故障錄波

隨著電網(wǎng)規(guī)模日益擴(kuò)大，就需要一個(gè)能夠準(zhǔn)確進(jìn)行故障元件診斷、事故后數(shù)據(jù)分析、保護(hù)動(dòng)作行為評(píng)價(jià)等功能完善的電網(wǎng)故障信息綜合分析系統(tǒng)。這對(duì)于電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行起著十分重要的作用。

電力系統(tǒng)的調(diào)度自動(dòng)化是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證，隨著其自動(dòng)化水平的不斷提高以及通信等技術(shù)的加盟，促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)層的EMS（能量管理系統(tǒng)）、SCADA系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集及監(jiān)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(shè)施的不斷出現(xiàn)和改進(jìn)。多年來(lái)，電力系統(tǒng)自動(dòng)故障記錄已成為分析系統(tǒng)事故，特別是分析繼電保護(hù)動(dòng)作行為的重要依據(jù)。尤其是以微機(jī)為基礎(chǔ)的故障錄波裝置，能夠記錄電網(wǎng)故障發(fā)生前后電氣量和狀態(tài)變化過(guò)程信息，完整地反映故障后的瞬間變化及繼電保護(hù)的動(dòng)作行為，并有數(shù)據(jù)存檔和數(shù)據(jù)再分析的能力。而且，隨著通信技術(shù)的介入，電網(wǎng)調(diào)度端可以隨時(shí)收集分布于各個(gè)廠站的故障錄波器的信息，這就是故障錄波器聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[1][2]。到目前為止，各網(wǎng)（?。┱{(diào)已相繼完成以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)故障錄波數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳為主要目標(biāo)的聯(lián)網(wǎng)工作。其目的非常明確：提高電力系統(tǒng)調(diào)度和運(yùn)行的水平，提高處理電力系統(tǒng)事故的快速反應(yīng)能力，確保電力系統(tǒng)安全可靠供電。從而，所有上述調(diào)度自動(dòng)化配套設(shè)施，都為開(kāi)發(fā)電網(wǎng)故障信息綜合分析系統(tǒng)提供了廣闊的平臺(tái)。

基于以上分析，本文開(kāi)發(fā)了一種基于故障錄波信息的調(diào)度端電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)，提出了“軟保護(hù)”的診斷思想，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)調(diào)度端的故障錄波信息管理、電網(wǎng)層的故障元件診斷、以及雙端測(cè)距等功能。并用電磁暫態(tài)分析程序ATP（The Alternative Transients Program）和MATLAB語(yǔ)言對(duì)整套軟件的算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。下面將重點(diǎn)介紹故障診斷模塊的實(shí)現(xiàn)。

1 電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)各模塊及實(shí)現(xiàn)功能

基于調(diào)度端的電網(wǎng)故障診斷及信息分析系統(tǒng)分為幾個(gè)功能模塊：數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、系統(tǒng)管理模塊、故障診斷模塊、故障信息分析模塊、保護(hù)和開(kāi)關(guān)動(dòng)作行為評(píng)價(jià)模塊等。各模塊之間的關(guān)系如下圖1所示：

（1） 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊：

本文利用SQL Sever技術(shù)建立了各種信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)Visual C 提供的MFC ODBC數(shù)據(jù)庫(kù)類來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。這些數(shù)據(jù)表包括：

1、系統(tǒng)參數(shù)類：線路參數(shù)表、變壓器參數(shù)表、發(fā)電機(jī)參數(shù)表等；

2、故障錄波類：故障錄波數(shù)據(jù)文件表、故障錄波組態(tài)文件表、錄波器配置表、錄波文件記錄表、硬件保護(hù)動(dòng)作表等；

3、關(guān)系對(duì)應(yīng)類：元件與軟保護(hù)對(duì)應(yīng)表、元件與故障錄波數(shù)據(jù)接口對(duì)應(yīng)表等；

4、保護(hù)配置類：軟保護(hù)配置表、硬件保護(hù)配置表等

該數(shù)據(jù)模塊具有永久保存的功能，方便日后隨時(shí)查詢歷史記錄；同時(shí)設(shè)有用戶權(quán)限；數(shù)據(jù)庫(kù)模塊可以滿足各種查詢和瀏覽及打印的需要，為現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行和管理人員服務(wù)。

下面給出了數(shù)據(jù)表之一線路參數(shù)表：

（2）系統(tǒng)管理模塊：

系統(tǒng)管理模塊是本系統(tǒng)的重要模塊，包括故障信息管理等子模塊，并且協(xié)調(diào)故障診斷等功能模塊完成相應(yīng)的任務(wù)，負(fù)責(zé)系統(tǒng)建立和維護(hù)工作。

（3）故障診斷模塊：

該模塊是本系統(tǒng)的重點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生簡(jiǎn)單故障時(shí)，僅利用開(kāi)關(guān)和保護(hù)信息就可以定位故障元件，而且得到的診斷結(jié)果可信度高。但是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生復(fù)雜故障，或者開(kāi)關(guān)、保護(hù)存在較多誤動(dòng)、拒動(dòng)以及因信道干擾發(fā)生信息丟失或錯(cuò)誤等諸多不確定因素時(shí)，僅依靠開(kāi)關(guān)和保護(hù)信息已經(jīng)不可能定位到故障元件，過(guò)去開(kāi)發(fā)的智能診斷系統(tǒng)給出的結(jié)果往往可信度不高，可疑元件較多，甚至是錯(cuò)誤的解，要達(dá)到準(zhǔn)確診斷必須加入新的信息源。隨著繼電保護(hù)及故障錄波信息網(wǎng)的建立，豐富的錄波信息為進(jìn)一步診斷提供了基礎(chǔ)。本文對(duì)在復(fù)雜故障情況下利用中心站收集的故障錄波信息進(jìn)一步診斷的方法進(jìn)行研究，提出了軟保護(hù)的診斷思想，并建立了相應(yīng)的面診斷模型，有效地彌補(bǔ)了利用開(kāi)關(guān)、保護(hù)信息診斷的局限性。

（4）故障信息分析模塊：

該模塊首先根據(jù)(3)故障診斷模塊的診斷結(jié)果調(diào)用相應(yīng)元件的錄波器數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)結(jié)果，采用較為精確的雙端故障測(cè)距方法[3]，定位故障點(diǎn)。再次，運(yùn)用微機(jī)保護(hù)中的計(jì)算機(jī)算法進(jìn)行諧波含量的分析，以波形顯示。最后是阻抗特性，功率方向分析等。本文利用VC 中封裝的GUI(圖形設(shè)備界面)類來(lái)實(shí)現(xiàn)各種圖形的繪制．

（5）保護(hù)和開(kāi)關(guān)的動(dòng)作行為評(píng)判模塊：

利用相關(guān)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)以及以上的分析結(jié)果，對(duì)故障元件相關(guān)保護(hù)及開(kāi)關(guān)的動(dòng)作行為的正確與否作出判斷。本文利用專家系統(tǒng)的知識(shí)表示法框架法表示各種關(guān)系，用推理的思想，對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 故障診斷模塊

2.1軟保護(hù)思想的提出

在實(shí)際的硬件保護(hù)中，由于實(shí)時(shí)性要求和通訊條件的限制等原因，勢(shì)必造成保護(hù)可能不正確動(dòng)作的缺陷，因此減弱了現(xiàn)場(chǎng)提供的保護(hù)信息的可靠性，所以，在離線分析的基礎(chǔ)上，軟模型的保護(hù)能充分克服以上缺陷，發(fā)揮錄波信息（主要是電氣量信息）的優(yōu)勢(shì)，完成對(duì)電網(wǎng)復(fù)雜故障的精確定位，并對(duì)硬件保護(hù)（考慮后備配合關(guān)系）有一定的評(píng)價(jià)能力。這樣，利用故障錄波器的信息，就可以來(lái)彌補(bǔ)故障發(fā)生時(shí)僅用保護(hù)、開(kāi)關(guān)動(dòng)作信息的不足。由于利用波形信息診斷的復(fù)雜性，諸多因素都將影響到診斷的性能，鑒于實(shí)際保護(hù)裝置的保護(hù)功能對(duì)各種具體情況考慮得比較全面，因此，本文采用了軟保護(hù)的方法來(lái)診斷系統(tǒng)中母線、變壓器以及線路等元件。軟保護(hù)就是用純軟件的方式實(shí)現(xiàn)實(shí)際硬件保護(hù)功能的模擬，它有著硬件保護(hù)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：不受人為因素的影響、不受硬件故障的影響、不受自然條件的影響等。

2.2軟保護(hù)模型的特點(diǎn)

由軟件實(shí)現(xiàn)的軟保護(hù)和實(shí)際硬件保護(hù)相比在功能上保證了完整性以外，實(shí)現(xiàn)方式比實(shí)際保護(hù)簡(jiǎn)單，診斷的可靠性更高。這是由軟保護(hù)主要用來(lái)診斷的目的和其獨(dú)有的特點(diǎn)所決定的。

（1）軟保護(hù)結(jié)構(gòu)模塊化，一套完整的軟保護(hù)模型按功能可以分成多個(gè)不同的模塊，比如數(shù)據(jù)送入模塊、軟保護(hù)投入邏輯模塊、濾波模塊、保護(hù)啟動(dòng)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[4]模塊、方向繼電器模塊、差動(dòng)繼電器模塊等功能模塊；

（2）不同軟保護(hù)模型中相同模塊可重復(fù)利用，實(shí)現(xiàn)模塊的共享；

（3）各模塊功能實(shí)現(xiàn)方法可以多樣化，而且不同軟保護(hù)采用的方法可以不同，比如選相模塊中選相功能實(shí)現(xiàn)方法有突變量選相、序分量分區(qū)選相及它們的改進(jìn)算法等；

（4）軟保護(hù)的數(shù)據(jù)是靜態(tài)的，在診斷中已經(jīng)完全獲得了整個(gè)故障過(guò)程的電流、電壓錄波數(shù)據(jù)，所以軟保護(hù)中各個(gè)功能模塊可以相互獨(dú)立，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；

（5）軟保護(hù)搜集的數(shù)據(jù)是多端的，即信息具有全面性，這一特點(diǎn)是硬件保護(hù)所不具備的，利用這一特性可以對(duì)很多功能模塊中的實(shí)現(xiàn)算法進(jìn)行改進(jìn)，提高軟保護(hù)診斷的可靠性。

（6）軟保護(hù)輸入的數(shù)據(jù)窗要比實(shí)際保護(hù)長(zhǎng)，因?yàn)樗€可以加上保護(hù)出口到開(kāi)關(guān)跳閘這一段時(shí)間，而且軟保護(hù)在速度上要求并不高，這樣可以改進(jìn)濾波算法，提高結(jié)果的精度，這一點(diǎn)對(duì)提高軟保護(hù)診斷的可靠性有直接的效果。

2.3 軟保護(hù)診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟保護(hù)診斷過(guò)程是由故障錄波數(shù)據(jù)記錄的CT和PT的測(cè)量值作為保護(hù)的采樣值輸入，通過(guò)保護(hù)功能函數(shù)的計(jì)算與整定值比較來(lái)判斷保護(hù)是否動(dòng)作。診斷系統(tǒng)并不是給診斷元件建立所有的實(shí)際保護(hù)模型，而是按照以下原則選取：Ⅰ）保護(hù)范圍不明確的保護(hù)不建立；Ⅱ）對(duì)定值不易整定的保護(hù)不建立，以此來(lái)避免整定值錯(cuò)誤而造成實(shí)際保護(hù)誤動(dòng)。由上述原則，對(duì)母線選用母差保護(hù)，對(duì)變壓器選用差動(dòng)保護(hù)，對(duì)線路建立方向、縱差以及距離Ⅰ段保護(hù)模型。

2.4故障元件診斷流程

要實(shí)現(xiàn)故障錄波數(shù)據(jù)的精確診斷，要求錄波輸出的數(shù)據(jù)在時(shí)間上同步，一方面利用GPS來(lái)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障測(cè)量同步，另外通過(guò)分析程序把故障錄波所測(cè)量到的故障電流或電壓突變量起始時(shí)刻作為故障分析的起始點(diǎn)。診斷流程以時(shí)間為坐標(biāo)，用開(kāi)關(guān)、保護(hù)信息診斷出的可疑故障元件集形成診斷元件鏈表，對(duì)每一個(gè)元件匹配相應(yīng)的軟保護(hù)和數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷。下面以某線路距離I段保護(hù)為例分別說(shuō)明保護(hù)診斷前的匹配過(guò)程和保護(hù)的診斷流程。

①、保護(hù)匹配過(guò)程

(1)首先判斷開(kāi)關(guān)、保護(hù)信息診斷后可疑故障元件鏈表中是否有數(shù)據(jù)，如果有，按照鏈表的順序逐一取出，假設(shè)取出該線路為可疑元件；

(2) 根據(jù)該線路名稱，查找元件屬性參數(shù)表，讀入其屬性參數(shù)，并保存在元件屬性數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；

(3) 根據(jù)該線路名稱，查找元件與軟保護(hù)對(duì)應(yīng)表，確定其所配置的軟保護(hù)；

(4) 根據(jù)該線路名稱，查找元件與故障錄波數(shù)據(jù)接口對(duì)應(yīng)表，確定其各端錄波數(shù)據(jù)所在的文件，并根據(jù)COMTRADE格式讀入錄波數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

(5) 根據(jù)該線路名稱和其配置的一種軟保護(hù)（距離I段），查找軟保護(hù)配置表，讀入保護(hù)整定值緩沖區(qū)；

(6) 最后，根據(jù)該線路名稱和距離I段軟保護(hù)，查找軟保護(hù)模塊功能選擇接口IID表，匹配用戶所需的功能算法，這樣一套完整的距離I段軟保護(hù)模型就形成了，可以對(duì)該線路進(jìn)行診斷。

②、保護(hù)的診斷流程

具體的軟保護(hù)診斷流程是根據(jù)具體的保護(hù)模型配置的功能模塊順序進(jìn)行。下面給出該線路的距離I段軟保護(hù)的診斷流程，由于數(shù)據(jù)是靜態(tài)的，流程按照順序進(jìn)行。

(1) 對(duì)距離保護(hù)進(jìn)行參數(shù)初始化，包括標(biāo)志位、過(guò)程參數(shù)等；

(2) 獲取錄波數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指針，對(duì)PT和CT進(jìn)行斷線自檢；

(3) 調(diào)用起動(dòng)模塊，判斷距離保護(hù)是否起動(dòng)；

(4) 調(diào)用選相模塊和發(fā)展性故障判斷模塊，確定線路的故障類型；

(5) 調(diào)用振蕩閉鎖模塊，判斷系統(tǒng)是否發(fā)生振蕩以及振蕩過(guò)程中是否又發(fā)生短路；

(6) 調(diào)用距離I段阻抗元件動(dòng)作特性（即阻抗繼電器）模塊，將計(jì)算的阻抗值和整定值按照保護(hù)動(dòng)作判據(jù)進(jìn)行判斷，給出保護(hù)是否動(dòng)作。

2.5 綜合診斷

由于元件診斷模型是單個(gè)元件的獨(dú)立診斷，存在一定的局限性，可能會(huì)出現(xiàn)各個(gè)元件診斷信息之間發(fā)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(chǔ)之上，對(duì)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(dòng)保護(hù)動(dòng)作，線路的M側(cè)軟距離Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作，線路的M側(cè)軟方向保護(hù)動(dòng)作，線路的N側(cè)軟方向保護(hù)動(dòng)作。綜合診斷時(shí)首先處理兩側(cè)距離Ⅰ段信息，由于距離Ⅰ段保護(hù)范圍是線路全長(zhǎng)的80%，所以有一側(cè)軟保護(hù)動(dòng)作，那么距離Ⅰ段判線路故障，此時(shí)，有M側(cè)軟距離Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作，則距離Ⅰ段判線路故障；線路軟差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作可直接判線路故障，因此由線路軟差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作可判線路故障；對(duì)軟方向保護(hù)，只有兩側(cè)都動(dòng)作可判線路故障，由線路的M、N兩側(cè)軟方向保護(hù)都動(dòng)作判線路故障。最后這三套保護(hù)中至少有兩套判線路故障可最終判該線路故障，此時(shí)線路三套保護(hù)都判線路1故障，則該線路為故障元件。另外，對(duì)線路的軟保護(hù)，收集了方向保護(hù)、縱差保護(hù)、距離Ⅰ段保護(hù)的保護(hù)缺陷知識(shí)，即判斷該線路是否出現(xiàn)了知識(shí)庫(kù)中列舉的所有會(huì)引起上述保護(hù)不正確動(dòng)作的情況，當(dāng)出現(xiàn)上述情況時(shí)，將該保護(hù)退出，即失去診斷功能。

這樣，整個(gè)診斷過(guò)程分為分布式軟保護(hù)診斷和綜合診斷兩部分。綜合診斷是利用分布式診斷的信息做全局性的診斷，得出最后診斷結(jié)果，這樣做可以盡量彌補(bǔ)由于靈敏度不足漏診和信息之間有矛盾而誤診的情況，相當(dāng)于對(duì)智能信息進(jìn)行一次過(guò)濾處理。綜合診斷的示意圖如圖2所示：

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出的這種基于故障錄波信息的電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)，實(shí)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(wǎng)調(diào)度自動(dòng)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(yùn)行以后，將改變以往中國(guó)電網(wǎng)區(qū)域壁壘的格局，規(guī)模劇增，給電網(wǎng)調(diào)度賦予了更重要的使命。電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)順應(yīng)了電力系統(tǒng)發(fā)展的潮流，已是大勢(shì)所趨。本文的研究經(jīng)大量仿真測(cè)試，具有較高的診斷精度和很強(qiáng)的實(shí)用性。

一種基于故障錄波信息的調(diào)度端電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)。

本文分別介紹各模塊工作原理，重點(diǎn)對(duì)故障診斷模塊進(jìn)行了詳細(xì)的分析。