基于故障錄波主站的實(shí)時(shí)在線保護(hù)評價(jià)方法

但路浩 廖曉春 劉斌

摘要

針對保護(hù)評價(jià)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的仿真局限性和高昂的成本代價(jià)，提出了一種基于故障錄波主站的實(shí)時(shí)在線保護(hù)評價(jià)方法，分析通過變電站真實(shí)錄波數(shù)據(jù)以及真實(shí)的保護(hù)動作信號，采用錄波源端數(shù)據(jù)融合、采樣數(shù)據(jù)頻率歸一、差動原理故障診斷、輸電線路故障辨識等手段，實(shí)現(xiàn)在真實(shí)環(huán)境下全面、客觀的評價(jià)電網(wǎng)運(yùn)行保護(hù)的性能，且具備分析結(jié)果與實(shí)際保護(hù)數(shù)據(jù)自動比對的能力，適用于大電網(wǎng)背景下高效、準(zhǔn)確的進(jìn)行規(guī)?；Ｗo(hù)設(shè)備性能評估。

【關(guān)鍵詞】保護(hù)評價(jià) 實(shí)時(shí)在線 保護(hù)信息 故障錄波主站 差動原理

繼電保護(hù)評價(jià)是電力系統(tǒng)穩(wěn)定和可靠運(yùn)行的基石，隨著繼保智能化和信息化的發(fā)展，變壓器和斷路器設(shè)備在線監(jiān)視要求的提高，對保護(hù)評價(jià)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性管控進(jìn)一步增強(qiáng)，尤其對大電網(wǎng)背景下的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)環(huán)境下規(guī)?；Ｗo(hù)性能的評價(jià)非常關(guān)鍵。另外，無論從現(xiàn)有技術(shù)還是從供電可靠性及設(shè)備安全性考慮，直接在實(shí)際電力系統(tǒng)中進(jìn)行各種試驗(yàn)的可能性極小，而以購買數(shù)量眾多的廠家設(shè)備到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行仿真研究又代價(jià)高昂。

目前，國內(nèi)外在開展保護(hù)行為評價(jià)時(shí)，傾向于基于保護(hù)同原理，使用更詳細(xì)的數(shù)據(jù)、更透明的過程及可觀測的中間變量來進(jìn)行推導(dǎo)。這種做法的缺點(diǎn)有三個：

（1）保護(hù)原理同質(zhì)化。仿真的結(jié)果只能評價(jià)保護(hù)的邏輯是否同原理相符，不能檢驗(yàn)該原理本身;

（2）評價(jià)方式存在局限性。保護(hù)自帶的數(shù)據(jù)通保護(hù)裝置本身的推導(dǎo)一脈相承，使用同樣數(shù)據(jù)推導(dǎo)的結(jié)果并無二致;

（3）實(shí)驗(yàn)室仿真評價(jià)無法替代工程評價(jià)。單個環(huán)節(jié)和某個指標(biāo)的評價(jià)，無法全面、客觀的評價(jià)出保護(hù)裝置在實(shí)際工程中的綜合表現(xiàn)，而工程綜合表現(xiàn)恰恰最為重要。

本文提出一種廣域電網(wǎng)背景下基于故障錄波主站的實(shí)時(shí)在線的保護(hù)評價(jià)方法，具有時(shí)效性強(qiáng)、自動化程度高、適用性廣等特點(diǎn)，易部署，性價(jià)比高。

1 設(shè)計(jì)思路

基于現(xiàn)有且普及和流行的省、網(wǎng)級別的調(diào)度調(diào)度控制中心二次信息采集主站系統(tǒng)，實(shí)時(shí)在線獲取廣域故障錄波信息，結(jié)合站內(nèi)設(shè)備統(tǒng)一建模映射，采用采樣頻率歸一化、錄波器采樣同步等方法，解決故障錄波器采樣頻率不同、數(shù)據(jù)同步難等關(guān)鍵問題，并利用差動原理進(jìn)行故障診斷，實(shí)現(xiàn)僅利用故障錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行差流計(jì)算準(zhǔn)確定位故障區(qū)域和評價(jià)保護(hù)動作行。特點(diǎn)如下：

（1）利用二次主站系統(tǒng)的信息豐富優(yōu)勢，采用區(qū)域大差流原理，以各支路差流是否為。的方法推導(dǎo)出故障元件，判定正確動作的保護(hù)，這點(diǎn)同保護(hù)自身的工作機(jī)理不同，避免了工作原理的同質(zhì)化;

（2）采用獨(dú)立第三方的錄波數(shù)據(jù)而非保護(hù)自帶的數(shù)據(jù)，保證了評價(jià)的科學(xué)和合理性;

（3）緊密同工程實(shí)際相結(jié)合。利用現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)，在線完成保護(hù)動作的推導(dǎo)，同步與實(shí)際保護(hù)動作進(jìn)行比對，不僅快速，而且更客觀;

（4）具有實(shí)時(shí)、在線的特征，能夠自動和快速的完成保護(hù)動作評價(jià)，并進(jìn)行電子存檔，無需任何人工干預(yù)。

2 設(shè)計(jì)原理

錄波數(shù)據(jù)同保護(hù)數(shù)據(jù)具有信號同源、分開采集、獨(dú)立處理、相互驗(yàn)證的特征。因此，采用故障錄波數(shù)據(jù)來驗(yàn)證保護(hù)動作行為，數(shù)據(jù)的真實(shí)性能夠得到保證，同時(shí)，因?yàn)殇洸〝?shù)據(jù)具有采樣率高、信息齊全等優(yōu)勢，具備對保護(hù)動作的特征進(jìn)行高精度、深層次分析的一切條件。

差動原理的數(shù)據(jù)具有廣域性，能夠定性的判斷和鎖定故障元件，非常準(zhǔn)確。此外，還不受系統(tǒng)運(yùn)行方式、過渡電阻、負(fù)荷電流、功率倒向、系統(tǒng)診斷等特有優(yōu)勢，符合評價(jià)保護(hù)動作的行為，避開了不同原理保護(hù)裝置的復(fù)雜工作原理，核心是：

（1）分區(qū)域計(jì)算差流。系統(tǒng)差流不為0，則表示某個支路有故障;

（2）逐支路計(jì)算差流，鎖定故障元件;

（3）故障元件對應(yīng)的保護(hù)必須動作，不需要關(guān)心其動作判定依據(jù)。

電網(wǎng)故障時(shí)，一次系統(tǒng)的運(yùn)行狀況由安裝在各自變電站內(nèi)的故障錄波器以高采樣頻率記錄下來，及時(shí)上送到中調(diào)二次信息采集主站系統(tǒng)。通過頻率統(tǒng)一、采樣同步及對應(yīng)于一次系統(tǒng)的IA建模，將一次系統(tǒng)的電流量在同一時(shí)標(biāo)界面，以輸變電設(shè)備為劃分區(qū)域分別計(jì)算相應(yīng)差流。

電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，以固定時(shí)間間隔自動召喚故障錄波采樣并進(jìn)行以輸變電設(shè)備為單元的相電流差動值計(jì)算，差流值應(yīng)幾乎為零。如果差流計(jì)算值大于對應(yīng)設(shè)備的差流越限值，通過調(diào)度主站遠(yuǎn)程調(diào)整故障錄波器接入間隔通道名稱、CT極性及變比系數(shù)，或者現(xiàn)場檢查故障錄波器是否己全部接入?yún)⑴c差流計(jì)算的設(shè)備及電流回路是否存在多點(diǎn)接地問題并及時(shí)進(jìn)行消缺，保證電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)所有輸變電設(shè)備的差流計(jì)算值均接近于零，流程如圖1。

3 實(shí)現(xiàn)方法

3.1 源端數(shù)據(jù)融合

保護(hù)評價(jià)最合適的工具是充分合理的運(yùn)用故障錄波數(shù)據(jù)，故障錄波裝置是保護(hù)裝置的記錄“黑匣子”及評判，過程如下：

（1）波形文件標(biāo)準(zhǔn)化處理。針對不同廠家、型號的設(shè)備生成的波形文件各有不同，分別進(jìn)行單獨(dú)處理，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的COMTRADE99格式數(shù)據(jù)文件。

（2）故障通道提取。提取出真正發(fā)生故障的通道數(shù)據(jù)才能使用戶專注于故障分析，不會淹沒在大量的無效數(shù)據(jù)識別工作中。

（3）采樣點(diǎn)時(shí)標(biāo)對齊。在對齊采樣時(shí)標(biāo)的功能中既能根據(jù)波形數(shù)據(jù)自帶時(shí)標(biāo)自動調(diào)整波形在時(shí)間軸的位置，又能手動進(jìn)行采樣點(diǎn)級別的微調(diào)。

（4）采樣頻率對齊及算法。在同一個時(shí)間軸上展示不同的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向的比較，對于錄波數(shù)據(jù)中壓縮存儲的部分只記錄有效值的數(shù)據(jù)。

3.2 采樣頻率歸一化及同步處理

電網(wǎng)故障錄波器裝置啟動值低，可以長時(shí)間、高頻率、全過程完整記錄一次系統(tǒng)的各種擾動。利用高靈敏度啟動值，經(jīng)過頻率歸一化、采樣同步算法處理，實(shí)現(xiàn)廣域內(nèi)不同故障錄波器的故障數(shù)據(jù)采樣頻率相同、采樣同步。采用插值法把不同采樣頻率統(tǒng)一為同一采樣頻率，對沒有采樣點(diǎn)的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行包絡(luò)線方式壓縮顯示，同時(shí)錄波數(shù)據(jù)中只記錄有效值的壓縮存儲部分，進(jìn)行相應(yīng)處理。

3.3 故障錄波信息與接線圖設(shè)備自動映射

繼電保護(hù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺是全網(wǎng)一次、二次設(shè)備的數(shù)據(jù)庫，包含一次設(shè)備連接情況及二次保護(hù)配置情況。故障錄波系統(tǒng)也是基于一次系統(tǒng)采樣的分布式系統(tǒng)，基于錄波器的TA建模只需將設(shè)備關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺中設(shè)備TA進(jìn)行——對應(yīng)的配置，即可完成從錄波通道到一次設(shè)備電流采樣的對應(yīng)關(guān)系，通過TA統(tǒng)一標(biāo)識建模這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，將兩個系統(tǒng)協(xié)調(diào)起來，故障錄波通道與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中TA配置可自動映射，電網(wǎng)故障時(shí)，各間隔的故障電流、區(qū)域差流計(jì)算值可在接線圖上實(shí)時(shí)直觀顯示。

3.4 基于差動原理的故障診斷方法

采用采樣頻率歸一化及同步技術(shù)，安裝在全網(wǎng)不同變電站（包括常規(guī)變電站和智能變電站）內(nèi)的故障錄波器故障數(shù)據(jù)采樣頻率相同，采樣數(shù)據(jù)同步，為接下來進(jìn)行間隔設(shè)備、區(qū)域設(shè)備的差流計(jì)算提供了前提。電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，以固定時(shí)間間隔自動召喚故障錄波采樣并進(jìn)行以輸變電設(shè)備為單元的相電流差動值計(jì)算，確保電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)差流值近似為零。

電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)故障錄波器上送的故障數(shù)據(jù)，分別以電網(wǎng)獨(dú)立設(shè)備為計(jì)算單元，進(jìn)行電網(wǎng)一次電流的差流計(jì)算;將差流值與差流整定值比較，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確故障位置定位及保護(hù)動作行為評價(jià)，故障診斷流程如圖2。

3.5 輸電線路故障的辨識方法

輸電線路的故障數(shù)據(jù)存儲于兩個不同變電站內(nèi)故障錄波器內(nèi)，若直接采用線路差動原理進(jìn)行故障線路辨識，優(yōu)點(diǎn)是原理簡單，判斷準(zhǔn)確，不受網(wǎng)架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)影響，無需電壓量，準(zhǔn)確定位故障線路，不受負(fù)荷、振蕩、功率倒向等影響。但缺點(diǎn)是需要線路對側(cè)故障錄波信息，而目前全網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一時(shí)鐘很難實(shí)現(xiàn)，因此需要手動進(jìn)行兩側(cè)數(shù)據(jù)映射、故障數(shù)據(jù)采樣同步等操作，對疑似故障線路再利用差動原理進(jìn)行復(fù)核、確認(rèn)。在無人值守模式下，采用兩種方法：

（1）各支路電流相位比較法。優(yōu)點(diǎn)是無需線路對側(cè)故障錄波信息、無需電壓量，計(jì)算速度快，僅需電流量即可進(jìn)行辨識。缺點(diǎn)是對于同塔雙回、多回線路，變壓器中低壓側(cè)并列運(yùn)行等特殊電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的故障無法準(zhǔn)確辨識。

（2）綜合方向元件辨識法。優(yōu)點(diǎn)是不受網(wǎng)架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)影響，無需對側(cè)故障錄波信息、僅需本側(cè)電壓電流量即可進(jìn)行辨識。但缺點(diǎn)是僅能判斷出哪幾條支路為正方向故障，無法進(jìn)行故障線路準(zhǔn)確辨識;需要電壓量，方向元件準(zhǔn)確性會受電壓二次回路多點(diǎn)接地影響。

4 總結(jié)

通過錄波主站系統(tǒng)從變電站端在線獲取真實(shí)錄波數(shù)據(jù)以及真實(shí)的保護(hù)動作信號，采用錄波源端數(shù)據(jù)融合、采樣數(shù)據(jù)頻率歸一、差動原理故障診斷、輸電線路故障辨識等手段開展在線保護(hù)評價(jià)，對運(yùn)行方式、保護(hù)型號等不敏感，能有效克服試驗(yàn)室仿真的局限性和設(shè)備采購、技術(shù)培訓(xùn)及實(shí)驗(yàn)過程等高昂代價(jià)，科學(xué)客觀的獲取保護(hù)評價(jià)信息，具有應(yīng)用范圍廣，性價(jià)比高，適用性強(qiáng)，魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，具有較大的實(shí)用價(jià)值和推廣前景。

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