基于雷電信息的電網故障診斷系統研究

李 鵬，張小易，黃浩聲，佘曉峰，袁宇波

(1.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京 211103；2.南京移騰科技有限公司，江蘇南京 210022)

電網運行調控一體化的實施，將有力推動電網運行與設備運行業務數據的融合。為充分發揮設備評估和環境監測對電網調度運行的技術支撐功能，有必要建立基于電氣量、開關量及氣象環境與災害信息等多數據源的綜合性電網故障分析功能，為調度運行人員提供更為豐富的電網運行信息，提升電網調度運行人員決策準確性[1]。現階段電網發生故障時，故障信息基礎數據主要包括開關量和電氣量。傳統的電網故障分析與診斷主要依賴于故障后上送到繼電保護故障信息系統的保護、斷路器等的開關量信息及分布式或集中式錄波數據，但由于信息傳輸丟失或不全面等不確定情況，往往會發生故障元件診斷范圍擴大，甚至誤判等情況[2]。

本文提出了一種融合雷電定位信息與繼電保護故障信息系統的電網故障診斷數據處理方法，電網發生故障時，首先對電氣量故障信息進行特征提取,通過數據映射技術獲取特征數據，依據特征數據搜索故障時相關區內的雷電定位信息，最后進行基于多數據源的信息融合的故障分析。

1 繼電保護故障信息系統數據及特征

目前，繼電保護故障信息系統處理的主要數據對象是在電網發生故障的情況下，保護設備上送的離散信息，運行人員需對這些設備運行信息進行故障識別與分析處理[3]。在電網系統發生復雜故障時，將有大量的異常和故障信息涌入數據處理中心，運行人員很難在短時間內從中識別出有用的故障信息。掌握并利用繼電保護故障信息系統相關數據的特征對于電網故障的識別、分析及恢復相當重要。

傳統的故障信息識別與處理技術在面對大量故障信息數據時，一直無法解決上送數據過剩而有用信息不足的問題。本研究通過對故障時繼電保護上送的信息及其自身特點進行分析，提出了基于規則庫的信息識別與處理技術，并通過軟件技術將故障信息處理邏輯與程序實現分離開來，使故障信息識別規則變成可維護的對象，從而在信息系統特征數據發生變更的時候，無需修改程序代碼即可完成故障信息處理方式的改變。通過對大量歷史故障信息的整理與分析，可進一步完善故障信息處理的規則庫，提高故障信息處理的準確性與及時性?；谝巹t庫的繼電保護故障信息識別與處理技術根據電網故障時保護裝置在特定時間范圍內上送信息的數據特征，智能定義每一臺保護裝置的故障特征信息集合，在海量的繼電保護運行信息中通過規則匹配的方式識別是否出現電網故障,從而自動進行后續的故障信息處理與分析。具體實現技術方案如圖1 所示。

圖1 基于規則庫的繼電保護故障信息識別與處理

數據處理過程由設備信號采集模塊、規則匹配與模式定義模塊、故障報告計算與分析模塊3 部分組成。

（1）設備信號采集模塊。采集模塊通過系統軟總線實時獲取系統接收到的各種繼電保護設備運行信息，并對上送的設備信號進行分類緩存。

（2）規則匹配與模式定義模塊。規則匹配模塊同步處理數據緩存區域內的繼電保護設備運行信息，通過匹配某一臺保護設備在指定時間區間段上送的信息是否符合故障規則定義，從而形成判斷標準，并發出故障通知。具體規則匹配與故障識別流程如圖2 所示。

圖2 基于規則庫的故障識別流程

（3）故障報告計算與分析模塊。故障報告生成模塊在接收到故障通知后，根據保護動作時間，將系統中的故障數據進行組合，形成故障報告。綜合考慮不同設備類型信息的上送時差，故障計算與分析模塊以增量方式完成故障報告的分析與歸檔處理。

2 雷電定位系統相關數據及其特征

目前雷擊是影響電網安全的頭號外力破壞因素。通過對電網區域雷擊的高效監測，將有利于快速查找雷擊故障點、分析事故原因、鑒別故障性質，提高電網安全運行水平。

2.1 系統現狀

現階段電網雷電定位系統覆蓋范圍越來越大，雷電監測精度也得到極大提高，系統能實時遙測并顯示雷云對地閃擊的時間、位置、雷電流峰值和極性、回擊次數以及每次回擊的參數，雷擊點的分時彩色圖能清晰地顯示雷暴的運動軌跡[4]。雷電定位系統解決了困擾電網安全運行多年的雷擊故障快速準確定位、真假雷害事故鑒別和雷電基礎數據自動收集難題，雷電定位系統已成為電網調度運行管理的重要信息支撐。

2.2 存在的不足

隨著雷電定位系統的推廣應用，雷電定位信息在雷擊跳閘事故分析中起到了重要的參考作用，但也存在一定的問題。（1）雷電定位信息數據比較單一，在實際電網故障分析過程中，必須參考其他業務系統相關數據，跨業務數據融合功能薄弱，容易形成信息孤島；（2）雷電定位信息系統僅關注雷電自身相關專業數據的統計，其數據存儲與統計分析很難與其他信息系統進行橫向分析與計算；（3）在電網發生故障的情況下，電網故障相關的電氣量、開關量等常規業務系統的信息與雷電定位信息的處理與分析過程還依賴人工干預，智能化程度較低底，更難以實現系統數據共享[5，6]。

3 多信息融合與處理方法

為適應電網故障智能分析與防護的發展，需將繼電保護故障信息與雷電定位信息進行跨業務平臺的數據融合，全面提升電網調度運行管理整體水平，完善現有信息系統在功能上的不足。

3.1 Webservice 技術

WebService 是一種通過Web 部署提供對業務功能訪問的技術，逐步成為不同應用系統之間相互交流信息資源的一個接口。WebService 可以突破不同操作系統平臺、不同數據存儲結構的限制，以較快的速度提供跨平臺的業務數據服務[7]。XML 是目前通用的數據交換格式，WSDL 是一種XML 文檔，包含了一組描述WebService的接口定義。WebService 主要以XML 協議為基礎，實現不同應用系統的數據集成，成功解決了不同信息系統的異構數據融合問題。利用WebService技術可以實現雷電定位信息與繼電保護故障信息系統數據的融合，數據融合方式如圖3 所示。

圖3 多源數據融合技術方案

3.2 信息交互范圍

信息交互范圍涉及電網220 kV 及以上所有發電廠、變電站及其輸電線路相關區域的雷電信息及廠站內二次設備運行信息。電網故障診斷系統對于故障區域內的雷電信息、繼電保護動作信息能夠實現自動采集與數據整理，支撐綜合性電網故障信息的融合與數據處理。電網故障診斷系統可以根據區域內產生的電網故障信息，依據區域、時間等條件對雷電信息進行檢索，并提供區域雷擊過程相關圖形化數據。繼電保護故障信息系統與雷電定位系統采用基于WebService 服務模式進行數據交互，通過規范化服務接口定義實現數據交互格式的統一。

3.3 信息交互方式

（1）模式1，主動事件通知模式。雷電定位系統接收到新的雷擊信息后向電網故障診斷系統發出雷擊簡報信息，內容主要包括雷擊區域、線路名稱與編號、雷擊時間等信息，通信接口通過標準WebService 通信服務接口實現。

（2）模式2，數據檢索。電網故障診斷系統可以通過檢索條件對雷電定位系統中的雷擊信息進行檢索，雷電定位系統返回檢索結果主要包含數據與圖像2 種類型信息，針對數據信息主要包含雷擊相關的時間、經度、緯度、電流、回擊、站數、參與定位監測站、距離、最近桿塔、線路兩端測距等數據，數據可以通過Webservice 通信服務接口實現。數據傳輸結構基于XML 相關技術標準對信息進行描述。

3.4 多信息源分階段故障信息融合

繼電保護動作信息與雷電定位信息系統內部通信方式、輸出信息格式均存在很大差異，原有系統之間亦是獨立的，沒有數據交互，因而需要建立一個統一的信息交互平臺來獲取各種類型的設備信息，實現不同階段信息獲取的及時性和準確性。

（1）故障識別階段。在電網產生故障的初期，電網故障診斷系統的首要任務為發現故障并發出故障簡報。為了能提高故障信息識別的準確性與有效性，需要對雷電定位信息與繼電保護設備信息進行統一故障特征值建模，實現電網故障信息在不同系統中的準確識別。同時依據建模方式，可逐步構建電網故障信息識別規則庫，實現不同應用系統對于電網故障信息識別的準確性和有效性。在這個過程中側重于電網故障信息的快速識別與實時發布。

（2）智能化分析階段。電網發生故障后，各種信息依據不同的傳輸通道和模式匯集到調控中心，電網故障診斷系統根據故障特征提取相關保護信息、雷電定位信息，根據多站、多系統的故障信息結合故障信息規則庫，確保故障報告的準確性與完整性。在這個過程中側重于從信息、事件處理的本質層面展開設備運行信息分析和診斷，形成多業務、綜合性的故障分析報告。

4 工程應用案例

某電廠送出系統接線如圖4 所示。以某日電廠A送出線路由于雷擊引起相繼跳閘的事故為例來說明本文電網故障診斷系統流程及有效性。

圖4 某電網電廠送出系統主接線

4.1 保護動作信息

（1）電廠A 繼電保護動作情況。當日16:44:32，線路1 發生C 相接地，18 ms 差動保護、距離I 段動作相繼動作；78 ms 線路1的C 相斷路器跳閘，故障切除。

約300 ms，線路1的C 相再次出現故障電流，差動保護動作，距離加速動作，386 ms時A、B 相開關相繼跳閘。968 ms 母差失靈保護動作（0.3 s 跳母聯，0.6 s跳失靈開關所在母線所有開關），同時發遠跳命令給線路3 保護，1020 ms 跳開正母上所有開關，包括線路3及2 臺發變組，C 相故障電流消失。

約1941 ms，線路2 發生B 相接地故障，1960 ms差動、距離I 段保護相繼動作，B 相故障跳閘，2820 ms重合于故障線路保護加速三跳。

（2）變電站B 繼電保護動作情況。當日16:44:32，220 kV 線路1 發生C 相故障，差動保護動作，C 相斷路器跳閘，50 ms時C 相故障電流消失，390 ms時收到對側遠跳信號，啟動三跳，不重合。988 ms 線路3 收到遠跳信號，開關三跳，未重合。1960 ms 線路2 B 相故障，重合不成三跳。

4.2 多源數據融合的故障分析

在故障發生后保信系統及時接收到電廠A、變電站B 子站系統上送的大量告警信息、保護動作信息、故障錄波等，并對上送的信息進行分類緩存。

（1）系統實時處理數據緩存區內的保護動作事件以及雷電定位系統依據預定規則發出的雷電定位信息，通過系統自建的電網故障規則庫精確識別出線路1、線路2 發生故障，并形成電網故障信息簡報，如表1、表2 所示。

表1 電廠A 故障信息

（2）系統根據保信系統數據實時統計故障時間、故障區域、涉及線路等相關特征數據，通過雷電定位系統提供的WebService 服務接口，從雷電系統中獲取故障區域內、故障前后600 s 內全部雷擊信息，進一步，通過特定的雷擊特征數據識別，確認線路1的4 號塔附近的雷擊信息如表3 所示。

（3）系統根據保信系統相關故障錄波信息進一步完善整個故障時相關一次、二次設備狀態、動作行為信息，故障錄波如圖5 所示。

表2 變電站B 故障信息

表3 雷電定位系統信息

圖5 繼電保護故障錄波

（4）基于故障診斷系統提供的相關一次、二次設備動作信息及雷電信息快速開展故障綜合分析。結合現場一次設備檢查，對故障原因分析如下。

①線路1的C 相絕緣子受雷電繞擊發生閃絡，導致C 相跳閘；在C 相開關等待重合的過程中遭受重復雷擊，由于雷電波在C 相開關斷口處形成全反射，導致C 相開關斷口絕緣擊穿，不能切除故障電流，通過失靈保護跳正母所有開關切除故障。

②線路1 開關損壞后，故障電流持續時間達798 ms，由于故障電流在線路地線上分流超過地線熱穩定容量，使線路2 地線斷裂掉落在線路2的B 相導線上形成永久性故障，導致線路2 三相跳閘。

在本次故障信息采集與分析過程中，電網故障診斷系統采用特征數據匹配的方式實現了線路1、線路2故障識別，在故障數據處理過程采用繼電保護信息與雷電定位信息橫向融合的方式將線路相關保護信息、雷電定位信息及錄波信息以增量的方式匯總到故障報告中，保證了電網故障報告中多業務系統數據的全面性與正確性，為故障分析處理提供了充分的信息支持。

5 結束語

電網故障診斷系統通過多種數據源對故障進行綜合診斷與分析，全面提升了應對電網故障的能力。本文提出利用雷電定位信息進行電網故障診斷的多數據源融合數據處理方法，首先對雷電定位信息、繼電保護故障信息進行故障特征值提取，利用數據映射技術獲取故障特征數據；依據特征數據進行跨系統故障信息檢索與匯總；最后基于多數據源進行相關區域電網故障信息的融合與綜合分析。通過電網實際故障案例，對其有效性和實用性進行了說明，為實現區域電網智能化調度奠定基礎。

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