电力系统故障区域录波自动分析关键技术

叶远波，程晓平，张兆云，刘宏君，汪伟，邵庆祝

(1. 安徽省电力公司调度控制中心，安徽 合肥 230022；2. 东莞理工学院，广东 东莞 523808；3. 长园深瑞继保自动化有限公司，广东 深圳 518057)

0 引言

随着经济不断发展，电网建设规模不断扩大，保护设备数量也迅速增加[1-4]。面对不断增多的保护装置和故障次数[5-6]，继电保护管理者不得不面对2个问题。（1）如何管理好现有的保护装置，确保及时发现继电保护装置的隐患[7-8]。传统继电保护周期检修工作的负面效应逐渐显现，状态检修工作已成为继电保护检修维护发展的方向[9-12]。（2）在电网故障的时候如何快速获取整个电网的故障报告[13]，特别是没有动作的保护装置是否运行正常。以往的分析都局限于动作线路的分析，基本不涉及不相关间隔的保护装置运行分析[14-16]。 文献[17]将录波数据通过软硬件处理上传至主站。如果主站没有对应的处理数据能力，只能徒增主站的负荷。文献[18]对继电保护故障信息分析处理系统的主要内容进行了设计，但其具体的故障实例大多以“天灾”故障线路居多，对于保护设备的跳闸描述过少。

海量的录波数据自动处理已经成为变电站发展的必然趋势[19-20]。继电保护每次动作都会产生大量的录波数据。这些录波目前大多是由技术人员人工分析[21-23]。人工分析的方法不仅浪费人力物力，且故障报告准确性取决于分析人员的水平[24-25]。基于此，本文提出一种电力系统故障区域录波自动分析方法，采用了自适应门槛波形同步技术、通道名称归一化方案、基于模板匹配的保护动作信息归类方法等关键技术，大幅提高了故障分析的效率和准确性。

1 自动分析系统架构

1.1 数据来源

电力系统故障区域录波自动分析系统是基于广域信息的继电保护实时评价系统的重要组成部分。基于广域信息的继电保护实时评价系统的数据获取方式如图1所示。

图1 实时评价系统在电网中的位置Fig. 1 The location of real time evaluation system in power grid

继电保护实时评价系统安装于各级调度中心，该系统分别获取电网调度系统(EMS)、保信主站系统、录波器主站系统的信息，实时监视电网继电保护运行情况和分析每一次保护动作情况，并发现继电保护装置运行的隐患。

电力系统故障之后，继电保护评价系统自动获各主站数据，并整理出如下信息供系统使用。

(1) 故障时由保信主站获取所有的动作信息以及事件顺序记录（sequence of event，SOE）信息。

(2) 各保护装置的定值单、压板整定单。

(3) 故障时动作线路两侧的录波信息和中间节点信息。

(4) 故障线路以及所涉及变电站内其他线路本侧、对侧所有录波信息和中间节点信息。

其中（1）由继电保护保信主站根据事件顺序记录信息综合而成，并保存为可扩展标记语言文件（xml格式文件）；(2)直接由继电保护系统提供，直接以EXCEL电子表格文件形式提供；（3）（4）则是保护装置故障或者扰动时进行录波，保存为电力系统瞬态数据交换的通用格式（comtrade格式），并由保信主站召唤并传递给系统。

1.2 主要功能

自动分析系统可直接输出word和pdf报告，在报告中展示所有的分析结果。其中word版本便于现场工作员对报告进行完善和补充，而pdf版本便于归档。

区域录波自动分析系统的主要功能包括当次的事故综述，以及所有录波的时序分析、动作行为判断、定值灵敏度分析、模拟量分析、外回路分析、采样回路分析、定值分析、压板分析等功能。

事故综述主要包括故障线路的选择、主要动作过程以及网络拓扑架构的绘制。根据录波数据信息生成的拓扑示例如图2所示。图2准确显示了本次事故所有相关的变电站以及线路关系，并用红色标识了故障线路。

图2 自动生成的拓扑示例Fig. 2 Automatically generated topology example

对于故障线路以及保护装置的录波数据分析主要包含以下方面。

(1)动作时序分析，主要是综合保护装置动作事件、保护录波数据以及故障录波器录波数据，梳理出本次保护的动作时序。

(2)动作行为判断，主要是判断本次故障的动作行为是否符合逻辑。

(3)模拟量分析，主要计算故障前和故障后的向量并进行多源对比分析。

(4)定值灵敏度分析，首先是根据录波数据得到电压电流测量值，然后进一步计算出保护元件测量值，最后对比测量值和定值，分析当前保护内部各元件的动作情况。

(5)外回路分析，主要综合分析外部所有的开关量变位信息。常见的异常包括开关量抖动、开关量缺失、压板投入异常等。

(6)定值分析，用以分析调度下发的定值单和保护装置录波数据中的定值的一致性。定值如果有不一样的地方则提出告警，并生成报告。

(7)压板分析，主要分析压板投入状态和给定状态不一致的情况。

(8)采样回路分析，主要通过故障前三相电流和三相电压的正序分量、零序分量和负序分量来判断采样回路相序是否正确、是否出现断线等情况。

2 自动分析系统关键技术

2.1 多波形同步系统

不同装置的时间差以及启动判据存在差别，因此要实现所有装置录波分析的基准一致，对每一个录波文件都需要重新分析启动点，完成启动时刻的归一化。

在录波启动时刻归一化的过程中，需要确定启动判据的阈值门槛。由于各线路的参数差别较大，不能使用相同的定值。对于每一条线路都设置定值，会导致设置复杂，不具有实用性。基于此，本文设计了一种根据波形自适应确定启动门槛的方法，具体步骤如下。

（1）通过配置文件得出第一段录波数据的采样率N和数据长度L。

（2）根据录波通道名，获得录波文件中的Ia、Ib、Ic电流通道和 Ua、Ub、Uc电压通道，并从数据文件读取6个通道的数据序列。

（3）确定启动前正常电流、电压值。利用半周积分算法依次计算6个通道的录波最初半个周波的向量，作为启动前的模拟量。

（4）确定启动后故障电流、电压的值。利用半周积分算法从录波文件的第一个周波后开始计算每半个周波的模拟量向量。如果是电压通道，找出序列中第2小和第3小的值，取平均值；如果是电流通道，找出第2大和第3大的值，取平均值。平均值作为故障后的模拟量值参考值。

（5）计算启动门槛。每个通道的启动门槛为故障后的模拟量值减去故障前的模拟量值取绝对值，然后乘以可靠系数。按照电压通道和电流通道分别统一启动门槛。电流通道的3个门槛中的最大值作为电流启动门槛；电压通道的3个门槛中的最大值作为电压启动门槛。

（6）循环查找启动点。从采样值的第一个周波开始，依次计算上述6个通道的采样值突变量。如果连续3点突变量大于门槛值，则记作该通道启动。通过这种方法对6个通道进行操作，至少可以找到1个启动通道及启动时刻；如果找到多个启动通道，则将最早的点记为该录波的启动点。

按照上述步骤，所有的录波文件都找到了启动点，将所有的启动点默认为同时刻，则所有录波完成了同步操作，在时间上具有一致性。

2.2 通道名称归一化

不同保护设备的录波通道数不一样，即使相同的通道，通道名称也不一样。因而需要对通道名称进行归一化处理。

为了实现系统的可扩展性，采用配置模板的方式实现通道的识别。例如，对于重合闸出口信号，国内各主要厂家的命名不一样。国内主要厂家重合闸出口信号的名字如表1所示。

表1 国内主要厂家重合闸出口信号的名称Table 1 The name of the exit signal of the recloser of the major domestic manufacturers

为了对重合闸信号进行分析，采用配置文件的方式，将重合闸定义为特定信号，且该信号来源于所有录波通道。基于条件设置，通过配置文件完成通道的归一化。

2.3 基于模板匹配的保护动作信息归类

一次故障发生之后，产生的事件顺序记录（SOE）事件、动作事件和录波数据中的变位较多，需要对这些信息进行归类分析。为了便于动作信息的归类，自动分析系统采用模板匹配方法实现对故障信息的归类。根据电网的实际运行情况，录波类型主要分为故障线路录波和非故障线路录波。电网的线路保护动作主要分为3种情况：单相永久性故障、单相瞬时性故障、多相故障。因而故障线路可以按照3个模板进行匹配分析。根据这3类典型故障和1个非故障线路列出保护动作时的模板，建立各类保护动作时候的信息模板。经过精简的单相永久性故障事故简报模板如表2所示。

表2 精简后的单相永久性故障事故简报模板Table 2 Single phase permanent fault accident briefing template

精简后的模板只包含了保护的跳闸出口、重合闸出口和跳位继电器等7个信号。完整的模板还包括差动保护、距离保护、零序保护等各类保护动作行为以及动作时间，以及由上述信号衍生出来的合成信号，例如根据跳闸令出口时间和返回时间计算出的跳闸脉冲宽度等。

基于自动分析得到的一次真实故障的故障信息如表3所示。针对本次事故，完成了本次事故的信息简况生成之后就可以判断保护装置的动作行为是否正确。基于同样的方法可以建立其他故障类型的故障模板。

表3 基于自动分析得到的故障信息Table 3 Summary of fault information based on automatic analysis

2.4 故障类型判别以及信息报告生成

在建立故障模板之后，需要对每一次故障选择相应的模板进行匹配-具体判断逻辑，如图3所示。

图3 保护装置动作事件判断逻辑Fig. 3 Logic diagram of protection device action event judgment

首先根据所属的故障类型，选择正确的简报模板。分析保护事件和录波信息，填写简表中的各项内容，然后对本次动作简报中的所有数据按照检测要求进行评价。评价过程中主要异常情况有3大类。

（1）如果某一项空白，则标记该项异常。

（2）对于未在简报中体现的事件和信息单列，多余的事件也属于异常的范畴，例如包含了多次跳位继电器的变化。

（3）数据超出了约束条件，例如第一次跳闸时间超过了 30 ms。

在评价结束后，对本次录波的信息进行输出，输出事故简报以及异常条目。

3 自动分析系统实践

3.1 系统运行模式

电力系统区域故障录波自动分析系统分为在线运行和离线运行模式。

在线运行模式下，基于广域信息实时自动地进行电网运行状态实时评价，系统自动调用该模块生成相应的报告，并将该报告传送到管理部门。

离线运行模式下，可以直接对事先收集到的录波数据进行分析，生成相应的报告。

3.2 系统实现

采用C++和python联合编程的方式完成电力系统区域故障录波自动分析系统的研发。由于本系统涉及大量计算，所以实用C++进行数据的计算处理。

本系统采取xml作为中间文件实现了C++和python共同发挥作用，提高了系统开发与运行效率。具体来说，首先利用python将excel格式的定值文件读出，保存在一个xml文件中，然后C语言部分读取所有的录波文件和xml文件，按照前面所述的方法进行编程。分析的结果先保存在一个xml文件中，当所有内容分析完毕之后，再次使用python将xml数据读出，按照格式写入到word中。

3.3 系统运行效果

该系统在某电网公司运行，效果良好。单次离线故障分析时间在1 min以内，在线分析时间在10 min以内。已经利用分析工具分析了线路故障，发现了大量的异常信息，这些异常信息如下。

（1）开关量抖动。2020年3月28日09：34，220 kV某线发生C相永久性接地故障，两侧保护装置均三跳出口。系统显示“外回路抖动”，在发现该异常之后人工读取保护装置录波图，存在故障，发出预警信号。

（2）开关量缺失。2021年03月12日10:40，220 kV某线发生C相永久性接地故障，两侧保护装置均三跳出口，但是只采集到了A和B相跳位，未出现C相跳位。系统显示“外回路缺失”，在发现该异常之后人工读取保护装置录波图，其中不存在C相变位，显示确实存在故障，发出预警信号。

（3）定值不一致。测试中发现定值单和整定值有较多区别，某次真实事故检测结果如表4所示。暴露的主要问题包括：定值有效位数不一样、部分录波文件定值不全、部分录波不保存定值。特别是对于线路阻抗定值，整定单按照2位小数，但是大多数保护装置的有效位数不是2位，从而导致定值单不一致。

表4 金芦线路检测结果Table 4 Jinlu line test results

（4）录波文件异常。在分析某次故障的时候，发现某装置单跳时间不正确，对录波进行分析发现保护装置录波存在异常，主要是将重合前录波和重合后录波分成了2个单独的录波，从而在自动分析系统中出现异常告警。

在上述波形分析中，所有的分析全自动完成，故障之后10 min内就可以获取本次事故完整的分析报告。该报告对指导事故处理以及供电恢复具有重要指导作用，提高了事故分析的质量。

4 结语

本文提出一种电力系统故障区域录波自动分析方法并进行了系统研制，该系统是广域信息继电保护实时评价系统的重要组成部分。系统可自动完成事故分析，生成本次事故的综述，以及所有录波的时序分析、动作行为判断、定值灵敏度分析、模拟量分析、外回路分析、采样回路分析、定值分析、压板分析，并对波形中的异常情况进行告警。自动分析系统的应用，提高了电力系统故障录波分析的效率和质量，减少了人力成本，便于操作，安全可靠。该系统已在某省电力公司调度中心试运行，运行结果表明该方案具有良好的可行性。