基于综合信息的断路器失灵故障诊断

基于综合信息的断路器失灵故障诊断
摘要：文章提出了一种基于WAMS信息平台的断路器失灵故障诊断方法。

通过大量实验，证明此方法简单有效，不仅克服了信息缺失的影响，而且大大提高了诊断的准确性，表明该方法是有效且可行的。

关键词：调度自动化系统；告警信息缺失；WAMS信息；失灵断路器目前的研究成果大多都是以保护信息已知为前提，当保护信息不足或无法及时上传的时候，电网的故障诊断会受到极大的影响。

实际情况中，电网的故障告警信息主要来自于EMS/SCADA系统，存在上传速度慢、系统各部分时标不一致等缺点，极大影响了故障的及时发现与处理。

特别是在省级调度部门，虽然目前广泛采用了先进的调度自动化系统，然而不论是国家电网公司普遍使用的D-5000系统还是南方电网公司使用的RCS-9001系统，都面临保护信息缺失或上传困难的问题，这不仅会对故障的判断精度造成影响，而且还会对故障排除造成不便。

鉴于此情况，本文提出了一种基于WAMS信息平台的断路器失灵故障诊断方法，该方法克服了保护信息不足所带来的困难，能够准确快速地判断故障元件，对调度人员提供有力的支持。

1 WAMS信息采集
WAMS信息的获取主要靠布置的PMU测点测量并上传。

在电网的关键节点，都会布置有PMU测点。

这些测点获取该节点的关键信息后实时上传并保存为历史记录，调度人员可以清楚地得知任意时刻任意节点的各种信息。

分布在整个系统中的大量PMU设备都连接到一台作为相量数据集中器（PDC）的计算机上，从而获取整个系统中的动态行为。

这为评估和维持系统稳定，防止发生电压、功角或频率不稳定、过载和振荡等提供了一个平台。

用WAMS信息代替SCADA信息需要一个解析与判断的过程，并借助时间标度的统一能有效提高故障诊断准确率。

通常失灵保护动作会有一定延时，即主保护与后备保护动作的时间差（通常为0.5 s）。

而在这个时间内，故障未被切除，电流方向一定是流向故障设备，因此查看故障前后失灵断路器的电流流向就可以确定故障设备。

WAMS的高精度量测系统能捕捉到这一时间差内的电气量变化，这一点是SCADA系统无法比拟的。

2 带电边界的确定
2.1 断路器变位与设备带电状态的判断
当故障发生后，保护会驱动断路器迅速跳闸，将故障设备从电网中隔离。

这
样，部分设备会失电，形成一个失电区域，如图1所示。

图1中，母线B1发生短路故障，如果主保护正常动作，会断开断路器K1、K3、K4、K5，以B1为中心，失电区域如图中虚线框所示。

在此过程中，WAMS 测得流过母线B1、线路L1、L2和变压器T1的电流值为零，则这些设备均为失电设备，失电设备集为式（1）所示。

2.2 断路器拒动与失电边界的划分
断路器失灵保护属于近后备保护，是母线保护的一种。

目前，省公司主管的220 kV及以上电网都装有两套主保护，可靠性较高。

发生故障时，由主保护切除故障的概率在95%以上，普通后备保护动作的概率很小。

但是，当遇到相关断路器拒动时，就需要断路器失灵保护动作，驱动临近断路器切除故障。

断路器失灵保护一般由连接于母线的各支路的保护起动。

由于断路器失灵保护要动作跳开一组母线上的所有断路器，因此为防止误动而造成严重的事故，失灵保护的可靠性较高。

失灵断路器个数与新增可疑设备个数是一致的，若n个断路器失灵拒动，则会增加n个可疑设备，扩大诊断范围。

如图2所示，断路器K5失灵拒动，就由其相邻设备开关作近后备跳开，即母线B2的K7、K8、K9跳开，故障范围扩大到B2，故障区域也一同扩大。

此时，边界断路器为K={K2，K6，K10，K11，K12，K13}，边界设备集E*={L1，L2，L3，L4，T1，T2}，可疑设备集M*={B1，B2}。

由于K5是失电区域中处于闭合状态的断路器，且两端电压均为零，则可确定其为失灵断路器。

3 故障设备的定位
对于存在断路器失灵状况的故障，会扩大可疑设备范围，对最终定位故障设备造成不利影响。

在保护信息无法及时上传的情况下，需要借助WAMS信息判断最终的故障设备，如图3所示。

当B1发生故障后，B1主保护驱动断路器K1、K3、K4正常断开，而断路器K5失灵拒动，则K5的失灵保护驱动断路器K7、K8、K9跳开，在此过程中，如果能确定流过断路器K5的电流流向，就可以在两个可以设备中筛选出故障设备，因此获取电流流向是诊断的关键。

PMU是WAMS系统的核心量测单元，可以测得多种电气量的幅值与相角，并在量测信息中打上时间标度，对于故障诊断有极大帮助。

借助PMU量测信息，可以断定图3所示的故障是母线B1发生故障。

4 算例分析
根据河北唐山某变电站主接线图，应用PSCAD建立仿真模型如图4所示，电网重要节点都设有PMU测点，在图中以“×”表示。

在线路L1上设置单相接地故障，故障时间设置在0.2 s，总时间设置为1s，WAMS采样频率设置为100 Hz。

将PSCAD中得到数据导入MATLAB进行分析。

0.2 s之前为正常状态，0.2 s时线路L1发生A相短路故障，断路器5541动作，5091拒动，经过一定延时，0.7 s时由5091的失灵保护驱动断路器5092、5081、5071、5061、5051跳闸。

在0.2～0.7 s之间，各电气量急剧变化。

L1上端测点处，电流值为零，电压值严重下降，5541两端电压差值较大；L1下端测点处，电流为短路电流，幅值较大，电压跌落幅度较大，5091两端电压相同。

相邻设备电流均流向L1的故障点。

根据WAMS信息可以确定变位断路器集为{5541，5092，5081，
5071，5061，5051}，失电设备集为{L1，B1}，无边界设备，可疑设备集为{L1，B1}。

由于5091是失电区域中处于闭合位且两端电压均为零的断路器，因此为失灵断路器。

最终根据0.2～0.7 s过程中电流流向，确定L1为故障设备。

线路L1故障电流波形（A相）如图5所示，反映出失灵保护动作前的一系列电气量变化。

5 结语
本文根据目前省级调度系统普遍存在的告警与保护信息缺失情况，提出了一种由WAMS信息、开关变位信息、设备带电状态等多信息综合进行故障诊断的新方法。

实验证明，该方法能有效解决信息缺失所带来的困难，即使在断路器发生拒动的不利条件下，依然可以准确快速地定位故障元件和失灵断路器。

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