劉兵

（國電科學(xué)技術(shù)研究院，武漢 430066）

基于現(xiàn)代仿真軟件的保護(hù)故障信息分析與處理

劉兵

（國電科學(xué)技術(shù)研究院，武漢 430066）

介紹了將現(xiàn)代仿真軟件MATLAB和PSCAD相結(jié)合，對(duì)基于COMTRADE格式的故障錄波文件進(jìn)行解析，獲取電力設(shè)備故障時(shí)繼電保護(hù)裝置記錄的原始數(shù)據(jù)的方法。利用該方法對(duì)繼電保護(hù)動(dòng)作進(jìn)行行為分析、故障再現(xiàn)、故障模擬和事故鑒定，是輔助解決實(shí)際問題的有效途徑。

故障錄波；行為分析；故障模擬；COMTRADE；MATLAB；PSCAD

0 引言

在電力設(shè)備事故分析中，故障錄波數(shù)據(jù)是進(jìn)行事故分析最為重要的原始信息。故障錄波數(shù)據(jù)文件采用的COMTRADE格式，是國際電工委員會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)電力系統(tǒng)暫態(tài)數(shù)據(jù)交換通用格式，國內(nèi)各微機(jī)保護(hù)和故障錄波裝置生產(chǎn)廠家的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式均遵循COMTRADE格式要求［1-2］。準(zhǔn)確運(yùn)用繼電保護(hù)和故障錄波裝置的錄波數(shù)據(jù)是繼電保護(hù)專業(yè)人員對(duì)繼電保護(hù)動(dòng)作行為分析、故障再現(xiàn)、故障模擬和事故責(zé)任鑒定等精準(zhǔn)分析的關(guān)鍵。

由于受到保護(hù)裝置內(nèi)存大小及知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的限制，保護(hù)裝置只對(duì)電壓、電流等基本變量進(jìn)行記錄，一些分析需要的中間變量如差動(dòng)電流、測(cè)量阻抗等難以在裝置中進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。本文利用現(xiàn)代仿真軟件將COMTRADE格式的故障錄波文件進(jìn)行解析，獲取電力設(shè)備故障分析所需的電壓、電流原始數(shù)據(jù)。讀取錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真模擬，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際故障錄波進(jìn)行對(duì)比分析可以確定：本文讀取錄波數(shù)據(jù)的方法正確，讀取的數(shù)據(jù)可信，分析結(jié)果符合故障特征。因此，基于現(xiàn)代仿真軟件的保護(hù)故障信息分析與處理，可充分利用仿真軟件成熟的算法和工具，高效、準(zhǔn)確地進(jìn)行事故分析計(jì)算，對(duì)保護(hù)裝置動(dòng)作行為分析、事故鑒定、保護(hù)軟件邏輯分析等具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 設(shè)計(jì)思想

本文利用MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力將故障錄波裝置或繼電保護(hù)裝置中保存的二進(jìn)制數(shù)據(jù)解析成便于分析的十進(jìn)制數(shù)據(jù)，利用PSCAD強(qiáng)大的圖形用戶界面和完善的電力系統(tǒng)分析元件庫完成原始數(shù)據(jù)在PSCAD界面中的各種邏輯分析、運(yùn)算和仿真，充分利用MATLAB和PSCAD的優(yōu)點(diǎn)，將它們有機(jī)結(jié)合，達(dá)到分析問題、解決問題的目的［3］。故障數(shù)據(jù)提取和故障分析流程如圖1所示。

圖1 故障數(shù)據(jù)提取和事故分析流程

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 故障數(shù)據(jù)提取

故障分析以繼電保護(hù)裝置記錄的標(biāo)準(zhǔn)COMTRADE格式文件作為數(shù)據(jù)源，利用現(xiàn)代仿真軟件對(duì)故障錄波文件進(jìn)行解析和錄波數(shù)據(jù)的提取。完整的COMTRADE格式錄波文件由4個(gè)二級(jí)文件構(gòu)成：頭文件（.HDR）、配置文件（.CFG）、數(shù)據(jù)文件（.DAT）和信息文件（.INF），其中頭文件和信息文件主要存儲(chǔ)錄波附加信息，對(duì)原始數(shù)據(jù)的提取不產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響，因此，本文主要圍繞配置文件和數(shù)據(jù)文件進(jìn)行故障原始數(shù)據(jù)的提取和分析。

（1）配置文件：記錄錄波裝置信息、各通道名稱與參數(shù)、各時(shí)段采樣速率、故障起始時(shí)刻、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式等數(shù)據(jù)。配置文件以文本格式存儲(chǔ)，利用textread命令將文件內(nèi)容讀入到MATLAB工作空間的臨時(shí)變量Temp中，供解析程序時(shí)使用。

（2）數(shù)據(jù)文件：按配置文件中規(guī)定的變量順序以二進(jìn)制格式記錄各模擬通道、數(shù)字通道數(shù)據(jù)。本文利用MATLAB編制的讀取二進(jìn)制文件的程序，將數(shù)據(jù)文件中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)解析成便于分析的十進(jìn)制數(shù)據(jù)［4］。

本文以一次500 kV線路C相瞬時(shí)性接地故障為例，對(duì)其故障錄波文件進(jìn)行解析。在本次故障中，錄波裝置共記錄65個(gè)通道，每通道記錄9 226個(gè)數(shù)據(jù)。由于篇幅有限，表1中列出的Ua，Ub，Uc數(shù)據(jù)均從數(shù)據(jù)文件中解析得出，數(shù)據(jù)編號(hào)為201～260，共60個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)。

2.2 故障數(shù)據(jù)分析

PSCAD是目前世界上廣泛采用的電力系統(tǒng)分析軟件，具有大規(guī)模的計(jì)算容量、完整準(zhǔn)確的元件模型庫、穩(wěn)定高效的計(jì)算內(nèi)核、友好的圖形用戶界面和良好的程序開放性等優(yōu)點(diǎn)。本文利用PSCAD軟件進(jìn)行分析，基本流程如下［5-6］：第1步，利用PSCAD軟件中數(shù)據(jù)讀取模塊讀取MATLAB工作空間中的原始數(shù)據(jù)；第2步，利用PSCAD豐富的元件庫搭建繼電保護(hù)裝置動(dòng)作邏輯模型；第3步，將第1步中讀取的故障原始數(shù)據(jù)輸入組建的邏輯模型中進(jìn)行故障模擬、動(dòng)作行為分析和事故鑒定等。數(shù)據(jù)處理和分析過程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理和分析過程

根據(jù)原始數(shù)據(jù)在PSCAD軟件的圖形界面中進(jìn)行分析，得出圖3～圖5所示的波形。

根據(jù)讀取的故障錄波數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)仿真曲線，可清晰地看出線路C相發(fā)生瞬時(shí)性接地故障時(shí)三相電壓、電流的瞬變情況，而且重合成功后線路恢復(fù)正常運(yùn)行。通過仿真軟件讀取數(shù)據(jù)與繼電保護(hù)裝置本身所記錄數(shù)據(jù)具有高度一致性，充分證明數(shù)據(jù)讀取正確、有效。

表1 原始數(shù)據(jù)解析

圖3 線路三相電壓曲線

圖4 線路三相電流曲線

圖5 線路三相電壓有效值曲線

圖6 故障相測(cè)量阻抗的變化軌跡

3 保護(hù)動(dòng)作行為分析

本文根據(jù)讀取的電壓、電流原始數(shù)據(jù)對(duì)繼電保護(hù)保護(hù)裝置中接地保護(hù)功能的動(dòng)作行為進(jìn)行分析（接地距離I段阻抗整定值為5.01Ω）［7］。在R-X阻抗平面圖上可以觀察測(cè)量阻抗的動(dòng)態(tài)變化過程，如圖6所示。

由圖6可以看出：線路發(fā)生C相單相瞬時(shí)性接地故障后，測(cè)量阻抗由動(dòng)作區(qū)外向動(dòng)作區(qū)內(nèi)快速變化，在故障未切除之前，測(cè)量阻抗一直保持在動(dòng)作區(qū)內(nèi)，故障切除后，測(cè)量阻抗快速由動(dòng)作區(qū)內(nèi)向動(dòng)作區(qū)外變化。阻抗軌跡變化過程與理論分析的結(jié)論高度吻合，同時(shí)，專業(yè)人員利用仿真數(shù)據(jù)對(duì)差動(dòng)電流等其他中間變量作進(jìn)一步分析，分析結(jié)果同樣證明了利用仿真軟件讀錄波信息進(jìn)行保護(hù)裝置動(dòng)作行為分析的可行性和正確性。

4 結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)了基于COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)格式的電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)的提取、故障再現(xiàn)、波形分析、特征量軌跡觀測(cè)等功能，充分利用了故障錄波器的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行故障的分析及再現(xiàn)，取得了良好的效果。

（1）將MATLAB仿真軟件與實(shí)際工作有機(jī)結(jié)合起來，通過保護(hù)裝置記錄的原始數(shù)據(jù)和故障錄波、遠(yuǎn)動(dòng)裝置的記錄數(shù)據(jù)比較，能有效判斷出保護(hù)裝置采樣情況，進(jìn)一步辨別裝置的運(yùn)行狀況。

（2）繼電保護(hù)裝置記錄的是原始電壓、電流量，而各種保護(hù)原理使用的中間變量是根據(jù)原始電壓、電流量計(jì)算得出，如差動(dòng)保護(hù)用的差動(dòng)電流和制動(dòng)電流、阻抗保護(hù)用的測(cè)量阻抗等，通過讀取原始數(shù)據(jù)，可以精確計(jì)算各保護(hù)功能實(shí)時(shí)的中間變量，結(jié)合保護(hù)動(dòng)作邏輯關(guān)系，從而對(duì)繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作行為和保護(hù)原理等進(jìn)行有效分析和準(zhǔn)確判斷。

（3）通過現(xiàn)代仿真軟件的應(yīng)用，可有效提高繼電保護(hù)專業(yè)人員的技能水平；同時(shí)，通過對(duì)故障進(jìn)行模擬、分析，為解決實(shí)際問題提供了一種有效的輔助分析方法。

［1］劉天斌，王永業(yè)，柳煥章.基于COMTRADE格式的故障分析管理系統(tǒng)［J］.繼電器，2001，29（11）：47-49.

［2］張杰，涂東明，張克元.基于COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)的故障錄波的分析與再現(xiàn)［J］.繼電器，2000，28（11）：20-22.

［3］董長虹，余嘯海.Matlab接口技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2004.

［4］吳天明，謝小竹，彭彬.MATLAB電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2004.

［5］鄭敏，黃華林，呂鵬.故障錄波數(shù)據(jù)通用分析與管理軟件的設(shè)計(jì)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2001，25（2）：75-76.

［6］烏云高娃.基于VB.Net的電力故障離線分析的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2004，25（5）：723-726.

［7］紀(jì)建偉.電力系統(tǒng)分析［M］.北京：中國水利水電出版社，2001.

（本文責(zé)編：白銀雷）

TM 773

：A

：1674-1951（2015）05-0024-03

劉兵（1979—），男，湖北咸豐人，工程師，工學(xué)碩士，從事繼電保護(hù)技術(shù)管理方面的工作（E-mail：dianqi3446＠163.com）。

2014-04-17；

2015-01-28