基于保信主站的双重化配置继电保护装置录波同源比对研究

崔亚芹 熊 蕙 祁 忠 周明泉 陈晓林

基于保信主站的双重化配置继电保护装置录波同源比对研究

崔亚芹 熊 蕙 祁 忠 周明泉 陈晓林

（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

针对电力系统继电保护装置在正常运行工况下仍存在电流互感器中性线开路、相线断线、接线端子松动等不易判别的模拟量回路异常问题，本文提出基于保信主站对同一间隔双重化配置保护装置录波进行同源比对，以校验保护装置采样回路的准确性和可靠性。保信主站自动从子站采集录波简报，实时捕获双重化配置保护装置的录波文件进行比对分析，设置轻度异常和严重异常两级门槛定值，当波形比对特征值满足预设异常判据时，通过主站Web界面显示告警；Web界面支持自定义离线比对，便于问题追溯和排查。实例分析验证了同源比对策略的有效性，表明了其工程应用价值。

保信主站；双重化配置保护；瞬态数据交换通用格式（COMTRADE）；同源比对；Web

0 引言

电力系统中，继电保护需满足可靠性、选择性、速动性、灵敏性四个基本要求[1]。要满足四性，继电保护采样回路的准确性和可靠性是重要前提，采样回路若发生问题，可能引起保护拒动或误动，影响电网稳定性。目前，大部分继电保护装置已具备电压互感器（PT）相线断线及中性线断线、电流互感器（CT）相线断线判别逻辑，且判据多样[2-11]。然而，在正常运行情况下，CT中性线开路不易判别，对于线路轻载情况下的CT相线断线或二次采样回路接线端子松动等情况，保护装置也不易判别。为保证二次采样回路的准确性，仍需寻求有效的辅助判断方法。

本文基于继电保护信息管理（简称保信）系统主站，针对电力系统中的双重化配置保护装置[12-14]，开发保护录波同源比对应用功能：当保护发生正常启动、故障跳闸时，保信主站[15-16]自动从保信子 站[17-18]采集保护装置录波简报，实时捕获同一间隔双重化配置保护装置的瞬态数据交换通用格式（common format for transient data exchange, COMTRADE）保护录波文件[19]和数据模型文件（data model file, DMF）通道标识配置文件，进行波形同源比对分析；为便于直观衡量比对偏差的严重性，本文设置轻度异常和严重异常两个级别的门槛定值；当波形比对特征值满足预设异常判据时，则形成告警记录和比对报告，并通过主站Web界面显示异常告警；为便于问题排查和追溯，同源比对Web界面同时具有离线比对功能，可自定义手动挑选录波进行离线比对，由此可校验出正常运行工况中无法发现的模拟量采样回路异常，实现对采样回路接线端子松动等异常情况的预警。

1 相关技术

1.1 继电保护信息管理系统

继电保护信息管理系统[15]是一种可以对继电保护装置和故障录波装置进行实时监视、远程控制，为继电保护提供运行管理服务，对电网故障进行实时分析的信息管理系统。该系统可提升电网运行管理水平、提高事故处理速度，是继电保护运行管理、辅助分析不可或缺的技术支持系统。

保信主站的基本架构如图1所示。保信主站采用平台化结构，基于基础平台构建保信高级应用，支持信息的充分获取和共享，可扩展性强。因此，可基于保信主站实现多样的综合智能应用功能。

1.2 双重化配置保护

为提高继电保护的可靠性，重要线路和设备按双重化原则配置相互独立的保护[12]。双重化配置的两套保护装置，每套保护均应含有完整的主、后备保护，能反应被保护设备的各种故障及异常状态，并能作用于跳闸或给出信号。

图1 保信主站基本架构

双重化配置的两套保护装置之间不应有电气联系。两套保护装置的交流电流应分别取自CT互相独立的绕组；交流电压宜分别取自PT互相独立的绕组。应使用两套完整独立的通信系统来传输两套独立的主保护通道，其告警信息接入相关监控系统。

2 同源比对功能架构

本文基于保信主站开发同源比对高级应用。同源比对功能架构主要包含同源比对数据分析模块和Web展示界面，如图2所示。

图2 同源比对功能架构

同源比对数据分析模块包括波形合并和波形比对功能，数据分析对象为双重化配置的两套保护装置（以下简称A/B套）的录波文件和DMF通道标识配置文件，比对结果存入关系数据库。可通过实时比对进程和离线比对两种方式调用暂态同源比对数据分析模块。Web展示界面具有历史检索和离线比对功能，历史检索可读取关系数据库查询获取并展示实时比对分析结果；离线比对可自定义手动挑选录波文件进行比对。

3 相关配置

3.1 DMF通道标识文件配置

双重化配置保护装置的录波文件中，模拟量通道序号及通道名称有可能不同。为便于统计双重化配置保护录波文件中需要进行一一比对的模拟量通道，基于保信组态配置工具对各保护装置进行通道参数配置，配置各模拟通道的回路类型和支路类型，各套保护装置形成独有的DMF通道标识配置文件。A/B套保护录波比对时，针对配置了相同回路类型和支路类型的模拟通道进行比对。

3.2 定值配置

1）定值类型

为便于直观衡量比对偏差的严重性，本文设置轻度异常和严重异常两个级别的门槛定值，定值类型见表1。

表1 录波同源比对定值类型

表1中，电压幅值绝对阈值的定值表征为二次额定电压的倍数，电流幅值绝对阈值的定值表征为二次额定电流的倍数。

2）比对判据

（1）幅值比对

幅值特征值比对差值计算公式为

式中：Amp1、Amp2为待比对幅值；diff为幅值特征值比对差值。

幅值特征值比对越限判别公式为

式中：limit_abs为绝对阈值；limit_rel为相对阈值。

若比对通道类型为电压模拟量通道，通道比对判轻度异常时，limit_abs和limit_rel计算公式为

式中：n为电压额定值；abs_abn为电压幅值轻度异常门槛绝对阈值；rel_abn为电压幅值轻度异常门槛相对阈值。

电压通道比对判严重异常时，limit_abs和limit_rel计算公式为

式中：abs_err为电压幅值严重异常门槛绝对阈值；rel_err为电压幅值严重异常门槛相对阈值。

若比对通道类型为电流模拟量通道，通道比对判轻度异常时，limit_abs和limit_rel计算公式为

式中：n为电流额定值；abs_abn为电流幅值轻度异常门槛绝对阈值；rel_abn为电流幅值轻度异常门槛相对阈值。

电流通道比对判严重异常时，limit_abs和limit_rel计算公式为

式中：abs_err为电流幅值严重异常门槛绝对阈值；rel_err为电流幅值严重异常门槛相对阈值。

若幅值特征值满足式（7），则进一步进行相角比对判别；若不满足，则无需比对相角，仅比对判别幅值即可。

（2）相角比对

相角特征值比对差值计算公式为

式中：Pha1、Pha2为待比对相角；Pha为相角特征值比对差值，若Pha＞360°，需做角度换算，即

相角特征值比对越限判别公式为

式中，limit_pha为相角绝对阈值定值。相角比对判轻度异常时，有

式中，ha_abn为相角轻度异常门槛绝对阈值。

相角比对判严重异常时，有

式中，ha_err为相角严重异常门槛绝对阈值。

4 数据分析

4.1 波形合并

考虑双重化配置保护装置可能存在录波采样率不一致、采样点数不同、波形启动时间不同步等差异，波形比对之前，需对双重化配置保护装置的录波数据进行波形合并，步骤如下：

1）通过抽点或插值的方式处理双重化配置的两套录波数据，将两者录波的采样率处理为一致。

2）按波形的录波触发动作时刻附近的波形特征寻找基准通道对齐点，将两者波形平移对齐；若无明显对齐特征，则直接以触发动作时刻作为基准点将波形对齐，进行同步处理[20]。

3）将同步处理后的比对目标通道组的录波数据进行波形合并形成新的录波文件。

4.2 波形比对

在合并波形文件的基础上，基于同源比对配置定值，对双重化配置保护的录波通道数据进行逐组波形比对。波形比对特性如下：

1）对录波触发时刻前一个周波到触发时刻后五个周波数据窗内的模拟量通道采样数据进行快速傅里叶变换（fast Fourier transform, FFT）计算，获取每个采样点的幅值、相角特征值。

2）根据电压、电流模拟通道的幅值、相角比对判据，对通道组逐点比对特征值，若连续三点特征值比对异常即形成异常告警。

3）设置轻度异常和严重异常两个级别的特征值比对判据门槛定值，特征值比对越限时可区分轻度异常或严重异常，以便于直观衡量比对偏差的严重性。

5 Web界面

保信主站同源比对Web展示界面具有历史检索和离线比对功能。历史检索可读取关系数据库查询获取并展示实时比对分析结果；离线比对可自定义手动挑选录波文件进行比对。

5.1 实时比对

保信主站实时同源比对流程如图3所示。

图3 录波实时同源比对流程

实时同源比对功能特征：

1）实时捕获录波简报，新接收的录波简报按序排入录波简报等待列表末尾。

2）等待列表中每新增一条录波简报，以新增简报的接收时间为基准，向前推一个录波简报接收等待时间窗window时长，确定时间窗涵盖范围。

3）等待列表中每新增一条录波简报，时间窗相应向后移动一次，接收时间超出时间窗的录波简报会被舍弃。

4）等待列表中每新增一条录波简报，遍历时间窗内所有录波简报，逐个与新增录波简报比较动作时间，若两者来自双重化配置保护装置且动作时间间隔小于预设的最大动作时间间隔Dmax，将两者视为同源同时录波，获取相应录波文件进行比对分析，比对结果存入关系数据库并形成告警记录。

5）将已进行同源比对分析的录波简报从等待列表移除。

保信主站同源比对Web界面具有历史检索功能，可以展示实时比对分析结果，步骤如下：

1）设置时间范围，检索具体厂站设备的比对结果列表。

2）针对具体告警条目，查看同源比对告警明细报告；支持下载合并后的波形文件，便于问题排查和分析。

5.2 离线比对

同源比对Web界面具有离线比对功能，可自定义手动挑选录波进行离线比对，便于问题排查和追溯，具体步骤如下：

1）检索历史波形。选择具体的厂站设备，设置时间范围检索历史波形文件。

2）挑选比对波形。挑选两条录波记录作为离线比对对象。

3）触发离线比对。离线比对分析结果也存入关系数据库并形成告警记录。历史检索也同样支持查看离线触发的比对记录。

6 实例分析

针对继电保护装置CT断线等二次采样回路异常进行模拟，对于存在二次采样回路异常的继电保护装置在电力系统线路满载、线路轻载等工况下发生正常启动、故障跳闸等情况时触发的录波进行同源比对研究。限于篇幅，主要选取电力系统线路轻载工况下，继电保护装置存在CT相线断线异常时发生正常启动、故障跳闸的情况，在保信主站进行录波同源比对实例分析。

测试系统中，从220kV测试厂站中选取针对220kV测试I回线路配置的一组双重化配置保护装置：装置A（P_L2231A）、装置B（P_L2231B）进行案例分析。将装置A作为实验装置，拟定其存在CT断线异常；装置B作为对比装置，二次采样回路正常。二次采样回路中，设定额定相电压为57.74V，额定相电流为1A。

首先对装置A和装置B进行DMF通道标识文件配置见表2，配置比对通道的回路类型和支路类型，确定比对目标通道组。

表2 DMF通道标识配置

根据当前运行工况配置同源比对特征量越限门槛定值，见表3。

表3 同源比对特征量越限门槛定值

测试系统对于双重化配置保护装置在线路轻载情况下的正常启动和故障跳闸进行模拟并触发录波，保信主站实时捕获双重化配置保护装置的录波文件进行同源比对分析。

1）案例1：线路轻载，双套保护正常启动

测试系统模拟工况：装置A的CT的A相断线，装置B的CT正常；线路轻载工况下，装置A和装置B正常启动，触发录波。

保信主站同源比对Web界面中，发出装置A和装置B的实时同源比对异常告警。打开相应的同源比对明细报告，提取录波比对结果见表4。

表4 双重化配置保护装置录波比对结果（实验装置CT断线，线路轻载，双套保护正常启动）

下载并打开告警对应的合并波形文件，双重化配置保护装置比对波形如图4所示，图中标识录波触发时刻对应的幅值和相角特征值。

图4 同源比对波形（双套保护正常启动）

2）案例2：线路轻载，双套保护单相跳闸

测试系统模拟工况：装置A的CT的A相断线，装置B的CT正常；线路轻载工况下，线路发生B相接地故障，装置A和装置B发生单相（B相）故障跳闸，触发录波。

保信主站同源比对Web界面中，发出装置A和装置B的实时同源比对异常告警。打开相应的同源比对明细报告，提取录波比对结果见表5。

表5 双重化配置保护装置录波比对结果（实验装置CT断线，线路轻载，双套保护单相跳闸）

打开告警对应的双重化配置保护装置比对波形如图5所示，图中标识录波触发时刻对应的幅值和相角特征值。

图5 同源比对波形（双套保护单相跳闸）

3）案例3：线路轻载，双套保护三相跳闸

测试系统模拟工况：装置A的CT的A相断线，装置B的CT正常；线路轻载工况下，线路发生三相接地故障，装置A和装置B发生三相故障跳闸，触发录波。

保信主站同源比对Web界面中，发出装置A和装置B的实时同源比对异常告警。打开相应的同源比对明细报告，提取录波比对结果见表6。

表6 双重化配置保护装置录波比对结果（实验装置CT断线，线路轻载，双套保护三相跳闸）

打开告警对应的双重化配置保护装置比对波形如图6所示，图中标识录波触发时刻对应的幅值和相角特征值。

图6 同源比对波形（双套保护三相跳闸）

由上述案例分析结果可见，列举的几种工况中，保信主站录波同源比对报告中，通道类型Line_Ia（支路类型为Line，回路类型为Ia）的录波比对结果均为严重异常，与测试系统模拟的实验装置的CT的A相断线异常情况相符。

综上，可根据保信主站同源比对Web界面给出的告警提示，查看相应的同源比对明细报告和比对波形，根据比对报告所提示的比对异常的通道类型，对继电保护装置的相应采样回路进行检查，以及时排查故障隐患。

7 结论

本文基于保信主站，针对电力系统中的双重化配置保护装置开发了保护录波同源比对应用功能，对于同一间隔双重化配置保护装置的录波比对进行了实例分析，结果表明：

1）保信主站可以自动从保信子站采集保护装置录波简报，实时捕获同一间隔双重化配置保护装置的COMTRADE保护录波文件和DMF通道标识配置文件，进行波形同源比对分析，当两者模拟量特征值满足预设异常判据时则形成告警记录和比对报告，主站可通过Web界面显示模拟量不一致异常告警。由此可辅助校验出正常运行工况无法发现的采样回路异常，实现对回路中接线端子松动等异常情况的预警，提醒及时排查隐患，在工程实际中得到有效应用，具备工程应用前景和价值。

2）设置了轻度异常和严重异常两个级别的特征值比对判据门槛定值，特征值比对越限时，异常报告界面中可区分轻度异常或严重异常告警，由此便于直观衡量比对偏差的严重性。此外，告警方式还有优化空间，对于严重异常告警可支持短信通知相关运维人员。

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Research on recording homology comparison of relay protection devices with dual configuration based on protection information management master station

CUI Yaqin XIONG Hui QI Zhong ZHOU Mingquan CHEN Xiaolin

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

In view of the abnormal problems of analog circuits which are not easy to distinguish, such as open circuit of current transformer neutral line, broken phase line, loose terminal and so on, in the relay protection device in the power system under normal operation conditions, this paper proposes to carry out homologous comparison on the recording of dual configuration protection devices at the same bay based on the master station of relay protection information management system, so as to verify the accuracy and reliability of sampling circuit of protection device. The master station of the relay protection information management system automatically collects wave recording reports from the substation, captures the wave recording files of the dual configuration protection devices in real time for comparison and analysis, sets the two-level threshold setting of mild anomaly and serious anomaly, and displays the alarm through the Web interface of the master station when the waveform comparison characteristic value meets the preset anomaly criterion. The Web interface supports customized offline comparison to facilitate problem tracing and troubleshooting. The example analy-sis verifies the effectiveness of the homology comparison strategy and reflects its engineering appli-cation value.

protection information management master station; dual configuration protection; common format for transient data exchange (COMTRADE); homology comparison; Web

2022-04-02

2022-04-18

崔亚芹（1987—），女，江苏省东台市人，硕士，工程师，主要从事电力系统监控与保护工具软件的研发工作。

南瑞继保SPIF项目（Task2021036）