停電區(qū)域及廣域同步信息基礎(chǔ)上的電網(wǎng)故障快速診斷分析

曾志川

摘要 文章提出以停電區(qū)域及廣域同步信息為技術(shù)支撐快速診斷電網(wǎng)故障的新方法，以期為行業(yè)和技術(shù)發(fā)展提供方向性參考。該方法僅與故障復(fù)雜程度有關(guān)，而和保護(hù)信息沒有關(guān)系，也不受網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的制約，診斷成果快速有效。在對故障元件識別確認(rèn)后還能對保護(hù)動作進(jìn)行行為評價，對故障類型進(jìn)行簡單判別。

關(guān)鍵詞 停電區(qū)域；廣域同步信息；電網(wǎng)故障；快速診斷

中圖分類號TM7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號1674-6708（2015） 153-0040-01

電力系統(tǒng)在出現(xiàn)故障之后，若在非故障區(qū)域中查找故障元件是毫無意義的，因為故障之后，斷路器和保護(hù)都會按照內(nèi)設(shè)程序執(zhí)行相應(yīng)動作，斷開故障元件與電源的連接。筆者將介紹一種在停電區(qū)域基礎(chǔ)上，利用廣域同步信息快速診斷電網(wǎng)故障的方法。

1 對停電區(qū)域進(jìn)行高效識別

繼電設(shè)備會在電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障之后快速執(zhí)行程序中設(shè)定的反應(yīng)動作切斷故障元件和電源之間的聯(lián)系，把故障元件置于無源網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，所謂的停電區(qū)域就是由這些彼此孤立的無源網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成的。首先對停電區(qū)域加以確定，以此為基礎(chǔ)在該區(qū)域的內(nèi)含元件中就能找到故障元件。

識別停電區(qū)域時借助于電力系統(tǒng)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ瑢㈦娏ο到y(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男畔㈥P(guān)系表示為G= （V，E），V為節(jié)點集，組成部分有母線、發(fā)電機(jī)及變壓器等，E是邊集合，組成部分是開關(guān)，開關(guān)的閉合與開啟控制著邊的通斷情況。若故障發(fā)生，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲薪柚鷱V度優(yōu)先的專業(yè)搜索方法對其加以遍歷，從而生成無緣網(wǎng)絡(luò)（停電區(qū)域）。具體為以下幾點。

1）在電力系統(tǒng)運行正常的情況下，對其結(jié)線加以必要的技術(shù)分析，其中部分元件是與發(fā)電機(jī)或者等效電源相對應(yīng)的，則將這些元件標(biāo)記成有源式節(jié)點。

2）發(fā)生故障之后對此時的系統(tǒng)結(jié)線進(jìn)行二次分析，隨之會產(chǎn)生多個子系統(tǒng)，為了減小開關(guān)信息在傳輸中的錯誤率，應(yīng)將開關(guān)信息、PMU模擬量的量測信息以及狀態(tài)估計進(jìn)行綜合考量評判。

3）對每一個子系統(tǒng)而言，跳閘開關(guān)的兩端都有節(jié)點存在，把所有這些節(jié)點把全部設(shè)置成邊界節(jié)點，從而組建邊界節(jié)點的集合，在此基礎(chǔ)上開展擴(kuò)展節(jié)點的各項工作。擴(kuò)展過程中一旦發(fā)現(xiàn)部分節(jié)點連接著有源式節(jié)點，擴(kuò)展即停止，同時把該次擴(kuò)展中所涉及子系統(tǒng)的全部節(jié)點標(biāo)記成帶電狀態(tài)，否則擴(kuò)展一直繼續(xù)，直至該子系統(tǒng)所有節(jié)點均已完成擴(kuò)展。最后把已經(jīng)檢測出的停電區(qū)域進(jìn)行核對和編號，其中的元件均作為疑似故障元件列入初步判斷故障的元件集內(nèi)。

待所有節(jié)點全都被搜索一遍之后，只要停電區(qū)域和邊界節(jié)點連接在一起，就會全部被檢索出來，同時也確定了發(fā)生故障以后，部分邊界節(jié)點呈繼續(xù)帶電的狀態(tài)。電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，識別停電區(qū)域僅僅是在變位開關(guān)的位置進(jìn)行搜索，所以，故障復(fù)雜程度是上述拓?fù)浞秶奈ㄒ挥绊懸蛩兀阉骷白R別都能做到快速、準(zhǔn)確。

2 快速診斷電網(wǎng)故障

2.1 從故障電流判別

本文在進(jìn)行方向判別時僅僅依靠電流是由于：1）在保護(hù)中起判別方向作用的元件通常會引入電壓、抗阻等系列參數(shù)，有助于改善以就地信息為判斷基礎(chǔ)的方向判斷結(jié)果的準(zhǔn)確性，但故障診斷中相關(guān)計算以及數(shù)據(jù)傳輸都更加復(fù)雜化。借助廣域信息，將其優(yōu)勢充分發(fā)揮，可對變量種類合理減少，有助于進(jìn)行方向判別；2）突變量的方向元件在日前應(yīng)用比較廣泛，與其他元件的區(qū)別主要在于重點反映電流突變的情況；3）單純依靠廣域量測模擬值進(jìn)行判斷，可有效避免其他IED方向的誤判對故障診斷的干擾。

為了把廣域信息更好地應(yīng)用于方向判別中，發(fā)生故障之后，將停電區(qū)電流的相量值與高性能的相電流差綜合起來，采用突變量的選相原理對電流加以選相，借助最終選定的電流進(jìn)一步判別方向，這種方法具有一定的在理論研究基礎(chǔ)，并由相關(guān)的仿真模擬實驗結(jié)果作為支撐，受故障類型等因素的影響很小，其具體操作步驟為以下幾步。

1）利用廣域信息進(jìn)行全面搜索，查找出停電區(qū)域內(nèi)最早發(fā)生動作的開關(guān)，進(jìn)而獲得其發(fā)生動作的具體時間，在這個時間點以前的某個時間段內(nèi)，不同測點間的相電流差會產(chǎn)生變化，計算出各個測點的該變化量值，將變化量最大值所對應(yīng)測點的電流取作輸入電流值。

2）在選定輸入電流的基礎(chǔ)上，通過突變量選相的原理對輸入電流實施選相，選項結(jié)果即可作為故障相應(yīng)用到方向判別中，其與傳統(tǒng)的選相元件區(qū)別在于，該元件更加注重利用停電區(qū)域內(nèi)的電流等有關(guān)信息，顯著提高了對故障電流的相別的準(zhǔn)確識別度。

3）在2）的方向判別基礎(chǔ)上，如果故障是多相型的，任何一相的故障電流均可作為判別根據(jù)。

如遇高阻故障，如果過渡電阻過大，甚至于最大電流都不能準(zhǔn)確判斷出，就要對三相電流每一相電流的信息都分別實施方向判斷，一旦其中任意一相電流呈現(xiàn)出兩側(cè)或以上的方向不止一次相同，就可判定該元件是故障元件。

2.2 故障定位的流程

故障發(fā)生后，必須要立即對停電區(qū)域加以高效識別，將開關(guān)的動作信息以及模擬量和電網(wǎng)的拓?fù)潢P(guān)系總綜合起來考慮，在所有停電區(qū)域內(nèi)查找該區(qū)域中最早發(fā)生動作的開關(guān)，個別元件的電壓會在這個最早動作之前出現(xiàn)明顯的較大跌落，把這類元件篩選出來，若符合篩選條件的元件有且僅有一個并且非母線（避免因出口故障并存在保護(hù)或者開關(guān)誤動、拒動而誤判成是母線故障），那么該元件就是故障元件；若符合條件的元件不止一個或者僅有的一個是母線，就需要根據(jù)短路時電流的方向做進(jìn)一步判斷。

2.3 保護(hù)、開關(guān)動作的行為評價

在發(fā)生短路事故并且方向信息獲得后，不但能準(zhǔn)確鎖定故障元件的具體位置，把電壓的跌落時間以及有關(guān)保護(hù)信息進(jìn)行綜合分析和研究，還能科學(xué)評價保護(hù)及開關(guān)執(zhí)行動作行為的成效：1）部分區(qū)域內(nèi)故障元件相對比較集中，該區(qū)域內(nèi)的開關(guān)是否均呈斷開狀態(tài)。2）若全部斷開，可判斷為近后備的保護(hù)（或者主保護(hù)）發(fā)生動作，則需深層次的分析測得記錄的電壓實際下降的時間，若電壓實際下降時間位于主保護(hù)斷開故障元件的時段區(qū)域內(nèi)，可判斷執(zhí)行動作的是主保護(hù)，不然則是近后備的保護(hù)執(zhí)行動作斷開了故障元件而主保護(hù)發(fā)生拒動。如果有的開關(guān)呈現(xiàn)閉合狀態(tài)，則可以判斷為此開關(guān)發(fā)生拒動，或者該側(cè)保護(hù)發(fā)生拒動，從停電區(qū)域內(nèi)深入搜索該開關(guān)所連接的一切節(jié)點，直至查找到呈斷開狀態(tài)的開關(guān)，如果元件電壓跌落的時間不在其后備保護(hù)發(fā)生作用的時間范圍內(nèi)，則可判斷是保護(hù)（或者開關(guān)）越級引起跳閘。3）在對開關(guān)所連接的節(jié)點進(jìn)行全面搜索時，一旦發(fā)現(xiàn)電流是從線路流經(jīng)跳閘開關(guān)后再流向母線，則可判斷為該保護(hù)（或者開關(guān)）發(fā)生誤動操作。

2.4 判別故障類型

在故障元件鎖定以后，先按照2.1節(jié)的選相方法選相，再根據(jù)電壓量等有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。若PMU檢測結(jié)果顯示故障元件電壓值跌落較大的情況僅發(fā)生在一相上，就判斷為是單相故障。若三相電壓均發(fā)生明顯較大跌落，就判斷為是三相故障。若其中兩相電壓發(fā)生跌落并且跌落幅度都很大，就判斷為是兩相接地的故障。若其中兩相電壓發(fā)生跌落而跌落幅度并不明顯，就判斷為是兩相短路的故障。最后再把電流和電壓的各自判斷結(jié)果進(jìn)行綜合分析和研究后得出最終判斷結(jié)果。

3 結(jié)論

綜上，在停電區(qū)域和廣域同步信息基礎(chǔ)上的電網(wǎng)故障快速診斷方法僅與故障復(fù)雜程度有關(guān)，而和保護(hù)信息沒有關(guān)系，也不受網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的制約，診斷成果快速有效。在對故障元件識別確認(rèn)后還能對保護(hù)所執(zhí)行的動作實施行為評價，識別故障類型。停電區(qū)域不同導(dǎo)致其所反映的電網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)架也會有所不同，所以，要借助網(wǎng)絡(luò)前期的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析功能對停電區(qū)域進(jìn)行實時刷新，以保證診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。