電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及故障檢測方法分析

杜伊

（寧夏超高壓電力工程有限公司，寧夏 銀川750011）

1 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和故障檢測功能

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和故障檢測作用如下：第一是在被保護(hù)元件、設(shè)備產(chǎn)生故障問題后，繼電保護(hù)裝置便會有選擇、迅速、準(zhǔn)確、自動地朝故障元件接近斷路器發(fā)出相應(yīng)的跳閘切斷命令，促進(jìn)其快速和電力系統(tǒng)脫離開來，進(jìn)一步降低對于安全供電和電力系統(tǒng)破壞的影響，同時在無故障支持下，盡快恢復(fù)正常運(yùn)行。第二是能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，對電網(wǎng)保護(hù)設(shè)備以及錄波設(shè)備等二次裝置進(jìn)行實時監(jiān)測與有效控制，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。第三是能夠針對電力系統(tǒng)中的異常運(yùn)行狀態(tài)和故障問題進(jìn)行有效檢測，準(zhǔn)確判斷故障的發(fā)生區(qū)域和以及故障性質(zhì)。第四是可以結(jié)合電力系統(tǒng)內(nèi)的各種異?，F(xiàn)象進(jìn)行有效提示，電氣設(shè)備產(chǎn)生運(yùn)行故障條件下，聯(lián)系設(shè)備實際運(yùn)行維護(hù)條件以及相關(guān)異常現(xiàn)象進(jìn)行有效的信號提升，從而警示相關(guān)值班人員針對設(shè)備中的缺陷故障問題進(jìn)行及時有效的檢修處理。確保無人值班條件下，繼電保護(hù)裝置能夠進(jìn)行自動化調(diào)整處理，或選擇性切除某些存在安全隱患的電氣裝置。電力系統(tǒng)相關(guān)繼電保護(hù)需要具備良好的可靠性、靈敏性、選擇性、速動性，如此才能促進(jìn)電力系統(tǒng)實現(xiàn)正常穩(wěn)定發(fā)展，激發(fā)繼電保護(hù)裝置自身的維護(hù)功能[2]。

2 小電流接地系統(tǒng)為基礎(chǔ)的故障檢測

2.1 結(jié)合空間電磁場分析單相接地故障

在小電流接地系統(tǒng)產(chǎn)生單相接地故障問題后，接地點非故障支路、后向支路、前向支路相關(guān)零序電壓以及電流會呈現(xiàn)出不同特征，而對應(yīng)線路周圍磁場和電場分布也會產(chǎn)生不同變化，所以可以借助磁場和零序電場對接地故障點進(jìn)行合理探測。

第一，針對小電流接地系統(tǒng)實施穩(wěn)態(tài)分析，結(jié)合圖1 仿真模型作為典型直線π 型10 千伏配電線路，可以代表故障支路和正常支路五種配電線支路，實施故障點探測，把實驗和設(shè)定所得故障支路參數(shù)Ⅱ、正常支路Ⅰ、系統(tǒng)參數(shù)以及故障參數(shù)實施穩(wěn)態(tài)分析，最終得到故障穩(wěn)態(tài)條件下配電系統(tǒng)中不同支路零序容性電流和零序功率特征，即故障支路故障后向零序容性電流和零序電壓相比落后π/2，對應(yīng)零序容性功率數(shù)值為正數(shù)。非故障支路前向零序電容性電流和零序電壓相比超前π/2，對應(yīng)零序容性功率是負(fù)數(shù)。故障支路前向零序容性電流和零序電壓相比，超前π/2，對應(yīng)零序容性功率結(jié)果是負(fù)數(shù)。

圖1 小電流接地系統(tǒng)模型

圖2 電磁場檢測電路相關(guān)檢測原理

第二，配電線路相關(guān)磁場分析和電場分析，在小電流接地系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析基礎(chǔ)上，在不考慮線路和負(fù)載之間的互感影響元素背景下，針對配電線路附近電磁場實施仿真接地探測，具體如圖2 所示，能夠獲得三相電流和電壓構(gòu)成的磁場、電場以及零序電流、零序電壓所形成的磁場和電廠擁有替代性結(jié)論，將五次諧波電壓電流的磁場和電場當(dāng)成檢測信號，針對故障點進(jìn)行合理定位與檢測，能夠進(jìn)一步證明空間電磁場對于故障點和故障支路的探測可行性。

2.2 故障接地相和故障支路識別方法

在小電流接地系統(tǒng)產(chǎn)生單相接地故障后，便會形成涵蓋多樣故障特征突出暫態(tài)過程。通過針對小電流接地系統(tǒng)創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型，能夠?qū)收闲纬傻那皵?shù)個周波暫態(tài)信號波形進(jìn)行合理仿真，從而對系統(tǒng)不同支路負(fù)荷電流所形成瞬時波形畸變進(jìn)行準(zhǔn)確檢測，隨后針對接地故障出現(xiàn)時電流暫態(tài)信號實施小波分解，能夠獲得健全支路和故障支路三相電流能量時譜，最終獲得故障出現(xiàn)后，一周之內(nèi)的波內(nèi)能量積分小波能量接地選線判斷依據(jù)。在負(fù)荷電流內(nèi)對故障頻帶特征進(jìn)行直接分析，對瞬時特征進(jìn)行直接提取，便能夠在不影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行下，對故障接地相和故障支路進(jìn)行準(zhǔn)確識別判斷。除此之外，融合專家系統(tǒng)、模糊識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)技術(shù)，可以有效應(yīng)用到某些工況較為復(fù)雜，存在較大分散性的配電網(wǎng)內(nèi)，實施系統(tǒng)故障檢測，能夠幫助小電流接地優(yōu)化選線水平，準(zhǔn)確進(jìn)行故障定位[3]。

小電流接地系統(tǒng)在出現(xiàn)單相接地故障后，會產(chǎn)生某種暫態(tài)過程，特別是暫態(tài)接地電容電流，該過程內(nèi)涵蓋明顯故障特征，在從前分析過程中，容易忽略相關(guān)特征，而小波理論誕生為故障選線提供便利。本節(jié)針對小電流接地系統(tǒng)創(chuàng)建了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，通過仿真獲得故障出現(xiàn)前數(shù)個周波暫態(tài)信號波形，通過針對接地故障對應(yīng)時刻信號實施小波分解，最終得到以小波能量為基礎(chǔ)的接地選相選線判據(jù)，而小電流接地模型具體如圖3所示：

圖3 小電流接地模型

經(jīng)過系列仿真結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)生接地問題后，盡管不會對系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生任何影響，但系統(tǒng)各個支路負(fù)荷電流瞬時形成波形畸變。針對故障后首周波信號實施傅里葉轉(zhuǎn)化，信號頻率于23 赫茲左右頻譜出現(xiàn)細(xì)小峰值。結(jié)合小波轉(zhuǎn)化提取頻率成分，能夠針對故障特征進(jìn)行準(zhǔn)確識別。

3 分析系統(tǒng)故障檢測和繼電保護(hù)

3.1 綜合故障分析系統(tǒng)

相關(guān)分析系統(tǒng)可以幫助調(diào)度人員快速獲取準(zhǔn)確、精細(xì)化的故障位置、保護(hù)動作狀況、開關(guān)跳閘、簡要故障信息，從而助力快速提出系統(tǒng)恢復(fù)決策，同時還可以為相關(guān)專業(yè)繼電保護(hù)技術(shù)人員提供各種有效的參考信息，包括不同保護(hù)裝置故障中的詳細(xì)行為動作、故障分量對保護(hù)裝置的威脅影響以及故障中的電壓和電流變化等專業(yè)信息。系統(tǒng)可以促進(jìn)就地站保護(hù)和故障錄波器時鐘之間實現(xiàn)同步操作，同時還可以幫助站內(nèi)實現(xiàn)自動化監(jiān)控提供基礎(chǔ)參考信息，借助故障錄波器以及地站保護(hù)針對相關(guān)數(shù)據(jù)信息實施智能化處理，促進(jìn)不同設(shè)備彼此數(shù)據(jù)傳輸順利實踐規(guī)約轉(zhuǎn)換，充分滿足不同工作對象現(xiàn)實需求。還可以借助雙端故障測距優(yōu)化測距準(zhǔn)確性，可以為MIS 系統(tǒng)提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)接口，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性。

3.2 繼電保護(hù)和故障檢測

綜合故障分析系統(tǒng)的故障檢測和繼電保護(hù)主要可以分為以下幾點內(nèi)容：

第一是網(wǎng)絡(luò)化故障檢測和繼電保護(hù)，微機(jī)保護(hù)裝置實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，能夠支持電力系統(tǒng)針對繼電保護(hù)中關(guān)鍵設(shè)備各環(huán)節(jié)保護(hù)裝置實施縱聯(lián)串聯(lián)和差動保護(hù)，主站負(fù)責(zé)進(jìn)行統(tǒng)一管理，提供數(shù)據(jù)傳輸、處理等通信服務(wù)。能夠聯(lián)系繼電保護(hù)裝置相關(guān)電氣量，針對故障位置進(jìn)行快速判斷和檢測，掌握故障參數(shù)、形成原因、性質(zhì)以及具體位置等信息，朝相關(guān)保護(hù)裝置傳輸命令，將其中故障元件進(jìn)行快速切除，降低故障覆蓋范圍。

第二是自適應(yīng)控制下的繼電保護(hù)和故障檢測。自適應(yīng)繼電保護(hù)可以針對電力系統(tǒng)運(yùn)行中所形成的故障特征和運(yùn)行方式變化進(jìn)行實時檢測，同時能夠聯(lián)系具體變化對保護(hù)特性、定值和保護(hù)性能進(jìn)行自動化改變，從而更好適應(yīng)電力系統(tǒng)所出現(xiàn)的不同變化，有效改善輸電線路距離保護(hù)、變壓器保護(hù)、發(fā)電機(jī)保護(hù)、自動重合閘以及變壓器保護(hù)等系統(tǒng)保護(hù)性能和系統(tǒng)響應(yīng)。

第三是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下的故障檢測和繼電保護(hù)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)繼電保護(hù)以及故障檢測主要是以生物神經(jīng)科學(xué)為基礎(chǔ)誕生的。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障檢測主要是以生物神經(jīng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，借助模糊邏輯、遺傳算法、進(jìn)化規(guī)劃相關(guān)智能化技術(shù)手段，針對電力系統(tǒng)進(jìn)行合理保護(hù)。結(jié)合其自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自組織以及并行處理、模式識別功能和分布式信息存儲等特征，借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)針對故障距離、故障類型進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，從明確主設(shè)備保護(hù)以及相應(yīng)的保護(hù)方向。比如借助BP 模型針對方向保護(hù)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，從而對故障所處方向進(jìn)行準(zhǔn)確、快速判斷，做好高壓輸電線路相關(guān)方向保護(hù)工作。

結(jié)束語

綜上所述，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行關(guān)系到整個城市的正常生活。為此電力企業(yè)需要不斷強(qiáng)化機(jī)電波保護(hù)，合理進(jìn)行故障檢測。為了進(jìn)一步優(yōu)化故障檢測質(zhì)量，應(yīng)該促進(jìn)故障檢測方法的全面創(chuàng)新，促進(jìn)繼電保護(hù)和電力系統(tǒng)朝著網(wǎng)絡(luò)化、智能化和自動化方向發(fā)展，保證電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性。