故障錄波

一種基於故障錄波信息的調度端電網故障診斷系統。

本文分別介紹各模塊工作原理，重點對故障診斷模塊進行了詳細的分析。

隨著電網規模日益擴大，就需要一個能夠準確進行故障元件診斷、事故后數據分析、保護動作行為評價等功能完善的電網故障信息綜合分析系統。這對於電力系統的安全可靠運行起著十分重要的作用。

電力系統的調度自動化是電網安全穩定運行的重要保證，隨著其自動化水平的不斷提高以及通信等技術的加盟，促進了網路層的EMS（能量管理系統）、SCADA系統（數據採集及監視控制），廠站端的SOE（事件順序記錄）、PDR（事故追憶記錄）等配套設施的不斷出現和改進。多年來，電力系統自動故障記錄已成為分析系統事故，特別是分析繼電保護動作行為的重要依據。尤其是以微機為基礎的故障錄波裝置，能夠記錄電網故障發生前後電氣量和狀態變化過程信息，完整地反映故障后的瞬間變化及繼電保護的動作行為，並有數據存檔和數據再分析的能力。而且，隨著通信技術的介入，電網調度端可以隨時收集分佈於各個廠站的故障錄波器的信息，這就是故障錄波器聯網系統。到目前為止，各網（省）調已相繼完成以實現全網故障錄波數據遠傳為主要目標的聯網工作。其目的非常明確：提高電力系統調度和運行的水平，提高處理電力系統事故的快速反應能力，確保電力系統安全可靠供電。從而，所有上述調度自動化配套設施，都為開發電網故障信息綜合分析系統提供了廣闊的平台。

基於以上分析，本文開發了一種基於故障錄波信息的調度端電網故障診斷系統，提出了“軟保護”的診斷思想，實現了電網調度端的故障錄波信息管理、電網層的故障元件診斷、以及雙端測距等功能。並用電磁暫態分析程序ATP（The Alternative Transients Program）和MATLAB語言對整套軟體的演演算法進行了模擬驗證。下面將重點介紹故障診斷模塊的實現。

1 電網故障診斷系統各模塊及實現功能

基於調度端的電網故障診斷及信息分析系統分為幾個功能模塊：資料庫模塊、系統管理模塊、故障診斷模塊、故障信息分析模塊、保護和開關動作行為評價模塊等。各模塊之間的關係如下圖1所示：

（1）資料庫模塊：

本文利用SQL Sever技術建立了各種信息的資料庫，並通過Visual C++提供的MFC ODBC資料庫類來實現對資料庫的訪問。這些數據表包括：

1、系統參數類：線路參數表、變壓器參數表、發電機參數表等；

2、故障錄波類：故障錄波數據文件表、故障錄波組態文件表、錄波器配置表、錄波文件記錄表、硬體保護動作表等；

3、關係對應類：元件與軟保護對應表、元件與故障錄波數據介面對應表等；

4、保護配置類：軟保護配置表、硬體保護配置表等

該數據模塊具有永久保存的功能，方便日後隨時查詢歷史記錄；同時設有用戶許可權；資料庫模塊可以滿足各種查詢和瀏覽及列印的需要，為現場運行和管理人員服務。

下面給出了數據表之一線路參數表：

（2）系統管理模塊：

系統管理模塊是本系統的重要模塊，包括故障信息管理等子模塊，並且協調故障診斷等功能模塊完成相應的任務，負責系統建立和維護工作。

（3）故障診斷模塊：

該模塊是本系統的重點。當系統發生簡單故障時，僅利用開關和保護信息就可以定位故障元件，而且得到的診斷結果可信度高。但是當系統發生複雜故障，或者開關、保護存在較多誤動、拒動以及因通道干擾發生信息丟失或錯誤等諸多不確定因素時，僅依靠開關和保護信息已經不可能定位到故障元件，過去開發的智能診斷系統給出的結果往往可信度不高，可疑元件較多，甚至是錯誤的解，要達到準確診斷必須加入新的信息源。隨著繼電保護及故障錄波信息網的建立，豐富的錄波信息為進一步診斷提供了基礎。本文對在複雜故障情況下利用中心站收集的故障錄波信息進一步診斷的方法進行研究，提出了軟保護的診斷思想，並建立了相應的面診斷模型，有效地彌補了利用開關、保護信息診斷的局限性。

（4）故障信息分析模塊：

該模塊首先根據(3)故障診斷模塊的診斷結果調用相應元件的錄波器數據分析以確定故障類型、故障相別等。如果是線路故障，則利用以上數據結果，採用較為精確的雙端故障測距方法，定位故障點。再次，運用微機保護中的計算機演演算法進行諧波含量的分析，以波形顯示。最後是阻抗特性，功率方向分析等。本文利用VC++中封裝的GUI(圖形設備界面)類來實現各種圖形的繪製．

（5）保護和開關的動作行為評判模塊：

利用相關的關係資料庫以及以上的分析結果，對故障元件相關保護及開關的動作行為的正確與否作出判斷。本文利用專家系統的知識表示法框架法表示各種關係，用推理的思想，對其進行評價。

2 故障診斷模塊

2.1軟保護思想的提出

在實際的硬體保護中，由於實時性要求和通訊條件的限制等原因，勢必造成保護可能不正確動作的缺陷，因此減弱了現場提供的保護信息的可靠性，所以，在離線分析的基礎上，軟模型的保護能充分克服以上缺陷，發揮錄波信息（主要是電氣量信息）的優勢，完成對電網複雜故障的精確定位，並對硬體保護（考慮後備配合關係）有一定的評價能力。這樣，利用故障錄波器的信息，就可以來彌補故障發生時僅用保護、開關動作信息的不足。由於利用波形信息診斷的複雜性，諸多因素都將影響到診斷的性能，鑒於實際保護裝置的保護功能對各種具體情況考慮得比較全面，因此，本文採用了軟保護的方法來診斷系統中母線、變壓器以及線路等元件。軟保護就是用純軟體的方式實現實際硬體保護功能的模擬，它有著硬體保護無法比擬的優點：不受人為因素的影響、不受硬體故障的影響、不受自然條件的影響等。

2.2軟保護模型的特點

由軟體實現的軟保護和實際硬體保護相比在功能上保證了完整性以外，實現方式比實際保護簡單，診斷的可靠性更高。這是由軟保護主要用來診斷的目的和其獨有的特點所決定的。

（1）軟保護結構模塊化，一套完整的軟保護模型按功能可以分成多個不同的模塊，比如數據送入模塊、軟保護投入邏輯模塊、濾波模塊、保護啟動模塊、故障選相模塊、PT/CT自檢模塊、振蕩閉鎖模塊、阻抗繼電器模塊、方向繼電器模塊、差動繼電器模塊等功能模塊；

（2）不同軟保護模型中相同模塊可重複利用，實現模塊的共享；

（3）各模塊功能實現方法可以多樣化，而且不同軟保護採用的方法可以不同，比如選相模塊中選相功能實現方法有突變數選相、序分量分區選相及它們的改進演演算法等；

（4）軟保護的數據是靜態的，在診斷中已經完全獲得了整個故障過程的電流、電壓錄波數據，所以軟保護中各個功能模塊可以相互獨立，結構簡單；

（5）軟保護搜集的數據是多端的，即信息具有全面性，這一特點是硬體保護所不具備的，利用這一特性可以對很多功能模塊中的實現演演算法進行改進，提高軟保護診斷的可靠性。

（6）軟保護輸入的數據窗要比實際保護長，因為它還可以加上保護出口到開關跳閘這一段時間，而且軟保護在速度上要求並不高，這樣可以改進濾波演演算法，提高結果的精度，這一點對提高軟保護診斷的可靠性有直接的效果。

2.3 軟保護診斷系統的設計與實現

軟保護診斷過程是由故障錄波數據記錄的CT和PT的測量值作為保護的採樣值輸入，通過保護功能函數的計算與整定值比較來判斷保護是否動作。診斷系統並不是給診斷元件建立所有的實際保護模型，而是按照以下原則選取：Ⅰ）保護範圍不明確的保護不建立；Ⅱ）對定值不易整定的保護不建立，以此來避免整定值錯誤而造成實際保護誤動。由上述原則，對母線選用母差保護，對變壓器選用差動保護，對線路建立方向、縱差以及距離Ⅰ段保護模型。

2.4故障元件診斷流程

要實現故障錄波數據的精確診斷，要求錄波輸出的數據在時間上同步，一方面利用GPS來實現電網故障測量同步，另外通過分析程序把故障錄波所測量到的故障電流或電壓突變數起始時刻作為故障分析的起始點。診斷流程以時間為坐標，用開關、保護信息診斷出的可疑故障元件集形成診斷元件鏈表，對每一個元件匹配相應的軟保護和資料庫中的數據進行診斷。下面以某線路距離I段保護為例分別說明保護診斷前的匹配過程和保護的診斷流程。

①、保護匹配過程

(1)首先判斷開關、保護信息診斷後可疑故障元件鏈表中是否有數據，如果有，按照鏈表的順序逐一取出，假設取出該線路為可疑元件；

(2) 根據該線路名稱，查找元件屬性參數表，讀入其屬性參數，並保存在元件屬性數據緩衝區；

(3) 根據該線路名稱，查找元件與軟保護對應表，確定其所配置的軟保護；

(4) 根據該線路名稱，查找元件與故障錄波數據介面對應表，確定其各端錄波數據所在的文件，並根據COMTRADE格式讀入錄波數據緩衝區。

(5) 根據該線路名稱和其配置的一種軟保護（距離I段），查找軟保護配置表，讀入保護整定值緩衝區；

(6) 最後，根據該線路名稱和距離I段軟保護，查找軟保護模塊功能選擇介面IID表，匹配用戶所需的功能演演算法，這樣一套完整的距離I段軟保護模型就形成了，可以對該線路進行診斷。

②、保護的診斷流程

具體的軟保護診斷流程是根據具體的保護模型配置的功能模塊順序進行。下面給出該線路的距離I段軟保護的診斷流程，由於數據是靜態的，流程按照順序進行。

(1) 對距離保護進行參數初始化，包括標誌位、過程參數等；

(2) 獲取錄波數據緩衝區的數據結構指針，對PT和CT進行斷線自檢；

(3) 調用起動模塊，判斷距離保護是否起動；

(4) 調用選相模塊和發展性故障判斷模塊，確定線路的故障類型；

(5) 調用振蕩閉鎖模塊，判斷系統是否發生振蕩以及振蕩過程中是否又發生短路；

(6) 調用距離I段阻抗元件動作特性（即阻抗繼電器）模塊，將計算的阻抗值和整定值按照保護動作判據進行判斷，給出保護是否動作。

2.5 綜合診斷

由於元件診斷模型是單個元件的獨立診斷，存在一定的局限性，可能會出現各個元件診斷信息之間發生矛盾和診斷可信度不足的情況，需要在搜集全部智能信息的基礎之上，對信息做綜合的診斷。比如診斷某一輸電線路MN。由元件診斷獲取的信息有：線路軟差動保護動作，線路的M側軟距離Ⅰ段保護動作，線路的M側軟方向保護動作，線路的N側軟方向保護動作。綜合診斷時首先處理兩側距離Ⅰ段信息，由於距離Ⅰ段保護範圍是線路全長的80%，所以有一側軟保護動作，那麼距離Ⅰ段判線路故障，此時，有M側軟距離Ⅰ段保護動作，則距離Ⅰ段判線路故障；線路軟差動保護動作可直接判線路故障，因此由線路軟差動保護動作可判線路故障；對軟方向保護，只有兩側都動作可判線路故障，由線路的M、N兩側軟方向保護都動作判線路故障。最後這三套保護中至少有兩套判線路故障可最終判該線路故障，此時線路三套保護都判線路1故障，則該線路為故障元件。另外，對線路的軟保護，收集了方向保護、縱差保護、距離Ⅰ段保護的保護缺陷知識，即判斷該線路是否出現了知識庫中列舉的所有會引起上述保護不正確動作的情況，當出現上述情況時，將該保護退出，即失去診斷功能。

這樣，整個診斷過程分為分散式軟保護診斷和綜合診斷兩部分。綜合診斷是利用分散式診斷的信息做全局性的診斷，得出最後診斷結果，這樣做可以盡量彌補由於靈敏度不足漏診和信息之間有矛盾而誤診的情況，相當於對智能信息進行一次過濾處理。綜合診斷的示意圖如圖3所示：

3 結語

本文提出的這種基於故障錄波信息的電網故障診斷系統，實際上兼有故障錄波信息管理和故障錄波信息分析的功能。在電網調度自動化的重要性日益提高的大背景下，比如三峽水電站投入正常運行以後，將改變以往中國電網區域壁壘的格局，規模劇增，給電網調度賦予了更重要的使命。電網故障診斷系統的開發順應了電力系統發展的潮流，已是大勢所趨。本文的研究經大量模擬測試，具有較高的診斷精度和很強的實用性。