故障數據分析處理系統設計與開發

侯廣松，高軍，徐珂，張欣

（國網山東省電力公司菏澤供電公司，山東菏澤274000）

·經驗交流·

故障數據分析處理系統設計與開發

侯廣松，高軍，徐珂，張欣

（國網山東省電力公司菏澤供電公司，山東菏澤274000）

故障錄波數據是電力系統故障分析和保護動作判斷的重要依據。針對目前故障錄波裝置數據分析非具體化、微機保護裝置動作過程非可視化的現狀，提出一種故障數據分析處理系統。通過將仿真數據或故障錄波數據轉換為COMTRADE格式的標準文件后輸入系統，然后對故障數據進行濾波和預處理，模擬具體保護裝置中各類保護模塊的動作邏輯并進行分析。該系統能對不同故障條件下保護裝置的動作特性，以及同一故障下不同保護元件的動作特性進行分析比較，可以深入了解微機保護裝置的運行特點，分析評價實際保護裝置的性能。

故障錄波數據；COMTRADE；保護動作分析

0 引言

故障錄波裝置實時記錄系統大擾動（如短路故障、系統振蕩、頻率崩潰、電壓崩潰等）及發生大擾動后引起的系統電壓、電流及導出量（如系統有功功率、無功功率及系統頻率）變化的全過程，可以實時顯示波形圖，實現故障記錄分析、電能質量監測、順序事件記錄、故障測距等功能，為繼電保護的動作特性分析提供有力證據［1］。現有的故障錄波分析系統在故障特征量分析方面功能強大，但在利用錄波數據對保護動作情況進行分析、評判等方面不夠充分，沒有充分利用含豐富故障信息的故障錄波數據。運行人員根據故障錄波圖、保護裝置事件記錄和故障報文等信息進行基于人工和經驗的事故分析，難以滿足繼電保護特性分析的特殊要求，無法對保護裝置的各元件的特性和動作情況進行深入分析動作情況［2-3］。

微機保護裝置在對某次故障完成響應后，反應保護動作過程和計算結果的信息量很少，且從故障發生到保護動作整段時間內保護裝置的處理過程不可見［4］，在這個過程中裝置內部的數據是如何處理的無法得知。在實際分析保護裝置動作情況時，如果把保護從啟動開始到完成整個過程中的計算判據和邏輯流程以直觀的可視化的方式進行處理，將會大大提高分析的效率［5-6］。

設計一套故障數據分析處理系統，包含數字濾波、保護元件動作特性分析、保護邏輯分析等功能，以圖形、曲線、數據等可視化的形式再現繼電保護裝置的動作過程和動作邏輯，分析不同故障下微機保護裝置的動作特性，幫助運行人員直觀的了解保護動作過程，為分析繼電保護裝置性能提供輔助手段。

1 系統結構

1.1 系統設計需求

根據微機保護裝置的特點及對其動作特性進行分析的一般要求，基于以下需求來設計系統。

1）能夠識別不同類型的故障錄波數據，對數據源具有良好的兼容性。

2）能夠實現各種特性的數字濾波功能，允許用戶定義濾波器特性參數。

3）能夠完成各種電氣量、故障分量的提取和計算功能，以數據、圖形和曲線等形式對計算結果進行可視化展示。

4）能夠執行各種繼電保護算法，支持用戶自定義保護特性和動作定值，以圖形、曲線的方式顯示保護算法的計算結果。

5）支持動態保護邏輯圖，運行用戶對保護邏輯圖進行修改和定義。

6）能夠實現虛擬微機保護裝置功能，允許用戶對虛擬微機保護裝置的功能和動作特性進行定義。

1.2 系統總體結構

系統選用Access關系型數據庫，以Microsoft Visual C++為工具進行開發。系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

該系統由數據轉換模塊、故障信息分析處理模塊、數據庫模塊和保護裝置動作行為分析處理模塊組成。

數據轉換模塊的作用是將來自不同數據源的各種類型數據轉換為IEEE COMTRADE標準格式［7-9］，提高該系統的數據兼容性能，解決不同裝置和系統之間的數據共享問題。

故障信息分析處理模塊作用是完成數據濾波及電氣量的計算功能。數字濾波模塊以常用的數字濾波器為主，通過用戶自定義濾波參數，對基本的數字濾波器進行組合等方法完成不同的數字濾波功能。進行故障發生前后的電壓電流幅值和相位的計算；直流分量和各次諧波的提取和計算；序分量的計算；故障分量的提取和計算。

數據庫模塊主要是用來存儲原始數據和各種中間數據、虛擬微機保護裝置涉及的保護定值、運行方式控制字、裝置參數和系統參數等重要數據，通過對數據庫的讀寫實現對各種保護參數的讀取與修改。

保護裝置動作行為分析處理模塊包括保護元件動作特性分析以及顯示整組保護邏輯圖。根據保護元件的動作方程做出其動作特性圖，根據測量參數的變化軌跡能夠觀察到故障期間測量參數相對于特性曲線的變化規律，距離保護動作邊界的裕度，這樣用戶不僅能夠知道保護是否動作而且能夠獲得對于區內故障保護靈敏度是否足夠、區外故障保護是否可靠等信息。

2 系統主要功能設計與開發

系統覆蓋了從數據格式轉換到保護動作邏輯執行整個過程，涉及諸多功能模塊，限于篇幅，只介紹數字濾波器、保護元件、保護動作邏輯3個主要功能的設計與開發。

2.1 數字濾波

數字濾波模塊包括差分濾波、加法濾波、積分濾波和50 Hz正余弦濾波功能［10］。數字濾波器的輸入是經轉換后的COMTRADE標準格式的故障錄波數據文件，用戶可進行錄波器傳遞函數的自定義，得到相應的濾波輸出。濾波后的數據不僅能以曲線的形式展現出來，還能以數據文件的形式存儲。

以積分濾波器為例，其濾波方程為

式中：x（n）為n時刻濾波器的輸入；x（n-k）為前k時刻的輸入；y（n）為n時刻濾波器的輸出。

積分濾波器的傳遞函數定義界面如圖2所示，用戶可以修改數據窗寬度，得到相應的幅頻特性曲線和相頻特性曲線。

2.2 保護元件

系統從微機保護裝置中的基本保護功能入手，開發了一系列保護元件，包括反應工頻變化量的保護啟動元件、相間及零序過流元件、方向元件、基于工頻變化量和正序極化電壓的距離元件、電流差動元件及縱聯比較元件等。用戶可以修改保護整定值，定義各保護元件的動作特性，系統可自動對故障數據進行處理，做出測量電氣量軌跡與保護動作特性曲線，完成對保護元件動作特性的分析評估。通過具體保護元件的分析界面，用戶可直觀的看出故障發生后，保護元件的動作全過程。

圖2 積分濾波幅頻、相頻特性

以接地距離I段保護元件為例，系統中采用比相式的動作判據［11］，動作特性包含兩部分：一部分是正序電壓極化的方向繼電器，另一部分是為了克服超越而選用的零序電抗繼電器。

在正序電壓極化的方向阻抗繼電器中，工作電壓為

極化電壓為

動作方程為

式中：Uφ、Iφ代表相電壓、相電流；U1φ為正序電壓；θ1是方向阻抗特性向I象限偏移的角度，增強抗過渡電阻的能力。

在零序電抗繼電器中，工作電壓為

極化電壓為

動作方程為

式中：ZD為模擬阻抗。

圖3為接地距離I段保護元件分析圖。圖3（a）為正序極化電壓繼電器和零序電抗繼電器的動作方程計算結果及距離繼電器的動作情況，可以看出保護元件是否動作及動作時間。圖3（b）為A、B、C三相的測量阻抗軌跡圖，可直觀的看出故障發生前后測量阻抗的變化軌跡。

圖3 區內故障時I段接地距離分析

2.3 保護整組動作邏輯

保護元件與各種判斷條件、延時環節等進行邏輯運算，構成保護整組動作邏輯，能夠反映保護裝置的動作行為。本系統設計并開發了包括縱聯方向比較保護邏輯、電流差動保護邏輯、距離保護邏輯和零序保護邏輯等在內的較為完善的保護整組動作邏輯，能夠客觀、真實再現保護裝置的邏輯判斷過程。

圖4為距離保護動作邏輯圖。對于有輸出的各保護模塊，可以點擊查看具體的曲線圖及動作特性。以區內A相接地故障錄波數據為輸入數據，進行故障數據分析處理。故障后，距離保護中應該動作的元件包括保護啟動元件、接地距離元件、過流元件等。由圖4可看出距離保護邏輯框圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段接地距離元件、不對稱故障開放元件、振蕩過流元件、保護啟動元件均有輸出，經過一定的邏輯的關系后，保護動作出口的是振蕩閉鎖開放，距離Ⅰ段動作，與實際動作情況一致。

圖4 距離保護動作邏輯分析界面

3 算例分析

圖5為220 kV輸電系統，發生區內A相接地故障，以線路兩端的故障錄波數據為數據源，對縱聯電流差動保護元件、故障方向元件及Ⅰ段接地距離元件的動作特性進行分析，同時分析電流差動保護的動作邏輯。

圖5 發生區內故障的雙端電源供電系統

圖6 A相差動元件分析界面

圖6為A相差動元件動作軌跡圖。圖中曲線分別為A相差動電流與制動電流變化軌跡圖，橫坐標表示時間，縱坐標表示電流幅值。由圖可看出發生故障發生后差動電流和制動電流的大小及變化規律，差動電流明顯大于制動電流，差流保護元件動作。

圖7 正向故障方向元件動作軌跡圖

圖7為正、反方向元件動作軌跡圖，可看出故障發生后正方向元件的測量相角接近180°，正方向元件可靠動作；而反方向元件的測量相角接近0°，反方向元件不動作，與設定的正向故障是一致的。

圖8 Ⅰ段接地距離元件分析界面

圖8是Ⅰ段接地距離元件動作軌跡圖，可看出故障發生后只有A相的計算結果在動作范圍［-90°，90°］以內，其它兩相的計算結果均在動作范圍以外，可判斷出是A相故障。

圖9 電流差動保護動作邏輯分析界面

由以上3個元件的分析可知，故障發生后，差動元件、方向元件及Ⅰ段接地距離元件均動作，并且差動元件和接地距離元件可判斷出是A相接地故障。動作特性及動作結果與實際仿真曲線相一致。

圖9為電流差動保護動作邏輯分析界面，通過圖9可看出保護啟動元件、差動保護投入元件，A相差動元件、零序差動元件及選相元件均動作，經過一定的邏輯關系后，保護出口是A相差動動作，并且向對側發差動動作允許信號，與實際動作情況一致。

4 結語

開發一套故障數據分析處理系統，該系統對故障信息進行深層次挖掘與分析，以可視化的形式展現保護元件的動作特性。該系統可模擬具體保護裝置原理，將故障計算、中間結果、判斷結果和動作邏輯均顯示出來，有利于對現場事故進行分析，提高繼電保護動作的準確性，具有較大的應用價值。

［1］郭振華，江亞群，楊帥雄，等.故障錄波器后臺分析軟件關鍵問題研究［J］.電力系統保護與控制，2011，39（19）：73-78.

［2］劉哲，張東英.基于故障錄波數據的電網故障診斷方法分析及改進［J］.內蒙古電力技術，2013，31（2）：16-22.

［3］溫敏明.電力系統故障分析方法探究［J］.中國新技術新產品，2013（4）：122-123.

［4］羅維康.繼電保護仿真實驗系統的開發［D］.長沙：中南大學，2012.

［5］謝志迅，滿振梅.微機保護裝置虛擬平臺技術及其實現［J］.電力系統自動化，2011，35（3）：59-61.

［6］江衛良，郝后堂，李先波.微機保護動作過程可視化分析技術的實現［J］.電力系統自動化，2004，28（14）：89-92.

［7］IEEE Standard Common Format for Transient Data Exchange（COMTRADE）for Power Systems IEEE Std C37.111-1991.

［8］IEEE Standard Common Format for Transient Data Exchange（COMTRADE）for Power Systems IEEE Std C37.111-1999.

［9］桂勛.面向IEEECOMTRADE格式的海量錄波數據并行壓縮／解壓算法［J］.電力自動化設備，2013，33（5）：136-143.

［10］楊奇遜，黃少鋒.微機型繼電保護基礎［M］.北京：中國電力出版社，第三版，2007.

［11］張保會，尹項根.電力系統繼電保護［M］.北京：中國電力出版社，2009.

Design and Development of Fault Data Analysis and Process System

The power fault recording data are the significant basis of fault analysis and protection action judgment in a power system.In view of the problems of current fault recorder data were not analyzed in detail，microcomputer protective device working process non-visual，a scheme of fault data analyzing and processing system is proposed.After different types of recorded fault data and simulation data transformed into standard COMTRADE format file，we input them to system，filter and pretreatment，imitate and analyze the actual protection equipment kinds of modules operation characteristic.This system can make analysis and comparisons of operation characteristics of protection devices under different fault conditions and operation characteristics of different protection components or devices under the same fault conditions，which provide a powerful tool for the deep understanding in the operation characteristics of microcomputer protection device and the protection device performance evaluation.

fault recording data；COMTRADE；protection action analysis

TM711

：A

：1007-9904（2014）05-0033-06

2014-07-17

侯廣松（1974—），男，高級工程師，從事電網分析及管理工作；

高軍（1972—），女，高級工程師，從事電網調度管理工作；

徐珂（1973—），女，工程師，從事信息管理與軟件開發工作；

張欣（1987—），男，工程師，從事電網調控運行工作。