏差等因素造成的不确定性的知识和数据。
电力调度人员面对如此纷繁复杂的报警信息，要快速准确的查找到故障源，判断故障类型，进行正确的故障处理，专业素质的匮乏以及精神压力可能会使之误判和误操作，很有可能造成故障范围的扩大，恢复时间变长。随着我国三峡等大型电站的建成和西电东送、全国联网，厂网分离的进一步推进，我国将会出现超大规模的联合电力输送与调度系统，这对于电网的监控和安全预警提出了更加严峻的挑战。在这种背景下，开展电力系统故障诊断理论研究，以及开发具有工程实用性的专用诊断系统，作为电力运营人员的辅助工具，拓宽决策人员的信息获取渠道并提供可供配置的决策建议，对于建设具有高稳定，可靠，高效的电力运营模式具有很积极的意义，本课题即是在此种背景下展开的。
1.2 国内外研究现状
美国电力研究所（EPRI）早在 1982 年便开始了火电站设备早期故障检测技术的研究工作，2004 年 EPRI 发布了全球首个集成通信和电力系统于智能电网的综合技术标准 IntelliGrid 结构体系，IntelliGrid 体系结构源于 EPRI 的综合能源与通信系统体系结构（IESCA），其目的在于为计算机数据通信与分布式计算研发一个开放的、基于智能设备应用，作为电力设备和元件的集成技术标准体系。该体系是基于标准的电力工业基础结构，利用网络通信技术与分布式计算技术，为系统开发提供了互操作性的基础，将有助于电力系统数据监测与控制。在电站性能监测和诊断方面，EPRI 一直处于领先地位。此外，美国西屋公司（Westinghouse.Inc）也在 1976 年开始了电站计算机诊断技术研究，在 1980 年研制成功小型的电机诊断系统，1981 年进行电站人工智能故障诊断专家系统的研究，1984 年进入工程应用，到 1990 年己发展成为大型电站在线监测诊断系统（AID），即汽轮发电机组智能化故障诊断专家系统。
第二章 电力系统故障模式分析
2.1 电力系统的构成与电力网络分析方法
电力系统是由发电厂、输电网、配电网和电力用户组成的整体，是将一次能源转换成电能并输送和分配到用户的一个统一系统（参见图 2-1）。输电网和配电网统称为电网，是电力系统的重要组成部分。发电厂将一次能源转换成电能，经过电网将电能输送和分配到电力用户的用电设备，从而完成电能从生产到使用的整个过程。电力系统还包括保证其安全可靠运行的继电保护装置、安全自动装置、调度自动化系统和电力通信等相应的辅助系统，一般将其称为二次系统。输电网是电力系统中最高电压等级的电网，是电力系统中的主要网络（简称主网），起到电力系统骨架的作用，所以又可称为网架。
在一个现代电力系统中既有超高压交流输电，又有超高压直流输电。这种输电系统通常称为交、直流混合输电系统。为了克服交流高压输电电力系统稳定性问题，以及解决某些特殊情况下的经济输电问题（如海底电缆输电等），高压直流输电技术也得到了广泛应用。从而出现了交、直流输电混合的电力系统或互联电力系统。中国电力系统采用 220kV、330 kV 和 500 kV 的超高压交流输电网，直流超高压输电线的最高电压为士500 kV。它们的最大输电距离约达 1 000 km，输送功率可达 1 000MW（500 kV 电压）。配电网是将电能从枢纽变电站直接分配到用户区或用户的电网，它的作用是将电力分配到配电变电站后再向用户供电，也有一部分电力不经配电变电站，直接分配到大用户，由大用户的配电装置进行配电。一般又将配电网分为高压、中压和低压配电网。在中国，高压配电网电压一般为 35 kV、65 kV 和 110 kV；中压配电网电压一般为 6 kV ～10 kV（国际上也有用 20 kV 的）；低压配电网电压一般为三相四线制的 380 /220 V。
第三章 电力系统故障诊断流程...................... 26-37
3.1 电力系统故障诊断流程...................... 26-29
3.1.1 变压器故障原理...................... 27
3.1.2 变压器在线数据监测技术...................... 27-28
3.1.3 变压器故障诊断......................28-29
3.2 诊断算法分析...................... 29-35
3.3 本章小结 ......................35-37
第四章 电力系统故障诊断辅助分......................37-50
4.1 电力系统的监控技术及标准体系...................... 37-45
4.2 SCADA系统...................... 45-48
4.3 本章小结...................... 48-50
第五章 系统功能设计与模块划分...................... 50-59
5.1 系统描述及功能划分 ......................50-51
5.2 基于经典知识库的故障树分析部件...................... 51-55
5.2.1 故障树模式建立模块...................... 52-54
5.2.2 基于故障树的诊断分析模块......................54-55
5.3 基于人工神经网络的故障分析部件 ......................55-57
5.4 其他主要部件 ......................57-58
5.4.1 认证模块 ......................57-58
5.4.2 查询模块及其他...................... 58
5.5 本章小结...................... 58-59
结论
电力系统是国家经济技术的命脉，电力系统的日益庞大与复杂拓扑对安全稳定的电力供应造成了巨大的困难，电力系统的故障如果得不到及时妥善的检修处理将造成极大的经济损失与社会负面效应，保证电力正常供应已经成为一项迫在眉睫的任务。经过研究学习，本文对电力系统的故障诊断作了梳理，并给出系统实现。本文主要取得了以下成果：
（1）将电力系统故障模式分为输电网络故障、变压器故障、断路器故障等，并分别给出了简略的故障机理分析，重点给出了单向短路的冲击电流分析，以及变压器的绝缘油气体光谱分析（DGA）方法确定故障原因的机理。正确的故障模式与机理分类是故障诊断可信度的强有力的保证。
（2）对电力系统中常见故障诊断算法进行分析，包括经典知识库的故障树分析与基于神经网络的故障分析。给出了故障树分析的定性与定量算法，并重点介绍了常见神经网络模型，如 BP 网络，RBF 网络与 Hopfield 网络的模型特点，并给出了相应的作用函数选取原则。
（3）介绍了与电力系统相关的技术体系与标准，包括 SCADA 系统用于采集与监控工业现场的信息，IEEE COMTRADE 标准用于电力系统中数据的转换标准，而 IntelliGrid 则是 EPRI 提出的电力设备与通信设备集成的技术体系，是构造电力分布式系统的有力参考标准。
（4）介绍了系统的功能划分与主要模块功能，分析了相应实现方案以及数据链路。介绍了技术体系的特点与选型，采用.NET 技术构建了数据层、逻辑层、表示层分开的诊断系统。
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