基于现代仿真软件的保护故障信息分析与处理

刘兵

（国电科学技术研究院，武汉 430066）

基于现代仿真软件的保护故障信息分析与处理

刘兵

（国电科学技术研究院，武汉 430066）

介绍了将现代仿真软件MATLAB和PSCAD相结合，对基于COMTRADE格式的故障录波文件进行解析，获取电力设备故障时继电保护装置记录的原始数据的方法。利用该方法对继电保护动作进行行为分析、故障再现、故障模拟和事故鉴定，是辅助解决实际问题的有效途径。

故障录波；行为分析；故障模拟；COMTRADE；MATLAB；PSCAD

0 引言

在电力设备事故分析中，故障录波数据是进行事故分析最为重要的原始信息。故障录波数据文件采用的COMTRADE格式，是国际电工委员会制定的标准电力系统暂态数据交换通用格式，国内各微机保护和故障录波装置生产厂家的数据存储格式均遵循COMTRADE格式要求［1-2］。准确运用继电保护和故障录波装置的录波数据是继电保护专业人员对继电保护动作行为分析、故障再现、故障模拟和事故责任鉴定等精准分析的关键。

由于受到保护装置内存大小及知识产权保护的限制，保护装置只对电压、电流等基本变量进行记录，一些分析需要的中间变量如差动电流、测量阻抗等难以在装置中进行数据保存。本文利用现代仿真软件将COMTRADE格式的故障录波文件进行解析，获取电力设备故障分析所需的电压、电流原始数据。读取录波数据进行仿真模拟，并与现场实际故障录波进行对比分析可以确定：本文读取录波数据的方法正确，读取的数据可信，分析结果符合故障特征。因此，基于现代仿真软件的保护故障信息分析与处理，可充分利用仿真软件成熟的算法和工具，高效、准确地进行事故分析计算，对保护装置动作行为分析、事故鉴定、保护软件逻辑分析等具有重要现实意义。

1 设计思想

本文利用MATLAB强大的数据处理能力将故障录波装置或继电保护装置中保存的二进制数据解析成便于分析的十进制数据，利用PSCAD强大的图形用户界面和完善的电力系统分析元件库完成原始数据在PSCAD界面中的各种逻辑分析、运算和仿真，充分利用MATLAB和PSCAD的优点，将它们有机结合，达到分析问题、解决问题的目的［3］。故障数据提取和故障分析流程如图1所示。

图1 故障数据提取和事故分析流程

2 数据分析

2.1 故障数据提取

故障分析以继电保护装置记录的标准COMTRADE格式文件作为数据源，利用现代仿真软件对故障录波文件进行解析和录波数据的提取。完整的COMTRADE格式录波文件由4个二级文件构成：头文件（.HDR）、配置文件（.CFG）、数据文件（.DAT）和信息文件（.INF），其中头文件和信息文件主要存储录波附加信息，对原始数据的提取不产生实质性影响，因此，本文主要围绕配置文件和数据文件进行故障原始数据的提取和分析。

（1）配置文件：记录录波装置信息、各通道名称与参数、各时段采样速率、故障起始时刻、数据存储格式等数据。配置文件以文本格式存储，利用textread命令将文件内容读入到MATLAB工作空间的临时变量Temp中，供解析程序时使用。

（2）数据文件：按配置文件中规定的变量顺序以二进制格式记录各模拟通道、数字通道数据。本文利用MATLAB编制的读取二进制文件的程序，将数据文件中的二进制数据解析成便于分析的十进制数据［4］。

本文以一次500 kV线路C相瞬时性接地故障为例，对其故障录波文件进行解析。在本次故障中，录波装置共记录65个通道，每通道记录9 226个数据。由于篇幅有限，表1中列出的Ua，Ub，Uc数据均从数据文件中解析得出，数据编号为201～260，共60个数据采样点。

2.2 故障数据分析

PSCAD是目前世界上广泛采用的电力系统分析软件，具有大规模的计算容量、完整准确的元件模型库、稳定高效的计算内核、友好的图形用户界面和良好的程序开放性等优点。本文利用PSCAD软件进行分析，基本流程如下［5-6］：第1步，利用PSCAD软件中数据读取模块读取MATLAB工作空间中的原始数据；第2步，利用PSCAD丰富的元件库搭建继电保护装置动作逻辑模型；第3步，将第1步中读取的故障原始数据输入组建的逻辑模型中进行故障模拟、动作行为分析和事故鉴定等。数据处理和分析过程如图2所示。

图2 数据处理和分析过程

根据原始数据在PSCAD软件的图形界面中进行分析，得出图3～图5所示的波形。

根据读取的故障录波数据和数据仿真曲线，可清晰地看出线路C相发生瞬时性接地故障时三相电压、电流的瞬变情况，而且重合成功后线路恢复正常运行。通过仿真软件读取数据与继电保护装置本身所记录数据具有高度一致性，充分证明数据读取正确、有效。

表1 原始数据解析

图3 线路三相电压曲线

图4 线路三相电流曲线

图5 线路三相电压有效值曲线

图6 故障相测量阻抗的变化轨迹

3 保护动作行为分析

本文根据读取的电压、电流原始数据对继电保护保护装置中接地保护功能的动作行为进行分析（接地距离I段阻抗整定值为5.01Ω）［7］。在R-X阻抗平面图上可以观察测量阻抗的动态变化过程，如图6所示。

由图6可以看出：线路发生C相单相瞬时性接地故障后，测量阻抗由动作区外向动作区内快速变化，在故障未切除之前，测量阻抗一直保持在动作区内，故障切除后，测量阻抗快速由动作区内向动作区外变化。阻抗轨迹变化过程与理论分析的结论高度吻合，同时，专业人员利用仿真数据对差动电流等其他中间变量作进一步分析，分析结果同样证明了利用仿真软件读录波信息进行保护装置动作行为分析的可行性和正确性。

4 结论

本文实现了基于COMTRADE标准格式的电力系统故障录波数据的提取、故障再现、波形分析、特征量轨迹观测等功能，充分利用了故障录波器的原始数据进行故障的分析及再现，取得了良好的效果。

（1）将MATLAB仿真软件与实际工作有机结合起来，通过保护装置记录的原始数据和故障录波、远动装置的记录数据比较，能有效判断出保护装置采样情况，进一步辨别装置的运行状况。

（2）继电保护装置记录的是原始电压、电流量，而各种保护原理使用的中间变量是根据原始电压、电流量计算得出，如差动保护用的差动电流和制动电流、阻抗保护用的测量阻抗等，通过读取原始数据，可以精确计算各保护功能实时的中间变量，结合保护动作逻辑关系，从而对继电保护装置的动作行为和保护原理等进行有效分析和准确判断。

（3）通过现代仿真软件的应用，可有效提高继电保护专业人员的技能水平；同时，通过对故障进行模拟、分析，为解决实际问题提供了一种有效的辅助分析方法。

［1］刘天斌，王永业，柳焕章.基于COMTRADE格式的故障分析管理系统［J］.继电器，2001，29（11）：47-49.

［2］张杰，涂东明，张克元.基于COMTRADE标准的故障录波的分析与再现［J］.继电器，2000，28（11）：20-22.

［3］董长虹，余啸海.Matlab接口技术与应用［M］.北京：国防工业出版社，2004.

［4］吴天明，谢小竹，彭彬.MATLAB电力系统设计与分析［M］.北京：国防工业出版社，2004.

［5］郑敏，黄华林，吕鹏.故障录波数据通用分析与管理软件的设计［J］.电网技术，2001，25（2）：75-76.

［6］乌云高娃.基于VB.Net的电力故障离线分析的设计［J］.计算机工程与设计，2004，25（5）：723-726.

［7］纪建伟.电力系统分析［M］.北京：中国水利水电出版社，2001.

（本文责编：白银雷）

TM 773

：A

：1674-1951（2015）05-0024-03

刘兵（1979—），男，湖北咸丰人，工程师，工学硕士，从事继电保护技术管理方面的工作（E-mail：dianqi3446＠163.com）。

2014-04-17；

2015-01-28