电力系统故障录波数据分析

2017-09-18张大伦

中国设备工程 2017年17期

张大伦

（国网四川宝兴县供电有限责任公司，四川宝兴 625700）

电力系统故障录波数据分析

张大伦

（国网四川宝兴县供电有限责任公司，四川宝兴 625700）

本文提出了电力系统故障录波数据分析的数学分析方法，并针对双端测距中出现的伪根问题,提出了新的求解过程。关键词：电力故系统故障分析；故障录波数据；双端测距

针对电力系统出现故障时产生的振荡原理，相关研究人员研发出了一种自动记录电力系统故障波动的系统——电力系统故障录波系统，并开发出了不同类型的故障录波器。随着电网调度的需要，目前通过专用网和电话网已实现了集中处理电网故障录波数据的要求，但针对相关数据的故障分析以及保护动作行为评价等还需要进行进一步的研究。

1 电力故障录波器

目前，在各个电压等级的变电站中，故障录波器的应用非常普遍。

故障录波器的系统运行原理是基于三相制（三相电压和三相电流）的电力系统进行运作的。以单相为例，电力系统的电压经由滤波器将低频漂移信号和高频干扰信号过滤，再由霍尔电压传感器变为电流信号，调理电路则将电流信号转变为等比例电压信号，并将该信号传递给模数转换芯片转换成数字信号，通过相关的计算方法对这些数据进行分析，可以得到关于电压的各项参数，包括电压峰值、有效值、最大值、THD等，监控中心获得这些参数后，则可根据分析结果向电力系统故障录波器发送如检测电压、电流以及调整故障记录限值的相关控制指令，并以此促使电力系统始终处于正常的工作状态中。由此可见，故障录波器是对电力系统故障进行动态记录的主要设备，其负责对电力系统中高速故障及其动态过程的全程记录工作。

（1）对高速故障的记录是针对新型高速断电保护以及安全自动装置进行检测的主要手段，包括对电力系统的短路及通过线路分布参数与电流和电压的系统操作错误的暂态过程进行记录。

（2）对故障动态过程进行记录是针对继电保护与安全自动装置的动作行为进行检测的主要手段，由于大扰动的原因使得电流、电压及其导出量发生有功、无功、频率的变化的全过程都是故障录波器对故障动态过程记录的相关内容。

（3）长过程动态记录是对发电机组和电网正常运行时的稳态数据的记录，其内容包括对母线电压及频率、线路有功潮流、变压器电压分接头位置以及自动装置的动作行为等。

2 系统总体设计

电力系统故障录波系统是电力故障录波器的软件部分，也是电力故障录波器的核心技术。本文提出的电力系统故障录波数据分析系统是在适用于各种操作系统的java平台开发的基于IEEE标准的可视化程序，该系统的总体设计思路如下。

（1）数据格式。数据格式为COMTRADE格式，每个COMTRADE记录都包含了4个相关文件——CFG、DAT、HDR、COMTRADE文件。CFG和DAT文件负责存储通道数据和与之相关的解释信息，因此是有严格的文件格式的。而HDR对于格式的要求没有固定模式。相关程序采取固定的记录格式进行程序的编写，目的是保证COMTRADE文件有效读取相关数据，在文件中一个单位录波信息即为一行，不同信息和数据以逗号分隔开来。

（2）界面显示。系统中采用了GUI（Graphical User Interface）程序的编写设计，目的是加快机器获取的有效信息向技术人员进行传递的速度，使得系统不管是采取哪种数据分析计算方法，其数据分析结果都会通过屏幕直观的显示出其相关的分析结果视图，体现了该系统的可视化性能。

3 电力系统故障录波数据分析的相关算法及程序介绍

3.1 波形分析

故障录波器所采集的数据通常都是一系列离散的点，而COMTRADE文件通过对这些离散的点进行计算得到实时的电压、电流瞬时值，再利用图表绘制类库jfreechart得到对应的电压、电流波形图。系统生成单通道波形的程序为：

3.2 频率计算

假设采样时电压幅值和系统频率保持不变，那么以一正弦电压为采样电压信号的相关计算则可通过以下公式表示系统电压信号采样：v(t)=Vsin(2πft)

以N代表每周波的采样点数，n表示每0．1s采样获得的点数，当电压信号采样的时间间隔为T时：

根据上式经过n-3次计算，1−4sin2(πfT)取绝对值并对其进行补偿得到以下公式：

利用采样值计算出每0．1s的x值。

由以上两式得出公式：

3.3 全周傅式变换算法

电力系统发生故障时，常会出现较大的衰减现象，而全周傅式变换算法可以将由此产生的误差进行消除。利用采样值之差x(n+1)−x(n)取代x(n)的差分变换,以此降低直流分量对计算造成的影响。在进行数据分析时，假设采样信号为包含了基波、不衰减直流分量和各次谐波的周期性时间函数，并以自然数n来表示谐波次数，那么各次谐波的余弦项振幅则以an表示，各次谐波的正弦项振幅以bn表示。a1和b1则分别表示基波分量的余弦项和正弦项振幅。由此得出公式：

3.4 双端测距

就计算原理分析，双端测距算法可以不受故障过渡电阻和双端系统的阻抗因素的影响，而保持相关数据分析的精度，但建立专门传递对端信息的通道才能进行该方法的计算。为保证测距精度，双端数据同步、消除测距方程伪根等手段也是不可缺少的。一般情况下，双端电压和电流量是进行双端测距的重要数据，并依据这些数据列出两端到故障点的输电厂线路分布参数电压方程。根据本电力系统故障录波数据分析系统的总体设计思路，得出电路方程：

根据以上4个公式，可得出公式：

针对电力系统中出现的非对称故障，取s=1，2，代入公式计算：

针对电力系统中出现的对称故障，则取故障前的双端电压、电流代入公式计算：

上式对于系统中所有短路类的故障分析都具有较强的适用性。由于上式的求解过程较为繁琐，而且常常得到的结果为复数，因此本文提出了将非线性方法f(x)=0带入线性方程进行求解，从而达到收敛快的目的的计算方法。将D1(x)和D2(x)设为0，并将上面的公式变为f(x)函数，在xk点展开，再通过下山法防止迭代发散，保证函数值的稳定下降，将两者的优点进行结合后适当加权平均，与前一步的近似值xk得出新的改进值：