基于標準化處理技術的故障全息系統

李乃永，林霞，唐毅，吳金玉，劉承祿，張瀚

（1. 國網山東省電力公司，山東 濟南 250001；2. 國網棗莊供電公司，山東 棗莊 277102；3. 國網濰坊供電公司，山東 濰坊 261021；4. 國網威海供電公司，山東 威海 264200）

近年來，隨著電網規模不斷擴大和聯系不斷加強，電網輸電能力得到了有效提高，但電網發生故障及波及范圍擴大的概率大大提高，故障時產生的信息量激增，客觀上增加了運行人員故障準確辨識和恢復供電所需時間。目前，已經建成運行的故障錄波器聯網、繼電保護信息、行波測距3個技術支持系統，在設備運行管理和故障分析處理發揮了積極的作用[1-6]。絕大多數運行的故障信息系統[7-9]中不同數據源的波形、采樣時標、采樣頻率不統一。故障分析需在不同系統、不同窗口反復切換，無法在同一時間軸上全過程動態展示，不利于故障的快速準確分析。

因此急需一套準實時系統，有機融合來自不同的故障信息源（聯網故障錄波、保信系統、行波測距系統等所記錄的電網電流電壓波形、斷路器行為和保護裝置動作行為等），以廣域、全面地反映故障增量為視角綜合展示站內故障暫態過程，便于及時準確地了解故障原因，準確定位故障位置，快速隔離故障并快速恢復供電。

本文認真分析電網故障處理流程，采用數據自動融合等數據處理技術開發了故障全息系統，該系統基于故障后多點地域故障信息綜合分析思想，通過波形、采樣點時標及采樣頻率統一標準化處理方法，實現不同數據源數據同一時間軸上全過程動態展示；采用基于采樣特征值與開關量通道屬性相結合啟動邏輯，自動鎖定故障采樣通道，綜合于故障分析平臺行歸一化處理，大大提高故障處理效率。

1 故障全息系統架構

故障發生后，采用對一次設備動作行為敏感的開關變位與電流采樣峰值相結合作為驅動量啟動故障數據流自動上傳，而故障全息系統根據相同原理作為信息過濾閥值確定信息提取范圍和對象，將相關保護、故錄、行波裝置信息進行故障通道的提取，然后通過波形標準化處理、采樣時標對齊、采樣頻率對齊等標準化處理將相關通道的錄波圖形成綜合錄波圖分析平臺，并結合繼電保護綜合數據平臺（coBase），以及D5000平臺所對應的實時運行方式為全息系統提供模型和關聯關系，有效整合系統間的不同數據信息，達到獲得電網故障的完整信息（即全息）的要求：提供綜合錄波分析、綜合矢量圖分析及故障全息報告。

圖1 故障全息系統架構Fig. 1 Architecture of the fault holographic system

2 基于多保護動作判斷主體故障區域交集信息融合原理

系統發生故障后，需要通過信息過濾、融合建立針對故障元件的信息集合，以便對故障元件及故障性質進行判斷，進而迅速采取措施隔離故障，恢復送電。因此首先需要確定故障設備對象相關信息集合。

由于電力系統是運行方式實時變動的網絡，并且為了可以分析故障性質，特別是對級聯性故障，有必要在擴展的廣域內進行故障信息的收集、融合。特別是針對母線這種匯流性元件，同時考慮多個間隔單元才能更有效判斷故障性質。為此，給出兩個定義：

其中，n表示與被判斷設備單元直接相關的方向判斷元件數。

根據擴展廣域信息收集及判斷原則，可以根據選定的可擴展界面確定分界點各方向矢量判斷元件的方向判斷結果，而判斷規則如下：

如果存在FComponent（i）>FSet（i），則被鎖定元件為故障狀態；

如果存在FComponent（i）

如果存在FComponent（i）=FSet（i）則被鎖定元件存在“可能故障”。

其中，FSet（i）為被鎖定元件判斷是否為故障的閾值。其定義為被鎖定元件直接相關方向判斷量個數減1，即為n-1。如果將每個元件視為一個封閉點，或者看作一個匯流點（不論是線路、變壓器、母線），則可認為其中各個支路的電流為相關量，即根據差流原理，其中一個量均可由剩余N-1個量線性表示，而其N-1個量是線性無關的。因此，其N-1個量可認為是一個獨立空間進行描述空間內的其余所有量。因此，這個集合可以用來進行元件是否發生故障的閾值用于狀態判斷。

故障全息系統的啟動是基于一次設備開關變位及電流量變化量及峰值E（Snew）=Op X Scurrent l，其中E（Snew）為一次新的事件啟動一次數據上傳，其上傳的通道為開關變位Op，及電流值變化量及峰值Scurrent，只要是滿足開關變位及電流變化量及峰值一定閾值就選擇該通道信息上傳，同時保護動作信息融合形成集合M，這一集合與SCADA實時運方數據庫交互，形成故障設備集合Dti，由實時的SCADA信息形成實際上傳信息集合M+，通過邏輯規則判斷，得出效應值水平，形成故障設備集合Djbest，然后通過智能過濾的故障設備相關變電站多點故錄及保信送至故障錄波全息系統用于進一步故障分析，形成各序網故障圖，輔助完成故障定位及故障性質判斷，以便調度員快速隔離處理故障。

圖2 故障信息自融合流程Fig. 2 Procedure of fault information infusion

3 基于波形、采樣時標、采樣頻率標準化處理方法統一錄波平臺

傳統的錄波展示方法可以展示一個裝置記錄的單次故障波形，而其波形實質上是基于本地設備本地故障信息的錄波數據。電力故障發生過程中會涉及一個以上的多點故障信息，進行故障分析需要同時分析故障所涉多點故障信息。故障錄波聯網系統，保護信息系統以及測距裝置展示時都過分單一，要實現多點信息融合進行多角度展示存在以下主要問題：裝置的時鐘不一致，故障時刻波形無法對齊；裝置的采樣頻率不同、記錄壓縮的方式不同，導致波形顯示無法在同一個時間軸上對齊。本系統針對上述問題，提出一種使用綜合錄波圖的方式把來自多個裝置的單次或若干次錄波數據放到同一個時間坐標下進行展示、比較分析的解決方案。

如圖3所示，來自各個變電站的故錄系統信息、保信子站信息及測距信息通過智能通道選擇及信息過濾功能上傳至故障全息系統進行波形格式標準化處理，統一轉化為COMTRADE99標準格式，通過格式轉化后的波形文件再通過采樣時標點對齊及采樣頻率對齊處理將各個終端設備的波形統一為同一時標標準下、統一采樣頻率下的波形，以故障設備集合Djbest為同一展示平臺的多端廣域波形綜合分析平臺，同時在波形各個時段對應保護信息動作時序圖以及最終的測距信息。

圖3 故障數據標準化處理方案Fig. 3 Scheme of fault data standardization processing

3.1 故障數據采樣頻率統一化

由于不同記錄裝置波形數據的采樣頻率各不相同，如錄波器采樣頻率為6 400 Hz，保護裝置采樣頻率為1 000 Hz，若不進行統一轉換，則無法在同一個時間軸上展示不同的波形數據，無法進行橫向綜合比較、分析。

本系統采用拉格朗日插值變換把不同采樣頻率統一為同一采樣頻率，本方法針對使用定頻采樣數據而同時需要精確跟蹤信號頻率、以及多通道采樣數據需要同時改變采樣速率的情況，能夠顯著減少計算量，提高數據變換精度。具體方法如下：

1）按擬合偏移系數fitt_c計算拉格朗日插值變換系數，偏移系數定義為

其中，samp_f為系統的數據采樣頻率；fitt_f為系統的數據擬合頻率。

2）定義采樣點的差值位移x，其中0≤x≤1。

3）根據擬合偏移系數fitt_c的值域逐點調整差值位移x，選取最接近于采樣點的數據點進行擬合，使擬合結果更加精確。

所述步驟3）具體為：

fitt_c>1時，差值位移x=n×（fitt_c-1）-int[n×（fitt_c-1）]。

fitt_c=1時，差值位移為x=0。

fitt_c<1時，差值位移為x=n×（1-fitt_c）-int[n×（1-fitt_c）]。

其中，n為采樣點編號，int為取整計算。

3.2 采樣時標標準化處理算法

由于各廠家采樣不同步，無法根據數據中的時標進行采樣點級別的時標對齊，需要考慮相位對數據計算造成的誤差。在對齊采樣時標的功能中既能根據波形數據自帶時標自動調整波形在時間軸的位置，又能手動進行采樣點級別的微調。

由于保護總是在故障啟動后開始錄波，并且只記錄故障發生發展過程中，包括加速跳開及重合閘全過程波形。而故障錄波的錄波啟動值小得多，其錄波針對對象不僅包括故障全過程，還包括系統異常運行及系統發生擾動時的全程記錄。因此，如何將保護動作全過程波形與故障錄波波形統一為同一時標，實現故錄波形與保護檢測到的波形相對應，并直接映射到保護算法動作邏輯時序圖，完成系統擾動及至故障發生發展及重合閘動作及系統恢復全過程波形分析及保護自動裝置的動作分析具有極為重要的意義。

從圖4中故障錄波器上傳信息可以看出，錄波器上傳信息包括所選通道的電流、電壓，及一次開關、保護裝置動作的變位信息，信息自帶有采樣時標。但是由于來自保信子站、測距等裝置各廠家采樣不同步，無法根據數據中的時標進行采樣點級別的時標對齊，需要考慮相位對數據計算造成的誤差。針對這一問題，結合電力系統波形特點對其實現同一時標下的波形調整。由于穩態時及短路電流（包括各序分量穩態值）經過濾波處理后，每個信息源波形特點總是A，B，C三相互差120°，只要任選一相過零點，通過手動操作對齊，便會自動實現不同信息源的所有所選通道采樣波形成的時標對齊。而選擇對齊基點一般選擇為采樣窗口較短，采樣周波數較少的來自保護的錄波波形記錄點作為對齊點。這樣處理的好處是，通過一次時標對齊的操作即可實現故錄一次波形、保護錄波二次波形、故錄開關量、保護邏輯動作時序的時標統一。而這種對應也恰恰實現了由一次設備波形、開關動作到保護二次錄波及保護算法邏輯判斷及保護動作時序的關鍵時點一一對映，可以直接反映出保護及自動裝置動作行為是否正確。

圖4 電網故障核心故障數據流Fig. 4 Grid core fault data flow

4 具體算例

圖5左側為某220 kV變電站實時運行方式圖，電網發生故障時，線路對側變電站母線及該線路同時跳閘，其兩側保護動作信息如圖5右側所示，經過信息整合，其中線路距離I段、零序I段，及對端母差動作均是達到水平1判斷標準，不需要進行水平2的故障范圍融合。由于故障設備集合判斷中認為同一時間發生多點故障的概率很小，因此，認為母線與線路故障信息相斥，不相融合，在此規則下得出信息不融合的結論。

圖5 某220 kV站母線故障綜合故障信息Fig. 5 Bus fault integrated information of a 220 kV substation

如圖6包含線路A側故障錄波器錄波圖、線路A側保護裝置錄波圖和經標準化處理后的綜合故障錄波圖。可以看出保護錄波啟動時間較晚，采樣頻率較錄波器小，經過采樣點時標對齊，采樣頻率標準化處理，得到融合后全息分析圖。通過比較分析，可以看出線路對側變電站母線發生C相接地故障，線路B相電壓有一定程度的異常升高（二次電壓達到73.80 V左右），故障后又恢復正常。應綜合判斷分析，線路保護二次電壓回路存在多點接地，一次故障電流流過站內接地網時引起電壓回路N600電位不為零而是ΔU0，B相采樣電壓疊加了一個ΔU0而異常升高導致保護異常動作。

圖6 錄波圖Fig. 6 Waveform

5 結論

故障全息系統基于故障后多點地域故障信息綜合分析思想，通過模糊算法的故障數據流自動上傳、信息融合原理確定全息錄波系統所需信息通道，通過波形、采樣點時標及采樣頻率統一標準化處理方法，實現廣域、同一時間窗口故障分析平臺；采用基于采樣特征值與開關量通道屬性相結合啟動邏輯，自動鎖定故障采樣通道，綜合于故障分析平臺行歸一化處理，提高了平臺分析效率；同時技術上采用了波形、采樣時標、采樣頻率標準化處理方法，可以將來自不同故障信息源的不同文件進行標準化處理，不僅實現了故障綜合分析系統的容錯性及魯棒性，并且將故錄的信息源擴展到可以進行標準化處理的所有故障錄波終端。故障全息系統對電網復雜故障、相繼故障的準確辨識、快速處理及保護動作行為精細分析均有較強的工程應用價值。

[1] Yan-Chang Huang，Hong-Tzer Yang，Ching-Lien Huang.A new intelligent hierarchical fault diagnosis system[J].IEEE Trans. on Power Systems，1997，12（1）：349-356.

[2] 陳瑜，盧毅，成樂祥. 形態小波在輸電線路故障測距中的應用[J]. 電網與清潔能源，2010，26（2）: 18-21.CHEN Yu，LU Yi，CHENG Lexiang. Application of morphological wavelets based on the lifting scheme in transmission line fault location[J]. Power System and Clean Energy，2010，26（2）: 18-21（in Chinese）.

[3] 嚴鳳，葛廷利. 農村配電網單相接地故障定位方法研究[J]. 電網與清潔能源，2010，26（4）: 16-20.YAN Feng，GE Tingli. Studies on the method of singlephase-to-earth fault location in rural distribution networks[J]. Power System and Clean Energy，2010，26（4）:16-20（in Chinese）.

[4] 胡晟，房金彥. 廣域測量系統故障定位新方法[J]. 電網與清潔能源，2010，26（2）: 9-12.HU Sheng，FANG Jinyan. A novel fault location method in wide area measurement system[J]. Power System and Clean Energy，2010，26（2）: 9-12（in Chinese）.

[5] 劉家軍，閆泊，姚李孝，等. 同桿平行雙回線的故障測距綜述[J]. 電網與清潔能源，2010，26（11）：75-81.LIU Jiajun，YAN Bo，YAO Lixiao，et al. A survey of fault location for double-circuit parallel transmission lines on the same pole[J]. Power System and Clean Energy，2010，26（11）：75-81（in Chinese）.

[6] 楊玉坤，陳曦，田浩. 基于Prony算法的輸電線路雷擊干擾識別研究[J]. 陜西電力，2010，38（10）: 14-18.YANG Yukun，CHEN Xi，TIAN Hao. Application of prony algorithm in lightning interference detection of transmission line[J]. Shaanxi Electric Power，2010，38（10）: 14-18（in Chinese）.

[7] 何小飛，童曉陽，孫明蔚. 基于貝葉斯網絡和D-S證據理論的分布式電源故障診斷[J]. 電力系統自動化，2011，35（10）: 42-47.HE Xiaofei，TONG Xiaoyang，SUN Mingwei. Distributed power system fault diagnosis based on bayesian network and dempster-shafer evidence theory[J]. Automation of Electric Power Systems，2011，35（10）:42-47（in Chinese）.

[8] 周曙，王曉茹，錢清泉. 電力系統廣域后備保護中的貝葉斯網故障診斷方法[J]. 電力系統自動化，2010，34（4）:44-48.ZHOU Shu，WANG Xiaoru，QIAN Qingquan. Fault diagnosis approach based on bayesian networks for wide area backup protection of power system[J]. Automation of Electric Power Systems，2010，34（4）: 44-48（in Chinese）.

[9] 吳文可，文福拴，薛禹勝，等. 基于多源信息的延時約束加權模糊Petri網故障診斷模型[J]. 電力系統自動化，2013，37（24）: 43-52.WU Wenke，WEN Fushuan，XUE Yusheng，et al. A weighted fuzzy petri net based model with time-delay constraints for power system fault diagnosis employing information from multiple sources[J]. Automation of Electric Power Systems，2013，37（24）: 43-52（in Chinese）.