综述电力系统继电保护及故障检测的方法
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【摘要】在本文中，笔者主要是通过综述电力系统继电保护及故障检测的作用，引出对基于小电流接地系统的故障检测新方法的介绍分析，进而通过阐述电力系统综合故障分析系统的功能，引出对基于综合故障分析系统的继电保护及故障检测新方法的分析论述。
【关键词】电力系统；继电保护；故障检测；方法；分析
前言
继电保护与故障检测是对电力系统进行自动检测、控制与保护的装置。继电保护及故障检测能够在电力系统运行发生，如两相短路、三相短路、单相接地等故障和出现如过负荷、过电压、低电压、低周波、控制与测量回路断线等异常时，迅速而有选择性地发出跳闸指令，切除故障或发出报警，以减少故障造成的电气设备损坏和整个电力系统运行安全的影响，保证电力系统持续稳定运行[1]。
1、电力系统继电保护及故障检测的作用
（1）保障电力系统的安全性
在被保护设备和元件出现故障时，继电保护装置会自动、准确、迅速、有选择的向故障元件最近的断路器发出跳闸切断指令，使之及时脱离电力系统，最大限度降低其对电力系统的破坏及对安全供电的影响，并在其它无故障部分的支持下，迅速恢复正常运行[2]。
（2）实时监控电力系统运行状况
实时监测和控制电网保护设备与录波设备等二次装置，保证电力系统正常运行。
（3）自动分析电力系统运行异常
检测并自动分析电网运行异常和故障，快速、准确的诊断出故障区域、故障点和故障性质。
（4）对电力系统异常工作状态做出提示
在电气设备出现不正常工作状态时，根据不同的设备运行维护条件及其异常工作情况及时发出信号，提示值班人员对运行异常或有缺陷的设备进行检修处理。继电保护装置还能在无值班人员的情况下，自动做出相应的调整，或有选择性的切除那些继续运行但有可能引起事故的电气设备。电力系统继电保护必须具备速动性、选择性、灵敏性和可靠性，才能充分发挥继电保护装置维护和管理电力系统正常运行的作用。
2、基于小电流接地系统的故障检测方法
2.1利用空间电磁场探测单相接地故障支路方法
当小电流接地系统出现单相接地故障时，接地点的前向支路、后向支路及非故障支路的零序电压和电流会呈现出不同特点，相应线路的周围电场与磁场分布也会随之发生变化。因此，可利用零序电场和磁场探测接地故障点[3]。
（1）小电流接地系统稳态分析
根据李孟秋以仿真模型（见图1）为典型直线π型电杆的10kV配电线路，以分别代表正常支路和故障支路的五条配电线支路进行故障点探测实验，将设定和实验得出的正常支路参数I、故障支路参数Ⅱ、故障参数及系统参数加以稳态分析，得出了故障稳态情况下的配电系统各支路零序容性电流及零序容性功率特点为：非故障支路零序容性电流超前零序电压π/2，其零序容性功率为负；故障支路故障点前向零序容性电流超前零序电压π/2，其零序容性功率为负；故障支路故障点后向零序容性电流落后零序电压π/2，其零序容性功率为正，与前二者相反[1]。
（2）配电线路的电场和磁场分析
根据李孟秋在小电流接地系统稳态分析的基础和不考虑负载与线路间互感影响因素的条件下，对配电线路周围的电磁场进行仿真接地点探测（见图2），得出了三相电压和电流三相合成的电场和磁场与零序电压和零序电流分别产生的电场和磁场具有可替代性的结论，并利用五次谐波电流电压的电场和磁场作为检测信号，实现故障点的探测和定位，证实了利用空间电磁场探测故障支路和故障点方法的可行性[1]。
2.2识别故障支路和故障接地相的方法
当小电流接地系统出现单相接地故障时，会有一个包含较多故障特征的明显暂态过程。通过建立小电流接地系统数学模型，可仿真获得故障发生时前几个周波的暂态信号波形，由此检测到系统各条支路的负荷电流产生的波形瞬时畸变，再通过对接地故障发生时刻电流的暂态信号进行小波分解，可得到故障支路与健全支路的三相电流能量时谱，进而得到故障后一周波内能量积分的小波能量接地选线选相判据。通过直接从负荷电流提取瞬时特征和分析故障频带特征量，即可在系统正常运行未受到明显影响的情况下，识别判断出故障支路和故障接地相。此外，将小波变换与神经网络、模糊识别和专家系统等人工智能方法结合应用于分散性大，工况复杂的配电网系统故障检测，会有效提高小电流接地选线及故障定位的准确度。
3、分析系统的继电保护与故障检测
3.1综合故障分析系统功能
系统能为调度人员提供及时、简要的故障信息、故障准确位置、开关跳闸情况及保护动作行为，以使其快速作出系统恢复决策，还能为继电保护技术人员提供各套保护装置故障过程的详细动作行为、故障电流电压变化情况及各故障分量对保护装置的影响等较大量的专门信息[5]。系统能使就地站保护及故障录波器时钟同步，能为站内自动化监控系统提供必要数据，并通过地站保护及故障录波器进行智能化数据处理，实现不同设备间数据传输的规约转换，以适应不同工作对象需要。能通过双端故障测距计算提高测距准确性；能提供与MIS系统的数据接口和数据交换，使系统的数据上网方式更具有灵活性。系统还具有故障信息集中处理、共享及综合利用功能。
3.2综合故障分析系统的继电保护与检测方法
（1）网络化继电保护与故障检测
微机保护装置网络化，为将电力系统继电保护各主要设备的每一点保护装置都进行差动和纵联串联保护，由主站统一协调管理提供了数据通讯、处理、上传等通信支持。可以根据继电保护装置反应的保护安装处的电气量，实时准确检测和判断出发生故障的位置、性质、原因及故障参数，及时向相应的保护装置发出指令，快速准确的切除故障元件，缩小故障范围，提高整个系统运行的安全性、可靠性和稳定性。
（2）自适应控制继电保护与故障检测
自适应继电保护能实时检测电力系统运行方式与故障状态变化，并随其变化自动改变保护性能、特性或定值，尽可能使保护适应电力系统的各种变化，从而改善了输电线路距离保护、发电机保护、变压器保护及自动重合闸等系统响应与保护的性能，增强了系统的可靠性。
（3）人工神经网络继电保护与故障检测
人工神经网络（ANN）故障检测是基于生物神经系统的神经网络、进化规划、遗传算法、模糊逻辑等人工智能技术在电力系统保护领域的成功应用。利用其具有的自组织、自学习、自适应和模式识别能力以及分布式信息存储和并行处理等特点，电力系统继电保护实现了用人工神经网络判别故障类型、测定故障距离、确定保护方向和主设备保护。如用BP模型做为方向保护的方向判别元件，能准确、快速地判别出故障的方向，进行高压输电线路的方向保护。
（4）变电站综合自动化继电保护与故障检测
将自动控制、计算机信息采集和处理及网络通信等多种先进技术有机融合为一体，具有测量、信号、保护、控制、计费、继电保护、紧急控制、故障录波、RTU、维修状态信息处理等多功能，是一个统一的综合自动化计算机系统，不仅可以代替人工对数字化变电站和无人值班变电站进行正常运行的监视、控制、操作、测量、记录和统计分析、故障状态的监视、报警和事件顺序记录与运行操作，还能利用通信网络，将变电站原有的处于缺乏整体协调、功能单一或重叠、独享信息资源、微机处理数据功能利用率低下等系统相互分割成各个独立装置与站级相连接，实现了以终端单元（RTU）和微机保护装置为核心的集成与资源共享、远方控制与信息共享的变电站集成自动化。
集成自动化系统的变电站将间隔继电保护的控制、保护、故障录波、事件记录和运行、支持系统的数据处理等功能集成在一个统一的多功能数字装置内，用少量的光纤总线连接，实现间隔内部与间隔间、间隔同站级间的网络通信，并在间隔级和站级对各个功能进行系统与优化组合。
4、结束语
继电保护与故障检测对电力系统安全、可靠、稳定运行发挥着极其重要的作用。小电流接地系统的空间电磁场探测故障支路与故障点和多分辨分析小波接地选线识别故障支路与故障接地相等故障检测新方法，是实现快速检测和识别小电流接地系统故障支路、故障点及故障接地相提高电网设备管理维护的继电保护和故障检测分析水平的可行方法。随着电力系统向微机化、数字化、自动化和网络化发展和数字化变电站、无人值班变电站及特高压电网的建设运行，继电保护及故障检测也需逐步向控制、测量、保护、智能、网络、数据通信一体化发展。