CN103853765A - 一种比对电力系统故障波形特征的方法 - Google Patents

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王建中
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Abstract

本发明涉及一种比对电力系统故障波形特征的方法,步骤包括:确定一种电力系统故障信息数据库存储格式;对电力系统故障信息数据库中所有故障录波文件包提取出常见的故障特征信息,并将结果存放于故障信息数据库存储格式中相应的位置;对电力系统故障信息数据库中所有故障录波文件包作预处理;针对某一故障录波文件包,开展其与电力系统故障信息数据库中所有其他故障录波文件包中波形特征比对;判定具有相似波形的故障录波文件包的结果。本发明提供了一种前所未有的手段,将波形特征相似的采样通道按照定量的相似程度列出。辅助揭示技术人员不易发觉的共性问题,提高电力系统运行安全性。

Description

一种比对电力系统故障波形特征的方法
技术领域
本发明属于电力系统中继电保护及故障信息处理技术领域,尤其是一种比对电力系统故障波形特征的方法。 
背景技术
故障录波器是监测电力系统运行状态的重要设备之一,已经广泛安装于我国发电厂和变电站,其主要功能是记录电力系统故障前后保护安装处的电流、电压、功率等电气量和开关量的变化情况。通过对录波文件的分析,可以准确地评价系统内故障严重程度;通过分析开关量的变化情况,可以评价保护装置的动作正确与否。正确分析故障录波文件包(COMTRADE文件包),尽量挖掘故障录波文件包中隐含的故障特征信息,对于发现设备缺陷、提高设备状态监视和评价水平、提出改进措施、提高电力系统的安全运行水平方面起着重要作用。 
目前,我国电力系统行业内的故障录波装置均遵循GB/T22386-2008《电力系统暂态数据交换通用格式》,等同于IEC 60255-24:2001标准,与国际通用的故障录波文件格式COMTRADE 1999标准(即IEEE Std C37.111-1999)规定一致。一套故障录波文件包括配置文件(.cfg)、数据文件(.dat)、标题文件(.hdr)、信息文件(.inf)四种格式,其中数据文件通常是二进制或ASCII编码的时间序列信息,须用专门的分析程序进行解码计算。 
随着电力网络通信技术和数据库技术的快速发展,故障录波文件包的上传和统一管理功能已经实现,但业界使用的电力系统故障信息系统只是将某一次电网故障产生的上述配置文件、数据文件、标题文件、信息文件四种格式压缩打包为一个故障录波文件包,按照所属厂站、所属故障录波器设备、故障发生时间这三类信息作为索引,存放于电力系统故障信息数据库。在人工查看分析故障录波文件包时,按以上三个索引调用出压缩文件包,解压缩后用符合COMTRADE格式标准的专用波形工具开展分析。不具备自动分析比对功能。 
由于数据量庞大,并没有按照所记录的故障设备、故障特征进行归类,当电网规模和故障文件数量积累到一定程度后,依靠人工开展继电保护故障统计分析工作十分繁琐不便。通常的解决方案是在将故障录波文件包存入故障信息 数据库时,以人工分析的方法获取所记录的故障设备、故障特征等字段信息,并存入数据库。上述故障特征字段信息仅需常规分析即可得出,而大量历史故障录波文件包中可能隐藏了更为丰富的故障特征信息,而对于这些大量历史故障录波文件包中的信息,目前尚未充分挖掘利用,也没有充分挖掘利用的手段。对于这些海量数据的挖掘成为了科技工作者亟待解决的课题。 
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种比对电力系统故障波形特征的方法,该方法有效解决了大量历史故障录波文件包中尚未挖掘利用的海量数据的处理,为深入分析故障录波文件数据提供了方法。 
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的: 
一种比对电力系统故障波形特征的方法,步骤如下: 
⑴确定一种电力系统故障信息数据库存储格式; 
⑵对电力系统故障信息数据库中所有故障录波文件包提取出常见的故障特征信息,并将结果存放于故障信息数据库存储格式中相应的位置; 
⑶对电力系统故障信息数据库中所有故障录波文件包作预处理; 
⑷针对某一故障录波文件包,开展其与电力系统故障信息数据库中所有其他故障录波文件包中波形特征比对; 
⑸判定具有相似波形的故障录波文件包的结果。 
而且,所述步骤⑴确定一种电力系统故障信息数据库存储格式,包括建立: 
①电力系统故障信息数据库故障主表存储格式表1; 
②各故障录波器的按故障录波器划分的采样通道表存储格式表2; 
而且,所述步骤⑵提取出常见的故障特征信息,包括: 
①故障类型判别信息; 
②故障时间信息; 
③各采样通道数据含义; 
将常见的故障特征信息存入表1,表2中相应的域。 
而且,所述步骤⑶对电力系统故障信息数据库中所有故障录波文件包作预处理,包括: 
①在每一个故障录波文件包中编写一个自定义的信息文件(.INF),反映各采样通道的拓扑连接关系; 
②根据所有产生故障录波文件包的设备预设的采样率,设定标准的时间序列; 
③对所有故障录波文件包的录波文件中的每一个采样通道作如下步骤的处理: 
A用于对所有故障录波文件包的故障波形按时间进行插值; 
B对故障波形幅值进行标么化。 
而且,所述步骤⑷的波形特征比对包括: 
①只与属于同一故障录波器的其他故障录波文件包作比对; 
②只与有共同一次设备的其他故障录波文件包作比对; 
③与电力系统故障信息数据库中所有其他故障录波文件包作比对: 
A确定用于比对的波形时间起始点; 
B计算经预处理后波形的不吻合程度指标a; 
C计算经预处理及离散傅立叶变换、希尔伯特—黄变换后波形的不吻合程度指标b。 
而且,所述步骤⑸判定具有相似波形的故障录波文件包的结果具体包括:首先通过经预处理后波形的不吻合程度指标a的数值判定,若合格,则完成判定;若不合格,则进一步通过经预处理及离散傅立叶变换、希尔伯特—黄变换后波形的不吻合程度指标b做第二次判定。通过两次指标计算和判定。 
本发明的优点和积极效果是: 
按照本发明所提出的方法构建而成的电力系统故障信息数据库,可以实现对故障录波文件更为丰富的检索内容,除保护传统的所属厂站、所属故障录波器设备、故障发生时间这三类索引信息外,还可以自动地建立所记录的故障设备、故障特征等字段信息,并存入数据库,方便技术人员查询调用,丰富了电力系统故障信息数据库的功能。 
另外,通过本发明所提出的故障特征比对方法,通过对波形幅值归一化和故障起始时刻相角统一处理的手段,为技术人员提供一种前所未有的手段,将波形特征相似的采样通道按照定量的相似程度一一列出。本发明能够改变此前技术人员对故障录波文件包作横向比对时只能依靠简单故障特征字段,或依靠定性分析经验的局面,辅助揭示技术人员不易发觉的共性问题,有助于提高电 力系统运行的安全性。 
具体实施方式
以下通过实施例对本发明做进一步详述: 
需要强调的是,本发明所述的实施例是说明性的,而不是限定性的,因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例,凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式,同样属于本发明保护的范围。 
一种比对电力系统故障波形特征的方法,步骤如下: 
⑴确定一种电力系统故障信息数据库存储格式; 
①确定电力系统故障信息数据库: 
A,电力系统故障信息数据库故障主表存储格式,其如下表1所示; 
B,各故障录波器的按故障录波器划分的采样通道表存储格式,其如下表2所示; 
以上两表便于后续实施波形特征比对功能; 
Figure DEST_PATH_GDA00002722409700041
Figure DEST_PATH_GDA00002722409700051
表1,电力系统故障信息数据库故障主表存储格式 
Figure DEST_PATH_GDA00002722409700052
Figure DEST_PATH_GDA00002722409700061
表2,各故障录波文件包中按故障录波器划分的采样通道表存储格式 
⑵对电力系统故障信息数据库中所有故障录波文件包提取以下常见的故障特征信息,并将结果存放于上述表1与表2中相应的位置: 
利用数据库标准结构化查询语言(ANSI SQL)编写存储过程(storedprocedure),按目前业内主流技术,解读故障录波文件包,从每一个故障录波文件包提取出三类常见的故障特征信息: 
①故障类型判别信息:单相接地短路、两相接地短路、两相相间短路、三相短路及断线故障; 
②故障时间信息:故障发生时刻、故障持续时间及故障清除时刻;是单重故障还是多重故障;是否发生重合闸; 
③各采样通道数据含义:所属设备、所属设备电压等级、反映电压或电流或开关量; 
其中①、②类故障特征信息存入表1中序号12对应的域(field),③类故障特征信息存入表1中序号7、8对应的域; 
表1中序号1~13对应的域、表2中序号1~10的域均可填入; 
⑶对电力系统故障信息数据库中所有故障录波文件包作预处理: 
①在每一个故障录波文件包中编写一个自定义的信息文件(.INF),反映各采样通道的拓扑连接关系:通过对设备连接关系的分析,确定各采样通道是否位于同一变压器各侧、是否位于同一母线分段。编写该INF文件的任务既可以通过能量管理系统(EMS)后台系统高级应用分析接口自定义编程实现,也可通过人工设置; 
②根据所有产生故障录波文件包的设备(故障录波器、继电保护装置)预设的采样率,设定一个合理的、标准的时间序列,作为故障录波文件包中波形比对的时间序列基准。推荐的时间序列总长度为:对于单重故障、无重合闸采用20个周波推荐典型值,其他情况采用200个周波作为推荐典型值;推荐的采样周期为1周波采样15次。将此标准时间序列存为表2中序号11的域值(fieldvalue); 
③对所有故障录波文件包的录波文件中的每一个采样通道作如下步骤的处理: 
A用于对所有故障录波文件包的故障波形按时间进行插值,保证所有故障录波文件包故障波形在相同时间点处采样; 
B在上述步骤(3)的②步骤所得插值故障波形的基础上,对故障波形幅值进行标么化(即数学上的归一化)操作,保证用于比对的故障波形模拟量有相同的基准; 
(4)针对某一故障录波文件包,开展其与电力系统故障信息数据库中所有其他故障录波文件包中波形特征比对: 
该比对工作在以下几个层面分布展开: 
①只与属于同一故障录波器的其他故障录波文件包作比对; 
该范围即表1中,序号3、4对应的域值相同的故障录波文件包,对于该层面,只需对属于同一采样通道上的数据进行比对; 
②只与有共同一次设备的其他故障录波文件包作比对; 
该范围即表1中,序号7对应的域值有共同字符串成员的故障录波文件包; 
③与电力系统故障信息数据库中所有其他故障录波文件包作比对; 
以比对任意某两个采样通道上的数据为例,说明比对方法的步骤: 
A确定用于比对的波形时间起始点:在步骤(3)的②步骤已确定标准时间 序列的情况下,在上述两个采样通道波形上分别按以下条件挑选起点与终点,即以故障前一个完整的周波的过零点为起点,按起点后经过步骤(3)的②步骤规定的时间序列总长度对应的采样时刻作为终点;将实际起始点存入表2中序号12、14、12+2n-1等对应域位置; 
B计算不吻合程度指标a:将相同间段内的相同采样点的波形幅值的差的平方进行累加,并乘以(采样点数*采样间隔),除以采样时间序列总长度,除以两个采样通道波形第一个周波幅值的平均值,得到两段波形不吻合程度指标a; 
该不吻合程度指标a数值越小,说明两段波形重合程度越高; 
若两段波形不吻合程度指标a不大于0.1,则将比对结果存入数据库相应数据表中,包括表1中的序号14、15对应的域,表2中的序号12+2n+1至12+2n+3对应的域。若两段波形不吻合程度指标a大于0.25,则表明两路采样通道波形特征不相同,予以放弃,应从剩余采用通道中任意选取一路采样通道,与待比对采样通道重复上述步骤(4)的③步骤中的A的过程; 
若两段波形不吻合程度在0.1~0.25之间,则执行步骤(4)的③步骤中的C的过程,若待比对的采样通道和故障录波文件包处理完毕,则结束,否则,返回步骤(4)的③步骤中的A; 
需要指出的是,上述不吻合程度指标a的阀值0.1和0.25是根据采样时间为上述步骤⑵的②步骤中所述单重故障,无重合闸的情况的推荐值,对于其他形式的故障,该不吻合程度指标a的阀值应将0.1和0.25分别修改为0.05和0.15; 
C计算不吻合程度指标b: 
首先将两个采样通道的波形执行离散傅立叶变换(DFT),对所得的基波和前三次谐波波形分别按照相同采样点的波形幅值的差的平方进行累加,并乘以(采样点数*采样间隔),除以采样时间序列总长度,除以两个采样通道波形第一个周波幅值的平均值,将此四个值取加权算术平均(推荐权重依次为0.6,0.1,0.1,0.2),得到两段波形不吻合程度指标b1; 
其次将两个采样通道的波形执行希尔伯特-黄变换(Hilbert-HuangTransform,HHT),对各采样通道所得的前三个基本分量分别按照相同采样点的波形幅值的差的平方进行累加,并乘以(采样点数*采样间隔),除以采样时间 序列总长度,除以两个采样通道波形第一个周波幅值的平均值,将此三个值取加权算术平均(推荐权重依次为0.6,0.2,0.2),得到两段波形不吻合程度指标b2; 
对于单重故障,无重合闸的情况,若b1与b2均不大于0.1,则将比对结果存入数据库相应数据表中;对于其他形式的故障,若b1与b2均不大于0.05,则将比对结果存入数据库相应数据表中。更新的数据表内容包括表1中序号14、15的域值,表2中序号12+2n+1至12+2n+3的域值; 
若待比对的采样通道和故障录波文件包处理完毕,则结束,否则,返回步骤(4)的③步骤A; 
(5)判定具有相似波形的故障录波文件包的结果;通过上述方法,完成上述步骤(4)的①、②、③步骤相应层面的比对工作后,可以通过表1中序号14、15查看波形特征具有相似性的故障录波文件包,其波形可通过表2中序号12+2n+1至12+2n+3的域值内容显示。至此,电力系统故障信息数据库故障主表及各故障录波文件包对应的采样通道表中相应位置已存入必要的信息。待所有故障录波文件包分析完毕后,技术人员可通过数据库命令选择显示所需结果。 

Claims (6)

1.一种比对电力系统故障波形特征的方法,其特征在于:步骤如下: 
⑴确定一种电力系统故障信息数据库存储格式; 
⑵对电力系统故障信息数据库中所有故障录波文件包提取出常见的故障特征信息,并将结果存放于故障信息数据库存储格式中相应的位置; 
⑶对电力系统故障信息数据库中所有故障录波文件包作预处理; 
⑷针对某一故障录波文件包,开展其与电力系统故障信息数据库中所有其他故障录波文件包中波形特征比对; 
⑸判定具有相似波形的故障录波文件包的结果。 
2.根据权利要求1所述的比对电力系统故障波形特征的方法,其特征在于:所述步骤⑴确定一种电力系统故障信息数据库存储格式,包括建立: 
①电力系统故障信息数据库故障主表存储格式表1; 
②各故障录波器的按故障录波器划分的采样通道表存储格式表2。 
3.根据权利要求1或2所述的比对电力系统故障波形特征的方法,其特征在于:所述步骤⑵提取出常见的故障特征信息,包括: 
①故障类型判别信息; 
②故障时间信息; 
③各采样通道数据含义; 
将常见的故障特征信息存入表1,表2中相应的域。 
4.根据权利要求1所述的比对电力系统故障波形特征的方法,其特征在于:所述步骤⑶对电力系统故障信息数据库中所有故障录波文件包作预处理,包括: 
①在每一个故障录波文件包中编写一个自定义的信息文件(.INF),反映各采样通道的拓扑连接关系; 
②根据所有产生故障录波文件包的设备预设的采样率,设定标准的时间序列; 
③对所有故障录波文件包的录波文件中的每一个采样通道作如下步骤的处理: 
A用于对所有故障录波文件包的故障波形按时间进行插值; 
B对故障波形幅值进行标么化。 
5.根据权利要求1所述的比对电力系统故障波形特征的方法,其特征在于:所述步骤⑷的波形特征比对包括: 
①只与属于同一故障录波器的其他故障录波文件包作比对; 
②只与有共同一次设备的其他故障录波文件包作比对; 
③与电力系统故障信息数据库中所有其他故障录波文件包作比对: 
A确定用于比对的波形时间起始点; 
B计算经预处理后波形的不吻合程度指标a; 
C计算经预处理及离散傅立叶变换、希尔伯特—黄变换后波形的不吻合程度指标b。 
6.根据权利要求1或5所述的比对电力系统故障波形特征的方法,其特征在于:所述步骤⑸判定具有相似波形的故障录波文件包的结果具体包括:首先通过经预处理后波形的不吻合程度指标a的数值判定,若合格,则完成判定;若不合格,则进一步通过经预处理及离散傅立叶变换、希尔伯特—黄变换后波形的不吻合程度指标b做第二次判定。通过两次指标计算和判定。 
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