預(yù)制艙式智能變電站繼電保護(hù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)故障診斷分析

黃治， 吳學(xué)斌， 鄧惟績

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司物資公司， 湖南 長沙410004；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司， 湖南 長沙410004；3.長沙理工大學(xué)， 湖南 長沙410005)

0 引言

近年來， 因變電站繼電保護(hù)環(huán)節(jié)故障引起的電網(wǎng)大面積停電的事故頻發(fā)， 例如在2003 年英國倫敦南部某變電站因繼電保護(hù)故障導(dǎo)致繼電器誤動引起的系統(tǒng)解列。 以往的變電站繼電保護(hù)存在故障診斷信息不全、 信息傳輸時(shí)間不能很好同步， 導(dǎo)致繼電保護(hù)故障不能準(zhǔn)確診斷[1]。 隨著預(yù)制艙式智能變電站在電網(wǎng)的大量投入運(yùn)行， 為繼電保護(hù)環(huán)節(jié)故障診斷提供了各階段信息的提取和共享支撐。

對電力系統(tǒng)故障能否準(zhǔn)確診斷直接關(guān)系到電網(wǎng)發(fā)生故障后能否快速發(fā)現(xiàn)并精準(zhǔn)定位[2-3]。 目前對于變電站繼電保護(hù)故障的研究熱點(diǎn)主要是電子式互感器的故障診斷和電流測量回路中的故障診斷。 文獻(xiàn)[4-6] 對不同的電流互感器所采用的誤差產(chǎn)生源頭以及變化規(guī)律進(jìn)行探討， 進(jìn)而在后續(xù)的保護(hù)整定計(jì)算中考慮可靠系數(shù)。 而針對電子式互感器主要研究測量精度[7-9]及穩(wěn)定性[10]的提高， 但并未成功的應(yīng)用到實(shí)際工程中。

故障診斷是預(yù)制艙式智能變電站繼電保護(hù)裝置的核心內(nèi)容， 本文通過對預(yù)制艙式智能變電站繼電保護(hù)故障的分析， 提出了一種基于廣義變比辨識算法的故障診斷方法， 對電子式互感器突變性故障，提出一種基于小波變換的故障診斷策略。 結(jié)合長沙某220 kV 預(yù)制艙式智能變電站繼電保護(hù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)故障進(jìn)行仿真建模， 驗(yàn)證了該策略的有效性。

1 故障診斷系統(tǒng)

與傳統(tǒng)變電站相比， 預(yù)制艙式智能變電站在信息的傳遞方式及測量回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上具有顯著差別。 傳統(tǒng)變電站中的每個(gè)系統(tǒng)都是各自獨(dú)立的， 系統(tǒng)設(shè)備相互之間聯(lián)系較弱。 基于IEC61850 的智能變電站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了整體數(shù)字化與信息化[11]， 各設(shè)備間協(xié)調(diào)運(yùn)行能力良好， 可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交互操作， 有利于智能變電站故障的診斷。

1.1 智能變電站繼電保護(hù)故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能變電站的工作狀態(tài)與數(shù)據(jù)信息先由電子式互感器和智能設(shè)備進(jìn)行收集， 然后通過合并單元對獲取的信息聚合， 再送入繼電保護(hù)裝置進(jìn)行分析、比較， 從而得到所需要的最終命令， 并將命令送至執(zhí)行部分使保護(hù)動作， 實(shí)現(xiàn)對故障的切除。 變電站故障診斷系統(tǒng)， 如圖1 所示。

圖1 故障診斷系統(tǒng)

該診斷系統(tǒng)將TV/TA、 繼電保護(hù)環(huán)節(jié)、 IED 整個(gè)流程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合比較， 從而判斷故障是否存在。 在傳感器環(huán)節(jié)， 利用多個(gè)傳感器對某一元件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集， 通過對比不同傳感器之間的測量數(shù)據(jù)來判斷該環(huán)節(jié)是否存在故障； 在繼電保護(hù)裝置環(huán)節(jié)， 可以通過對比傳感器輸入故障診斷系統(tǒng)的信息和繼電保護(hù)裝置接收到的信息是否匹配來進(jìn)行判斷； 在繼電保護(hù)裝置動作時(shí)， 通過測量裝置內(nèi)部各環(huán)節(jié)狀態(tài)， 及時(shí)診斷繼電保護(hù)是否正確動作， 以及動作命令是否正確執(zhí)行， 來判斷故障是否存在。 從互感器、 保護(hù)裝置內(nèi)部到智能單元全環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集是構(gòu)建故障診斷的必要條件。 信息越完整， 診斷效果越好。 從被診斷對象的輸入， 到被診斷對象內(nèi)部對輸入的反應(yīng)， 到其發(fā)出的命令及執(zhí)行反饋， 所有過程均有信息反饋， 將為構(gòu)建高性能故障診斷系統(tǒng)創(chuàng)造條件。

1.2 繼電保護(hù)故障診斷數(shù)據(jù)預(yù)處理

要實(shí)現(xiàn)對智能變電站繼電保護(hù)裝置故障的診斷分析， 首先應(yīng)該對網(wǎng)絡(luò)報(bào)文進(jìn)行處理分析， 判斷數(shù)據(jù)是否異常。 數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括: ①采樣值數(shù)據(jù)的獲取及預(yù)處理； ②GOOSE 數(shù)據(jù)的獲取及預(yù)處理； ③MMS 數(shù)據(jù)的獲取及預(yù)處理； ④站內(nèi)其他種類網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

針對220 kV 及以上的預(yù)制艙式智能變電站的大數(shù)據(jù)信息， 先對不同種類數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理分析，并對不同的分布式組件進(jìn)行建模， 利用CORBA、DCOM、 TAO 等不同的分布式組件庫實(shí)現(xiàn)元器件接口， 實(shí)現(xiàn)不同組件的功能分解， 以實(shí)現(xiàn)方便、 靈活的數(shù)據(jù)組合， 可以將后臺分析軟件選擇裝在智能變電站的低負(fù)荷分析主機(jī)或者某臺獨(dú)立機(jī)器上， 也可同時(shí)安裝在監(jiān)控中心的監(jiān)控機(jī)上。

通過報(bào)文分析與數(shù)據(jù)預(yù)處理后， 就可以實(shí)現(xiàn)在較短時(shí)間內(nèi)分析報(bào)文， 迅速辨識異常數(shù)據(jù)， 為后續(xù)故障診斷提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2 電流測量回路故障診斷

2.1 繼電保護(hù)電流測量回路廣義變比

繼電保護(hù)電流測量回路是指電流互感器測量至繼電保護(hù)裝置內(nèi)部CPU 得到數(shù)字量的全過程[12]?；ジ衅魇瞧渲凶詈诵牡牟糠?， 流進(jìn)互感器一次側(cè)電流為i1， CPU 整合得到的二次電流數(shù)值為i2， 將兩者的比值定義為廣義變比Ng。 其物理含義為一次電流、 電流互感器到CPU 計(jì)算獲取的數(shù)字值間的傳遞關(guān)系， 其定義為:

將上式進(jìn)行標(biāo)幺化處理， 得到標(biāo)幺值ng(t)為:

2.2 電流測量回路廣義變比辨識方法

綜合誤差ε (t) 會在測量回路故障或出現(xiàn)異常時(shí)增大(綜合誤差在短時(shí)間內(nèi)不會發(fā)生變化)，從而使得廣義變比會發(fā)生變化。 因此可以根據(jù)變比的變化來判別回路是否發(fā)生故障或異常。

分析對象選擇測量回路中三相電流的某一相電流， 用i11、 i12、…、 i1i、…、 i1n分別表示經(jīng)過節(jié)點(diǎn)M 某相一次側(cè)電流， 相應(yīng)經(jīng)過測量回路之后二次側(cè)采樣電流為i21、 i22、…、 i2i、…、 i2n， 根據(jù)基爾霍夫電流定律， 可得廣義變比為:

式中，Ngi表示第i 條支路電流測量回路的廣義變比， i1i、 i2i為i 時(shí)刻保護(hù)的一、 二次側(cè)電流采樣值。

將上式(4) 兩邊同時(shí)除以N， 則可得到:

式中，ngi為第i 條支路廣義變比的標(biāo)么值。

假設(shè)t1～tm為監(jiān)測測量回路的時(shí)間段， 在這之中第i 個(gè)時(shí)間段第j 條支路的保護(hù)CPU 計(jì)算值是在這之中的任意計(jì)算過程都要滿足式(4)， 所以m (m ＞n) 個(gè)時(shí)刻的結(jié)果能夠得到式(6):

式中:

矩陣A 可根據(jù)奇異值理論進(jìn)行分解:

式中， S 和D 分別是m×m 階和n×n 階正交矩陣，V=diag (λ1， λ2，…， λn)， 其對角元素λn為A 的奇異值， 并按降序排列。

在實(shí)際中， m?n， 根據(jù)前述分析得到， A 中的列向量線性相關(guān)， 在m 為一個(gè)很大的值時(shí)，rank (A)=n-1， 式(6) 存在1 個(gè)基礎(chǔ)解。 進(jìn)而將式(8) 代入式(6)， 以及加入約束得到式(9):

式中， 單位正交矩陣DT可逆， 化簡為:

式中， D= [d1， d2，…， dn]T， VTV=diag (0)

從而Dng= (0， 0，…， 0， 1)T， 解得:

式中， α 表示任意非0 實(shí)數(shù)； dn表示矩陣D 的第n行向量。

2.3 電流測量回路故障判別

為了判別回路工作情況是否正常， 需通過上述方法求得Ngi與Ni。 第i 條支路電流測量回路故障判據(jù)Pi的公式為:

將所定義的廣義變比計(jì)算結(jié)果與之相應(yīng)的Ni進(jìn)行對比， 根據(jù)結(jié)果來判斷回路是否正常。 在正常情況下， ε (t) ＜10%， 由式(2)、 式(12) 可得式(13):

圖2 表示在定義的廣義變比的測量電路故障診斷流程圖。

圖2 故障診斷流程

2.4 仿真實(shí)驗(yàn)

2.4.1 正常及故障情況下廣義變比辨識

圖3 為長沙某220 kV 預(yù)制艙式智能變電站母線差動保護(hù)電流測量回路故障診斷的模型圖， 方框內(nèi)表示故障發(fā)生位置。 其中K=1 100/5， 單相電源一致SM、 SK， 參數(shù)設(shè)置如圖3 所示， U額定=220 kV，負(fù)載ZM= 1 000 + j310 Ω， ZK= 150 + j31 Ω。

圖3 變電站母線差動保護(hù)電流測量回路示意圖

i21、 i22、 i23、 i24為正常和故障下， 母線保護(hù)裝置每個(gè)二次側(cè)電流采樣值， 得到的結(jié)果如圖4 所示。 支路綜合誤差辨識值計(jì)算結(jié)果見表1。

通過表1 可以得出， 當(dāng)四個(gè)電流互感器的誤差均為0 時(shí)， 正?；蚬收锨闆r下辨識值的Ng標(biāo)么值為1.000 0， 均等于理想變比； 在電流互感器有誤差值時(shí)， 其Ng會發(fā)生一定的線性變化。 同時(shí)， 測量回路誤差值的正負(fù)情況影響廣義變比的增減: 當(dāng)誤差值為正時(shí)， Ng減??； 反之， Ng增大。 由上述分析得到， 在不同的狀態(tài)下均可準(zhǔn)確得到Ng辨識值。

圖4 正常及故障情況下母線差動保護(hù)二次電流

表1 正常情況下廣義變比的標(biāo)幺值

2.4.2 電流測量回路故障診斷

選取CT1 所在的電流測量回路作為研究對象，設(shè)置這條支路的綜合誤差分別為-15%、 -10%、-5%、 +5%、 +10%和+15%時(shí)， 得到測量回路各支路故障判據(jù)Pi的辨識值見表2。

表2 CT1 支路測量回路各類綜合誤差下的故障判據(jù)

根據(jù)分析， CT1 所在支路測量回路綜合誤差為-5%、 +5%， 其Pi得到為0.052 2、 -0.047 1， 當(dāng)設(shè)定容許誤差為10%時(shí)， P1∈(0.090 9， 0.111 1)，由此可判定CT1 所在測量支路處于正常運(yùn)行狀態(tài)；但是綜合誤差分別是-15%、 +15%時(shí)， 得到的Pi為0.176 6 和-0.130 7， P1?(0.090 9， 0.111 1)，由此可判定CT1 所在測量支路出現(xiàn)運(yùn)行故障。

3 電子式互感器突變性故障診斷方法

3.1 利用小波變換的故障診斷方法

智能變電站繼電保護(hù)及自動裝置各類信息的獲取均取自于電子式互感器， 電子式互感器的運(yùn)行狀況直接關(guān)系到整個(gè)變電站信息交換體系運(yùn)行。 當(dāng)電子式互感器出現(xiàn)不正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)， 主要表現(xiàn)為變比的突變、 信號突然無法傳輸、 偏差激增等。 當(dāng)一次系統(tǒng)信號發(fā)生突變或是互感器發(fā)生故障都有可能引起信號畸變。 要實(shí)現(xiàn)精確、 快速地識別故障及定位， 需先準(zhǔn)確判別畸變信號的來源。

電力一次系統(tǒng)的信號突變引起的電子式互感器信號產(chǎn)生畸變主要包括電網(wǎng)故障、 開關(guān)操作、 電磁干擾及電力系統(tǒng)振蕩等。 且來源于一次系統(tǒng)的故障或擾動會導(dǎo)致多相互感器同時(shí)發(fā)生信號畸變。 只有單一互感器信號發(fā)生畸變時(shí)， 就可以判斷是互感器本身故障引起的信號畸變， 可以通過小波變換檢測各互感器信號是否存在畸變， 并同時(shí)采樣突變時(shí)刻。 如果同一時(shí)刻有兩個(gè)及以上的互感器信號產(chǎn)生畸變， 則可以判斷是由一次系統(tǒng)信號突變引起的互感器信號畸變。 如果同一時(shí)刻僅一臺互感器發(fā)生信號畸變， 則可判斷是由互感器本身故障引起的信號畸變， 診斷流程如圖5 所示。

圖5 電子式互感器診斷流程

3.2 信號突變點(diǎn)的提取

應(yīng)用小波變換對高階奇異信號進(jìn)行定位， 并采用多尺度模極大值綜合處理方法獲取故障時(shí)刻， 如圖6 所示， 可以判斷信號突變點(diǎn)為第1 001 個(gè)采樣點(diǎn)。

圖6 基于小波變換的信號突變點(diǎn)提取

3.3 仿真實(shí)驗(yàn)

采用Matlab 仿真建模了長沙某220 kV 預(yù)制艙智能變電站某線路發(fā)生相間短路故障， 如圖7 所示。 線路單位長度電阻和電感分別為 R =12.73 mΩ/km， L= 0.933 7 mH/km， 設(shè)置0.2 ms作為采樣間隔。 設(shè)置B、 C 兩相短路， 故障時(shí)間為0.2～0.48 s， 根據(jù)采樣間隔， 第1 000 個(gè)采樣點(diǎn)為故障點(diǎn)。 仿真故障信號波形如圖8 所示， 可知當(dāng)線路發(fā)生兩相短路時(shí)， 將導(dǎo)致B、 C 相電流、 電壓互感器同時(shí)發(fā)生信號畸變。 利用小波變換的故障定位方法可以定位第1001/1000 個(gè)采樣點(diǎn)為B 相互感器信號突變點(diǎn)， 第1002/1000 采樣點(diǎn)為C 相互感器信號器信號突變點(diǎn)， 如圖9—10 所示。

B、 C 相電壓互感器輸出信號根據(jù)多尺度模極大值綜合處理后得到如圖9—10 所示。 第1001/1000 個(gè)采樣點(diǎn)為B 相電壓/電流互感器信號突變點(diǎn)； 第1002/1000 采樣點(diǎn)為C 相電壓/電流互感器信號器信號突變點(diǎn)。 由BC 相互感器經(jīng)小波變換后的輸出信號可知， 電子式互感器畸變信號來自一次系統(tǒng)。

圖7 B、 C 相短路故障類型

圖10 基于小波變換的C 相互感器信號輸出

當(dāng)電力系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)， 仿真設(shè)置0.4 s 時(shí)(第1400 個(gè)采樣點(diǎn)) 對A 相電壓互感器加入固定偏差信號來模擬A 相電壓互感器發(fā)生偏差型突變故障， 經(jīng)小波變換后， 發(fā)現(xiàn)除了A 相發(fā)現(xiàn)一個(gè)信號奇異外， 其他各相均為0， 由此可知，互感器信號畸變來源于互感器本身的故障， 如圖11—12 所示。

圖11 A 相電壓互感器含偏差信號的輸出波形

圖12 基于小波變換的A 相互感器信號輸出

4 結(jié)語

本文針對預(yù)制艙式智能變電站故障進(jìn)行分析，提出了基于廣義變比辨識的電流測量回路故障診斷方法及基于小波變換的電子式互感器故障診斷方法。

針對智能變電站繼電保護(hù)電流測量回路， 首先通過定義智能變電站繼電保護(hù)廣義變比， 當(dāng)該廣義變比出現(xiàn)異常， 即可判斷電流測量回路出現(xiàn)故障。該方法簡單、 高效， 無需加裝任何硬件設(shè)施， 只需通過軟件算法即可實(shí)現(xiàn)電流測量回路故障的在線診斷。 該方法可以集成于母線電流差動保護(hù)、 站域、廣域差動保護(hù)中， 實(shí)現(xiàn)電流測量回路的故障診斷，也可在智能變電站的二次回路高級診斷系統(tǒng)中應(yīng)用， 實(shí)現(xiàn)電流測量回路的故障診斷。

新型的電子式互感器是智能變電站繼電保護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備， 其可靠性要求高。 本文提出的基于小波變換的突變信號畸變在線診斷的方法， 能有效識別信號來源， 通過小波變換進(jìn)行故障定位。 該方法的推廣有利于提高電子式互感器的安全性和可靠性，為廣泛推廣電子式互感器提供有利保障。