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基于电力系统故障分析技巧

作者：郭虹张伟莫严君日期：2015-01-19 10:07 来源：《电子制作》

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【文章摘要】
作为国民经济的重要基础，电力能源的重要性不可忽视，它不仅关系到社会生产与生活的稳定，且与国家兴盛有着紧密关联，安全可靠的电力系统是新时期社会进步和经济发展的重要推动力。从电力系统的基本构成分析，无论是变压器、发电机、输配电线路还是母线及用电设备，其中任一系统或元件出现问题都将影响到系统的正常运行，严格控制系统故障、防范异常运行是电力系统故障分析的目的所在。然而伴随系统结构的复杂以及规模的扩大，各种故障问题在所难免，这就需要积极提高故障分析的有效性，切实保障电力系统运行安全。
【关键词】
电力系统；故障分析；处理过程；方法
0 引言
当前电力建设高速发展背景之下，对于输电线路主网架可靠性提出了更高的要求，这对于主网运行安全及供电稳定性而言是重要的保障。点多面广是送电线路的显著特点，由于长时间暴露在空气中，极易受到雷电、冰雪、暴雨等自然因素的影响，除了自然因素考验外，鸟类、排放物污染等外力因素也有可能引起线路的跳闸问题。局部供电中断问题不仅有碍于电力供电的持续性，且其中造成的经济损失不可估量。面对频繁发生的线路跳闸等故障问题，需要构建更加科学合理的故障排查机制，明确引起电力故障的主要原因，提高故障分析的准确性，这对于故障问题的解决和供电恢复有着积极影响。本文从常见电力系统故障类型、故障特征及故障处理过程出发，针对电力系统故障分析的方法与技巧展开了细致论述。
1 常见电力系统故障、特征及处理过程
1.1 常见的电力系统故障
所谓的电力系统故障主要是指设备运行状态与预期指标不一致的情况，设备的使用功能远低于预设功能，一般电力系统故障类型主要包括：
第一，输电线路故障。作为电网的构成部分之一，输电线路的分布范围较为广泛，因此受到气候环境及地理环境的影响也更为突出。由于环境因素引起的线路故障问题不仅降低了线路运行的可靠性，甚至还会导致大面积停电事故的发生。一般常见的输电线路故障除了包括线路覆冰、鸟害故障和雷击跳闸故障外，还涉及到导线损伤、闪络烧伤以及外力破坏故障等。
第二，发电机组故障。通常电力系统故障中的发电机组故障主要涉及到三方面内容，即温态电压调整率较差、空载电压过低过高以及电压表存在的振动和指示问题。
第三，变电所故障。作为电力系统运行中电压变换、电能分配和功率汇集的重要场所，变电所故障问题也时有发生，这是由于变电所配电装置较为复杂，这其中就涉及到变压器控制、通信设施转换和二次回路电源调整等问题。通常从用途划分变电所包括牵引变电所与电力变电所两个方面，其中电力变电所又包括对应的变频所、配电变电所以及输电变电所。常见的变电所故障被划分为四大类别，即电容器故障、避雷器故障、断路器故障和直流系统接地故障。
第四，母线故障。作为电力系统中电能分配与集中的核心设备，母线的重要性不容置喙。一旦故障问题发生在母线位置，则必然需要切除母线元件，进而引起大面积停电问题。此外，遭遇严重破坏的电气设备还会影响到系统运行的稳定性，甚至造成系统整体性瘫痪，其后果难以估量。
1.2 电力系统故障的主要特征
作为系统故障的突出反映，故障征兆信号在被加工和处理后能够对系统及设备故障作出反映，从而有利于故障原因的排查。一般常见的电力系统故障特征可从以下四个方面加以概括：其一，连接电源电气设备及短路点之间的电流骤然增大；其二，故障位置周围的电气设备电压值趋于下降，且故障点附近电压值可能下降到零；其三，电流和线路始端电压之间的相位差存在显著变化；其四，电流与线路始端电压之间的测量阻抗变化特征较为明显。
1.3 电力系统故障的有效处理
对于电力系统而言，所谓的故障处理即是指通过对故障区域的分析来有效缩小故障范围，对区域故障征兆信息进行分析和信号保护动作的判断来明确具体的故障发生位置，以此为基础隔离故障元件和非故障网络，在故障前后系统拓扑结构识别方面可利用实时结线的方式，明确不同系统拓扑结构之间存在的差异性，这对于故障发生区域判断甚至是故障发生元件的判定都有积极的指导意义。比如在某110kV 变电站全站停电故障当中，以故障前系统运行方式为基础结合继电保护定值单和故障录波图等内容完善一次系统故障分析，对保护装置动作行为进行判断，故障查明结果为保护定值配置不当及极性接反问题，在恢复送电后还应当整体排查故障是否存在遗留隐患。
从系统故障处理的有效性出发，通常电力系统故障处理的原则包括以下几点：第一，故障问题产生时需要由当值人员对故障情况进行准确查明并做好相关记录，及时向上级部门汇报，在运行负责人员的指示下完成调度命令的执行，各项事务处理都应当与规程要求相符；第二，尽可能消除故障发生的根源，通过对事故蔓延速度和范围的限制尽可能降低对设备及人员的威胁；第三，最大程度保证电力设备运行的持续性，确保线路正常供电；第四，留在控制室的人员只能是相关领导人员及工作人员，面对故障问题分析处理应当始终保持头脑清醒，重视与上级调度部门之间的联系，严格控制命令执行情况。事故问题得到控制后，需要及时将事故处理过程向上级报告，并对事故发生的原因和处理全过程进行必要的总结。除此之外，安全教育和责任教育在职工群体中的落实也是促进值班人员应急处理素质提升的重要方面。
2 电力系统故障分析的有效方法
从电力系统电能生产、输送及分配环节分析，变压器、发电机、电力用户和输电线路共同构成了电力系统的主体部分，通过对一次能源的合理转换促进电能输送及分配工作的有序展开，在统一的电力系统管理中运行的稳定与可靠显得尤为重要。对于国民经济发展而言，电力系统的高效运行不可或缺，这就使得电力系统故障分析的重要性更加突出。通常电力系统故障分析的方法与技巧表现为以下三方面：
第一，专家系统。一般专家系统可分为三种类型，即基本模型系统、基本规则系统及基本逻辑系统，这些系统都有两个共同的组成元素，推理机与知识库。作为一个系统化的计算机程序系统，专家系统内有着大量的经验和专门知识，借助在线监测的方式实现对数据信息的采集和存贮，并将其输送至诊断运行中心。在诊断运行中心内信息的处理分析和诊断过程由专家系统完成，并最终将诊断结果在现场运行中得以反馈。其构成要素推理机和知识库有着专家级别的经验水平和专门知识，并且能够通过决策过程模拟实现对复杂故障问题的分析和解决。比如辽西部分电网故障跳闸案例当中，正是利用专家系统作呕哈你歌的EMS 数据接口程序完成故障信息的输入操作，并将辽西地区具体的跳闸情况在故障信息库中进行编辑，并对离线模拟故障进行准确判断。在基本故障与故障类型知识库交互合成后对可能故障进行分析，再将这一结果供调度员参考。
第二，人工神经网络。作为一种人工智能技术，人工神经网络通过对人类信息处理和神经系统传输的模拟操作来达到最终的故障排除目的，在样本学习的过程中借助神经元分析更好地对故障问题进行判断，并合理推测相关的连带信息。人工神经网络在容错能力和学习能力方面表现较强，且计算过程较为独立，处理效率较高。比如在某油制气厂自备电厂系统设计应用中就是对人工神经网络的有效验证过程。这一系统中各号线路之间并不影响，通过对网络输入中负荷的分类控制好其中的输入节点，对应的六十八种输入信息组则是故障的代表，一般三层结构是人工神经网络的主要形式。实践表明，隐含层数增加的同时时间指数也有所增长，这对于收敛速度势必造成一定影响，因此必须控制好隐含节点的数量。验证过程中可能对神经网络输出模式界定存在模糊，这就可以依据实际的输出数据罗列不同的故障类型。
第三，遗传算法。这一优化算法正逐渐成为系统故障解决的全新思路，通过对生物进化规则和达尔文遗传选择的模拟促进新的群体诞生与进化，通过全局并行搜索的方式寻找其中的个体最优解。由于计算时间少、效率高，遗传算法在电力故障分析中的应用较为普遍，它是分层优化在故障分析中的有效运用。比如在2004 年时220kV 某镇上线路遭遇雷击发生瞬时接地和断路器拒动，首先需要确定线路动作保护为主保护，并对保护期望值进行计算，在对录波文件进行分析后对方向元件期望值进行计算，进而得到高频保护期望值，利用遗传算法完成目标函数的遗传分析，这一方法有效解决了电力系统故障中的保护信息不完整问题。
3 结束语
综上所述，随着人类工业经济时代的到来，经济发展与电力系统稳定性之间的关联日益紧密，这对于电力企业发展而言既是机遇又是挑战。面对频繁发生的电力系统故障问题，无论是自然因素还是人为因素导致的电力故障，都应当对应切实有效的故障分析技巧，排除故障对系统运行的影响。本文通过对电力系统故障类型和处理过程的分析，总结了几种常见的电力系统故障分析方法，然而需要注意的是，在一些相对复杂的系统故障中还应当通过多种方法相结合的方式应用于故障排查当中，这对于故障判断的准确性至关重要，这同时也是新形势下电力企业需要重点关注的问题。
【参考文献】
[1] 吴凌云. 基于神经网络的故障分析专家系统[J]. 广西科学院学报,2002,(01)
[2] 刘明岩. 配电网中性点接地方式的选择[J]. 电网技术,2004,(16)
[3] 杨宜东, 孙志挥. 基于时间序列的电力系统故障诊断规则挖掘[J]. 计算机工程与应用,2003,(17)