500 kV 變電站二次綜合自動化設備故障錄波測距系統

姚 江，柏東輝

（廣東電網有限責任公司 東莞供電局，東莞 523000）

500 kV 變電站二次綜合自動化設備是一種弱電設備，其抗過電壓和抗過電流的能力比較差，尤其是雷擊過電壓的暫態沖擊，會導致變電站二次綜合自動化設備嚴重損壞[1-2]。二次綜合自動化設備故障錄波測距可以發現因各類元素引發的暫態故障[3]，精準評估故障位置，是增強電網安全運行的核心技術。實現高質量故障錄波測距，是現階段電力領域學者們研究的重要內容。

文獻[4]關于對稱短路故障，利用系統電流電壓計算故障點電壓，創建混合線路故障測距函數，通過二分法等求解故障點，實現故障測距任務；文獻[5]面向柔性直流線路，利用行波測距技術計算故障位置測距，通過小波重構識別波頭數據。在直流線路產生故障時，快速有效檢測故障方位，增強輸電可靠性。

基于上述分析，提出一種500 kV 變電站二次綜合自動化設備故障錄波測距系統。通過故障錄波器、電平變換隔離器等搭建系統硬件，使用數據管理、文件續傳、波形分析等模塊組建系統軟件，代入最小二乘法同步時間數據，完成高精度故障錄波測距工作。

1 500 kV 變電站二次綜合自動化設備故障錄波測距系統設計方案

1.1 系統結構

所建系統依照實際需求被劃分成數據采集、數據管理與分析2 個單元。數據采集單元為系統硬件，采集現場不同故障錄波器得到的真實錄波信息[6]；數據管理與分析單元為系統軟件，通過數據管理、文件續傳2 項功能存儲故障數據，憑借故障錄波信息與真實故障二次綜合自動化設備物理參數之間的相對管理，完成保護動作評價、波形分析、故障測距等任務，輸出故障分析結果。系統全局結構如圖1 所示。

圖1 500 kV 變電站二次綜合自動化設備故障錄波測距系統結構Fig.1 Structure of fault recording and ranging system for secondary integrated automation equipment of 500 kV substation

1.2 系統硬件

故障錄波器可進行數據采集、錄波開啟評估、錄波文件打包和通信等工作，故障錄波器和工作站之間使用以太網通信技術。故障錄波測距系統硬件包含通信遠傳、電平變換隔離和信號采集處理3 部分。

通信遠傳為文件傳輸通道，故障錄波數據能給變電站提供故障前后模擬量與開關量數據[7]，通信遠傳共涵蓋3 種模式：后臺機利用串口直接與故障錄波器相連；后臺機使用Modem 撥號連接故障錄波器；后臺機和故障錄波器在以太網中連接，運用光電轉換技術把故障錄波器連接到NS416 直流供電交換機，然后上傳到后臺機。

信號采集是硬件核心部分，硬件板卡組成如圖2 所示。背板是一種連接6 種硬件功能板塊的自定義總線母板，主板將隨機存取存儲器作為核心，幫助芯片進行系統管理與通信[8]。采集板選用高速數據采集卡，此卡擁有4 路高速并行機制，供應最高128 KB/通道的采樣容量與多類轉換觸發模式，通過現場可編程邏輯門陣列完成數據采樣控制與時間同步控制，采集板中的雙接口隨機存取存儲器能在循環緩沖區域存儲錄波信息，完成錄波開啟評估。

圖2 信號收集處理硬件板卡構造Fig.2 Structure of signal collection and processing hardware board

模擬量輸入板能完成對36 路模擬量的調節，同步采樣保證不遺漏任何故障數據。開關量輸入板可實現對變電站電路開關的隔離和調節[9]。告警輸出板在采集到異常發電數據時，會向控制中心傳遞警告信號。高頻直流板可調節并保護高頻信號與直流信號，然后將其傳遞至模擬量輸入板進行采樣。

1.3 系統軟件

數據管理與分析單元可按照故障設備或通道智能過濾錄波文件，產生僅涵蓋故障設備的錄波數據，使用采樣點繪制、序分量運算等功能在故障錄波信息內提取故障初始時間、故障類型、故障類別等情況[10]，生成最終的故障錄波測距報告。

1.3.1 數據管理

數據管理包含遠傳數據管理、轉換數據管理、統一查詢等功能。遠傳數據管理是將遠傳獲取的數據按照型號分別存儲在同一目錄不同文件夾[11]，以避免各參數之間的不匹配；轉換數據管理是將所有轉換信息單獨儲存在一個文件夾內統一命名，原始資料與轉換資料分開存儲；統一查詢可查找文件列表并顯示細節資料，并設定場站名稱、錄波時間等關鍵字。

1.3.2 文件續傳

若后臺機查找指定名稱故障錄波文件時，會顯示4 個召喚文件，打包4 個文件，分幀多次上傳至后臺機。上傳時把文件劃分為多個，在每幀中均標注數據在全部文件數據中的初始方位。假如傳輸時產生丟幀等失誤，后臺就不能拼接出完整文件，系統會自主檢測是否需要繼續上傳，如果繼續上傳，則在之前的基礎上繼續傳輸，也可使用斷點續傳策略，提升數據傳輸效率，節約數據上傳時間。

1.3.3 波形分析

波形分析使用非同步因數修正策略，展現二次綜合自動化設備與設備相對母線的波形，涵蓋設備的向量、功率、頻率等信息。當前多數故障波形分析采用離散傅里葉變換方法進行運算[12]，波形內的有效值、頻率等數值均由離散傅里葉變換方法計算得出，計算過程為

式中：f 表示故障波形頻率；fs是采樣頻率；A 表示波形同步度；n 表示各周期采樣點。

1.3.4 保護動作評價

針對變電站實際運行情況，保護動作分析中配備了抗阻分析、功率位置評估、差流評估、頻率滑差等不同保護動作分析功能。以抗阻分析為例，此分析案例中包含四邊形、五邊形、六邊形等多種動作特征，系統會憑借挑選的故障類型和設備參數，推算抗阻值，判斷是否產生電流保護動作，并將數據顯示于錄波圖中。

1.3.5 基于最小二乘法的故障錄波測距

假設變電站二次綜合自動化設備全部換位，設備包含B、D 兩個端，故障產生在B 端的c 處，依次對電壓電流信號采取對稱分量轉換與傅里葉變換[13]，得到如下電路方程：

式中：k 為正、負序位；UBc、UDc依次是從B、D 兩個端至故障點的序電壓；UBk、UDk、IBk、IDk依次是B、D 兩個端的序電壓和電流；φk、Rk依次為設備的傳播常數與波阻抗。

設定兩端數據相對基波相量的相角偏差是γ，則故障點電壓序分量之間的關聯為

式中：e 表示分量指數。

運用故障后正、負序電路方程和故障前的冗余數據[14]，創建以下方程組：

式中：UB、UD、IB、ID依次為故障前設備B、D 端的電壓、電流正序分量。

為方便計算，把式（4）中的φ1、Rk轉換成［0，1］區間的5 個偏差參數g0、g1、g2、g3、g4，得到：

式中：ζ1、ζ2是設備傳播系數；W1、W2是波阻抗真實值的實虛部。

利用最小二乘法對設備兩端進行求解。統計變電站二次綜合自動化設備首末兩端的錄波數據，記作：

式中：E表示首端電氣量矩陣；H是末端電氣量矩陣；x 是兩端電氣量不同步角。

利用最小二乘法可得到關系式：

式中：t 表示迭代次數。

將x 擬作已知量推算誤差矩陣p：

修正原始首端電氣量矩陣E，得到：

評估矩陣P是否貼合誤差需求，若不符合則利用式（9）獲取全新電流矩陣。反復執行上述操作，直到矩陣P滿足需求。

同步故障錄波數據時間后，更新當前變電站二次綜合自動化設備[15]兩端的電壓與電流：

式中：σ 為波速；t1、t2為電流波從電路兩端抵達母線的時間。

2 系統性能分析

利用MATLAB 平臺進行實驗分析，實驗指標為吞吐量、應答延時、CPU 利用率、測距精度。與文獻[4]雙端非同步法和文獻[5]優化小波重構法進行指標對比，實驗數據集為某市變電站2022 年5 月的二次綜合自動化設備信息。

設定共進行80 次實驗，以每10 次實驗的吞吐量均值為對比值，分別對3 種方法進行故障錄波測距吞吐量檢測，結果如圖3 所示。

圖3 故障錄波測距吞吐量對比Fig.3 Comparison of fault recording and ranging throughput

從圖3 可知，所提方法在全部實驗周期內的數據吞吐量均處于領先位置，具備明顯計算優勢，雙端非同步法和優化小波重構法在數據傳輸方面存在一定不足，這是因為二者在計算時沒有完備的數據管理機制，無法在復雜環境下進行高效率數據采集與分析。

沿用上個實驗環境，綜合比較3 種方法在故障錄波檢測過程中的應答延時，檢測結果如圖4 所示。觀察圖4 看出，所提方法能很好地降低測距任務應答延遲時間，伴隨實驗數量持續增加，其應答延時時間要遠小于2 個文獻方法，證明所提方法在處理故障錄波數據時的連接效率較高，在較短時間內完成測距計算。

圖4 故障錄波測距應答延時對比Fig.4 Comparison of fault recording and ranging response delay

對比3 種方法CPU 在故障錄波測距中的使用情況，結果如圖5 所示。由圖5 可知，2 個文獻方法因數據任務較多致使資源負載較重，CPU 利用率均在80%以上，對網絡性能造成較大損害。所提方法CPU 利用率始終保持在60%左右，充分調動系統資源，讓系統處于負載均衡狀態，可靠性更強。

圖5 故障錄波測距CPU 利用率對比Fig.5 Comparison of CPU utilization of fault recorder and ranging

相對誤差表示檢測結果的絕對誤差和真實值的比值，以百分數形式表達，更真實地呈現檢測結果可信程度，計算公式為

式中：δ 表示相對誤差；η 表示絕對誤差；V 為真實值。

故障錄波測距相對誤差實驗結果如圖6 所示。可以看到，所提方法測距相對誤差最小，優化小波重構法次之，雙端非同步法測距誤差最大，證明了所建系統的準確性與穩定性。

圖6 故障錄波測距相對誤差對比Fig.6 Comparison of relative error of fault recording and ranging

3 結語

以最小二乘法為原理，創建一個500 kV 變電站二次綜合自動化設備故障錄波測距系統。所建系統具備全新硬件平臺，擁有優秀的數據管理能力與吞吐性能，提升故障錄波數據記錄可靠性，在系統軟件中引入最小二乘法完成故障錄波數據時間同步，降低測距結果偏差，為變電站穩定運行提供扎實基礎，在輔助技術人員二次綜合自動化設備維護方面起到巨大作用。