侯廣松，高軍，徐珂，張欣

（國網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司，山東菏澤274000）

·經(jīng)驗(yàn)交流·

故障數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

侯廣松，高軍，徐珂，張欣

（國網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司，山東菏澤274000）

故障錄波數(shù)據(jù)是電力系統(tǒng)故障分析和保護(hù)動(dòng)作判斷的重要依據(jù)。針對目前故障錄波裝置數(shù)據(jù)分析非具體化、微機(jī)保護(hù)裝置動(dòng)作過程非可視化的現(xiàn)狀，提出一種故障數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)。通過將仿真數(shù)據(jù)或故障錄波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為COMTRADE格式的標(biāo)準(zhǔn)文件后輸入系統(tǒng)，然后對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和預(yù)處理，模擬具體保護(hù)裝置中各類保護(hù)模塊的動(dòng)作邏輯并進(jìn)行分析。該系統(tǒng)能對不同故障條件下保護(hù)裝置的動(dòng)作特性，以及同一故障下不同保護(hù)元件的動(dòng)作特性進(jìn)行分析比較，可以深入了解微機(jī)保護(hù)裝置的運(yùn)行特點(diǎn)，分析評價(jià)實(shí)際保護(hù)裝置的性能。

故障錄波數(shù)據(jù)；COMTRADE；保護(hù)動(dòng)作分析

0 引言

故障錄波裝置實(shí)時(shí)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）及發(fā)生大擾動(dòng)后引起的系統(tǒng)電壓、電流及導(dǎo)出量（如系統(tǒng)有功功率、無功功率及系統(tǒng)頻率）變化的全過程，可以實(shí)時(shí)顯示波形圖，實(shí)現(xiàn)故障記錄分析、電能質(zhì)量監(jiān)測、順序事件記錄、故障測距等功能，為繼電保護(hù)的動(dòng)作特性分析提供有力證據(jù)［1］?，F(xiàn)有的故障錄波分析系統(tǒng)在故障特征量分析方面功能強(qiáng)大，但在利用錄波數(shù)據(jù)對保護(hù)動(dòng)作情況進(jìn)行分析、評判等方面不夠充分，沒有充分利用含豐富故障信息的故障錄波數(shù)據(jù)。運(yùn)行人員根據(jù)故障錄波圖、保護(hù)裝置事件記錄和故障報(bào)文等信息進(jìn)行基于人工和經(jīng)驗(yàn)的事故分析，難以滿足繼電保護(hù)特性分析的特殊要求，無法對保護(hù)裝置的各元件的特性和動(dòng)作情況進(jìn)行深入分析動(dòng)作情況［2-3］。

微機(jī)保護(hù)裝置在對某次故障完成響應(yīng)后，反應(yīng)保護(hù)動(dòng)作過程和計(jì)算結(jié)果的信息量很少，且從故障發(fā)生到保護(hù)動(dòng)作整段時(shí)間內(nèi)保護(hù)裝置的處理過程不可見［4］，在這個(gè)過程中裝置內(nèi)部的數(shù)據(jù)是如何處理的無法得知。在實(shí)際分析保護(hù)裝置動(dòng)作情況時(shí)，如果把保護(hù)從啟動(dòng)開始到完成整個(gè)過程中的計(jì)算判據(jù)和邏輯流程以直觀的可視化的方式進(jìn)行處理，將會(huì)大大提高分析的效率［5-6］。

設(shè)計(jì)一套故障數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，包含數(shù)字濾波、保護(hù)元件動(dòng)作特性分析、保護(hù)邏輯分析等功能，以圖形、曲線、數(shù)據(jù)等可視化的形式再現(xiàn)繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作過程和動(dòng)作邏輯，分析不同故障下微機(jī)保護(hù)裝置的動(dòng)作特性，幫助運(yùn)行人員直觀的了解保護(hù)動(dòng)作過程，為分析繼電保護(hù)裝置性能提供輔助手段。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

根據(jù)微機(jī)保護(hù)裝置的特點(diǎn)及對其動(dòng)作特性進(jìn)行分析的一般要求，基于以下需求來設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

1）能夠識(shí)別不同類型的故障錄波數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)源具有良好的兼容性。

2）能夠?qū)崿F(xiàn)各種特性的數(shù)字濾波功能，允許用戶定義濾波器特性參數(shù)。

3）能夠完成各種電氣量、故障分量的提取和計(jì)算功能，以數(shù)據(jù)、圖形和曲線等形式對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化展示。

4）能夠執(zhí)行各種繼電保護(hù)算法，支持用戶自定義保護(hù)特性和動(dòng)作定值，以圖形、曲線的方式顯示保護(hù)算法的計(jì)算結(jié)果。

5）支持動(dòng)態(tài)保護(hù)邏輯圖，運(yùn)行用戶對保護(hù)邏輯圖進(jìn)行修改和定義。

6）能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬微機(jī)保護(hù)裝置功能，允許用戶對虛擬微機(jī)保護(hù)裝置的功能和動(dòng)作特性進(jìn)行定義。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)選用Access關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，以Microsoft Visual C++為工具進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、故障信息分析處理模塊、數(shù)據(jù)庫模塊和保護(hù)裝置動(dòng)作行為分析處理模塊組成。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的作用是將來自不同數(shù)據(jù)源的各種類型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IEEE COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)格式［7-9］，提高該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)兼容性能，解決不同裝置和系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享問題。

故障信息分析處理模塊作用是完成數(shù)據(jù)濾波及電氣量的計(jì)算功能。數(shù)字濾波模塊以常用的數(shù)字濾波器為主，通過用戶自定義濾波參數(shù)，對基本的數(shù)字濾波器進(jìn)行組合等方法完成不同的數(shù)字濾波功能。進(jìn)行故障發(fā)生前后的電壓電流幅值和相位的計(jì)算；直流分量和各次諧波的提取和計(jì)算；序分量的計(jì)算；故障分量的提取和計(jì)算。

數(shù)據(jù)庫模塊主要是用來存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)和各種中間數(shù)據(jù)、虛擬微機(jī)保護(hù)裝置涉及的保護(hù)定值、運(yùn)行方式控制字、裝置參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)等重要數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)庫的讀寫實(shí)現(xiàn)對各種保護(hù)參數(shù)的讀取與修改。

保護(hù)裝置動(dòng)作行為分析處理模塊包括保護(hù)元件動(dòng)作特性分析以及顯示整組保護(hù)邏輯圖。根據(jù)保護(hù)元件的動(dòng)作方程做出其動(dòng)作特性圖，根據(jù)測量參數(shù)的變化軌跡能夠觀察到故障期間測量參數(shù)相對于特性曲線的變化規(guī)律，距離保護(hù)動(dòng)作邊界的裕度，這樣用戶不僅能夠知道保護(hù)是否動(dòng)作而且能夠獲得對于區(qū)內(nèi)故障保護(hù)靈敏度是否足夠、區(qū)外故障保護(hù)是否可靠等信息。

2 系統(tǒng)主要功能設(shè)計(jì)與開發(fā)

系統(tǒng)覆蓋了從數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換到保護(hù)動(dòng)作邏輯執(zhí)行整個(gè)過程，涉及諸多功能模塊，限于篇幅，只介紹數(shù)字濾波器、保護(hù)元件、保護(hù)動(dòng)作邏輯3個(gè)主要功能的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

2.1 數(shù)字濾波

數(shù)字濾波模塊包括差分濾波、加法濾波、積分濾波和50 Hz正余弦濾波功能［10］。數(shù)字濾波器的輸入是經(jīng)轉(zhuǎn)換后的COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)格式的故障錄波數(shù)據(jù)文件，用戶可進(jìn)行錄波器傳遞函數(shù)的自定義，得到相應(yīng)的濾波輸出。濾波后的數(shù)據(jù)不僅能以曲線的形式展現(xiàn)出來，還能以數(shù)據(jù)文件的形式存儲(chǔ)。

以積分濾波器為例，其濾波方程為

式中：x（n）為n時(shí)刻濾波器的輸入；x（n-k）為前k時(shí)刻的輸入；y（n）為n時(shí)刻濾波器的輸出。

積分濾波器的傳遞函數(shù)定義界面如圖2所示，用戶可以修改數(shù)據(jù)窗寬度，得到相應(yīng)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線。

2.2 保護(hù)元件

系統(tǒng)從微機(jī)保護(hù)裝置中的基本保護(hù)功能入手，開發(fā)了一系列保護(hù)元件，包括反應(yīng)工頻變化量的保護(hù)啟動(dòng)元件、相間及零序過流元件、方向元件、基于工頻變化量和正序極化電壓的距離元件、電流差動(dòng)元件及縱聯(lián)比較元件等。用戶可以修改保護(hù)整定值，定義各保護(hù)元件的動(dòng)作特性，系統(tǒng)可自動(dòng)對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，做出測量電氣量軌跡與保護(hù)動(dòng)作特性曲線，完成對保護(hù)元件動(dòng)作特性的分析評估。通過具體保護(hù)元件的分析界面，用戶可直觀的看出故障發(fā)生后，保護(hù)元件的動(dòng)作全過程。

圖2 積分濾波幅頻、相頻特性

以接地距離I段保護(hù)元件為例，系統(tǒng)中采用比相式的動(dòng)作判據(jù)［11］，動(dòng)作特性包含兩部分：一部分是正序電壓極化的方向繼電器，另一部分是為了克服超越而選用的零序電抗繼電器。

在正序電壓極化的方向阻抗繼電器中，工作電壓為

極化電壓為

動(dòng)作方程為

式中：Uφ、Iφ代表相電壓、相電流；U1φ為正序電壓；θ1是方向阻抗特性向I象限偏移的角度，增強(qiáng)抗過渡電阻的能力。

在零序電抗繼電器中，工作電壓為

極化電壓為

動(dòng)作方程為

式中：ZD為模擬阻抗。

圖3為接地距離I段保護(hù)元件分析圖。圖3（a）為正序極化電壓繼電器和零序電抗繼電器的動(dòng)作方程計(jì)算結(jié)果及距離繼電器的動(dòng)作情況，可以看出保護(hù)元件是否動(dòng)作及動(dòng)作時(shí)間。圖3（b）為A、B、C三相的測量阻抗軌跡圖，可直觀的看出故障發(fā)生前后測量阻抗的變化軌跡。

圖3 區(qū)內(nèi)故障時(shí)I段接地距離分析

2.3 保護(hù)整組動(dòng)作邏輯

保護(hù)元件與各種判斷條件、延時(shí)環(huán)節(jié)等進(jìn)行邏輯運(yùn)算，構(gòu)成保護(hù)整組動(dòng)作邏輯，能夠反映保護(hù)裝置的動(dòng)作行為。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)并開發(fā)了包括縱聯(lián)方向比較保護(hù)邏輯、電流差動(dòng)保護(hù)邏輯、距離保護(hù)邏輯和零序保護(hù)邏輯等在內(nèi)的較為完善的保護(hù)整組動(dòng)作邏輯，能夠客觀、真實(shí)再現(xiàn)保護(hù)裝置的邏輯判斷過程。

圖4為距離保護(hù)動(dòng)作邏輯圖。對于有輸出的各保護(hù)模塊，可以點(diǎn)擊查看具體的曲線圖及動(dòng)作特性。以區(qū)內(nèi)A相接地故障錄波數(shù)據(jù)為輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行故障數(shù)據(jù)分析處理。故障后，距離保護(hù)中應(yīng)該動(dòng)作的元件包括保護(hù)啟動(dòng)元件、接地距離元件、過流元件等。由圖4可看出距離保護(hù)邏輯框圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段接地距離元件、不對稱故障開放元件、振蕩過流元件、保護(hù)啟動(dòng)元件均有輸出，經(jīng)過一定的邏輯的關(guān)系后，保護(hù)動(dòng)作出口的是振蕩閉鎖開放，距離Ⅰ段動(dòng)作，與實(shí)際動(dòng)作情況一致。

圖4 距離保護(hù)動(dòng)作邏輯分析界面

3 算例分析

圖5為220 kV輸電系統(tǒng)，發(fā)生區(qū)內(nèi)A相接地故障，以線路兩端的故障錄波數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，對縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)元件、故障方向元件及Ⅰ段接地距離元件的動(dòng)作特性進(jìn)行分析，同時(shí)分析電流差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作邏輯。

圖5 發(fā)生區(qū)內(nèi)故障的雙端電源供電系統(tǒng)

圖6 A相差動(dòng)元件分析界面

圖6為A相差動(dòng)元件動(dòng)作軌跡圖。圖中曲線分別為A相差動(dòng)電流與制動(dòng)電流變化軌跡圖，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示電流幅值。由圖可看出發(fā)生故障發(fā)生后差動(dòng)電流和制動(dòng)電流的大小及變化規(guī)律，差動(dòng)電流明顯大于制動(dòng)電流，差流保護(hù)元件動(dòng)作。

圖7 正向故障方向元件動(dòng)作軌跡圖

圖7為正、反方向元件動(dòng)作軌跡圖，可看出故障發(fā)生后正方向元件的測量相角接近180°，正方向元件可靠動(dòng)作；而反方向元件的測量相角接近0°，反方向元件不動(dòng)作，與設(shè)定的正向故障是一致的。

圖8 Ⅰ段接地距離元件分析界面

圖8是Ⅰ段接地距離元件動(dòng)作軌跡圖，可看出故障發(fā)生后只有A相的計(jì)算結(jié)果在動(dòng)作范圍［-90°，90°］以內(nèi)，其它兩相的計(jì)算結(jié)果均在動(dòng)作范圍以外，可判斷出是A相故障。

圖9 電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作邏輯分析界面

由以上3個(gè)元件的分析可知，故障發(fā)生后，差動(dòng)元件、方向元件及Ⅰ段接地距離元件均動(dòng)作，并且差動(dòng)元件和接地距離元件可判斷出是A相接地故障。動(dòng)作特性及動(dòng)作結(jié)果與實(shí)際仿真曲線相一致。

圖9為電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作邏輯分析界面，通過圖9可看出保護(hù)啟動(dòng)元件、差動(dòng)保護(hù)投入元件，A相差動(dòng)元件、零序差動(dòng)元件及選相元件均動(dòng)作，經(jīng)過一定的邏輯關(guān)系后，保護(hù)出口是A相差動(dòng)動(dòng)作，并且向?qū)?cè)發(fā)差動(dòng)動(dòng)作允許信號(hào)，與實(shí)際動(dòng)作情況一致。

4 結(jié)語

開發(fā)一套故障數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)對故障信息進(jìn)行深層次挖掘與分析，以可視化的形式展現(xiàn)保護(hù)元件的動(dòng)作特性。該系統(tǒng)可模擬具體保護(hù)裝置原理，將故障計(jì)算、中間結(jié)果、判斷結(jié)果和動(dòng)作邏輯均顯示出來，有利于對現(xiàn)場事故進(jìn)行分析，提高繼電保護(hù)動(dòng)作的準(zhǔn)確性，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

［1］郭振華，江亞群，楊帥雄，等.故障錄波器后臺(tái)分析軟件關(guān)鍵問題研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（19）：73-78.

［2］劉哲，張東英.基于故障錄波數(shù)據(jù)的電網(wǎng)故障診斷方法分析及改進(jìn)［J］.內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2013，31（2）：16-22.

［3］溫敏明.電力系統(tǒng)故障分析方法探究［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2013（4）：122-123.

［4］羅維康.繼電保護(hù)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)［D］.長沙：中南大學(xué)，2012.

［5］謝志迅，滿振梅.微機(jī)保護(hù)裝置虛擬平臺(tái)技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35（3）：59-61.

［6］江衛(wèi)良，郝后堂，李先波.微機(jī)保護(hù)動(dòng)作過程可視化分析技術(shù)的實(shí)現(xiàn)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28（14）：89-92.

［7］IEEE Standard Common Format for Transient Data Exchange（COMTRADE）for Power Systems IEEE Std C37.111-1991.

［8］IEEE Standard Common Format for Transient Data Exchange（COMTRADE）for Power Systems IEEE Std C37.111-1999.

［9］桂勛.面向IEEECOMTRADE格式的海量錄波數(shù)據(jù)并行壓縮／解壓算法［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2013，33（5）：136-143.

［10］楊奇遜，黃少鋒.微機(jī)型繼電保護(hù)基礎(chǔ)［M］.北京：中國電力出版社，第三版，2007.

［11］張保會(huì)，尹項(xiàng)根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)［M］.北京：中國電力出版社，2009.

Design and Development of Fault Data Analysis and Process System

The power fault recording data are the significant basis of fault analysis and protection action judgment in a power system.In view of the problems of current fault recorder data were not analyzed in detail，microcomputer protective device working process non-visual，a scheme of fault data analyzing and processing system is proposed.After different types of recorded fault data and simulation data transformed into standard COMTRADE format file，we input them to system，filter and pretreatment，imitate and analyze the actual protection equipment kinds of modules operation characteristic.This system can make analysis and comparisons of operation characteristics of protection devices under different fault conditions and operation characteristics of different protection components or devices under the same fault conditions，which provide a powerful tool for the deep understanding in the operation characteristics of microcomputer protection device and the protection device performance evaluation.

fault recording data；COMTRADE；protection action analysis

TM711

：A

：1007-9904（2014）05-0033-06

2014-07-17

侯廣松（1974—），男，高級工程師，從事電網(wǎng)分析及管理工作；

高軍（1972—），女，高級工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度管理工作；

徐珂（1973—），女，工程師，從事信息管理與軟件開發(fā)工作；

張欣（1987—），男，工程師，從事電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行工作。