停電區域及廣域同步信息基礎上的電網故障快速診斷分析

曾志川

摘要 文章提出以停電區域及廣域同步信息為技術支撐快速診斷電網故障的新方法，以期為行業和技術發展提供方向性參考。該方法僅與故障復雜程度有關，而和保護信息沒有關系，也不受網絡規模的制約，診斷成果快速有效。在對故障元件識別確認后還能對保護動作進行行為評價，對故障類型進行簡單判別。

關鍵詞 停電區域；廣域同步信息；電網故障；快速診斷

中圖分類號TM7 文獻標識碼A 文章編號1674-6708（2015） 153-0040-01

電力系統在出現故障之后，若在非故障區域中查找故障元件是毫無意義的，因為故障之后，斷路器和保護都會按照內設程序執行相應動作，斷開故障元件與電源的連接。筆者將介紹一種在停電區域基礎上，利用廣域同步信息快速診斷電網故障的方法。

1 對停電區域進行高效識別

繼電設備會在電力系統出現故障之后快速執行程序中設定的反應動作切斷故障元件和電源之間的聯系，把故障元件置于無源網絡狀態下，所謂的停電區域就是由這些彼此孤立的無源網絡共同構成的。首先對停電區域加以確定，以此為基礎在該區域的內含元件中就能找到故障元件。

識別停電區域時借助于電力系統內部的網絡拓撲信息，將電力系統中網絡拓撲的信息關系表示為G= （V，E），V為節點集，組成部分有母線、發電機及變壓器等，E是邊集合，組成部分是開關，開關的閉合與開啟控制著邊的通斷情況。若故障發生，在網絡拓撲中借助廣度優先的專業搜索方法對其加以遍歷，從而生成無緣網絡（停電區域）。具體為以下幾點。

1）在電力系統運行正常的情況下，對其結線加以必要的技術分析，其中部分元件是與發電機或者等效電源相對應的，則將這些元件標記成有源式節點。

2）發生故障之后對此時的系統結線進行二次分析，隨之會產生多個子系統，為了減小開關信息在傳輸中的錯誤率，應將開關信息、PMU模擬量的量測信息以及狀態估計進行綜合考量評判。

3）對每一個子系統而言，跳閘開關的兩端都有節點存在，把所有這些節點把全部設置成邊界節點，從而組建邊界節點的集合，在此基礎上開展擴展節點的各項工作。擴展過程中一旦發現部分節點連接著有源式節點，擴展即停止，同時把該次擴展中所涉及子系統的全部節點標記成帶電狀態，否則擴展一直繼續，直至該子系統所有節點均已完成擴展。最后把已經檢測出的停電區域進行核對和編號，其中的元件均作為疑似故障元件列入初步判斷故障的元件集內。

待所有節點全都被搜索一遍之后，只要停電區域和邊界節點連接在一起，就會全部被檢索出來，同時也確定了發生故障以后，部分邊界節點呈繼續帶電的狀態。電力系統發生故障后，識別停電區域僅僅是在變位開關的位置進行搜索，所以，故障復雜程度是上述拓撲范圍的唯一影響因素，搜索及識別都能做到快速、準確。

2 快速診斷電網故障

2.1 從故障電流判別

本文在進行方向判別時僅僅依靠電流是由于：1）在保護中起判別方向作用的元件通常會引入電壓、抗阻等系列參數，有助于改善以就地信息為判斷基礎的方向判斷結果的準確性，但故障診斷中相關計算以及數據傳輸都更加復雜化。借助廣域信息，將其優勢充分發揮，可對變量種類合理減少，有助于進行方向判別；2）突變量的方向元件在日前應用比較廣泛，與其他元件的區別主要在于重點反映電流突變的情況；3）單純依靠廣域量測模擬值進行判斷，可有效避免其他IED方向的誤判對故障診斷的干擾。

為了把廣域信息更好地應用于方向判別中，發生故障之后，將停電區電流的相量值與高性能的相電流差綜合起來，采用突變量的選相原理對電流加以選相，借助最終選定的電流進一步判別方向，這種方法具有一定的在理論研究基礎，并由相關的仿真模擬實驗結果作為支撐，受故障類型等因素的影響很小，其具體操作步驟為以下幾步。

1）利用廣域信息進行全面搜索，查找出停電區域內最早發生動作的開關，進而獲得其發生動作的具體時間，在這個時間點以前的某個時間段內，不同測點間的相電流差會產生變化，計算出各個測點的該變化量值，將變化量最大值所對應測點的電流取作輸入電流值。

2）在選定輸入電流的基礎上，通過突變量選相的原理對輸入電流實施選相，選項結果即可作為故障相應用到方向判別中，其與傳統的選相元件區別在于，該元件更加注重利用停電區域內的電流等有關信息，顯著提高了對故障電流的相別的準確識別度。

3）在2）的方向判別基礎上，如果故障是多相型的，任何一相的故障電流均可作為判別根據。

如遇高阻故障，如果過渡電阻過大，甚至于最大電流都不能準確判斷出，就要對三相電流每一相電流的信息都分別實施方向判斷，一旦其中任意一相電流呈現出兩側或以上的方向不止一次相同，就可判定該元件是故障元件。

2.2 故障定位的流程

故障發生后，必須要立即對停電區域加以高效識別，將開關的動作信息以及模擬量和電網的拓撲關系總綜合起來考慮，在所有停電區域內查找該區域中最早發生動作的開關，個別元件的電壓會在這個最早動作之前出現明顯的較大跌落，把這類元件篩選出來，若符合篩選條件的元件有且僅有一個并且非母線（避免因出口故障并存在保護或者開關誤動、拒動而誤判成是母線故障），那么該元件就是故障元件；若符合條件的元件不止一個或者僅有的一個是母線，就需要根據短路時電流的方向做進一步判斷。

2.3 保護、開關動作的行為評價

在發生短路事故并且方向信息獲得后，不但能準確鎖定故障元件的具體位置，把電壓的跌落時間以及有關保護信息進行綜合分析和研究，還能科學評價保護及開關執行動作行為的成效：1）部分區域內故障元件相對比較集中，該區域內的開關是否均呈斷開狀態。2）若全部斷開，可判斷為近后備的保護（或者主保護）發生動作，則需深層次的分析測得記錄的電壓實際下降的時間，若電壓實際下降時間位于主保護斷開故障元件的時段區域內，可判斷執行動作的是主保護，不然則是近后備的保護執行動作斷開了故障元件而主保護發生拒動。如果有的開關呈現閉合狀態，則可以判斷為此開關發生拒動，或者該側保護發生拒動，從停電區域內深入搜索該開關所連接的一切節點，直至查找到呈斷開狀態的開關，如果元件電壓跌落的時間不在其后備保護發生作用的時間范圍內，則可判斷是保護（或者開關）越級引起跳閘。3）在對開關所連接的節點進行全面搜索時，一旦發現電流是從線路流經跳閘開關后再流向母線，則可判斷為該保護（或者開關）發生誤動操作。

2.4 判別故障類型

在故障元件鎖定以后，先按照2.1節的選相方法選相，再根據電壓量等有關數據進行判斷。若PMU檢測結果顯示故障元件電壓值跌落較大的情況僅發生在一相上，就判斷為是單相故障。若三相電壓均發生明顯較大跌落，就判斷為是三相故障。若其中兩相電壓發生跌落并且跌落幅度都很大，就判斷為是兩相接地的故障。若其中兩相電壓發生跌落而跌落幅度并不明顯，就判斷為是兩相短路的故障。最后再把電流和電壓的各自判斷結果進行綜合分析和研究后得出最終判斷結果。

3 結論

綜上，在停電區域和廣域同步信息基礎上的電網故障快速診斷方法僅與故障復雜程度有關，而和保護信息沒有關系，也不受網絡規模的制約，診斷成果快速有效。在對故障元件識別確認后還能對保護所執行的動作實施行為評價，識別故障類型。停電區域不同導致其所反映的電網拓撲構架也會有所不同，所以，要借助網絡前期的拓撲結構的分析功能對停電區域進行實時刷新，以保證診斷結果的準確性。