智能变电站故障分析辅助系统设计

朱强郑经荣王璇

（国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京210061）

摘要：根据目前智能化站配置的SCADA系统和保护子站系统，结合IEC61850模型中保护LN功能节点分解配置的特点，提出一种将保护功能LN、录波通道与一次设备配置关联建模，并综合该模型和这两套系统采集的信息，依据故障专家推理系统得到故障结论的变电站故障分析辅助系统的设计思想。

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关键词 ：IEC61850模型；故障分析；SCADA系统；保信子站；录波分析

0引言

当电网发生一次故障时，保护装置会生成大量的动作事件、扰动数据、故障参数等信息，如何准确、有效地将3类信息综合分析、汇总为一次故障的信息，并生成统一的故障报告，是故障信息系统面临的首要难题［1］。IEC61850标准定义了变电站配置语言SCL，该语言用于对变电站系统进行完备的描述，并通过配置器对设备进行配置［2］，由该语言配置的SCD文件可以描述变电站自动化系统的各电子设备功能配置情况。SCD文件中保护设备的IED模型包含有各种保护功能LN的定义，而录波暂态comtrade数据文件中有录波通道的定义，本文提出了一种将这些保护功能LN和录波通道与被保护的一次设备关联建模，并由此构建一套变电站故障分析辅助系统的思路，该系统具备辅助站内值班人员在站端发生设备故障跳闸情况下汇总SCADA系统信息、录波设备信息、保护设备信息进行事故分析的功能。

1目前故障分析系统的构成

目前的电网故障信息系统由厂站端的子站、通信传输网络以及各级电网调度中心（主站）组成。子站是一个信息采集中心，采集数字式保护和录波器的信息，完成不同设备的规约转换，并实现与主站的信息交互，子站本身不具备站内故障分析功能，只是作为一个网关，将站内保护信息和录波器信息汇总统一格式，发送到各级主站。这样配置在主站端的故障分析系统优点是能结合电网拓扑情况进行故障分析，分析结果相对可靠，但系统也存在以下缺点：

（1）站内继电保护故障时，一般都伴随着断路器位置变化的信号和断路器机构的信号，由于故障子站系统只接收站内数字式保护和录波器的信息，不接收SCADA系统的开关位置信息，进行故障分析难免会有错误和不准确的情况。

（2）站内单独配置的子站系统，目前大多数只能对站内保护信息进行汇总上传，部分子站能按照事先配置的策略进行信息的筛选过滤和预分析，但所有子站并不具备独立的分析能力，这样如果站内发生事故，站内的运行人员就无法从这套系统得到站内故障分析的结果，从而也就影响了第一现场的故障处理效率。

（3）对于智能变电站，全站的通讯已经统一于IEC61850规约，全站SCD模型文件当中已包含所有二次设备信息，SCADA系统已经具备采集全站保护、录波信息的能力。

综合以上分析，我们提出在当前变电站监控系统（SCADA）基础上配置一套故障分析辅助系统，这套系统具备常规保信子站系统的一切数据采集转发功能，还能够结合站内故障时保护、录波、硬接点、在线监测等信息进行故障原因综合分析判断并得到故障的分析报告，报告提供故障时的保护、变位、录波等全方位详细信息，同时也支持存储、调阅、远传功能。

2故障分析辅助系统的主要组成部分

2.1分析模型组态模块

由于变电站故障分析的结论最终是体现在一次设备上的，故障时的信息都是作为辅助手段来确定该一次设备的故障情况，这样故障分析系统最基本的模型为一次设备模型，一次设备故障判断依据可以来自多套保护装置的信息，如线路可以有两套保护装置，每套保护装置分别设有主保护功能如光差、距离一二段，后备保护功能如距离三段、零序三段等，同时该线路保护还可以来源于其他一次设备的保护如主变保护的远后备功能，一次设备和各保护装置的关联已经弱化，关联主要在分解的LN保护功能上进行，同时设备还需要和录波（集中、分散）中的对应通道关联，以便在分析判断故障时调取该时段对应的测量暂态数据情况作为辅助判断。综上所述，我们进行了下列分析系统初始模型定义：

（1）定义一次设备模型。基于站内的一次设备进行定义，提供分析基础设备信息。

（2）定义保护功能模型。该模型按照IEC61850定义的LN保护功能原理类别进行定义。

（3）定义保护通道模型。该模型按照通道采集的模拟量类别定义。

分析系统组态模块的主要功能是将站内的一次设备模型、保护模块模型、录波通道模型进行关联，同时定义该设备主要故障类型的推理知识库，组态模块是实现抽象模型完整定义并且实例化的工具，它根据变电站实际配置的一次设备、保护装置、录波器情况，配置故障分析系统需要的信息，并定义各模型之间的连接关系，实现各个模型的动态组合并形成一个完整的变电站内故障分析系统模型，为下面故障分析判断、故障定位提供分析基础。

2.2故障分析推理模块

该模块结合SCADA系统开关的变位信号、保护动作信号、保护定值、录波文件等信息，进行故障情况的推理演算，推理依据预先已定义的故障系统分析模型，对一次设备可能发生的故障类型进行事件匹配情况分析，特别是对保护动作出口情况、保护定值设置、保护压板投退、录波波形等进行同一时段的对比分析及保护的动作行为分析（拒动、误动的合理性判断），其中涉及保护动作原理部分计算考虑到不同厂家的装置实现有差别但是基本原理一致的特点，进行统一原理模型化处理，后期再由不同的模块来实现不同厂家保护原理到统一模型的归一化处理。该部分的判断结果结合设备故障特征的专家知识库模型与录波暂态数据，能够达到快速推理定位出故障元件的目的。

2.3故障结论展示模块

故障结论展示模块可以对故障推理的结果进行汇总展示，它包含3个部分：

2.3.1故障推理结论的报表展示

该功能主要通过报表展示的方式，展示系统推理分析出的故障结论，展示的内容既有按时间顺序罗列出的故障发生时刻的SOE记录、开关变位记录、保护动作记录、录波记录等信息，也可以列出故障前后站内指定模拟量的变化情况、故障设备的具体参数等可能有用的辅助信息。

2.3.2故障相关波形展示

该功能依据故障结论，通过对全站的故障发生点时间前后波形变化情况进行的库记录，集中汇总筛选各保护装置的保护波形信息，同时还可以选择指定保护装置的通道或录波器通道，汇总展示对应通道的录波波形变化情况，并可以进一步对录波波形进行深入分析，如阻抗分析、功率方向判别、差流分析等多种保护行为的分析功能。

2.3.3故障结论的存储、调用及远传功能

该功能能够将系统分析的结论存为二进制文件，并存入数据库，这样当以后有使用者需要查看某时间段故障时，可以直接调取该结论文件进行查看，该二进制文件具备转换功能，以便生成各种其他格式文件供调度或各不同应用需求用户调用。

3故障分析推理方法选择与模型设计

故障诊断推理及定位技术，从本质上来说是一个从异常信号辨别故障类型、故障发生点的模式识别技术，它在电网故障分析诊断方面的应用已经有很多成熟的经验，总的来说分为3个种类：

（1）基于解析模型的方法，例如状态估计法、等价空间法等。

（2）基于对信号的处理方法，例如自回归滑动平均法、小波变换法等。

（3）基于知识库的诊断方法，例如专家系统法，神经网络法等。

结合专家系统和模糊推理技术进行故障诊断的方法，在一定程度上改善了保护故障诊断系统对保护和断路器拒动、误动产生的容错性。基于产生式规则的系统，即把保护、断路器的动作逻辑以及运行人员的诊断经验用规则表示出来，形成故障诊断专家系统的知识库［3］，根据告警信息、波形信息、保护信息结合专家知识库模型进行推理，获得故障诊断的结论。我们认为采用这种目前较为成熟的故障分析系统的方案并加以完善用于变电站故障的推理可行性是比较高的。

3.1中性点直接接地系统的故障分析

以110kV线路为例，文献［4］列举了该电压等级的线路保护配置一般是三段式距离保护和零序保护，它们采用分段式保护原理，Ⅰ段一般不带时限，保护线路全长80%～90%，Ⅱ段带较小延时，保护全长及下一段线路20%～30%，它们构成全线路的主保护；Ⅲ段称为定时限保护，带较长时限，保护本线路及下一段线路全长，为线路的近后备保护。

下面以线路A相单相接地故障为例进行分析：如110kV线路的主保护动作，则故障应该为本线路范围内的单相接地，该故障构成元素如图1所示；若故障线路的近后备保护动作，则故障可能为本线路故障（如断路器拒动或经高阻抗接地），构成元素如图2、图3所示；若故障线路的远后备保护动作，这种是故障线路主保护未跳开，远后备保护越级跳闸情况，构成元素如图4所示。

3.2中性点不直接接地系统的故障分析

中性点不直接接地系统若发生线路A相的单相接地故障，会造成B、C相的电压升高（若为金属接地为3倍相电压值，若为弧光接地可能达到3.1～3.5倍相电压值），由于线电压还是对称的，根据规程规定可运行2h，此时的故障并不作用于跳闸，但由于B、C相电压升高可能造成这两相的绝缘被击穿，故障存在进一步发展为两相、三相短路的可能，此时线路主保护动作跳闸，故障构成元素如图5所示。

综上分析，故障的产生必然伴随着各种构成元素，从这些元素来进行归类可分为录波元素、保护元素两大种类，故障分析专家系统模型应由这两大类元素按照逻辑关系构成（可考虑元素的时序关系），推理程序将该线路设备的关联保护、关联录波信息按照上述元素进行匹配判断，结合推理模型得出故障结论（若存在多种故障结论可匹配，可按匹配情况拟合度排列，取拟合度高的故障结论）。专家系统模型根据设备类型、故障类型定义图6结构。

4系统流程框图及模块说明

系统流程框图如图7所示。

4.1保护事件检索模块

保护事件检索模块可以查找指定时间段的SOE事件、保护事件、开关动作信号等故障信息，该模块提供查询接口给推理程序，用于推理程序定位故障设备。

4.2推理系统配置模块

通过站内数据库、scd模型、comtrade文件得到一次设备、保护设备、录波通道的模型信息，由用户通过配置关联，建立起这些相关模型的逻辑关联关系。

4.3推理专家系统模块

专家模型模块采用xml的语言格式设计定义了一种模型文件，该模型定义了录波和保护两大类推理元素以及它们的信息和行为，这些信息和行为可根据实际推理需要扩展，元素自由组合这些信息和行为来组成不同的故障推理模型。

4.4保护原理判断模块

该模块对保护元素的动作情况，结合保护定值、保护录波波形数据进行判断，确定该保护动作的正确性，该模块可以调取波形文件读取的接口调取波形信息，通过故障推理系统配置模块调取保护的定值信息。

4.5故障报告展示模块

推理程序得到的故障结论应该有一定的格式供故障报告程序展示，报告需要包括故障发生时间、故障设备、故障类型、故障相别、故障测距、开关变位、SOE、重合闸情况等。在该展示界面上可以调取故障时间段相关的保护录波波形、保护定值、事件记录列表进行查看。

4.6波形展示分析模块

故障波形文件的读取和展示模块，可根据产生的故障暂态数据comtrade文件（.hdr、.dat、.cfg）生成可展示的波形，并能提供相关接口调取某个保护或录波器某个时间段的波形值，以便供推理程序或其他模块使用。

5结语

该系统的主要应用场合是变电站的事故后辅助分析，对于故障分析时间段的选择可以采用人工输入方式或根据时间段故障暂态数据文件的范围划定时间窗的方式来确定，一旦确定时间段启动分析，系统将会收集SCADA、保护、暂态波形信息等定位故障设备，最后得到故障报告，用于提供给站内处理事故的人员，使他们能够更直观迅速地得到事故的相关过程信息，作出故障原因分析和结果判断，提高事故处理的工作效率。

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参考文献］

［1］陈春，王业平，崔毅敏，等.电网故障信息系统中的故障分析与判断［J］.电力系统自动化，2011，35（19）：97?100.

［2］吴永超，王增平，吕燕石，等.变电站配置语言的应用及解析［J］.电力系统保护与控制，2009，37（15）：38?41.

［3］王家林，夏立，吴正国，等.电力系统故障诊断研究现状与展望［J］.电力系统保护与控制，2010，38（18）：210?216.

［4］余耀权.一起110kV线路故障引起主变后备保护动作的原因分析［J］.电力系统保护与控制，2009，37（2）：93?95.

收稿日期：2015?07?14

作者简介：朱强（1979—），男，江苏南京人，工程师，研究方向：电力自动化、通讯技术。