基于繼電保護的故障信息智能分析方法

關鍵詞：新型電力系統(tǒng)；繼電保護；故障分析

中圖分類號：TM771 文獻標識碼：A

0 引言

隨著我國新型電力系統(tǒng)的不斷建設，一旦發(fā)生電網故障可能使系統(tǒng)整體設備及經濟受到影響。繼電保護作為一種電力系統(tǒng)中常用的保護手段，通過檢測系統(tǒng)中短路、過載等異常情況，可以采取相應的措施來防止事故的發(fā)生。因此，故障信息的檢測及分析顯得尤為重要。電力系統(tǒng)故障信息的檢測主要通過監(jiān)測和分析系統(tǒng)內部各參數(shù)及數(shù)據(jù)信息，根據(jù)安全判據(jù)即可識別故障或者存在異常的情況，然后繼電保護將采取相應動作，切除故障設備以防止故障范圍擴大，減少損失及事故傷亡。

1 系統(tǒng)構建

1.1 架構構建

故障信息分析系統(tǒng)采用層次分布式設計，融合計算機、網絡和通信技術，以傳輸控制協(xié)議/ 網際協(xié)議（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP）為基礎，該系統(tǒng)適用于各種電力網絡。通過IEC60870-5-103 標準協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互，該系統(tǒng)由中心調度站、廠站終端站以及電力通信網絡構成。中心調度站負責數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控，具備故障信息處理和分析能力，而廠站終端站則作為接入點，處理內部二次設備的數(shù)據(jù)并轉發(fā)至中心調度站。基于此，系統(tǒng)能夠執(zhí)行高級功能[1]。

1.2 設計準則

設計高效故障信息分析系統(tǒng)的目標是精準收集和傳輸子站設備的定值、常態(tài)數(shù)據(jù)、報警信號和故障詳情等。系統(tǒng)設計需滿足實時性、準確性要求，首要任務是確保故障數(shù)據(jù)迅速、準確地傳遞至主站，以便分析故障。同時，系統(tǒng)還需實時監(jiān)控保護設備和故障記錄器，及時預警異常狀態(tài)，保存保護參數(shù)和狀態(tài)，以優(yōu)化電網監(jiān)控，減少設備故障時間，并為自動化管理提供穩(wěn)固的基礎。

2 故障分析流程

2.1 記錄生成

故障記錄的初始化由線路保護動作觸發(fā)，整合線路兩側的保護報文和波形文件以統(tǒng)一記錄，依據(jù)關聯(lián)設備信息收集報文和波形。該操作的關鍵在于確保所有相關保護裝置與線路正確對應，保證信息完整且有效。同時，需考慮預設單次故障記錄波形的時間精度范圍，以及處理可能存在的時鐘偏差問題，通過引入主站接收時間作為校準標準，避免因時鐘誤差導致信息遺漏。

2.2 信息篩選

基于預處理階段獲取的故障時間，系統(tǒng)整理、合并兩側繼電保護的所有相關事件和波形文件。初步對比分析波形，通過預先設定的邏輯規(guī)則，剔除非本次故障事件和波形，確保智能分析程序輸入的數(shù)據(jù)準確無誤，避免后續(xù)分析過程中的邏輯錯誤或識別難題。信息篩選的挑戰(zhàn)在于如何設計精確且靈活的判斷邏輯，確保向智能分析程序提供的信息準確可靠。

2.3 智能分析

基于繼電保護的故障信息智能分析方法主要有3 種，具體內容如圖1 所示。

故障診斷的具體流程：首先，通過分析故障波形來識別故障的特定相位。其次，確認保護裝置的跳閘信號是否符合預設的保護策略，以判斷其響應是否恰當。若單相（或多相）跳閘后接收到重合閘出口信號，將進一步核實重合閘是否執(zhí)行并且成功排除故障，或者在重合后再次發(fā)生故障。最后，基于重合閘的表現(xiàn)，決定是否需要計算二次故障隔離的時間。

在變電站內部，整合所有同類保護裝置的數(shù)據(jù)，包括波形一致性和出口跳閘相位一致性，從而評估本側保護的整體準確性。對于早期投入運行的線路，可能存在雙重重合閘同時作用的情況，此時需要對比兩個系統(tǒng)的反應是否同步，以確定重合閘的精確性。如果兩者不一致，還需要參考線路對側的重合閘信息。

在系統(tǒng)框架的指導下，整合兩側變電站的綜合信息并且結合計算數(shù)據(jù)，生成詳盡的保護動作分析報告。在此基礎上，檢查兩側主要保護動作的一致性，以確保整體保護行為的正確性。故障測距的選擇主要基于歷史故障數(shù)據(jù)、人工定位結果以及精度較高的保護設備測距值，其要求兩側測距總和接近電力線路總長度且誤差在設定范圍內。

通過一系列嚴謹?shù)牟襟E和數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)管理人員能夠準確地評估和識別故障，確保保護系統(tǒng)的有效性和可靠性[2]。

3 應用分析

當前的新型電力管理系統(tǒng)通過遵循“分層調度，各自負責，協(xié)同合作，共同保障”的原則，構建了故障信息分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)呈現(xiàn)出多層次的架構，包括省調主站、地調分站和廠站子站的監(jiān)控。系統(tǒng)主要分為主站和子站兩個模塊，子站結構根據(jù)規(guī)模分為集中式（適用于小型變電站）和分布式（適用于大型發(fā)電設施）子站，子站可以通過電力數(shù)據(jù)網絡向主站推送所需信息。電網故障信息分析系統(tǒng)的關鍵功能如下[3]。

（1）數(shù)據(jù)采集與可視化：基于繼電保護技術的故障分析系統(tǒng)實現(xiàn)了電力系統(tǒng)的圖形化管理，通過全球定位系統(tǒng)（GPS）定位顯示220 kV 及以上廠站的地理位置，以圖表形式展示一次設備和二次設備運行狀態(tài)，具體包括報警信息、接線圖和通信狀態(tài)等，便于用戶查詢定值等信息。

（2）實時數(shù)據(jù)處理與個性化推送：系統(tǒng)能實時處理環(huán)境、設備和用戶行為數(shù)據(jù)，從而及時通知用戶。用戶可以根據(jù)需求定制窗口屬性，獲取各地實時保護設備數(shù)據(jù)和其他定制信息。

（3）故障智能分析與查詢：系統(tǒng)具備智能故障分析和故障簡報查詢功能，通過整合兩側繼電保護裝置的動作信息和錄波器記錄，將采集的信息自動分類存檔。對于信息不完整的情況，等待人工確認后歸檔。歸檔數(shù)據(jù)獨立存儲，僅通過人工操作來刪除，防止數(shù)據(jù)過期被系統(tǒng)自動清除。

4 功能部署及應用效益

智能變電站的繼電保護故障信息分析系統(tǒng)需要整體規(guī)劃，規(guī)劃設計圖如圖2所示[4]。

在系統(tǒng)實施階段，采用標準化總線通信網絡連接智能變電站的客戶端應用程序，并將子站后臺服務器、維護工作站、路由器設備和打印機等集成到電力通信網絡中，確保與調控中心主站服務器節(jié)點的連通性。在實際應用中，將智能變電站的故障信息分析系統(tǒng)于2024 年1 月至4 月投入河北省試運行，對比2023 年同期的數(shù)據(jù)，具體對比情況如表1所示。

當智能變電站采用了繼電保護故障信息分析系統(tǒng)后，電力系統(tǒng)的故障診斷速度顯著提升。城市區(qū)域的平均響應時間縮短了11 min，農村地區(qū)更是縮短了13 min，這不僅減少了應急響應過程中的時間，也加快了調控人員對故障的處理和電力恢復[5]，進而優(yōu)化了停電地區(qū)的社會經濟效益。此外，生產團隊通過該系統(tǒng)能實時獲取精確的事故和關鍵問題信息，明確預警策略，以迅速采取行動確保電網安全。這使系統(tǒng)化管理歷史電網事故和缺陷記錄成為可能，智能變電站的故障信息分析系統(tǒng)極大地提升了事故和缺陷處理的響應速度，及時通知各相關部門進行搶修，從而提升調度員和維護人員的工作效率。通過減少故障分析的時間，整個故障應對流程能夠高效運行，進一步強化了生產管理的效能。

5 結語

新型電力系統(tǒng)建設過程中，基于繼電保護的故障信息智能分析方法已經成為提升電網安全穩(wěn)定運行的關鍵手段，智能分析方法的引入極大地提高了故障處理的自動化水平，降低了人工干預的需求，減少了人為操作導致的誤判和延誤。通過實時采集、處理和分析故障信息，本文所提策略在故障識別的基礎上，還可以判斷故障類型，為電力系統(tǒng)的快速恢復及安全穩(wěn)定運行提供有力支持。