電力系統繼電保護及故障檢測方法分析

杜伊

（寧夏超高壓電力工程有限公司，寧夏 銀川750011）

1 電力系統繼電保護和故障檢測功能

電力系統繼電保護和故障檢測作用如下：第一是在被保護元件、設備產生故障問題后，繼電保護裝置便會有選擇、迅速、準確、自動地朝故障元件接近斷路器發出相應的跳閘切斷命令，促進其快速和電力系統脫離開來，進一步降低對于安全供電和電力系統破壞的影響，同時在無故障支持下，盡快恢復正常運行。第二是能夠對電力系統運行狀態進行實時監控，對電網保護設備以及錄波設備等二次裝置進行實時監測與有效控制，保障電力系統穩定運行。第三是能夠針對電力系統中的異常運行狀態和故障問題進行有效檢測，準確判斷故障的發生區域和以及故障性質。第四是可以結合電力系統內的各種異常現象進行有效提示，電氣設備產生運行故障條件下，聯系設備實際運行維護條件以及相關異常現象進行有效的信號提升，從而警示相關值班人員針對設備中的缺陷故障問題進行及時有效的檢修處理。確保無人值班條件下，繼電保護裝置能夠進行自動化調整處理，或選擇性切除某些存在安全隱患的電氣裝置。電力系統相關繼電保護需要具備良好的可靠性、靈敏性、選擇性、速動性，如此才能促進電力系統實現正常穩定發展，激發繼電保護裝置自身的維護功能[2]。

2 小電流接地系統為基礎的故障檢測

2.1 結合空間電磁場分析單相接地故障

在小電流接地系統產生單相接地故障問題后，接地點非故障支路、后向支路、前向支路相關零序電壓以及電流會呈現出不同特征，而對應線路周圍磁場和電場分布也會產生不同變化，所以可以借助磁場和零序電場對接地故障點進行合理探測。

第一，針對小電流接地系統實施穩態分析，結合圖1 仿真模型作為典型直線π 型10 千伏配電線路，可以代表故障支路和正常支路五種配電線支路，實施故障點探測，把實驗和設定所得故障支路參數Ⅱ、正常支路Ⅰ、系統參數以及故障參數實施穩態分析，最終得到故障穩態條件下配電系統中不同支路零序容性電流和零序功率特征，即故障支路故障后向零序容性電流和零序電壓相比落后π/2，對應零序容性功率數值為正數。非故障支路前向零序電容性電流和零序電壓相比超前π/2，對應零序容性功率是負數。故障支路前向零序容性電流和零序電壓相比，超前π/2，對應零序容性功率結果是負數。

圖1 小電流接地系統模型

圖2 電磁場檢測電路相關檢測原理

第二，配電線路相關磁場分析和電場分析，在小電流接地系統的穩態分析基礎上，在不考慮線路和負載之間的互感影響元素背景下，針對配電線路附近電磁場實施仿真接地探測，具體如圖2 所示，能夠獲得三相電流和電壓構成的磁場、電場以及零序電流、零序電壓所形成的磁場和電廠擁有替代性結論，將五次諧波電壓電流的磁場和電場當成檢測信號，針對故障點進行合理定位與檢測，能夠進一步證明空間電磁場對于故障點和故障支路的探測可行性。

2.2 故障接地相和故障支路識別方法

在小電流接地系統產生單相接地故障后，便會形成涵蓋多樣故障特征突出暫態過程。通過針對小電流接地系統創建數學模型，能夠對故障形成的前數個周波暫態信號波形進行合理仿真，從而對系統不同支路負荷電流所形成瞬時波形畸變進行準確檢測，隨后針對接地故障出現時電流暫態信號實施小波分解，能夠獲得健全支路和故障支路三相電流能量時譜，最終獲得故障出現后，一周之內的波內能量積分小波能量接地選線判斷依據。在負荷電流內對故障頻帶特征進行直接分析，對瞬時特征進行直接提取，便能夠在不影響系統穩定運行下，對故障接地相和故障支路進行準確識別判斷。除此之外，融合專家系統、模糊識別、神經網絡等先進技術，可以有效應用到某些工況較為復雜，存在較大分散性的配電網內，實施系統故障檢測，能夠幫助小電流接地優化選線水平，準確進行故障定位[3]。

小電流接地系統在出現單相接地故障后，會產生某種暫態過程，特別是暫態接地電容電流，該過程內涵蓋明顯故障特征，在從前分析過程中，容易忽略相關特征，而小波理論誕生為故障選線提供便利。本節針對小電流接地系統創建了相應的數學模型，通過仿真獲得故障出現前數個周波暫態信號波形，通過針對接地故障對應時刻信號實施小波分解，最終得到以小波能量為基礎的接地選相選線判據，而小電流接地模型具體如圖3所示：

圖3 小電流接地模型

經過系列仿真結果能夠發現，在產生接地問題后，盡管不會對系統運行產生任何影響，但系統各個支路負荷電流瞬時形成波形畸變。針對故障后首周波信號實施傅里葉轉化，信號頻率于23 赫茲左右頻譜出現細小峰值。結合小波轉化提取頻率成分，能夠針對故障特征進行準確識別。

3 分析系統故障檢測和繼電保護

3.1 綜合故障分析系統

相關分析系統可以幫助調度人員快速獲取準確、精細化的故障位置、保護動作狀況、開關跳閘、簡要故障信息，從而助力快速提出系統恢復決策，同時還可以為相關專業繼電保護技術人員提供各種有效的參考信息，包括不同保護裝置故障中的詳細行為動作、故障分量對保護裝置的威脅影響以及故障中的電壓和電流變化等專業信息。系統可以促進就地站保護和故障錄波器時鐘之間實現同步操作，同時還可以幫助站內實現自動化監控提供基礎參考信息，借助故障錄波器以及地站保護針對相關數據信息實施智能化處理，促進不同設備彼此數據傳輸順利實踐規約轉換，充分滿足不同工作對象現實需求。還可以借助雙端故障測距優化測距準確性，可以為MIS 系統提供相應的數據交換和數據接口，保證系統數據傳輸的靈活性。

3.2 繼電保護和故障檢測

綜合故障分析系統的故障檢測和繼電保護主要可以分為以下幾點內容：

第一是網絡化故障檢測和繼電保護，微機保護裝置實現網絡化發展，能夠支持電力系統針對繼電保護中關鍵設備各環節保護裝置實施縱聯串聯和差動保護，主站負責進行統一管理，提供數據傳輸、處理等通信服務。能夠聯系繼電保護裝置相關電氣量，針對故障位置進行快速判斷和檢測，掌握故障參數、形成原因、性質以及具體位置等信息，朝相關保護裝置傳輸命令，將其中故障元件進行快速切除，降低故障覆蓋范圍。

第二是自適應控制下的繼電保護和故障檢測。自適應繼電保護可以針對電力系統運行中所形成的故障特征和運行方式變化進行實時檢測，同時能夠聯系具體變化對保護特性、定值和保護性能進行自動化改變，從而更好適應電力系統所出現的不同變化，有效改善輸電線路距離保護、變壓器保護、發電機保護、自動重合閘以及變壓器保護等系統保護性能和系統響應。

第三是人工神經網絡下的故障檢測和繼電保護，人工神經網絡相關繼電保護以及故障檢測主要是以生物神經科學為基礎誕生的。人工神經網絡進行故障檢測主要是以生物神經系統為基礎，借助模糊邏輯、遺傳算法、進化規劃相關智能化技術手段，針對電力系統進行合理保護。結合其自適應、自學習、自組織以及并行處理、模式識別功能和分布式信息存儲等特征，借助人工神經網絡針對故障距離、故障類型進行準確判斷，從明確主設備保護以及相應的保護方向。比如借助BP 模型針對方向保護進行準確判斷，從而對故障所處方向進行準確、快速判斷，做好高壓輸電線路相關方向保護工作。

結束語

綜上所述，電力系統的穩定安全運行關系到整個城市的正常生活。為此電力企業需要不斷強化機電波保護，合理進行故障檢測。為了進一步優化故障檢測質量，應該促進故障檢測方法的全面創新，促進繼電保護和電力系統朝著網絡化、智能化和自動化方向發展，保證電力系統的運行可靠性和穩定性。