故障数据分析处理系统设计与开发

侯广松，高军，徐珂，张欣

（国网山东省电力公司菏泽供电公司，山东菏泽274000）

·经验交流·

故障数据分析处理系统设计与开发

侯广松，高军，徐珂，张欣

（国网山东省电力公司菏泽供电公司，山东菏泽274000）

故障录波数据是电力系统故障分析和保护动作判断的重要依据。针对目前故障录波装置数据分析非具体化、微机保护装置动作过程非可视化的现状，提出一种故障数据分析处理系统。通过将仿真数据或故障录波数据转换为COMTRADE格式的标准文件后输入系统，然后对故障数据进行滤波和预处理，模拟具体保护装置中各类保护模块的动作逻辑并进行分析。该系统能对不同故障条件下保护装置的动作特性，以及同一故障下不同保护元件的动作特性进行分析比较，可以深入了解微机保护装置的运行特点，分析评价实际保护装置的性能。

故障录波数据；COMTRADE；保护动作分析

0 引言

故障录波装置实时记录系统大扰动（如短路故障、系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等）及发生大扰动后引起的系统电压、电流及导出量（如系统有功功率、无功功率及系统频率）变化的全过程，可以实时显示波形图，实现故障记录分析、电能质量监测、顺序事件记录、故障测距等功能，为继电保护的动作特性分析提供有力证据［1］。现有的故障录波分析系统在故障特征量分析方面功能强大，但在利用录波数据对保护动作情况进行分析、评判等方面不够充分，没有充分利用含丰富故障信息的故障录波数据。运行人员根据故障录波图、保护装置事件记录和故障报文等信息进行基于人工和经验的事故分析，难以满足继电保护特性分析的特殊要求，无法对保护装置的各元件的特性和动作情况进行深入分析动作情况［2-3］。

微机保护装置在对某次故障完成响应后，反应保护动作过程和计算结果的信息量很少，且从故障发生到保护动作整段时间内保护装置的处理过程不可见［4］，在这个过程中装置内部的数据是如何处理的无法得知。在实际分析保护装置动作情况时，如果把保护从启动开始到完成整个过程中的计算判据和逻辑流程以直观的可视化的方式进行处理，将会大大提高分析的效率［5-6］。

设计一套故障数据分析处理系统，包含数字滤波、保护元件动作特性分析、保护逻辑分析等功能，以图形、曲线、数据等可视化的形式再现继电保护装置的动作过程和动作逻辑，分析不同故障下微机保护装置的动作特性，帮助运行人员直观的了解保护动作过程，为分析继电保护装置性能提供辅助手段。

1 系统结构

1.1 系统设计需求

根据微机保护装置的特点及对其动作特性进行分析的一般要求，基于以下需求来设计系统。

1）能够识别不同类型的故障录波数据，对数据源具有良好的兼容性。

2）能够实现各种特性的数字滤波功能，允许用户定义滤波器特性参数。

3）能够完成各种电气量、故障分量的提取和计算功能，以数据、图形和曲线等形式对计算结果进行可视化展示。

4）能够执行各种继电保护算法，支持用户自定义保护特性和动作定值，以图形、曲线的方式显示保护算法的计算结果。

5）支持动态保护逻辑图，运行用户对保护逻辑图进行修改和定义。

6）能够实现虚拟微机保护装置功能，允许用户对虚拟微机保护装置的功能和动作特性进行定义。

1.2 系统总体结构

系统选用Access关系型数据库，以Microsoft Visual C++为工具进行开发。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构图

该系统由数据转换模块、故障信息分析处理模块、数据库模块和保护装置动作行为分析处理模块组成。

数据转换模块的作用是将来自不同数据源的各种类型数据转换为IEEE COMTRADE标准格式［7-9］，提高该系统的数据兼容性能，解决不同装置和系统之间的数据共享问题。

故障信息分析处理模块作用是完成数据滤波及电气量的计算功能。数字滤波模块以常用的数字滤波器为主，通过用户自定义滤波参数，对基本的数字滤波器进行组合等方法完成不同的数字滤波功能。进行故障发生前后的电压电流幅值和相位的计算；直流分量和各次谐波的提取和计算；序分量的计算；故障分量的提取和计算。

数据库模块主要是用来存储原始数据和各种中间数据、虚拟微机保护装置涉及的保护定值、运行方式控制字、装置参数和系统参数等重要数据，通过对数据库的读写实现对各种保护参数的读取与修改。

保护装置动作行为分析处理模块包括保护元件动作特性分析以及显示整组保护逻辑图。根据保护元件的动作方程做出其动作特性图，根据测量参数的变化轨迹能够观察到故障期间测量参数相对于特性曲线的变化规律，距离保护动作边界的裕度，这样用户不仅能够知道保护是否动作而且能够获得对于区内故障保护灵敏度是否足够、区外故障保护是否可靠等信息。

2 系统主要功能设计与开发

系统覆盖了从数据格式转换到保护动作逻辑执行整个过程，涉及诸多功能模块，限于篇幅，只介绍数字滤波器、保护元件、保护动作逻辑3个主要功能的设计与开发。

2.1 数字滤波

数字滤波模块包括差分滤波、加法滤波、积分滤波和50 Hz正余弦滤波功能［10］。数字滤波器的输入是经转换后的COMTRADE标准格式的故障录波数据文件，用户可进行录波器传递函数的自定义，得到相应的滤波输出。滤波后的数据不仅能以曲线的形式展现出来，还能以数据文件的形式存储。

以积分滤波器为例，其滤波方程为

式中：x（n）为n时刻滤波器的输入；x（n-k）为前k时刻的输入；y（n）为n时刻滤波器的输出。

积分滤波器的传递函数定义界面如图2所示，用户可以修改数据窗宽度，得到相应的幅频特性曲线和相频特性曲线。

2.2 保护元件

系统从微机保护装置中的基本保护功能入手，开发了一系列保护元件，包括反应工频变化量的保护启动元件、相间及零序过流元件、方向元件、基于工频变化量和正序极化电压的距离元件、电流差动元件及纵联比较元件等。用户可以修改保护整定值，定义各保护元件的动作特性，系统可自动对故障数据进行处理，做出测量电气量轨迹与保护动作特性曲线，完成对保护元件动作特性的分析评估。通过具体保护元件的分析界面，用户可直观的看出故障发生后，保护元件的动作全过程。

图2 积分滤波幅频、相频特性

以接地距离I段保护元件为例，系统中采用比相式的动作判据［11］，动作特性包含两部分：一部分是正序电压极化的方向继电器，另一部分是为了克服超越而选用的零序电抗继电器。

在正序电压极化的方向阻抗继电器中，工作电压为

极化电压为

动作方程为

式中：Uφ、Iφ代表相电压、相电流；U1φ为正序电压；θ1是方向阻抗特性向I象限偏移的角度，增强抗过渡电阻的能力。

在零序电抗继电器中，工作电压为

极化电压为

动作方程为

式中：ZD为模拟阻抗。

图3为接地距离I段保护元件分析图。图3（a）为正序极化电压继电器和零序电抗继电器的动作方程计算结果及距离继电器的动作情况，可以看出保护元件是否动作及动作时间。图3（b）为A、B、C三相的测量阻抗轨迹图，可直观的看出故障发生前后测量阻抗的变化轨迹。

图3 区内故障时I段接地距离分析

2.3 保护整组动作逻辑

保护元件与各种判断条件、延时环节等进行逻辑运算，构成保护整组动作逻辑，能够反映保护装置的动作行为。本系统设计并开发了包括纵联方向比较保护逻辑、电流差动保护逻辑、距离保护逻辑和零序保护逻辑等在内的较为完善的保护整组动作逻辑，能够客观、真实再现保护装置的逻辑判断过程。

图4为距离保护动作逻辑图。对于有输出的各保护模块，可以点击查看具体的曲线图及动作特性。以区内A相接地故障录波数据为输入数据，进行故障数据分析处理。故障后，距离保护中应该动作的元件包括保护启动元件、接地距离元件、过流元件等。由图4可看出距离保护逻辑框图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段接地距离元件、不对称故障开放元件、振荡过流元件、保护启动元件均有输出，经过一定的逻辑的关系后，保护动作出口的是振荡闭锁开放，距离Ⅰ段动作，与实际动作情况一致。

图4 距离保护动作逻辑分析界面

3 算例分析

图5为220 kV输电系统，发生区内A相接地故障，以线路两端的故障录波数据为数据源，对纵联电流差动保护元件、故障方向元件及Ⅰ段接地距离元件的动作特性进行分析，同时分析电流差动保护的动作逻辑。

图5 发生区内故障的双端电源供电系统

图6 A相差动元件分析界面

图6为A相差动元件动作轨迹图。图中曲线分别为A相差动电流与制动电流变化轨迹图，横坐标表示时间，纵坐标表示电流幅值。由图可看出发生故障发生后差动电流和制动电流的大小及变化规律，差动电流明显大于制动电流，差流保护元件动作。

图7 正向故障方向元件动作轨迹图

图7为正、反方向元件动作轨迹图，可看出故障发生后正方向元件的测量相角接近180°，正方向元件可靠动作；而反方向元件的测量相角接近0°，反方向元件不动作，与设定的正向故障是一致的。

图8 Ⅰ段接地距离元件分析界面

图8是Ⅰ段接地距离元件动作轨迹图，可看出故障发生后只有A相的计算结果在动作范围［-90°，90°］以内，其它两相的计算结果均在动作范围以外，可判断出是A相故障。

图9 电流差动保护动作逻辑分析界面

由以上3个元件的分析可知，故障发生后，差动元件、方向元件及Ⅰ段接地距离元件均动作，并且差动元件和接地距离元件可判断出是A相接地故障。动作特性及动作结果与实际仿真曲线相一致。

图9为电流差动保护动作逻辑分析界面，通过图9可看出保护启动元件、差动保护投入元件，A相差动元件、零序差动元件及选相元件均动作，经过一定的逻辑关系后，保护出口是A相差动动作，并且向对侧发差动动作允许信号，与实际动作情况一致。

4 结语

开发一套故障数据分析处理系统，该系统对故障信息进行深层次挖掘与分析，以可视化的形式展现保护元件的动作特性。该系统可模拟具体保护装置原理，将故障计算、中间结果、判断结果和动作逻辑均显示出来，有利于对现场事故进行分析，提高继电保护动作的准确性，具有较大的应用价值。

［1］郭振华，江亚群，杨帅雄，等.故障录波器后台分析软件关键问题研究［J］.电力系统保护与控制，2011，39（19）：73-78.

［2］刘哲，张东英.基于故障录波数据的电网故障诊断方法分析及改进［J］.内蒙古电力技术，2013，31（2）：16-22.

［3］温敏明.电力系统故障分析方法探究［J］.中国新技术新产品，2013（4）：122-123.

［4］罗维康.继电保护仿真实验系统的开发［D］.长沙：中南大学，2012.

［5］谢志迅，满振梅.微机保护装置虚拟平台技术及其实现［J］.电力系统自动化，2011，35（3）：59-61.

［6］江卫良，郝后堂，李先波.微机保护动作过程可视化分析技术的实现［J］.电力系统自动化，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］桂勋.面向IEEECOMTRADE格式的海量录波数据并行压缩／解压算法［J］.电力自动化设备，2013，33（5）：136-143.

［10］杨奇逊，黄少锋.微机型继电保护基础［M］.北京：中国电力出版社，第三版，2007.

［11］张保会，尹项根.电力系统继电保护［M］.北京：中国电力出版社，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

侯广松（1974—），男，高级工程师，从事电网分析及管理工作；

高军（1972—），女，高级工程师，从事电网调度管理工作；

徐珂（1973—），女，工程师，从事信息管理与软件开发工作；

张欣（1987—），男，工程师，从事电网调控运行工作。