故障錄波

隨著電網(wǎng)規(guī)模日益擴(kuò)大，就需要一個能夠準(zhǔn)確進(jìn)行故障元件診斷、事故后數(shù)據(jù)分析、保護(hù)動作行為評價等功能完善的電網(wǎng)故障信息綜合分析系統(tǒng)。這對于電力系統(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)度自動化是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)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(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，電力系統(tǒng)自動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)變化過程信息，完整地反映故障后的瞬間變化及繼電保護(hù)的動作行為，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)度端可以隨時收集分布于各個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)度自動化配套設(shè)施，都為開發(fā)電網(wǎng)故障信息綜合分析系統(tǒng)提供了廣闊的平臺。

基于以上分析，本文開發(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、以及雙端測距等功能。并用電磁暫態(tài)分析程序ATP（The Alternative Transients Program）和MATLAB語言對整套軟件的算法進(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)分為幾個功能模塊：數(shù)據(jù)庫模塊、系統(tǒng)管理模塊、故障診斷模塊、故障信息分析模塊、保護(hù)和開關(guān)動作行為評價模塊等。各模塊之間的關(guān)系如下圖1所示：

（1） 數(shù)據(jù)庫模塊：

本文利用SQL Sever技術(shù)建立了各種信息的數(shù)據(jù)庫，并通過Visual C 提供的MFC ODBC數(shù)據(jù)庫類來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問。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)動作表等；

3、關(guān)系對應(yīng)類：元件與軟保護(hù)對應(yīng)表、元件與故障錄波數(shù)據(jù)接口對應(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，方便日后隨時查詢歷史記錄；同時設(shè)有用戶權(quán)限；數(shù)據(jù)庫模塊可以滿足各種查詢和瀏覽及打印的需要，為現(xiàn)場運(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)生簡單故障時，僅利用開關(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，或者開關(guān)、保護(hù)存在較多誤動、拒動以及因信道干擾發(fā)生信息丟失或錯誤等諸多不確定因素時，僅依靠開關(guān)和保護(hù)信息已經(jīng)不可能定位到故障元件，過去開發(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)類來實(shí)現(xiàn)各種圖形的繪制．

（5）保護(hù)和開關(guān)的動作行為評判模塊：

利用相關(guān)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫以及以上的分析結(jié)果，對故障元件相關(guān)保護(hù)及開關(guān)的動作行為的正確與否作出判斷。本文利用專家系統(tǒng)的知識表示法框架法表示各種關(guān)系，用推理的思想，對其進(jìn)行評價。

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)時性要求和通訊條件的限制等原因，勢必造成保護(hù)可能不正確動作的缺陷，因此減弱了現(xiàn)場提供的保護(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，完成對電網(wǎng)復(fù)雜故障的精確定位，并對硬件保護(hù)（考慮后備配合關(guān)系）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(bǔ)故障發(fā)生時僅用保護(hù)、開關(guān)動作信息的不足。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)簡單，診斷的可靠性更高。這是由軟保護(hù)主要用來診斷的目的和其獨(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)完全獲得了整個故障過程的電流、電壓錄波數(shù)據(jù)，所以軟保護(hù)中各個功能模塊可以相互獨(dú)立，結(jié)構(gòu)簡單；

（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，因?yàn)樗€可以加上保護(hù)出口到開關(guān)跳閘這一段時間，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)診斷過程是由故障錄波數(shù)據(jù)記錄的CT和PT的測量值作為保護(hù)的采樣值輸入，通過保護(hù)功能函數(shù)的計(jì)算與整定值比較來判斷保護(hù)是否動作。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?。孩瘢┍Ｗo(hù)范圍不明確的保護(hù)不建立；Ⅱ）對定值不易整定的保護(hù)不建立，以此來避免整定值錯誤而造成實(shí)際保護(hù)誤動。由上述原則，對母線選用母差保護(hù)，對變壓器選用差動保護(hù)，對線路建立方向、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)在時間上同步，一方面利用GPS來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)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量起始時刻作為故障分析的起始點(diǎn)。診斷流程以時間為坐標(biāo)，用開關(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，對每一個元件匹配相應(yīng)的軟保護(hù)和數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷。下面以某線路距離I段保護(hù)為例分別說明保護(hù)診斷前的匹配過程和保護(hù)的診斷流程。

①、保護(hù)匹配過程

(1)首先判斷開關(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) 對距離保護(hù)進(jìn)行參數(shù)初始化，包括標(biāo)志位、過程參數(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PT和CT進(jìn)行斷線自檢；

(3) 調(diào)用起動模塊，判斷距離保護(hù)是否起動；

(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)生振蕩以及振蕩過程中是否又發(fā)生短路；

(6) 調(diào)用距離I段阻抗元件動作特性（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)動作判據(jù)進(jìn)行判斷，給出保護(hù)是否動作。

2.5 綜合診斷

由于元件診斷模型是單個元件的獨(dú)立診斷，存在一定的局限性，可能會出現(xiàn)各個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(hù)動作，線路的M側(cè)軟距離Ⅰ段保護(hù)動作，線路的M側(cè)軟方向保護(hù)動作，線路的N側(cè)軟方向保護(hù)動作。綜合診斷時首先處理兩側(cè)距離Ⅰ段信息，由于距離Ⅰ段保護(hù)范圍是線路全長的80%，所以有一側(cè)軟保護(hù)動作，那么距離Ⅰ段判線路故障，此時，有M側(cè)軟距離Ⅰ段保護(hù)動作，則距離Ⅰ段判線路故障；線路軟差動保護(hù)動作可直接判線路故障，因此由線路軟差動保護(hù)動作可判線路故障；對軟方向保護(hù)，只有兩側(cè)都動作可判線路故障，由線路的M、N兩側(cè)軟方向保護(hù)都動作判線路故障。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，即判斷該線路是否出現(xiàn)了知識庫中列舉的所有會引起上述保護(hù)不正確動作的情況，當(dāng)出現(xiàn)上述情況時，將該保護(hù)退出，即失去診斷功能。

這樣，整個診斷過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)于對智能信息進(jìn)行一次過濾處理。綜合診斷的示意圖如圖2所示：

3 結(jié)語

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)的開發(fā)順應(yīng)了電力系統(tǒng)發(fā)展的潮流，已是大勢所趨。本文的研究經(jīng)大量仿真測試，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)對故障診斷模塊進(jìn)行了詳細(xì)的分析。