背景
一直以來，採用智慧型決策支持系統輔助或替代調度員處理電網中發生的故障，快速確定故障設備以提高故障處理的效率，是電網故障診斷研究的方向。
自20 世紀80 年代專家系統開始用於電網故障診斷之後，電網故障診斷的研究逐步深入，發展至今除了方法層面積累了豐富的成果外，還在複雜問題處理、信息融合、規則挖掘、線上電網故障診斷系統的信息獲取等諸多方面展開研究，並在實踐運行中積累了一定的經驗。
當前電網故障診斷的研究成果日趨豐碩，但專門研究地區級電網並不多見。而作為電網基礎調管單位的地區級電網，擔負著大電網運行的基礎職能，其管轄範圍從10 kV 至220 kV 甚至更高，電氣設備和保護裝置相對多樣，電網調度對於故障診斷的需求更為強烈。
地區電網故障時電網結構變化模式
相對於正常操作，地區電網發生故障時電氣設備失電過程有所不同，在一個短時間間隔內1 台或多台斷路器動作導致局部網架結構發生較大變化，並影響到網架上的潮流分布。因此，通過確定斷路器分閘導致的電網結構變化模式可以發現電網內故障的發生。
故障時電網結構的異常變化其實是繼電保護跳閘邏輯的間接體現，其基本變化模式可以分為以下幾類：
地區電網故障診斷基本分析模式1）模式1，故障電氣設備的完全隔離。即設備所連的斷路器在故障過程中全部分閘，見圖1 模式1 中的T1。這一模式包括以下設備故障形式：主變、電抗器、母線、裝設全線速動保護裝置的線路、為帶有備自投裝置的110 kV 終端變電站供電的線路。
2）模式2，帶有備自投裝置的變電站母線故障模式。此時除了原有供電線路已經被完全斷開，備用電源線路的電源側開關也會跳閘，形成多個失電區域，見圖1 模式2，當故障設備為B1 或B2 時，會形成L1 以及由L2、B1、B2 和下級變壓器構成的2 個失電區域。
3）模式3，220 kV 及以上電壓等級母線保護動作模式。此時不僅故障母線所連斷路器需要跳閘，而且需要母線所連線路的對側斷路器速動跳閘，形成了多個設備所連的斷路器被全部斷開的情況，如圖1 模式3 中B1 故障所導致的L1 和B1 所連斷路器全部分閘。這一模式主要包含非一台半斷路器接線的220 kV 及以上電壓等級母線故障及其母線保護死區故障。
4）模式4，負荷線路故障模式。在地區級電網調度模型上35 kV 及以下線路以單端元件顯示，被定義為負荷。這類單端元件的故障依靠單個斷路器的分閘無法直接判定是故障還是正常的倒閘操作，因此必須依賴於潮流分析。
在考慮正常操作前的負荷轉移前提下，如果此時由斷路器斷開的功率大於0.6 倍的正常負荷即判斷為故障。正常負荷可以根據本線路的負荷曲線進行計算，如果斷路器分閘前本線路所帶負荷大小低於其負荷相似日內同時刻負荷大小的0.6 倍，則可認為此時在負荷對側的用電設備已經進行電源切換等相關操作，斷路器跳閘為正常操作。
5）模式5，充電設備故障模式。電氣設備充電過程中充電保護動作將導致1 台斷路器分閘和1 個電氣設備失電，對電網影響最小；但僅憑斷路器分閘信息無法區分其與正常倒閘操作的區別，需要依賴充電保護動作信息才能確定這種故障模式。
6）模式6，區域失電模式，被斷路器分割的不是單個電氣設備，而是一個停電區域。造成這種模式的原因如下：110 kV 母線未採用雙母線接線方式時無需裝設母線保護，由上級線路近後備保護；電網內110 kV 以下母線無需裝設母線保護，故障時依靠變壓器後備保護切除；保護或斷路器拒動所導致的區域性停電。前2 類是由於保護配置原則所造成，而保護和斷路器拒動則是一種複雜故障模式，必須依賴保護信息才能確定。
根據以上電網故障變化模式，利用網路拓撲及結線分析，可以得到斷路器分閘引起的電網結構變化模式類型，快速識別出系統中是否發生故障，定位故障區域或初步確定故障設備。
採用基於網架變化模式匹配的方法缺乏對故障過程的分析，不能重構故障過程並判斷故障中保護和斷路器的動作行為是否正確，無法完全滿足電網故障診斷的要求。要實現對於故障過程的分析，還需要對二次系統的動作行為進行詳細的分析。
採用動態故障樹的電氣二次系統模型
地區電網故障診斷基本分析模式在電網故障時，繼電保護的動作邏輯實現由二次迴路來完成，只有構建完整的二次系統模型才能對電網故障時繼電保護的動作邏輯進行詳細的描述。在電網中，二次迴路的設計圍繞保護裝置展開，因此以保護裝置為單位構建診斷所需的二次系統模型成為電網故障診斷模型的基礎。
動態故障樹採用門電路描述邏輯模組，其形式如圖2 所示。動態故障樹常和事件樹相結合進行過程分析和故障診斷，適用於時序邏輯關係的表示，其不同於事件樹的地方在於分析推理採用反向邏輯推理，並採用歸納的方法確定導致故障發生的所有可能情況。
地區電網故障診斷基本分析模式採用動態故障樹構建電網故障診斷二次系統模型，可以描述保護裝置和斷路器動作行為的邏輯框架。
為結合調度端採集的故障信息，故障樹中門定義部分修改為調度中心的數據採集點標示，如遙信代碼或故障信息代碼，用YX0xx 表示，xx 為數字；若沒有信息對應則門定義為空，表示這一部分不可觀。圖3 為採用動態故障樹構建的我國110 kV 線路常用的RCS-941 型繼電保護裝置的動作邏輯模型。
圖3 中保護跳閘邏輯部分表示了由裝置當前運行定值所確定的保護動作邏輯，二次迴路部分描述的主要是斷路器控制迴路；其中的“有流”是RCS941 保護裝置的一個基本判別邏輯，由於沒有信息可以反映這一邏輯，屬於不可觀事件。
地區電網故障診斷基本分析模式圖4 為採用“備用門”所表征的斷路器拒動邏輯，備用門同時對距離保護各段的動作進行了順序約束，用SPARE 來表示；對於每個備用門中關聯的邏輯模組，其動作順序為從左至右，如圖4 表示左側備用門表示當距離I 段的邏輯未能執行時，距離II 段將作為其備用邏輯，距離II 段不能執行時距離III 段為其備用邏輯，它表述的是一種本裝置內保護之間的備用邏輯。
採用動態故障樹搭建二次系統模型為分析電網故障時繼電保護的基本動作模式提供了基礎。故障診斷時可以通過遍歷不同裝置動態故障樹來生成保護動作的基本模式，並據此完成電網診斷。
繼電保護的動作模式
電網故障診斷問題求解的一般條件
1）電網內的每一套繼電保護裝置的正常動作順序都由整定值限定，裝置間的動作順序則由其對應一次設備的拓撲關係所限定，故障過程中的保護和斷路器動作行為屬於強約束限定，形成分析的基本模式。
2）當電網故障時，繼電保護和斷路器是為應對故障而配置的順序控制元件，順序由整定計算原則所限定，因此由保護和斷路器動作所構成的故障事件是可以逐步分析的。如果故障事件中存在保護或斷路器不滿足預選設定的順序，則認為其動作錯誤。
3）由於電網故障區域內配置的保護數量有限，同時每套保護裝置內配置的保護類型也有限，因此由整定原則所約束的不同繼電保護動作配合所構成的事件序列組合是一個有限的集合。
4）故障事件中可能存在因保護拒動等不確定因素造成的持續過程較長的故障，但由於繼電保護裝置之間的相互獨立性以及各廠站二次系統工作不相關，故障終將被切除，因此故障事件有時限約束，即由保護和斷路器構建的事件序列是有限事件序列。
5）在同一故障事件中，保護動作的目的是通過斷路器動作將故障切除，若同一個保護重複動作則意味著故障事件中存在異常動作行為，如：斷路器重合於故障線路後加速未動作而導致的重合復掉。
以上的限定表明採用繼電保護信息和斷路器動作信息分析故障過程的本質是校驗人工預先設定的固定順序控制邏輯在故障過程中是否正確執行，是故障時可觀故障信息和預設控制邏輯順序的匹配分析。
假設在某一故障情況下，故障區域相關電氣設備所對應的繼電保護及斷路器全部可能動作的行為(包含錯誤動作)將構成一個有序事件序列，用F{F,F, ..., F, ..., F}表示，F表示為應對某一設備故障而預先設定的保護及斷路器動作邏輯。
這一序列基於保護配置原則並由整定原則所約束；此時調度端所接受到的繼電保護和斷路器的實際動作行為事件序列以S{s, s,... , s, ... , s}表示，s表示單條保護或斷路器動作信息；則F中必然存在一個F=S。為了構建集合F，需對故障時繼電保護裝置的基本動作模式進行分析。
繼電保護裝置動作模式劃分
繼電保護的配置及整定是面向元件，因此對於安裝在各變電站內的繼電保護裝置，只能區分區內和區外故障。區內即其所配屬的電氣設備，區外即為除去配屬設備的外部設備。所以其動作模式可以劃分為保護配屬對象故障模式和外部設備故障模式。再考慮斷路器和保護裝置自身異常動作的可能性，將保護裝置的動作模式劃分如下5 種。
1）保護配屬對象故障模式。
由於單套裝置內配置有多種類型的保護，這一模式不唯一，由一個保護動作事件序列集合構成，斷路器動作信息是保護動作的結果。定義集合FI{F, F,... ,F}為一個保護和斷路器動作序列，以圖3 中的RCS-941 裝置為例，則動作序列為：
地區電網故障診斷基本分析模式F{距離I 段，斷路器跳閘}；
F{距離I 段· 零序I 段，斷路器跳閘}；
F{距離II 段，斷路器跳閘}；
F{距離II 段· 零序II 段，斷路器跳閘}。
其中“·”表示並行事件，“，”表示順序關係。
圖5 描述了一個典型的地區局部電網110kV 終端線路的接線，接線方式簡單。其中包括等值系統S1，變壓器T1，線路L1、L2，斷路器QF1, …, QF5。
由於變電站中母線接線常採用橋形接線或單母線分段接線，因此不配置母差保護和斷路器失靈保護，這就導致當110 kV 線路故障時，如果發生斷路器拒動，故障需要由上一級線路後備保護進行切除。
圖5 中的線路L2 發生故障，若採集的故障信息形成動作序列S{L2 距離I 段保護動作，QF2 斷路器跳閘}，和事先設定的F匹配，由此可以判斷出故障設備為L2。
2）外部設備故障模式。
這一模式下，保護裝置動作指向外部系統，同樣這一模式也不唯一。定義集合F{F, F,... ,F}
為外部設備故障時一個保護和斷路器的動作序列，以圖3 中的RCS-941 裝置為例：
F{距離II 段，斷路器跳閘}；
F{距離II 段· 零序II 段，斷路器跳閘}；
F{距離III 段，斷路器跳閘}；
F{距離III 段· 零序III 段，斷路器跳閘}；
F{零序IV 段，斷路器跳閘}。
當保護裝置的動作模式確定為外部設備故障模式時，依據本裝置的動作信息無法判定故障設備，需要結合其他裝置的動作信息加以判定；同時需結合結線分析對不同保護裝置對應的電氣設備之間的連線關係進行分析，以確定保護之間的配合關係。
3）斷路器拒動模式。
這個模式中，保護裝置動作的保護指向某設備，當該設備的故障信息中保護動作信息可以匹配於保護配屬對象故障模式或外部設備故障模式的保護信息，但故障事件序列中未有該設備的斷路器動作信息時，可以認為發生了斷路器拒動。
定義集合B{B, B,... , B}為斷路器拒動時保護的動作序列，以圖4 中的RCS-941 裝置為例：
B{距離I 段保護，距離II 段保護，距離III段保護}；
B{距離II 段保護，距離III 段保護}；
B{距離I 段保護，距離II 段保護}；
B{距離I 段保護}；
B{距離II 段保護}。
4）保護拒動模式。
保護拒動是一個不可觀事件，只能進行近似估計，即由可疑故障設備上級動作保護的外部動作模式來確定。
定義集合PR 為保護拒動時保護和斷路器的動作序列，集合內元素為其上級保護的外部系統故障模式，如圖5 中調度端接收事件系列為S{L2 距離III 段保護動作，斷路器QF2 跳閘}時，可以確定其下級L1 或變壓器T1 保護拒動。
5）異常動作模式。
這一模式主要指保護動作中存在有不滿足保護動作時限約束、故障類型約束的情況，主要用於辨識繼電保護的錯誤動作行為。
定義集合M 為異常動作時保護和斷路器的動作序列，以圖4 中的RCS-941 裝置為例：
M{距離I 段, 距離II 段}；
M{相間距離I 段，零序I 段}；…。
斷路器拒動模式和保護異常動作模式可以重疊。
上述5 種模式對應於單套保護裝置或斷路器，在故障時由於可能在區域內動作多套保護裝置，需要將多套裝置的動作模式進行處理，以生成可以匹配故障信息的事件序列。
多重化保護配置下的保護動作模式疊加
由於220 kV 及以上繼電保護裝置雙重化配置，變壓器保護的配置多重化，這些保護動作的模式需要按照其動作時限進行序列重排，將獨立工作的保護裝置的動作模式進行重疊，以反映故障時的多個保護裝置同時動作的情況。
如對於某220 kV 線路保護，由於其配置有RCS-931A 型保護及PSL602G 型保護，其基本動作模式之一為： Fi1{RCS-931A 差動保護動作·RCS-931A 距離保護I 段動作· PSL602G 縱聯距離動作· PSL602G 距離保護I 段動作}。
失電區域多裝置動作模式的網路拓撲疊加
在斷路器或保護拒動時，事故範圍擴大，故障分析將涉及到多個電氣設備所配置的繼電保護裝置，此時依靠單套裝置的動作模式無法完成對電網故障的過程分析。
為完成和調度端所收到的故障信息的順序事件匹配，不同保護裝置的動作模式需要基於整定原則根據其對應電氣設備的拓撲關係進行疊加。拓撲疊加時，首先通過結線分析程式，將2 個電氣設備之間距離電源較遠的電氣設備設定為下級設備；然後依據保護動作級差時限對2 個電氣設備的保護動作模式進行序列重排：即下級設備的保護被假定為故障設備，採用保護配屬對象故障模式或斷路器拒動模式，上級設備的保護動作模式為外部設備故障模式，形成新的事件序列，將之與故障信息進行匹配。
圖5 所示電網中的調度端收到故障信息，構成事件序列S{L1 線距離保護I 段動作· 零序保護I段動作，L1 線距離保護II 段動作· 零序保護II 段動作，L2 線距離保護II 段動作· 零序保護II 段動作，斷路器QF2 動作}，此時，L1 和L2 的繼電保護動作模式進行疊加，以匹配於S。通過結線分析可以得到：L2 距離等值電源S1 更近，而L1 通過母線和L2 相連線，其下級設備中沒有連線電源設備，因此L2 為L1 的上級設備，兩者之間存在保護配合關係，可以進行保護模式的疊加。L1 未有斷路器動作信息，符合斷路器拒動模式和異常動作模式；而L2 符合外部設備故障模式中的Fo2 序列，因此可確定L1 線故障，斷路器拒動，L2 線延時切除故障。
繼電保護動作的模式不相容現象
採用保護信息進行故障診斷是一種間接形式的事件分析，並未能直接觀察到故障，而是由保護裝置的動作行為來確定故障，即假設某一保護動作和斷路器動作事件的發生是由對應的電氣設備故障導致的。
這就帶來一個問題，因為繼電保護裝置存在錯誤動作的可能。若在某故障事件中有2 個電氣設備的主保護同時動作，則2 個保護裝置的動作模式出現了不相容現象，此時確定2 個設備同時發生故障還是其中有一個保護裝置錯誤動作，就成為值得探討的問題。
如圖5 所示電網中的調度端接收到故障信息，構成事件序列S{L1 線距離保護I 段動作· 零序保護I 段動作，L2 線距離保護I 段動作、零序保護I段動作，斷路器QF2 動作}。
進行模式匹配將得出：L2 線保護對象配屬故障模式，L1 線為斷路器拒動模式，僅僅採用單裝置模式及拓撲疊加將不能形成完整的邏輯鏈，而依賴於保護和斷路器動作信息將無法得出確定性的結論，無法確定此時是L1 故障、斷路器拒動，還是L2 主保護錯誤動作。
這就需要有新的假設條件進行約束，考慮到電氣設備故障時，在故障路徑中受持續短路電流作用的非故障設備可能出現絕緣破壞的機率遠遠大於故障時非故障設備保護裝置誤動作的機率，可以在出現保護動作模式不相容的情況時進一步分析故障路徑。當動作保護所配屬的不同電氣設備存在於同一故障路徑中時，可以認為是2 個設備先後發生了故障，通過結線分析進行判斷，距離電源較遠的電氣設備為最早發生故障的電氣設備。
如上例，通過結線分析得到L2 和L1 拓撲相連並且L2 距離故障後的帶電設備更近。則可以確定故障由L1 開始，由於斷路器拒動故障未及時切除導致L2 故障。
