基于Python软件的故障录波数据分析_丁煜飞.pdf

基于P y t h o n软件的故障录波数据分析丁煜飞,夏寅宇,汪缪凡,齐沛锋(南京工程学院电气工程学院,江苏 南京2 1 1 1 6 7)摘 要:随着数字式继电保护的大量推广使用,继电保护的可靠性与灵敏性得到了提升,而其中的故障录波器是提升电力系统安全运行水平的重要自动装置。以一个基于P S C A D/EMT D C软件仿真的故障案例说明利用P y t h o n软件可以进行故障录波文件读取与精确定量分析,为保护动作判断提供重要依据。关键词:P y t h o n;故障录波;数据分析中图分类号:TM 7 7 3 D O I:1 0.1 9 7 6 8/j.c n k i.d g j s.2 0 2 3.0 2.0 2 1A n a l y s i so fF a u l tR e c o r d i n gD a t aB a s e do nP y t h o nD I N GY u f e i,X I AY i n y u,WAN G M i a o f a n,Q IP e i f e n g(S c h o o l o fE l e c t r i cP o w e rE n g i n e e r i n g,N a n j i n gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y,N a n j i n g2 1 1 1 6 7,C h i n a)A b s t r a c t:W i t ht h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fd i g i t a l r e l a yp r o t e c t i o n,t h er e l i a b i l i t ya n ds e n s i t i v i t yo f r e l a yp r o t e c t i o na r ei m p r o v e d,a n dt h e f a u l t r e c o r d e r i sa n i m p o r t a n t a u t o m a t i cd e v i c e t o i m p r o v e t h es a f eo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m.I nt h i sp a p e r,a f a u l t c a s eb a s e do nP S C A D/EMT D Cs o f t w a r e s i m u l a t i o ns h o w s t h a tP y t h o ns o f t w a r e c a nb eu s e d t o r e a da n da c-c u r a t e l ya n a l y z e t h e f a u l t r e c o r d i n gf i l e,w h i c hp r o v i d e sa n i m p o r t a n tb a s i s f o r t h e j u d g m e n to fp r o t e c t i o na c t i o n.K e yw o r d s:P y t h o n;f a u l t r e c o r d i n g;d a t aa n a l y s i s收稿日期:2 0 2 2-0 5-0 90引言随着国民经济的发展,我国的电力系统规模日益庞大1-2。电力系统的运行难免出现人为操作或者自然灾害导致的故障,这时就需要故障录波器在系统发生故障时自动、准确地记录故障发生前后各种电气量变化情况,通过分析对比故障录波器中电气量数据,判断保护装置是否正确动作或分析、总结出造成保护装置误动、拒动的原因3-4。1故障情况仿真本文采用P S C A D/EMT D C软件进行电力系统的运行与故障仿真。仿真系统整体结构与保护配置如图1所示。1 1 0k V双端供电系统的线路两侧配备距离保护装置;电源E 1与E 2电压均为1 1 5k V,电源E 1的初相角为5,电源E 2的初相角为2 0;线路总长为5 0k m,单位长度线路阻抗Z=(0.1 2+j 0.4 3)/k m。假设故障发生于线路5 0%处,故障类型为A B两相短路。仿真开始0.2s发生故障,故障持续0.2s。图1双端供电系统示意图P S C A D软件中的故障录波器支持R T P、c o m t r a d e 9 1、c o m t r a d e 9 9三种格式的录波文件输出。其中,c o m t r a d e 9 9是I E E E在1 9 9 9年修订与完善的电力系统暂态数据交换通用格式,本文将采用c o m t r a d e 9 9格式作为故障录波的输出格式。设置完成后运行仿真,会得到三个输出文件:HD R后缀的为故障录波标题文件;C F G后缀的为故障录波配置文件,文件中包含所记录的数据通道数、数据单位;D A T后缀的为故障录波数据文件,数据文件包含每个通道对应于一个采样时间的采样值。本文录波数据为模拟量,数据文件还需要经过一定通道转换系数计算后才能得到实际电气量值。在软件编程中通过读取配置文件中的通道转换系数与偏移系数,将数据文件中的采样值乘以通道转换系数再加上偏移系数就可以得到实际电气量值。2P y t h o n读取录波文件P y t h o n中有大量开源库函数可供调用,为实现保护功能提供了便利。本文调用的库主要有m a t p l o t l i b、n u m p y、s c i p y、p y c o m t r a d e等。其中,m a t p l o t l i b为本文画图所需的库;n u m p y、s c i p y为 数 据 分 析 中 所 必 需 的 库,p y-c o m t r a d e为读取录波文件所需的库。在P y t h o n软件中,通过调用p y c o m t r a d e库,可以方便地使用此库中定义的各种用户函数。通过调用r e a d函数,读取仿真输出的配置文件与数据文件,就可以得到对应的实际电气量值。使用的代码如下:c o m t r a d e O b j=p y C o m t r a d e.C o m t r a d e R e c o r d()c o m t r a d e O b j.r e a d(*.c f g,*.d a t)27电工技术 电力自动化 U L A a r r a y=c o m t r a d e O b j A 0 v a l u e s U L B a r r a y=c o m t r a d e O b j A 1 v a l u e s U L C a r r a y=c o m t r a d e O b j A 2 v a l u e s 若需要读取数字量采样通道的数据,则只需将上述代码中的A替换成D,修改对应数据通道即可。3录波文件分析首先,通过读取录波电气量信息,借助P y t h o n软件可以直观绘制出电压与电流的变化情况。以M侧A相电气量为例,波形如图2所示,发生A B两相相间故障时,电流迅速上升,可以触发保护的电流变化量启动条件,保护迅速启动,开始进行故障判别。图2 M侧电压电流波形然后,可以在P y t h o n软件中调用傅里叶变换函数,对所得的电压、电流进行傅里叶分解,得到对应的实部与虚部。由继电保护原理可知5-6,传统圆特性阻抗继电器的比相动作方程是比较两个电压相量UK-IKZs e t与-UK的相位关系,动作方程为-9 0 a r gUK-IKZs e t-UK9 0。在P y t h o n软件中实现这一判据需要利用s c i p y库中的快速傅里叶分解,通过傅里叶分解得到UK、IK的实部与虚部,并与整定阻抗进行复数计算,最后通过反三角函数求出角度并比较即可判断是否故障。在实际工程应用中,对于本文的两相短路,还需要采用相间距离0 接线方式,即UK=UA B、IK=IA-IB。由于P y t h o n可以直接进行复数计算,因此上述步骤在P y t h o n中实现的代码如下:i m p o r tm a t hf r o ms c i p y.f f t p a c k i m p o r t f f tUK.r e a l=f f t(UK).r e a lUK.i m a g=f f t(UK).i m a gI K.r e a l=f f t(I K).r e a lI K.i m a g=f f t(I K).i m a gT e m p 1=c o m p l e x(UK.r e a l-I K.r e a l*Z s e t.r e a l,UK.i m a g-I K.i m a g*Z s e t.i m a g)a n g=m a t h.a t a n(T e m p 1/-UK)由图3可得,在故障发生前测量阻抗相角一直小于-9 0,位于动作区外,保护可靠不动作,当0.2s故障加入时,阻抗角进入动作区,保护应迅速动作,切除故障。最后,可以利用P y t h o n软件强大的绘图功能,绘制出圆特性阻抗继电器动作圆特性与A B相间测量阻抗的关 图3 M侧A B相间测量阻抗相角示意图系,直观了解保护动作情况。以距离保护I段为例,本文故障模型所对应的阻抗整定值Zs e t=(4.8+j 1 7.2)/k m,即阻抗平面上以(2.4,8.6)为圆心,9.8 4为半径的圆。将测量阻抗的曲线与阻抗圆绘制在同一张图上,上述步骤在P y t h o n中实现的代码如下:i m p o r tm a t p l o t l i b.p y p l o t a sp l tf i g=p l t.f i g u r e(f i g s i z e=(4,4)#参数f i g s i z e用于设置画布的大小a x=f i g.a d d_s u b p l o t(1)a x.a r r o w(0,-5,0,2 5)#y轴a x.a r r o w(-1 0,0,2 0,0)#x轴p i=m a t h.p it h e t a=n p.l i n s p a c e(0,2*p i)r=8.9 2x c=2.4#圆心xy c=8.6#圆心yt h e t a=n p.l i n s p a c e(0,2*p i)#角度范围,从0到2 x=r*n p.c o s(t h e t a)+x cy=r*n p.s i n(t h e t a)+y cp l t.p l o t(x,y)p l o t(Z K.r e a l,Z K/i m a g)p l t.s h o w()由图4可以直观看出,当发生A B相间故障时,A B相间测量阻抗进入了动作区内,保护应可靠动作。图4阻抗圆动作特性综上,P y t h o n软件读取故障录波文件后,借助自身大量且优质的开源库函数,可以进行多样化的数据分析;通过对双端供电系统距离保护算例的录波分析,验证了P y-t h o n软件在进行故障录波文件分析上的可行性。4结语传统的故障录波数据分析只能在特定软件下实现,进(下转第7 6页)37电力自动化 电工技术 维度。时间维度从年份、月份、日期、时间点的方向逐步深入、细化;设备维度从区域、厂站、具体设备(设备又包括了主变压器、输电线路、开关器件等)的方向逐步深入、细化;超限类型维度能够进行全部统计分析,或对某类超限进行统计分析,或在多个维度上进行分割操作再进行统计分析。5结语通过上述分析与研究,基于商务智能技术对电力调控系统进行多维数据模型构建,实现了电力调控系统数据模型从单一的关系型数据模型向多维数据模型的转变,解决了原有的关系型数据模型无法实现多维数据观察、多维数据钻取、多维数据分析处理的问题。多维数据模型的构建为电力调控领域提供了更为丰富的数据来源,为电力调控领域的海量数