基于保信主站的雙重化配置繼電保護裝置錄波同源比對研究

崔亞芹 熊 蕙 祁 忠 周明泉 陳曉林

基于保信主站的雙重化配置繼電保護裝置錄波同源比對研究

崔亞芹 熊 蕙 祁 忠 周明泉 陳曉林

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

針對電力系統(tǒng)繼電保護裝置在正常運行工況下仍存在電流互感器中性線開路、相線斷線、接線端子松動等不易判別的模擬量回路異常問題，本文提出基于保信主站對同一間隔雙重化配置保護裝置錄波進行同源比對，以校驗保護裝置采樣回路的準確性和可靠性。保信主站自動從子站采集錄波簡報，實時捕獲雙重化配置保護裝置的錄波文件進行比對分析，設置輕度異常和嚴重異常兩級門檻定值，當波形比對特征值滿足預設異常判據時，通過主站Web界面顯示告警；Web界面支持自定義離線比對，便于問題追溯和排查。實例分析驗證了同源比對策略的有效性，表明了其工程應用價值。

保信主站；雙重化配置保護；瞬態(tài)數據交換通用格式（COMTRADE）；同源比對；Web

0 引言

電力系統(tǒng)中，繼電保護需滿足可靠性、選擇性、速動性、靈敏性四個基本要求[1]。要滿足四性，繼電保護采樣回路的準確性和可靠性是重要前提，采樣回路若發(fā)生問題，可能引起保護拒動或誤動，影響電網穩(wěn)定性。目前，大部分繼電保護裝置已具備電壓互感器（PT）相線斷線及中性線斷線、電流互感器（CT）相線斷線判別邏輯，且判據多樣[2-11]。然而，在正常運行情況下，CT中性線開路不易判別，對于線路輕載情況下的CT相線斷線或二次采樣回路接線端子松動等情況，保護裝置也不易判別。為保證二次采樣回路的準確性，仍需尋求有效的輔助判斷方法。

本文基于繼電保護信息管理（簡稱保信）系統(tǒng)主站，針對電力系統(tǒng)中的雙重化配置保護裝置[12-14]，開發(fā)保護錄波同源比對應用功能：當保護發(fā)生正常啟動、故障跳閘時，保信主站[15-16]自動從保信子 站[17-18]采集保護裝置錄波簡報，實時捕獲同一間隔雙重化配置保護裝置的瞬態(tài)數據交換通用格式（common format for transient data exchange, COMTRADE）保護錄波文件[19]和數據模型文件（data model file, DMF）通道標識配置文件，進行波形同源比對分析；為便于直觀衡量比對偏差的嚴重性，本文設置輕度異常和嚴重異常兩個級別的門檻定值；當波形比對特征值滿足預設異常判據時，則形成告警記錄和比對報告，并通過主站Web界面顯示異常告警；為便于問題排查和追溯，同源比對Web界面同時具有離線比對功能，可自定義手動挑選錄波進行離線比對，由此可校驗出正常運行工況中無法發(fā)現的模擬量采樣回路異常，實現對采樣回路接線端子松動等異常情況的預警。

1 相關技術

1.1 繼電保護信息管理系統(tǒng)

繼電保護信息管理系統(tǒng)[15]是一種可以對繼電保護裝置和故障錄波裝置進行實時監(jiān)視、遠程控制，為繼電保護提供運行管理服務，對電網故障進行實時分析的信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可提升電網運行管理水平、提高事故處理速度，是繼電保護運行管理、輔助分析不可或缺的技術支持系統(tǒng)。

保信主站的基本架構如圖1所示。保信主站采用平臺化結構，基于基礎平臺構建保信高級應用，支持信息的充分獲取和共享，可擴展性強。因此，可基于保信主站實現多樣的綜合智能應用功能。

1.2 雙重化配置保護

為提高繼電保護的可靠性，重要線路和設備按雙重化原則配置相互獨立的保護[12]。雙重化配置的兩套保護裝置，每套保護均應含有完整的主、后備保護，能反應被保護設備的各種故障及異常狀態(tài)，并能作用于跳閘或給出信號。

圖1 保信主站基本架構

雙重化配置的兩套保護裝置之間不應有電氣聯(lián)系。兩套保護裝置的交流電流應分別取自CT互相獨立的繞組；交流電壓宜分別取自PT互相獨立的繞組。應使用兩套完整獨立的通信系統(tǒng)來傳輸兩套獨立的主保護通道，其告警信息接入相關監(jiān)控系統(tǒng)。

2 同源比對功能架構

本文基于保信主站開發(fā)同源比對高級應用。同源比對功能架構主要包含同源比對數據分析模塊和Web展示界面，如圖2所示。

圖2 同源比對功能架構

同源比對數據分析模塊包括波形合并和波形比對功能，數據分析對象為雙重化配置的兩套保護裝置（以下簡稱A/B套）的錄波文件和DMF通道標識配置文件，比對結果存入關系數據庫。可通過實時比對進程和離線比對兩種方式調用暫態(tài)同源比對數據分析模塊。Web展示界面具有歷史檢索和離線比對功能，歷史檢索可讀取關系數據庫查詢獲取并展示實時比對分析結果；離線比對可自定義手動挑選錄波文件進行比對。

3 相關配置

3.1 DMF通道標識文件配置

雙重化配置保護裝置的錄波文件中，模擬量通道序號及通道名稱有可能不同。為便于統(tǒng)計雙重化配置保護錄波文件中需要進行一一比對的模擬量通道，基于保信組態(tài)配置工具對各保護裝置進行通道參數配置，配置各模擬通道的回路類型和支路類型，各套保護裝置形成獨有的DMF通道標識配置文件。A/B套保護錄波比對時，針對配置了相同回路類型和支路類型的模擬通道進行比對。

3.2 定值配置

1）定值類型

為便于直觀衡量比對偏差的嚴重性，本文設置輕度異常和嚴重異常兩個級別的門檻定值，定值類型見表1。

表1 錄波同源比對定值類型

表1中，電壓幅值絕對閾值的定值表征為二次額定電壓的倍數，電流幅值絕對閾值的定值表征為二次額定電流的倍數。

2）比對判據

（1）幅值比對

幅值特征值比對差值計算公式為

式中：Amp1、Amp2為待比對幅值；diff為幅值特征值比對差值。

幅值特征值比對越限判別公式為

式中：limit_abs為絕對閾值；limit_rel為相對閾值。

若比對通道類型為電壓模擬量通道，通道比對判輕度異常時，limit_abs和limit_rel計算公式為

式中：n為電壓額定值；abs_abn為電壓幅值輕度異常門檻絕對閾值；rel_abn為電壓幅值輕度異常門檻相對閾值。

電壓通道比對判嚴重異常時，limit_abs和limit_rel計算公式為

式中：abs_err為電壓幅值嚴重異常門檻絕對閾值；rel_err為電壓幅值嚴重異常門檻相對閾值。

若比對通道類型為電流模擬量通道，通道比對判輕度異常時，limit_abs和limit_rel計算公式為

式中：n為電流額定值；abs_abn為電流幅值輕度異常門檻絕對閾值；rel_abn為電流幅值輕度異常門檻相對閾值。

電流通道比對判嚴重異常時，limit_abs和limit_rel計算公式為

式中：abs_err為電流幅值嚴重異常門檻絕對閾值；rel_err為電流幅值嚴重異常門檻相對閾值。

若幅值特征值滿足式（7），則進一步進行相角比對判別；若不滿足，則無需比對相角，僅比對判別幅值即可。

（2）相角比對

相角特征值比對差值計算公式為

式中：Pha1、Pha2為待比對相角；Pha為相角特征值比對差值，若Pha＞360°，需做角度換算，即

相角特征值比對越限判別公式為

式中，limit_pha為相角絕對閾值定值。相角比對判輕度異常時，有

式中，ha_abn為相角輕度異常門檻絕對閾值。

相角比對判嚴重異常時，有

式中，ha_err為相角嚴重異常門檻絕對閾值。

4 數據分析

4.1 波形合并

考慮雙重化配置保護裝置可能存在錄波采樣率不一致、采樣點數不同、波形啟動時間不同步等差異，波形比對之前，需對雙重化配置保護裝置的錄波數據進行波形合并，步驟如下：

1）通過抽點或插值的方式處理雙重化配置的兩套錄波數據，將兩者錄波的采樣率處理為一致。

2）按波形的錄波觸發(fā)動作時刻附近的波形特征尋找基準通道對齊點，將兩者波形平移對齊；若無明顯對齊特征，則直接以觸發(fā)動作時刻作為基準點將波形對齊，進行同步處理[20]。

3）將同步處理后的比對目標通道組的錄波數據進行波形合并形成新的錄波文件。

4.2 波形比對

在合并波形文件的基礎上，基于同源比對配置定值，對雙重化配置保護的錄波通道數據進行逐組波形比對。波形比對特性如下：

1）對錄波觸發(fā)時刻前一個周波到觸發(fā)時刻后五個周波數據窗內的模擬量通道采樣數據進行快速傅里葉變換（fast Fourier transform, FFT）計算，獲取每個采樣點的幅值、相角特征值。

2）根據電壓、電流模擬通道的幅值、相角比對判據，對通道組逐點比對特征值，若連續(xù)三點特征值比對異常即形成異常告警。

3）設置輕度異常和嚴重異常兩個級別的特征值比對判據門檻定值，特征值比對越限時可區(qū)分輕度異常或嚴重異常，以便于直觀衡量比對偏差的嚴重性。

5 Web界面

保信主站同源比對Web展示界面具有歷史檢索和離線比對功能。歷史檢索可讀取關系數據庫查詢獲取并展示實時比對分析結果；離線比對可自定義手動挑選錄波文件進行比對。

5.1 實時比對

保信主站實時同源比對流程如圖3所示。

圖3 錄波實時同源比對流程

實時同源比對功能特征：

1）實時捕獲錄波簡報，新接收的錄波簡報按序排入錄波簡報等待列表末尾。

2）等待列表中每新增一條錄波簡報，以新增簡報的接收時間為基準，向前推一個錄波簡報接收等待時間窗window時長，確定時間窗涵蓋范圍。

3）等待列表中每新增一條錄波簡報，時間窗相應向后移動一次，接收時間超出時間窗的錄波簡報會被舍棄。

4）等待列表中每新增一條錄波簡報，遍歷時間窗內所有錄波簡報，逐個與新增錄波簡報比較動作時間，若兩者來自雙重化配置保護裝置且動作時間間隔小于預設的最大動作時間間隔Dmax，將兩者視為同源同時錄波，獲取相應錄波文件進行比對分析，比對結果存入關系數據庫并形成告警記錄。

5）將已進行同源比對分析的錄波簡報從等待列表移除。

保信主站同源比對Web界面具有歷史檢索功能，可以展示實時比對分析結果，步驟如下：

1）設置時間范圍，檢索具體廠站設備的比對結果列表。

2）針對具體告警條目，查看同源比對告警明細報告；支持下載合并后的波形文件，便于問題排查和分析。

5.2 離線比對

同源比對Web界面具有離線比對功能，可自定義手動挑選錄波進行離線比對，便于問題排查和追溯，具體步驟如下：

1）檢索歷史波形。選擇具體的廠站設備，設置時間范圍檢索歷史波形文件。

2）挑選比對波形。挑選兩條錄波記錄作為離線比對對象。

3）觸發(fā)離線比對。離線比對分析結果也存入關系數據庫并形成告警記錄。歷史檢索也同樣支持查看離線觸發(fā)的比對記錄。

6 實例分析

針對繼電保護裝置CT斷線等二次采樣回路異常進行模擬，對于存在二次采樣回路異常的繼電保護裝置在電力系統(tǒng)線路滿載、線路輕載等工況下發(fā)生正常啟動、故障跳閘等情況時觸發(fā)的錄波進行同源比對研究。限于篇幅，主要選取電力系統(tǒng)線路輕載工況下，繼電保護裝置存在CT相線斷線異常時發(fā)生正常啟動、故障跳閘的情況，在保信主站進行錄波同源比對實例分析。

測試系統(tǒng)中，從220kV測試廠站中選取針對220kV測試I回線路配置的一組雙重化配置保護裝置：裝置A（P_L2231A）、裝置B（P_L2231B）進行案例分析。將裝置A作為實驗裝置，擬定其存在CT斷線異常；裝置B作為對比裝置，二次采樣回路正常。二次采樣回路中，設定額定相電壓為57.74V，額定相電流為1A。

首先對裝置A和裝置B進行DMF通道標識文件配置見表2，配置比對通道的回路類型和支路類型，確定比對目標通道組。

表2 DMF通道標識配置

根據當前運行工況配置同源比對特征量越限門檻定值，見表3。

表3 同源比對特征量越限門檻定值

測試系統(tǒng)對于雙重化配置保護裝置在線路輕載情況下的正常啟動和故障跳閘進行模擬并觸發(fā)錄波，保信主站實時捕獲雙重化配置保護裝置的錄波文件進行同源比對分析。

1）案例1：線路輕載，雙套保護正常啟動

測試系統(tǒng)模擬工況：裝置A的CT的A相斷線，裝置B的CT正常；線路輕載工況下，裝置A和裝置B正常啟動，觸發(fā)錄波。

保信主站同源比對Web界面中，發(fā)出裝置A和裝置B的實時同源比對異常告警。打開相應的同源比對明細報告，提取錄波比對結果見表4。

表4 雙重化配置保護裝置錄波比對結果（實驗裝置CT斷線，線路輕載，雙套保護正常啟動）

下載并打開告警對應的合并波形文件，雙重化配置保護裝置比對波形如圖4所示，圖中標識錄波觸發(fā)時刻對應的幅值和相角特征值。

圖4 同源比對波形（雙套保護正常啟動）

2）案例2：線路輕載，雙套保護單相跳閘

測試系統(tǒng)模擬工況：裝置A的CT的A相斷線，裝置B的CT正常；線路輕載工況下，線路發(fā)生B相接地故障，裝置A和裝置B發(fā)生單相（B相）故障跳閘，觸發(fā)錄波。

保信主站同源比對Web界面中，發(fā)出裝置A和裝置B的實時同源比對異常告警。打開相應的同源比對明細報告，提取錄波比對結果見表5。

表5 雙重化配置保護裝置錄波比對結果（實驗裝置CT斷線，線路輕載，雙套保護單相跳閘）

打開告警對應的雙重化配置保護裝置比對波形如圖5所示，圖中標識錄波觸發(fā)時刻對應的幅值和相角特征值。

圖5 同源比對波形（雙套保護單相跳閘）

3）案例3：線路輕載，雙套保護三相跳閘

測試系統(tǒng)模擬工況：裝置A的CT的A相斷線，裝置B的CT正常；線路輕載工況下，線路發(fā)生三相接地故障，裝置A和裝置B發(fā)生三相故障跳閘，觸發(fā)錄波。

保信主站同源比對Web界面中，發(fā)出裝置A和裝置B的實時同源比對異常告警。打開相應的同源比對明細報告，提取錄波比對結果見表6。

表6 雙重化配置保護裝置錄波比對結果（實驗裝置CT斷線，線路輕載，雙套保護三相跳閘）

打開告警對應的雙重化配置保護裝置比對波形如圖6所示，圖中標識錄波觸發(fā)時刻對應的幅值和相角特征值。

圖6 同源比對波形（雙套保護三相跳閘）

由上述案例分析結果可見，列舉的幾種工況中，保信主站錄波同源比對報告中，通道類型Line_Ia（支路類型為Line，回路類型為Ia）的錄波比對結果均為嚴重異常，與測試系統(tǒng)模擬的實驗裝置的CT的A相斷線異常情況相符。

綜上，可根據保信主站同源比對Web界面給出的告警提示，查看相應的同源比對明細報告和比對波形，根據比對報告所提示的比對異常的通道類型，對繼電保護裝置的相應采樣回路進行檢查，以及時排查故障隱患。

7 結論

本文基于保信主站，針對電力系統(tǒng)中的雙重化配置保護裝置開發(fā)了保護錄波同源比對應用功能，對于同一間隔雙重化配置保護裝置的錄波比對進行了實例分析，結果表明：

1）保信主站可以自動從保信子站采集保護裝置錄波簡報，實時捕獲同一間隔雙重化配置保護裝置的COMTRADE保護錄波文件和DMF通道標識配置文件，進行波形同源比對分析，當兩者模擬量特征值滿足預設異常判據時則形成告警記錄和比對報告，主站可通過Web界面顯示模擬量不一致異常告警。由此可輔助校驗出正常運行工況無法發(fā)現的采樣回路異常，實現對回路中接線端子松動等異常情況的預警，提醒及時排查隱患，在工程實際中得到有效應用，具備工程應用前景和價值。

2）設置了輕度異常和嚴重異常兩個級別的特征值比對判據門檻定值，特征值比對越限時，異常報告界面中可區(qū)分輕度異常或嚴重異常告警，由此便于直觀衡量比對偏差的嚴重性。此外，告警方式還有優(yōu)化空間，對于嚴重異常告警可支持短信通知相關運維人員。

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Research on recording homology comparison of relay protection devices with dual configuration based on protection information management master station

CUI Yaqin XIONG Hui QI Zhong ZHOU Mingquan CHEN Xiaolin

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

In view of the abnormal problems of analog circuits which are not easy to distinguish, such as open circuit of current transformer neutral line, broken phase line, loose terminal and so on, in the relay protection device in the power system under normal operation conditions, this paper proposes to carry out homologous comparison on the recording of dual configuration protection devices at the same bay based on the master station of relay protection information management system, so as to verify the accuracy and reliability of sampling circuit of protection device. The master station of the relay protection information management system automatically collects wave recording reports from the substation, captures the wave recording files of the dual configuration protection devices in real time for comparison and analysis, sets the two-level threshold setting of mild anomaly and serious anomaly, and displays the alarm through the Web interface of the master station when the waveform comparison characteristic value meets the preset anomaly criterion. The Web interface supports customized offline comparison to facilitate problem tracing and troubleshooting. The example analy-sis verifies the effectiveness of the homology comparison strategy and reflects its engineering appli-cation value.

protection information management master station; dual configuration protection; common format for transient data exchange (COMTRADE); homology comparison; Web

2022-04-02

2022-04-18

崔亞芹（1987—），女，江蘇省東臺市人，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)監(jiān)控與保護工具軟件的研發(fā)工作。

南瑞繼保SPIF項目（Task2021036）