基于COMTRADE錄波數(shù)據(jù)的保護(hù)動(dòng)作特性研究

曹寶玉， 席自強(qiáng)

(湖北工業(yè)大學(xué)太陽(yáng)能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 武漢 430068)

基于COMTRADE錄波數(shù)據(jù)的保護(hù)動(dòng)作特性研究

曹寶玉， 席自強(qiáng)

(湖北工業(yè)大學(xué)太陽(yáng)能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 武漢 430068)

為提高故障錄波裝置提供的后臺(tái)軟件在波形分析、保護(hù)動(dòng)作特性判定等方面的算法精度，提出基于Visual C++編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的故障錄波數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)錄波數(shù)據(jù)的分析，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確進(jìn)行故障波形分析和保護(hù)動(dòng)作特性判定。

Visual C++； 故障錄波； COMTRADE； 保護(hù)動(dòng)作

隨著電力系統(tǒng)對(duì)供電可靠性和安全性的要求越來(lái)越高，故障錄波裝置得到了廣泛的應(yīng)用，已成為對(duì)電網(wǎng)故障和保護(hù)的動(dòng)作情況分析的數(shù)據(jù)來(lái)源，在系統(tǒng)運(yùn)行中具有極其重要的作用[1]。電力系統(tǒng)故障錄波裝置的主要任務(wù)是，記錄系統(tǒng)大擾動(dòng)如短路故障、系統(tǒng)振蕩、頻率崩潰、電壓崩潰等發(fā)生后的有關(guān)系統(tǒng)電參量的變化過(guò)程及繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置的動(dòng)作行為[2]。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)故障錄波分析軟件在故障檢測(cè)方式、故障分析功能、故障計(jì)算精度、軟件分析容錯(cuò)率等方面, 尚難以達(dá)到保護(hù)動(dòng)作特性分析特殊要求的缺陷[3-5]。

本文針對(duì)錄波裝置記錄的現(xiàn)場(chǎng)錄波數(shù)據(jù)，通過(guò)模擬變電站保護(hù)裝置的動(dòng)作特性，可視化地顯示、分析繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作過(guò)程，正確判定其動(dòng)作行為，為運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)事故分析、保護(hù)裝置不正確動(dòng)作原因分析、裝置運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估等提供實(shí)用工具，提高繼電保護(hù)裝置的正確動(dòng)作率和運(yùn)行質(zhì)量，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 錄波文件處理及故障波形分析

1.1COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)格式錄波文件特征

COMTRADE(Common format for transient data exchange for power systems) 提供了一個(gè)用于交換數(shù)據(jù)的易于解釋的格式，每個(gè)COMTRADE格式文件記錄一組至多四個(gè)與其相關(guān)的文件，這四個(gè)文件分別是頭標(biāo)文件(.HDR)、配置文件(.CFG)、數(shù)據(jù)文件(.DAT)和信息文件(.INF)。每一組中的所有文件必須有同樣的文件名，其區(qū)別只在于文件的擴(kuò)展類(lèi)型不同[6]。

圖 1 COMTRADE格式錄波文件構(gòu)成及其屬性

頭標(biāo)文件記錄著文件的整體敘述信息，供用戶(hù)更好地理解暫態(tài)記錄的情況；配置文件包含著正確讀取數(shù)據(jù)文件的必要信息，這些信息包括錄波數(shù)據(jù)采樣速率、通道數(shù)量、線(xiàn)路頻率、通道名稱(chēng)等；數(shù)據(jù)文件包含著表示被采樣的暫態(tài)事件的數(shù)據(jù)值，配置文件所定義的數(shù)據(jù)文件類(lèi)型(ft)規(guī)定了文件類(lèi)型，對(duì)于二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件組，ft為二進(jìn)制；對(duì)于ASCII 數(shù)據(jù)文件組，ft為ASCII；信息文提供關(guān)于記錄COMTRADE 文件的事件信息，以便處理和分析這些數(shù)據(jù)[7]。

1.2故障錄波數(shù)據(jù)讀取

考慮到錄波數(shù)據(jù)文件通常比較龐大，后臺(tái)程序要進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)讀取、數(shù)值計(jì)算及數(shù)據(jù)管理，因此構(gòu)造一個(gè)合理規(guī)范的程序框架才可以有效地提高程序的可讀性、運(yùn)算速度及容錯(cuò)率。本文采取采樣分段模式對(duì)采樣文件進(jìn)行存儲(chǔ)(即將采樣值分成多個(gè)采樣段)，本程序構(gòu)造自定義函數(shù)CmtdSegment實(shí)現(xiàn)提高錄波數(shù)據(jù)讀取效率、程序運(yùn)行安全性。由于COMTRADE 文件遵循固定的文本格式，其中配置文件以行為單位存儲(chǔ)信息，并通過(guò)逗號(hào)區(qū)分每行中的各種數(shù)據(jù)信息。因此，利用數(shù)據(jù)接口類(lèi)QIODevice中的實(shí)例方法ReadLine()可以獲取配置文件中每行的數(shù)據(jù)(圖2)。

圖 2 系統(tǒng)主界面

數(shù)據(jù)文件有兩種格式,即ASCII格式和BINARY格式,利用字符串類(lèi)QString提供的indexOf方法判斷數(shù)據(jù)文件中的文件類(lèi)型。若為ASCII格式則根據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)目確定配置文件中的采樣段描述是分段描述還是連續(xù)描述;統(tǒng)計(jì)各通道最大值,計(jì)算縮放因子；若為BINARY格式則需要根據(jù)通道數(shù)目計(jì)算數(shù)據(jù)單元長(zhǎng)度，因此文件中所有采樣規(guī)定的字節(jié)長(zhǎng)度：

blocksize=(Ak×2)+(Sm/16)+4+4

其中：Ak是模擬通道數(shù)量，Sm是狀態(tài)通道數(shù)量，兩個(gè)4分別指每個(gè)用于采樣數(shù)量和時(shí)間標(biāo)記的字節(jié)數(shù)量[8]。

根據(jù)故障錄波數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)及屬性特征，讀取錄波文件的主要屬性定義如下：

bool ReadCfgFile(); //讀CFG文件

bool ReadBinaryDatFile(); //讀BINARY數(shù)據(jù)文件

bool ReadAsciiDatFile();//讀ASCII數(shù)據(jù)文件

typedef struct _DATFILE_UNIT

{

int m_nSampIndex;

int m_nSampTime;

short m_nSampData[2048];

}tagDatUnit;//定義二進(jìn)制文件存儲(chǔ)單元

1.3故障錄波波形頁(yè)面實(shí)現(xiàn)

由于Qt4的窗口類(lèi)QWidget會(huì)自動(dòng)處理圖形閃爍的問(wèn)題，因此本文不考慮雙緩沖(Double Buffering)，這也是本系統(tǒng)采用基于Visual C++編程語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)平臺(tái)Qt4的重要原因。

為了更高效合理地利用讀取到的錄波數(shù)據(jù)文件，首先創(chuàng)建一個(gè)自定義類(lèi)CDrawManager，用于文件載入、圖形繪制管理等的調(diào)用，然后利用鏈表模版類(lèi)QList提供的迭代器iterator()從CDrawManager類(lèi)中尋找當(dāng)前所需數(shù)據(jù)通道。由于Qt4的二維圖形引擎是基于Qpainter類(lèi)的，因此可以通過(guò)QPainter類(lèi)實(shí)現(xiàn)繪制波形到指定區(qū)域，例如QWidget、QPixmap、QImage或者QSvgGenerator。本節(jié)具體的波形繪制在視圖類(lèi)QWidget的自定義構(gòu)造函數(shù)CDrawWave中實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程的主要代碼如下：

Void CDrawWave::paintEvent(QPaintEvent *event) //定制窗口部件

m_rectDraw = event->rect(); //定義一個(gè)矩形區(qū)域變量

QPixmap bmp(m_rectDraw.size()); //定義繪制波形區(qū)域

rectWave.adjust(e_nm_width,e_tm_height,-e_vec_width,0);//波形繪制區(qū)域調(diào)整

Corpora could be categorized along different dimensions of designation.Based on the sorting systemof Hunston(2002),Bonelli(2010)and McEnery et al(2006),corporacould begenerally classified in terms of range of data coverage,feature of time scope as well as language model involved.

painter.drawLine(rectWave.left()-1,rectWave.top(),rectWave.left()-1,rectWave.bottom());//連接相鄰采樣

2 保護(hù)動(dòng)作特性分析

故障錄波裝置數(shù)據(jù)分析主要是基于故障錄波文件所記錄的各種模擬信息、開(kāi)關(guān)狀態(tài)等特征量進(jìn)行計(jì)算,在這些計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上結(jié)合保護(hù)裝置動(dòng)作特性來(lái)推斷可能的故障位置、故障類(lèi)型及其它相關(guān)故障信息。故障分析方法主要采用電力系統(tǒng)暫態(tài)分析和數(shù)字信號(hào)處理等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)定量分析[9]。

為適應(yīng)不同變電站動(dòng)作特性分析的需求，本系統(tǒng)預(yù)設(shè)了有關(guān)參數(shù)的定值文件，以便根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定相關(guān)參數(shù)，定值文件參數(shù)主要包括電壓通道、電流通道、單獨(dú)通道、差流通道和變壓器裝置變比等。

2.1差流計(jì)算方法

內(nèi)部計(jì)算時(shí)，以高壓側(cè)二次值為基準(zhǔn)，其他各側(cè)折算到高壓側(cè)二次值；相位校正以Y側(cè)為基準(zhǔn)，對(duì)△側(cè)進(jìn)行相位校正，即Δ→Y。折算時(shí)，先對(duì)Y側(cè)進(jìn)行零序補(bǔ)償、然后，進(jìn)行相位校正和平衡補(bǔ)償[10]。本文以Y/Δ-11接法的變壓器進(jìn)行計(jì)算：

1)高壓側(cè)為Y型接法的零序補(bǔ)償

圖 3 三角形側(cè)的一次電流超前30度

3)平衡補(bǔ)償以高壓側(cè)二次電流不變?yōu)榛鶞?zhǔn)，平衡系數(shù)計(jì)算如下：

式中KPM、KPL分別為中壓側(cè)平衡系數(shù)和低壓側(cè)系數(shù)，KHc、KMc、KLc分別為主變高、中、低壓側(cè)電流互感器變比，UHe、UMe、ULe分別為高、中、低壓側(cè)額定電壓。

2.2保護(hù)動(dòng)作特性分析的實(shí)現(xiàn)

2.2.1距離保護(hù)實(shí)際應(yīng)用中，以測(cè)量阻抗為基礎(chǔ)的距離保護(hù)動(dòng)作特性主要采用多邊形特性。具體多邊形的角度整定一般取值如圖4所示(其中tan15°=1/4,tan7°=1/8,tan60°≈3/5)。

多邊形特性中Ract可以自由調(diào)整線(xiàn)路承受過(guò)渡電阻的能力和避越長(zhǎng)線(xiàn)路負(fù)荷阻抗的能力，選擇合適的多邊形上側(cè)的下傾角可提高區(qū)外經(jīng)過(guò)渡電阻故障時(shí)預(yù)防穩(wěn)態(tài)越限的能力。另外，在振蕩期間，還可以通過(guò)自適應(yīng)減小Ract的值來(lái)降低系統(tǒng)振蕩對(duì)保護(hù)的影響。

圖 4 距離保護(hù)動(dòng)作特性

2.2.2母線(xiàn)電流差動(dòng)保護(hù)對(duì)于母線(xiàn)每相的差動(dòng)判據(jù)，其差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作量和制動(dòng)量分別為

(1)

Iop≤Ires

因此，母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)為

(2)

式中：Iop為差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作量；Iact.min為差動(dòng)保護(hù)的最小動(dòng)作電流；Kres為比率制動(dòng)系數(shù)。

由式(2)所示的動(dòng)作判據(jù)方程可知:母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)特性曲線(xiàn)如圖5所示。當(dāng)任一相的差動(dòng)判據(jù)滿(mǎn)足式(2)時(shí)，即位于圖5中陰影部分內(nèi)，母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)可動(dòng)作于出口跳閘。當(dāng)各支路電流相位都相同時(shí)，式(1)中的動(dòng)作量最大，等于制動(dòng)量，如圖5中的與橫軸成45°的斜線(xiàn)，這是動(dòng)作區(qū)上面的邊界。

圖 5 母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)特性曲線(xiàn)

由圖5可見(jiàn)，母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作范圍與最小動(dòng)作電流整定值Iact.min及制動(dòng)系數(shù)Kres有關(guān)。這種比率制動(dòng)特性母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)的Iact.min值，應(yīng)可靠躲過(guò)正常工況下差動(dòng)保護(hù)的最大不平衡電流，及任一電流互感器TA二次側(cè)斷線(xiàn)時(shí)由于負(fù)載電流引起的最大差流。工程上，一般取0.4IN≤Iact.min≤0.5IN。比率制動(dòng)系數(shù)Kres按可以安全躲過(guò)區(qū)外故障產(chǎn)生的最大不平衡電流來(lái)整定，以保證內(nèi)部故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)靈敏度的可靠性,通常其值可取0.3≤Kres≤0.7。

3 結(jié)論

以往二次側(cè)回路檢測(cè)基于設(shè)備的故障信息簡(jiǎn)報(bào)，當(dāng)故障發(fā)生后，二次設(shè)備向后臺(tái)監(jiān)控設(shè)備發(fā)送故障簡(jiǎn)報(bào)。用戶(hù)通過(guò)后臺(tái)監(jiān)控軟件接受簡(jiǎn)報(bào)后，再逐一檢查設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合設(shè)備圖紙及變電站電纜圖紙，通過(guò)人工分析確定故障點(diǎn)。本系統(tǒng)創(chuàng)新性地采取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，結(jié)合故障模型，采用計(jì)算機(jī)分析的方式準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)的位置，通過(guò)直觀(guān)的可視化二次系統(tǒng)圖形給出故障點(diǎn)和故障類(lèi)別，并實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置的特性分析，進(jìn)一步提高了電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性。

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[責(zé)任編校：張巖芳]

ResearchonProtectionActionCharacteristicsBasedonCOMTRADERecordingData

CAO Baoyu，XI Ziqiang

(HubeiCollaborativeInnovationCenterforHigh-efficiencyUtilizationofSolarEnergy,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

In order to improve the algorithm accuracy of the background software provided by the fault recorder in waveform analysis and protection action characteristics, this paper presents a fault recorder data analysis system based on the Visual C + + programming language. Through the analysis of the recorded data, the system can accurately analyze the fault waveform and determine the protection action characteristic.

Visual C++; fault recorder; COMTRADE; protection characteristic

2016-08-29

曹寶玉(1988-)， 男， 湖北大冶人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化

1003-4684(2017)05-0096-04

TM77

A