★ 國能永福發電有限公司 羅海平，李方海，李成寶

關鍵詞：220kV電力系統；二次回路故障；故障評估；診斷技術

1   220kV 電力系統二次回路概述

1.1   二次回路的組成與功能

220kV電力系統二次回路的主要設備包括電流互感器（Current Transformer， CT）、電壓互感器（Potential Transformer， PT）、繼電器、測控裝置、保護裝置、操作箱、開關端子箱、控制箱、匯控箱以及交直流電源等[1]。這些設備相互協作，共同保障電力系統的安全穩定運行。220kV電力系統二次回路按功能可分為控制回路、信號回路、測量回路、保護回路、調節回路、同期回路以及直流電源回路等，各部分功能緊密配合，共同保障電力系統的可靠運行。

1.2   二次回路的工作原理

在正常運行情況下， CT和PT分別將一次回路中的電流和電壓按比例轉換為二次側的小電流和低電壓信號。這些信號被傳輸至繼電保護裝置和測控裝置。繼電保護裝置對電流和電壓信號進行分析判斷，當檢測到電力系統發生故障時，如短路故障，故障電流會突然增大，電壓會下降，繼電保護裝置根據預設的保護判據，迅速發出跳閘指令，通過控制回路使斷路器跳閘，切除故障線路，從而保護電力設備的安全[2]。

2   220kV電力系統二次回路故障評估方法

2.1   常見故障類型與原因分析

220kV二次回路常見故障類型主要包括斷路故障、短路故障及接觸不良故障等，詳見表1故障類型與原因分析。

表1 220kV二次回路常見故障類型及成因

2.2   評估指標體系構建

為了全面、準確地評估220kV二次回路的故障風險，本研究從電氣參數、設備狀態、運行環境三個維度構建了評估指標體系，如表2所示。

表2 220kV二次回路故障評估指標

2.3   基于層次分析法的指標權重確定

層次分析法（Analytic Hierarchy Process， AHP）是一種行之有效的將復雜問題分解為多個層次，并借助兩兩比較確定各層次元素相對重要性的方法。在針對220kV二次回路故障風險評估的研究中， AHP被用于精準確定多維度故障評估指標體系里各指標的權重， 以此清晰界定不同指標對故障評估所產生的影響程度。

2.3.1   層次結構構建

將評估問題系統性地劃分為目標層、準則層和指標層三個層次[3]。

目標層：核心目標為220kV二次回路故障風險評估，此乃整個評估工作的聚焦點與歸宿。

準則層：涵蓋電氣參數、設備狀態、運行環境這三個關鍵維度。這三個維度是影響二次回路故障風險的主要因素，它們從不同側面反映了二次回路運行時的關鍵特征。

指標層：包含眾多具體的評估指標，諸如電壓偏差、電流異常、設備運行時間、溫度、濕度等。這些指標從細微處著手， 進一步細化描述二次回路的運行狀況，如電壓偏差可直觀反映電壓的穩定性、設備運行時間能體現設備的老化程度等。

2.3.2   判斷矩陣構建

通過專家打分的形式構建判斷矩陣。邀請電力系統領域內經驗豐富、專業知識扎實的資深專家，針對準則層和指標層中各元素之間的相對重要性展開兩兩比較。以準則層中電氣參數和設備狀態這兩個元素的相對重要性為例，專家依據自身積累的豐富經驗以及深厚的專業知識進行打分。打分范圍設定在1~9之間，其中1代表兩個元素同等重要，9表示一個元素相較于另一個元素極端重要。例如，若專家認為電氣參數比設備狀態稍微重要一些，可能會打3分；若覺得電氣參數比設備狀態重要很多，則可能打7分。

假設對于準則層三個元素（電氣參數B1、設備狀態B2、運行環境B3），專家打分構建的判斷矩陣A為：

在這個矩陣中， aij表示第i個元素相對于第j個元素的重要性程度。例如， a12=3，意味著電氣參數相對于設備狀態的重要性程度為3，即電氣參數比設備狀態稍微重要。

2.3.3   一致性檢驗與權重計算

一致性檢驗旨在確保專家打分具備合理性與一致性。若判斷矩陣不滿足一致性要求，就需要重新組織專家進行打分。

首先，計算判斷矩陣A的最大特征值入 max ，對于n階判斷矩陣，可通過公式 計算，其中W是判斷矩陣A對應于最大特征值 max 的特征向量， (AW)i表示向量AW的第i個元素；接著， 計算 一致性指標CI，公式為；再引入隨機一致性指標RI, 其值與矩陣階數有關，可從相關標準表格中獲取。例如，當n =3時， RI =0 .58；最后，計算一致性比例CR， CR=Ri 。一般認為，當CR≤0.1時，判斷矩陣具有可接受的 一 致性。對于上述示例判斷矩陣A，經計算得到    ,說明該判斷矩陣具有可接受的一致性。

在滿足一致性檢驗的基礎上，通過特征向量法計算判斷矩陣的最大特征值對應的特征向量，該特征向量即為各元素的相對權重。對于判斷矩陣A，可通過求解方程(h  入 max 得到特征向量W，對W進行歸一化處理后，即可得到各元素的權重向量。經計算，對于上述示例判斷矩陣A，得到電氣參數B1、設備狀態B2、運行環境B3 的權重分別為W1  0. 5396、W2  0. 3090、 W3   0. 1514。這表明在整個故障風險評估中，電氣參數的影響程度為0.5396，設備狀態的影響程度為0.3090，運行環境的影響程度為0.1514。通過AHP確定的指標權重，能夠客觀、準確地反映各指標在故障評估中的相對重要性，為后續的模糊綜合評價提供了堅實且重要的基礎數據。它使得我們在評估220kV二次回路故障風險時，能夠依據各指標的重要程度合理分配關注重點，從而提升了評估結果的科學性與可靠性。

3   故障診斷技術

3.1   基于小波變換技術信號處理的方法

小波變換是一種強有力的時頻分析工具，其核心思想是將一個信號分解成不同頻率的成分，同時保留信號在時間域上的局部特征，實現多分辨率分析[4]。與傳統的傅里葉變換不同，傅里葉變換只能將信號從時域轉換到頻域，丟失了信號的時間信息，而小波變換克服了這一缺點，特別適合處理非平穩信號，這正是220kV二次回路故障時電壓、電流信號的特性。

3.2   故障診斷流程

小波變換在220kV二次回路故障診斷中的流程主要包含信號采集、信號預處理、小波變換分解、故障特征提取、故障判斷與定位等，如圖1所示。

圖1 220kV二次回路故障診斷流程圖

信號采集：通過PT和CT采集220kV二次回路中的電壓和電流信號，這些信號包含了回路運行狀態的信息。

信號預處理：由于實際采集到的信號可能受到噪聲干擾，需要進行預處理，如采用濾波等方法去除噪聲，以提高信號的質量，便于后續的小波變換分析。

小波變換分解：將預處理后的信號進行小波變換分解，選擇合適的小波基函數（如db4小波等），通過離散小波變換將信號分解成不同頻率段的子帶信號。例如，將信號分解為近似分量（低頻部分）和細節分量（高頻部分），通常經過多層分解，得到一系列不同尺度下的近似分量Aj和細節分量Dj，j表示分解的層數[5]。

故障特征提取：當二次回路發生故障時，信號的波形和頻率會發生變化，這些變化反映在小波變換后的系數上。例如，在檢測到電壓信號出現突變時， 突變點對應的高頻細節分量系數會有明顯變化。通過分析不同頻率段系數的變化情況，提取故障特征。如計算高頻細節分量系數的幅值、能量等特征量。

故障判斷與定位：根據預先建立的故障特征庫，將提取的故障特征與庫中的特征進行對比，判斷故障類型。例如，在某變電站發生的一次短路故障中，利用小波變換對故障前后的電壓信號進行分析，發現高頻段細節分量系數顯著增大，根據故障特征庫中短路故障對應的高頻系數增大的特征，準確判斷出為短路故障。同時，通過分析系數變化在時間軸上的位置，可以確定故障發生的大致時間。

4   總結

電力系統220kV二次回路故障評估與診斷技術的深入研究及建立有效提升了二次回路故障處理的效率與準確性，保障了電力系統的安全穩定運行。本文研究內容主要包括故障類型分析、評估指標體系構建、基于AHP的權重確定，以及基于小波變換的故障診斷技術。未來，隨著技術的不斷發展，應進一步探索更先進的故障評估與診斷方法，以適應電力系統日益復雜的運行需求。

作者簡介：

羅海平（1990-），廣西灌陽人，工程師，學士，現就職于國能永福發電有限公司，研究方向為電氣。

李方海（1988-），山東東阿人，中級工程師， 碩士，現就職于國能永福發電有限公司，研究方向為電廠。

李成寶（1999-），廣西桂林人，助理工程師，學士，現就職于國能永福發電有限公司，研究方向為電氣。

參考文獻：

[1] 胡驍. 電力系統中電氣二次回路常見故障及防范分析[J]. 辦公自動化, 2024, 29 (17) : 84 - 86.

[2] 宋家鈺, 陳俊生. 基于二次回路技術的電力系統繼電保護問題研究[J]. 自動化應用, 2024, 65 (S1) : 370 - 372.

[3] 趙云飛, 陳金富. 層次分析法及其在電力系統中的應用[J]. 電力自動化設備, 2004, 24 (9) : 85 - 87 + 95.

[4] 張哲, 印若嘉, 龔卜文. 一種基于小波變換的電力系統故障診斷方法[J]. 電氣技術與經濟, 2024, (10) : 391 - 392 + 399.

[5] 胡國勝, 任震, 黃雯瑩. 小波變換在電力系統中應用研究[J]. 電力自動化設備, 2002, 22 (3) : 71 - 78.

摘自《自動化博覽》2026年5月刊