电网故障快速反应和可靠决策支持系统的设计

徐晓峰，巫聪云，颜循敏，钟洁，汪昌元，廖晓春，宁雪莹

（1.广西电网有限责任公司防城港供电局，广西 防城港 538000；2.广西电网有限责任公司，南宁 530015；3. 武汉华电顺承科技有限公司，武汉 430071)

0 前言

近年来，随着电网的快速发展，电网规模不断扩大，线路走廊日益密集，基于简化电网模型及单一测距方法的故障录波分析软件已不能满足实际工作需求。在电网结构复杂和运行方式变化的情况下，如何快速、准确地判断线路故障和保护动作行为，为电网部门提供可靠的辅助决策，成为继保人员面临的新课题[1-3]。

本文提出电网故障快速反应和可靠决策支持系统的设计，该系统能兼容并处理不同录波装置数据，融合了多种测距方法，并自适应选取最优算法，最后通过云发布为继保人员的故障分析和定位提供快速可靠支持。

1 电网运行环境的现状

1）电网故障快速反应要求：社会经济发展对安全稳定供电的要求也越来越高。电网发生故障时，电网部门需要快速查找到故障源、判明故障原因并进行故障处理，尽快恢复供电以减少停电损失。目前，故障信息的发布范围仅限于管理III 区，继电保护人员只能在上班的 8小时内从指定电脑的 WEB 浏览器上获取故障录波信息，如果这 8 小时外发生停电事故，继电保护人员将无法及时获得信息并进行科学合理的故障诊断，调度指挥、恢复供电等均将受到影响，极易造成重大经济损失[4]。

2）互感线路故障及跨线故障：在电网建设过程中，同杆线路数目将会越来越多，结构越来越复杂，如分段同杆、四回甚至六回线路同杆并架以及跨电压等级线路同杆等复杂形式将逐步增加。故障线路和非故障线路之间的互感强弱、故障扰动量的大小将直接影响故障测量准确度，而市场上的多数录波分析软件采用的测距方法并没有考虑互感线路的情况[5]。

3） 故障信息多源异构： 目前虽然有COMTRADE 国际标准文本，但由于国内尚未见官方正式出版社的中文版本的格式标准及年代建设的差异性，国内各个设备制造厂内的研发小组按照各自对英文版规范的部分说明理解独立进行开发设计，导致各制造厂的多种型号的装置输出的录波格式数据文件参差不齐，故障分析更加困难。

该模块是一个开放式可扩充的功能模块，格式转换接口依据各厂家数据自定义格式进行整合，将各录波设备输出的原始数据转换成标准格式。这种处理方法可降低应用功能和厂家自定义格式的耦合度，当有新的录波设备接入组网时，将该录波设备的转换接口库加入其中即可实现扩展。

2.2.2 通道及元件参数映射模块

该模块主要功能组件由两类数据结构组成：一是COMTRADE 数据文件处理类，起到承上启下的作用；二是通道及一次元件映射类数据结构，这一映射类数据结构是直接面向功能应用的数据结构。

图1 系统软件结构层次

2 系统结构设计

电网故障快速反应和可靠决策支持系统的设计充分参考国内外多厂家最新的录波分析软件的现有功能，取长补短，采用分层结构，各个层次之间采用低耦合的接口衔接，便于维护和功能扩充。其软件层次有：数据采集层、数据整理层、应用分析层和故障发布层，各层由不同的模块或接口组成，如图1 所示。

2.1 数据采集层

数据采集层部署在通信服务器上，其基本功能是：报文发送、报文接收、报文解析以及录波文件采集。首先依据录波型号调用转换函数将指令初始化为相应报文，通过网络发送给录波器，再将接收到的报文进行校验和解析，根据报文类型调用相应的处理函数，提取有效信息，执行相关指令或判断是否需要召唤录波文件。

当电流产生大扰动或故障发生时，录波设备采集数据并生成录波文件就地存储，系统通过电力数据网不断通过报文轮询与主站连接的各录波设备，一旦检测到有新的录波文件生成，立即收取现场录波文件。

2.2 数据整理层

2.2.1 数据格式转换模块

由于标准COMTRADE 格式文件提供的数据信息与应用分析功能所需要的信息并不完全等同，他们之间存在一个交集关系，因此采用交集映射。COMTRADE 数据文件处理类用于读取录波文件，解析录波文件信息；通道及一次元件抽象映射类主要作用为管理通道数据、参数配置管理及一次元件数据映射，便于后续应用分析。在这一模块实现由标准录波格式到映射类数据结构的转换[6]。

2.3 应用分析层

该层主要由故障测距模块、波形分析模块和接口组成：将测距应用模块封装成动态链接库，由录波分析模块调用。测距分析过程中有大量的中间计算结果，例如对侧、背侧系统阻抗，序电压的沿线分布曲线数据等，又可用于波形分析，两个模块通过输入配置接口和输出结果接口进行通信。

2.3.1 波形分析

1）工频量分析：工频参数包括正序阻抗、正序导纳、零序阻抗、零序导纳以及多回互感线路之间的互感等，这些数据是电力系统潮流计算、短路计算、继电保护、自动化装置整定等其他分析计算的基础参数。

2）测距接口设定：结合实际电网故障录波数据的特性，选择具有对线路参数、线路互感、运行方式、故障信息、故障类型等相适应的测距方法。

3）阻抗分析：从母线侧感受到的电流电压之间的约束关系都可以用系统阻抗的方式来表征，系统阻抗强弱也是影响保护动作行为的一个重要因素。为提高故障测距精确和对保护动作行为的分析，需要进行阻抗分析。

4）其他分析：其他分析主要包括SOE 分析、相量分析功能，序量分析功能，功率分析功能，接地相互阻抗分析，基于Hamin 窗算法直流数字滤波功能，基于最小二乘拟合非周期分量分析等高级分析应用。

2.3.2 故障测距

电力系统线路结构多变、系统运行方式多样、故障类型复杂，每一种故障测距算法都有其自身的优点及适用范围，这些测距方法在理论模型下测距精度都较高，但在实际工程应用中鲁棒性会有所差别。该模块中整合了单端测距、双端测距和四端测距方法，依据故障性质，自适应选取合适的测距方法。

2.4 故障发布层

该系统可实现除传统工作站推送告警信息外，还实现了分层不同区内相关的告警信息通过WEB、智能终端以及短信方式实时推送，并且建立的云计算平台，使告警信息从电脑上搬到无处不在的云平台上，实现不同设备间的故障信息应用共享。

为了严格遵循电力二次系统安全防护规定，安全管理III 区的WEB 服务器同云发布平台之间加装正向隔离装置，以避免云发布平台通过WEB 服务器向电力二次系统施加影响。云发布平台用户身份验证采用VPN + 软证书的方式，该方式同数据链路绑定，如果出现用户身份信息不符的情况，立即切断访问链路[4]。其流程图如下图所示。

图2 访问认证流程图

3 自适应选取测距方法

针对不同的运行方式、故障性质及故障信息选取测距方法：当仅有单侧数据或单相永久性故障时，考虑采用单端测距方法；双端测距算法利用了两侧录波数据，测距精度远远高于单端测距算法，在工程实用中具有广泛的应用[7]；对同杆并架线提供了六序电压分布分式型测距方法[8-10]。

1）单端测距：采用了故障分量消除过渡电阻的解二次方程测距算法。在运行中，当故障线路仅有一侧录波数据时，以有数据侧作为计算参考侧，计算出故障点相对参考侧的故障距离；而当故障线路两侧录波齐全时，可分别以两侧为参考侧进行计算。

2）双端测距：选取基于两端推算的故障点电压幅值相等的改进式序电压分布迭代法，采用参数修正的Ⅱ型线路模型代替分布参数线路模型，使分子分母对参数变化、输入电压电流的变化具有同向误差变换，从而部分抵消，使测距结果较为稳定，具有较强的鲁棒性。

3）四端测距：当线路与相邻线路存在互感时，上述单端和双端测距中与零序分量相关的算法由于互感的影响，测距结果会有较大偏差。考虑采用六序分量电压分布双端测距，采用六序分量法解耦后，再利用双端测距，其中六序分量包括：同向正序、同向负序、同向零序、反向正序、反向负序、反向零序。

图3 自适应选取测距方法

4 应用分析

为验证该系统的可用性，将某三种故障分析主站系统A、B、C 和电网故障快速反应可靠决策系统的运行情况进行对比，故障点位置的线路全长取30 km、50 km 和100 km，每个故障样本数量取50，计算故障测距准确性，并计算故障发生到故障处理平均耗时，其故障测距的准确性及故障反应耗时数据可见表1。

从表中数据中可以看出：

1）电网故障快速反应和可靠决策支持系统的测距成功率均高于其他故障分析主站系统，这是由于单一的测距方法在某些情况下无法得出测距结果，利用多种测距方法可有效避免这个问题。

2）数据整理层的处理有效缩减了不同录波文件的差异，有助于减少录波文件的分析耗时，提升可靠性。

3）线路越长原故障分析主站的误差越大，因为分布电容对于测距精度影响很大，此外，以上样本中有10%故障是同杆并架的情况，原故障分析主站系统限于分析手段不足，在同杆并架的情况下绝对误差更大。

表1 故障测距准确度对比

5 结束语

通过对录波数据的统一处理、故障录波数据的挖掘、智能云发布等技术的研究，构建了录波信息从通信传输、事故分析、故障定位等业务一站式处理机制，实现录波数据监视平台化、数据标准化、分析集约化和发布智能化，减少故障信息获取时间，提高电网事故处置效率。下一阶段将研究融合人工智能技术，运用大量的录波数据对神经网络进行训练，实现故障的预测、判别和评估功能。