綜述電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及故障檢測的方法

【摘要】在本文中，筆者主要是通過綜述電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及故障檢測的作用，引出對基于小電流接地系統(tǒng)的故障檢測新方法的介紹分析，進(jìn)而通過闡述電力系統(tǒng)綜合故障分析系統(tǒng)的功能，引出對基于綜合故障分析系統(tǒng)的繼電保護(hù)及故障檢測新方法的分析論述。

【關(guān)鍵詞】電力系統(tǒng)；繼電保護(hù)；故障檢測；方法；分析

前言

繼電保護(hù)與故障檢測是對電力系統(tǒng)進(jìn)行自動檢測、控制與保護(hù)的裝置。繼電保護(hù)及故障檢測能夠在電力系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)生，如兩相短路、三相短路、單相接地等故障和出現(xiàn)如過負(fù)荷、過電壓、低電壓、低周波、控制與測量回路斷線等異常時(shí)，迅速而有選擇性地發(fā)出跳閘指令，切除故障或發(fā)出報(bào)警，以減少故障造成的電氣設(shè)備損壞和整個電力系統(tǒng)運(yùn)行安全的影響，保證電力系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

1、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及故障檢測的作用

（1）保障電力系統(tǒng)的安全性

在被保護(hù)設(shè)備和元件出現(xiàn)故障時(shí)，繼電保護(hù)裝置會自動、準(zhǔn)確、迅速、有選擇的向故障元件最近的斷路器發(fā)出跳閘切斷指令，使之及時(shí)脫離電力系統(tǒng)，最大限度降低其對電力系統(tǒng)的破壞及對安全供電的影響，并在其它無故障部分的支持下，迅速恢復(fù)正常運(yùn)行[2]。

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)控電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況

實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制電網(wǎng)保護(hù)設(shè)備與錄波設(shè)備等二次裝置，保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行。

（3）自動分析電力系統(tǒng)運(yùn)行異常

檢測并自動分析電網(wǎng)運(yùn)行異常和故障，快速、準(zhǔn)確的診斷出故障區(qū)域、故障點(diǎn)和故障性質(zhì)。

（4）對電力系統(tǒng)異常工作狀態(tài)做出提示

在電氣設(shè)備出現(xiàn)不正常工作狀態(tài)時(shí)，根據(jù)不同的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)條件及其異常工作情況及時(shí)發(fā)出信號，提示值班人員對運(yùn)行異?；蛴腥毕莸脑O(shè)備進(jìn)行檢修處理。繼電保護(hù)裝置還能在無值班人員的情況下，自動做出相應(yīng)的調(diào)整，或有選擇性的切除那些繼續(xù)運(yùn)行但有可能引起事故的電氣設(shè)備。電力系統(tǒng)繼電保護(hù)必須具備速動性、選擇性、靈敏性和可靠性，才能充分發(fā)揮繼電保護(hù)裝置維護(hù)和管理電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的作用。

2、基于小電流接地系統(tǒng)的故障檢測方法

2.1利用空間電磁場探測單相接地故障支路方法

當(dāng)小電流接地系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，接地點(diǎn)的前向支路、后向支路及非故障支路的零序電壓和電流會呈現(xiàn)出不同特點(diǎn)，相應(yīng)線路的周圍電場與磁場分布也會隨之發(fā)生變化。因此，可利用零序電場和磁場探測接地故障點(diǎn)[3]。

（1）小電流接地系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析

根據(jù)李孟秋以仿真模型（見圖1）為典型直線π型電桿的10kV配電線路，以分別代表正常支路和故障支路的五條配電線支路進(jìn)行故障點(diǎn)探測實(shí)驗(yàn)，將設(shè)定和實(shí)驗(yàn)得出的正常支路參數(shù)I、故障支路參數(shù)Ⅱ、故障參數(shù)及系統(tǒng)參數(shù)加以穩(wěn)態(tài)分析，得出了故障穩(wěn)態(tài)情況下的配電系統(tǒng)各支路零序容性電流及零序容性功率特點(diǎn)為：非故障支路零序容性電流超前零序電壓π/2，其零序容性功率為負(fù)；故障支路故障點(diǎn)前向零序容性電流超前零序電壓π/2，其零序容性功率為負(fù)；故障支路故障點(diǎn)后向零序容性電流落后零序電壓π/2，其零序容性功率為正，與前二者相反[1]。

（2）配電線路的電場和磁場分析

根據(jù)李孟秋在小電流接地系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析的基礎(chǔ)和不考慮負(fù)載與線路間互感影響因素的條件下，對配電線路周圍的電磁場進(jìn)行仿真接地點(diǎn)探測（見圖2），得出了三相電壓和電流三相合成的電場和磁場與零序電壓和零序電流分別產(chǎn)生的電場和磁場具有可替代性的結(jié)論，并利用五次諧波電流電壓的電場和磁場作為檢測信號，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的探測和定位，證實(shí)了利用空間電磁場探測故障支路和故障點(diǎn)方法的可行性[1]。

2.2識別故障支路和故障接地相的方法

當(dāng)小電流接地系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，會有一個包含較多故障特征的明顯暫態(tài)過程。通過建立小電流接地系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，可仿真獲得故障發(fā)生時(shí)前幾個周波的暫態(tài)信號波形，由此檢測到系統(tǒng)各條支路的負(fù)荷電流產(chǎn)生的波形瞬時(shí)畸變，再通過對接地故障發(fā)生時(shí)刻電流的暫態(tài)信號進(jìn)行小波分解，可得到故障支路與健全支路的三相電流能量時(shí)譜，進(jìn)而得到故障后一周波內(nèi)能量積分的小波能量接地選線選相判據(jù)。通過直接從負(fù)荷電流提取瞬時(shí)特征和分析故障頻帶特征量，即可在系統(tǒng)正常運(yùn)行未受到明顯影響的情況下，識別判斷出故障支路和故障接地相。此外，將小波變換與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊識別和專家系統(tǒng)等人工智能方法結(jié)合應(yīng)用于分散性大，工況復(fù)雜的配電網(wǎng)系統(tǒng)故障檢測，會有效提高小電流接地選線及故障定位的準(zhǔn)確度。

3、分析系統(tǒng)的繼電保護(hù)與故障檢測

3.1綜合故障分析系統(tǒng)功能

系統(tǒng)能為調(diào)度人員提供及時(shí)、簡要的故障信息、故障準(zhǔn)確位置、開關(guān)跳閘情況及保護(hù)動作行為，以使其快速作出系統(tǒng)恢復(fù)決策，還能為繼電保護(hù)技術(shù)人員提供各套保護(hù)裝置故障過程的詳細(xì)動作行為、故障電流電壓變化情況及各故障分量對保護(hù)裝置的影響等較大量的專門信息[5]。系統(tǒng)能使就地站保護(hù)及故障錄波器時(shí)鐘同步，能為站內(nèi)自動化監(jiān)控系統(tǒng)提供必要數(shù)據(jù)，并通過地站保護(hù)及故障錄波器進(jìn)行智能化數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)約轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)不同工作對象需要。能通過雙端故障測距計(jì)算提高測距準(zhǔn)確性；能提供與MIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)交換，使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上網(wǎng)方式更具有靈活性。系統(tǒng)還具有故障信息集中處理、共享及綜合利用功能。

3.2綜合故障分析系統(tǒng)的繼電保護(hù)與檢測方法

（1）網(wǎng)絡(luò)化繼電保護(hù)與故障檢測

微機(jī)保護(hù)裝置網(wǎng)絡(luò)化，為將電力系統(tǒng)繼電保護(hù)各主要設(shè)備的每一點(diǎn)保護(hù)裝置都進(jìn)行差動和縱聯(lián)串聯(lián)保護(hù)，由主站統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理提供了數(shù)據(jù)通訊、處理、上傳等通信支持。可以根據(jù)繼電保護(hù)裝置反應(yīng)的保護(hù)安裝處的電氣量，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測和判斷出發(fā)生故障的位置、性質(zhì)、原因及故障參數(shù)，及時(shí)向相應(yīng)的保護(hù)裝置發(fā)出指令，快速準(zhǔn)確的切除故障元件，縮小故障范圍，提高整個系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。

（2）自適應(yīng)控制繼電保護(hù)與故障檢測

自適應(yīng)繼電保護(hù)能實(shí)時(shí)檢測電力系統(tǒng)運(yùn)行方式與故障狀態(tài)變化，并隨其變化自動改變保護(hù)性能、特性或定值，盡可能使保護(hù)適應(yīng)電力系統(tǒng)的各種變化，從而改善了輸電線路距離保護(hù)、發(fā)電機(jī)保護(hù)、變壓器保護(hù)及自動重合閘等系統(tǒng)響應(yīng)與保護(hù)的性能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

（3）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)繼電保護(hù)與故障檢測

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）故障檢測是基于生物神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)化規(guī)劃、遺傳算法、模糊邏輯等人工智能技術(shù)在電力系統(tǒng)保護(hù)領(lǐng)域的成功應(yīng)用。利用其具有的自組織、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)和模式識別能力以及分布式信息存儲和并行處理等特點(diǎn)，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)現(xiàn)了用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判別故障類型、測定故障距離、確定保護(hù)方向和主設(shè)備保護(hù)。如用BP模型做為方向保護(hù)的方向判別元件，能準(zhǔn)確、快速地判別出故障的方向，進(jìn)行高壓輸電線路的方向保護(hù)。

（4）變電站綜合自動化繼電保護(hù)與故障檢測

將自動控制、計(jì)算機(jī)信息采集和處理及網(wǎng)絡(luò)通信等多種先進(jìn)技術(shù)有機(jī)融合為一體，具有測量、信號、保護(hù)、控制、計(jì)費(fèi)、繼電保護(hù)、緊急控制、故障錄波、RTU、維修狀態(tài)信息處理等多功能，是一個統(tǒng)一的綜合自動化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，不僅可以代替人工對數(shù)字化變電站和無人值班變電站進(jìn)行正常運(yùn)行的監(jiān)視、控制、操作、測量、記錄和統(tǒng)計(jì)分析、故障狀態(tài)的監(jiān)視、報(bào)警和事件順序記錄與運(yùn)行操作，還能利用通信網(wǎng)絡(luò)，將變電站原有的處于缺乏整體協(xié)調(diào)、功能單一或重疊、獨(dú)享信息資源、微機(jī)處理數(shù)據(jù)功能利用率低下等系統(tǒng)相互分割成各個獨(dú)立裝置與站級相連接，實(shí)現(xiàn)了以終端單元（RTU）和微機(jī)保護(hù)裝置為核心的集成與資源共享、遠(yuǎn)方控制與信息共享的變電站集成自動化。

集成自動化系統(tǒng)的變電站將間隔繼電保護(hù)的控制、保護(hù)、故障錄波、事件記錄和運(yùn)行、支持系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理等功能集成在一個統(tǒng)一的多功能數(shù)字裝置內(nèi)，用少量的光纖總線連接，實(shí)現(xiàn)間隔內(nèi)部與間隔間、間隔同站級間的網(wǎng)絡(luò)通信，并在間隔級和站級對各個功能進(jìn)行系統(tǒng)與優(yōu)化組合。

4、結(jié)束語

繼電保護(hù)與故障檢測對電力系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮著極其重要的作用。小電流接地系統(tǒng)的空間電磁場探測故障支路與故障點(diǎn)和多分辨分析小波接地選線識別故障支路與故障接地相等故障檢測新方法，是實(shí)現(xiàn)快速檢測和識別小電流接地系統(tǒng)故障支路、故障點(diǎn)及故障接地相提高電網(wǎng)設(shè)備管理維護(hù)的繼電保護(hù)和故障檢測分析水平的可行方法。隨著電力系統(tǒng)向微機(jī)化、數(shù)字化、自動化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展和數(shù)字化變電站、無人值班變電站及特高壓電網(wǎng)的建設(shè)運(yùn)行，繼電保護(hù)及故障檢測也需逐步向控制、測量、保護(hù)、智能、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)通信一體化發(fā)展。