智能變電站故障分析輔助系統設計

智能變電站故障分析輔助系統設計

朱強鄭經榮王璇

(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210061)

摘要：根據目前智能化站配置的SCADA系統和保護子站系統，結合IEC61850模型中保護LN功能節點分解配置的特點，提出一種將保護功能LN、錄波通道與一次設備配置關聯建模，并綜合該模型和這兩套系統采集的信息，依據故障專家推理系統得到故障結論的變電站故障分析輔助系統的設計思想。

關鍵詞：IEC61850模型；故障分析；SCADA系統；保信子站；錄波分析

收稿日期：2015-07-14

作者簡介：朱強(1979—)，男，江蘇南京人，工程師，研究方向：電力自動化、通訊技術。

0引言

當電網發生一次故障時，保護裝置會生成大量的動作事件、擾動數據、故障參數等信息，如何準確、有效地將3類信息綜合分析、匯總為一次故障的信息，并生成統一的故障報告，是故障信息系統面臨的首要難題[1]。IEC61850標準定義了變電站配置語言SCL，該語言用于對變電站系統進行完備的描述，并通過配置器對設備進行配置[2]，由該語言配置的SCD文件可以描述變電站自動化系統的各電子設備功能配置情況。SCD文件中保護設備的IED模型包含有各種保護功能LN的定義，而錄波暫態comtrade數據文件中有錄波通道的定義，本文提出了一種將這些保護功能LN和錄波通道與被保護的一次設備關聯建模，并由此構建一套變電站故障分析輔助系統的思路，該系統具備輔助站內值班人員在站端發生設備故障跳閘情況下匯總SCADA系統信息、錄波設備信息、保護設備信息進行事故分析的功能。

1目前故障分析系統的構成

目前的電網故障信息系統由廠站端的子站、通信傳輸網絡以及各級電網調度中心(主站)組成。子站是一個信息采集中心，采集數字式保護和錄波器的信息，完成不同設備的規約轉換，并實現與主站的信息交互，子站本身不具備站內故障分析功能，只是作為一個網關，將站內保護信息和錄波器信息匯總統一格式，發送到各級主站。這樣配置在主站端的故障分析系統優點是能結合電網拓撲情況進行故障分析，分析結果相對可靠，但系統也存在以下缺點：

(1) 站內繼電保護故障時，一般都伴隨著斷路器位置變化的信號和斷路器機構的信號，由于故障子站系統只接收站內數字式保護和錄波器的信息，不接收SCADA系統的開關位置信息，進行故障分析難免會有錯誤和不準確的情況。

(2) 站內單獨配置的子站系統，目前大多數只能對站內保護信息進行匯總上傳，部分子站能按照事先配置的策略進行信息的篩選過濾和預分析，但所有子站并不具備獨立的分析能力，這樣如果站內發生事故，站內的運行人員就無法從這套系統得到站內故障分析的結果，從而也就影響了第一現場的故障處理效率。

(3) 對于智能變電站，全站的通訊已經統一于IEC61850規約，全站SCD模型文件當中已包含所有二次設備信息，SCADA系統已經具備采集全站保護、錄波信息的能力。

綜合以上分析，我們提出在當前變電站監控系統(SCADA)基礎上配置一套故障分析輔助系統，這套系統具備常規保信子站系統的一切數據采集轉發功能，還能夠結合站內故障時保護、錄波、硬接點、在線監測等信息進行故障原因綜合分析判斷并得到故障的分析報告，報告提供故障時的保護、變位、錄波等全方位詳細信息，同時也支持存儲、調閱、遠傳功能。

2故障分析輔助系統的主要組成部分

2.1分析模型組態模塊

由于變電站故障分析的結論最終是體現在一次設備上的，故障時的信息都是作為輔助手段來確定該一次設備的故障情況，這樣故障分析系統最基本的模型為一次設備模型，一次設備故障判斷依據可以來自多套保護裝置的信息，如線路可以有兩套保護裝置，每套保護裝置分別設有主保護功能如光差、距離一二段，后備保護功能如距離三段、零序三段等，同時該線路保護還可以來源于其他一次設備的保護如主變保護的遠后備功能，一次設備和各保護裝置的關聯已經弱化，關聯主要在分解的LN保護功能上進行，同時設備還需要和錄波(集中、分散)中的對應通道關聯，以便在分析判斷故障時調取該時段對應的測量暫態數據情況作為輔助判斷。綜上所述，我們進行了下列分析系統初始模型定義：

(1) 定義一次設備模型。基于站內的一次設備進行定義，提供分析基礎設備信息。

(2) 定義保護功能模型。該模型按照IEC61850定義的LN保護功能原理類別進行定義。

(3) 定義保護通道模型。該模型按照通道采集的模擬量類別定義。

分析系統組態模塊的主要功能是將站內的一次設備模型、保護模塊模型、錄波通道模型進行關聯，同時定義該設備主要故障類型的推理知識庫，組態模塊是實現抽象模型完整定義并且實例化的工具，它根據變電站實際配置的一次設備、保護裝置、錄波器情況，配置故障分析系統需要的信息，并定義各模型之間的連接關系，實現各個模型的動態組合并形成一個完整的變電站內故障分析系統模型，為下面故障分析判斷、故障定位提供分析基礎。

2.2故障分析推理模塊

該模塊結合SCADA系統開關的變位信號、保護動作信號、保護定值、錄波文件等信息，進行故障情況的推理演算，推理依據預先已定義的故障系統分析模型，對一次設備可能發生的故障類型進行事件匹配情況分析，特別是對保護動作出口情況、保護定值設置、保護壓板投退、錄波波形等進行同一時段的對比分析及保護的動作行為分析(拒動、誤動的合理性判斷)，其中涉及保護動作原理部分計算考慮到不同廠家的裝置實現有差別但是基本原理一致的特點，進行統一原理模型化處理，后期再由不同的模塊來實現不同廠家保護原理到統一模型的歸一化處理。該部分的判斷結果結合設備故障特征的專家知識庫模型與錄波暫態數據，能夠達到快速推理定位出故障元件的目的。

2.3故障結論展示模塊

故障結論展示模塊可以對故障推理的結果進行匯總展示，它包含3個部分：

2.3.1故障推理結論的報表展示

該功能主要通過報表展示的方式，展示系統推理分析出的故障結論，展示的內容既有按時間順序羅列出的故障發生時刻的SOE記錄、開關變位記錄、保護動作記錄、錄波記錄等信息，也可以列出故障前后站內指定模擬量的變化情況、故障設備的具體參數等可能有用的輔助信息。

2.3.2故障相關波形展示

該功能依據故障結論，通過對全站的故障發生點時間前后波形變化情況進行的庫記錄，集中匯總篩選各保護裝置的保護波形信息，同時還可以選擇指定保護裝置的通道或錄波器通道，匯總展示對應通道的錄波波形變化情況，并可以進一步對錄波波形進行深入分析，如阻抗分析、功率方向判別、差流分析等多種保護行為的分析功能。

2.3.3故障結論的存儲、調用及遠傳功能

該功能能夠將系統分析的結論存為二進制文件，并存入數據庫，這樣當以后有使用者需要查看某時間段故障時，可以直接調取該結論文件進行查看，該二進制文件具備轉換功能，以便生成各種其他格式文件供調度或各不同應用需求用戶調用。

3故障分析推理方法選擇與模型設計

故障診斷推理及定位技術，從本質上來說是一個從異常信號辨別故障類型、故障發生點的模式識別技術，它在電網故障分析診斷方面的應用已經有很多成熟的經驗，總的來說分為3個種類：

(1) 基于解析模型的方法，例如狀態估計法、等價空間法等。

(2) 基于對信號的處理方法，例如自回歸滑動平均法、小波變換法等。

(3) 基于知識庫的診斷方法，例如專家系統法，神經網絡法等。

結合專家系統和模糊推理技術進行故障診斷的方法，在一定程度上改善了保護故障診斷系統對保護和斷路器拒動、誤動產生的容錯性。基于產生式規則的系統，即把保護、斷路器的動作邏輯以及運行人員的診斷經驗用規則表示出來，形成故障診斷專家系統的知識庫[3]，根據告警信息、波形信息、保護信息結合專家知識庫模型進行推理，獲得故障診斷的結論。我們認為采用這種目前較為成熟的故障分析系統的方案并加以完善用于變電站故障的推理可行性是比較高的。

3.1中性點直接接地系統的故障分析

以110 kV線路為例，文獻[4]列舉了該電壓等級的線路保護配置一般是三段式距離保護和零序保護，它們采用分段式保護原理，Ⅰ段一般不帶時限，保護線路全長80%～90%，Ⅱ段帶較小延時，保護全長及下一段線路20%～30%，它們構成全線路的主保護；Ⅲ段稱為定時限保護，帶較長時限，保護本線路及下一段線路全長，為線路的近后備保護。

下面以線路A相單相接地故障為例進行分析：如110 kV線路的主保護動作，則故障應該為本線路范圍內的單相接地，該故障構成元素如圖1所示；若故障線路的近后備保護動作，則故障可能為本線路故障(如斷路器拒動或經高阻抗接地)，構成元素如圖2、圖3所示；若故障線路的遠后備保護動作，這種是故障線路主保護未跳開，遠后備保護越級跳閘情況，構成元素如圖4所示。

錄波A相電壓電流波形數據突變,零序波形產生設備主保護動作(接地短路)保護跳閘遙信動作(主保護)

圖1　主保護事件元素構成

圖2　后備保護事件1元素構成

圖3　后備保護事件2元素構成

圖4后備保護事件3元素構成

3.2中性點不直接接地系統的故障分析

錄波A相電壓電流波形數據突變,零序波形產生錄波B/C相電壓電流波形數據突變設備主保護動作(接地短路)保護遙信跳閘動作(主保護)

圖5主保護事件元素構成

綜上分析，故障的產生必然伴隨著各種構成元素，從這些元素來進行歸類可分為錄波元素、保護元素兩大種類，故障分析專家系統模型應由這兩大類元素按照邏輯關系構成(可考慮元素的時序關系)，推理程序將該線路設備的關聯保護、關聯錄波信息按照上述元素進行匹配判斷，結合推理模型得出故障結論(若存在多種故障結論可匹配，可按匹配情況擬合度排列，取擬合度高的故障結論)。專家系統模型根據設備類型、故障類型定義圖6結構。

圖6　故障類型元素結構定義

4系統流程框圖及模塊說明

系統流程框圖如圖7所示。

圖7　系統流程框圖

4.1保護事件檢索模塊

保護事件檢索模塊可以查找指定時間段的SOE事件、保護事件、開關動作信號等故障信息，該模塊提供查詢接口給推理程序，用于推理程序定位故障設備。

4.2推理系統配置模塊

通過站內數據庫、scd模型、comtrade文件得到一次設備、保護設備、錄波通道的模型信息，由用戶通過配置關聯，建立起這些相關模型的邏輯關聯關系。

4.3推理專家系統模塊

專家模型模塊采用xml的語言格式設計定義了一種模型文件，該模型定義了錄波和保護兩大類推理元素以及它們的信息和行為，這些信息和行為可根據實際推理需要擴展，元素自由組合這些信息和行為來組成不同的故障推理模型。

4.4保護原理判斷模塊

該模塊對保護元素的動作情況，結合保護定值、保護錄波波形數據進行判斷，確定該保護動作的正確性，該模塊可以調取波形文件讀取的接口調取波形信息，通過故障推理系統配置模塊調取保護的定值信息。

4.5故障報告展示模塊

推理程序得到的故障結論應該有一定的格式供故障報告程序展示，報告需要包括故障發生時間、故障設備、故障類型、故障相別、故障測距、開關變位、SOE、重合閘情況等。在該展示界面上可以調取故障時間段相關的保護錄波波形、保護定值、事件記錄列表進行查看。

4.6波形展示分析模塊

故障波形文件的讀取和展示模塊，可根據產生的故障暫態數據comtrade文件(.hdr、.dat、.cfg)生成可展示的波形，并能提供相關接口調取某個保護或錄波器某個時間段的波形值，以便供推理程序或其他模塊使用。

5結語

該系統的主要應用場合是變電站的事故后輔助分析，對于故障分析時間段的選擇可以采用人工輸入方式或根據時間段故障暫態數據文件的范圍劃定時間窗的方式來確定，一旦確定時間段啟動分析，系統將會收集SCADA、保護、暫態波形信息等定位故障設備，最后得到故障報告，用于提供給站內處理事故的人員，使他們能夠更直觀迅速地得到事故的相關過程信息，作出故障原因分析和結果判斷，提高事故處理的工作效率。

[參考文獻]

[1]陳春，王業平，崔毅敏，等.電網故障信息系統中的故障分析與判斷[J].電力系統自動化，2011，35(19)：97-100.

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[3]王家林，夏立，吳正國，等.電力系統故障診斷研究現狀與展望[J].電力系統保護與控制，2010，38(18)：210-216.

[4]余耀權.一起110 kV線路故障引起主變后備保護動作的原因分析[J].電力系統保護與控制，2009，37(2):93-95.