基于雷電信息的電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)研究

李 鵬，張小易，黃浩聲，佘曉峰，袁宇波

(1.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京 211103；2.南京移騰科技有限公司，江蘇南京 210022)

電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)控一體化的實(shí)施，將有力推動(dòng)電網(wǎng)運(yùn)行與設(shè)備運(yùn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的融合。為充分發(fā)揮設(shè)備評(píng)估和環(huán)境監(jiān)測對(duì)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行的技術(shù)支撐功能，有必要建立基于電氣量、開關(guān)量及氣象環(huán)境與災(zāi)害信息等多數(shù)據(jù)源的綜合性電網(wǎng)故障分析功能，為調(diào)度運(yùn)行人員提供更為豐富的電網(wǎng)運(yùn)行信息，提升電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行人員決策準(zhǔn)確性[1]?，F(xiàn)階段電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，故障信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括開關(guān)量和電氣量。傳統(tǒng)的電網(wǎng)故障分析與診斷主要依賴于故障后上送到繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)的保護(hù)、斷路器等的開關(guān)量信息及分布式或集中式錄波數(shù)據(jù)，但由于信息傳輸丟失或不全面等不確定情況，往往會(huì)發(fā)生故障元件診斷范圍擴(kuò)大，甚至誤判等情況[2]。

本文提出了一種融合雷電定位信息與繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)的電網(wǎng)故障診斷數(shù)據(jù)處理方法，電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，首先對(duì)電氣量故障信息進(jìn)行特征提取,通過數(shù)據(jù)映射技術(shù)獲取特征數(shù)據(jù)，依據(jù)特征數(shù)據(jù)搜索故障時(shí)相關(guān)區(qū)內(nèi)的雷電定位信息，最后進(jìn)行基于多數(shù)據(jù)源的信息融合的故障分析。

1 繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)及特征

目前，繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)處理的主要數(shù)據(jù)對(duì)象是在電網(wǎng)發(fā)生故障的情況下，保護(hù)設(shè)備上送的離散信息，運(yùn)行人員需對(duì)這些設(shè)備運(yùn)行信息進(jìn)行故障識(shí)別與分析處理[3]。在電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生復(fù)雜故障時(shí)，將有大量的異常和故障信息涌入數(shù)據(jù)處理中心，運(yùn)行人員很難在短時(shí)間內(nèi)從中識(shí)別出有用的故障信息。掌握并利用繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的特征對(duì)于電網(wǎng)故障的識(shí)別、分析及恢復(fù)相當(dāng)重要。

傳統(tǒng)的故障信息識(shí)別與處理技術(shù)在面對(duì)大量故障信息數(shù)據(jù)時(shí)，一直無法解決上送數(shù)據(jù)過剩而有用信息不足的問題。本研究通過對(duì)故障時(shí)繼電保護(hù)上送的信息及其自身特點(diǎn)進(jìn)行分析，提出了基于規(guī)則庫的信息識(shí)別與處理技術(shù)，并通過軟件技術(shù)將故障信息處理邏輯與程序?qū)崿F(xiàn)分離開來，使故障信息識(shí)別規(guī)則變成可維護(hù)的對(duì)象，從而在信息系統(tǒng)特征數(shù)據(jù)發(fā)生變更的時(shí)候，無需修改程序代碼即可完成故障信息處理方式的改變。通過對(duì)大量歷史故障信息的整理與分析，可進(jìn)一步完善故障信息處理的規(guī)則庫，提高故障信息處理的準(zhǔn)確性與及時(shí)性。基于規(guī)則庫的繼電保護(hù)故障信息識(shí)別與處理技術(shù)根據(jù)電網(wǎng)故障時(shí)保護(hù)裝置在特定時(shí)間范圍內(nèi)上送信息的數(shù)據(jù)特征，智能定義每一臺(tái)保護(hù)裝置的故障特征信息集合，在海量的繼電保護(hù)運(yùn)行信息中通過規(guī)則匹配的方式識(shí)別是否出現(xiàn)電網(wǎng)故障,從而自動(dòng)進(jìn)行后續(xù)的故障信息處理與分析。具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案如圖1 所示。

圖1 基于規(guī)則庫的繼電保護(hù)故障信息識(shí)別與處理

數(shù)據(jù)處理過程由設(shè)備信號(hào)采集模塊、規(guī)則匹配與模式定義模塊、故障報(bào)告計(jì)算與分析模塊3 部分組成。

（1）設(shè)備信號(hào)采集模塊。采集模塊通過系統(tǒng)軟總線實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)接收到的各種繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行信息，并對(duì)上送的設(shè)備信號(hào)進(jìn)行分類緩存。

（2）規(guī)則匹配與模式定義模塊。規(guī)則匹配模塊同步處理數(shù)據(jù)緩存區(qū)域內(nèi)的繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行信息，通過匹配某一臺(tái)保護(hù)設(shè)備在指定時(shí)間區(qū)間段上送的信息是否符合故障規(guī)則定義，從而形成判斷標(biāo)準(zhǔn)，并發(fā)出故障通知。具體規(guī)則匹配與故障識(shí)別流程如圖2 所示。

圖2 基于規(guī)則庫的故障識(shí)別流程

（3）故障報(bào)告計(jì)算與分析模塊。故障報(bào)告生成模塊在接收到故障通知后，根據(jù)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，將系統(tǒng)中的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，形成故障報(bào)告。綜合考慮不同設(shè)備類型信息的上送時(shí)差，故障計(jì)算與分析模塊以增量方式完成故障報(bào)告的分析與歸檔處理。

2 雷電定位系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)及其特征

目前雷擊是影響電網(wǎng)安全的頭號(hào)外力破壞因素。通過對(duì)電網(wǎng)區(qū)域雷擊的高效監(jiān)測，將有利于快速查找雷擊故障點(diǎn)、分析事故原因、鑒別故障性質(zhì)，提高電網(wǎng)安全運(yùn)行水平。

2.1 系統(tǒng)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)覆蓋范圍越來越大，雷電監(jiān)測精度也得到極大提高，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)遙測并顯示雷云對(duì)地閃擊的時(shí)間、位置、雷電流峰值和極性、回?fù)舸螖?shù)以及每次回?fù)舻膮?shù)，雷擊點(diǎn)的分時(shí)彩色圖能清晰地顯示雷暴的運(yùn)動(dòng)軌跡[4]。雷電定位系統(tǒng)解決了困擾電網(wǎng)安全運(yùn)行多年的雷擊故障快速準(zhǔn)確定位、真假雷害事故鑒別和雷電基礎(chǔ)數(shù)據(jù)自動(dòng)收集難題，雷電定位系統(tǒng)已成為電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行管理的重要信息支撐。

2.2 存在的不足

隨著雷電定位系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，雷電定位信息在雷擊跳閘事故分析中起到了重要的參考作用，但也存在一定的問題。（1）雷電定位信息數(shù)據(jù)比較單一，在實(shí)際電網(wǎng)故障分析過程中，必須參考其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)，跨業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合功能薄弱，容易形成信息孤島；（2）雷電定位信息系統(tǒng)僅關(guān)注雷電自身相關(guān)專業(yè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與統(tǒng)計(jì)分析很難與其他信息系統(tǒng)進(jìn)行橫向分析與計(jì)算；（3）在電網(wǎng)發(fā)生故障的情況下，電網(wǎng)故障相關(guān)的電氣量、開關(guān)量等常規(guī)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的信息與雷電定位信息的處理與分析過程還依賴人工干預(yù)，智能化程度較低底，更難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享[5，6]。

3 多信息融合與處理方法

為適應(yīng)電網(wǎng)故障智能分析與防護(hù)的發(fā)展，需將繼電保護(hù)故障信息與雷電定位信息進(jìn)行跨業(yè)務(wù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)融合，全面提升電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行管理整體水平，完善現(xiàn)有信息系統(tǒng)在功能上的不足。

3.1 Webservice 技術(shù)

WebService 是一種通過Web 部署提供對(duì)業(yè)務(wù)功能訪問的技術(shù)，逐步成為不同應(yīng)用系統(tǒng)之間相互交流信息資源的一個(gè)接口。WebService 可以突破不同操作系統(tǒng)平臺(tái)、不同數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的限制，以較快的速度提供跨平臺(tái)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)服務(wù)[7]。XML 是目前通用的數(shù)據(jù)交換格式，WSDL 是一種XML 文檔，包含了一組描述WebService的接口定義。WebService 主要以XML 協(xié)議為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，成功解決了不同信息系統(tǒng)的異構(gòu)數(shù)據(jù)融合問題。利用WebService技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)雷電定位信息與繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的融合，數(shù)據(jù)融合方式如圖3 所示。

圖3 多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)方案

3.2 信息交互范圍

信息交互范圍涉及電網(wǎng)220 kV 及以上所有發(fā)電廠、變電站及其輸電線路相關(guān)區(qū)域的雷電信息及廠站內(nèi)二次設(shè)備運(yùn)行信息。電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)對(duì)于故障區(qū)域內(nèi)的雷電信息、繼電保護(hù)動(dòng)作信息能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)采集與數(shù)據(jù)整理，支撐綜合性電網(wǎng)故障信息的融合與數(shù)據(jù)處理。電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)可以根據(jù)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的電網(wǎng)故障信息，依據(jù)區(qū)域、時(shí)間等條件對(duì)雷電信息進(jìn)行檢索，并提供區(qū)域雷擊過程相關(guān)圖形化數(shù)據(jù)。繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)與雷電定位系統(tǒng)采用基于WebService 服務(wù)模式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過規(guī)范化服務(wù)接口定義實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互格式的統(tǒng)一。

3.3 信息交互方式

（1）模式1，主動(dòng)事件通知模式。雷電定位系統(tǒng)接收到新的雷擊信息后向電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)發(fā)出雷擊簡報(bào)信息，內(nèi)容主要包括雷擊區(qū)域、線路名稱與編號(hào)、雷擊時(shí)間等信息，通信接口通過標(biāo)準(zhǔn)WebService 通信服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)。

（2）模式2，數(shù)據(jù)檢索。電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)可以通過檢索條件對(duì)雷電定位系統(tǒng)中的雷擊信息進(jìn)行檢索，雷電定位系統(tǒng)返回檢索結(jié)果主要包含數(shù)據(jù)與圖像2 種類型信息，針對(duì)數(shù)據(jù)信息主要包含雷擊相關(guān)的時(shí)間、經(jīng)度、緯度、電流、回?fù)?、站?shù)、參與定位監(jiān)測站、距離、最近桿塔、線路兩端測距等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以通過Webservice 通信服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)基于XML 相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)信息進(jìn)行描述。

3.4 多信息源分階段故障信息融合

繼電保護(hù)動(dòng)作信息與雷電定位信息系統(tǒng)內(nèi)部通信方式、輸出信息格式均存在很大差異，原有系統(tǒng)之間亦是獨(dú)立的，沒有數(shù)據(jù)交互，因而需要建立一個(gè)統(tǒng)一的信息交互平臺(tái)來獲取各種類型的設(shè)備信息，實(shí)現(xiàn)不同階段信息獲取的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

（1）故障識(shí)別階段。在電網(wǎng)產(chǎn)生故障的初期，電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)的首要任務(wù)為發(fā)現(xiàn)故障并發(fā)出故障簡報(bào)。為了能提高故障信息識(shí)別的準(zhǔn)確性與有效性，需要對(duì)雷電定位信息與繼電保護(hù)設(shè)備信息進(jìn)行統(tǒng)一故障特征值建模，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障信息在不同系統(tǒng)中的準(zhǔn)確識(shí)別。同時(shí)依據(jù)建模方式，可逐步構(gòu)建電網(wǎng)故障信息識(shí)別規(guī)則庫，實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)于電網(wǎng)故障信息識(shí)別的準(zhǔn)確性和有效性。在這個(gè)過程中側(cè)重于電網(wǎng)故障信息的快速識(shí)別與實(shí)時(shí)發(fā)布。

（2）智能化分析階段。電網(wǎng)發(fā)生故障后，各種信息依據(jù)不同的傳輸通道和模式匯集到調(diào)控中心，電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)根據(jù)故障特征提取相關(guān)保護(hù)信息、雷電定位信息，根據(jù)多站、多系統(tǒng)的故障信息結(jié)合故障信息規(guī)則庫，確保故障報(bào)告的準(zhǔn)確性與完整性。在這個(gè)過程中側(cè)重于從信息、事件處理的本質(zhì)層面展開設(shè)備運(yùn)行信息分析和診斷，形成多業(yè)務(wù)、綜合性的故障分析報(bào)告。

4 工程應(yīng)用案例

某電廠送出系統(tǒng)接線如圖4 所示。以某日電廠A送出線路由于雷擊引起相繼跳閘的事故為例來說明本文電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)流程及有效性。

圖4 某電網(wǎng)電廠送出系統(tǒng)主接線

4.1 保護(hù)動(dòng)作信息

（1）電廠A 繼電保護(hù)動(dòng)作情況。當(dāng)日16:44:32，線路1 發(fā)生C 相接地，18 ms 差動(dòng)保護(hù)、距離I 段動(dòng)作相繼動(dòng)作；78 ms 線路1的C 相斷路器跳閘，故障切除。

約300 ms，線路1的C 相再次出現(xiàn)故障電流，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，距離加速動(dòng)作，386 ms時(shí)A、B 相開關(guān)相繼跳閘。968 ms 母差失靈保護(hù)動(dòng)作（0.3 s 跳母聯(lián)，0.6 s跳失靈開關(guān)所在母線所有開關(guān)），同時(shí)發(fā)遠(yuǎn)跳命令給線路3 保護(hù)，1020 ms 跳開正母上所有開關(guān)，包括線路3及2 臺(tái)發(fā)變組，C 相故障電流消失。

約1941 ms，線路2 發(fā)生B 相接地故障，1960 ms差動(dòng)、距離I 段保護(hù)相繼動(dòng)作，B 相故障跳閘，2820 ms重合于故障線路保護(hù)加速三跳。

（2）變電站B 繼電保護(hù)動(dòng)作情況。當(dāng)日16:44:32，220 kV 線路1 發(fā)生C 相故障，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，C 相斷路器跳閘，50 ms時(shí)C 相故障電流消失，390 ms時(shí)收到對(duì)側(cè)遠(yuǎn)跳信號(hào)，啟動(dòng)三跳，不重合。988 ms 線路3 收到遠(yuǎn)跳信號(hào)，開關(guān)三跳，未重合。1960 ms 線路2 B 相故障，重合不成三跳。

4.2 多源數(shù)據(jù)融合的故障分析

在故障發(fā)生后保信系統(tǒng)及時(shí)接收到電廠A、變電站B 子站系統(tǒng)上送的大量告警信息、保護(hù)動(dòng)作信息、故障錄波等，并對(duì)上送的信息進(jìn)行分類緩存。

（1）系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)緩存區(qū)內(nèi)的保護(hù)動(dòng)作事件以及雷電定位系統(tǒng)依據(jù)預(yù)定規(guī)則發(fā)出的雷電定位信息，通過系統(tǒng)自建的電網(wǎng)故障規(guī)則庫精確識(shí)別出線路1、線路2 發(fā)生故障，并形成電網(wǎng)故障信息簡報(bào)，如表1、表2 所示。

表1 電廠A 故障信息

（2）系統(tǒng)根據(jù)保信系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)故障時(shí)間、故障區(qū)域、涉及線路等相關(guān)特征數(shù)據(jù)，通過雷電定位系統(tǒng)提供的WebService 服務(wù)接口，從雷電系統(tǒng)中獲取故障區(qū)域內(nèi)、故障前后600 s 內(nèi)全部雷擊信息，進(jìn)一步，通過特定的雷擊特征數(shù)據(jù)識(shí)別，確認(rèn)線路1的4 號(hào)塔附近的雷擊信息如表3 所示。

（3）系統(tǒng)根據(jù)保信系統(tǒng)相關(guān)故障錄波信息進(jìn)一步完善整個(gè)故障時(shí)相關(guān)一次、二次設(shè)備狀態(tài)、動(dòng)作行為信息，故障錄波如圖5 所示。

表2 變電站B 故障信息

表3 雷電定位系統(tǒng)信息

圖5 繼電保護(hù)故障錄波

（4）基于故障診斷系統(tǒng)提供的相關(guān)一次、二次設(shè)備動(dòng)作信息及雷電信息快速開展故障綜合分析。結(jié)合現(xiàn)場一次設(shè)備檢查，對(duì)故障原因分析如下。

①線路1的C 相絕緣子受雷電繞擊發(fā)生閃絡(luò)，導(dǎo)致C 相跳閘；在C 相開關(guān)等待重合的過程中遭受重復(fù)雷擊，由于雷電波在C 相開關(guān)斷口處形成全反射，導(dǎo)致C 相開關(guān)斷口絕緣擊穿，不能切除故障電流，通過失靈保護(hù)跳正母所有開關(guān)切除故障。

②線路1 開關(guān)損壞后，故障電流持續(xù)時(shí)間達(dá)798 ms，由于故障電流在線路地線上分流超過地線熱穩(wěn)定容量，使線路2 地線斷裂掉落在線路2的B 相導(dǎo)線上形成永久性故障，導(dǎo)致線路2 三相跳閘。

在本次故障信息采集與分析過程中，電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)采用特征數(shù)據(jù)匹配的方式實(shí)現(xiàn)了線路1、線路2故障識(shí)別，在故障數(shù)據(jù)處理過程采用繼電保護(hù)信息與雷電定位信息橫向融合的方式將線路相關(guān)保護(hù)信息、雷電定位信息及錄波信息以增量的方式匯總到故障報(bào)告中，保證了電網(wǎng)故障報(bào)告中多業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的全面性與正確性，為故障分析處理提供了充分的信息支持。

5 結(jié)束語

電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)通過多種數(shù)據(jù)源對(duì)故障進(jìn)行綜合診斷與分析，全面提升了應(yīng)對(duì)電網(wǎng)故障的能力。本文提出利用雷電定位信息進(jìn)行電網(wǎng)故障診斷的多數(shù)據(jù)源融合數(shù)據(jù)處理方法，首先對(duì)雷電定位信息、繼電保護(hù)故障信息進(jìn)行故障特征值提取，利用數(shù)據(jù)映射技術(shù)獲取故障特征數(shù)據(jù)；依據(jù)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行跨系統(tǒng)故障信息檢索與匯總；最后基于多數(shù)據(jù)源進(jìn)行相關(guān)區(qū)域電網(wǎng)故障信息的融合與綜合分析。通過電網(wǎng)實(shí)際故障案例，對(duì)其有效性和實(shí)用性進(jìn)行了說明，為實(shí)現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)智能化調(diào)度奠定基礎(chǔ)。

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