基于拓扑知识的配电网故障诊断系统及方法

基于拓扑知识的配电网故障诊断系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于拓扑知识及拓扑搜索方法的配电网故障诊断系统及方法，该系统包括资源层、知识层和诊断层，资源层包括故障录波器、监测终端、配电设备台账、拓扑文件及数据库，监测终端用于收集故障后的开关状态信息，故障录波器用于获取故障后波形，拓扑文件用于提供整个电网的电气接线图，配电设备台账用于获取配电设备故障时的运行情况；知识层包括为诊断层提供信息的知识库；诊断层包括故障诊断服务器，故障诊断服务器上设有故障诊断程序模块。该方法基于上述系统实现拓扑知识形成和故障诊断。该系统及方法可以进行故障后事故分析，为运行人员提供参考，节省人力、财力、时间，而且系统运行高效、快速，使用效果好。
【专利说明】基于拓扑知识的配电网故障诊断系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及配电网故障诊断【技术领域】，特别是一种基于拓扑知识及拓扑搜索方法的配电网故障诊断系统及方法。
【背景技术】
[0002]传统的配电网故障诊断就是依据测控、保护、录波等故障信息，采用某种诊断机制来确定故障馈线、故障位置，并隔离故障区域、尽量减少停电面积和缩短停电时间，同时，对配电网电能质量进行分析，而不包括故障后的事故分析功能，如分析事故的原因(人为因素、自然因素、设备故障等)、事故影响范围以及事故造成的停电损失等。这需要由人工经过事故现场勘查、调查统计后给出相应的报告，配电网是事故频发的部分，因此，事故分析要耗费大量的人力和时间。
[0003]随着配电网自动化系统的建设，可用于故障诊断的数据量越来越庞大，来源越来越广泛，这些数据在蕴含信息上存在冗余，且在故障后段时间内涌入调度中心，使得操作人员人工诊断故障十分困难，如何有效利用这些数据是亟待解决的一个问题。因此，传统的故障诊断框架在快速准确性上仍有很大的提升空间。
[0004]另外，电网拓扑分析是故障诊断的基础，一种良好的电网拓扑数据结构可以极大的提升故障诊断的效率。传统的电网拓扑表示方法有矩阵法和邻接表法等，基于矩阵的电网拓扑分析法，在断路器等开关器件跳闸后要对整个配网形成的子电气岛进行辨识，另外在搜索过程中还需要为电网的每个节点构造不同的支路链表以形成节点树，整个搜索过程需要矩阵、电气岛以及链表形式的节点树三类数据结构，搜索过程较为繁琐，效率较低。而传统邻接表法在建立初始节点-支路关系表以及支路-访问标志-节点关系表时，需要输入整个电网的节点-支路信息，因此工作量十分巨大。

【发明内容】

[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于拓扑知识的配电网故障诊断系统及方法，该系统及方法可以进行故障后事故分析，为运行人员提供参考，节省人力、财力、时间，而且系统运行高效、快速，使用效果好。
[0006]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:一种基于拓扑知识的配电网故障诊断系统，包括资源层、知识层和诊断层；
所述资源层包括故障录波器、监测终端、配电设备台账、拓扑文件以及数据库，所述监测终端用于收集故障后的开关状态信息，所述故障录波器用于获取故障后波形，所述拓扑文件用于提供整个电网的电气接线图，所述配电设备台账用于获取各种配电设备在故障时的运行情况；
所述知识层包括为诊断层提供信息的知识库，所述知识库包括拓扑知识库和故障知识库；所述拓扑知识库按如下方法形成:在IEC61970中拓扑包的基础上创建两个类=Vertex类和adjNode类，分别对应邻接表的头结点类和表结点类；VerteX类的三个域分别为访问标志位、顶点名称、首节点指针，Vertex类包含母线、线路、变压器和电源，adjNode类反映与Vertex类发生连接关系的电气元件，即一个Vertex设备连接的ConnectivityNode含有n个端子，则邻接表中其对应的单链表就有n-1个adjNode，每一个adjNode类的三个域分别为关联电气元件的名称、连接的断路器、next域；另外，根据IEC61970中拓扑包对ConnectivityNode类的定义,在两个直接相连的断路器之间加入Y节点，节点的判断方法为:如果一个ConnectivityNode对象连接了两个断路器与一条线路端点,则作为Y节点保留；将处于“闭合”状态的隔离开关看作导线；
所述诊断层包括故障诊断服务器，所述故障诊断服务器上设有故障诊断程序模块。
[0007]本发明还提供了基于拓扑知识的配电网故障诊断系统对应的诊断方法，包括拓扑知识形成和故障诊断；
所述拓扑知识形成按如下步骤进行:
(1)故障发生时，处于最底层的资源层收集各种故障信息，从监测终端收集故障后的开关状态信息，从故障录波器获取故障后波形，从配电设备台账获取各种配电设备在故障时的运行情况，从拓扑文件获得整个电网的电气接线图；
(2)提供符合基于CIM模型规则的RDF数据文件，或CM-XML模型数据文件；
(3)整合SVG图元形成各个厂站和配网馈线的接线图，并以CIS服务的形式对上层提供接口 ；
(4)通过LINQto XML对各个厂站和配网馈线的接线图进行查询，查找各电气元件的名称、连接点、连接元件，存放在拓扑库中；所述拓扑库在内存中以DataSet的形式存在，是.NET中定义的数据的脱机容器，不包含数据库连接的概念，仅仅是在内存中的一组数据集；拓扑库以邻接表的形式存储在DataSet中，并以服务器的形式随系统启动；
(5 )对全网的拓扑进行搜索，获得全网的拓扑结构；
所述故障诊断按如下方法进行:获得全网的拓扑结构后，结合资源层的监测终端获得的故障后的开关状态信息，通过故障诊断程序模块得到因故障而断开的馈线以及这些馈线上所连接的配电变压器，通过配电设备台账统计这些停运的配电变压器的信息；故障诊断程序模块与配电GIS建立接口联系，从配电GIS中调用停电线路的地理信息，即停电馈线所处地理位置，然后将所述地理信息传给天气预报系统、雷电定位系统，获得故障时故障区域内的天气情况以及落雷情况，再利用配电设备台账获得故障时故障区域内配电设备的运行情况，最后根据天气、雷电、设备运行情况给出故障原因的初步判断。
[0008]进一步的，在步骤(204)中，所述拓扑库的形成过程为:
(401)应用程序按照DataSet模板启动一个空DataSet；
(402)从各厂站接线图中按DataSet模板的定义搜索相关数据，填充拓扑库；这部分功能在数据填充层以接口的形式提供给应用层；
(403)用相同的方法搜索到馈线、配电变压器、以及连接的开关设备。
[0009]相较于现有技术，本发明的有益效果是:
1、提出的故障诊断及分析方法弥补了传统故障诊断中无故障后事故分析功能的缺点，对故障原因、故障严重程度、故障影响范围等作出初步判断，为运行人员提供参考，节省人力财力时间。
[0010]2、提出的故障诊断中电网拓扑在内存中的表示方法，将符合CM模型的电网接线图直接映射为邻接表，解决初始化复杂的问题，提高了对厂站接线xml文件的搜索效率，而且能够表示各种复杂的接线方式，提高了电网拓扑速度。
[0011]3、对厂站接线图通过LINQ to XML查找各电气元件的名称、连接点、连接元件，存放在拓扑库，基于电网拓扑的运算都可以通过搜索拓扑库得到，这样就避免了对厂站接线图XML文件的频繁操作，不仅能够提高系统的运行速度，而且有利于数据的分布式维护与管理。
[0012]4、建立好的邻接表以服务器的形式随系统启动，其优势主要体现在:1)基于邻接表的遍历算法已经相当成熟，各个客户端可以根据不同的需求编写不同的算法得到想要的数据。2)—次启动并长驻内存，不需要重复生成，以多线程的访问方式同时提供给不同客户端需要的拓扑数据，提高了系统的并行能力。
【专利附图】

【附图说明】
[0013]图1是本发明实施例的诊断系统的结构图。
[0014]图2是本发明实施例中邻接表的UML映射图。
[0015]图3是本发明实施例中3/2接线与邻接表的对应关系图。
[0016]图4是本发明实施例中双母线分段带旁路接线与邻接表的对应关系图。
[0017]图5是本发明实施例中电网拓扑生成层次结构图。
[0018]图6是本发明实施例中全网拓扑流程图。
【具体实施方式】
[0019]本发明基于拓扑知识的配电网故障诊断系统，如图1所示，包括资源层、知识层和诊断层。
[0020]所述资源层包括故障录波器、监测终端、配电设备台账、拓扑文件以及数据库等故障信息采集装置，所述监测终端用于从分段开关、隔离开关和断路器等收集故障后的开关状态信息，所述故障录波器用于获取故障后波形并以C0MTRADE形式表示，所述拓扑文件用于提供整个电网的电气接线图，所述配电设备台账用于获取各种配电设备在故障时的运行情况。
[0021]所述知识层包括为诊断层提供信息的知识库，所述知识库包括拓扑知识库和故障知识库，它们为诊断层发挥作用提供依据。
[0022]本层中的拓扑知识库按如下方法形成:IEC61970通过Terminal (端子)以及ConnectivityNode (连接点)反映设备之间的连接关系,在物理上相连的设备在CIM中通过自身的Terminal连接到一个公共的ConnectivityNode上。而邻接表则对图中每个顶点建立一个单链表，单链表中的结点表示依附于此顶点的所有边。经过对比可以得到在CM中每一个ConnectivityNode都对应于邻接表中的一个单链表。通过以上分析，本发明在拓扑包(Topology)的基础上创建两个类:Vertex类和adjNode类,分别对应邻接表的头结点类和表结点类。Vertex类的三个域分别为访问标志位、顶点名称、首节点指针,Vertex类包含母线、线路、变压器和电源，adjNode类用于反映与Vertex类发生连接关系的电气元件，即一个Vertex设备连接的ConnectivityNode含有n个端子,则邻接表中其对应的单链表就有n-1个adjNode。每一个adjNode类的三个域分别为关联电气元件的名称、连接的断路器、next域。根据拓扑包(Topology)建立邻接表的UML框图如图2所示。
[0023]另外，作为配电网一部分的变电站低压侧母线，会采用3/2、双母线分段带旁路等复杂接线方式，为了解决3/2接线中断路器直连的情况，本发明根据IEC61970中拓扑包(Topology)对ConnectivityNode类的定义,在两个直接相连的断路器之间加入Y节点。Y节点的判断方法为:如果一个ConnectivityNode对象连接了两个断路器与一条线路端点，则作为Y节点保留，举例说明如图3所示。而在双母线分段带旁路接线中，会涉及到隔离开关，断路器不同运行方式下通过不同的隔离开关接到不同的母线，本发明将处于“闭合”状态的隔离开关看作导线，转换图举例说明如图4所示。
[0024]所述诊断层是整个系统的界面，它完成人和系统的交流。所述诊断层包括故障诊断服务器和故障后事故分析程序模块，所述故障诊断服务器上设有故障诊断程序模块，用于对故障原因、影响等作出初步判断，为运行人员提供参考。
[0025]本发明还提供了基于拓扑知识的配电网故障诊断系统对应的诊断方法，包括拓扑知识形成和故障诊断。
[0026]所述拓扑知识形成按如下方法进行:
(I)故障发生时，处于最底层的资源层收集各种故障信息，通过监测终端从分段开关、隔离开关和断路器等收集故障后的开关状态信息，从故障录波器获取故障后波形，从配电设备台账获取各种配电设备在故障时的运行情况，从拓扑文件获得整个电网的电气接线图。
[0027](2)通过RDF Scheme Editor软件提供符合基于CM模型规则的RDF数据文件，或CIM-XML模型数据文件。
[0028](3)整合SVG图元形成各个厂站和配网馈线的接线图，并以CIS服务的形式对上层提供接口。其中，SVG是一种采用XML来描述的二维图形语言，在标准IEC61970-553-4部分，将其作为变电站图元的信息载体，电力图形生成与交换的标准。
[0029](4)通过LINQ to XML对各个厂站和配网馈线的接线图进行查询，查找各电气元件的名称、连接点、连接元件，存放在拓扑库中。所述拓扑库在内存中以DataSet的形式存在，是.NET中定义的数据的脱机容器，不包含数据库连接的概念，仅仅是在内存中的一组数据集。此处的拓扑库为查看厂站图形、拓扑分析、潮流计算提供不同的接口。
[0030]上述(2)、(3)、(4)的过程如图5所示。
[0031]上述步骤(204)中提到的拓扑库是核心部分，其形成过程为:
(401)应用程序(线路故障分析、潮流计算等)按照DataSet模板启动一个空DataSet。
[0032](402)从各厂站接线图中按DataSet模板的定义搜索相关数据，填充拓扑库。这部分功能在数据填充层以接口的形式提供给应用层。以查找IOkV母线为例，搜索步骤为:
a.读取整个电网图形文件。通过cim:SubControlArea求子控制区。
[0033]b.对每一个子控制区通过 cim: SubControlArea.Contain_Substations 求得各厂站。
[0034]c.对各厂站对应的图形文件用LINQ to XML查找母线cim:BusbarSection及其对应的电压等级。
[0035]d.通过母线的ConnectivityNode取出母线连接的开关。
[0036]e.判断是否访问到所有厂站，否则转第b步。[0037](403)用相同的方法搜索到馈线、配电变压器、以及连接的分段开关、隔离开关等开关设备。
[0038]拓扑库以邻接表的形式存储在DataSet中，并以服务器的形式随系统启动。
[0039](5)根据上述的邻接表表示方法，对全网的拓扑进行搜索，获得全网的拓扑结构，其算法流程如图6所示。
[0040]所述故障诊断按如下方法进行:
获得全网的拓扑结构后，结合资源层监测终端获得的故障后的开关状态信息，通过故障诊断服务程序即可得到因故障而断开的馈线，再通过深度优先搜索方法，获得这些馈线上所连接的配电变压器。通过配电设备台账信息统计这些停运配变的信息，如配变容量，故障时流过配变的瞬时功率等。
[0041]配电GIS提供集成的“地理信息+属性信息+关系信息”模型，故障诊断程序模块与配电GIS建立接口联系，从配电GIS中调用停电线路的地理信息，即停电馈线所处地理位置，然后将所述地理信息传给天气预报系统、雷电定位系统，获得故障时故障区域内的天气情况以及落雷情况，再利用配电设备台账获得故障时故障区域内配电设备的运行情况，最后根据天气、雷电、设备运行情况给出故障原因的初步判断，供运行人员参考。
[0042]以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于拓扑知识的配电网故障诊断系统，其特征在于，包括资源层、知识层和诊断层； 所述资源层包括故障录波器、监测终端、配电设备台账、拓扑文件以及数据库，所述监测终端用于收集故障后的开关状态信息，所述故障录波器用于获取故障后波形，所述拓扑文件用于提供整个电网的电气接线图，所述配电设备台账用于获取各种配电设备在故障时的运行情况； 所述知识层包括为诊断层提供信息的知识库，所述知识库包括拓扑知识库和故障知识库；所述拓扑知识库按如下方法形成:在IEC61970中拓扑包的基础上创建两个类=Vertex类和adjNode类，分别对应邻接表的头结点类和表结点类；VerteX类的三个域分别为访问标志位、顶点名称、首节点指针，Vertex类包含母线、线路、变压器和电源，adjNode类反映与Vertex类发生连接关系的电气元件，即一个Vertex设备连接的ConnectivityNode含有n个端子，则邻接表中其对应的单链表就有n-1个adjNode，每一个adjNode类的三个域分别为关联电气元件的名称、连接的断路器、next域；另外，根据IEC61970中拓扑包对ConnectivityNode类的定义,在两个直接相连的断路器之间加入Y节点，节点的判断方法为:如果一个ConnectivityNode对象连接了两个断路器与一条线路端点,则作为Y节点保留；将处于“闭合”状态的隔离开关看作导线； 所述诊断层包括故障诊断服务器，所述故障诊断服务器上设有故障诊断程序模块。
2.根据权利要求1所述的基于拓扑知识的配电网故障诊断系统对应的诊断方法，其特征在于，包括拓扑知识形成和故障诊断； 所述拓扑知识形成按如下步骤进行: (1)故障发生时，处于最底层的资源`层收集各种故障信息，从监测终端收集故障后的开关状态信息，从故障录波器获取故障后波形，从配电设备台账获取各种配电设备在故障时的运行情况，从拓扑文件获得整个电网的电气接线图； (2)提供符合基于CIM模型规则的RDF数据文件，或CM-XML模型数据文件； (3)整合SVG图元形成各个厂站和配网馈线的接线图，并以CIS服务的形式对上层提供接口 ； (4)通过LINQto XML对各个厂站和配网馈线的接线图进行查询，查找各电气元件的名称、连接点、连接元件，存放在拓扑库中；所述拓扑库在内存中以DataSet的形式存在，是.NET中定义的数据的脱机容器，不包含数据库连接的概念，仅仅是在内存中的一组数据集；拓扑库以邻接表的形式存储在DataSet中，并以服务器的形式随系统启动； (5 )对全网的拓扑进行搜索，获得全网的拓扑结构； 所述故障诊断按如下方法进行:获得全网的拓扑结构后，结合资源层的监测终端获得的故障后的开关状态信息，通过故障诊断程序模块得到因故障而断开的馈线以及这些馈线上所连接的配电变压器，通过配电设备台账统计这些停运的配电变压器的信息；故障诊断程序模块与配电GIS建立接口联系，从配电GIS中调用停电线路的地理信息，即停电馈线所处地理位置，然后将所述地理信息传给天气预报系统、雷电定位系统，获得故障时故障区域内的天气情况以及落雷情况，再利用配电设备台账获得故障时故障区域内配电设备的运行情况，最后根据天气、雷电、设备运行情况给出故障原因的初步判断。
3.根据权利要求2所述的基于拓扑知识的配电网故障诊断方法，其特征在于，在步骤(204)中，所述拓扑库的形成过程为: (401)应用程序按照DataSet模板启动一个空DataSet； (402)从各厂站接线图中按DataSet模板的定义搜索相关数据，填充拓扑库；这部分功能在数据填充层以接口的形式提供给应用层； (403)用相同的方法搜索到 馈线、配电变压器、以及连接的开关设备。
【文档编号】G01R31/08GK103675600SQ201310399457
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月5日 优先权日:2013年9月5日
【发明者】李天友, 王庆华, 陈敏维, 黄建业, 陈青, 高湛军 申请人:国家电网公司, 国网福建省电力有限公司, 国网福建省电力有限公司电力科学研究院, 山东大学