電力系統(tǒng)故障區(qū)域錄波自動(dòng)分析關(guān)鍵技術(shù)

葉遠(yuǎn)波，程曉平，張兆云，劉宏君，汪偉，邵慶祝

(1. 安徽省電力公司調(diào)度控制中心，安徽 合肥 230022；2. 東莞理工學(xué)院，廣東 東莞 523808；3. 長(zhǎng)園深瑞繼保自動(dòng)化有限公司，廣東 深圳 518057)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，保護(hù)設(shè)備數(shù)量也迅速增加[1-4]。面對(duì)不斷增多的保護(hù)裝置和故障次數(shù)[5-6]，繼電保護(hù)管理者不得不面對(duì)2個(gè)問(wèn)題。（1）如何管理好現(xiàn)有的保護(hù)裝置，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置的隱患[7-8]。傳統(tǒng)繼電保護(hù)周期檢修工作的負(fù)面效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，狀態(tài)檢修工作已成為繼電保護(hù)檢修維護(hù)發(fā)展的方向[9-12]。（2）在電網(wǎng)故障的時(shí)候如何快速獲取整個(gè)電網(wǎng)的故障報(bào)告[13]，特別是沒(méi)有動(dòng)作的保護(hù)裝置是否運(yùn)行正常。以往的分析都局限于動(dòng)作線路的分析，基本不涉及不相關(guān)間隔的保護(hù)裝置運(yùn)行分析[14-16]。 文獻(xiàn)[17]將錄波數(shù)據(jù)通過(guò)軟硬件處理上傳至主站。如果主站沒(méi)有對(duì)應(yīng)的處理數(shù)據(jù)能力，只能徒增主站的負(fù)荷。文獻(xiàn)[18]對(duì)繼電保護(hù)故障信息分析處理系統(tǒng)的主要內(nèi)容進(jìn)行了設(shè)計(jì)，但其具體的故障實(shí)例大多以“天災(zāi)”故障線路居多，對(duì)于保護(hù)設(shè)備的跳閘描述過(guò)少。

海量的錄波數(shù)據(jù)自動(dòng)處理已經(jīng)成為變電站發(fā)展的必然趨勢(shì)[19-20]。繼電保護(hù)每次動(dòng)作都會(huì)產(chǎn)生大量的錄波數(shù)據(jù)。這些錄波目前大多是由技術(shù)人員人工分析[21-23]。人工分析的方法不僅浪費(fèi)人力物力，且故障報(bào)告準(zhǔn)確性取決于分析人員的水平[24-25]?；诖耍疚奶岢鲆环N電力系統(tǒng)故障區(qū)域錄波自動(dòng)分析方法，采用了自適應(yīng)門(mén)檻波形同步技術(shù)、通道名稱(chēng)歸一化方案、基于模板匹配的保護(hù)動(dòng)作信息歸類(lèi)方法等關(guān)鍵技術(shù)，大幅提高了故障分析的效率和準(zhǔn)確性。

1 自動(dòng)分析系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

電力系統(tǒng)故障區(qū)域錄波自動(dòng)分析系統(tǒng)是基于廣域信息的繼電保護(hù)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的重要組成部分?；趶V域信息的繼電保護(hù)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取方式如圖1所示。

圖1 實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)系統(tǒng)在電網(wǎng)中的位置Fig. 1 The location of real time evaluation system in power grid

繼電保護(hù)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)系統(tǒng)安裝于各級(jí)調(diào)度中心，該系統(tǒng)分別獲取電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)(EMS)、保信主站系統(tǒng)、錄波器主站系統(tǒng)的信息，實(shí)時(shí)監(jiān)視電網(wǎng)繼電保護(hù)運(yùn)行情況和分析每一次保護(hù)動(dòng)作情況，并發(fā)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行的隱患。

電力系統(tǒng)故障之后，繼電保護(hù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)自動(dòng)獲各主站數(shù)據(jù)，并整理出如下信息供系統(tǒng)使用。

(1) 故障時(shí)由保信主站獲取所有的動(dòng)作信息以及事件順序記錄（sequence of event，SOE）信息。

(2) 各保護(hù)裝置的定值單、壓板整定單。

(3) 故障時(shí)動(dòng)作線路兩側(cè)的錄波信息和中間節(jié)點(diǎn)信息。

(4) 故障線路以及所涉及變電站內(nèi)其他線路本側(cè)、對(duì)側(cè)所有錄波信息和中間節(jié)點(diǎn)信息。

其中（1）由繼電保護(hù)保信主站根據(jù)事件順序記錄信息綜合而成，并保存為可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言文件（xml格式文件）；(2)直接由繼電保護(hù)系統(tǒng)提供，直接以EXCEL電子表格文件形式提供；（3）（4）則是保護(hù)裝置故障或者擾動(dòng)時(shí)進(jìn)行錄波，保存為電力系統(tǒng)瞬態(tài)數(shù)據(jù)交換的通用格式（comtrade格式），并由保信主站召喚并傳遞給系統(tǒng)。

1.2 主要功能

自動(dòng)分析系統(tǒng)可直接輸出word和pdf報(bào)告，在報(bào)告中展示所有的分析結(jié)果。其中word版本便于現(xiàn)場(chǎng)工作員對(duì)報(bào)告進(jìn)行完善和補(bǔ)充，而pdf版本便于歸檔。

區(qū)域錄波自動(dòng)分析系統(tǒng)的主要功能包括當(dāng)次的事故綜述，以及所有錄波的時(shí)序分析、動(dòng)作行為判斷、定值靈敏度分析、模擬量分析、外回路分析、采樣回路分析、定值分析、壓板分析等功能。

事故綜述主要包括故障線路的選擇、主要?jiǎng)幼鬟^(guò)程以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)的繪制。根據(jù)錄波數(shù)據(jù)信息生成的拓?fù)涫纠鐖D2所示。圖2準(zhǔn)確顯示了本次事故所有相關(guān)的變電站以及線路關(guān)系，并用紅色標(biāo)識(shí)了故障線路。

圖2 自動(dòng)生成的拓?fù)涫纠鼺ig. 2 Automatically generated topology example

對(duì)于故障線路以及保護(hù)裝置的錄波數(shù)據(jù)分析主要包含以下方面。

(1)動(dòng)作時(shí)序分析，主要是綜合保護(hù)裝置動(dòng)作事件、保護(hù)錄波數(shù)據(jù)以及故障錄波器錄波數(shù)據(jù)，梳理出本次保護(hù)的動(dòng)作時(shí)序。

(2)動(dòng)作行為判斷，主要是判斷本次故障的動(dòng)作行為是否符合邏輯。

(3)模擬量分析，主要計(jì)算故障前和故障后的向量并進(jìn)行多源對(duì)比分析。

(4)定值靈敏度分析，首先是根據(jù)錄波數(shù)據(jù)得到電壓電流測(cè)量值，然后進(jìn)一步計(jì)算出保護(hù)元件測(cè)量值，最后對(duì)比測(cè)量值和定值，分析當(dāng)前保護(hù)內(nèi)部各元件的動(dòng)作情況。

(5)外回路分析，主要綜合分析外部所有的開(kāi)關(guān)量變位信息。常見(jiàn)的異常包括開(kāi)關(guān)量抖動(dòng)、開(kāi)關(guān)量缺失、壓板投入異常等。

(6)定值分析，用以分析調(diào)度下發(fā)的定值單和保護(hù)裝置錄波數(shù)據(jù)中的定值的一致性。定值如果有不一樣的地方則提出告警，并生成報(bào)告。

(7)壓板分析，主要分析壓板投入狀態(tài)和給定狀態(tài)不一致的情況。

(8)采樣回路分析，主要通過(guò)故障前三相電流和三相電壓的正序分量、零序分量和負(fù)序分量來(lái)判斷采樣回路相序是否正確、是否出現(xiàn)斷線等情況。

2 自動(dòng)分析系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多波形同步系統(tǒng)

不同裝置的時(shí)間差以及啟動(dòng)判據(jù)存在差別，因此要實(shí)現(xiàn)所有裝置錄波分析的基準(zhǔn)一致，對(duì)每一個(gè)錄波文件都需要重新分析啟動(dòng)點(diǎn)，完成啟動(dòng)時(shí)刻的歸一化。

在錄波啟動(dòng)時(shí)刻歸一化的過(guò)程中，需要確定啟動(dòng)判據(jù)的閾值門(mén)檻。由于各線路的參數(shù)差別較大，不能使用相同的定值。對(duì)于每一條線路都設(shè)置定值，會(huì)導(dǎo)致設(shè)置復(fù)雜，不具有實(shí)用性?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一種根據(jù)波形自適應(yīng)確定啟動(dòng)門(mén)檻的方法，具體步驟如下。

（1）通過(guò)配置文件得出第一段錄波數(shù)據(jù)的采樣率N和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度L。

（2）根據(jù)錄波通道名，獲得錄波文件中的Ia、Ib、Ic電流通道和 Ua、Ub、Uc電壓通道，并從數(shù)據(jù)文件讀取6個(gè)通道的數(shù)據(jù)序列。

（3）確定啟動(dòng)前正常電流、電壓值。利用半周積分算法依次計(jì)算6個(gè)通道的錄波最初半個(gè)周波的向量，作為啟動(dòng)前的模擬量。

（4）確定啟動(dòng)后故障電流、電壓的值。利用半周積分算法從錄波文件的第一個(gè)周波后開(kāi)始計(jì)算每半個(gè)周波的模擬量向量。如果是電壓通道，找出序列中第2小和第3小的值，取平均值；如果是電流通道，找出第2大和第3大的值，取平均值。平均值作為故障后的模擬量值參考值。

（5）計(jì)算啟動(dòng)門(mén)檻。每個(gè)通道的啟動(dòng)門(mén)檻為故障后的模擬量值減去故障前的模擬量值取絕對(duì)值，然后乘以可靠系數(shù)。按照電壓通道和電流通道分別統(tǒng)一啟動(dòng)門(mén)檻。電流通道的3個(gè)門(mén)檻中的最大值作為電流啟動(dòng)門(mén)檻；電壓通道的3個(gè)門(mén)檻中的最大值作為電壓?jiǎn)?dòng)門(mén)檻。

（6）循環(huán)查找啟動(dòng)點(diǎn)。從采樣值的第一個(gè)周波開(kāi)始，依次計(jì)算上述6個(gè)通道的采樣值突變量。如果連續(xù)3點(diǎn)突變量大于門(mén)檻值，則記作該通道啟動(dòng)。通過(guò)這種方法對(duì)6個(gè)通道進(jìn)行操作，至少可以找到1個(gè)啟動(dòng)通道及啟動(dòng)時(shí)刻；如果找到多個(gè)啟動(dòng)通道，則將最早的點(diǎn)記為該錄波的啟動(dòng)點(diǎn)。

按照上述步驟，所有的錄波文件都找到了啟動(dòng)點(diǎn)，將所有的啟動(dòng)點(diǎn)默認(rèn)為同時(shí)刻，則所有錄波完成了同步操作，在時(shí)間上具有一致性。

2.2 通道名稱(chēng)歸一化

不同保護(hù)設(shè)備的錄波通道數(shù)不一樣，即使相同的通道，通道名稱(chēng)也不一樣。因而需要對(duì)通道名稱(chēng)進(jìn)行歸一化處理。

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，采用配置模板的方式實(shí)現(xiàn)通道的識(shí)別。例如，對(duì)于重合閘出口信號(hào)，國(guó)內(nèi)各主要廠家的命名不一樣。國(guó)內(nèi)主要廠家重合閘出口信號(hào)的名字如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)主要廠家重合閘出口信號(hào)的名稱(chēng)Table 1 The name of the exit signal of the recloser of the major domestic manufacturers

為了對(duì)重合閘信號(hào)進(jìn)行分析，采用配置文件的方式，將重合閘定義為特定信號(hào)，且該信號(hào)來(lái)源于所有錄波通道?；跅l件設(shè)置，通過(guò)配置文件完成通道的歸一化。

2.3 基于模板匹配的保護(hù)動(dòng)作信息歸類(lèi)

一次故障發(fā)生之后，產(chǎn)生的事件順序記錄（SOE）事件、動(dòng)作事件和錄波數(shù)據(jù)中的變位較多，需要對(duì)這些信息進(jìn)行歸類(lèi)分析。為了便于動(dòng)作信息的歸類(lèi)，自動(dòng)分析系統(tǒng)采用模板匹配方法實(shí)現(xiàn)對(duì)故障信息的歸類(lèi)。根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，錄波類(lèi)型主要分為故障線路錄波和非故障線路錄波。電網(wǎng)的線路保護(hù)動(dòng)作主要分為3種情況：?jiǎn)蜗嘤谰眯怨收?、單相瞬時(shí)性故障、多相故障。因而故障線路可以按照3個(gè)模板進(jìn)行匹配分析。根據(jù)這3類(lèi)典型故障和1個(gè)非故障線路列出保護(hù)動(dòng)作時(shí)的模板，建立各類(lèi)保護(hù)動(dòng)作時(shí)候的信息模板。經(jīng)過(guò)精簡(jiǎn)的單相永久性故障事故簡(jiǎn)報(bào)模板如表2所示。

表2 精簡(jiǎn)后的單相永久性故障事故簡(jiǎn)報(bào)模板Table 2 Single phase permanent fault accident briefing template

精簡(jiǎn)后的模板只包含了保護(hù)的跳閘出口、重合閘出口和跳位繼電器等7個(gè)信號(hào)。完整的模板還包括差動(dòng)保護(hù)、距離保護(hù)、零序保護(hù)等各類(lèi)保護(hù)動(dòng)作行為以及動(dòng)作時(shí)間，以及由上述信號(hào)衍生出來(lái)的合成信號(hào)，例如根據(jù)跳閘令出口時(shí)間和返回時(shí)間計(jì)算出的跳閘脈沖寬度等。

基于自動(dòng)分析得到的一次真實(shí)故障的故障信息如表3所示。針對(duì)本次事故，完成了本次事故的信息簡(jiǎn)況生成之后就可以判斷保護(hù)裝置的動(dòng)作行為是否正確。基于同樣的方法可以建立其他故障類(lèi)型的故障模板。

表3 基于自動(dòng)分析得到的故障信息Table 3 Summary of fault information based on automatic analysis

2.4 故障類(lèi)型判別以及信息報(bào)告生成

在建立故障模板之后，需要對(duì)每一次故障選擇相應(yīng)的模板進(jìn)行匹配-具體判斷邏輯，如圖3所示。

圖3 保護(hù)裝置動(dòng)作事件判斷邏輯Fig. 3 Logic diagram of protection device action event judgment

首先根據(jù)所屬的故障類(lèi)型，選擇正確的簡(jiǎn)報(bào)模板。分析保護(hù)事件和錄波信息，填寫(xiě)簡(jiǎn)表中的各項(xiàng)內(nèi)容，然后對(duì)本次動(dòng)作簡(jiǎn)報(bào)中的所有數(shù)據(jù)按照檢測(cè)要求進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)過(guò)程中主要異常情況有3大類(lèi)。

（1）如果某一項(xiàng)空白，則標(biāo)記該項(xiàng)異常。

（2）對(duì)于未在簡(jiǎn)報(bào)中體現(xiàn)的事件和信息單列，多余的事件也屬于異常的范疇，例如包含了多次跳位繼電器的變化。

（3）數(shù)據(jù)超出了約束條件，例如第一次跳閘時(shí)間超過(guò)了 30 ms。

在評(píng)價(jià)結(jié)束后，對(duì)本次錄波的信息進(jìn)行輸出，輸出事故簡(jiǎn)報(bào)以及異常條目。

3 自動(dòng)分析系統(tǒng)實(shí)踐

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行模式

電力系統(tǒng)區(qū)域故障錄波自動(dòng)分析系統(tǒng)分為在線運(yùn)行和離線運(yùn)行模式。

在線運(yùn)行模式下，基于廣域信息實(shí)時(shí)自動(dòng)地進(jìn)行電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用該模塊生成相應(yīng)的報(bào)告，并將該報(bào)告?zhèn)魉偷焦芾聿块T(mén)。

離線運(yùn)行模式下，可以直接對(duì)事先收集到的錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，生成相應(yīng)的報(bào)告。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

采用C++和python聯(lián)合編程的方式完成電力系統(tǒng)區(qū)域故障錄波自動(dòng)分析系統(tǒng)的研發(fā)。由于本系統(tǒng)涉及大量計(jì)算，所以實(shí)用C++進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算處理。

本系統(tǒng)采取xml作為中間文件實(shí)現(xiàn)了C++和python共同發(fā)揮作用，提高了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與運(yùn)行效率。具體來(lái)說(shuō)，首先利用python將excel格式的定值文件讀出，保存在一個(gè)xml文件中，然后C語(yǔ)言部分讀取所有的錄波文件和xml文件，按照前面所述的方法進(jìn)行編程。分析的結(jié)果先保存在一個(gè)xml文件中，當(dāng)所有內(nèi)容分析完畢之后，再次使用python將xml數(shù)據(jù)讀出，按照格式寫(xiě)入到word中。

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行效果

該系統(tǒng)在某電網(wǎng)公司運(yùn)行，效果良好。單次離線故障分析時(shí)間在1 min以?xún)?nèi)，在線分析時(shí)間在10 min以?xún)?nèi)。已經(jīng)利用分析工具分析了線路故障，發(fā)現(xiàn)了大量的異常信息，這些異常信息如下。

（1）開(kāi)關(guān)量抖動(dòng)。2020年3月28日09：34，220 kV某線發(fā)生C相永久性接地故障，兩側(cè)保護(hù)裝置均三跳出口。系統(tǒng)顯示“外回路抖動(dòng)”，在發(fā)現(xiàn)該異常之后人工讀取保護(hù)裝置錄波圖，存在故障，發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

（2）開(kāi)關(guān)量缺失。2021年03月12日10:40，220 kV某線發(fā)生C相永久性接地故障，兩側(cè)保護(hù)裝置均三跳出口，但是只采集到了A和B相跳位，未出現(xiàn)C相跳位。系統(tǒng)顯示“外回路缺失”，在發(fā)現(xiàn)該異常之后人工讀取保護(hù)裝置錄波圖，其中不存在C相變位，顯示確實(shí)存在故障，發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

（3）定值不一致。測(cè)試中發(fā)現(xiàn)定值單和整定值有較多區(qū)別，某次真實(shí)事故檢測(cè)結(jié)果如表4所示。暴露的主要問(wèn)題包括：定值有效位數(shù)不一樣、部分錄波文件定值不全、部分錄波不保存定值。特別是對(duì)于線路阻抗定值，整定單按照2位小數(shù)，但是大多數(shù)保護(hù)裝置的有效位數(shù)不是2位，從而導(dǎo)致定值單不一致。

表4 金蘆線路檢測(cè)結(jié)果Table 4 Jinlu line test results

（4）錄波文件異常。在分析某次故障的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)某裝置單跳時(shí)間不正確，對(duì)錄波進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)保護(hù)裝置錄波存在異常，主要是將重合前錄波和重合后錄波分成了2個(gè)單獨(dú)的錄波，從而在自動(dòng)分析系統(tǒng)中出現(xiàn)異常告警。

在上述波形分析中，所有的分析全自動(dòng)完成，故障之后10 min內(nèi)就可以獲取本次事故完整的分析報(bào)告。該報(bào)告對(duì)指導(dǎo)事故處理以及供電恢復(fù)具有重要指導(dǎo)作用，提高了事故分析的質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種電力系統(tǒng)故障區(qū)域錄波自動(dòng)分析方法并進(jìn)行了系統(tǒng)研制，該系統(tǒng)是廣域信息繼電保護(hù)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的重要組成部分。系統(tǒng)可自動(dòng)完成事故分析，生成本次事故的綜述，以及所有錄波的時(shí)序分析、動(dòng)作行為判斷、定值靈敏度分析、模擬量分析、外回路分析、采樣回路分析、定值分析、壓板分析，并對(duì)波形中的異常情況進(jìn)行告警。自動(dòng)分析系統(tǒng)的應(yīng)用，提高了電力系統(tǒng)故障錄波分析的效率和質(zhì)量，減少了人力成本，便于操作，安全可靠。該系統(tǒng)已在某省電力公司調(diào)度中心試運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果表明該方案具有良好的可行性。