基于綜合信息的斷路器失靈故障診斷

摘 要：文章提出了一種基于WAMS信息平臺的斷路器失靈故障診斷方法。通過大量實驗，證明此方法簡單有效，不僅克服了信息缺失的影響，而且大大提高了診斷的準確性，表明該方法是有效且可行的。

關鍵詞：調度自動化系統；告警信息缺失；WAMS信息；失靈斷路器

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）33-0057-02

目前的研究成果大多都是以保護信息已知為前提，當保護信息不足或無法及時上傳的時候，電網的故障診斷會受到極大的影響。

實際情況中，電網的故障告警信息主要來自于EMS/SCADA系統，存在上傳速度慢、系統各部分時標不一致等缺點，極大影響了故障的及時發現與處理。特別是在省級調度部門，雖然目前廣泛采用了先進的調度自動化系統，然而不論是國家電網公司普遍使用的D-5000系統還是南方電網公司使用的RCS-9001系統，都面臨保護信息缺失或上傳困難的問題，這不僅會對故障的判斷精度造成影響，而且還會對故障排除造成不便。

鑒于此情況，本文提出了一種基于WAMS信息平臺的斷路器失靈故障診斷方法，該方法克服了保護信息不足所帶來的困難，能夠準確快速地判斷故障元件，對調度人員提供有力的支持。

1 WAMS信息采集

WAMS信息的獲取主要靠布置的PMU測點測量并上傳。在電網的關鍵節點，都會布置有PMU測點。這些測點獲取該節點的關鍵信息后實時上傳并保存為歷史記錄，調度人員可以清楚地得知任意時刻任意節點的各種信息。

分布在整個系統中的大量PMU設備都連接到一臺作為相量數據集中器（PDC）的計算機上，從而獲取整個系統中的動態行為。這為評估和維持系統穩定，防止發生電壓、功角或頻率不穩定、過載和振蕩等提供了一個平臺。

用WAMS信息代替SCADA信息需要一個解析與判斷的過程，并借助時間標度的統一能有效提高故障診斷準確率。通常失靈保護動作會有一定延時，即主保護與后備保護動作的時間差（通常為0.5 s）。而在這個時間內，故障未被切除，電流方向一定是流向故障設備，因此查看故障前后失靈斷路器的電流流向就可以確定故障設備。WAMS的高精度量測系統能捕捉到這一時間差內的電氣量變化，這一點是SCADA系統無法比擬的。

2 帶電邊界的確定

2.1 斷路器變位與設備帶電狀態的判斷

當故障發生后，保護會驅動斷路器迅速跳閘，將故障設備從電網中隔離。這樣，部分設備會失電，形成一個失電區域，如圖1所示。

圖1中，母線B1發生短路故障，如果主保護正常動作，會斷開斷路器K1、K3、K4、K5，以B1為中心，失電區域如圖中虛線框所示。在此過程中，WAMS測得流過母線B1、線路L1、L2和變壓器T1的電流值為零，則這些設備均為失電設備，失電設備集為式（1）所示。

2.2 斷路器拒動與失電邊界的劃分

斷路器失靈保護屬于近后備保護，是母線保護的一種。目前，省公司主管的220 kV及以上電網都裝有兩套主保護，可靠性較高。發生故障時，由主保護切除故障的概率在95%以上，普通后備保護動作的概率很小。但是，當遇到相關斷路器拒動時，就需要斷路器失靈保護動作，驅動臨近斷路器切除故障。斷路器失靈保護一般由連接于母線的各支路的保護起動。由于斷路器失靈保護要動作跳開一組母線上的所有斷路器，因此為防止誤動而造成嚴重的事故，失靈保護的可靠性較高。

失靈斷路器個數與新增可疑設備個數是一致的，若n個斷路器失靈拒動，則會增加n個可疑設備，擴大診斷范圍。如圖2所示，斷路器K5失靈拒動，就由其相鄰設備開關作近后備跳開，即母線B2的K7、K8、K9跳開，故障范圍擴大到B2，故障區域也一同擴大。此時，邊界斷路器為K={K2，K6，K10，K11，K12，K13}，邊界設備集E*={L1，L2，L3，L4，T1，T2}，可疑設備集M*={B1，B2}。由于K5是失電區域中處于閉合狀態的斷路器，且兩端電壓均為零，則可確定其為失靈斷路器。

3 故障設備的定位

對于存在斷路器失靈狀況的故障，會擴大可疑設備范圍，對最終定位故障設備造成不利影響。在保護信息無法及時上傳的情況下，需要借助WAMS信息判斷最終的故障設備，如圖3所示。

當B1發生故障后，B1主保護驅動斷路器K1、K3、K4正常斷開，而斷路器K5失靈拒動，則K5的失靈保護驅動斷路器K7、K8、K9跳開，在此過程中，如果能確定流過斷路器K5的電流流向，就可以在兩個可以設備中篩選出故障設備，因此獲取電流流向是診斷的關鍵。

PMU是WAMS系統的核心量測單元，可以測得多種電氣量的幅值與相角，并在量測信息中打上時間標度，對于故障診斷有極大幫助。借助PMU量測信息，可以斷定圖3所示的故障是母線B1發生故障。

4 算例分析

根據河北唐山某變電站主接線圖，應用PSCAD建立仿真模型如圖4所示，電網重要節點都設有PMU測點，在圖中以“×”表示。

在線路L1上設置單相接地故障，故障時間設置在0.2 s，總時間設置為1s，WAMS采樣頻率設置為100 Hz。將PSCAD中得到數據導入MATLAB進行分析。0.2 s之前為正常狀態，0.2 s時線路L1發生A相短路故障，斷路器5541動作，5091拒動，經過一定延時，0.7 s時由5091的失靈保護驅動斷路器5092、5081、5071、5061、5051跳閘。在0.2～0.7 s之間，各電氣量急劇變化。L1上端測點處，電流值為零，電壓值嚴重下降，5541兩端電壓差值較大；L1下端測點處，電流為短路電流，幅值較大，電壓跌落幅度較大，5091兩端電壓相同。相鄰設備電流均流向L1的故障點。根據WAMS信息可以確定變位斷路器集為{5541，5092，5081，

5071，5061，5051}，失電設備集為{L1，B1}，無邊界設備，可疑設備集為{L1，B1}。由于5091是失電區域中處于閉合位且兩端電壓均為零的斷路器，因此為失靈斷路器。最終根據0.2～0.7 s過程中電流流向，確定L1為故障設備。線路L1故障電流波形（A相）如圖5所示，反映出失靈保護動作前的一系列電氣量變化。

5 結 語

本文根據目前省級調度系統普遍存在的告警與保護信息缺失情況，提出了一種由WAMS信息、開關變位信息、設備帶電狀態等多信息綜合進行故障診斷的新方法。實驗證明，該方法能有效解決信息缺失所帶來的困難，即使在斷路器發生拒動的不利條件下，依然可以準確快速地定位故障元件和失靈斷路器。

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