李乃永，林霞，唐毅，吴金玉，刘承禄，张瀚

（1. 国网山东省电力公司，山东 济南 250001；2. 国网枣庄供电公司，山东 枣庄 277102；3. 国网潍坊供电公司，山东 潍坊 261021；4. 国网威海供电公司，山东 威海 264200）

近年来，随着电网规模不断扩大和联系不断加强，电网输电能力得到了有效提高，但电网发生故障及波及范围扩大的概率大大提高，故障时产生的信息量激增，客观上增加了运行人员故障准确辨识和恢复供电所需时间。目前，已经建成运行的故障录波器联网、继电保护信息、行波测距3个技术支持系统，在设备运行管理和故障分析处理发挥了积极的作用[1-6]。绝大多数运行的故障信息系统[7-9]中不同数据源的波形、采样时标、采样频率不统一。故障分析需在不同系统、不同窗口反复切换，无法在同一时间轴上全过程动态展示，不利于故障的快速准确分析。

因此急需一套准实时系统，有机融合来自不同的故障信息源（联网故障录波、保信系统、行波测距系统等所记录的电网电流电压波形、断路器行为和保护装置动作行为等），以广域、全面地反映故障增量为视角综合展示站内故障暂态过程，便于及时准确地了解故障原因，准确定位故障位置，快速隔离故障并快速恢复供电。

本文认真分析电网故障处理流程，采用数据自动融合等数据处理技术开发了故障全息系统，该系统基于故障后多点地域故障信息综合分析思想，通过波形、采样点时标及采样频率统一标准化处理方法，实现不同数据源数据同一时间轴上全过程动态展示；采用基于采样特征值与开关量通道属性相结合启动逻辑，自动锁定故障采样通道，综合于故障分析平台行归一化处理，大大提高故障处理效率。

1 故障全息系统架构

故障发生后，采用对一次设备动作行为敏感的开关变位与电流采样峰值相结合作为驱动量启动故障数据流自动上传，而故障全息系统根据相同原理作为信息过滤阀值确定信息提取范围和对象，将相关保护、故录、行波装置信息进行故障通道的提取，然后通过波形标准化处理、采样时标对齐、采样频率对齐等标准化处理将相关通道的录波图形成综合录波图分析平台，并结合继电保护综合数据平台（coBase），以及D5000平台所对应的实时运行方式为全息系统提供模型和关联关系，有效整合系统间的不同数据信息，达到获得电网故障的完整信息（即全息）的要求：提供综合录波分析、综合矢量图分析及故障全息报告。

图1 故障全息系统架构Fig. 1 Architecture of the fault holographic system

2 基于多保护动作判断主体故障区域交集信息融合原理

系统发生故障后，需要通过信息过滤、融合建立针对故障元件的信息集合，以便对故障元件及故障性质进行判断，进而迅速采取措施隔离故障，恢复送电。因此首先需要确定故障设备对象相关信息集合。

由于电力系统是运行方式实时变动的网络，并且为了可以分析故障性质，特别是对级联性故障，有必要在扩展的广域内进行故障信息的收集、融合。特别是针对母线这种汇流性元件，同时考虑多个间隔单元才能更有效判断故障性质。为此，给出两个定义：

其中，n表示与被判断设备单元直接相关的方向判断元件数。

根据扩展广域信息收集及判断原则，可以根据选定的可扩展界面确定分界点各方向矢量判断元件的方向判断结果，而判断规则如下：

如果存在FComponent（i）>FSet（i），则被锁定元件为故障状态；

如果存在FComponent（i）

如果存在FComponent（i）=FSet（i）则被锁定元件存在“可能故障”。

其中，FSet（i）为被锁定元件判断是否为故障的阈值。其定义为被锁定元件直接相关方向判断量个数减1，即为n-1。如果将每个元件视为一个封闭点，或者看作一个汇流点（不论是线路、变压器、母线），则可认为其中各个支路的电流为相关量，即根据差流原理，其中一个量均可由剩余N-1个量线性表示，而其N-1个量是线性无关的。因此，其N-1个量可认为是一个独立空间进行描述空间内的其余所有量。因此，这个集合可以用来进行元件是否发生故障的阈值用于状态判断。

故障全息系统的启动是基于一次设备开关变位及电流量变化量及峰值E（Snew）=Op X Scurrent l，其中E（Snew）为一次新的事件启动一次数据上传，其上传的通道为开关变位Op，及电流值变化量及峰值Scurrent，只要是满足开关变位及电流变化量及峰值一定阈值就选择该通道信息上传，同时保护动作信息融合形成集合M，这一集合与SCADA实时运方数据库交互，形成故障设备集合Dti，由实时的SCADA信息形成实际上传信息集合M+，通过逻辑规则判断，得出效应值水平，形成故障设备集合Djbest，然后通过智能过滤的故障设备相关变电站多点故录及保信送至故障录波全息系统用于进一步故障分析，形成各序网故障图，辅助完成故障定位及故障性质判断，以便调度员快速隔离处理故障。

图2 故障信息自融合流程Fig. 2 Procedure of fault information infusion

3 基于波形、采样时标、采样频率标准化处理方法统一录波平台

传统的录波展示方法可以展示一个装置记录的单次故障波形，而其波形实质上是基于本地设备本地故障信息的录波数据。电力故障发生过程中会涉及一个以上的多点故障信息，进行故障分析需要同时分析故障所涉多点故障信息。故障录波联网系统，保护信息系统以及测距装置展示时都过分单一，要实现多点信息融合进行多角度展示存在以下主要问题：装置的时钟不一致，故障时刻波形无法对齐；装置的采样频率不同、记录压缩的方式不同，导致波形显示无法在同一个时间轴上对齐。本系统针对上述问题，提出一种使用综合录波图的方式把来自多个装置的单次或若干次录波数据放到同一个时间坐标下进行展示、比较分析的解决方案。

如图3所示，来自各个变电站的故录系统信息、保信子站信息及测距信息通过智能通道选择及信息过滤功能上传至故障全息系统进行波形格式标准化处理，统一转化为COMTRADE99标准格式，通过格式转化后的波形文件再通过采样时标点对齐及采样频率对齐处理将各个终端设备的波形统一为同一时标标准下、统一采样频率下的波形，以故障设备集合Djbest为同一展示平台的多端广域波形综合分析平台，同时在波形各个时段对应保护信息动作时序图以及最终的测距信息。

图3 故障数据标准化处理方案Fig. 3 Scheme of fault data standardization processing

3.1 故障数据采样频率统一化

由于不同记录装置波形数据的采样频率各不相同，如录波器采样频率为6 400 Hz，保护装置采样频率为1 000 Hz，若不进行统一转换，则无法在同一个时间轴上展示不同的波形数据，无法进行横向综合比较、分析。

本系统采用拉格朗日插值变换把不同采样频率统一为同一采样频率，本方法针对使用定频采样数据而同时需要精确跟踪信号频率、以及多通道采样数据需要同时改变采样速率的情况，能够显著减少计算量，提高数据变换精度。具体方法如下：

1）按拟合偏移系数fitt_c计算拉格朗日插值变换系数，偏移系数定义为

其中，samp_f为系统的数据采样频率；fitt_f为系统的数据拟合频率。

2）定义采样点的差值位移x，其中0≤x≤1。

3）根据拟合偏移系数fitt_c的值域逐点调整差值位移x，选取最接近于采样点的数据点进行拟合，使拟合结果更加精确。

所述步骤3）具体为：

fitt_c>1时，差值位移x=n×（fitt_c-1）-int[n×（fitt_c-1）]。

fitt_c=1时，差值位移为x=0。

fitt_c<1时，差值位移为x=n×（1-fitt_c）-int[n×（1-fitt_c）]。

其中，n为采样点编号，int为取整计算。

3.2 采样时标标准化处理算法

由于各厂家采样不同步，无法根据数据中的时标进行采样点级别的时标对齐，需要考虑相位对数据计算造成的误差。在对齐采样时标的功能中既能根据波形数据自带时标自动调整波形在时间轴的位置，又能手动进行采样点级别的微调。

由于保护总是在故障启动后开始录波，并且只记录故障发生发展过程中，包括加速跳开及重合闸全过程波形。而故障录波的录波启动值小得多，其录波针对对象不仅包括故障全过程，还包括系统异常运行及系统发生扰动时的全程记录。因此，如何将保护动作全过程波形与故障录波波形统一为同一时标，实现故录波形与保护检测到的波形相对应，并直接映射到保护算法动作逻辑时序图，完成系统扰动及至故障发生发展及重合闸动作及系统恢复全过程波形分析及保护自动装置的动作分析具有极为重要的意义。

从图4中故障录波器上传信息可以看出，录波器上传信息包括所选通道的电流、电压，及一次开关、保护装置动作的变位信息，信息自带有采样时标。但是由于来自保信子站、测距等装置各厂家采样不同步，无法根据数据中的时标进行采样点级别的时标对齐，需要考虑相位对数据计算造成的误差。针对这一问题，结合电力系统波形特点对其实现同一时标下的波形调整。由于稳态时及短路电流（包括各序分量稳态值）经过滤波处理后，每个信息源波形特点总是A，B，C三相互差120°，只要任选一相过零点，通过手动操作对齐，便会自动实现不同信息源的所有所选通道采样波形成的时标对齐。而选择对齐基点一般选择为采样窗口较短，采样周波数较少的来自保护的录波波形记录点作为对齐点。这样处理的好处是，通过一次时标对齐的操作即可实现故录一次波形、保护录波二次波形、故录开关量、保护逻辑动作时序的时标统一。而这种对应也恰恰实现了由一次设备波形、开关动作到保护二次录波及保护算法逻辑判断及保护动作时序的关键时点一一对映，可以直接反映出保护及自动装置动作行为是否正确。

图4 电网故障核心故障数据流Fig. 4 Grid core fault data flow

4 具体算例

图5左侧为某220 kV变电站实时运行方式图，电网发生故障时，线路对侧变电站母线及该线路同时跳闸，其两侧保护动作信息如图5右侧所示，经过信息整合，其中线路距离I段、零序I段，及对端母差动作均是达到水平1判断标准，不需要进行水平2的故障范围融合。由于故障设备集合判断中认为同一时间发生多点故障的概率很小，因此，认为母线与线路故障信息相斥，不相融合，在此规则下得出信息不融合的结论。

图5 某220 kV站母线故障综合故障信息Fig. 5 Bus fault integrated information of a 220 kV substation

如图6包含线路A侧故障录波器录波图、线路A侧保护装置录波图和经标准化处理后的综合故障录波图。可以看出保护录波启动时间较晚，采样频率较录波器小，经过采样点时标对齐，采样频率标准化处理，得到融合后全息分析图。通过比较分析，可以看出线路对侧变电站母线发生C相接地故障，线路B相电压有一定程度的异常升高（二次电压达到73.80 V左右），故障后又恢复正常。应综合判断分析，线路保护二次电压回路存在多点接地，一次故障电流流过站内接地网时引起电压回路N600电位不为零而是ΔU0，B相采样电压叠加了一个ΔU0而异常升高导致保护异常动作。

图6 录波图Fig. 6 Waveform

5 结论

故障全息系统基于故障后多点地域故障信息综合分析思想，通过模糊算法的故障数据流自动上传、信息融合原理确定全息录波系统所需信息通道，通过波形、采样点时标及采样频率统一标准化处理方法，实现广域、同一时间窗口故障分析平台；采用基于采样特征值与开关量通道属性相结合启动逻辑，自动锁定故障采样通道，综合于故障分析平台行归一化处理，提高了平台分析效率；同时技术上采用了波形、采样时标、采样频率标准化处理方法，可以将来自不同故障信息源的不同文件进行标准化处理，不仅实现了故障综合分析系统的容错性及鲁棒性，并且将故录的信息源扩展到可以进行标准化处理的所有故障录波终端。故障全息系统对电网复杂故障、相继故障的准确辨识、快速处理及保护动作行为精细分析均有较强的工程应用价值。

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