電網(wǎng)故障快速反應(yīng)和可靠決策支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐曉峰，巫聰云，顏循敏，鐘潔，汪昌元，廖曉春，寧雪瑩

（1.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司防城港供電局，廣西 防城港 538000；2.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司，南寧 530015；3. 武漢華電順承科技有限公司，武漢 430071)

0 前言

近年來，隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，線路走廊日益密集，基于簡化電網(wǎng)模型及單一測(cè)距方法的故障錄波分析軟件已不能滿足實(shí)際工作需求。在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和運(yùn)行方式變化的情況下，如何快速、準(zhǔn)確地判斷線路故障和保護(hù)動(dòng)作行為，為電網(wǎng)部門提供可靠的輔助決策，成為繼保人員面臨的新課題[1-3]。

本文提出電網(wǎng)故障快速反應(yīng)和可靠決策支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)能兼容并處理不同錄波裝置數(shù)據(jù)，融合了多種測(cè)距方法，并自適應(yīng)選取最優(yōu)算法，最后通過云發(fā)布為繼保人員的故障分析和定位提供快速可靠支持。

1 電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境的現(xiàn)狀

1）電網(wǎng)故障快速反應(yīng)要求：社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)安全穩(wěn)定供電的要求也越來越高。電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，電網(wǎng)部門需要快速查找到故障源、判明故障原因并進(jìn)行故障處理，盡快恢復(fù)供電以減少停電損失。目前，故障信息的發(fā)布范圍僅限于管理III 區(qū)，繼電保護(hù)人員只能在上班的 8小時(shí)內(nèi)從指定電腦的 WEB 瀏覽器上獲取故障錄波信息，如果這 8 小時(shí)外發(fā)生停電事故，繼電保護(hù)人員將無法及時(shí)獲得信息并進(jìn)行科學(xué)合理的故障診斷，調(diào)度指揮、恢復(fù)供電等均將受到影響，極易造成重大經(jīng)濟(jì)損失[4]。

2）互感線路故障及跨線故障：在電網(wǎng)建設(shè)過程中，同桿線路數(shù)目將會(huì)越來越多，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，如分段同桿、四回甚至六回線路同桿并架以及跨電壓等級(jí)線路同桿等復(fù)雜形式將逐步增加。故障線路和非故障線路之間的互感強(qiáng)弱、故障擾動(dòng)量的大小將直接影響故障測(cè)量準(zhǔn)確度，而市場上的多數(shù)錄波分析軟件采用的測(cè)距方法并沒有考慮互感線路的情況[5]。

3） 故障信息多源異構(gòu)： 目前雖然有COMTRADE 國際標(biāo)準(zhǔn)文本，但由于國內(nèi)尚未見官方正式出版社的中文版本的格式標(biāo)準(zhǔn)及年代建設(shè)的差異性，國內(nèi)各個(gè)設(shè)備制造廠內(nèi)的研發(fā)小組按照各自對(duì)英文版規(guī)范的部分說明理解獨(dú)立進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致各制造廠的多種型號(hào)的裝置輸出的錄波格式數(shù)據(jù)文件參差不齊，故障分析更加困難。

該模塊是一個(gè)開放式可擴(kuò)充的功能模塊，格式轉(zhuǎn)換接口依據(jù)各廠家數(shù)據(jù)自定義格式進(jìn)行整合，將各錄波設(shè)備輸出的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)格式。這種處理方法可降低應(yīng)用功能和廠家自定義格式的耦合度，當(dāng)有新的錄波設(shè)備接入組網(wǎng)時(shí)，將該錄波設(shè)備的轉(zhuǎn)換接口庫加入其中即可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展。

2.2.2 通道及元件參數(shù)映射模塊

該模塊主要功能組件由兩類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成：一是COMTRADE 數(shù)據(jù)文件處理類，起到承上啟下的作用；二是通道及一次元件映射類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這一映射類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是直接面向功能應(yīng)用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)層次

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電網(wǎng)故障快速反應(yīng)和可靠決策支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分參考國內(nèi)外多廠家最新的錄波分析軟件的現(xiàn)有功能，取長補(bǔ)短，采用分層結(jié)構(gòu)，各個(gè)層次之間采用低耦合的接口銜接，便于維護(hù)和功能擴(kuò)充。其軟件層次有：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)整理層、應(yīng)用分析層和故障發(fā)布層，各層由不同的模塊或接口組成，如圖1 所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層部署在通信服務(wù)器上，其基本功能是：報(bào)文發(fā)送、報(bào)文接收、報(bào)文解析以及錄波文件采集。首先依據(jù)錄波型號(hào)調(diào)用轉(zhuǎn)換函數(shù)將指令初始化為相應(yīng)報(bào)文，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給錄波器，再將接收到的報(bào)文進(jìn)行校驗(yàn)和解析，根據(jù)報(bào)文類型調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)，提取有效信息，執(zhí)行相關(guān)指令或判斷是否需要召喚錄波文件。

當(dāng)電流產(chǎn)生大擾動(dòng)或故障發(fā)生時(shí)，錄波設(shè)備采集數(shù)據(jù)并生成錄波文件就地存儲(chǔ)，系統(tǒng)通過電力數(shù)據(jù)網(wǎng)不斷通過報(bào)文輪詢與主站連接的各錄波設(shè)備，一旦檢測(cè)到有新的錄波文件生成，立即收取現(xiàn)場錄波文件。

2.2 數(shù)據(jù)整理層

2.2.1 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊

由于標(biāo)準(zhǔn)COMTRADE 格式文件提供的數(shù)據(jù)信息與應(yīng)用分析功能所需要的信息并不完全等同，他們之間存在一個(gè)交集關(guān)系，因此采用交集映射。COMTRADE 數(shù)據(jù)文件處理類用于讀取錄波文件，解析錄波文件信息；通道及一次元件抽象映射類主要作用為管理通道數(shù)據(jù)、參數(shù)配置管理及一次元件數(shù)據(jù)映射，便于后續(xù)應(yīng)用分析。在這一模塊實(shí)現(xiàn)由標(biāo)準(zhǔn)錄波格式到映射類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換[6]。

2.3 應(yīng)用分析層

該層主要由故障測(cè)距模塊、波形分析模塊和接口組成：將測(cè)距應(yīng)用模塊封裝成動(dòng)態(tài)鏈接庫，由錄波分析模塊調(diào)用。測(cè)距分析過程中有大量的中間計(jì)算結(jié)果，例如對(duì)側(cè)、背側(cè)系統(tǒng)阻抗，序電壓的沿線分布曲線數(shù)據(jù)等，又可用于波形分析，兩個(gè)模塊通過輸入配置接口和輸出結(jié)果接口進(jìn)行通信。

2.3.1 波形分析

1）工頻量分析：工頻參數(shù)包括正序阻抗、正序?qū)Ъ{、零序阻抗、零序?qū)Ъ{以及多回互感線路之間的互感等，這些數(shù)據(jù)是電力系統(tǒng)潮流計(jì)算、短路計(jì)算、繼電保護(hù)、自動(dòng)化裝置整定等其他分析計(jì)算的基礎(chǔ)參數(shù)。

2）測(cè)距接口設(shè)定：結(jié)合實(shí)際電網(wǎng)故障錄波數(shù)據(jù)的特性，選擇具有對(duì)線路參數(shù)、線路互感、運(yùn)行方式、故障信息、故障類型等相適應(yīng)的測(cè)距方法。

3）阻抗分析：從母線側(cè)感受到的電流電壓之間的約束關(guān)系都可以用系統(tǒng)阻抗的方式來表征，系統(tǒng)阻抗強(qiáng)弱也是影響保護(hù)動(dòng)作行為的一個(gè)重要因素。為提高故障測(cè)距精確和對(duì)保護(hù)動(dòng)作行為的分析，需要進(jìn)行阻抗分析。

4）其他分析：其他分析主要包括SOE 分析、相量分析功能，序量分析功能，功率分析功能，接地相互阻抗分析，基于Hamin 窗算法直流數(shù)字濾波功能，基于最小二乘擬合非周期分量分析等高級(jí)分析應(yīng)用。

2.3.2 故障測(cè)距

電力系統(tǒng)線路結(jié)構(gòu)多變、系統(tǒng)運(yùn)行方式多樣、故障類型復(fù)雜，每一種故障測(cè)距算法都有其自身的優(yōu)點(diǎn)及適用范圍，這些測(cè)距方法在理論模型下測(cè)距精度都較高，但在實(shí)際工程應(yīng)用中魯棒性會(huì)有所差別。該模塊中整合了單端測(cè)距、雙端測(cè)距和四端測(cè)距方法，依據(jù)故障性質(zhì)，自適應(yīng)選取合適的測(cè)距方法。

2.4 故障發(fā)布層

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)除傳統(tǒng)工作站推送告警信息外，還實(shí)現(xiàn)了分層不同區(qū)內(nèi)相關(guān)的告警信息通過WEB、智能終端以及短信方式實(shí)時(shí)推送，并且建立的云計(jì)算平臺(tái)，使告警信息從電腦上搬到無處不在的云平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備間的故障信息應(yīng)用共享。

為了嚴(yán)格遵循電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定，安全管理III 區(qū)的WEB 服務(wù)器同云發(fā)布平臺(tái)之間加裝正向隔離裝置，以避免云發(fā)布平臺(tái)通過WEB 服務(wù)器向電力二次系統(tǒng)施加影響。云發(fā)布平臺(tái)用戶身份驗(yàn)證采用VPN + 軟證書的方式，該方式同數(shù)據(jù)鏈路綁定，如果出現(xiàn)用戶身份信息不符的情況，立即切斷訪問鏈路[4]。其流程圖如下圖所示。

圖2 訪問認(rèn)證流程圖

3 自適應(yīng)選取測(cè)距方法

針對(duì)不同的運(yùn)行方式、故障性質(zhì)及故障信息選取測(cè)距方法：當(dāng)僅有單側(cè)數(shù)據(jù)或單相永久性故障時(shí)，考慮采用單端測(cè)距方法；雙端測(cè)距算法利用了兩側(cè)錄波數(shù)據(jù)，測(cè)距精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單端測(cè)距算法，在工程實(shí)用中具有廣泛的應(yīng)用[7]；對(duì)同桿并架線提供了六序電壓分布分式型測(cè)距方法[8-10]。

1）單端測(cè)距：采用了故障分量消除過渡電阻的解二次方程測(cè)距算法。在運(yùn)行中，當(dāng)故障線路僅有一側(cè)錄波數(shù)據(jù)時(shí)，以有數(shù)據(jù)側(cè)作為計(jì)算參考側(cè)，計(jì)算出故障點(diǎn)相對(duì)參考側(cè)的故障距離；而當(dāng)故障線路兩側(cè)錄波齊全時(shí)，可分別以兩側(cè)為參考側(cè)進(jìn)行計(jì)算。

2）雙端測(cè)距：選取基于兩端推算的故障點(diǎn)電壓幅值相等的改進(jìn)式序電壓分布迭代法，采用參數(shù)修正的Ⅱ型線路模型代替分布參數(shù)線路模型，使分子分母對(duì)參數(shù)變化、輸入電壓電流的變化具有同向誤差變換，從而部分抵消，使測(cè)距結(jié)果較為穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的魯棒性。

3）四端測(cè)距：當(dāng)線路與相鄰線路存在互感時(shí)，上述單端和雙端測(cè)距中與零序分量相關(guān)的算法由于互感的影響，測(cè)距結(jié)果會(huì)有較大偏差?？紤]采用六序分量電壓分布雙端測(cè)距，采用六序分量法解耦后，再利用雙端測(cè)距，其中六序分量包括：同向正序、同向負(fù)序、同向零序、反向正序、反向負(fù)序、反向零序。

圖3 自適應(yīng)選取測(cè)距方法

4 應(yīng)用分析

為驗(yàn)證該系統(tǒng)的可用性，將某三種故障分析主站系統(tǒng)A、B、C 和電網(wǎng)故障快速反應(yīng)可靠決策系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行對(duì)比，故障點(diǎn)位置的線路全長取30 km、50 km 和100 km，每個(gè)故障樣本數(shù)量取50，計(jì)算故障測(cè)距準(zhǔn)確性，并計(jì)算故障發(fā)生到故障處理平均耗時(shí)，其故障測(cè)距的準(zhǔn)確性及故障反應(yīng)耗時(shí)數(shù)據(jù)可見表1。

從表中數(shù)據(jù)中可以看出：

1）電網(wǎng)故障快速反應(yīng)和可靠決策支持系統(tǒng)的測(cè)距成功率均高于其他故障分析主站系統(tǒng)，這是由于單一的測(cè)距方法在某些情況下無法得出測(cè)距結(jié)果，利用多種測(cè)距方法可有效避免這個(gè)問題。

2）數(shù)據(jù)整理層的處理有效縮減了不同錄波文件的差異，有助于減少錄波文件的分析耗時(shí)，提升可靠性。

3）線路越長原故障分析主站的誤差越大，因?yàn)榉植茧娙輰?duì)于測(cè)距精度影響很大，此外，以上樣本中有10%故障是同桿并架的情況，原故障分析主站系統(tǒng)限于分析手段不足，在同桿并架的情況下絕對(duì)誤差更大。

表1 故障測(cè)距準(zhǔn)確度對(duì)比

5 結(jié)束語

通過對(duì)錄波數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理、故障錄波數(shù)據(jù)的挖掘、智能云發(fā)布等技術(shù)的研究，構(gòu)建了錄波信息從通信傳輸、事故分析、故障定位等業(yè)務(wù)一站式處理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)錄波數(shù)據(jù)監(jiān)視平臺(tái)化、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、分析集約化和發(fā)布智能化，減少故障信息獲取時(shí)間，提高電網(wǎng)事故處置效率。下一階段將研究融合人工智能技術(shù)，運(yùn)用大量的錄波數(shù)據(jù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)故障的預(yù)測(cè)、判別和評(píng)估功能。