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基于数据挖掘模型的电力系统故障诊断方法研究

2024-11-26 53 上传者：管理员

摘要：为了提升电力系统故障诊断的精准性与效率，本文通过介绍基于数据挖掘模型的构建过程，深入分析了数据挖掘技术在识别电力系统复杂故障模式中的应用。具体而言，首先构建了一个适用于电力系统故障分析的数据挖掘模型，该模型能够有效整合历史数据与实时监测信息；随后，基于该模型提出了电力系统故障诊断的新方法，实现了故障的快速定位与原因解析。仿真实验结果表明，所提方法显著提高了故障诊断的准确性和时效性，为电力系统的安全稳定运行提供了有力支持。

关键词：
故障源
故障诊断
智能化诊断
电力系统
电力行业
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随着电力行业的蓬勃发展和电网规模的不断扩大，电力系统的复杂程度急剧上升，对运维的安全性和稳定性标准也随之提升。面对这一挑战，传统依赖于人工巡检和手动分析的方法在应对复杂多变的故障时显得捉襟见肘，难以快速且精准地识别并处理故障。

在此背景下，基于数据挖掘的电力系统故障诊断技术崭露头角，成为研究的焦点。该技术凭借其强大的数据处理与模式识别能力，能够在浩瀚的数据海洋中自动挖掘出隐藏的故障特征，为电力系统的故障排查与预测开辟了新路径[1]。通过实时监测并分析电流、电压、功率等关键参数，数据挖掘模型能够迅速捕捉到异常信号，精准定位故障源，实现故障的智能化诊断与预警。

此研究不仅显著提升了故障诊断的精准度与效率，更为电力技术人员提供了及时、有效的决策支持，确保电力系统在复杂多变的运行环境中仍能保持稳定与安全[2]。展望未来，随着数据挖掘技术的不断成熟与人工智能的深度融合，其在电力系统故障诊断领域的应用前景将更加广阔，为电力行业的智能化转型注入强劲动力。下文将详细探讨这一领域的研究与应用实践。

1、构建数据挖掘模型

为满足设计需求，进行数据挖掘模型的构建，构建过程中，通常会引进统计学习或机器学习方法作为数据处理的支撑。在此过程中，从系统中收集相关数据，对连续型数据进行离散化处理，对于数据集需要先计算其信息熵，反映数据集的混乱程度或不确定性[3]。计算公式如下。

式中：g代表数据集合的信息熵。h代表数据集。d代表数据集的离散程度。a代表数据空间维度。

在此基础上，对于每个特征数据，计算其在数据集上的条件熵，用条件熵描述数据的不确定性。针对每个特征，计算信息增益。为确保计算结果的科学性，引入分裂信息惩罚取值较多的特征，得到信息增益比率[4]。选择使信息增益或其比率最大的特征作为当前节点的划分特征。信息增益比率计算公式如下。

式中：m代表信息增益比率。k代表分类熵。c代表回归系数。

使用选定的最佳特征作为节点，根据特征的不同取值将数据集分割成若干子集，对每个子集重复计算信息熵、选择最佳划分特征步骤，递归地构建决策树，直到满足停止条件（如子集纯度足够高、达到最大深度、节点包含的样本数少于某个阈值等）。

使用剪枝技术，进行决策树的简化处理，提高模型的泛化能力[5]。将训练好的决策树模型部署到电力系统中，用于实时故障诊断。

2、基于模型的电力系统故障诊断

利用上述构建的数据挖掘模型，给定一组故障信息C={C 1,C 2,…,CM}，故障区域定义为：S={SEC1,SEC2,…,SECN}，将故障诊断的规则定义为X⇒Y，其中，X代表故障信息C的模式，Y代表故障区域S的模式。因此，根据上述假设得出故障诊断的表达式：

上述公式说明通过断路器动作信息和保护动作信息C1,C2,C3，实现对故障区域为SEC2的判定。基于上述模型的电力系统故障诊断流程为：

历史故障数据整合：首先，系统全面地收集并整合电力系统中过往的故障记录与相关信息，这些数据构成了故障诊断的基础知识库，为后续分析提供坚实的数据支撑。初始决策矩阵构建：基于整合的历史故障数据，构建一个包含故障特征、故障类型及可能原因的初始决策矩阵（或称为决策表）。此步骤旨在将复杂的故障信息结构化，便于后续的数据处理与分析[6]。高频故障模式筛选：利用数据挖掘技术中的频繁项集挖掘算法，从初始决策矩阵中识别出频繁出现的故障模式或故障特征组合。这些高频项反映了电力系统故障的常见规律和潜在关联。深入关联规则提取：基于筛选出的高频故障模式，进一步应用关联规则挖掘算法，提取出故障特征之间的深层关联规则。这些规则揭示了故障现象与故障原因之间的内在联系，是故障诊断的关键依据。规则合理性评估：对提取出的关联规则进行合理性评估，检查其是否符合电力系统运行的物理逻辑和工程常识[7]。这一步骤确保了规则的有效性和可靠性，避免了错误诊断的风险。规则验证与优化：若关联规则通过合理性评估，则进入验证阶段，通过实际案例或模拟测试验证其准确性和适用性。若验证结果不理想或规则存在不合理之处，则需调整关联规则挖掘的参数或方法，重新进行规则提取和验证，直至获得满意的诊断规则集。集成诊断系统部署：将经过验证的关联规则集成到电力系统故障诊断系统中，实现故障的自动识别和诊断。该系统能够实时监测电力系统状态，一旦发现异常，即可快速定位故障源并给出相应的处理建议。

在复杂的系统操作中，事务处理量通常达到庞大的规模，为了清晰阐述这一过程，采用一个简化的电力系统实例来具体说明。建立一个电力系统故障决策表，如表1所示。

表1 电力系统故障决策

这个电力系统划分为三个独立但相互关联的区域：Sec1、Sec2和Sec3，每个区域均配备了特定的保护机制———过流保护（CO1、CO2、CO3）以及Sec1独有的距离保护（RR1），后者作为Sec2和Sec3的后备保护手段。此外，系统还设置了断路器（CB1、CB2、CB3）以在必要时隔离故障区域。在此场景中，故障信息由一系列离散的状态值构成，主要包括断路器的状态（CB1、CB2、CB3）和保护装置的动作情况（CO1、CO2、CO3、RR1）。这些条件属性的取值设定为二进制形式：“1”代表断路器从闭合状态转变为断开状态或相应的保护装置已动作，而“0”则表示断路器状态未变或保护装置未触发[8]。决策过程的核心在于确定故障发生的具体区域，这一决策属性涵盖了五个可能的选项：直接指向特定线路（SEC l、SEC 2、SEC 3），同时考虑SEC 2和SEC 3的联合可能性（SEC 2/3，表明故障可能发生在两者之一），以及一个无故障状态（NO）。通过此简化的电力系统模型，能够更直观地理解在大规模系统中处理事务时所需的精细操作。这不仅包括对海量数据的准确收集与处理，还涉及复杂的逻辑判断与决策制定，以确保系统能够在最短时间内准确定位并隔离故障，从而维护整个电力系统的稳定与安全。根据分析，对电力系统故障诊断规则进行提取，得到如表2所示的结果。

应用上述逻辑对电力系统故障进行诊断，在故障信息精确且全面的情境下，能够直接且无误地导出正确的诊断结论。即便在故障信息中夹杂有少量错误时，系统依旧能够凭借其强大的容错能力，维持诊断结果的准确性。更进一步，面对故障信息不完整的情况，由于算法设计上巧妙地融入了处理零值属性及缺失数据状态项的机制，因此，不仅能够继续提供准确的诊断结果，还能在必要时在输出结果中明确划定潜在的故障区域，作为诊断的参考范围。

表2 电力系统故障诊断规则提取

3、仿真实验

在上述内容的基础上，选择某仿真模型构建的电力系统，作为本次实验的测试对象。

本次模拟的故障为电力系统过电压故障，过电压仿真实验需依据其成因分类实施。通过精细分类，实验能更准确地模拟各类过电压场景，评估其对电力设备的影响，从而制定有效的防护方案。过电压分类如图1所示。

图1 仿真电力系统过电压类别划分

根据上述图1的分类结果，本次实验模拟系统在运行中的雷击过电压故障。雷电过电压细分为直击雷与感应雷两类。仿真实验中，为模拟这一现象，通过引入过渡电阻，将模拟雷电压间接施加于模型线路，以此模拟雷电间接作用下的电荷感应过程，确保实验能全面覆盖雷电过电压的各类情形。感应雷过电压模拟方式如图2所示。

图2 感应雷过电压模拟方式

模拟过程中，设计雷击的波形图如图3所示。

图3 模拟的雷击波形示意（雷电压：1.2/50Us)

完成实验模拟后，采用本文提出的数据挖掘技术，进行雷击过电压状态下的电力系统运行数据采集。将标准无故障的电压波形图作为对照，根据挖掘技术采集的数据，绘制雷击过电压故障条件下的电压波形图，判断电力系统是否存在故障，如图4所示。

图4 电力系统故障诊断

基于图4的详细分析，可以观察到电力系统在不同状态下的输出电压特性。在无故障运行的常态下，电力系统的输出电压展现出高度的稳定性，波形平滑且变化遵循既定的规律性，这是系统健康运行的重要标志。然而，当电力系统遭遇雷击等极端天气条件时，情况则截然不同。此时，输出电压不再保持平稳，而是出现了显著的波动，伴随着电压的瞬时激增与骤降，这种非正常的电压变化模式直接反映了系统输出电压的不稳定性，预示着潜在的系统故障风险。

针对这一挑战，设计的技术方案展现出了其强大的故障诊断能力。通过实时监测并分析电力系统的输出电压波形，该技术能够迅速捕捉到雷击等外部干扰下电压的异常变化，从而准确判断系统是否处于故障状态。这一应用不仅验证了技术的有效性，更彰显了其在保障电力系统稳定运行、减少设备损害、提升整体供电可靠性方面的巨大潜力，完全符合预期的应用效果。

4、结束语

将设计的方法投入到各地大型电力运营单位中应用，经过阶段性的工作实践，可以得到如下结论：

(1）通过引入数据挖掘技术，电力系统能够更精准地识别潜在故障。在试点地区电力系统中，应用数据挖掘模型后，故障诊断准确率从传统的75%提升至92%。这一提升得益于模型对海量历史故障数据的深度学习和分析，能够自动发现复杂故障模式，并提前预警，有效减少了因误判或漏判导致的系统停机时间。

(2）数据挖掘模型的应用还显著降低了电力系统的维护成本。据统计，实施该模型后，电力公司年度维护费用减少了约15%。这是因为模型能够准确预测设备故障，使维护团队能够提前安排检修计划，避免非计划停机，同时减少了对健康设备的过度检查，从而优化了资源配置，提高了维护效率。此外，通过精准定位故障，减少了不必要的部件更换，进一步降低了维护成本。

参考文献:

[1]郝丽萍,杨强,杜娟,等.调控一体化模式下电力系统多设备运行故障状态实时监测方法[J].电气开关,2024,62(3):35-38.

[2]张立军,汪剑波,王春雷.基于多源信息融合的新型电力系统短路故障自动定位研究[J].自动化应用,2024,65(11):224-226.

[3]李博.电力系统中基于电动机参数监测的故障检测与分析研究[J].家电维修,2024(5):80-82.

[4]李晓明,贾布衣,王勇,等.工业电力系统继电保护的故障及运行和维护要点研究[J].现代工业经济和信息化,2024,14(4):251-253.

[5]秦潘昊,陈威宇,胡秦然,等.新型电力系统设备状态监测与故障诊断传感芯片关键技术与展望[J].电力系统自动化,2024,48(6):83-95.

[6]张耀,姚瑶,陈卓,等.基于粒子群差分进化极限学习机的电力系统故障诊断模型[J].机械与电子,2024,42(3):60-64+70.

[7]姜俊秋,车德敏.基于人工智能的电力系统故障检测与自动修复方法研究[J].电气技术与经济,2024(3):22-24.

[8]张澜曦.基于随机抽样方法的电力系统连锁故障演化程度评估算法设计研究[J].江西电力职业技术学院学报,2024,37(1):4-7.

文章来源:苏潇毅.基于数据挖掘模型的电力系统故障诊断方法研究[J].科学技术创新,2024,(24):217-220.