基于保信主站的雙重化配置繼電保護(hù)裝置錄波同源比對(duì)研究

基于保信主站的雙重化配置繼電保護(hù)裝置錄波同源比對(duì)研究

崔亞芹熊蕙祁忠周明泉陳曉林基于保信主站的雙重化配置繼電保護(hù)裝置錄波同源比對(duì)研究崔亞芹熊蕙祁忠周明泉陳曉林（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京211102）針對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置在正常運(yùn)行工況下仍存在電流互感器中性線開路、相線斷線、接線端子松動(dòng)等不易判別的模擬量回路異常問題，本文提出基于保信主站對(duì)同一間隔雙重化配置保護(hù)裝置錄波進(jìn)行同源比對(duì)，以校驗(yàn)保護(hù)裝置采樣回路的準(zhǔn)確性和可靠性。保信主站自動(dòng)從子站采集錄波簡(jiǎn)報(bào)，實(shí)時(shí)捕獲雙重化配置保護(hù)裝置的錄波文件進(jìn)行比對(duì)分析，設(shè)置輕度異常和嚴(yán)重異常兩級(jí)門檻定值，當(dāng)波形比對(duì)特征值滿足預(yù)設(shè)異常判據(jù)時(shí)，通過主站W(wǎng)eb界面顯示告警；Web界面支持自定義離線比對(duì)，便于問題追溯和排查。實(shí)例分析驗(yàn)證了同源比對(duì)策略的有效性，表明了其工程應(yīng)用價(jià)值。保信主站；雙重化配置保護(hù)；瞬態(tài)數(shù)據(jù)交換通用格式（COMTRADE）；同源比對(duì)；Web0引言電力系統(tǒng)中，繼電保護(hù)需滿足可靠性、選擇性、速動(dòng)性、靈敏性四個(gè)基本要求[1]。要滿足四性，繼電保護(hù)采樣回路的準(zhǔn)確性和可靠性是重要前提，采樣回路若發(fā)生問題，可能引起保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)，影響電網(wǎng)穩(wěn)定性。目前，大部分繼電保護(hù)裝置已具備電壓互感器（PT）相線斷線及中性線斷線、電流互感器（CT）相線斷線判別邏輯，且判據(jù)多樣[2-11]。然而，在正常運(yùn)行情況下，CT中性線開路不易判別，對(duì)于線路輕載情況下的CT相線斷線或二次采樣回路接線端子松動(dòng)等情況，保護(hù)裝置也不易判別。為保證二次采樣回路的準(zhǔn)確性，仍需尋求有效的輔助判斷方法。本文基于繼電保護(hù)信息管理（簡(jiǎn)稱保信）系統(tǒng)主站，針對(duì)電力系統(tǒng)中的雙重化配置保護(hù)裝置[12-14]，開發(fā)保護(hù)錄波同源比對(duì)應(yīng)用功能：當(dāng)保護(hù)發(fā)生正常啟動(dòng)、故障跳閘時(shí)，保信主站[15-16]自動(dòng)從保信子站[17-18]采集保護(hù)裝置錄波簡(jiǎn)報(bào)，實(shí)時(shí)捕獲同一間隔雙重化配置保護(hù)裝置的瞬態(tài)數(shù)據(jù)交換通用格式（commonformatfortransientdataexchange,COMTRADE）保護(hù)錄波文件[19]和數(shù)據(jù)模型文件（datamodelfile,DMF）通道標(biāo)識(shí)配置文件，進(jìn)行波形同源比對(duì)分析；為便于直觀衡量比對(duì)偏差的嚴(yán)重性，本文設(shè)置輕度異常和嚴(yán)重異常兩個(gè)級(jí)別的門檻定值；當(dāng)波形比對(duì)特征值滿足預(yù)設(shè)異常判據(jù)時(shí)，則形成告警記錄和比對(duì)報(bào)告，并通過主站W(wǎng)eb界面顯示異常告警；為便于問題排查和追溯，同源比對(duì)Web界面同時(shí)具有離線比對(duì)功能，可自定義手動(dòng)挑選錄波進(jìn)行離線比對(duì)，由此可校驗(yàn)出正常運(yùn)行工況中無(wú)法發(fā)現(xiàn)的模擬量采樣回路異常，實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣回路接線端子松動(dòng)等異常情況的預(yù)警。1相關(guān)技術(shù)1.1繼電保護(hù)信息管理系統(tǒng)繼電保護(hù)信息管理系統(tǒng)[15]是一種可以對(duì)繼電保護(hù)裝置和故障錄波裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、遠(yuǎn)程控制，為繼電保護(hù)提供運(yùn)行管理服務(wù)，對(duì)電網(wǎng)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)分析的信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可提升電網(wǎng)運(yùn)行管理水平、提高事故處理速度，是繼電保護(hù)運(yùn)行管理、輔助分析不可或缺的技術(shù)支持系統(tǒng)。保信主站的基本架構(gòu)如圖1所示。保信主站采用平臺(tái)化結(jié)構(gòu)，基于基礎(chǔ)平臺(tái)構(gòu)建保信高級(jí)應(yīng)用，支持信息的充分獲取和共享，可擴(kuò)展性強(qiáng)。因此，可基于保信主站實(shí)現(xiàn)多樣的綜合智能應(yīng)用功能。1.2雙重化配置保護(hù)為提高繼電保護(hù)的可靠性，重要線路和設(shè)備按雙重化原則配置相互獨(dú)立的保護(hù)[12]。雙重化配置的兩套保護(hù)裝置，每套保護(hù)均應(yīng)含有完整的主、后備保護(hù)，能反應(yīng)被保護(hù)設(shè)備的各種故障及異常狀態(tài)，并能作用于跳閘或給出信號(hào)。圖1保信主站基本架構(gòu)雙重化配置的兩套保護(hù)裝置之間不應(yīng)有電氣聯(lián)系。兩套保護(hù)裝置的交流電流應(yīng)分別取自CT互相獨(dú)立的繞組；交流電壓宜分別取自PT互相獨(dú)立的繞組。應(yīng)使用兩套完整獨(dú)立的通信系統(tǒng)來傳輸兩套獨(dú)立的主保護(hù)通道，其告警信息接入相關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)。2同源比對(duì)功能架構(gòu)本文基于保信主站開發(fā)同源比對(duì)高級(jí)應(yīng)用。同源比對(duì)功能架構(gòu)主要包含同源比對(duì)數(shù)據(jù)分析模塊和Web展示界面，如圖2所示。圖2同源比對(duì)功能架構(gòu)同源比對(duì)數(shù)據(jù)分析模塊包括波形合并和波形比對(duì)功能，數(shù)據(jù)分析對(duì)象為雙重化配置的兩套保護(hù)裝置（以下簡(jiǎn)稱A/B套）的錄波文件和DMF通道標(biāo)識(shí)配置文件，比對(duì)結(jié)果存入關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。可通過實(shí)時(shí)比對(duì)進(jìn)程和離線比對(duì)兩種方式調(diào)用暫態(tài)同源比對(duì)數(shù)據(jù)分析模塊。Web展示界面具有歷史檢索和離線比對(duì)功能，歷史檢索可讀取關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)查詢獲取并展示實(shí)時(shí)比對(duì)分析結(jié)果；離線比對(duì)可自定義手動(dòng)挑選錄波文件進(jìn)行比對(duì)。3相關(guān)配置3.1DMF通道標(biāo)識(shí)文件配置雙重化配置保護(hù)裝置的錄波文件中，模擬量通道序號(hào)及通道名稱有可能不同。為便于統(tǒng)計(jì)雙重化配置保護(hù)錄波文件中需要進(jìn)行一一比對(duì)的模擬量通道，基于保信組態(tài)配置工具對(duì)各保護(hù)裝置進(jìn)行通道參數(shù)配置，配置各模擬通道的回路類型和支路類型，各套保護(hù)裝置形成獨(dú)有的DMF通道標(biāo)識(shí)配置文件。A/B套保護(hù)錄波比對(duì)時(shí)，針對(duì)配置了相同回路類型和支路類型的模擬通道進(jìn)行比對(duì)。3.2定值配置1）定值類型為便于直觀衡量比對(duì)偏差的嚴(yán)重性，本文設(shè)置輕度異常和嚴(yán)重異常兩個(gè)級(jí)別的門檻定值，定值類型見表1。表1錄波同源比對(duì)定值類型表1中，電壓幅值絕對(duì)閾值的定值表征為二次額定電壓的倍數(shù)，電流幅值絕對(duì)閾值的定值表征為二次額定電流的倍數(shù)。2）比對(duì)判據(jù)（1）幅值比對(duì)幅值特征值比對(duì)差值計(jì)算公式為式中：Amp1、Amp2為待比對(duì)幅值；diff為幅值特征值比對(duì)差值。幅值特征值比對(duì)越限判別公式為式中：limit_abs為絕對(duì)閾值；limit_rel為相對(duì)閾值。若比對(duì)通道類型為電壓模擬量通道，通道比對(duì)判輕度異常時(shí)，limit_abs和limit_rel計(jì)算公式為式中：n為電壓額定值；abs_abn為電壓幅值輕度異常門檻絕對(duì)閾值；rel_abn為電壓幅值輕度異常門檻相對(duì)閾值。電壓通道比對(duì)判嚴(yán)重異常時(shí)，limit_abs和limit_rel計(jì)算公式為式中：abs_err為電壓幅值嚴(yán)重異常門檻絕對(duì)閾值；rel_err為電壓幅值嚴(yán)重異常門檻相對(duì)閾值。若比對(duì)通道類型為電流模擬量通道，通道比對(duì)判輕度異常時(shí)，limit_abs和limit_rel計(jì)算公式為式中：n為電流額定值；abs_abn為電流幅值輕度異常門檻絕對(duì)閾值；rel_abn為電流幅值輕度異常門檻相對(duì)閾值。電流通道比對(duì)判嚴(yán)重異常時(shí)，limit_abs和limit_rel計(jì)算公式為式中：abs_err為電流幅值嚴(yán)重異常門檻絕對(duì)閾值；rel_err為電流幅值嚴(yán)重異常門檻相對(duì)閾值。若幅值特征值滿足式（7），則進(jìn)一步進(jìn)行相角比對(duì)判別；若不滿足，則無(wú)需比對(duì)相角，僅比對(duì)判別幅值即可。（2）相角比對(duì)相角特征值比對(duì)差值計(jì)算公式為式中：Pha1、Pha2為待比對(duì)相角；Pha為相角特征值比對(duì)差值，若Pha＞360°，需做角度換算，即相角特征值比對(duì)越限判別公式為式中，limit_pha為相角絕對(duì)閾值定值。相角比對(duì)判輕度異常時(shí)，有式中，ha_abn為相角輕度異常門檻絕對(duì)閾值。相角比對(duì)判嚴(yán)重異常時(shí)，有式中，ha_err為相角嚴(yán)重異常門檻絕對(duì)閾值。4數(shù)據(jù)分析4.1波形合并考慮雙重化配置保護(hù)裝置可能存在錄波采樣率不一致、采樣點(diǎn)數(shù)不同、波形啟動(dòng)時(shí)間不同步等差異，波形比對(duì)之前，需對(duì)雙重化配置保護(hù)裝置的錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行波形合并，步驟如下：1）通過抽點(diǎn)或插值的方式處理雙重化配置的兩套錄波數(shù)據(jù)，將兩者錄波的采樣率處理為一致。2）按波形的錄波觸發(fā)動(dòng)作時(shí)刻附近的波形特征尋找基準(zhǔn)通道對(duì)齊點(diǎn)，將兩者波形平移對(duì)齊；若無(wú)明顯對(duì)齊特征，則直接以觸發(fā)動(dòng)作時(shí)刻作為基準(zhǔn)點(diǎn)將波形對(duì)齊，進(jìn)行同步處理[20]。3）將同步處理后的比對(duì)目標(biāo)通道組的錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行波形合并形成新的錄波文件。4.2波形比對(duì)在合并波形文件的基礎(chǔ)上，基于同源比對(duì)配置定值，對(duì)雙重化配置保護(hù)的錄波通道數(shù)據(jù)進(jìn)行逐組波形比對(duì)。波形比對(duì)特性如下：1）對(duì)錄波觸發(fā)時(shí)刻前一個(gè)周波到觸發(fā)時(shí)刻后五個(gè)周波數(shù)據(jù)窗內(nèi)的模擬量通道采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換（fastFouriertransform,FFT）計(jì)算，獲取每個(gè)采樣點(diǎn)的幅值、相角特征值。2）根據(jù)電壓、電流模擬通道的幅值、相角比對(duì)判據(jù)，對(duì)通道組逐點(diǎn)比對(duì)特征值，若連續(xù)三點(diǎn)特征值比對(duì)異常即形成異常告警。3）設(shè)置輕度異常和嚴(yán)重異常兩個(gè)級(jí)別的特征值比對(duì)判據(jù)門檻定值，特征值比對(duì)越限時(shí)可區(qū)分輕度異?；驀?yán)重異常，以便于直觀衡量比對(duì)偏差的嚴(yán)重性。5Web界面保信主站同源比對(duì)Web展示界面具有歷史檢索和離線比對(duì)功能。歷史檢索可讀取關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)查詢獲取并展示實(shí)時(shí)比對(duì)分析結(jié)果；離線比對(duì)可自定義手動(dòng)挑選錄波文件進(jìn)行比對(duì)。5.1實(shí)時(shí)比對(duì)保信主站實(shí)時(shí)同源比對(duì)流程如圖3所示。圖3錄波實(shí)時(shí)同源比對(duì)流程實(shí)時(shí)同源比對(duì)功能特征：1）實(shí)時(shí)捕獲錄波簡(jiǎn)報(bào)，新接收的錄波簡(jiǎn)報(bào)按序排入錄波簡(jiǎn)報(bào)等待列表末尾。2）等待列表中每新增一條錄波簡(jiǎn)報(bào)，以新增簡(jiǎn)報(bào)的接收時(shí)間為基準(zhǔn)，向前推一個(gè)錄波簡(jiǎn)報(bào)接收等待時(shí)間窗window時(shí)長(zhǎng)，確定時(shí)間窗涵蓋范圍。3）等待列表中每新增一條錄波簡(jiǎn)報(bào)，時(shí)間窗相應(yīng)向后移動(dòng)一次，接收時(shí)間超出時(shí)間窗的錄波簡(jiǎn)報(bào)會(huì)被舍棄。4）等待列表中每新增一條錄波簡(jiǎn)報(bào)，遍歷時(shí)間窗內(nèi)所有錄波簡(jiǎn)報(bào)，逐個(gè)與新增錄波簡(jiǎn)報(bào)比較動(dòng)作時(shí)間，若兩者來自雙重化配置保護(hù)裝置且動(dòng)作時(shí)間間隔小于預(yù)設(shè)的最大動(dòng)作時(shí)間間隔Dmax，將兩者視為同源同時(shí)錄波，獲取相應(yīng)錄波文件進(jìn)行比對(duì)分析，比對(duì)結(jié)果存入關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)并形成告警記錄。5）將已進(jìn)行同源比對(duì)分析的錄波簡(jiǎn)報(bào)從等待列表移除。保信主站同源比對(duì)Web界面具有歷史檢索功能，可以展示實(shí)時(shí)比對(duì)分析結(jié)果，步驟如下：1）設(shè)置時(shí)間范圍，檢索具體廠站設(shè)備的比對(duì)結(jié)果列表。2）針對(duì)具體告警條目，查看同源比對(duì)告警明細(xì)報(bào)告；支持下載合并后的波形文件，便于問題排查和分析。5.2離線比對(duì)同源比對(duì)Web界面具有離線比對(duì)功能，可自定義手動(dòng)挑選錄波進(jìn)行離線比對(duì)，便于問題排查和追溯，具體步驟如下：1）檢索歷史波形。選擇具體的廠站設(shè)備，設(shè)置時(shí)間范圍檢索歷史波形文件。2）挑選比對(duì)波形。挑選兩條錄波記錄作為離線比對(duì)對(duì)象。3）觸發(fā)離線比對(duì)。離線比對(duì)分析結(jié)果也存入關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)并形成告警記錄。歷史檢索也同樣支持查看離線觸發(fā)的比對(duì)記錄。6實(shí)例分析針對(duì)繼電保護(hù)裝置CT斷線等二次采樣回路異常進(jìn)行模擬，對(duì)于存在二次采樣回路異常的繼電保護(hù)裝置在電力系統(tǒng)線路滿載、線路輕載等工況下發(fā)生正常啟動(dòng)、故障跳閘等情況時(shí)觸發(fā)的錄波進(jìn)行同源比對(duì)研究。限于篇幅，主要選取電力系統(tǒng)線路輕載工況下，繼電保護(hù)裝置存在CT相線斷線異常時(shí)發(fā)生正常啟動(dòng)、故障跳閘的情況，在保信主站進(jìn)行錄波同源比對(duì)實(shí)例分析。測(cè)試系統(tǒng)中，從220kV測(cè)試廠站中選取針對(duì)220kV測(cè)試I回線路配置的一組雙重化配置保護(hù)裝置：裝置A（P_L2231A）、裝置B（P_L2231B）進(jìn)行案例分析。將裝置A作為實(shí)驗(yàn)裝置，擬定其存在CT斷線異常；裝置B作為對(duì)比裝置，二次采樣回路正常。二次采樣回路中，設(shè)定額定相電壓為57.74V，額定相電流為1A。首先對(duì)裝置A和裝置B進(jìn)行DMF通道標(biāo)識(shí)文件配置見表2，配置比對(duì)通道的回路類型和支路類型，確定比對(duì)目標(biāo)通道組。表2DMF通道標(biāo)識(shí)配置根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行工況配置同源比對(duì)特征量越限門檻定值，見表3。表3同源比對(duì)特征量越限門檻定值測(cè)試系統(tǒng)對(duì)于雙重化配置保護(hù)裝置在線路輕載情況下的正常啟動(dòng)和故障跳閘進(jìn)行模擬并觸發(fā)錄波，保信主站實(shí)時(shí)捕獲雙重化配置保護(hù)裝置的錄波文件進(jìn)行同源比對(duì)分析。1）案例1：線路輕載，雙套保護(hù)正常啟動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)模擬工況：裝置A的CT的A相斷線，裝置B的CT正常；線路輕載工況下，裝置A和裝置B正常啟動(dòng)，觸發(fā)錄波。保信主站同源比對(duì)Web界面中，發(fā)出裝置A和裝置B的實(shí)時(shí)同源比對(duì)異常告警。打開相應(yīng)的同源比對(duì)明細(xì)報(bào)告，提取錄波比對(duì)結(jié)果見表4。表4雙重化配置保護(hù)裝置錄波比對(duì)結(jié)果（實(shí)驗(yàn)裝置CT斷線，線路輕載，雙套保護(hù)正常啟動(dòng)）下載并打開告警對(duì)應(yīng)的合并波形文件，雙重化配置保護(hù)裝置比對(duì)波形如圖4所示，圖中標(biāo)識(shí)錄波觸發(fā)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的幅值和相角特征值。圖4同源比對(duì)波形（雙套保護(hù)正常啟動(dòng)）2）案例2：線路輕載，雙套保護(hù)單相跳閘測(cè)試系統(tǒng)模擬工況：裝置A的CT的A相斷線，裝置B的CT正常；線路輕載工況下，線路發(fā)生B相接地故障，裝置A和裝置B發(fā)生單相（B相）故障跳閘，觸發(fā)錄波。保信主站同源比對(duì)Web界面中，發(fā)出裝置A和裝置B的實(shí)時(shí)同源比對(duì)異常告警。打開相應(yīng)的同源比對(duì)明細(xì)報(bào)告，提取錄波比對(duì)結(jié)果見表5。表5雙重化配置保護(hù)裝置錄波比對(duì)結(jié)果（實(shí)驗(yàn)裝置CT斷線，線路輕載，雙套保護(hù)單相跳閘）打開告警對(duì)應(yīng)的雙重化配置保護(hù)裝置比對(duì)波形如圖5所示，圖中標(biāo)識(shí)錄波觸發(fā)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的幅值和相角特征值。圖5同源比對(duì)波形（雙套保護(hù)單相跳閘）3）案例3：線路輕載，雙套保護(hù)三相跳閘測(cè)試系統(tǒng)模擬工況：裝置A的CT的A相斷線，裝置B的CT正常；線路輕載工況下，線路發(fā)生三相接地故障，裝置A和裝置B發(fā)生三相故障跳閘，觸發(fā)錄波。保信主站同源比對(duì)Web界面中，發(fā)出裝置A和裝置B的實(shí)時(shí)同源比對(duì)異常告警。打開相應(yīng)的同源比對(duì)明細(xì)報(bào)告，提取錄波比對(duì)結(jié)果見表6。表6雙重化配置保護(hù)裝置錄波比對(duì)結(jié)果（實(shí)驗(yàn)裝置CT斷線，線路輕載，雙套保護(hù)三相跳閘）打開告警對(duì)應(yīng)的雙重化配置保護(hù)裝置比對(duì)波形如圖6所示，圖中標(biāo)識(shí)錄波觸發(fā)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的幅值和相角特征值。圖6同源比對(duì)波形（雙套保護(hù)三相跳閘）由上述案例分析結(jié)果可見，列舉的幾種工況中，保信主站錄波同源比對(duì)報(bào)告中，通道類型Line_Ia（支路類型為L(zhǎng)ine，回路類型為Ia）的錄波比對(duì)結(jié)果均為嚴(yán)重異常，與測(cè)試系統(tǒng)模擬的實(shí)驗(yàn)裝置的CT的A相斷線異常情況相符。綜上，可根據(jù)保信主站同源比對(duì)Web界面給出的告警提示，查看相應(yīng)的同源比對(duì)明細(xì)報(bào)告和比對(duì)波形，根據(jù)比對(duì)報(bào)告所提示的比對(duì)異常的通道類型，對(duì)繼電保護(hù)裝置的相應(yīng)采樣回路進(jìn)行檢查，以及時(shí)排查故障隱患。7結(jié)論本文基于保信主站，針對(duì)電力系統(tǒng)中的雙重化配置保護(hù)裝置開發(fā)了保護(hù)錄波同源比對(duì)應(yīng)用功能，對(duì)于同一間隔雙重化配置保護(hù)裝置的錄波比對(duì)進(jìn)行了實(shí)例分析，結(jié)果表明：1）保信主站可以自動(dòng)從保信子站采集保護(hù)裝置錄波簡(jiǎn)報(bào)，實(shí)時(shí)捕獲同一間隔雙重化配置保護(hù)裝置的COMTRADE保護(hù)錄波文件和DMF通道標(biāo)識(shí)配置文件，進(jìn)行波形同源比對(duì)分析，當(dāng)兩者模擬量特征值滿足預(yù)設(shè)異常判據(jù)時(shí)則形成告警記錄和比對(duì)報(bào)告，主站可通過Web界面顯示模擬量不一致異常告警。由此可輔助校驗(yàn)出正常運(yùn)行工況無(wú)法發(fā)現(xiàn)的采樣回路異常，實(shí)現(xiàn)對(duì)回路中接線端子松動(dòng)等異常情況的預(yù)警，提醒及時(shí)排查隱患，在工程實(shí)際中得到有效應(yīng)用，具備工程應(yīng)用前景和價(jià)值。2）設(shè)置了輕度異常和嚴(yán)重異常兩個(gè)級(jí)別的特征值比對(duì)判據(jù)門檻定值，特征值比對(duì)越限時(shí)，異常報(bào)告界面中可區(qū)分輕度異常或嚴(yán)重異常告警，由此便于直觀衡量比對(duì)偏差的嚴(yán)重性。此外，告警方式還有優(yōu)化空間，對(duì)于嚴(yán)重異常告警可支持短信通知相關(guān)運(yùn)維人員。[1]張保會(huì),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