基于差動原理的故障錄波診斷技術研究

0故障診斷模型建立的背景隨著電網連接的加強，網絡結構更加合理，供電能力得到了有效提高，但由于不利天氣的影響，局部電網故障可能導致的事故范圍擴大的可能性也顯著提高。同時,電網在發生故障時產生的信息量大大增加,客觀上會增加電網運行人員判斷事故性質、處理故障以及恢復供電所需的時間。近年來,國內外許多學者采用Petri網、粗糙集、基于多源信息的貝葉斯網、基于信息融合事件關聯技術等方法進行電網故障診斷[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12],但所需故障信息較多且判據較為復雜,距實際應用還有一定距離。許多診斷模型需要事先建立,例如:基于貝葉斯網絡、Petri網模型的構建是故障前的運行方式,對連鎖性故障模型不再適用;利用元件故障、保護動作、斷路器跳閘之間的延時約束特性時,采用的保護動作時間配合關系固定、單一,當出現復故障時,這一約束特性將不再成立,對于一些復雜故障有可能得不到明確的診斷結果;利用故障信息漏報的信息量較少的情況下采用的置信區間設定,對于保護/斷路器基本正常動作,信號也正常的簡單故障,置信區間取較大的值時可以得到理想的結果,但對于存在保護/斷路器拒動或誤動、信號漏報或誤報等復雜情況可能得到錯誤診斷結果。本文基于廣域故障錄波信息采用站內設備統一建模映射、采樣頻率歸一化、錄波器采樣同步等先進技術,解決了故障錄波器采樣頻率不同、數據同步難等關鍵問題,并利用差動原理進行故障診斷,實現了僅利用故障錄波數據進行差流計算準確定位故障區域和評價保護動作行為,并在接線圖上自動推送診斷結果。電網發生故障尤其是短時間內發生多間隔同時跳閘的危急電網事件時,無論常規變電站還是智能變電站,運行人員均可采用此方案直觀判斷故障性質,準確定位故障區域,為事故處理提供急需的決策支持。1自動關聯映射本文提出的基于廣域故障錄波信息的差流計算分區如圖1所示。可以看出其差流計算區域劃分分別與各間隔差動主保護范圍相吻合,因此可以準確定位故障位置并分析保護動作行為。利用全站電流互感器(TA)統一標識建模技術,故障錄波通道與接線圖一次設備可自動關聯映射,電網故障時,各間隔的故障電流、區域差流計算值可在站內圖上實時直觀顯示,廣域故障錄波系統差流計算及差動主保護動作情況對照如附錄A圖A1所示。基于廣域差流信息的故障診斷具體流程如圖2所示。電網故障時一次系統的運行狀況由安裝在各自變電站內的故障錄波器以高采樣頻率記錄下來及時上送到調度端,通過頻率統一、采樣同步及對應于一次系統的TA建模,將一次系統的電流量在同一時標界面,以輸變電設備為劃分區域分別計算相應差流(制動電流也同時計算),正常時用于系統運行監視,故障時作為故障診斷及故障設備定位的有效工具,為調度員提供在線監測及故障性質判斷,以便快速恢復送電。基于廣域故障錄波信息的調度端架構及其具體配置界面見附錄A圖A2和圖A3。2基于廣域差流的故障診斷關鍵2.1基于故障點的采樣擬合電網故障錄波器裝置啟動值低(相對于保護啟動值),可以長時間、高頻率、全過程完整記錄一次系統的各種擾動。利用高靈敏度啟動值,經過頻率歸一化、采樣同步算法處理,實現廣域內不同故障錄波器的故障數據采樣頻率相同、采樣同步。本方案采用插值法把不同采樣頻率統一為同一采樣頻率,對沒有采樣點的波形數據進行包絡線方式壓縮顯示,同時錄波數據中只記錄有效值的壓縮存儲部分,進行相應處理。插值變換方法如下。1)采用拉格朗日插值變換,相同采樣頻率的輸入信號使用同一組插值系數。2)拉格朗日插值系數獨立計算,以便多通道插值共用。3)按擬合偏移系數fc計算拉格朗日插值系數,偏移系數定義如下:式中:fs為系統的數據采樣頻率;ff為系統的數據擬合頻率。4)定義采樣點的差值位移x,其中0≤x≤1。5)根據擬合偏移系數fc的值域逐點調整差值位移x;選取最接近于采樣點的數據點進行擬合,使擬合結果更加精確。廣域網內不同故障錄波器裝置存在時鐘誤差,導致錄波數據不能根據采樣絕對時刻實現采樣同步。本方案的解決方法是找到各個錄波數據中發生故障的突變點,把這個點作為各個錄波數據的對齊點。1)從故障錄波數據第n個周期(一般n=3,4,…)開始,依次計算第n個周期與第n-2個周期有效值的差值是否大于故障突變定值,初步判斷突變點:式中:n=3,4,…;Sn,Sn-2分別表示故障錄波數據第n個、第n-2個周期的有效值;Vset為故障突變定值。2)對滿足以上條件的采樣點進一步計算突變率是否滿足下式:式中:yi(n-1)表示滿足式(2)的第n-1個周期中第i個(i=1,2,…)采樣點和第i+1個采樣點采樣值的差值;yi(n-2)表示滿足式(2)的第n-2個周期中第i個(i=1,2,…)采樣點和第i+1個采樣點采樣值的差值。若第n-1個周期中所有采樣點均不滿足式(3),繼續從第n個周期第1個采樣點開始計算搜尋,直至搜尋到某一采樣點同時滿足式(2)和式(3)則該采樣點即為電網故障發生時刻,進而利用故障突變點實現不同錄波器采樣數據同步。附錄A圖A4說明了以此原理同步的來自故障線路兩側不同步的錄波信息,同步后則可以實現兩端不同錄波器的故障波形在同一時標下顯示。2.2故障錄波器設置繼電保護基礎數據平臺是全網一次、二次設備的數據庫,包含一次設備連接情況及二次保護配置情況。故障錄波系統也是基于一次系統采樣的分布式系統,基于錄波器的TA建模只需將設備關聯的基礎數據平臺中設備TA進行一一對應的配置,即可完成從錄波通道到一次設備電流采樣的對應關系,通過TA統一標識建模這一關鍵環節,將兩個系統協調起來,故障錄波通道與基礎數據中TA配置可自動映射,電網故障時,各間隔的故障電流、區域差流計算值可在接線圖上實時直觀顯示。附錄A圖A5為故障錄波器通道配置后站內TA對應的故障錄波器電流極性的定義界面。由附錄A圖A6可以直觀看出,正常運行時系統潮流正常,各差流計算分區無越限,故障類型為母線故障,可明顯看出母線差流計算值越限。3線路設備組成的差流值計算采用2.1節中所述故障錄波采樣頻率歸一化及同步技術,安裝在全網不同變電站(包括常規變電站和智能變電站)內的故障錄波器故障數據采樣頻率相同,采樣數據同步,為接下來進行間隔設備、區域設備的差流計算提供了前提。電網正常運行時,以固定時間間隔自動召喚故障錄波采樣并進行以輸變電設備為單元的相電流差動值計算,確保電網正常運行時差流值近似為零。電網發生故障時,根據故障錄波器上送的故障數據,分別以電網獨立設備為計算單元,進行電網一次電流的差流計算;將差流值與差流整定值比較,實現準確故障位置定位及保護動作行為評價。母線、線路、變壓器等不同類型電網設備的差流計算方法如下。1)線路設備2)母線設備各支路TA的極性端必須一致,均以靠近母線側為正方向;母聯一般只有一側安裝TA,本系統可通過配置自動調整母聯TA的極性與I母上的支路一致。以I1·,I2·,…,In·,表示各支路電流;以I·ML表示母聯電流;以S11,S12,…,S1n表示各支路Ⅰ母刀閘位置(取0表示刀閘分,1表示刀閘合);以S21,S22,…,S2n表示各支路Ⅱ母刀閘位置;以SML表示母線并列運行狀態(取0表示分列運行,1表示并列運行)。大差回路是除母聯開關以外的母線上所有其余支路電流所構成的差動回路;某段母線小差回路是與該母線相連接的各支路電流構成的差動回路,其中包括了與該段母線相關聯的母聯開關。計算大差電流:計算Ⅰ母小差電流:計算Ⅱ母小差電流:3)變壓器設備變壓器差動電流的計算方法見附錄A圖A7及相關公式。各設備的差流越限值整定為電網最大運行方式時因負荷不平衡、TA誤差等因素導致可能出現的最大差流值,如果差流計算值大于對應設備的差流越限值,通過調度主站遠程調整故障錄波器接入間隔通道名稱、TA極性及變比系數,或者現場檢查故障錄波器是否已全部接入參與差流計算的設備及電流回路是否存在多點接地問題并及時進行消缺,保證電網正常運行時所有輸變電設備的差流計算值均接近于零。電網發生故障后,分別計算線路、母線和變壓器等相關輸變電設備的差流值,通過差流值準確辨識電網故障區域,典型應用情景如下。1)線路/主變間隔及該線路所連接的母線同時跳閘。若線路/主變和母線的差流值均越限,則故障發生在線路/主變保護TA繞組與該間隔接入母線保護TA繞組的范圍交叉區,故障點在線路/主變,拉開母線刀閘后即可恢復母線供電。若線路/主變差流值越限,母線差流無越限,則故障區域為線路/主變,母線設備無故障,母線保護動作行為異常,可立即恢復母線供電。2)一站母線跳閘,相鄰一站主變跳閘。若主變差流值越限,母線差流值無越限,則故障區域為主變設備,母線設備無故障,母線保護動作行為異常,可立即恢復母線供電。4由垂直權利的失誤認別確定線路無故障案例1:某地區雷雨天氣,A站220kV母差保護動作,220kV母聯200A斷路器、本側Ⅱ線213斷路器跳閘;對側B站Ⅱ線213斷路器跳閘。故障分析時,可自主選擇差流計算的相關區域、差動算法啟動值及比率差動元件動作特性曲線。從附錄A圖A8可明顯看出,本次故障時母線差流計算值落在動作區內,可準確判斷母線發生A相接地轉換為A,C兩相接地故障;線路無故障,母差動作后發遠跳命令跳開線路對側開關。案例2:某地區雷雨天氣,電網發生故障,220kVⅢ線兩側C相斷路器跳閘,65ms后該線路連接的運行母線跳閘,運行于此母線的所有出線及主變、母聯等間隔斷路器均三相跳閘后未重合。利用上述方案,將故障后及時上送至調度端的故障錄波數據進行綜合處理,進而分別計算母線單元和跳閘線路間隔的差流。由差流計算結果(見附錄A圖A9)可直觀看出,線路C相差流越限,制動電流較小;而母線單元差流接近于零,其制動電流遠大于動作越限報警值,不在母線保護動作區。因此,可準確判定此次電網故障為線路發生區內C相接地故障;母線為區外故障,母線保護異常動作導致該母線所有運行間隔無故障跳閘。各間隔故障電流值和差流計算值見附錄A表A1、表A2。5fc的計算工況本文建立了基于廣域故障錄波信息的調度端電網故障診斷系統,采用站內設備統一建模映射、采樣頻率歸一化、錄波器采樣同步等技術,電網正常運行狀態時以固定時間間隔召喚所有故障錄波器的實時電流采樣值并計算各站母線、主變及線路單元差流,其計算值應接近于零,保證電網內每一個間隔的電流極性、變比均正確。電網故障時僅利用故障錄波信息即可進行相關區域故障電流的差流計算,并將各間隔故障電流、故障位置及診斷結果在站內圖上統一直觀展示,為事故處理提供急需的決策支持。該