葉遠(yuǎn)波，程曉平，張兆云，劉宏君，汪偉，邵慶祝

(1. 安徽省電力公司調(diào)度控制中心，安徽 合肥 230022；2. 東莞理工學(xué)院，廣東 東莞 523808；3. 長園深瑞繼保自動化有限公司，廣東 深圳 518057)

0 引言

隨著經(jīng)濟不斷發(fā)展，電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模不斷擴大，保護設(shè)備數(shù)量也迅速增加[1-4]。面對不斷增多的保護裝置和故障次數(shù)[5-6]，繼電保護管理者不得不面對2個問題。（1）如何管理好現(xiàn)有的保護裝置，確保及時發(fā)現(xiàn)繼電保護裝置的隱患[7-8]。傳統(tǒng)繼電保護周期檢修工作的負(fù)面效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，狀態(tài)檢修工作已成為繼電保護檢修維護發(fā)展的方向[9-12]。（2）在電網(wǎng)故障的時候如何快速獲取整個電網(wǎng)的故障報告[13]，特別是沒有動作的保護裝置是否運行正常。以往的分析都局限于動作線路的分析，基本不涉及不相關(guān)間隔的保護裝置運行分析[14-16]。 文獻(xiàn)[17]將錄波數(shù)據(jù)通過軟硬件處理上傳至主站。如果主站沒有對應(yīng)的處理數(shù)據(jù)能力，只能徒增主站的負(fù)荷。文獻(xiàn)[18]對繼電保護故障信息分析處理系統(tǒng)的主要內(nèi)容進(jìn)行了設(shè)計，但其具體的故障實例大多以“天災(zāi)”故障線路居多，對于保護設(shè)備的跳閘描述過少。

海量的錄波數(shù)據(jù)自動處理已經(jīng)成為變電站發(fā)展的必然趨勢[19-20]。繼電保護每次動作都會產(chǎn)生大量的錄波數(shù)據(jù)。這些錄波目前大多是由技術(shù)人員人工分析[21-23]。人工分析的方法不僅浪費人力物力，且故障報告準(zhǔn)確性取決于分析人員的水平[24-25]?；诖耍疚奶岢鲆环N電力系統(tǒng)故障區(qū)域錄波自動分析方法，采用了自適應(yīng)門檻波形同步技術(shù)、通道名稱歸一化方案、基于模板匹配的保護動作信息歸類方法等關(guān)鍵技術(shù)，大幅提高了故障分析的效率和準(zhǔn)確性。

1 自動分析系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 數(shù)據(jù)來源

電力系統(tǒng)故障區(qū)域錄波自動分析系統(tǒng)是基于廣域信息的繼電保護實時評價系統(tǒng)的重要組成部分?；趶V域信息的繼電保護實時評價系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取方式如圖1所示。

圖1 實時評價系統(tǒng)在電網(wǎng)中的位置Fig. 1 The location of real time evaluation system in power grid

繼電保護實時評價系統(tǒng)安裝于各級調(diào)度中心，該系統(tǒng)分別獲取電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)(EMS)、保信主站系統(tǒng)、錄波器主站系統(tǒng)的信息，實時監(jiān)視電網(wǎng)繼電保護運行情況和分析每一次保護動作情況，并發(fā)現(xiàn)繼電保護裝置運行的隱患。

電力系統(tǒng)故障之后，繼電保護評價系統(tǒng)自動獲各主站數(shù)據(jù)，并整理出如下信息供系統(tǒng)使用。

(1) 故障時由保信主站獲取所有的動作信息以及事件順序記錄（sequence of event，SOE）信息。

(2) 各保護裝置的定值單、壓板整定單。

(3) 故障時動作線路兩側(cè)的錄波信息和中間節(jié)點信息。

(4) 故障線路以及所涉及變電站內(nèi)其他線路本側(cè)、對側(cè)所有錄波信息和中間節(jié)點信息。

其中（1）由繼電保護保信主站根據(jù)事件順序記錄信息綜合而成，并保存為可擴展標(biāo)記語言文件（xml格式文件）；(2)直接由繼電保護系統(tǒng)提供，直接以EXCEL電子表格文件形式提供；（3）（4）則是保護裝置故障或者擾動時進(jìn)行錄波，保存為電力系統(tǒng)瞬態(tài)數(shù)據(jù)交換的通用格式（comtrade格式），并由保信主站召喚并傳遞給系統(tǒng)。

1.2 主要功能

自動分析系統(tǒng)可直接輸出word和pdf報告，在報告中展示所有的分析結(jié)果。其中word版本便于現(xiàn)場工作員對報告進(jìn)行完善和補充，而pdf版本便于歸檔。

區(qū)域錄波自動分析系統(tǒng)的主要功能包括當(dāng)次的事故綜述，以及所有錄波的時序分析、動作行為判斷、定值靈敏度分析、模擬量分析、外回路分析、采樣回路分析、定值分析、壓板分析等功能。

事故綜述主要包括故障線路的選擇、主要動作過程以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)的繪制。根據(jù)錄波數(shù)據(jù)信息生成的拓?fù)涫纠鐖D2所示。圖2準(zhǔn)確顯示了本次事故所有相關(guān)的變電站以及線路關(guān)系，并用紅色標(biāo)識了故障線路。

圖2 自動生成的拓?fù)涫纠鼺ig. 2 Automatically generated topology example

對于故障線路以及保護裝置的錄波數(shù)據(jù)分析主要包含以下方面。

(1)動作時序分析，主要是綜合保護裝置動作事件、保護錄波數(shù)據(jù)以及故障錄波器錄波數(shù)據(jù)，梳理出本次保護的動作時序。

(2)動作行為判斷，主要是判斷本次故障的動作行為是否符合邏輯。

(3)模擬量分析，主要計算故障前和故障后的向量并進(jìn)行多源對比分析。

(4)定值靈敏度分析，首先是根據(jù)錄波數(shù)據(jù)得到電壓電流測量值，然后進(jìn)一步計算出保護元件測量值，最后對比測量值和定值，分析當(dāng)前保護內(nèi)部各元件的動作情況。

(5)外回路分析，主要綜合分析外部所有的開關(guān)量變位信息。常見的異常包括開關(guān)量抖動、開關(guān)量缺失、壓板投入異常等。

(6)定值分析，用以分析調(diào)度下發(fā)的定值單和保護裝置錄波數(shù)據(jù)中的定值的一致性。定值如果有不一樣的地方則提出告警，并生成報告。

(7)壓板分析，主要分析壓板投入狀態(tài)和給定狀態(tài)不一致的情況。

(8)采樣回路分析，主要通過故障前三相電流和三相電壓的正序分量、零序分量和負(fù)序分量來判斷采樣回路相序是否正確、是否出現(xiàn)斷線等情況。

2 自動分析系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多波形同步系統(tǒng)

不同裝置的時間差以及啟動判據(jù)存在差別，因此要實現(xiàn)所有裝置錄波分析的基準(zhǔn)一致，對每一個錄波文件都需要重新分析啟動點，完成啟動時刻的歸一化。

在錄波啟動時刻歸一化的過程中，需要確定啟動判據(jù)的閾值門檻。由于各線路的參數(shù)差別較大，不能使用相同的定值。對于每一條線路都設(shè)置定值，會導(dǎo)致設(shè)置復(fù)雜，不具有實用性?；诖耍疚脑O(shè)計了一種根據(jù)波形自適應(yīng)確定啟動門檻的方法，具體步驟如下。

（1）通過配置文件得出第一段錄波數(shù)據(jù)的采樣率N和數(shù)據(jù)長度L。

（2）根據(jù)錄波通道名，獲得錄波文件中的Ia、Ib、Ic電流通道和 Ua、Ub、Uc電壓通道，并從數(shù)據(jù)文件讀取6個通道的數(shù)據(jù)序列。

（3）確定啟動前正常電流、電壓值。利用半周積分算法依次計算6個通道的錄波最初半個周波的向量，作為啟動前的模擬量。

（4）確定啟動后故障電流、電壓的值。利用半周積分算法從錄波文件的第一個周波后開始計算每半個周波的模擬量向量。如果是電壓通道，找出序列中第2小和第3小的值，取平均值；如果是電流通道，找出第2大和第3大的值，取平均值。平均值作為故障后的模擬量值參考值。

（5）計算啟動門檻。每個通道的啟動門檻為故障后的模擬量值減去故障前的模擬量值取絕對值，然后乘以可靠系數(shù)。按照電壓通道和電流通道分別統(tǒng)一啟動門檻。電流通道的3個門檻中的最大值作為電流啟動門檻；電壓通道的3個門檻中的最大值作為電壓啟動門檻。

（6）循環(huán)查找啟動點。從采樣值的第一個周波開始，依次計算上述6個通道的采樣值突變量。如果連續(xù)3點突變量大于門檻值，則記作該通道啟動。通過這種方法對6個通道進(jìn)行操作，至少可以找到1個啟動通道及啟動時刻；如果找到多個啟動通道，則將最早的點記為該錄波的啟動點。

按照上述步驟，所有的錄波文件都找到了啟動點，將所有的啟動點默認(rèn)為同時刻，則所有錄波完成了同步操作，在時間上具有一致性。

2.2 通道名稱歸一化

不同保護設(shè)備的錄波通道數(shù)不一樣，即使相同的通道，通道名稱也不一樣。因而需要對通道名稱進(jìn)行歸一化處理。

為了實現(xiàn)系統(tǒng)的可擴展性，采用配置模板的方式實現(xiàn)通道的識別。例如，對于重合閘出口信號，國內(nèi)各主要廠家的命名不一樣。國內(nèi)主要廠家重合閘出口信號的名字如表1所示。

表1 國內(nèi)主要廠家重合閘出口信號的名稱Table 1 The name of the exit signal of the recloser of the major domestic manufacturers

為了對重合閘信號進(jìn)行分析，采用配置文件的方式，將重合閘定義為特定信號，且該信號來源于所有錄波通道。基于條件設(shè)置，通過配置文件完成通道的歸一化。

2.3 基于模板匹配的保護動作信息歸類

一次故障發(fā)生之后，產(chǎn)生的事件順序記錄（SOE）事件、動作事件和錄波數(shù)據(jù)中的變位較多，需要對這些信息進(jìn)行歸類分析。為了便于動作信息的歸類，自動分析系統(tǒng)采用模板匹配方法實現(xiàn)對故障信息的歸類。根據(jù)電網(wǎng)的實際運行情況，錄波類型主要分為故障線路錄波和非故障線路錄波。電網(wǎng)的線路保護動作主要分為3種情況：單相永久性故障、單相瞬時性故障、多相故障。因而故障線路可以按照3個模板進(jìn)行匹配分析。根據(jù)這3類典型故障和1個非故障線路列出保護動作時的模板，建立各類保護動作時候的信息模板。經(jīng)過精簡的單相永久性故障事故簡報模板如表2所示。

表2 精簡后的單相永久性故障事故簡報模板Table 2 Single phase permanent fault accident briefing template

精簡后的模板只包含了保護的跳閘出口、重合閘出口和跳位繼電器等7個信號。完整的模板還包括差動保護、距離保護、零序保護等各類保護動作行為以及動作時間，以及由上述信號衍生出來的合成信號，例如根據(jù)跳閘令出口時間和返回時間計算出的跳閘脈沖寬度等。

基于自動分析得到的一次真實故障的故障信息如表3所示。針對本次事故，完成了本次事故的信息簡況生成之后就可以判斷保護裝置的動作行為是否正確?；谕瑯拥姆椒梢越⑵渌收项愋偷墓收夏０濉?/p>

表3 基于自動分析得到的故障信息Table 3 Summary of fault information based on automatic analysis

2.4 故障類型判別以及信息報告生成

在建立故障模板之后，需要對每一次故障選擇相應(yīng)的模板進(jìn)行匹配-具體判斷邏輯，如圖3所示。

圖3 保護裝置動作事件判斷邏輯Fig. 3 Logic diagram of protection device action event judgment

首先根據(jù)所屬的故障類型，選擇正確的簡報模板。分析保護事件和錄波信息，填寫簡表中的各項內(nèi)容，然后對本次動作簡報中的所有數(shù)據(jù)按照檢測要求進(jìn)行評價。評價過程中主要異常情況有3大類。

（1）如果某一項空白，則標(biāo)記該項異常。

（2）對于未在簡報中體現(xiàn)的事件和信息單列，多余的事件也屬于異常的范疇，例如包含了多次跳位繼電器的變化。

（3）數(shù)據(jù)超出了約束條件，例如第一次跳閘時間超過了 30 ms。

在評價結(jié)束后，對本次錄波的信息進(jìn)行輸出，輸出事故簡報以及異常條目。

3 自動分析系統(tǒng)實踐

3.1 系統(tǒng)運行模式

電力系統(tǒng)區(qū)域故障錄波自動分析系統(tǒng)分為在線運行和離線運行模式。

在線運行模式下，基于廣域信息實時自動地進(jìn)行電網(wǎng)運行狀態(tài)實時評價，系統(tǒng)自動調(diào)用該模塊生成相應(yīng)的報告，并將該報告?zhèn)魉偷焦芾聿块T。

離線運行模式下，可以直接對事先收集到的錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，生成相應(yīng)的報告。

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

采用C++和python聯(lián)合編程的方式完成電力系統(tǒng)區(qū)域故障錄波自動分析系統(tǒng)的研發(fā)。由于本系統(tǒng)涉及大量計算，所以實用C++進(jìn)行數(shù)據(jù)的計算處理。

本系統(tǒng)采取xml作為中間文件實現(xiàn)了C++和python共同發(fā)揮作用，提高了系統(tǒng)開發(fā)與運行效率。具體來說，首先利用python將excel格式的定值文件讀出，保存在一個xml文件中，然后C語言部分讀取所有的錄波文件和xml文件，按照前面所述的方法進(jìn)行編程。分析的結(jié)果先保存在一個xml文件中，當(dāng)所有內(nèi)容分析完畢之后，再次使用python將xml數(shù)據(jù)讀出，按照格式寫入到word中。

3.3 系統(tǒng)運行效果

該系統(tǒng)在某電網(wǎng)公司運行，效果良好。單次離線故障分析時間在1 min以內(nèi)，在線分析時間在10 min以內(nèi)。已經(jīng)利用分析工具分析了線路故障，發(fā)現(xiàn)了大量的異常信息，這些異常信息如下。

（1）開關(guān)量抖動。2020年3月28日09：34，220 kV某線發(fā)生C相永久性接地故障，兩側(cè)保護裝置均三跳出口。系統(tǒng)顯示“外回路抖動”，在發(fā)現(xiàn)該異常之后人工讀取保護裝置錄波圖，存在故障，發(fā)出預(yù)警信號。

（2）開關(guān)量缺失。2021年03月12日10:40，220 kV某線發(fā)生C相永久性接地故障，兩側(cè)保護裝置均三跳出口，但是只采集到了A和B相跳位，未出現(xiàn)C相跳位。系統(tǒng)顯示“外回路缺失”，在發(fā)現(xiàn)該異常之后人工讀取保護裝置錄波圖，其中不存在C相變位，顯示確實存在故障，發(fā)出預(yù)警信號。

（3）定值不一致。測試中發(fā)現(xiàn)定值單和整定值有較多區(qū)別，某次真實事故檢測結(jié)果如表4所示。暴露的主要問題包括：定值有效位數(shù)不一樣、部分錄波文件定值不全、部分錄波不保存定值。特別是對于線路阻抗定值，整定單按照2位小數(shù)，但是大多數(shù)保護裝置的有效位數(shù)不是2位，從而導(dǎo)致定值單不一致。

表4 金蘆線路檢測結(jié)果Table 4 Jinlu line test results

（4）錄波文件異常。在分析某次故障的時候，發(fā)現(xiàn)某裝置單跳時間不正確，對錄波進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)保護裝置錄波存在異常，主要是將重合前錄波和重合后錄波分成了2個單獨的錄波，從而在自動分析系統(tǒng)中出現(xiàn)異常告警。

在上述波形分析中，所有的分析全自動完成，故障之后10 min內(nèi)就可以獲取本次事故完整的分析報告。該報告對指導(dǎo)事故處理以及供電恢復(fù)具有重要指導(dǎo)作用，提高了事故分析的質(zhì)量。

4 結(jié)語

本文提出一種電力系統(tǒng)故障區(qū)域錄波自動分析方法并進(jìn)行了系統(tǒng)研制，該系統(tǒng)是廣域信息繼電保護實時評價系統(tǒng)的重要組成部分。系統(tǒng)可自動完成事故分析，生成本次事故的綜述，以及所有錄波的時序分析、動作行為判斷、定值靈敏度分析、模擬量分析、外回路分析、采樣回路分析、定值分析、壓板分析，并對波形中的異常情況進(jìn)行告警。自動分析系統(tǒng)的應(yīng)用，提高了電力系統(tǒng)故障錄波分析的效率和質(zhì)量，減少了人力成本，便于操作，安全可靠。該系統(tǒng)已在某省電力公司調(diào)度中心試運行，運行結(jié)果表明該方案具有良好的可行性。