芻議繼電保護故障信息智能分析方案及應用

【摘要】在電力系統中，繼電保護能在電力系統出現異常故障時，針對系統故障采取自動化的處理措施，我們將其稱之為繼電保護。，但是在這個過程中，變電所繼電保護難免發生故障，從而影響電力系統。為適應“調控一體化”運行體系的建設，改進現有輸電網繼電保護故障信息智能分析系統的不足，設計了一種繼電保護故障信息智能分析系統的解決方案。采用了一體化平臺，基于分層分布式結構，統一一、二次設備模型，故障錄波按通道上傳，在主站側綜合采用EMS系統、故障信息系統、故障錄波系統等的開關量、模擬量等多源信息對電網故障進行診斷分析；提出了智能分析系統過渡階段的兼容方案。

【關鍵詞】電網；繼電保護；故障診斷；故障信息系統

1.引言

本文根據現有電網所能獲得的信息，采用合適有效的故障診斷分析推理機制，同時兼容新舊變電站以不同通信規約接入，逐步實現電網故障的智能分析、診斷及決策。通過在福建電網實際應用表明，該方案切實可行，對構建電力系統故障診斷智能輔助決策系統具有一定的指導意義。

2.繼保信息智能分析系統可行性分析

目前電網已具備開展電網故障智能分析專家系統研究的技術條件，主要體現在以下幾個方面：

a）國內110kV及以上電壓等級保護基本上實現了微機化，變電站中均配置了時鐘同步裝置，保護及錄波均可通過通信網絡將信息上傳至主站，為事故分析提供了必要條件。

b）隨著近年來IEC 61850、IEC 61970通信規約在電網中應用，在數據的易用性、兼容性、互操作性和可視化方面取得了突破。

c）隨著電力系統調度自動化水平的提高及通信技術的發展，調度自動化均在開展數據一體化、數據平臺一體化改造，保護故障信息系統可以獲得多源的信息，為電網的故障診斷創造了條件。

3.主要技術難點及解決方案

3.1 繼保故障信息智能分析系統推理機制

繼電保護故障信息智能分析是根據電網一次網絡拓撲，為每個一次設備生成相應的保護網絡。保護網絡指的是由電力系統主設備及其相關的斷路器、錄波裝置、保護等構成的網絡。根據故障情況和知識庫，綜合多個信息子站、EMS系統、錄波系統的故障數據信息進行故障分析。根據故障區域電流、電壓的波形變化，斷路器和保護的實際動作情況等，利用相關知識庫，分析并評價斷路器和保護的動作行為，最終給出電網故障簡報，包含相關故障元件的錄波波形等，具體詳見圖1電網故障診斷分析系統圖。

本文提出，故障診斷分析先以保護動作及斷路器變位等開關信息作為觸發條件對故障進行初步分析；同時，根據初步分析結果向錄波系統召喚相關的錄波文件等，如圖1所示。根據開關量變位信息及保護和斷路器的故障切除原理，按照保護動作原理進行推理、遍歷，計算各種故障的可信度。根據推理出的最可靠的故障設備，對所有的斷路器和保護進行行為分析，推理出哪些需要動作，哪些不需要動作。再結合實際的斷路器和保護的動作情況，判斷保護和斷路器是否正確動作，或者是否有拒動或者誤動的情況。同時，結合基于錄波波形信息的繼電保護故障信息智能分析技術，通過連續考察從故障發生到切除的整個過程中電流（或電壓）的變化水平和變化時序，并結合考慮保護故障切除原理，用以判斷故障的性質。

電網故障綜合判斷根據基于開關量、保護信息及模擬量信息的智能分析技術，構成多判據、分層、混合型繼電保護故障智能分析技術，使得分析結論更為準確可靠。

3.2 統一一、二次設備模型

如果沒有統一的一、二次設備模型，故障診斷分析系統即使獲得了完備的源信息，也無法使用。繼電保護智能分析系統的電網一次模型共享EMS系統的電網模型，保持兩套系統模型的一致性。

IEC 61970標準為電力系統信息的標準化提供了技術規范，兩套系統均利用基于CIM標準的XML文件導出電網模型，供電網智能故障診斷與事故處理輔助決策系統使用。IEC 61970的CIM模型可以很好地描述電網一次模型，但是CIM模型中關于電網二次模型的描述過于簡單。在電網二次模型部分，CIM模型中定義了CurrentRelay、SynchrocheckRelay和RecloseSequence三個類，分別用于描述電流保護、同期裝置和重合閘裝置，但仍無法滿足電網二次模型的建模需要。如果完全按照CIM模型建立保護庫結構，當增加一種新的保護或自動裝置時，就需要從ProtectionEquipment類擴展出相應的子類。因此電網二次模型必須根據電網繼保故障信息智能分析系統的需要，對現有CIM模型的類、屬性和關聯關系進行擴展，建立滿足智能保信分析系統需求的電網二次模型，將保護和自動裝置設備信息作為模型數據，建立包括電網一、二次設備模型及參數的基礎數據庫，具體詳見圖2。

3.3 可縮放矢量圖形技術的應用

為增強智能分析系統的易用性和互操作性，本方案提出了采用可縮放矢量圖形技術，使故障信息系統與調度自動化系統圖形系統保持一致，易于對信息系統的維護和更新，有利于與第三方系統進行信息交換。如圖3所示，基于JavaScript腳本文件實現SVG圖形文檔與SQL數據庫的連接。SVG圖形文檔通過故障診斷軟件包的SQL數據庫與SCADA系統及故障診斷算法進行實時數據交換。

3.4 故障錄波裝置數據上傳研究

目前錄波數據上傳時未對數據進行處理，數據上傳量大，對通道壓力較大，且實時性差。本方案提出錄波數據按通道上傳，通過對錄波裝置軟件升級，使其能夠根據主站召喚命令，按通道將故障前后幾個周波相關部分錄波波形文件上傳至主站，如圖4所示。

3.5 主子站間通信規約

新建的電網故障智能分析專家系統應能實現新舊繼電保護信息系統的平滑過渡，主站系統應能同時接入新建變電站信息系統子站，同時兼容現有變電站的保護信息系統子站。因此主、子站之間通信規約需支持IEC 61850和IEC 104+103兩種通信規約，如圖5所示。

此外，電網故障智能分析要求所提供的數據均應帶時標，并對精度有較高的要求，以便對數據進行分析比較。目前500kV變電站已基本配置了時間同步對時系統，站內220kV以上電壓保護及故障錄波均具備了時間同步對時功能。

4.繼保故障信息智能分析系統總體結構

4.1 繼保故障信息智能分析系統總體結構圖

本文以某電網為工程依托，提出了完整的繼保故障信息智能分析系統總體結構圖。其中，為實現繼電保護信息與SCADA信息的快速交互，將繼電保護故障信息處理系統置于安全I區。根據分層分區的原則，省調主站系統主要負責500kV網架的繼電保護故障信息的智能分析，各地調負責本地區220kV、110kV電網繼電保護故障信息智能分析并將分析結果上傳至省調主站。各地調調控一體化平臺（含EMS、SCADA、保信子站等系統）負責該地區220kV、110kV電網故障診斷、分析、決策、遠方不停電修改及核查定值、遠方壓板投退、波形分析等功能。各地調將與鄰近地區相關聯的變電站的遠動信息、保護及錄波信息通過三級數據網絡發送至鄰近地調。省調一體化平臺系統將該地區500kV變電站遠動信息、保護及錄波信息通過三級數據網絡發送至各地調，如圖6所示。

4.2 繼保故障信息智能分析系統軟件結構

繼電保護故障信息智能分析應用基于D5000多源全景數據平臺開發。D5000平臺為上層應用提供了底層消息總線、服務總線、實時庫、數據交換、圖形顯示、歷史庫等服務，同時利用D5000平臺上已經實現的EMS/SCADA等系統數據，為故障信息智能分析提供必要的開關刀閘信息、電網拓撲結構、電網動態監測數據等。

4.3 繼保故障信息智能分析系統主要功能

基于以上技術體系結構的系統主要功能包括：子站接入功能、數據存儲、歷史事件查詢、系統圖形化監視、一二次設備建模、故障信息歸檔分析、故障數據預處理、電網故障綜合智能診斷、電網故障智能分析決策、故障測距功能、定值管理、遠方不停電核查定值、全景可視化展現等。系統實現對一、二次設備智能展示。運行人員可以及時全面了解事故簡報、故障診斷及處理建議。該系統自2011年投入運行以來，穩定可靠，并在電網故障時發揮了積極的作用。

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