500 kV 变电站二次综合自动化设备故障录波测距系统

姚 江，柏东辉

（广东电网有限责任公司 东莞供电局，东莞 523000）

500 kV 变电站二次综合自动化设备是一种弱电设备，其抗过电压和抗过电流的能力比较差，尤其是雷击过电压的暂态冲击，会导致变电站二次综合自动化设备严重损坏[1-2]。二次综合自动化设备故障录波测距可以发现因各类元素引发的暂态故障[3]，精准评估故障位置，是增强电网安全运行的核心技术。实现高质量故障录波测距，是现阶段电力领域学者们研究的重要内容。

文献[4]关于对称短路故障，利用系统电流电压计算故障点电压，创建混合线路故障测距函数，通过二分法等求解故障点，实现故障测距任务；文献[5]面向柔性直流线路，利用行波测距技术计算故障位置测距，通过小波重构识别波头数据。在直流线路产生故障时，快速有效检测故障方位，增强输电可靠性。

基于上述分析，提出一种500 kV 变电站二次综合自动化设备故障录波测距系统。通过故障录波器、电平变换隔离器等搭建系统硬件，使用数据管理、文件续传、波形分析等模块组建系统软件，代入最小二乘法同步时间数据，完成高精度故障录波测距工作。

1 500 kV 变电站二次综合自动化设备故障录波测距系统设计方案

1.1 系统结构

所建系统依照实际需求被划分成数据采集、数据管理与分析2 个单元。数据采集单元为系统硬件，采集现场不同故障录波器得到的真实录波信息[6]；数据管理与分析单元为系统软件，通过数据管理、文件续传2 项功能存储故障数据，凭借故障录波信息与真实故障二次综合自动化设备物理参数之间的相对管理，完成保护动作评价、波形分析、故障测距等任务，输出故障分析结果。系统全局结构如图1 所示。

图1 500 kV 变电站二次综合自动化设备故障录波测距系统结构Fig.1 Structure of fault recording and ranging system for secondary integrated automation equipment of 500 kV substation

1.2 系统硬件

故障录波器可进行数据采集、录波开启评估、录波文件打包和通信等工作，故障录波器和工作站之间使用以太网通信技术。故障录波测距系统硬件包含通信远传、电平变换隔离和信号采集处理3 部分。

通信远传为文件传输通道，故障录波数据能给变电站提供故障前后模拟量与开关量数据[7]，通信远传共涵盖3 种模式：后台机利用串口直接与故障录波器相连；后台机使用Modem 拨号连接故障录波器；后台机和故障录波器在以太网中连接，运用光电转换技术把故障录波器连接到NS416 直流供电交换机，然后上传到后台机。

信号采集是硬件核心部分，硬件板卡组成如图2 所示。背板是一种连接6 种硬件功能板块的自定义总线母板，主板将随机存取存储器作为核心，帮助芯片进行系统管理与通信[8]。采集板选用高速数据采集卡，此卡拥有4 路高速并行机制，供应最高128 KB/通道的采样容量与多类转换触发模式，通过现场可编程逻辑门阵列完成数据采样控制与时间同步控制，采集板中的双接口随机存取存储器能在循环缓冲区域存储录波信息，完成录波开启评估。

图2 信号收集处理硬件板卡构造Fig.2 Structure of signal collection and processing hardware board

模拟量输入板能完成对36 路模拟量的调节，同步采样保证不遗漏任何故障数据。开关量输入板可实现对变电站电路开关的隔离和调节[9]。告警输出板在采集到异常发电数据时，会向控制中心传递警告信号。高频直流板可调节并保护高频信号与直流信号，然后将其传递至模拟量输入板进行采样。

1.3 系统软件

数据管理与分析单元可按照故障设备或通道智能过滤录波文件，产生仅涵盖故障设备的录波数据，使用采样点绘制、序分量运算等功能在故障录波信息内提取故障初始时间、故障类型、故障类别等情况[10]，生成最终的故障录波测距报告。

1.3.1 数据管理

数据管理包含远传数据管理、转换数据管理、统一查询等功能。远传数据管理是将远传获取的数据按照型号分别存储在同一目录不同文件夹[11]，以避免各参数之间的不匹配；转换数据管理是将所有转换信息单独储存在一个文件夹内统一命名，原始资料与转换资料分开存储；统一查询可查找文件列表并显示细节资料，并设定场站名称、录波时间等关键字。

1.3.2 文件续传

若后台机查找指定名称故障录波文件时，会显示4 个召唤文件，打包4 个文件，分帧多次上传至后台机。上传时把文件划分为多个，在每帧中均标注数据在全部文件数据中的初始方位。假如传输时产生丢帧等失误，后台就不能拼接出完整文件，系统会自主检测是否需要继续上传，如果继续上传，则在之前的基础上继续传输，也可使用断点续传策略，提升数据传输效率，节约数据上传时间。

1.3.3 波形分析

波形分析使用非同步因数修正策略，展现二次综合自动化设备与设备相对母线的波形，涵盖设备的向量、功率、频率等信息。当前多数故障波形分析采用离散傅里叶变换方法进行运算[12]，波形内的有效值、频率等数值均由离散傅里叶变换方法计算得出，计算过程为

式中：f 表示故障波形频率；fs是采样频率；A 表示波形同步度；n 表示各周期采样点。

1.3.4 保护动作评价

针对变电站实际运行情况，保护动作分析中配备了抗阻分析、功率位置评估、差流评估、频率滑差等不同保护动作分析功能。以抗阻分析为例，此分析案例中包含四边形、五边形、六边形等多种动作特征，系统会凭借挑选的故障类型和设备参数，推算抗阻值，判断是否产生电流保护动作，并将数据显示于录波图中。

1.3.5 基于最小二乘法的故障录波测距

假设变电站二次综合自动化设备全部换位，设备包含B、D 两个端，故障产生在B 端的c 处，依次对电压电流信号采取对称分量转换与傅里叶变换[13]，得到如下电路方程：

式中：k 为正、负序位；UBc、UDc依次是从B、D 两个端至故障点的序电压；UBk、UDk、IBk、IDk依次是B、D 两个端的序电压和电流；φk、Rk依次为设备的传播常数与波阻抗。

设定两端数据相对基波相量的相角偏差是γ，则故障点电压序分量之间的关联为

式中：e 表示分量指数。

运用故障后正、负序电路方程和故障前的冗余数据[14]，创建以下方程组：

式中：UB、UD、IB、ID依次为故障前设备B、D 端的电压、电流正序分量。

为方便计算，把式（4）中的φ1、Rk转换成［0，1］区间的5 个偏差参数g0、g1、g2、g3、g4，得到：

式中：ζ1、ζ2是设备传播系数；W1、W2是波阻抗真实值的实虚部。

利用最小二乘法对设备两端进行求解。统计变电站二次综合自动化设备首末两端的录波数据，记作：

式中：E表示首端电气量矩阵；H是末端电气量矩阵；x 是两端电气量不同步角。

利用最小二乘法可得到关系式：

式中：t 表示迭代次数。

将x 拟作已知量推算误差矩阵p：

修正原始首端电气量矩阵E，得到：

评估矩阵P是否贴合误差需求，若不符合则利用式（9）获取全新电流矩阵。反复执行上述操作，直到矩阵P满足需求。

同步故障录波数据时间后，更新当前变电站二次综合自动化设备[15]两端的电压与电流：

式中：σ 为波速；t1、t2为电流波从电路两端抵达母线的时间。

2 系统性能分析

利用MATLAB 平台进行实验分析，实验指标为吞吐量、应答延时、CPU 利用率、测距精度。与文献[4]双端非同步法和文献[5]优化小波重构法进行指标对比，实验数据集为某市变电站2022 年5 月的二次综合自动化设备信息。

设定共进行80 次实验，以每10 次实验的吞吐量均值为对比值，分别对3 种方法进行故障录波测距吞吐量检测，结果如图3 所示。

图3 故障录波测距吞吐量对比Fig.3 Comparison of fault recording and ranging throughput

从图3 可知，所提方法在全部实验周期内的数据吞吐量均处于领先位置，具备明显计算优势，双端非同步法和优化小波重构法在数据传输方面存在一定不足，这是因为二者在计算时没有完备的数据管理机制，无法在复杂环境下进行高效率数据采集与分析。

沿用上个实验环境，综合比较3 种方法在故障录波检测过程中的应答延时，检测结果如图4 所示。观察图4 看出，所提方法能很好地降低测距任务应答延迟时间，伴随实验数量持续增加，其应答延时时间要远小于2 个文献方法，证明所提方法在处理故障录波数据时的连接效率较高，在较短时间内完成测距计算。

图4 故障录波测距应答延时对比Fig.4 Comparison of fault recording and ranging response delay

对比3 种方法CPU 在故障录波测距中的使用情况，结果如图5 所示。由图5 可知，2 个文献方法因数据任务较多致使资源负载较重，CPU 利用率均在80%以上，对网络性能造成较大损害。所提方法CPU 利用率始终保持在60%左右，充分调动系统资源，让系统处于负载均衡状态，可靠性更强。

图5 故障录波测距CPU 利用率对比Fig.5 Comparison of CPU utilization of fault recorder and ranging

相对误差表示检测结果的绝对误差和真实值的比值，以百分数形式表达，更真实地呈现检测结果可信程度，计算公式为

式中：δ 表示相对误差；η 表示绝对误差；V 为真实值。

故障录波测距相对误差实验结果如图6 所示。可以看到，所提方法测距相对误差最小，优化小波重构法次之，双端非同步法测距误差最大，证明了所建系统的准确性与稳定性。

图6 故障录波测距相对误差对比Fig.6 Comparison of relative error of fault recording and ranging

3 结语

以最小二乘法为原理，创建一个500 kV 变电站二次综合自动化设备故障录波测距系统。所建系统具备全新硬件平台，拥有优秀的数据管理能力与吞吐性能，提升故障录波数据记录可靠性，在系统软件中引入最小二乘法完成故障录波数据时间同步，降低测距结果偏差，为变电站稳定运行提供扎实基础，在辅助技术人员二次综合自动化设备维护方面起到巨大作用。