基于故障錄波主站的實時在線保護評價方法

但路浩 廖曉春 劉斌

摘要

針對保護評價在實驗室環境下的仿真局限性和高昂的成本代價，提出了一種基于故障錄波主站的實時在線保護評價方法，分析通過變電站真實錄波數據以及真實的保護動作信號，采用錄波源端數據融合、采樣數據頻率歸一、差動原理故障診斷、輸電線路故障辨識等手段，實現在真實環境下全面、客觀的評價電網運行保護的性能，且具備分析結果與實際保護數據自動比對的能力，適用于大電網背景下高效、準確的進行規模化保護設備性能評估。

【關鍵詞】保護評價 實時在線 保護信息 故障錄波主站 差動原理

繼電保護評價是電力系統穩定和可靠運行的基石，隨著繼保智能化和信息化的發展，變壓器和斷路器設備在線監視要求的提高，對保護評價的準確性和時效性管控進一步增強，尤其對大電網背景下的多源異構數據環境下規模化保護性能的評價非常關鍵。另外，無論從現有技術還是從供電可靠性及設備安全性考慮，直接在實際電力系統中進行各種試驗的可能性極小，而以購買數量眾多的廠家設備到實驗室進行仿真研究又代價高昂。

目前，國內外在開展保護行為評價時，傾向于基于保護同原理，使用更詳細的數據、更透明的過程及可觀測的中間變量來進行推導。這種做法的缺點有三個：

（1）保護原理同質化。仿真的結果只能評價保護的邏輯是否同原理相符，不能檢驗該原理本身;

（2）評價方式存在局限性。保護自帶的數據通保護裝置本身的推導一脈相承，使用同樣數據推導的結果并無二致;

（3）實驗室仿真評價無法替代工程評價。單個環節和某個指標的評價，無法全面、客觀的評價出保護裝置在實際工程中的綜合表現，而工程綜合表現恰恰最為重要。

本文提出一種廣域電網背景下基于故障錄波主站的實時在線的保護評價方法，具有時效性強、自動化程度高、適用性廣等特點，易部署，性價比高。

1 設計思路

基于現有且普及和流行的省、網級別的調度調度控制中心二次信息采集主站系統，實時在線獲取廣域故障錄波信息，結合站內設備統一建模映射，采用采樣頻率歸一化、錄波器采樣同步等方法，解決故障錄波器采樣頻率不同、數據同步難等關鍵問題，并利用差動原理進行故障診斷，實現僅利用故障錄波數據進行差流計算準確定位故障區域和評價保護動作行。特點如下：

（1）利用二次主站系統的信息豐富優勢，采用區域大差流原理，以各支路差流是否為。的方法推導出故障元件，判定正確動作的保護，這點同保護自身的工作機理不同，避免了工作原理的同質化;

（2）采用獨立第三方的錄波數據而非保護自帶的數據，保證了評價的科學和合理性;

（3）緊密同工程實際相結合。利用現場運行數據，在線完成保護動作的推導，同步與實際保護動作進行比對，不僅快速，而且更客觀;

（4）具有實時、在線的特征，能夠自動和快速的完成保護動作評價，并進行電子存檔，無需任何人工干預。

2 設計原理

錄波數據同保護數據具有信號同源、分開采集、獨立處理、相互驗證的特征。因此，采用故障錄波數據來驗證保護動作行為，數據的真實性能夠得到保證，同時，因為錄波數據具有采樣率高、信息齊全等優勢，具備對保護動作的特征進行高精度、深層次分析的一切條件。

差動原理的數據具有廣域性，能夠定性的判斷和鎖定故障元件，非常準確。此外，還不受系統運行方式、過渡電阻、負荷電流、功率倒向、系統診斷等特有優勢，符合評價保護動作的行為，避開了不同原理保護裝置的復雜工作原理，核心是：

（1）分區域計算差流。系統差流不為0，則表示某個支路有故障;

（2）逐支路計算差流，鎖定故障元件;

（3）故障元件對應的保護必須動作，不需要關心其動作判定依據。

電網故障時，一次系統的運行狀況由安裝在各自變電站內的故障錄波器以高采樣頻率記錄下來，及時上送到中調二次信息采集主站系統。通過頻率統一、采樣同步及對應于一次系統的IA建模，將一次系統的電流量在同一時標界面，以輸變電設備為劃分區域分別計算相應差流。

電網正常運行時，以固定時間間隔自動召喚故障錄波采樣并進行以輸變電設備為單元的相電流差動值計算，差流值應幾乎為零。如果差流計算值大于對應設備的差流越限值，通過調度主站遠程調整故障錄波器接入間隔通道名稱、CT極性及變比系數，或者現場檢查故障錄波器是否己全部接入參與差流計算的設備及電流回路是否存在多點接地問題并及時進行消缺，保證電網正常運行時所有輸變電設備的差流計算值均接近于零，流程如圖1。

3 實現方法

3.1 源端數據融合

保護評價最合適的工具是充分合理的運用故障錄波數據，故障錄波裝置是保護裝置的記錄“黑匣子”及評判，過程如下：

（1）波形文件標準化處理。針對不同廠家、型號的設備生成的波形文件各有不同，分別進行單獨處理，轉換成標準的COMTRADE99格式數據文件。

（2）故障通道提取。提取出真正發生故障的通道數據才能使用戶專注于故障分析，不會淹沒在大量的無效數據識別工作中。

（3）采樣點時標對齊。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。

（4）采樣頻率對齊及算法。在同一個時間軸上展示不同的波形數據進行橫向的比較，對于錄波數據中壓縮存儲的部分只記錄有效值的數據。

3.2 采樣頻率歸一化及同步處理

電網故障錄波器裝置啟動值低，可以長時間、高頻率、全過程完整記錄一次系統的各種擾動。利用高靈敏度啟動值，經過頻率歸一化、采樣同步算法處理，實現廣域內不同故障錄波器的故障數據采樣頻率相同、采樣同步。采用插值法把不同采樣頻率統一為同一采樣頻率，對沒有采樣點的波形數據進行包絡線方式壓縮顯示，同時錄波數據中只記錄有效值的壓縮存儲部分，進行相應處理。

3.3 故障錄波信息與接線圖設備自動映射

繼電保護基礎數據平臺是全網一次、二次設備的數據庫，包含一次設備連接情況及二次保護配置情況。故障錄波系統也是基于一次系統采樣的分布式系統，基于錄波器的TA建模只需將設備關聯的基礎數據平臺中設備TA進行——對應的配置，即可完成從錄波通道到一次設備電流采樣的對應關系，通過TA統一標識建模這一關鍵環節，將兩個系統協調起來，故障錄波通道與基礎數據中TA配置可自動映射，電網故障時，各間隔的故障電流、區域差流計算值可在接線圖上實時直觀顯示。

3.4 基于差動原理的故障診斷方法

采用采樣頻率歸一化及同步技術，安裝在全網不同變電站（包括常規變電站和智能變電站）內的故障錄波器故障數據采樣頻率相同，采樣數據同步，為接下來進行間隔設備、區域設備的差流計算提供了前提。電網正常運行時，以固定時間間隔自動召喚故障錄波采樣并進行以輸變電設備為單元的相電流差動值計算，確保電網正常運行時差流值近似為零。

電網發生故障時，根據故障錄波器上送的故障數據，分別以電網獨立設備為計算單元，進行電網一次電流的差流計算;將差流值與差流整定值比較，實現準確故障位置定位及保護動作行為評價，故障診斷流程如圖2。

3.5 輸電線路故障的辨識方法

輸電線路的故障數據存儲于兩個不同變電站內故障錄波器內，若直接采用線路差動原理進行故障線路辨識，優點是原理簡單，判斷準確，不受網架拓撲結構影響，無需電壓量，準確定位故障線路，不受負荷、振蕩、功率倒向等影響。但缺點是需要線路對側故障錄波信息，而目前全網數據統一時鐘很難實現，因此需要手動進行兩側數據映射、故障數據采樣同步等操作，對疑似故障線路再利用差動原理進行復核、確認。在無人值守模式下，采用兩種方法：

（1）各支路電流相位比較法。優點是無需線路對側故障錄波信息、無需電壓量，計算速度快，僅需電流量即可進行辨識。缺點是對于同塔雙回、多回線路，變壓器中低壓側并列運行等特殊電網拓撲結構的故障無法準確辨識。

（2）綜合方向元件辨識法。優點是不受網架拓撲結構影響，無需對側故障錄波信息、僅需本側電壓電流量即可進行辨識。但缺點是僅能判斷出哪幾條支路為正方向故障，無法進行故障線路準確辨識;需要電壓量，方向元件準確性會受電壓二次回路多點接地影響。

4 總結

通過錄波主站系統從變電站端在線獲取真實錄波數據以及真實的保護動作信號，采用錄波源端數據融合、采樣數據頻率歸一、差動原理故障診斷、輸電線路故障辨識等手段開展在線保護評價，對運行方式、保護型號等不敏感，能有效克服試驗室仿真的局限性和設備采購、技術培訓及實驗過程等高昂代價，科學客觀的獲取保護評價信息，具有應用范圍廣，性價比高，適用性強，魯棒性好等優點，具有較大的實用價值和推廣前景。

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