针对企业电网谐振故障诊断模糊专家系统的研究

1 引 言

随着现代化大生产的飞速发展和科学进步，企业生产对电网安全运行的需求与日俱增。现代电网发展的一个明显趋势是大型化、高速化、连续化和自动化，设备组成与结构复杂化，潜伏着一个危机，即一旦发生故障，所造成的直接、间接损失也将十分严重。在电网各种故障事故中，由于过电压引起的事故又占主导地位，其中，因系统的电感、电容参数配合不当，出现的谐振过电压因幅值高，且持续时间长，危及电器设备的绝缘，也能因持续的过电流烧毁电感元件设备(如电压互感器)，还会影响保护装置的工作条件(如避雷器的正常运行)，给企业造成巨大的损失。在我国，35 kV线路往往采用不接地或经消弧线圈接地的形式，在中性点不接地系统中进行开关操作或发生故障时，外加的强迫振荡频率等于振荡系统中的某一自由振荡频率时，容易激发起持续时间较长的铁磁谐振，引起谐振过电压。

系统采用自检的方法，在没有故障发生时，系统每隔一段时间进行自检，以判断电网状态；一旦故障发生立即进入谐振故障诊断模块，判断谐振故障原因，给出诊断结论，为技术人员快速准确地解决谐振故障恢复电网供电提供帮助。

2 江西德兴铜矿动力厂35 kV谐振故障仿真实验

以德兴铜矿回水2站为例，系统开始运行在20 kV，0.3 s后给等效加冲击电压35 kV，系统迅速振荡到50 kV，在1 s后切除冲击电压，系统电压幅值超过30 kV，且负载系统不能恢复正常运行。仿真波形近似于锯齿波形，在横坐标1 s处系统进入稳定振荡。线路在母线接地电容C=1e-6 F时35 kV线路的三相电压波形为正常的正弦波形，电压幅值为28 kV。当在0.5 s处将母线接地电容人为更改为C=2e-5F时，线路上通过三相电压计得到的线路三相电压波形表示系统进入了稳定谐振，通过三相电压计得到的线路三相电压幅值为40 kV且系统不能恢复正常电压。

将后两种情况下的波形比较可以得出：在提高线路对地电容值后，线路相电压将由2.8 kV升高到3.5～3.8 kV，并且进入了稳定振荡。

3 模糊专家系统的研发

模糊专家系统是在知识获取、知识表示和运用过程中全部或部分采用模糊技术来处理其不确定性的一类专家系统。也就是说，在传统专家系统处理解决问题的过程中，往往存在着许多概括性的、笼统的、含糊的表示事物状态的自然语言，以及具有不完善的专家知识模式。运用模糊技术来处理这类专家系统，并称其为模糊专家系统。

3.1 隶属函数的构建及模糊规则

电网谐振故障诱因较多，是一种或多种原因的组合。本模糊专家系统是将谐振故障发生时SCADA系统监测的电网各相电压，电压互感器的开口电压和电流值通过模糊理论的隶属函数计算隶属度为技术人员快速准确判断故障原因，解决故障恢复生产提供依据。当采集到实时数据后，根据实时数据的数值范围分别与模糊语言较高或较低相对应，再计算相应的隶属度。如：UA=28 kV，则电压高的隶属度为：

将检测到的电流和电压经过隶属函数的预处理后和相应的模糊规则进行匹配，判断谐振故障发生的原因和发生故障的位置，从而得出诊断结果，所以本系统采用带有可信度的模糊规则。系统根据专家经验和企业历来发生谐振故障时各种故障征兆所占比例给定每个规则激活阈值和结论可信度的对比值，即诊断结论可信度>0.5，则认为诊断结论正确。限于篇幅原因，仅列举本系统中的一些规则。

规则1：如果频率高(0.4)且开口电压高(0.6)，则线路高频谐振(0.5，0.4)。

规则2：如果U△正常(0.3)且UB低(0.5)且UA高(0.1)且UC较高(0.1)，则线路B相接地(0.6，0.4)。

规则3：如果U△正常(0.3)且UC低(0.5)且UB高(0.1)且UA高(0.1)，则线路C相接地(0.6，0.4)。

以规则1为例，假设采集到现场电压互感器的开口电压为50，频率为45，先计算开口电压高的隶属度和频率高的隶属度分别为0.6和0.4，则：

前件合取可信度=0.6×0.4+0.4×0.6=0.48，而规则1的规则激活阈值为0.4，0.48>0.4，则证据匹配成功，激活规则1，结论可信度CF=0.5×0.48=0.24。

3.2 本系统的知识库管理模块的具体实现

本系统的知识库管理模块的具体实现为：

(1)以数据库为载体。采用Microsoft SQL Server2000进行知识库的建立和存储；

(2)分为原始知识库(事先已设计好)、知识录入界面、知识修改界面3个子菜单；

(3)人机接口界面。使操作简单直接；

(4)口令验证界面，提高系统的安全性；

(5)语法检查，避免误操作；

(6)随着实践的发展，对故障原因、处理措施等不断总结的事故样本库，通过样本管理界面实现样本的查询、删除、添加和修改4个内容。

事故样本管理界面如图1所示，双击某个样本记录可调用样本修改模块，对该样本进行修改；若双击表格空处则调用样本添加模块，由用户自行增加事故样本。对事故样本的查询采取2种方式：一是按事故类型查询，一是按事故发生的时间查询。用户可自行选择查询的方式。事故样本查询界面如图2所示。

对事故样本的修改和添加包含对事故的处理措施，则可由用户选择是否将其处理措施设为默认措施。用户选择是，当发生同类事故时，系统将自动把该处理措施提示给用户。事故样本修改界面如图3所示。

3.3 系统测试

(1)单相接地引起的谐振故障测试

测试过程：以324线路为例，先设定故障值如图4所示，此值将产生一个单相接地故障。

点击开始，系统运行。系统运行结果如图5所示；点击故障符号，显示故障线路的状态值，并弹出详细故障信息窗口。双击表中记录，只弹出详细故障信息窗口，如图6所示；故障结束后，单击“事故日志”(见图7)，其故障信息已存入历史记录。

测试分析：系统可如实反映出故障信息和故障时的电气状态，并诊断出基频谐振是由于324线路A相单相接地故障引起，与事实相符。响应速度达到设定时间的要求，其功能达到预期目标。

(2)单相断线引起的谐振故障测试

输入信息：以318线路为例，设定值如图8所示；测试过程：点击开始，系统运行。点击故障符号，显示故障线路的状态值，并弹出详细故障信息窗口。如图8所示。双击表中记录，只弹出详细故障信息窗口图9；故障结束后，单击“事故日志”，其故障信息(见图10)已存入历史记录(见图11)。测试分析：系统可如实反映出故障信息和故障时的电气状态，且响应速度达到设定时间的要求，其功能达到预期目标。

4 结 语

首先分析铁磁谐振故障机理及其产生条件，将模糊理论、专家系统、数据库理论、面向对象的程序设计方法等应用于谐振的故障诊断中，并成功的设计了一个基于企业电网的谐振故障诊断模糊专家系统。软件已经在江西铜业集团的德兴铜矿上机调试，基本达到了预期的功能效果。本系统具有以下特点： 

(1)在系统的开发上，本模糊专家系统模型的搭建继承并改进了专家系统的典型结构。系统采用面向对象编程技术和Visual C++6.0程序语言开发专家系统，并采用Microsoft SQL Server 2000数据库构造知识库，突破以往采用人工智能语言LISP，Prolog开发专家系统的框架。

(2)在模糊知识设计上使用了模糊产生式规则形式和正反向推理机制。独到的解决了系统的不确定性的特点。

(3)在实现组态王向用户数据库系统传输大量数据的编程中，巧妙地解决数据库接口问题，提高了系统的编程效率，并实现了该系统的可移植性。