500 kV 變電站二次綜合自動(dòng)化設(shè)備故障錄波測(cè)距系統(tǒng)

姚 江，柏東輝

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 東莞供電局，東莞 523000）

500 kV 變電站二次綜合自動(dòng)化設(shè)備是一種弱電設(shè)備，其抗過電壓和抗過電流的能力比較差，尤其是雷擊過電壓的暫態(tài)沖擊，會(huì)導(dǎo)致變電站二次綜合自動(dòng)化設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞[1-2]。二次綜合自動(dòng)化設(shè)備故障錄波測(cè)距可以發(fā)現(xiàn)因各類元素引發(fā)的暫態(tài)故障[3]，精準(zhǔn)評(píng)估故障位置，是增強(qiáng)電網(wǎng)安全運(yùn)行的核心技術(shù)。實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量故障錄波測(cè)距，是現(xiàn)階段電力領(lǐng)域?qū)W者們研究的重要內(nèi)容。

文獻(xiàn)[4]關(guān)于對(duì)稱短路故障，利用系統(tǒng)電流電壓計(jì)算故障點(diǎn)電壓，創(chuàng)建混合線路故障測(cè)距函數(shù)，通過二分法等求解故障點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距任務(wù)；文獻(xiàn)[5]面向柔性直流線路，利用行波測(cè)距技術(shù)計(jì)算故障位置測(cè)距，通過小波重構(gòu)識(shí)別波頭數(shù)據(jù)。在直流線路產(chǎn)生故障時(shí)，快速有效檢測(cè)故障方位，增強(qiáng)輸電可靠性。

基于上述分析，提出一種500 kV 變電站二次綜合自動(dòng)化設(shè)備故障錄波測(cè)距系統(tǒng)。通過故障錄波器、電平變換隔離器等搭建系統(tǒng)硬件，使用數(shù)據(jù)管理、文件續(xù)傳、波形分析等模塊組建系統(tǒng)軟件，代入最小二乘法同步時(shí)間數(shù)據(jù)，完成高精度故障錄波測(cè)距工作。

1 500 kV 變電站二次綜合自動(dòng)化設(shè)備故障錄波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所建系統(tǒng)依照實(shí)際需求被劃分成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理與分析2 個(gè)單元。數(shù)據(jù)采集單元為系統(tǒng)硬件，采集現(xiàn)場(chǎng)不同故障錄波器得到的真實(shí)錄波信息[6]；數(shù)據(jù)管理與分析單元為系統(tǒng)軟件，通過數(shù)據(jù)管理、文件續(xù)傳2 項(xiàng)功能存儲(chǔ)故障數(shù)據(jù)，憑借故障錄波信息與真實(shí)故障二次綜合自動(dòng)化設(shè)備物理參數(shù)之間的相對(duì)管理，完成保護(hù)動(dòng)作評(píng)價(jià)、波形分析、故障測(cè)距等任務(wù)，輸出故障分析結(jié)果。系統(tǒng)全局結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 500 kV 變電站二次綜合自動(dòng)化設(shè)備故障錄波測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of fault recording and ranging system for secondary integrated automation equipment of 500 kV substation

1.2 系統(tǒng)硬件

故障錄波器可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、錄波開啟評(píng)估、錄波文件打包和通信等工作，故障錄波器和工作站之間使用以太網(wǎng)通信技術(shù)。故障錄波測(cè)距系統(tǒng)硬件包含通信遠(yuǎn)傳、電平變換隔離和信號(hào)采集處理3 部分。

通信遠(yuǎn)傳為文件傳輸通道，故障錄波數(shù)據(jù)能給變電站提供故障前后模擬量與開關(guān)量數(shù)據(jù)[7]，通信遠(yuǎn)傳共涵蓋3 種模式：后臺(tái)機(jī)利用串口直接與故障錄波器相連；后臺(tái)機(jī)使用Modem 撥號(hào)連接故障錄波器；后臺(tái)機(jī)和故障錄波器在以太網(wǎng)中連接，運(yùn)用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)把故障錄波器連接到NS416 直流供電交換機(jī)，然后上傳到后臺(tái)機(jī)。

信號(hào)采集是硬件核心部分，硬件板卡組成如圖2 所示。背板是一種連接6 種硬件功能板塊的自定義總線母板，主板將隨機(jī)存取存儲(chǔ)器作為核心，幫助芯片進(jìn)行系統(tǒng)管理與通信[8]。采集板選用高速數(shù)據(jù)采集卡，此卡擁有4 路高速并行機(jī)制，供應(yīng)最高128 KB/通道的采樣容量與多類轉(zhuǎn)換觸發(fā)模式，通過現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列完成數(shù)據(jù)采樣控制與時(shí)間同步控制，采集板中的雙接口隨機(jī)存取存儲(chǔ)器能在循環(huán)緩沖區(qū)域存儲(chǔ)錄波信息，完成錄波開啟評(píng)估。

圖2 信號(hào)收集處理硬件板卡構(gòu)造Fig.2 Structure of signal collection and processing hardware board

模擬量輸入板能完成對(duì)36 路模擬量的調(diào)節(jié)，同步采樣保證不遺漏任何故障數(shù)據(jù)。開關(guān)量輸入板可實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站電路開關(guān)的隔離和調(diào)節(jié)[9]。告警輸出板在采集到異常發(fā)電數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)向控制中心傳遞警告信號(hào)。高頻直流板可調(diào)節(jié)并保護(hù)高頻信號(hào)與直流信號(hào)，然后將其傳遞至模擬量輸入板進(jìn)行采樣。

1.3 系統(tǒng)軟件

數(shù)據(jù)管理與分析單元可按照故障設(shè)備或通道智能過濾錄波文件，產(chǎn)生僅涵蓋故障設(shè)備的錄波數(shù)據(jù)，使用采樣點(diǎn)繪制、序分量運(yùn)算等功能在故障錄波信息內(nèi)提取故障初始時(shí)間、故障類型、故障類別等情況[10]，生成最終的故障錄波測(cè)距報(bào)告。

1.3.1 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理包含遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)管理、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)一查詢等功能。遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)管理是將遠(yuǎn)傳獲取的數(shù)據(jù)按照型號(hào)分別存儲(chǔ)在同一目錄不同文件夾[11]，以避免各參數(shù)之間的不匹配；轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)管理是將所有轉(zhuǎn)換信息單獨(dú)儲(chǔ)存在一個(gè)文件夾內(nèi)統(tǒng)一命名，原始資料與轉(zhuǎn)換資料分開存儲(chǔ)；統(tǒng)一查詢可查找文件列表并顯示細(xì)節(jié)資料，并設(shè)定場(chǎng)站名稱、錄波時(shí)間等關(guān)鍵字。

1.3.2 文件續(xù)傳

若后臺(tái)機(jī)查找指定名稱故障錄波文件時(shí)，會(huì)顯示4 個(gè)召喚文件，打包4 個(gè)文件，分幀多次上傳至后臺(tái)機(jī)。上傳時(shí)把文件劃分為多個(gè)，在每幀中均標(biāo)注數(shù)據(jù)在全部文件數(shù)據(jù)中的初始方位。假如傳輸時(shí)產(chǎn)生丟幀等失誤，后臺(tái)就不能拼接出完整文件，系統(tǒng)會(huì)自主檢測(cè)是否需要繼續(xù)上傳，如果繼續(xù)上傳，則在之前的基礎(chǔ)上繼續(xù)傳輸，也可使用斷點(diǎn)續(xù)傳策略，提升數(shù)據(jù)傳輸效率，節(jié)約數(shù)據(jù)上傳時(shí)間。

1.3.3 波形分析

波形分析使用非同步因數(shù)修正策略，展現(xiàn)二次綜合自動(dòng)化設(shè)備與設(shè)備相對(duì)母線的波形，涵蓋設(shè)備的向量、功率、頻率等信息。當(dāng)前多數(shù)故障波形分析采用離散傅里葉變換方法進(jìn)行運(yùn)算[12]，波形內(nèi)的有效值、頻率等數(shù)值均由離散傅里葉變換方法計(jì)算得出，計(jì)算過程為

式中：f 表示故障波形頻率；fs是采樣頻率；A 表示波形同步度；n 表示各周期采樣點(diǎn)。

1.3.4 保護(hù)動(dòng)作評(píng)價(jià)

針對(duì)變電站實(shí)際運(yùn)行情況，保護(hù)動(dòng)作分析中配備了抗阻分析、功率位置評(píng)估、差流評(píng)估、頻率滑差等不同保護(hù)動(dòng)作分析功能。以抗阻分析為例，此分析案例中包含四邊形、五邊形、六邊形等多種動(dòng)作特征，系統(tǒng)會(huì)憑借挑選的故障類型和設(shè)備參數(shù)，推算抗阻值，判斷是否產(chǎn)生電流保護(hù)動(dòng)作，并將數(shù)據(jù)顯示于錄波圖中。

1.3.5 基于最小二乘法的故障錄波測(cè)距

假設(shè)變電站二次綜合自動(dòng)化設(shè)備全部換位，設(shè)備包含B、D 兩個(gè)端，故障產(chǎn)生在B 端的c 處，依次對(duì)電壓電流信號(hào)采取對(duì)稱分量轉(zhuǎn)換與傅里葉變換[13]，得到如下電路方程：

式中：k 為正、負(fù)序位；UBc、UDc依次是從B、D 兩個(gè)端至故障點(diǎn)的序電壓；UBk、UDk、IBk、IDk依次是B、D 兩個(gè)端的序電壓和電流；φk、Rk依次為設(shè)備的傳播常數(shù)與波阻抗。

設(shè)定兩端數(shù)據(jù)相對(duì)基波相量的相角偏差是γ，則故障點(diǎn)電壓序分量之間的關(guān)聯(lián)為

式中：e 表示分量指數(shù)。

運(yùn)用故障后正、負(fù)序電路方程和故障前的冗余數(shù)據(jù)[14]，創(chuàng)建以下方程組：

式中：UB、UD、IB、ID依次為故障前設(shè)備B、D 端的電壓、電流正序分量。

為方便計(jì)算，把式（4）中的φ1、Rk轉(zhuǎn)換成［0，1］區(qū)間的5 個(gè)偏差參數(shù)g0、g1、g2、g3、g4，得到：

式中：ζ1、ζ2是設(shè)備傳播系數(shù)；W1、W2是波阻抗真實(shí)值的實(shí)虛部。

利用最小二乘法對(duì)設(shè)備兩端進(jìn)行求解。統(tǒng)計(jì)變電站二次綜合自動(dòng)化設(shè)備首末兩端的錄波數(shù)據(jù)，記作：

式中：E表示首端電氣量矩陣；H是末端電氣量矩陣；x 是兩端電氣量不同步角。

利用最小二乘法可得到關(guān)系式：

式中：t 表示迭代次數(shù)。

將x 擬作已知量推算誤差矩陣p：

修正原始首端電氣量矩陣E，得到：

評(píng)估矩陣P是否貼合誤差需求，若不符合則利用式（9）獲取全新電流矩陣。反復(fù)執(zhí)行上述操作，直到矩陣P滿足需求。

同步故障錄波數(shù)據(jù)時(shí)間后，更新當(dāng)前變電站二次綜合自動(dòng)化設(shè)備[15]兩端的電壓與電流：

式中：σ 為波速；t1、t2為電流波從電路兩端抵達(dá)母線的時(shí)間。

2 系統(tǒng)性能分析

利用MATLAB 平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)為吞吐量、應(yīng)答延時(shí)、CPU 利用率、測(cè)距精度。與文獻(xiàn)[4]雙端非同步法和文獻(xiàn)[5]優(yōu)化小波重構(gòu)法進(jìn)行指標(biāo)對(duì)比，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集為某市變電站2022 年5 月的二次綜合自動(dòng)化設(shè)備信息。

設(shè)定共進(jìn)行80 次實(shí)驗(yàn)，以每10 次實(shí)驗(yàn)的吞吐量均值為對(duì)比值，分別對(duì)3 種方法進(jìn)行故障錄波測(cè)距吞吐量檢測(cè)，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 故障錄波測(cè)距吞吐量對(duì)比Fig.3 Comparison of fault recording and ranging throughput

從圖3 可知，所提方法在全部實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)吞吐量均處于領(lǐng)先位置，具備明顯計(jì)算優(yōu)勢(shì)，雙端非同步法和優(yōu)化小波重構(gòu)法在數(shù)據(jù)傳輸方面存在一定不足，這是因?yàn)槎咴谟?jì)算時(shí)沒有完備的數(shù)據(jù)管理機(jī)制，無法在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行高效率數(shù)據(jù)采集與分析。

沿用上個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，綜合比較3 種方法在故障錄波檢測(cè)過程中的應(yīng)答延時(shí)，檢測(cè)結(jié)果如圖4 所示。觀察圖4 看出，所提方法能很好地降低測(cè)距任務(wù)應(yīng)答延遲時(shí)間，伴隨實(shí)驗(yàn)數(shù)量持續(xù)增加，其應(yīng)答延時(shí)時(shí)間要遠(yuǎn)小于2 個(gè)文獻(xiàn)方法，證明所提方法在處理故障錄波數(shù)據(jù)時(shí)的連接效率較高，在較短時(shí)間內(nèi)完成測(cè)距計(jì)算。

圖4 故障錄波測(cè)距應(yīng)答延時(shí)對(duì)比Fig.4 Comparison of fault recording and ranging response delay

對(duì)比3 種方法CPU 在故障錄波測(cè)距中的使用情況，結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可知，2 個(gè)文獻(xiàn)方法因數(shù)據(jù)任務(wù)較多致使資源負(fù)載較重，CPU 利用率均在80%以上，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能造成較大損害。所提方法CPU 利用率始終保持在60%左右，充分調(diào)動(dòng)系統(tǒng)資源，讓系統(tǒng)處于負(fù)載均衡狀態(tài)，可靠性更強(qiáng)。

圖5 故障錄波測(cè)距CPU 利用率對(duì)比Fig.5 Comparison of CPU utilization of fault recorder and ranging

相對(duì)誤差表示檢測(cè)結(jié)果的絕對(duì)誤差和真實(shí)值的比值，以百分?jǐn)?shù)形式表達(dá)，更真實(shí)地呈現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果可信程度，計(jì)算公式為

式中：δ 表示相對(duì)誤差；η 表示絕對(duì)誤差；V 為真實(shí)值。

故障錄波測(cè)距相對(duì)誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。可以看到，所提方法測(cè)距相對(duì)誤差最小，優(yōu)化小波重構(gòu)法次之，雙端非同步法測(cè)距誤差最大，證明了所建系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

圖6 故障錄波測(cè)距相對(duì)誤差對(duì)比Fig.6 Comparison of relative error of fault recording and ranging

3 結(jié)語

以最小二乘法為原理，創(chuàng)建一個(gè)500 kV 變電站二次綜合自動(dòng)化設(shè)備故障錄波測(cè)距系統(tǒng)。所建系統(tǒng)具備全新硬件平臺(tái)，擁有優(yōu)秀的數(shù)據(jù)管理能力與吞吐性能，提升故障錄波數(shù)據(jù)記錄可靠性，在系統(tǒng)軟件中引入最小二乘法完成故障錄波數(shù)據(jù)時(shí)間同步，降低測(cè)距結(jié)果偏差，為變電站穩(wěn)定運(yùn)行提供扎實(shí)基礎(chǔ)，在輔助技術(shù)人員二次綜合自動(dòng)化設(shè)備維護(hù)方面起到巨大作用。