FH-QD电力系统综合故障诊断及记录分析系统技术说明书

FH-QD综合故障诊断&记录分析系统
技
术
说
明
书
成都府河电力自动化成套设备有限责任公司
CHENGDU FUHE POWER AUTOMATION COMPLETE EQUIPMENT CO.,LTD
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编制：陈涛
校核：胡洪云
审定：李延
版本号：V 2.0
出版日期：2011年9月
版权所有：成都府河电力自动化成套设备有限责任公司
前言
感谢您使用成都府河电力自动化成套设备有限责任公司的产品。

本说明书根据FH-QD综合故障诊断&记录分析系统V2.0版本撰写，介绍了系统技术方面的内容。

由于用户的需求在不断发生变化，因此软件也会作一些相应的更改，说明书内容与实际软件可能会有一些小的差异，但对使用不会造成大的影响，如有大的变化，我公司将及时推出新版说明书，为此如果给贵公司带来不便，我们将深表歉意。

如果贵公司用户在使用过程中发现本说明书有错漏之处，请及时与我公司联系。

谢谢！
本书的目标：
用户借助本说明书可以方便地对系统技术情况进行全面的了解；
我公司市场人员通过本说明书也能够对本系统有一个全面的了解。

适用读者：
本系统的终端用户；
期望通过本书全面了解本系统的市场人员；
进行现场服务的工程技术人员等。

目录
1．系统概述 (4)
2. 系统技术背景 (4)
3. 系统结构与硬件配置 (8)
4．系统主要技术特点 (10)
5．系统主要功能 (13)
6. 系统主要技术指标 (15)
7．系统的抗干扰性能 (17)
8．引用技术标准 (19)
1．系统概述：
在配电网络中，接地故障约占全部故障的80%以上，是影响配电网络安全运行的主要因素。

由于接地现象非常复杂，特别是小电流接地系统发生单相接地故障时，故障电流微弱以及故障点电弧不稳定等原因，使得电网故障辨识及选线定位一直是个难题。

长期以来，人们做了大量的工作，开发出了许多种检测方法及装置，但实际运行效果并不理想。

由于缺少可靠的故障辨识及选线定位手段，大多供电企业不得不用人工拉闸的方法选出故障线路，虽然可以正确选线，但是对供电可靠性非常不利，并且随着电力系统自动化水平的不断提高，很有必要开发出一种正确率高，可以保障供电可靠性且能够对电网进行实时监测与故障诊断的综合故障诊断及选线定位装置，从而对各类故障进行有效治理。

正是在这种背景之下，成都府河电力自动化成套设备有限责任公司经过多年的研究，并通过模拟电网及现场实际运行验证，自主研发了新一代的FH-QD综合故障诊断&记录分析系统。

它适用于6kV~66kV中性点不接地或经电阻、消弧线圈接地的系统，可广泛应用于变电站、发电厂、水电站及石油、化工、冶金、煤炭、铁路等大型工矿企业的供电系统，能够准确地检测并隔离系统中发生单相接地故障的线路，选线准确率可达98%。

FH-QD综合故障诊断&记录分析系统还具有强大的故障波形记录分析功能、准确的故障测距定位功能、高精度的电压合格率统计功能及谐波分析监测功能等。

2.系统技术背景：
2.1.中性点不直接接地方式的运行情况：
目前世界各国的配电网都采用中性点不直接接地方式。

因其发生接地故障时，流过接地点的电流小，所以称其为小电流接地系统。

我国6~66kV低压配电网络和大型工矿企业的供电系统大都采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式，近年来一些城市电网改用电阻接地运行方式。

矿井6~10kv电网过去一直采用中性点不接地方式，随井下供电线路的加长，电容电流增大，近年来消弧线圈在矿井电网中得到了推广应用并主要采用消弧线圈并串电阻接地方式。

小电流接地系统发生单相接地故障时，由于三个线电压仍然对称，特别是中性点经消弧线圈接地系统，流过接地点的电流很小，不影响对负荷连续供电，电力系统安全规程规定仍可继续运行1~2个小时，避免了供电突然中断对用户的影响。

随着对供
电可靠性问题的日益重视，小电流接地方式愈来愈受到电力部门的推崇。

小电流接地故障尽管不影响电网的正常运行，但由此引起的过电压会危害电网绝缘，可能导致短路故障，使事故扩大，从而影响系统的安全，尤其是以电缆为主的配电网，电缆一旦发生单相接地，多数会发展为永久性的相间或三相故障。

因此，需要尽快选出故障线路，以便运行人员及时采取措施加以处理。

2.2.小电流接地选线装置的应用现状:
小电流接地系统的单相接地故障选线，是一个世界性的难题，一百多年来在电力生产过程中一直没有彻底解决。

国外在上世纪初期就有许多电力工程技术人员和高等院校对此项目进行过大量的研究，认识度不但深入，技术方案也越来越多，准确率逐步提高。

其中，具有代表性的是德国电力工程师巴赫的“首半波”理论和俄罗斯的“无功功率方向”理论。

根据这些理论开发出来的装置在电力系统中进行了使用，其选线的准确率可以达到50％左右。

我国从上世纪80年代起开始研制小电流接地系统单相接地自动选线装置。

虽然起步晚，但是发展速度却很快，目前已具有世界先进水平。

经过多年的使用，其选线准确率已接近50％。

后来，又采用“首半波”理论和晶体管电子技术相结合，生产出了几种不同规格的选线装置，在我国电力系统中进行了推广使用，使选线的准确率比前者又有所提高，可达60％左右。

进入20世纪90年代以后，由于单片机在我国得到了普及应用。

很多科技型企业开始把这种高科技的微电脑技术应用于本领域，先后有多家科研院所和企业开发研制出了小电流接地选线装置。

由于单片机的运行速度慢、采样速率低、字长短、存储容量小，只能进行简单的运算和处理，其应用状况并不理想，这有原理上的缺陷、硬件平台上的不足，甚至也有未将其作为继电保护装置来对待的原因，在产品设计、生产工艺和售后服务等都未引起足够的重视，这些因素都直接或间接的导致了该类产品的质量良莠不齐、选线准确率低。

以前的选线装置都是基于电力系统稳态分量的选线理论，如基波比幅比相法、谐波法、零序有功分量法等。

由于消弧线圈的补偿作用，基于稳态信号的选线方法在理论上就无法做到100%正确，而且由于过渡电阻、互感器精度的影响以及间歇性电弧带来的不确定性等因素，导致故障线路与非故障线路之间的电气量特征差别变小，难以识别，在实际运行中很多选线装置的选线准确率仅有20~30%。

由于缺少可靠的接地选线手段，电网运行人员不得不继续沿用人工拉闸的方法选择故障线路。

2.3.常用的选线原理：
2.3.1．比幅比相原理：
此种方法为多重判据，增加了可靠性和抗干扰能力，减少受系统运行方式、长短线、接地电阻的影响。

采用幅值法与相位法相结合，先用“最大值”原理从线路中选出三条及以上的零序电流最大的线路，然后用“功率方向原理从选出的线路中查找零序电流滞后零序电压的线路，从而选出故障线路。

该方案因排队后去掉了幅值小的电流，在一定程度上提高了选线准确率，另外排队也避免了设定值，具有设定值随动的“水涨船高”的优点。

它既可以避免单一判据带来的局限性，也可以相对缩短了选线的时间，是较理想的方式。

2.3.2．谐波法：
谐波方法是针对中性点经消弧线圈接地的系统，其基本原理是：此系统对谐波分量来说，消弧线圈处于欠补状态，如果线路零序电流中含有丰富的谐波成分，则比较所有线路零序电流谐波分量的幅值与相位，故障线路零序电流幅值较大且相位与正常线路零序电流反向；若所有线路零序电流同相，则为母线接地。

谐波方法不适用于不接地和经电阻接地的系统。

2.3.3．首半波法：
小电流接地电网单相接地故障产生的暂态电流虽然很复杂，但是发生故障的最初半个周波内，满足故障线路零序电流与正常线路零序电流极性相反的特点，通过比较首半波的零序电流极性进行故障选线，该方法只适用于中性点不接地和中性点经消弧线圈接地的电网。

2.4．尚需解决的问题：
目前，国内的选线装置多采用零序电流及其谐波原理实现故障选线，首半波法、有功分量法等其它方法也均有采用。

但是小电流系统的一个重要特征就是故障电流稳态分量幅值小，无论是谐波分量还是基波分量，都容易被干扰信号所淹没，二次测的零序电流又容易受到CT中的不平衡电流的影响，因此基于谐波原理的装置在实际运行中易造成误判。

已有技术可靠性差的原因分析：
(1).影响选线准确性的关键原因就在于一个“小”字。

因为接地时的电流很小，从几毫安到几十毫安或几百毫安，最大也只有几安培，与供电线路中的几百安培或数千安培的负荷电流相比，相差数千倍或数万倍；线路中故障时的电流与非故障时的电
流相比没有明显的区别；又因为很多电流互感器的测量误差所产生的不平衡电流远大于接地时的零序电流值，现有的设备，不能区分是故障接地电流还是负荷电流的波动。

(2).当接地故障发生时，不仅故障线路对地有电容电流，而非故障线路对地同时也有电容电流，这样不仅要测量故障线路的电容电流，还要测量非故障线路的电容电流，并要进行区分，难度更大。

在一些大型枢纽变电站中，虽然配电线路较多，距离也比较长，接地时能够形成较大的电容电流；但是，接地电流较大时，又容易在故障点产生弧光，导致二相或三相线路发生短路事故。

因此，国家有关部门明确规定：对于接地电流大于10A的系统，要装设消弧线圈或电阻。

以此来减少接地点的过度电流，避免产生弧光；这样就使故障线路接地点的电流更小，故障特征更加的不明显。

(3).电力系统是强电场和强磁场的环境，干扰信号很大，往往把接地信号给淹没了；再加上接地时，系统会经常发生铁磁谐振，改变了故障线路与非故障线路零序电流的方向，采用“零序谐波电流的方向”判断故障线路的理论被否定。

2.5.选线装置的发展方向:
针对已有的基于电力系统稳态分量选线理论存在的缺陷和不足，近年来，一些新的小电流接地选线方法开始逐步得到应用和推广。

2.5.1．信号注入法:
不再利用系统中的固有信号，而是人为地向系统中注入一个特殊信号电流。

利用该电流仅在故障线路故障相中流动的特点，对其进行寻踪，可以实现接地选线和接地点定位。

该选线方法不受系统运行方式和系统参数的影响，有较高的选线正确率，但有如下缺点：
(1).需要注入信号源，接线麻烦且注入信号强度受TV容量的限制；
(2).受高阻和电弧接地的影响，容易产生计算误差，此时检测效果不佳；
(3).需要在每条线路上装设注入信号接收器，易受外界因素影响且使用不方便；
(4).无法检测到瞬时性故障。

2.5.2.残留扰动法:
不再利用系统中的固有信号，而是人为地使系统产生一个扰动信号。

应用自动跟踪消弧线圈技术，人为地调整消弧线圈的补偿度，利用故障线路在消弧线圈调整前后其零序电流的变化量最大，而非故障线路变化量很小的特点来实现接地选线。

该选线方法不受系统运行方式和系统参数的影响，有较高的选线正确率，但有如下缺点：
(1).需要消弧线圈的配合，不适用于其他接地方式的系统；
(2).受高阻和电弧接地的影响，容易产生计算误差，此时检测效果不佳；
(3).短时间切投并联中值电阻，会对系统产生冲击，有可能影响系统安全运行，还需要跟继电保护相配合，整定麻烦；
(4).无法检测到瞬时性故障。

2.5.
3.暂态量选线法：
利用系统中的固有信号，这是一种回归，当然，以前是基于稳态分量，而现在是基于暂态分量。

利用故障信号暂态分量所包含的丰富故障信息，来实现接地选线。

故障信号的暂态分量相对于稳态分量具有如下特征：
(1).单相接地故障发生瞬间，故障电流中含有丰富的暂态高频分量，是稳态信号的十几倍到几十倍。

(2).暂态分量同样满足故障线路幅值最大、相位与其他健全线路相反的特征。

(3).消弧线圈对稳态分量的补偿作用很小，相当于开路，不会对正确选线带来实质性的影响。

该选线方法不受系统运行方式和系统参数的影响，不受故障条件的影响，具有较高的选线正确率。

该方法不需要额外增加一次设备或与之相配合，安装和调试简单、使用方便，同时还具有检测瞬时性故障的优点。

综上所述，对于小电流接地选线难题，暂态分量是一种比较理想的、经济的选线方法。

3．系统结构与硬件配置：
3．1．系统结构：
装置按照10U/19″一体化结构设计，模块化配置，可根据现场的需求灵活配置，通过模块组合可以实现最大96路模拟量输入、192路开关量输入、告警输出、GPS （1PPS/1MPS/IRIG-B）对时、分析、显示、打印、存储、通信等功能，易于安装、调试和维护。

机箱正面配置有：一台工业级12.1″TFT彩色液晶显示器、5个状态指示灯、2个操作按钮和2个USB 2.0 接口。

5个状态指示灯分别是：
电源指示灯：亮红灯为电源模块工作正常；
运行指示灯：亮红灯为系统运行正常；
GPS同步指示灯：绿灯闪烁表示系统时钟与GPS时钟同步，绿灯不亮表示与GPS失去同步；
启动录波指示灯：绿灯亮表示系统处于录波状态；
告警指示灯：系统有告警时红灯常亮，需手动复归才熄灭。

2个操作按钮分别是手动录波按钮和手动复归按钮：
当按下手动录波按钮时，装置按照设定的录波参数进行录波；
按下手动复归按钮可熄灭告警指示灯。

装置机箱为全密封背插式结构，弱信号线、电源线从母板走线，不引出机箱，避免了外部信号对它们的干扰，系统具有很强的抗干扰能力。

3．2．系统硬件配置：
系统硬件包括的功能模块有：模拟量输入模块、开关量输入模块、采集模块、测频模块、GPS模块、告警模块、电源模块、分析存储管理模块、通信接口、打印机、显示器、键盘、鼠标等。

系统硬件配置如图1所示。

图1 装置硬件配置框图
4.系统主要技术特点:
4.1.强大的硬件平台：采用当今应用最广泛的DSP技术、CLPD技术、嵌入式技术等。

采用全球最大DSP生产制造商美国德州仪器公司（TI）的32位高性能DSP、美国Xilinx公司生产的可编程逻辑控制器件CPLD构成数据采集系统；采用台湾研华公司生产的嵌入式、低功耗、双核高速PC104模块来完成故障波形数据记录、故障分析、故障测距及数据存储管理、数据通信等功能。

4.2．高精度、长时间的故障录波功能（支持连续稳态录波）：
(1).采用16位高速A/D转换芯片，数据采样速度快、精度高；
(2).系统电压、电流采集精度高，保证接地故障电流很小时（高阻接地）能准确地选线和测距（故障定位）。

4.3．采用GPS同步采样，采样同步性好：
数据采集模块采用GPS脉冲控制同步采样，不受DSP的影响，保证了各采集模块数据采集的同步性。

4.4．高可靠性：
(1).采用两级硬件“看门狗”设计，采用软件进程监视和恢复，保证了系统运行的高可靠性；
(2).采用标准插件结构，强弱电分离、光电隔离，确保了系统的安全性和可靠性。

4.5．大容量：
(1).最大可支持6个母线段，64条线路；
(2).记录容量只受系统硬盘容量的限制，至少可以记录10000次故障的波形和信息，装置掉电后信息不会丢失。

4.6.独创的新型选线理论：
装置采用基于暂态分量的选线原理，不受系统运行方式和各种故障条件的影响，具有较高的选线准确率。

基于暂态分量原理的接地故障选线具有以下优点：
(1).不受消弧线圈补偿的影响，适用于所有中性点非直接接地系统。

(2).适用于架空线、电缆线或架空电缆混合出线的系统。

(3).不受故障时刻和故障位置的影响。

(4).可正确捕捉瞬间性接地故障。

(5).对零序互感器无特殊要求。

4.7．基于过程分析的全面故障类型辨识及选线：
(1).零序信号的全程实时采样、录波及实时计算判断；
(2).故障信号发展过程的全程重演、回放；
(3).故障暂态小波特征法等全息有效域故障类型辨识及接地选线。

4.8．可捕获和诊断瞬间性故障：
通过对瞬间性故障的捕获，为运行人员提供技术参考依据，及时排除潜在隐患，避免频繁发生的瞬间性故障转化为永久性接地故障。

4.9．启动记录判据丰富、精度高：
对于越限启动量精度优于5％，突变启动量精度优于10％；可设的启动方式有：模拟量突变量启动和越限启动（含过量和低量启动）；正序越上限、越下限启动；负序、零序越上限启动；电流振荡启动；开关量变位或上跳变、下跳变启动；频率越上限、下限启动；手动及远方启动等。

4.10．记录信息种类齐全：
可记录交流电压、直流电压、交流电流、直流电流、频率、开关状态量、温度量等；计算产生正序电压、正序电流、负序电压、负序电流、零序电压、零序电流、有功功率、无功功率等。

4.11．实时监测功能：
在线实时显示电压、电流波形，各相电压、电流有效值、相角差、系统频率、各次谐波分量占比等。

4.12．丰富的分析功能：
既能按照故障文件进行分析，也能按照指定的时间段组织稳态数据进行分析。

具体的分析功能有：故障分析、故障测距、谐波分析、矢量分析、序分量分析，波形分析，以及数据通道任意组合显示，相邻线路数据的对照显示等。

在线实时显示电压、电流波形，各相电压、电流有效值、相角差、有功功率、无功功率、功率因数、系统频率、各次谐波分量占有的百分比等。

4.13．友好的人机界面：
(1).为了满足系统对高可靠性的要求，采用嵌入式Linux操作系统作为系统的软件平台，为了满足用户对图形化界面和操作方便性的要求，采用QT图形界面开发工具开发图形界面，界面友好、操作简便。

(2).运行界面清晰，系统运行参数、接地信息、波形、诊断结果等显示一目了然；支持历史数据的查询和分析，支持录波数据的波形显示和分析。

4.14．完善的自检和自恢复功能：
能够在线进行装置自检，在发现问题时能够快速地进行系统自恢复，保证了系统运行的稳定性、可靠性和连续性。

4.15．接口方便：
可通过以太网络或串口方式与保信系统或其他系统实现方便的接口。

也可以通过
USB接口方便地导入或导出数据，方便用户进行离线分析。

4.16．录波数据两级自动存储模式，确保数据不丢失：
数据分两级储存：第一级为1GB以上容量的CF卡；第二级为高速硬盘。

5．系统主要功能：
5．1．完善的波形记录及波形显示、分析功能：
故障波形显示、分析软件是基于Comtrade99标准文件格式的分析软件。

该软件是对录波数据进行详细分析的工具，可以对任意通道数据进行编辑组合显示。

所有通道在同一页面内，可通过拉动滚动条查看通道波形。

其主要的分析功能包括：查看功能：放大、缩小、排列、还原、压缩、瞬时值/有效值切换、相角值等；
分析功能：故障分析、故障测距、向量分析、谐波分析、序分量分析等；
计算通道功能：谐波计算、正序、负序、零序、三相有功、三相无功、三相视在功率、频率计算等；
可绘制波形和向量图，并进行自由缩放，直观的显示故障发生的过程，显示信息全面。

(1).可对造成零序电压升高的各类故障进行故障录波，包括瞬时性故障；
(2).录波信号包括各相对地电压、零序电压和各支路零序电流信号；
(3).每路信号的录波采样率为10 kB/s；
(4).记录故障发生前10个周波、故障发生及故障消失后10个周波的波形数据；
(5).装置能记录10000次以上的录波数据，并能方便的查询和显示录波波形；
(6).录波数据可以方便导出，并配有后台分析软件供离线分析使用，该软件具有良好的可视化人机交互界面，可以方便地分析录波数据、为现场技术人员进行事后电网事故分析提供依据和分析工具。

5．2．故障辨识功能：
(1).支持零序电压升高的各类故障的辨识；
(2).能够准确辨识单相接地、单相断线、单相断线接地、电网扰动、电压跌落、两相或三相短路、零序过电压等多种故障类型；
(3).对接地故障的辨识正确率达98%，能对故障现象给出分析结论；
(4).能捕获瞬时性和间歇性故障，为设备及线路潜在故障提供分析依据。

5．3．选线功能：
(1).可对单相接地故障准确选线；
(2).采用“基于故障过程分析”的全时域、全频段、全类型诊断方法，保证诊断的准确性。

5．4．过电压监视功能：
监视电网过电压现象，记录过电压录波数据，对超过10秒的过电压现象在线诊断故障类型和故障区域，对小于10秒的过电压现象进行录波记录。

5．5．谐波分析监视功能：
(1).可以分析和监视最高99次谐波；
(2).分析各次谐波所占的比例。

5．6．后台监控分析功能：
(1).通过IP网络可将各变电站的FH-QD综合故障诊断&录波系统接入后台监控分析系统，实现对装置和数据的远程监控及分析功能；
(2).具有优良的可视化人机交互界面，可以方便地分析录波数据、比较录波数据、为现场技术人员进行事后电网事故分析提供依据和分析工具；
通过后台监控分析系统可以实现：
①．远程监控各个站所FH-QD综合故障诊断&记录分析系统；
②．远程调取故障数据并进行集中管理，统一分析，处理及统计；
③．实现软件的远程升级和设备的远程维护；
④．故障波形回放功能，实现故障判别再现；
⑤．事件及故障信息的远程报警功能。

5．7．通信功能：
(1).根据需要可提供RS232、RS485及以太网通信接口；
(2).支持多种通讯规约（如103规约、IEC61850规约等），能够配合各种RTU和主站系统及上级监控系统；
(3).能将故障发生的时刻、持续时间、故障支路编号、故障类型等传送到上级监控系统。

5．8．特殊功能：
亦可根据用户的需要增加其他非标功能。

6．系统主要技术指标：
6．1．母段数：1~6段，每段支持：
(1).3路相电压，1路零序电压（开口三角形电压）；
(2).最大64路零序电流；
(3).1路中性点电流。

6．2．输入信号：
PT输入范围：额定电压：100V/57.7V，功耗：≤0.5VA。

CT输入范围：额定电流：5A/1A，功耗：≤0.5VA。

输入频率：40~60Hz。

开关量输入：最多192路开关量输入，空节点输入方式。

6．3．选线支路：1~64路；
6．4．波形数据记录容量：
波形数据记录容量只受硬盘容量大小的限制，至少可以记录10000个以上的故障波形数据文件；。