停电区域及广域同步信息基础上的电网故障快速诊断分析

曾志川

摘要 文章提出以停电区域及广域同步信息为技术支撑快速诊断电网故障的新方法，以期为行业和技术发展提供方向性参考。该方法仅与故障复杂程度有关，而和保护信息没有关系，也不受网络规模的制约，诊断成果快速有效。在对故障元件识别确认后还能对保护动作进行行为评价，对故障类型进行简单判别。

关键词 停电区域；广域同步信息；电网故障；快速诊断

中图分类号TM7 文献标识码A 文章编号1674-6708（2015） 153-0040-01

电力系统在出现故障之后，若在非故障区域中查找故障元件是毫无意义的，因为故障之后，断路器和保护都会按照内设程序执行相应动作，断开故障元件与电源的连接。笔者将介绍一种在停电区域基础上，利用广域同步信息快速诊断电网故障的方法。

1 对停电区域进行高效识别

继电设备会在电力系统出现故障之后快速执行程序中设定的反应动作切断故障元件和电源之间的联系，把故障元件置于无源网络状态下，所谓的停电区域就是由这些彼此孤立的无源网络共同构成的。首先对停电区域加以确定，以此为基础在该区域的内含元件中就能找到故障元件。

识别停电区域时借助于电力系统内部的网络拓扑信息，将电力系统中网络拓扑的信息关系表示为G= （V，E），V为节点集，组成部分有母线、发电机及变压器等，E是边集合，组成部分是开关，开关的闭合与开启控制着边的通断情况。若故障发生，在网络拓扑中借助广度优先的专业搜索方法对其加以遍历，从而生成无缘网络（停电区域）。具体为以下几点。

1）在电力系统运行正常的情况下，对其结线加以必要的技术分析，其中部分元件是与发电机或者等效电源相对应的，则将这些元件标记成有源式节点。

2）发生故障之后对此时的系统结线进行二次分析，随之会产生多个子系统，为了减小开关信息在传输中的错误率，应将开关信息、PMU模拟量的量测信息以及状态估计进行综合考量评判。

3）对每一个子系统而言，跳闸开关的两端都有节点存在，把所有这些节点把全部设置成边界节点，从而组建边界节点的集合，在此基础上开展扩展节点的各项工作。扩展过程中一旦发现部分节点连接着有源式节点，扩展即停止，同时把该次扩展中所涉及子系统的全部节点标记成带电状态，否则扩展一直继续，直至该子系统所有节点均已完成扩展。最后把已经检测出的停电区域进行核对和编号，其中的元件均作为疑似故障元件列入初步判断故障的元件集内。

待所有节点全都被搜索一遍之后，只要停电区域和边界节点连接在一起，就会全部被检索出来，同时也确定了发生故障以后，部分边界节点呈继续带电的状态。电力系统发生故障后，识别停电区域仅仅是在变位开关的位置进行搜索，所以，故障复杂程度是上述拓扑范围的唯一影响因素，搜索及识别都能做到快速、准确。

2 快速诊断电网故障

2.1 从故障电流判别

本文在进行方向判别时仅仅依靠电流是由于：1）在保护中起判别方向作用的元件通常会引入电压、抗阻等系列参数，有助于改善以就地信息为判断基础的方向判断结果的准确性，但故障诊断中相关计算以及数据传输都更加复杂化。借助广域信息，将其优势充分发挥，可对变量种类合理减少，有助于进行方向判别；2）突变量的方向元件在日前应用比较广泛，与其他元件的区别主要在于重点反映电流突变的情况；3）单纯依靠广域量测模拟值进行判断，可有效避免其他IED方向的误判对故障诊断的干扰。

为了把广域信息更好地应用于方向判别中，发生故障之后，将停电区电流的相量值与高性能的相电流差综合起来，采用突变量的选相原理对电流加以选相，借助最终选定的电流进一步判别方向，这种方法具有一定的在理论研究基础，并由相关的仿真模拟实验结果作为支撑，受故障类型等因素的影响很小，其具体操作步骤为以下几步。

1）利用广域信息进行全面搜索，查找出停电区域内最早发生动作的开关，进而获得其发生动作的具体时间，在这个时间点以前的某个时间段内，不同测点间的相电流差会产生变化，计算出各个测点的该变化量值，将变化量最大值所对应测点的电流取作输入电流值。

2）在选定输入电流的基础上，通过突变量选相的原理对输入电流实施选相，选项结果即可作为故障相应用到方向判别中，其与传统的选相元件区别在于，该元件更加注重利用停电区域内的电流等有关信息，显著提高了对故障电流的相别的准确识别度。

3）在2）的方向判别基础上，如果故障是多相型的，任何一相的故障电流均可作为判别根据。

如遇高阻故障，如果过渡电阻过大，甚至于最大电流都不能准确判断出，就要对三相电流每一相电流的信息都分别实施方向判断，一旦其中任意一相电流呈现出两侧或以上的方向不止一次相同，就可判定该元件是故障元件。

2.2 故障定位的流程

故障发生后，必须要立即对停电区域加以高效识别，将开关的动作信息以及模拟量和电网的拓扑关系总综合起来考虑，在所有停电区域内查找该区域中最早发生动作的开关，个别元件的电压会在这个最早动作之前出现明显的较大跌落，把这类元件筛选出来，若符合筛选条件的元件有且仅有一个并且非母线（避免因出口故障并存在保护或者开关误动、拒动而误判成是母线故障），那么该元件就是故障元件；若符合条件的元件不止一个或者仅有的一个是母线，就需要根据短路时电流的方向做进一步判断。

2.3 保护、开关动作的行为评价

在发生短路事故并且方向信息获得后，不但能准确锁定故障元件的具体位置，把电压的跌落时间以及有关保护信息进行综合分析和研究，还能科学评价保护及开关执行动作行为的成效：1）部分区域内故障元件相对比较集中，该区域内的开关是否均呈断开状态。2）若全部断开，可判断为近后备的保护（或者主保护）发生动作，则需深层次的分析测得记录的电压实际下降的时间，若电压实际下降时间位于主保护断开故障元件的时段区域内，可判断执行动作的是主保护，不然则是近后备的保护执行动作断开了故障元件而主保护发生拒动。如果有的开关呈现闭合状态，则可以判断为此开关发生拒动，或者该侧保护发生拒动，从停电区域内深入搜索该开关所连接的一切节点，直至查找到呈断开状态的开关，如果元件电压跌落的时间不在其后备保护发生作用的时间范围内，则可判断是保护（或者开关）越级引起跳闸。3）在对开关所连接的节点进行全面搜索时，一旦发现电流是从线路流经跳闸开关后再流向母线，则可判断为该保护（或者开关）发生误动操作。

2.4 判别故障类型

在故障元件锁定以后，先按照2.1节的选相方法选相，再根据电压量等有关数据进行判断。若PMU检测结果显示故障元件电压值跌落较大的情况仅发生在一相上，就判断为是单相故障。若三相电压均发生明显较大跌落，就判断为是三相故障。若其中两相电压发生跌落并且跌落幅度都很大，就判断为是两相接地的故障。若其中两相电压发生跌落而跌落幅度并不明显，就判断为是两相短路的故障。最后再把电流和电压的各自判断结果进行综合分析和研究后得出最终判断结果。

3 结论

综上，在停电区域和广域同步信息基础上的电网故障快速诊断方法仅与故障复杂程度有关，而和保护信息没有关系，也不受网络规模的制约，诊断成果快速有效。在对故障元件识别确认后还能对保护所执行的动作实施行为评价，识别故障类型。停电区域不同导致其所反映的电网拓扑构架也会有所不同，所以，要借助网络前期的拓扑结构的分析功能对停电区域进行实时刷新，以保证诊断结果的准确性。