繼電保護隱含故障探討

張雪松，王慧芳，黃曉明，程曉東

（1.浙江省電力試驗研究院，杭州市，310014；2.浙江大學電氣工程學院，杭州市，310027）

0 引言

繼電保護隱含故障具有隱蔽性和危害性的特點，正常運行時不易發現，在系統出現其他事件時才顯示出其對電力系統的危害。在大電網、電力市場背景下繼電保護隱含故障產生的后果將更為嚴重，因此對其進行研究非常必要，是防止出現大面積、長時間停電事故的有效措施之一[1]。

國內外已對繼電保護隱含故障進行了一定的研究[2-6]。隱含故障的定義已修正多次，目前還沒有統一的定義。可以認為隱含故障指的是保護系統可能存在的缺陷，它和一般故障的差別就在于這些缺陷本身不會使保護直接動作，因而難以被發現，直到其他系統事件發生才顯示出它對電力系統安全性和穩定性的影響。由于隱含故障難以被發現，使得從根本上解決這一問題較為復雜和困難。目前主要從技術角度對電網進行研究，即根據繼電保護在電網中所處位置及重要性研究保護隱含故障觸發時對電網所造成的損失，進而建立了繼電保護隱含故障脆弱區域、脆弱指數、后果區域、嚴重性指數等概念，提出了一些識別繼電保護系統中重要隱含故障的方法。這些方法的本質是識別關鍵保護，然后進行重點管理與控制，以此減少隱含故障發生的頻率和影響的嚴重程度[2]，而并沒有從根本上探究隱含故障的原因和防止措施，因而很難徹底解決隱含故障問題。

本文從隱含故障的產生根源出發對隱含故障進行分類，分為軟件、硬件和定值三類。然后從技術和管理兩個方面綜合探索減少或消除各類隱含故障發生的辦法。這種分類方法和相應措施能適應未來電網發展對隱含故障的影響。

1 繼電保護隱含故障的分類

隱含故障可以有不同的分類方法。以往有按照保護作用分為主保護和后備保護隱含故障的，這種分類法面向功能，而功能與保護原理、保護裝置的結構型式等聯系緊密，具有易變、不穩定的特性，因此該分類方法很難適應繼電保護的發展。

為保證隱含故障分類的穩定性，從隱含故障產生根源出發對隱含故障進行分類，可分為以下3類：

（1）保護軟件系統隱含故障，如保護邏輯錯誤、軟件版本錯誤、使用人員理解錯誤等，這類故障不僅與繼電保護生產廠家有關，也與用戶單位有關，涉及軟件開發、測試、使用、人員培訓和管理等環節。

（2）保護硬件系統隱含故障，如通訊通道故障、裝置元件損壞或存在缺陷等，這類隱含故障與保護系統硬件的可靠性有關，也與檢修管理相關。

（3）保護定值隱含故障，如定值過期、定值不適應、整定錯誤、人為設置錯誤等，這類故障與定值整定、校核與管理有關。

由此可見，各類隱含故障不僅與技術相關，也與管理相關，因此在研究對策時要避免重技術輕管理的思想，綜合考慮這2個方面。

2 各類隱含故障對策

2.1 軟件隱含故障的原因及對策

軟件是一種邏輯實體，具有抽象性和復雜性特點，使得軟件的開發與維護過程非常困難與復雜，軟件的質量難以保證，因此軟件危機始終存在[7]。微機保護系統中的軟件，也不可避免地會存在軟件錯誤，當觸發條件未出現時，這些軟件錯誤就成為了繼電保護軟件系統中潛在的隱含故障。為最大可能地降低軟件隱含故障的出現，生產廠家和用戶單位都應努力研究對策。

繼電保護生產廠家應嚴把軟件質量關，具體做好以下工作：（1）重視軟件定義，軟件的完整定義為程序+數據+文檔。能否充分而深刻地理解軟件定義，是軟件開發企業是否成熟的標志。（2）規范軟件開發工作，保證軟件質量。軟件質量難以定量度量，但有許多重要的質量指標可以定性度量，如正確性、健壯性、效率、安全性、可理解性、可用性、可測試性等。可理解性和可用性是防止繼電保護軟件在使用中引入隱含故障的最關鍵質量指標。（3）加強軟件測試。綜合采用白盒測試、黑盒測試等多種測試方法，盡量多地發現軟件中的錯誤，是避免軟件開發中存在隱含故障的最直接有效措施。（4）規范軟件維護工作。軟件維護不僅困難，而且維護過程中會引入新的錯誤，因此必須規范維護工作，減少軟件維護副作用。（5）重視軟件項目管理。軟件項目管理的內容很多，哪個環節管理不到位，就可能對軟件的質量產生影響。繼電保護軟件中較為突出的是軟件的配置管理問題，由于繼電保護軟件版本控制和變更控制不當導致繼電保護不正確工作的事故是有報道的。因此要重視軟件的配置管理，保證軟件程序、文檔、數據的一致性、完整性和有效性。

用戶單位應做好的工作有：（1）重視繼電保護裝置新投入運行時和每次維護后的調試工作。在調試前，班組成員均應仔細閱讀裝置說明書，制定完整的調試計劃。在條件允許的情況下盡可能多地模擬各種可能的運行環境，不僅檢查軟件是否正確實現了該做的工作，還要檢查軟件是否做了不應該做的工作，以發現盡可能多的軟件隱含故障。調試過程中，認真校驗每1個項目，并做好詳細校驗記錄，結束后應總結出調試分析報告，并進行留檔保存。此外，還應嚴格審查軟件對應的配置，尤其要檢查所有文檔資料的完整性、正確性和一致性。（2）嚴格進行軟件維護管理工作。用戶單位也要做好軟件維護管理工作。在進行完維護工作后，要保存維護記錄，說明維護前的情況，維護中對程序所進行的修改，以及相應的文檔變化情況。有效的管理不僅有利于了解該保護裝置軟件的歷史，更是為了減少或避免由于管理不力造成的軟件隱含故障的發生。（3）做好單位職工的保護知識培訓工作。及時更新繼電保護新知識對于正確使用和維護繼電保護非常重要，能減少由于認識錯誤、理解不一致等而導致的軟件隱含故障。

保護裝置生產廠家和用戶一起認真做好以上工作，可以從軟件開發、維護、使用等環節減少繼電保護軟件出現隱含故障的機會。

2.2 硬件隱含故障的原因及對策

硬件故障包括偶然性故障和必然性故障。偶然性故障是由外部因素偶然發生變化引起的，如人員操作不當、惡劣氣候或環境等；而必然性故障則是設備在生命過程中，由于水解、氧化、熱解等原因使設備持續不斷地受到損害，當損害積累到一定程度，就會出現磨損、材料老化等問題，導致故障的發生。不管是偶然性還是必然性，當故障發生在繼電保護硬件系統時，若沒能及時被檢測或發現，則成為了繼電保護系統中的硬件隱含故障源。

微機繼電保護系統除了微機型繼電保護裝置設備外，還有設備間信息交互的通道設備，如控制電纜、高頻收發訊機、通訊接口和通道接口設備等。

微機型繼電保護裝置采用電子技術、計算機技術、通訊技術，由多個功能插件組成。裝置通常放置在室內，環境溫度及通風條件一般都有嚴格規定；微機保護的應用已有20年的歷史，設計、制造、及運行維護經驗豐富，硬件設備故障率較低；電子產品一般壽命較長，硬件費用低，而產品更新換代較快，往往還沒到硬件的磨損期就會被新產品所替換。因此微機繼電保護裝置可以認為無明顯的磨合期和磨損期，所有的故障是由于偶然因素引起的，比如某種干擾造成元件損壞。

為減少或克服微機繼電保護裝置中硬件設備的隱含故障發生，只有加強管理，進行良好的維護保養，減少或避免會引起偶然故障發生的因素出現。此外，微機繼電保護裝置本身有自檢功能，某些硬件出現偶然故障，保護裝置本身能檢查到，發出報警信息通知檢修人員檢查；只有裝置自檢檢查不出的硬件故障才是隱含故障，而這部分故障是極少的。若采用定期檢修手段來發現，在經濟上和可靠性（檢修可能引入新的故障）上都是不合算的。

保護系統中除微機保護裝置外的其他硬件設備數量眾多，每個設備結構及構成或許并不復雜，但由于所處環境相對復雜多變，且自身不具有自檢功能，因此這類設備隱含故障是保護系統硬件隱含故障的主要組成部分。

對于這類硬件故障引起的繼電保護隱含故障，理想的解決辦法是分別根據不同設備所采用的技術或材料類型研究其故障率曲線，然后分別進行定期檢修來加以解決。然而這類設備種類繁多，分別研究其故障率曲線和磨損期較為困難，而且還需考慮檢修的經濟性，因此合適的對策是執行靈活的檢修策略。

（1）對有明顯磨損期的設備進行定期檢修或定期更換，即展開預防性周期檢修。在其進入磨損期時執行檢修，能較為經濟有效地降低隱含故障。

（2）對于有條件進行狀態監視或檢測的硬件設備選擇狀態檢修來避免隱含故障的發生。目前繼電保護的狀態檢修工作已經展開，但還處于起步階段，尚未全方面實施，主要存在的問題是狀態評價導則在實際應用中還有一定困難。今后一段時期內，繼電保護狀態檢修應繼續展開，在此基礎上還需繼續實行預防性周期檢修。

（3）通過加強維護和管理來減少引發偶然事故發生的因素出現，如改善運行環境，減少電磁干擾等。

2.3 定值隱含故障的原因及對策

當前繼電保護裝置是“事先整定、實時動作”的。定值不當而導致保護錯誤動作的事故時有發生。在事故發生前，很難被發現，因而可被認為是繼電保護領域的一種隱含故障源。保護定值不當的原因主要有以下2類。

（1）保護定值不具備自適應能力，不能適應電網結構或運行方式的變化。電網由于故障或其他原因，潮流發生較大轉移或變化時，保護定值不能及時進行相應調整，尤其是后備保護，在這種情況下發生誤動會引起電網狀態的進一步惡化，成為危險的隱含故障源。

（2）人的因素造成保護定值不當，主要包括誤整定、誤管理和誤設置。誤整定有時可以通過靈敏度校驗發現，但靈敏度校驗只能發現保護不滿足靈敏性要求的情況，無法解決保護在選擇性方面的錯誤。此外，靈敏度計算本身也是離線計算，從本質上克服不了自適應問題，也無法解決誤設置、誤管理導致的定值錯誤問題。

定值不當成為繼電保護隱含故障源的問題，可以采用繼電保護定值在線預警方法予以解決[8]。

繼電保護定值預警包括定值檢測和定值建議兩項內容。定值檢測是在具體運行方式下，對電網中的保護定值進行選擇性、靈敏性等檢測，得出是否錯誤的結論，其實質是整定計算的逆向思維。定值建議是檢測發現定值不滿足選擇性或靈敏性要求時，給出合理的定值，實質是針對當前運行方式進行定值整定計算。

定值預警的對象主要指需要整定配合的電流保護（相間以及零序電流保護）和距離保護（相間和接地距離保護）。定值內容包括電氣量定值（電流值或阻抗值）和時間定值。

定值預警可以離線使用，作為整定計算結果的驗證工具，不僅可以檢驗整定計算結果的正確性，而且可以檢驗整定結果對某些在整定計算中沒有考慮到的特殊運行方式是否適合，并對定值進行調整或建議。

定值預警在調度自動化系統中在線使用，根據實時獲得的電網運行信息對當前運行定值進行檢測，對檢測出來的錯誤定值給予修改定值建議。定值預警的結果不僅能顯示給調度人員，并且可通過調度自動化下發到具體保護裝置，即實現在線修改定值功能。然而由于繼電保護定值修改是個嚴格的事情，盡管從技術上來說可以實現定值在線修改，但目前在管理上還不允許這樣做，因此定值預警僅使用警示和建議功能，然后由相關人員決定是否修改定值。定值預警在線使用，可以改善運行方式變化后保護定值落后的局面，也能發現誤管理、誤設置引起定值隱含故障的情況。目前繼電保護定值在線預警已能實際應用[9]。

3 電網發展對隱含故障的影響

3.1 數字化變電站對隱含故障的影響

數字化變電站是由電子式互感器、智能化開關等智能化一次設備、網絡化二次設備分層構建，建立在IEC 61850通信規范基礎上，能夠實現變電站內智能電氣設備間信息共享和互操作的現代化變電站。數字化變電站的主要特征是智能化一次設備、網絡化二次設備、自動化管理系統。

數字化變電站中繼電保護隱含故障會出現新情況。一方面數字化變電站中大量的保護系統狀態信息能被采集，各種異常或故障情況能被監視，因此隱含故障可能減少；另一方面數字化保護系統可能包含更多的電子裝置及網絡設備，系統層面和元件層面都可能使隱含故障增加。為此可采取以下措施。

（1）通過狀態檢修減少隱含故障發生。狀態檢修是數字化變電站的一個重要內容和目標。以往狀態檢修主要是針對一次設備，二次設備的狀態監測對象不是單一的元件，而是1個單元或間隔，狀態監測環節包含交流輸入、直流及操作回路等，因此在常規變電站內很難實施二次系統的狀態檢修。在數字化變電站中，可以有效地獲取電網運行狀態數據以及各種智能電子設備的故障和動作信息，實現對操作及信號回路狀態的有效監視。數字化變電站中幾乎不再存在未被監視的功能單元，設備狀態特征量的采集沒有盲區，因此設備檢修策略可以從常規變電站設備的“定期檢修”變成“狀態檢修”，從而減少隱含故障機會。

（2）通過提高數字化保護系統的可靠性設計減少隱含故障的發生。各種結構的數字化變電站的可靠性分析是數字化變電站的重要研究課題之一。數字化保護系統可能包含更多的電子裝置，對于這類復雜的系統，總體可靠性分析已不足以全面刻畫系統的可靠性，而應進一步深入到元件層面，將元件重要度分析引入到保護系統中，可以發現保護系統可靠性的薄弱環節，從而指導優化設計，有針對性地提高保護系統可靠性。文獻[10]已研究了數字化保護系統考慮經濟性的元件重要度分析，對優化系統可靠性設計具有更為實際和明確的指導意義。

3.2 廣域保護對隱含故障的影響

目前廣域保護的研究還在進行中，未達到成熟應用的程度，但已是未來電力系統保護和控制的發展方向，這一點已達成共識。由于構成廣域保護的軟硬件及保護定值要發生不少變化，會影響隱含故障的發生概率和影響后果，下面分別探討。

（1）軟硬件系統的變化對隱含故障的影響。

目前廣域保護還沒有公認的體系結構，但多層結構已被認為是最有可能在不遠的將來獲得應用的系統結構[2]。它可以分為3層：最底層為大量的用來采集數據或同時附帶保護功能的相量測量單元（phasor measurementunit，PMU）；中間層為一些本地保護中心（local protection center，LPC），完成數據收集及控制和保護功能；最上層為一個系統保護中心（system protection center，SPC），對各本地保護中心起到協調作用，實現安全防御計劃。廣域保護要實現的功能比傳統保護豐富得多，軟件、硬件系統的范圍都將擴展，隱含故障的后果將會更嚴重。比如，最底層的PMU設備以及在它們之間建立通信連接的費用都比較昂貴，系統中的所有變電站都裝設PMU成本太高，也沒必要，因此會研究PMU的最優配置方案，在某些特定情況下，若某個PMU出現問題，將會出現“信息黑洞”，可能使得廣域保護不能正確工作或產生錯誤的判斷。由于廣域保護的作用范圍大，因此后果更為嚴重。

廣域保護實現的保護和控制功能強大而復雜，需要的各類算法邏輯也會很復雜。復雜的問題在用軟件實現時面臨更大的困難和挑戰，需要嚴格按照軟件工程思想進行過程開發，盡可能地提高軟件質量，減少隱含故障的發生。

（2）定值方面的變化對隱含故障的影響。

由于廣域保護利用了廣域信息，主保護與后備保護間的配合不再需要像傳統保護那樣設置足夠長的延時來保證選擇性，而能直接判定故障所在位置，從而縮短了后備保護的動作時間。對于遠后備保護來說，由于保護能判定故障位置且通過通信系統發送跳閘信號到鄰近故障的斷路器，也可以減小停電范圍。在必要的時候，還可以通過閉鎖傳統后備保護的跳閘信號，以防止保護隱含故障或過載等原因引起后備保護的不必要跳閘。這些方面文獻[11-12]已有研究，認為通過集合范圍內的傳統保護和斷路器開關量信息就可實現。由此可見，廣域保護能減輕傳統保護，尤其是后備保護的整定計算壓力，因此能在一定程度上減少定值隱含故障的發生。

3.3 分布式發電對隱含故障的影響

隨著分布式發電的接入，打破了傳統配電網單電源輻射型的網絡結構，形成了1個主網與多個分布式電源構成的多電源結構。大量分布式發電引入配電網后，使得配電網保護系統的設計基礎發生了改變，各種保護方案還在研究中。

分布式發電滲透下的配電網保護系統，不管是采用加裝方向元件的電流保護，還是采用距離保護，或者是借助于通信的保護協調方案，都將使保護系統愈發復雜，相應的隱含故障類型與發生概率都可能增加。為減少隱含故障，對于采用了新原理或新技術的新型保護，在方案設計中必須加強理論和現場的科學論證，尤其對于復雜的邏輯必須進行嚴格的軟件邏輯基本路徑測試。

此外，分布式發電滲透下的配電網保護系統，運行方式將變得復雜，相應的保護整定協調方法也變得復雜，定值隱含故障的可能性增大。采用定值預警方法在線應用來克服定值隱含故障是非常必要和有效的。

4 結論

對隱含故障的研究應該從技術和管理兩方面進行。一方面采用技術措施，如提高軟件、硬件的可靠性，提高保護相關人員的技術能力等；另一方面是采用必要的管理措施，形成一種組織良好、管理嚴密、各類人員協同配合，共同完成繼電保護相關工作的管理標準。

隨著電網及相關技術的發展，未來保護系統會有很多變化，從隱含故障的產生根源出發，分硬件、軟件和定值三類研究隱含故障的思路依然適用，從技術和管理角度采取措施克服隱含故障的思路也不會改變，但每類隱含故障的發生概率及后果會發生改變，隱含故障的研究重點會出現調整，因此需要密切關注電網及相關技術的發展，及時展開保護系統變化后對隱含故障的影響及對策研究，是未來保護系統面臨的長期挑戰。

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