（电力系统及其自动化专业论文）基于故障信息管理系统的保护动作行为分析研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于故障信息管理系统的保护动作行 为分析研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：姚 日飙却书6 导师签名：主墨坦 日期： 华北电力人学硕十学位论文 1 1 选题意义及背景 第一章绪论 2 0 世纪8 0 年代以来随着计算机和通讯技术的发展，微机型继电保护、自动装 置、故障录波器等智能设备在电网中的使用已经非常普遍。在电力系统发生故障或 受到扰动时，这些设备都会记录大量的数据和信息【l 2 】，并具备了以数据方式向电网 调度中心传输故障信息的可能。为了实现这些信息的综合利用，国家电力公司电 网二次系统“十五”规划报告中明确提出，要加强电网调度系统的信息化和智能 化，在电网发生故障时能为调度提供实时故障信息，提高调度的自动化水平【3 。6 】。 为此，国内各大电网公司已经或正在通过联网的方式，积极进行故障信息网的建设， 以实现故障信息的在线自动传送和管理功能。继电保护及故障信息管理系统的提出， 就是为了提高电网安全运行的调度系统信息化、智能化水平，在电网发生故障时为 调度提供实时故障信息，有效地快速恢复系统【7 l 。故障信息管理系统由主站系统和多 个子站系统构成，形成一个完整的分层、分布式系统。其中子站系统负责监视、采 集站内各保护装置、自动装置、直流系统以及故障录波器的运行状态、告警信息、 动作信息和相应的故障录波数据，将获得的信息根据优先级别和不同的使用对象， 经数据通道传送至当地监控系统、集控中心、地调、省调、网调等主站；主站系统 将采集来的信息根据其应用范围，交付不同的功能模块进行处理，并提交给相应的 使用者( 各种应用模块) 【8 】。 在电网发生故障时，针对信息的不同调度端可以按照信息的时间优先级将故障 信息分为3 级：第1 级是开关动作信息；第2 级是保护动作信息；第3 级是故障录 波信息，利用开关和保护动作信息可以进行故障诊断 9 , 1 0 l 。利用故障录波信息可以 进行录波分析并对保护动作分析评判。故障信息管理主站系统读取c o m t r a d e 格式 的故障录波信息对保护动作装置进行分析，根据故障录波数据分析保护的动作情况 可以避免因保护误动、拒动或者通信信道干扰导致开关信号丢失而得到不正确信息 进而导致故障诊断结果错误；同时利用保护动作分析的结果可以修正误动、拒动的 保护动作信息，从而进行更加准确的故障诊断。运用故障诊断结果和保护动作分析 结果可以对故障进行数字化重演 i m 2 。 故障发生后，通过对故障信息系统中保存的故障过程记录进行动作行为分析， 可以由报表和图形的形式清晰的了解到故障的详细信息和故障过程中各保护和保 华北电力大学硕l 学位论文 护装置的动作过程及断路器的工组情况，如保护动作正确与否、断路器动作正常与 否等，找出保护不正确动作的原因，即使制定反事故措施，避免同类事故重复发生， 以逐步提高保护正确动作率；如果信息不全，则给出置信度分析，这样就可以明确 事故责任。 目前为止，故障信息系统规范中关于高级应用部分的功能描述并不明确，不像 与s c a d a 对应的p a s 那样成熟。随着故障信息系统的建立，用户对这方面的需求 在增加，但还不是很明确，需要产品提供方给予引导。所以，完善或提出有吸引力 的保护动作分析功能对主站的推广有很大意义9 。“。 1 2 国内外研究动态 故障信息联网初期，对系统的应用功能定位处于试点摸索阶段，基本对变电站 联网的信息不作规约转换以外的任何处理，主要实现的功能是在变电站层面将不同 制造厂家的设备完成1 0 3 规约转换，变电站采用工控机进行数据转换、汇总、存储 等，部分系统采用g p s 时钟同步实现变电站联网设备的信息时间同步；主站与子站 的通信规约传输规约基本由开发商确定，数据通信方式采用拨号方式，并采取主站 信息调用方式将变电站的信息送到电网调度中心，电网调度中心主站设在保护专 业，系统由保护专业人员维护，电网调度中心主站所具有的分析功能十分有限，也 远没有实现电网事故决策支持功能”“。2 0 0 1 年，华东网调组织编写的微机保护及 故障录波器信息处理系统的技术规范完整地从信息的来源、信息的预处理、信息 的传送、信息的分析等各方面提出了故障信息管理系统应具有的功能。总体而言， 故障信息管理系统的应用处于比较初级的水准，系统所布点的范畴仅仅是电网中的 以部分，对于故障分析的信息接入没有作明确的规定，且信息仅为继电保护专业服 务，资源共享程度低，造成通讯资源浪费，信息的完整性对于实现故障信息系统对 于电网事故分析、决策支持的作用并没有获得足够的重视，作为电网故障分析系统 的各项应用还仅仅处于起步阶段。随着变电站综合自动化技术的发展，各保护厂商 为实现保护与监控网的信息交换，也研制了保护专用的信息管理机，但也存在与其 它保护和录波器不兼容的问题，当然也谈不上开发调度端( 主站) 的信息集中分析 处理系统。国内的故障信息管理系统的建设始于2 0 0 0 年，经过这些年的工程实施 已实现了一些基本的应用“。 围绕故障信息管理系统的建设，人们提出了各种各样的解决方案，同时也对系 统的基本功能、与其他系统的区别和联系等进行了定义和描述。在这些解决方案中， 系统一般由两部分或三部分组成，即子站、分站、主站，其中分站系统一般可根据 实际情况进行取舍。子站部分，即厂站端，通常是在变电站内，采用工控机或嵌入 式系统实现。子站系统完成对大量由不同厂家生产制造、具有不同型号、采用不同 华北电力大学硕士学位论文 通信协议的变电站内智能装置的统一接入，进行集中管理，从这些装置中采集数据， 分别进行处理，在此基础上形成统一有序的数据格式，然后通过网络、专线、电话 拨号等送到中心调度端( 即主站部分) ，或者上送到区域调度端( 即分站部分) ，再 进行数据的集中分析处理，并在此基础上实现诸如全局范围的故障诊断、测距、波 形分析、历史查询、保护动作统计分析、故障信息整合等综合应用功能。在信息的 采集和管理功能上，子站部分强调了原始信息采集的完备性和上送的选择性，主站 或分站部分则强调了对故障信息的整理和综合应用。 随着故障信息管理系统基本功能的完善和运行稳定性的提高，在电网故障过程 中，反应故障发生发展的各种信息都能够及时地上送，人们围绕如何有效利用这些 信息进行电网故障诊断、保护动作行为分析等进行了深入研究。故障诊断作为故障 信息应用的一个主要方面，近l o 年来，国内外都很重视该问题的研究。人工智能 技术在该领域得到广泛采用，如专家系统、模糊理论、人工神经网络、随机优化技 术等“”。上述方法大都首先根据开关跳闸和保护动作信息确定故障情况，然后对 保护的动作行为做出评价。在系统发生复杂故障或开关、保护存在较多误动、拒动 及因信道干扰发生信息丢失等诸多不确定因素的影响下，这种基于开关和保护信息 的诊断方法就不能取得满意的结果。随着各种分散和集中录波器在电力系统中的投 运，这些设备提供的丰富的录波信息为故障诊断提供了新的信息源，而且和原有的 开关和保护动作信息在反映的内容上是一致的，是一件事情的两个方面，如何使用 好这些有冗余的信息是各级电网运行部门和科研院所都非常关注的事情，正积极开 展相关的研究工作”。 目前，关于故障信息管理系统的研究已经有部分产品面世，如北京四方继保自 动化股份有限公司的c s f m - - 2 0 0 2 系统，南瑞继保公司的p f s 3 0 0 0 电网继电保护及 故障信息管理系统，许继公司的c b z 8 0 0 0 p 系统等。 国外对于电力故障录波信息处理系统的研究比较早，其录波装置一般采用分散 式结构，标准模块化设计，可以分散安装在开关柜或保护小室内，通过以太网可以 联到一台所级计算机或远传到调度中心。并配有通用分析软件包，可集中进行数据 处理。如a b b 公司的p s m 系统、k j t 公司的o p e n 系统、西门子公司推出的 s i m e a s r 智能化故障录波处理系统、a l s t o n 公司的m i c o mm 8 4 0 系统、美国 h a t h a w a y 公司的i d m 系统、通用电气公司的e p m 7 7 0 0 系统、美国r i s 公司的 t r - 2 0 0 0 系统和加拿大a p t 公司的t e s l a 系统。这些系统虽然在技术上有着一定 的优势，但是一般基于独立的录波网，投资大，要求高，不适合目前仍以集中组屏 式结构为主，网络功能不健全的国内变电站系统”1 。 一3 - 华北电力大学硕l 学位论文 1 3 本论文的主要工作 本文通过分析了当前故障信息管理系统的优缺点，结合用户对企业内提出的新 要求，在完善系统基本功能的基础上结合四方公司c s f m - - 2 0 0 2 系统开展了故障信 息管理系统主站综合应用的研究和开发工作。主要包括以下几个方面的内容： 1 ) 阐述了课题提出的背景及意义，结合用户要求和当前电力发展的需要，分 析了现有故障信息管理系统的功能和特点。 2 ) 研究了电力系统暂态数据交换共用格式( i e e ec o m t r a d e ) 的原理和特 点，分析不同版本之间的差异，对c o m t r a d e1 9 9 9 格式故障录波进行分析研究。 3 ) 研究了对称矢量分析和谐波分析的方法，并对现行的傅立叶谐波分析方法 加以分析改进，提出一种加窗插值的方法。 4 ) 设计了一种通用的动作边界可自定义的继电器模型，通过与保护定值的关 联，可模拟与特定装置对应的继电器。在录波文件中选定保护装置对应的模拟量和 开关量的录波通道后，可以通过图示分析在故障发生和持续过程中保护动作量的轨 迹和逻辑判断过程，并据此和保护实际输出的信息比较，评价保护在故障中的表现。 华北电力人学顶l ：学位论文 第二章故障信息管理系统 2 1 故障信息管理系统功能与结构 故障信息管理系统由主站系统和多个子站系统构成，形成一个完整的分层、分布 式系统。主站和子站之间通过广义的通信网络( 电力数据网s p d n e t 、公共电话网、 电力微波电话网等) 互相连接为一个有效的整体，并在主站端与e m s 、m i s 相连。 其中子站系统负责监视、采集站内各保护装置、自动装置、直流系统以及故障录波 器的运行状态、告警信息、动作信息和相应的故障录波数据，将获得的信息根据优先 级别和不同的使用对象，经数据通道传送至当地监控系统、集控中心、地调、省调、 网调等主站；主站系统将采集来的信息根据其应用范围，交付不同的功能模块进行处 理，并提交给相应的使用者。系统具有独立性，子站可以自行采集所需的数据；在数 据上传上可以使用与远动系统不同的通道；同时，系统的运行不会影响保护、自动装 置、故障录波器的独立运行。子站将各类保护、自动化设备进行信息综合，实现不同 通信接口装置的协议转换，并具备扩展性，能方便地接入采用新协议的装置；子站对 数据进行分类管理，在发生故障时有选择地上传数据，保证主站( 调度中心) 收到的 信息是足够的但又不多余；子站支持多主站，数据可以向一个以上的主站发送，也可 以得到主站的故障分析结果。主站可以调用子站的任何数据，也可以通过子站进行保 护的定值修改、功能压板投退等日常操作；利用g p s 还可以对予站的保护、自动装 置、故障录波器等进行对时”1 。 系统总体简要结构示意图如下： 华北电力大学硕+ 学位论文 2 2 子站系统功能与结构 图2 1 系统结构示意图 故障信息管理系统是一个典型的基于分布式智能装置的信息采集、收集的信息 分析系统，一般变电站存在多个电压等级的设备，由不同的上级主站进行调度和监 视，因此，子站必须向多个主站传输信息。从广泛意义上讲子站可以定义为变电站 保护装嚣、故障录波器装置和相关自动装置的接入和信息集成，同时面向多个主站 提供信息的子系统。 2 2 1 子站系统功能 予站系统主要通过各种通信接口和规约，完成对装置数据的采集和必要的格式 转换，根据信息的优先级和有效程度，在既定的规则和分级原则下，对收集到的消 息进行选择和分类检出，对需要上送主站的信息按优先级由高到低的顺序向主站发 送”。 具体功能包括以下几个方面： 1 ) 数据采集 系统支持各种通信接口和通信规约，能够接入不同厂家、不同型号的保护 装 置以及系统有必要管理的其它l e d 设备，并与所有接入的装置进行通信，采集装置 数据，包括：遥测量、遥信量、装置参数、事件报告、分散录波、装置运行状态、 定值、开入信息、雎板状态、告警信息、故障报告等。 2 ) 数据处理 系统将采集到的装置数据进行必要的格式转换和整理，一方面是对信息进行规 法化处理，满足转发的需要，另一方面是减少无效信息的上送。在子站进行的数据 华北电力大学硕t 学位论文 处理包括格式转换、过滤、分级等。每个子站还能够对多个主站发送数据、响应请 求。用户可根据自己的需求通过策略配置实现向各个调度主站传送数据。 3 ) 数据存储 具备历史数据存储能力，能保证在通信中断时，不丢失任何数据，中断时间过 长时保证重要事件不丢失。存储内容包括：配置信息、采集的数据、经处理的数据、 外部的控制信息。系统可自动对数据进行存储，存储原则可配置，提供配置手段。 4 ) 图形监视 系统提供图形监视界面，包括电力系统一次接线图、保护通讯状态图、装置面 板图、系统工况图、网络联接图等。系统通过图形化的界面直观的向用户显示系统 当前工况，对系统内的各种设备、通道、网络进行监视，当发现异常时进行报警。 监视内容包括设备的运行状态、可用存储空间、直连厂站连接情况、网络通信状态 等。同时，系统授权用户可以在图形平台上进行保护定值的查询、修改、切换、压 板投退、开出传动、历史记录查询等操作。 5 ) 运行管理 子站采集保护动作信号、压板投切状态、异常告警信号、保护测量值( 电压、 电流、功率、阻抗、频率等) 、通信状态等运行信息，运行信息保存到历史数据库 中，供以后查询和分析；子站可以接收和实现来自主站分站的各项查询和控制命令， 如定值召唤、定值修改、定值切换、压板投退、历史记录查询、信号复归等，提供 对控制功能进行屏蔽的功能。 6 ) 当地维护功能 子站系统提供当地维护人机界面，维护内容包括：系统运行参数、信息过滤策 略、分级上送策略、主动上送策略、数据存储策略、通信配置、工程模板维护、数 据库在线维护、磁盘空间监测、报文记录与分析等内容。系统支持远程维护访问， 可将当地系统的配置信息形成配置文件上传主站端。 7 ) 数据库查询 子站历史库采用s q l s e r v e r 数据库，保存系统的数据断面及各种事件、操 作记录等信息，提供就地历史数据保存、备份、查询、维护、报表输出等功能，同 时，子站系统支持远程查询访问，接收并执行来自主站的各项查询指令，随后将查 询结果上送主站端。 8 ) 安全管理 子站设置权限管理和安全校核机制，拒绝非授权用户使用。 9 ) 对时功能 子站提供软对时和硬接点对时两种方式可供选择。软对时过程：子站系统接收 主站对时命令后，向各装置下发对时命令；硬接点对时利用g p s 的分脉冲或秒脉冲 - 7 一 华北电力人学硕上学位论文 对装置精确对时。 1 0 ) 自恢复 子站具有自恢复功能，系统具有软件狗，监示系统运行，对异常进程及时关闭 和重起，提高系统运行的连续性和可靠性。 2 2 2 子站系统结构 子站系统通过保护管理机接入各厂家的保护设备，保护管理机以以太网方式接 入子站，对于不具备联网功能的保护设备，通过测控装置采用硬节点方式接入子站。 子站支持多主站模式，即可以实现子站向多个主站同时传送数据。 在子站系统中，保护管理机与站内的保护装置和其它有关装置通过串行口或以 太网方式连接。所有提供规约并且实际具有通信功能的微机型设备均可与保护管理 机通信，此时工控机子站与各保护管理机通过h u b 组成以太网，各保护管理机和工 控机均可以和主站通信。系统正常运行时，信息管理和转发功能由工控机子站承担， 当工控机发生故障时( 如计算机病毒问题引起的系统故障) ，信息由保护管理机直 接将重要信息上传至主站分站，以防数据丢失。为满足此功能，保护管理机具备支 持多主子站通信功能，提供扩展1 0 3 规约的转出。 下面图示的是子站系统结构图： 懋 图2 2 子站系统结构图 一8 - 华北电力人学硕上学位论文 2 3 主站系统功能和结构 2 3 1 主站系统功能 主站主要实现对所有下属变电站继电保护信息的统一管理、数据分析、高级应 用、实现与其他如m i s 、s c a d a 等系统的数据共享。主站一方面对子站上传的信 息进行实时显示、分析处理，支持网络浏览功能，可为调度员事故处理、电网的安 全分析以及继电保护动作行为分析提供决策依据；另一方面能远方对子站及数字式 继电保护设备进行控制管理，并且可以通过m i s 系统将有关信息发布给其他调度机 构。各类故障信息的收集、整合，以及分析应用主要是在主站的完成，其功能主要 包括以下几个方面： 1 ) 子站数据采集 接收和解释子站端上送的信息，从信息产生原因上可以分为三类：一是子站依 照预定的信息优先级配置策略上送主站的实时和准实时信息；二是主站定时向子站 召唤，子站随之响应并上送的信息；三是子站对主站手动召唤操作的响应信息。 2 ) 告警信息管理 告警管理功能将各种必要的信息反馈给用户，告诉用户当前工况，提醒用户注 意；支持用户自定义告警窗口的大小、位置、告警颜色、图标、告警提示、字体等 属性；提供声光告警信号( 电铃电笛输出、语音提示) ，支持对以往告警事件的分 类查询和根据用户需要对告警信息进行过滤。 3 ) 分散录波运行管理 主要是对保护装置内分散录波装置进行集中统一管理，包括：故障录波数据的 采集和处理、运行状态监视。分散录波由c s m 3 0 0 e 接入，使用i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 规 约。主站支持广播方式的录波信息召唤，支持多任务并发执行，实现了系统多任 务运行机制。 4 ) 保护运行管理 对子站所接入保护装置的运行状态进行统一管理，包括运行状态监视、运行参 数在线召唤和查询、压板状态监视、定值修改及核对、事件告警处理等。 5 ) 网络运行与监视 该功能包括两个方面，一是网运行工况监视与操作，二是网络运行环境监测。 前者指正常情况下，监视主站系统自身软硬件和通道运行状况；监视子站系统运行 状况；监测子站的继电保护装置、分散录波装置的运行状况。采用与电气一次接线 图方式一致的图形化管理和图形化信息发布。后者指系统资源监视，包括c p u 的使 用率、内存容量、系统占有内存的容量、磁盘空间等，并有提示和告警功能。 6 ) 数据库管理 华北电力大学硕t 学位论文 包括实时数据库和历史数据库管理。实时数据库实现永久数据管理，实时数据 刷新有效的数据存取、数据完整性检查；事务管理、调度、并发控制与执行、安全 性检验；数据库的可靠性恢复机制等。支持在线数据维护、站间数据库的远程传输、 提供多种数据库访问接口，方便数据库的导入和导出、支持多种网络环境配置。 历史数据库管理基于s q l - - s e r v e r 、o r a c l e 等商用数据库完成，保存系统 的数据断面及各种事件、操作记录等信息，以便进一步的统计分析。历史数据库管 理功能实现历史数据查询、维护、报表输出等功能，便于运行人员进行各种数据统 计和查询，制作各种报表；支持变化即存、预定间隔方式保存等多种方式；提供多 种查询模式，结合报表管理，自动将数据从历史库种获取并填入表格，可以打印输 出满足用户需求的各种报表。 7 ) 图形界面功能 系统通过图形化的界面直观的向用户显示系统当前工况，包括电力系统一次接 线图、地理信息图等。 8 ) 故障管理高级功能应用 故障录波波形分析功能，可实现任意选择一条或几条录波曲线，画在同一个或 不同窗口内，进行分析、比较；可以对波形曲线进行幅度缩放。时间轴拉伸压缩以 及曲线局部无级缩放；在波形图上可以显示没一条曲线的即时值、有效值、最大 最小值、相角值、功率值、谐波值、采样间隔、时间点等信息；可以计算故障量的 l 9 次谐波：可以绘制出故障数据的序分量矢量图和相分量矢量图；录波图形的全 部，局部及分析报告等都可以打印输出保存等。 故障测距功能，可根据源数据进行单端双端测距、提供包括故障线路、故障时 间、故障相别、故障测距、故障后电流电压有效值、跳闸时间、重合闸时间、再次 故障以及启动线路、开关变化等信息的故障分析报告。 保护动作行为分析，可实现对故障数据进行实时分析，与保护动作特性比较， 判断保护动作装置行为是否正确，并将分析结果提供给调度人员和有关部门。 其他统计分析功能，能按时间。区域、设备、故障类型及保护动作情况等分类 整理归档，并进行保护动作统计分析，打印输出图表。 9 ) 网络发布功能 主站系统能够通过网页发布的形式将数据发送给调度中心或远方系统。网页以 标准h t m l 的方式发布，数据格式标准，只需普通的浏览器就可以查看他们所需的 信息，非常简单方便。 2 3 2 主站系统结构 主站系统采用模块化、分布式的软件设计结构，充分考虑了主站系统对系统开 华北电力丈学碳t 学位论文 放性的要求，除了国际标准的采用及软、硬件的广泛兼容性之外，还包括了在软件 架构设计上。主站系统设计体现了现在计算机系统分布处理的设计理念，将完成不 同系统需求的多个任务分布到相对独立、相互作用的功能组件中；同时系统在平台 级和应用级的开放性设计，决定了系统有很强的可扩展性。从而使系统能适应不同 的软硬件配置。当系统规模比较小的时候，整个系统可以安装在一台p c 机服务器 上，大系统则可以有多台p c 机和服务器组成。 下面是主站系统的典型结构图： l 服务器al 服务器nl 毗妒l | ll 路由器l 至z li 獭 l 前置机fi 前置机f ”1 烈 由释l 齐l 南晖习峰m o d 池f 图2 3 主站系统结构图 2 4 目前运行故障信息系统存在的问题 自原国家电力公司在电网“十五”科技规划以及电网二次系统“十五” 规划中明确提出要研究开发电网故障信息处理系统以来，全国已有多个地方故障 信息管理系统投入运行。目前，已投运的故障信息管理系统基本具备了故障信息的 采集和远传功能，但实际运行效果并不理想，离真正实用化还有一定的差距，主要 有如下几个方面的问题”1 ： 1 ) 子站信息的主动上传没有选择性和层次性：子站缺乏对原始故障信息的过 滤和预分析，从子站上传的只能是“数据”，而非针对故障的“实用信息”，大量原 始信息传送到主站，产生“信息爆炸”现象，同时加大了电力数据网的负担，甚至 华北电力人学硕十学位论史 可能会影响到其他系统正常通讯； 2 ) 主站信息应用有限：提供的分析平台功能很少，基本局限于信息的传送和 显示，基于全网的故障信息综合应用则更为有限； 因此围绕各类故障信息的产生和上送过程开展信息处理和综合应用的研究对 充分发挥故障信息系统的作用，提高电网运行的自动化和智能化水平，从而提高电 网运行的安全性有着重要的意义。 2 5 小结 本章对故障信息管理系统的整体组成结构和实现的功能进行了详细描述，同时 对目前系统所存在的一些问题进行了一些分析，并主站的一些信息综合应用功能作 出了一定探讨。( 详见第4 、5 章) 华北电力大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章电力系统暂态数据交换共用格式 故障信息管理系统主站分析功能的数据基本来源于子站故障录波器传送的录 波数据，但是这些数据来自不同的专业生产厂或采用不同的记录格式，使得这些信 息得不到充分的应用，因此需要制定一个通用的标准格式，以使得在各种不同设备 之间和在不同应用领域中的数据转换进一步简化。早在1 9 9 1 年，i e e e 就制定了 一个c o m t r a d e ( c o m m o nf o r m a tf o rt r a n s i e n td a t ae x c h a n g e ) 标准，用于存储 电力系统故障录波与暂态仿真的结果，以便对这些数据进行分析。1 9 9 9 年i e e e 又 对c o m t a d e 标准进行了修订，使之在应用中更为合理、方便。因此现在 c o m t r a d e 有两个版本，1 9 9 1 年制定的称为i e e es t dc 3 7 1 1 - 1 9 9 1 ，1 9 9 9 年制 定的称为i e e es t dc 3 7 1 1 1 9 9 9 。c o m t r a d e 故障录波标准是国际标准，该标准 定义了一个存储暂态过程数据的通用格式，以满足各种类型的故障、实验或模拟的 数据之间互相转换。它对描述电力系统暂态过程是十分有价值的。有了通用的记录 格式，用计算机来分析数据中所存储的有用信息就方便得多了。c o m t r a d e1 9 9 1 版和1 9 9 9 版在文件体系结构、配置文件的描述上存在一定的差异，这种差异对于 故障信息管理系统进行数据汇集来说是必须充分注意的，下面就以介绍i e e e c o m t r a d e1 9 9 9 标准，并附带比较与1 9 9 l 版睡者之间的差异。 3 2ie e ec o m t r a d e1 9 9 9 标准脚1 当暂态数据进行转换时，必须包括表达暂态发生环境的数据信息。i e e e c o m t r a d e1 9 9 9 标准中规定数据转换文件是a s c i i 格式文件，它有三种类型的 相关文件，分别为头文件、配置文件、数据文件和信息文件。四个四种类型的文件 中每一种都带有不同级别的信息，其中配置文件和数据文件是必须的。它们的命名 规则是四个文件的文件名必须相同但扩展名不同，文件扩展名“h d r ”表示头文件， “c f g ”表示配置文件，“d a t ”表示数据文件。“i n f ”表示信息文件。i e e e c o m t r a d e1 9 9 1 标准中没有信息文件这一项。 一1 3 - 华北电力大学硕上学位论文 3 2 1 头文件 头标文件是由c o m t r a d e 数据的发生器典型地使用字处理程序所产生的任选 的a s c i i 文本文件；数据可以被使用者打印和阅读。头标文件的发生器可以以任意 所需的顺序包含任意信息。头文件是为用户提供一个附加的描述文件，是可选的， 以便更好地了解暂态记录的条件。头文件不受故障分析软件的控制。它主要包括以 下内容： 对干扰前的电力系统的描述； 站名； 经受了暂态的线路、互感器、电抗器、电容器或断路器的特征； 故障线路的长度； 正序和零序电阻、电抗和电容； 平行线路的相互耦合； 分路电抗器和串联电容器的位置和额定值； 互感器绕组，特别是电压和电流互感器的标称电压额定值； 互感器功率额定值和绕组联接； 记录了数据的节点后的系统参数( 等值的正序和零序源阻抗) ； 对如何获取数据的描述，是在一个公用子站上获得还是用计算机程序台 e m t p 模拟系统条件获得； 对所用反假频滤波器的描述； 对模拟线路的描述； 输入的相序； 存储记录的磁盘的序号。 3 2 2 配置文件 配置文件中的数据是为计算机程序分析暂态数据提供必须的信息。它具有很强 的属性，在编制程序时要求程序读出，因此必须具有预先定义的固定格式，这样计 算机程序不必为每个配置文件单独编制。偏离这些格式计算机会给出错误提示信 息。 配置文件即可以由字处理程序生成，又可以由计算机程序生成。如果一个字处 理器用以生成配制文件，它必须以a s c i i 格式存储数据。配置文件由若干行组成， 每行以回车换行结束，用逗号分隔一行中的各个字段，字段可以为空，但逗号不 能省略。它包含有助于计算机识别数据文件( d a t ) 必要的信息： ( 1 ) 站名，记录装置的特征，c o m t l l a d e 标准的修改年份 华北电力丈学硕1 ：学位论文 ( 2 ) 通道的数量和类型 ( 3 ) 通道名称、单位和转换系数 ( 4 ) 线路频率 ( 5 ) 采样速率和每一速率下的采样数量 ( 6 ) 第一数据点的日期和时间 ( 7 ) 触发点和日期和时间 ( 8 ) 数据文件类型 ( 9 ) 时间标记倍乘系数 3 2 2 119 9 9 标准配置文件的基本格式： s t a t i o n n a m e ，r e c d e v i d ，r e v _ y e a r t t ，群撑a ，群群d a n ，c h _ i d ，p h ，c c b m ，n u ，a ，b ，s k e w ，r a i n ，m a x ，p r i m a r y ，s e c o n d a r y ， p s a n ，c h i d ，p h ，c c b m ，u u ，a ，b ，s k e w ，r a i n ，m a x ，p r i m a r y ，s e c o n d a r y ， p s a n ，c h i d ，p h ，c c b m ，u u ，a ，b ，s k e w ，r a i n ，m a x ，p r i m a r y ，s e c o n d a r y ， p s a n ，c h i d ，p h ，c c b m ，i n l ，a ，b ，s k e w ，r a i n ，m a x ，p r i m a r y ，s e c o n d a r y ， p s d n ，c h i d ，p h ，c c b m ，y d n ，c h i d ，p h ，c c b m ，y i f n r a t e s s a m p ，e n d s a m p s a m p ，e n d s a m p d d m m y y y y ，h h ：m m ：s s s s s s s s d d m m y y y y ，h h ：m m ：s s s s s s s s f l t i m e m u l t 3 2 2 2 各自所代表的含义： t t 一通道的总数量 槲a 一带有特征字母a 的模拟通道的数量 撑撑d 一带有识别字母d 的状态通道数量 - 1 5 一 华北电力大学硕 ：学位论文 a n 一模拟通道索引号 d n 一状态通道索引号 c h i d 一通道识别符 p h 一通道相位特征 c c b m 一被监视的回路元件 a n 一通道单位( 比如k v ，v ，k a ，a ) a 一通道乘数 b 一通道偏移加数 s k e w 一从抽样周期开始后的通道时滞( 1 1s ) r a i n 一该通道数据值的最小数据值( 可能数据范围的最小极限) m a x 一该通道数据值最大数据值范围( 可能数据值范围的最大极限) p r i m a r y 一通道电压或电流变换比一次系数 s e c o n d a r y 一通道电压或电流变换比二次系数 p s 一如同从等同通道转换系数a x + b 得到的数值的特征符将返回个一次( p ) 或二次( s ) 值 i f 一正常线路频率( h z ) n r a t e s 一数据文件中采样率数字 s a m p 一以赫兹( h z ) 为单位的采样率 e n d s a m p 一在该采样率下最后一次采样数 f t 一文件类型。仅允许的文字= a s c i i 或a s c i i ，b i n a r y 或b i n a r y t i m e m u l t 一数据文件中时差( t i m e s t a m p ) 区的相乘系数，该区被用作数据文 件中的时间标记( t i m e s t a m p ) 的乘数系数，使长时间的记录可以存储在c o m t r a d e 格式中。时间标记的基本单位是微秒。从数据文件中第一次数据采样至该数据文件 中任意时间标记区所标志的采样所经过的时间是该数据采样的时间标记与配置文 件中的时间乘数的乘积( t i m e s t a m p t i m e m u l t ) 。 3 2 3 数据文件 数据文件包含着记录中每个输入通道每个采样的数值。对采样存储的数值是对 采样集输入波形的装置所提供的数值的缩略。数据必须完全符合配置文件所定义的 格式，以便供计算机程序阅读。配置文件所定义的数据文件类型( f t ) 区规定了文 件类型。对于二进制数据文件组，f t - - 7 - 进制；对于a s c i i 数据文件组，f i = a s c i i 。 数据文件对于文件中的每个采样，包含着采样数量，时间标记和每个通道的数 据值。数据文件的所有数据的格式都是整数。在a s c i i 数据文件中，一个采样中每个 通道的数据通过一个逗号与下一个通道分开。它通常被称作“逗号分界格式”。序 华北电力人学硕+ 学位论文 列采样被 在一个采样的一个通道数据值与下一个采样的采样数量之间分 开。在b i n a r y 文件中，在一个采样的每个通道数据之间或在顺序采样周期之间， 没有分隔符。在数据文件中没有其它信息。 3 2 3 1a s c i i 数据文件格式 a s c i i 数据文件应被分为行和列。数据行的数量根据记录的长度而变化，因而 影响到文件的长度。每一行应分为t t + 2 列，其中t t 是记录中通道的总数( 模拟和 状态) ，另外两个是采样数量和时间标记。列的数量取决于记录系统，也影响文件 长度。对a s c i i 数据文件所规定的区长是最大值，而不是固定长度。包括符号表示 法的所有数字符号应包括在区长跟度内。 第一列包括采样数值。 第- - n 是那个采样数的数据的时间标记。 第三组的列包含表示模拟信息的数据值。 第四组的列包含状态通道的列。 如果包含数据值的列不能装入同一行，将不用“回车换行”，直至该采样的所 有数据值被显示出来。最后的数值应以“回车换行”终止。 下一行以下一个采样数开始，随之以下一个数据组。 一个a s c i i “文件结束”( e o f ) 标志( “a ”h e x ) 应紧随着文件的最后数据 行的“回车换行”( ) 。 3 ，2 3 2 二进制数据文件格式 进制数据文件采用与a s c i i 数据文件相同的基本格式，但状态通道数据下述 方法压缩。其格式是采样数量、时间标记、每个模拟通道的数据值、文件中每个采 样的分组状态通道数据。不使用数据分隔符，一个二进制采样记录中的数据不被逗 号分开，采样记录的末尾不标注“回车”和“换行”符。一个二进制数据文件是二 进制数据的连续的数据流。数据翻译由文件中的顺序位置确定。如果任意一个数据 元素缺失或出错，变量的序列将会丢失，文件可能无法使用。在此情况下，对恢复 未做规定。 数据存储在进制格式中，但是为了便利，其数值在此示于十六进制。数据不 按十六进制数字的a s c i i 表示法存储。当存储一个二字节( 1 6 比特) 的字时，该字 的定义较小的字节( l s b ) 先被存储，然后是最有定义的字节( m s b ) 。二字节数据 值“1 2 3 4 ”将以“3 4 1 2 ”格式存储。在存储一个四字节( 3 2 比特) 的字时，该字定 义最小的字节( l s b ) 先被存储，其次是定义较小的字节，然后是定义较大的字节， 最后是最有意义的字节( m s b ) 。四字节数据值“1 2 3 4 5 6 7 8 ”将被以“7 8 5 6 3 4 1 2 ” 格式存储。一个字节内的位的编号为以0 ( 定义最小) 至7 ( 定义最大) 。 华北电力大学硕+ 学位论文 一个二进制数据文件中的顺序数据表示： 存储为每个有四字节、不带符号的二进制格式数据的采样数量和时间标记： 存储于两个完整的、每个两字节的模拟通道采样数据。一个零数据值存储为 0 0 0 0 ，1 存为f f f f ，最大正值是7 f f f ，最大负值是8 0 0 1 ，十六进制8 0 0 0 保留于 标志缺失数据。 状态通道采样数据存储于分组的字节中，每两个字节用于1 6 个状态通道中的 每个通道，一个字的意义最小的位用于1 6 个通道中最小的输入通道编号。这样， 状态字1 ( s 1 ) 的位0 ( 零位) 是数字输入编号1 的状态。而状态字2 ( s 2 ) 的位1 是数字输入编号1 8 的状态。对于缺失状态数据的标志未做规定，但是，置为1 或0 的位必须包括在内，以便保持字的完整性。 文件的长度将随着通道的数量和文件中采样的数量而变化。文件中每个采样所 要求的字节数量为：( a k * 2 ) + ( ( s m 1 6 ) 入为下一个整数) + 4 + 4 。其中：a k 是模 拟通道数量，s m = 状态数量，4 代表每个用于采样数量和时间标记的4 个字节。 3 2 3 3 s c il 和二进制数据采样实例 图3 1 示出了本标准所规定的a s c i i 数据采样的例子。它有6 个模拟值和6 个 状态值。 5 ，6 6 7 ，7 6 0 ，1 2 7 4 ，7 2 ，6 l ，1 4 0 ，5 0 2 ，0 ，0 ，0 ，0 ，1 ，i 图3 1a s c i i 格式数据采样实例 图3 2 示出了本标准所规定的_ 进制数据采样实例。它有6 个模拟值和6 个状 态值。它是二进制的，等值于图3 2 3 1 所示的a s c i i 数样。 0 50 00 0o o9 b0 20 00 00 8f df a0 4 4 80 03 d0 0 7 4f fo af e3 00 0 3 2 4 信息文件 图3 2二进制格式数样实例 信息文件是一个具有计算机可读的规定格式的a s c i i 文本文件。文件包含着一 般读者可读的信息，对某类读者规定的特殊信息对一般读者来说也许不可读。这两 类信息分为公共和专用两类信息，被置放于文件的不同部分中。当一个合适的部分 被定义后，存放于信息文件中的数据应存于公共部分。如果一个合适的预定义的公 - 1 8 华北电力大学硕士学位论文 共部分不存在，可使用专用部分。输入项目必须与下面定义的格式完全相符，这样， 数据才可被计算机程序阅读。信息文件名应有“i n f ”扩展，以区别于同组的首标、 配置和数据文件，并作为易于记忆和识别的惯例。文件名本身应和与其相关的首标、 配置和数据文件相同。在1 9 9 1 版中，没有此类文件。 3 3 小结 鉴于因录波数据格式的不统一而导致的现有故障录波信息处理系统的通用性 较差，本章详细分析了电力系统暂态数据交换共用格式，对i e e ec o m t r a d e1 9 9 9 标准作了深入地阐述，为下面的故障录波数据处理和保护动作行为分析的实现做了 充分的准备。 华北电力大学硕上学位论文 4 1 对称分量分析 第四章录波数据处理 在电力系统所发生的各类故障中，以不对称故障发生的几率为最多。为了保证 电力系统和它的各种电气设备的安全运行，必须进行各种不对称故障的分析和计 算，以便为正确地选择系统的接线方案，选择继电保护装置及整定其参数提供依据 ”。一般求解不对称故障问题常用的方法是对称分量法。对称分量求解出的正，负， 零序分量为以后的保护动作分析提供数据来源等。 4 1 1 录波数据的预处理 采用录波数据进行保护特性分析时，为使分析软件使用的分析数据与保护装置 中保护软件使用的分析数据尽量一致，首先要对录波数据进行低通滤波预处理，滤 掉高频噪音，在分析软件中前置低通滤波器选用数字式二阶r c 低通滤波器模拟。 采用数字滤波器模拟模拟式滤波器时，首先确定模拟滤波器的传递函数h ( s ) ，然后 应用变换技术将连续时间域的h ( s ) 转换为离散时间域的h ( z ) ，使二者的幅频特性足 够相似。这里选用数字式二阶r c 滤波器来模拟捌。 二阶r c 滤波器的电路如图4 1 所示，其传递函数为： 日( s ) 2 两丽1 ( 4 叫 rr 1 1 ：!兰工：， 图4 1 二阶r c 滤波器 变换枷加4 岛一击) 其中a = 一，：i _ ； 4 5 r c ( 4 2 ) 华北电力人学硕仁学位论文 b = - 3 + 4 5 ： 2 r c b ：3 - 4 5 2 r c 细然州= 姑= 南 其中：口= 4 ( 一e b t ) 8 = e ”一e b t ，= 。+ 8 矿 根据脉冲响应不变，可得： y ( 挖) = , a y ( n 一1 ) - r y ( n 一2 ) + a x ( n 1 ) 式中： x ( n ) 一原始记录数据 y ( n ) 一经过滤波数据处理过的数据 4 1 2 故障时刻检测 ( 4 3 ) ( 4 4 ) ( 4 5 ) ( 4 6 ) 继电保护主要采用故障后数据进行故障判断，以判断保护的动作行为。首先需 要根据输入的的故障录波数据进行故障时刻的检测，故障时刻的检测一般采用突变 量检测算法，以电流为例，当连续几点采样值满足下式时： l i 一t 一l i t 一一一：，0 七，屯( 4 - - 7 ) 判断为故障发生 其中k 为k 时刻的测量电流采样值； 1 t 一”为k 时刻之前一周期的电流采样值； 为突变量启动定值； o 为突变量定值调节系数，通常情况下为1 ，在检测到系统发生振荡的时候豇，值自 动上调，以防止振荡引起突变量算法误启动。 上述算法由于采用周期突变量差进行故障时刻判断，有助于防止在振荡过程中 由于采样频率与系统频率不匹配所引起的误判断。 4 1 3 对称分量法 分析三相短路时，由于电路是对称的，短路电流周期分量也是对称的，只需分 析其中一相就可以了。但是，在系统发生不对称短路时，电路的对称性受到破坏， 网络中出现了三相不对称