智能變電站故障分析輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱強(qiáng)鄭經(jīng)榮王璇

(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210061)

摘要：根據(jù)目前智能化站配置的SCADA系統(tǒng)和保護(hù)子站系統(tǒng)，結(jié)合IEC61850模型中保護(hù)LN功能節(jié)點(diǎn)分解配置的特點(diǎn)，提出一種將保護(hù)功能LN、錄波通道與一次設(shè)備配置關(guān)聯(lián)建模，并綜合該模型和這兩套系統(tǒng)采集的信息，依據(jù)故障專家推理系統(tǒng)得到故障結(jié)論的變電站故障分析輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。

關(guān)鍵詞：IEC61850模型；故障分析；SCADA系統(tǒng)；保信子站；錄波分析

收稿日期：2015-07-14

作者簡介：朱強(qiáng)(1979—)，男，江蘇南京人，工程師，研究方向：電力自動(dòng)化、通訊技術(shù)。

0引言

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生一次故障時(shí)，保護(hù)裝置會(huì)生成大量的動(dòng)作事件、擾動(dòng)數(shù)據(jù)、故障參數(shù)等信息，如何準(zhǔn)確、有效地將3類信息綜合分析、匯總為一次故障的信息，并生成統(tǒng)一的故障報(bào)告，是故障信息系統(tǒng)面臨的首要難題[1]。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)定義了變電站配置語言SCL，該語言用于對(duì)變電站系統(tǒng)進(jìn)行完備的描述，并通過配置器對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置[2]，由該語言配置的SCD文件可以描述變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的各電子設(shè)備功能配置情況。SCD文件中保護(hù)設(shè)備的IED模型包含有各種保護(hù)功能LN的定義，而錄波暫態(tài)comtrade數(shù)據(jù)文件中有錄波通道的定義，本文提出了一種將這些保護(hù)功能LN和錄波通道與被保護(hù)的一次設(shè)備關(guān)聯(lián)建模，并由此構(gòu)建一套變電站故障分析輔助系統(tǒng)的思路，該系統(tǒng)具備輔助站內(nèi)值班人員在站端發(fā)生設(shè)備故障跳閘情況下匯總SCADA系統(tǒng)信息、錄波設(shè)備信息、保護(hù)設(shè)備信息進(jìn)行事故分析的功能。

1目前故障分析系統(tǒng)的構(gòu)成

目前的電網(wǎng)故障信息系統(tǒng)由廠站端的子站、通信傳輸網(wǎng)絡(luò)以及各級(jí)電網(wǎng)調(diào)度中心(主站)組成。子站是一個(gè)信息采集中心，采集數(shù)字式保護(hù)和錄波器的信息，完成不同設(shè)備的規(guī)約轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)與主站的信息交互，子站本身不具備站內(nèi)故障分析功能，只是作為一個(gè)網(wǎng)關(guān)，將站內(nèi)保護(hù)信息和錄波器信息匯總統(tǒng)一格式，發(fā)送到各級(jí)主站。這樣配置在主站端的故障分析系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是能結(jié)合電網(wǎng)拓?fù)淝闆r進(jìn)行故障分析，分析結(jié)果相對(duì)可靠，但系統(tǒng)也存在以下缺點(diǎn)：

(1) 站內(nèi)繼電保護(hù)故障時(shí)，一般都伴隨著斷路器位置變化的信號(hào)和斷路器機(jī)構(gòu)的信號(hào)，由于故障子站系統(tǒng)只接收站內(nèi)數(shù)字式保護(hù)和錄波器的信息，不接收SCADA系統(tǒng)的開關(guān)位置信息，進(jìn)行故障分析難免會(huì)有錯(cuò)誤和不準(zhǔn)確的情況。

(2) 站內(nèi)單獨(dú)配置的子站系統(tǒng)，目前大多數(shù)只能對(duì)站內(nèi)保護(hù)信息進(jìn)行匯總上傳，部分子站能按照事先配置的策略進(jìn)行信息的篩選過濾和預(yù)分析，但所有子站并不具備獨(dú)立的分析能力，這樣如果站內(nèi)發(fā)生事故，站內(nèi)的運(yùn)行人員就無法從這套系統(tǒng)得到站內(nèi)故障分析的結(jié)果，從而也就影響了第一現(xiàn)場的故障處理效率。

(3) 對(duì)于智能變電站，全站的通訊已經(jīng)統(tǒng)一于IEC61850規(guī)約，全站SCD模型文件當(dāng)中已包含所有二次設(shè)備信息，SCADA系統(tǒng)已經(jīng)具備采集全站保護(hù)、錄波信息的能力。

綜合以上分析，我們提出在當(dāng)前變電站監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)基礎(chǔ)上配置一套故障分析輔助系統(tǒng)，這套系統(tǒng)具備常規(guī)保信子站系統(tǒng)的一切數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)發(fā)功能，還能夠結(jié)合站內(nèi)故障時(shí)保護(hù)、錄波、硬接點(diǎn)、在線監(jiān)測(cè)等信息進(jìn)行故障原因綜合分析判斷并得到故障的分析報(bào)告，報(bào)告提供故障時(shí)的保護(hù)、變位、錄波等全方位詳細(xì)信息，同時(shí)也支持存儲(chǔ)、調(diào)閱、遠(yuǎn)傳功能。

2故障分析輔助系統(tǒng)的主要組成部分

2.1分析模型組態(tài)模塊

由于變電站故障分析的結(jié)論最終是體現(xiàn)在一次設(shè)備上的，故障時(shí)的信息都是作為輔助手段來確定該一次設(shè)備的故障情況，這樣故障分析系統(tǒng)最基本的模型為一次設(shè)備模型，一次設(shè)備故障判斷依據(jù)可以來自多套保護(hù)裝置的信息，如線路可以有兩套保護(hù)裝置，每套保護(hù)裝置分別設(shè)有主保護(hù)功能如光差、距離一二段，后備保護(hù)功能如距離三段、零序三段等，同時(shí)該線路保護(hù)還可以來源于其他一次設(shè)備的保護(hù)如主變保護(hù)的遠(yuǎn)后備功能，一次設(shè)備和各保護(hù)裝置的關(guān)聯(lián)已經(jīng)弱化，關(guān)聯(lián)主要在分解的LN保護(hù)功能上進(jìn)行，同時(shí)設(shè)備還需要和錄波(集中、分散)中的對(duì)應(yīng)通道關(guān)聯(lián)，以便在分析判斷故障時(shí)調(diào)取該時(shí)段對(duì)應(yīng)的測(cè)量暫態(tài)數(shù)據(jù)情況作為輔助判斷。綜上所述，我們進(jìn)行了下列分析系統(tǒng)初始模型定義：

(1) 定義一次設(shè)備模型。基于站內(nèi)的一次設(shè)備進(jìn)行定義，提供分析基礎(chǔ)設(shè)備信息。

(2) 定義保護(hù)功能模型。該模型按照IEC61850定義的LN保護(hù)功能原理類別進(jìn)行定義。

(3) 定義保護(hù)通道模型。該模型按照通道采集的模擬量類別定義。

分析系統(tǒng)組態(tài)模塊的主要功能是將站內(nèi)的一次設(shè)備模型、保護(hù)模塊模型、錄波通道模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，同時(shí)定義該設(shè)備主要故障類型的推理知識(shí)庫，組態(tài)模塊是實(shí)現(xiàn)抽象模型完整定義并且實(shí)例化的工具，它根據(jù)變電站實(shí)際配置的一次設(shè)備、保護(hù)裝置、錄波器情況，配置故障分析系統(tǒng)需要的信息，并定義各模型之間的連接關(guān)系，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模型的動(dòng)態(tài)組合并形成一個(gè)完整的變電站內(nèi)故障分析系統(tǒng)模型，為下面故障分析判斷、故障定位提供分析基礎(chǔ)。

2.2故障分析推理模塊

該模塊結(jié)合SCADA系統(tǒng)開關(guān)的變位信號(hào)、保護(hù)動(dòng)作信號(hào)、保護(hù)定值、錄波文件等信息，進(jìn)行故障情況的推理演算，推理依據(jù)預(yù)先已定義的故障系統(tǒng)分析模型，對(duì)一次設(shè)備可能發(fā)生的故障類型進(jìn)行事件匹配情況分析，特別是對(duì)保護(hù)動(dòng)作出口情況、保護(hù)定值設(shè)置、保護(hù)壓板投退、錄波波形等進(jìn)行同一時(shí)段的對(duì)比分析及保護(hù)的動(dòng)作行為分析(拒動(dòng)、誤動(dòng)的合理性判斷)，其中涉及保護(hù)動(dòng)作原理部分計(jì)算考慮到不同廠家的裝置實(shí)現(xiàn)有差別但是基本原理一致的特點(diǎn)，進(jìn)行統(tǒng)一原理模型化處理，后期再由不同的模塊來實(shí)現(xiàn)不同廠家保護(hù)原理到統(tǒng)一模型的歸一化處理。該部分的判斷結(jié)果結(jié)合設(shè)備故障特征的專家知識(shí)庫模型與錄波暫態(tài)數(shù)據(jù)，能夠達(dá)到快速推理定位出故障元件的目的。

2.3故障結(jié)論展示模塊

故障結(jié)論展示模塊可以對(duì)故障推理的結(jié)果進(jìn)行匯總展示，它包含3個(gè)部分：

2.3.1故障推理結(jié)論的報(bào)表展示

該功能主要通過報(bào)表展示的方式，展示系統(tǒng)推理分析出的故障結(jié)論，展示的內(nèi)容既有按時(shí)間順序羅列出的故障發(fā)生時(shí)刻的SOE記錄、開關(guān)變位記錄、保護(hù)動(dòng)作記錄、錄波記錄等信息，也可以列出故障前后站內(nèi)指定模擬量的變化情況、故障設(shè)備的具體參數(shù)等可能有用的輔助信息。

2.3.2故障相關(guān)波形展示

該功能依據(jù)故障結(jié)論，通過對(duì)全站的故障發(fā)生點(diǎn)時(shí)間前后波形變化情況進(jìn)行的庫記錄，集中匯總篩選各保護(hù)裝置的保護(hù)波形信息，同時(shí)還可以選擇指定保護(hù)裝置的通道或錄波器通道，匯總展示對(duì)應(yīng)通道的錄波波形變化情況，并可以進(jìn)一步對(duì)錄波波形進(jìn)行深入分析，如阻抗分析、功率方向判別、差流分析等多種保護(hù)行為的分析功能。

2.3.3故障結(jié)論的存儲(chǔ)、調(diào)用及遠(yuǎn)傳功能

該功能能夠?qū)⑾到y(tǒng)分析的結(jié)論存為二進(jìn)制文件，并存入數(shù)據(jù)庫，這樣當(dāng)以后有使用者需要查看某時(shí)間段故障時(shí)，可以直接調(diào)取該結(jié)論文件進(jìn)行查看，該二進(jìn)制文件具備轉(zhuǎn)換功能，以便生成各種其他格式文件供調(diào)度或各不同應(yīng)用需求用戶調(diào)用。

3故障分析推理方法選擇與模型設(shè)計(jì)

故障診斷推理及定位技術(shù)，從本質(zhì)上來說是一個(gè)從異常信號(hào)辨別故障類型、故障發(fā)生點(diǎn)的模式識(shí)別技術(shù)，它在電網(wǎng)故障分析診斷方面的應(yīng)用已經(jīng)有很多成熟的經(jīng)驗(yàn)，總的來說分為3個(gè)種類：

(1) 基于解析模型的方法，例如狀態(tài)估計(jì)法、等價(jià)空間法等。

(2) 基于對(duì)信號(hào)的處理方法，例如自回歸滑動(dòng)平均法、小波變換法等。

(3) 基于知識(shí)庫的診斷方法，例如專家系統(tǒng)法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。

結(jié)合專家系統(tǒng)和模糊推理技術(shù)進(jìn)行故障診斷的方法，在一定程度上改善了保護(hù)故障診斷系統(tǒng)對(duì)保護(hù)和斷路器拒動(dòng)、誤動(dòng)產(chǎn)生的容錯(cuò)性。基于產(chǎn)生式規(guī)則的系統(tǒng)，即把保護(hù)、斷路器的動(dòng)作邏輯以及運(yùn)行人員的診斷經(jīng)驗(yàn)用規(guī)則表示出來，形成故障診斷專家系統(tǒng)的知識(shí)庫[3]，根據(jù)告警信息、波形信息、保護(hù)信息結(jié)合專家知識(shí)庫模型進(jìn)行推理，獲得故障診斷的結(jié)論。我們認(rèn)為采用這種目前較為成熟的故障分析系統(tǒng)的方案并加以完善用于變電站故障的推理可行性是比較高的。

3.1中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)的故障分析

以110 kV線路為例，文獻(xiàn)[4]列舉了該電壓等級(jí)的線路保護(hù)配置一般是三段式距離保護(hù)和零序保護(hù)，它們采用分段式保護(hù)原理，Ⅰ段一般不帶時(shí)限，保護(hù)線路全長80%～90%，Ⅱ段帶較小延時(shí)，保護(hù)全長及下一段線路20%～30%，它們構(gòu)成全線路的主保護(hù)；Ⅲ段稱為定時(shí)限保護(hù)，帶較長時(shí)限，保護(hù)本線路及下一段線路全長，為線路的近后備保護(hù)。

下面以線路A相單相接地故障為例進(jìn)行分析：如110 kV線路的主保護(hù)動(dòng)作，則故障應(yīng)該為本線路范圍內(nèi)的單相接地，該故障構(gòu)成元素如圖1所示；若故障線路的近后備保護(hù)動(dòng)作，則故障可能為本線路故障(如斷路器拒動(dòng)或經(jīng)高阻抗接地)，構(gòu)成元素如圖2、圖3所示；若故障線路的遠(yuǎn)后備保護(hù)動(dòng)作，這種是故障線路主保護(hù)未跳開，遠(yuǎn)后備保護(hù)越級(jí)跳閘情況，構(gòu)成元素如圖4所示。

錄波A相電壓電流波形數(shù)據(jù)突變,零序波形產(chǎn)生設(shè)備主保護(hù)動(dòng)作(接地短路)保護(hù)跳閘遙信動(dòng)作(主保護(hù))

圖1　主保護(hù)事件元素構(gòu)成

圖2　后備保護(hù)事件1元素構(gòu)成

圖3　后備保護(hù)事件2元素構(gòu)成

圖4后備保護(hù)事件3元素構(gòu)成

3.2中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)的故障分析

錄波A相電壓電流波形數(shù)據(jù)突變,零序波形產(chǎn)生錄波B/C相電壓電流波形數(shù)據(jù)突變?cè)O(shè)備主保護(hù)動(dòng)作(接地短路)保護(hù)遙信跳閘動(dòng)作(主保護(hù))

圖5主保護(hù)事件元素構(gòu)成

綜上分析，故障的產(chǎn)生必然伴隨著各種構(gòu)成元素，從這些元素來進(jìn)行歸類可分為錄波元素、保護(hù)元素兩大種類，故障分析專家系統(tǒng)模型應(yīng)由這兩大類元素按照邏輯關(guān)系構(gòu)成(可考慮元素的時(shí)序關(guān)系)，推理程序?qū)⒃摼€路設(shè)備的關(guān)聯(lián)保護(hù)、關(guān)聯(lián)錄波信息按照上述元素進(jìn)行匹配判斷，結(jié)合推理模型得出故障結(jié)論(若存在多種故障結(jié)論可匹配，可按匹配情況擬合度排列，取擬合度高的故障結(jié)論)。專家系統(tǒng)模型根據(jù)設(shè)備類型、故障類型定義圖6結(jié)構(gòu)。

圖6　故障類型元素結(jié)構(gòu)定義

4系統(tǒng)流程框圖及模塊說明

系統(tǒng)流程框圖如圖7所示。

圖7　系統(tǒng)流程框圖

4.1保護(hù)事件檢索模塊

保護(hù)事件檢索模塊可以查找指定時(shí)間段的SOE事件、保護(hù)事件、開關(guān)動(dòng)作信號(hào)等故障信息，該模塊提供查詢接口給推理程序，用于推理程序定位故障設(shè)備。

4.2推理系統(tǒng)配置模塊

通過站內(nèi)數(shù)據(jù)庫、scd模型、comtrade文件得到一次設(shè)備、保護(hù)設(shè)備、錄波通道的模型信息，由用戶通過配置關(guān)聯(lián)，建立起這些相關(guān)模型的邏輯關(guān)聯(lián)關(guān)系。

4.3推理專家系統(tǒng)模塊

專家模型模塊采用xml的語言格式設(shè)計(jì)定義了一種模型文件，該模型定義了錄波和保護(hù)兩大類推理元素以及它們的信息和行為，這些信息和行為可根據(jù)實(shí)際推理需要擴(kuò)展，元素自由組合這些信息和行為來組成不同的故障推理模型。

4.4保護(hù)原理判斷模塊

該模塊對(duì)保護(hù)元素的動(dòng)作情況，結(jié)合保護(hù)定值、保護(hù)錄波波形數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，確定該保護(hù)動(dòng)作的正確性，該模塊可以調(diào)取波形文件讀取的接口調(diào)取波形信息，通過故障推理系統(tǒng)配置模塊調(diào)取保護(hù)的定值信息。

4.5故障報(bào)告展示模塊

推理程序得到的故障結(jié)論應(yīng)該有一定的格式供故障報(bào)告程序展示，報(bào)告需要包括故障發(fā)生時(shí)間、故障設(shè)備、故障類型、故障相別、故障測(cè)距、開關(guān)變位、SOE、重合閘情況等。在該展示界面上可以調(diào)取故障時(shí)間段相關(guān)的保護(hù)錄波波形、保護(hù)定值、事件記錄列表進(jìn)行查看。

4.6波形展示分析模塊

故障波形文件的讀取和展示模塊，可根據(jù)產(chǎn)生的故障暫態(tài)數(shù)據(jù)comtrade文件(.hdr、.dat、.cfg)生成可展示的波形，并能提供相關(guān)接口調(diào)取某個(gè)保護(hù)或錄波器某個(gè)時(shí)間段的波形值，以便供推理程序或其他模塊使用。

5結(jié)語

該系統(tǒng)的主要應(yīng)用場合是變電站的事故后輔助分析，對(duì)于故障分析時(shí)間段的選擇可以采用人工輸入方式或根據(jù)時(shí)間段故障暫態(tài)數(shù)據(jù)文件的范圍劃定時(shí)間窗的方式來確定，一旦確定時(shí)間段啟動(dòng)分析，系統(tǒng)將會(huì)收集SCADA、保護(hù)、暫態(tài)波形信息等定位故障設(shè)備，最后得到故障報(bào)告，用于提供給站內(nèi)處理事故的人員，使他們能夠更直觀迅速地得到事故的相關(guān)過程信息，作出故障原因分析和結(jié)果判斷，提高事故處理的工作效率。

[參考文獻(xiàn)]

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