基于录波数据的故障线路自动选取方法

摘要：提出了一种基于录波数据的故障线路自动选取方法，该方法克服了母线参数错配、零序电流反接、状态量信号不全、故障基准点选取难度高及受变电站试验影响干扰大等一系列难题，能有效适应我国变电站无人值守和调控一体化的智能管理模式，大幅提高了故障线路判定的准确度，为调控人员迅速制定应急预案及采取恢复供电措施提供决策支持。

关键词：输电线路;录波数据;故障判定;决策支持

0 引言

输电线路分布广泛，是发生电网故障频次最高的部分，因此，能否及时、准确地判定故障线路成为影响输电可靠性的核心因素之一，一旦出现输电线路故障误判或漏判情况，将对事故处置和恢复供电造成难以估量的后果。作为变电站运行记录的“黑匣子”，每台录波器可同时对多条线路进行监视，当线路出现故障时，形成短路效应，相关电气量数据会被录波器记录并自动上传到调控管理系统，基于录波数据对故障線路进行各种场景下的精确判定，可以为调控人员快速制定应急预案及采取查线消缺措施提供决策支持。

1 输电线路故障信号特征及判定原理

1.1    故障信号特征及判定原理

输电线路故障典型特征量信号示意图如图1所示。T0时刻线路处在正常负荷状态，Tn时刻为故障起始点，该线路配备的保护于Tb时刻发出动作信号，断路器收到动作信号后于Tc时刻跳闸，至Tm时刻线路上的故障相负荷被切除，电流信号为0。

工程运用中对目标线路进行故障判定的原理如图2所示，需满足两项条件：

（1）线路故障发生在区内。即故障测距定位的距离点应在目标线路全长范围内，不得超过全长或落在反方向上（即距离点的数值为负）。

（2）断路器跳闸。线路一旦发生故障，目标线路配备的保护发出动作信号，启动断路器跳闸，切除线路上的故障相负荷电流。

区内故障的判定基于录波数据中线路模拟量信号特征，断路器跳闸的判定基于录波数据中为目标线路配备的断路器跳闸状态量信号变位。

录波数据中，判定线路区内故障的模拟量信号特征依赖于相关参数配置是否与实际配置相符，其中影响权重较大的参数有3项：

（1）线路所挂接的母线参数是否正确;

（2）零序模拟量信号是否存在反接现象;

（3）故障测距定位所依赖的基准点选取是否合理。

1.2    目前存在的技术障碍

基于录波数据对故障线路进行判定，目前面临的技术问题有：

（1）母线错配。电网运行方式的调整是随机的，线路所挂接的母线也会相应调整，但调整后的参数并不通知录波器。

（2）零序反接。在电气施工过程中人为失误将零序反接，致使信号采集源头出错，影响后期对故障线路的判定。

（3）重要状态量参数定义缺失。实际配置中，由于不同厂家录波器在功能设计上的差异性，与线路密切相关的重要状态量信号参数常常定义不严谨，甚至缺失，对故障线路的直观判定造成麻烦。

（4）故障基准点选取风险高。相邻时刻各电气分量数值离散度非常大，选取不同基准点的测距结果差异明显，故障基准点的选取往往具有一定的运气成分，极易导致漏判。

（5）电力系统人员在变电站从事试验、检修活动时的仿真数据与实际故障数据高度相似，甄别难度大。

2 方案设计

针对上述问题，现提出通过母线自动匹配、零序模拟量信号反接智能识别及矫正、采用全模拟量信号判定断路器跳闸、边界预期法筛选故障基准点及基于母线电压扰动特征的防误闭锁五步处理方案，解决母线挂接参数不同步、零序通道反接、关键状态量配置不全或缺失、故障基准点选错时风险大、变电站试验仿真数据的有效甄别和防误闭锁等问题，基于录波数据的故障线路判定步骤如图3所示。

该方案特点是能适应电网运行方式的随机改变，兼容现场电气施工时极易出现的通道反接现象，避免核心状态量信号配置参数缺失/不全情况下的判定依据不足问题，克服过去依赖单一故障基准点易发的自动选线不可靠问题，解除变电站试验时各种仿真信号的干扰威胁，将输电线路的故障定位精确到杆塔，紧密契合了电力系统管理和运行特点，具有极强的针对性和适用性。

2.1    母线自动匹配

输电线路发生故障时，故障相短路点的电流值急剧增大，电压值不同程度减小，短路点距离录波器越近，电压值减小的幅度越大。在故障持续时间段内，通过测算故障时电压值衰减度，可以自动匹配出故障线路所挂接的真实母线。

2.2    零序模拟量信号反接智能识别及矫正

零序模拟量信号反接智能识别及矫正的原理是在任意时刻，母线电压零序模拟量信号瞬时值Uns=-|Uas+Ubs+Ucs|，线路电流零序模拟量信号瞬时值Ins=|Ias+Ibs+Ics|。其中，Uas、Ubs、Ucs分别为母线A、B、C三相电压模拟量信号的瞬时值，Ias、Ibs、Ics分别为线路A、B、C三相电流模拟量信号的瞬时值。

鉴于零序模拟量信号是判定接地性质故障的唯一依据，一旦出现零序反接，如不采取识别和矫正措施，将直接导致故障线路漏判。通过零序模拟量信号的反接自动识别及矫正，还原故障时刻真实的电气模拟量信号特征，为目标线路的正确判定扫清障碍。

2.3    采用全模拟量信号判定断路器跳闸

断路器跳闸发出的状态量变位信号十分关键，是判定目标线路发生故障的必要条件。而工程实际配置中，很多情况下录波数据中并没有如实、完整地反映断路器状态量配置信息，致使断路器跳闸信号无法确认，妨碍了故障线路的判定。

线路发生故障时，短路点电流迅速增大，引起为该线路配备的保护装置在Tb时刻动作并发出信号，断路器收到信号后在Tc时刻跳闸，分断短路点。跳闸成功后，线路上的故障相负荷在Tm时刻被切除，保持电流为0。

依据故障相负荷在断路器跳闸前后的特性原理，可基于全模拟量信号，识别目标线路的故障相电流从增大到变为0并保持过程的模拟量信号变化特性，可倒推判定断路器跳闸，从而摆脱对状态量信号的依赖，不受其配置参数出错、残缺等因素影响，兼具灵活性和可靠性。

基于全模拟量信号进行断路器跳闸判定的方法是在时间窗B内，判定目标线路的故障相电流模拟信号瞬时值是否持续为0，判定成立则表示断路器跳闸。

2.4    边界预期法筛选故障基准点

实际计算过程中，不同基准点的选取，测距定位结果也不相同，即使是相邻时刻的两个基准点的测距定位结果也有明显差异，表现出一定的离散性。换句话说，倘若故障基准点的选取不合理，其测距定位结果轻则导致与实际产生偏离，重则超出线路全长，或者落在反方向上，引发漏报事故。

为消除故障基准点选取不当可能造成的巨大风险，此处采用边界预期法筛选故障基准点：首先对时间窗A内所有采样点进行测距定位初算，初算结果落在线路起点至终点两条边界以内的，纳入基准点备选梯队，再对这些备选点进行精算，筛选出最佳故障基准点。

边界预期法筛选故障基准点的优势非常明显。首先，在初算阶段即确保所有候选基准点能使测距定位结果发生在区内，避免了过度依赖单个基准点可能引发的测距定位到区外或反方向的漏判风险;其次，基于多个基准点测算的结果无疑更逼近真实故障发生的位置，有利于提升巡线人员查找故障点的效率。

2.5    基于母线电压扰动特征识别的防误闭锁

变电站运维人员对保护装置、录波器等进行现场试验十分常见，设备在投运、定检、升级和维修情形下都有可能进行现场试验，试验产生的仿真数据同真实电网故障数据极其相似。现场试验时，为防止误报，保护装置可以通过投试验软压板来闭锁仿真数据，而录波器则没有这类软压板机制，因此，对于录波数据处理来说，现场仿真故障的自动防误闭锁措施非常重要。

3 结语

由于电网运行方式复杂，线路出现故障后各种电气量对调度集控中心的信息处理平台造成不同程度影响，容易导致漏判或误判事故的发生，引发不可预期的后果。因此，在各式各样海量录波信息中排除各种干扰，进行精准故障线路判定，是调控人员迅速查线消缺、恢复供电的技术关键。本文所述方法运用于网、省、地各级调控机构的信息处理平台，能适应大电网运行方式的随机改变，兼容现场电气施工常见的通道反接现象，弥补因参数配置不全时故障判定依据不足的技术短板，克服过去依赖单个故障基准点易引发的自动选线不可靠问题，有效避免变电站试验时各种仿真故障数据的干扰，大幅提高了故障线路判定的准确度。

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收稿日期：2020-04-01

作者简介：王家伦（1976—），男，云南昭通人，助理工程师，从事电力系统继电保护调试及运维工作。