繼電保護隱性故障的風險評估技術研究

程小強

(國網長沙縣供電公司 湖南 長沙 410000)

繼電保護隱性故障的風險評估技術研究

程小強

(國網長沙縣供電公司 湖南 長沙 410000)

繼電保護系能夠正常履行保護區安全職責是電網安全運行的關鍵，但相關研究結果顯示，75%的大規模停電事故與繼電保護裝置出現的誤動作相關，這種不正常動作即是所謂的繼電保護系統隱性故障，這種故障可定義為保護區中存在的一種永久性缺陷，是造成電力系統失穩并解列的重要原因。本文主要從造成繼電保護誤動作的原因入手，闡述了繼電保護隱性故障的辨識技術，最后提出了繼電保護隱性故障風險評估技術的應用，期望能夠實現對電網停電風險的全面控制和評估。

繼電保護;隱性故障;風險評估

一、引言

繼電保護系統的隱性故障會造成一系列系統故障或連鎖故障，已成為電力災難發生的重要原因之一。從大量電網故障發生實踐中可以看出，隱性故障具有一定的隨機性，其所造成的后果是難以預防的，為此有必要開展繼電保護隱性故障風險評估與識別技術研究，在深入分析系統運行中存在的隱性故障后，結合系統各項特點和運行實際，制定隱性故障識別與診斷方案，同時根據運行故障的嚴重性程度，安排與調整電網運行檢修工作，以形成系統性、針對性的風險預警與處理機制。

二、繼電保護誤動作分析

在繼電保護系統運行中，造成系統誤動作的原因包括:

①由于通信信道出現異常而產生不正常動作;②因繼電器元件或繼電器局部出現故障而產生不正常動作;③因保護設置不合理而出現誤動作;④由于設計不合理或回路連接錯而誤動;⑤由于繼電保護系統的維修、測試與安裝等工作未按照規范進行而引起誤動;⑥所采用的保護方案不合理而導致不正常動作產生。

電力系統局部的保護范疇由保護區限定，保護區即是在電力系統單線圖上虛擬邊界所顯示的區域，保護區域面積的大小與保護裝置的整定值選取相關。故在對繼電保護系統整體性能進行監測、評估的過程中應考慮到保護裝置的輔助系統、整定值及保護范圍。

對于繼電保護系統來說，在線路保護系統中存在的隱性故障是影響系統安全運行的主要陰虛，主要原因在于其所引起的跳閘故障會逐步弱化電網結構，進而影響了事故后潮流分布的均衡性。

三、繼電保護隱性故障辨識技術

(一)裝置在線監測

在斷電保護系統處于運行狀態時，利用現代通信技術對斷電裝置的各項運行狀態信息進行采集、分析與處理，在明確不存在潛在故障的前提下，結合裝置運行狀態信息開展確定性隱性故障測量工作。比如配置錯誤、硬件障礙等屬于確定性隱性故障;光強下降、電源電壓下降等屬于不確定性隱性故障。

(二)SCD全模型建筑

在繼電保護系統運行狀態描述與評估過程中，利用SCD全模型建模可對二次虛回路模型與GOOSE報文進行匹配，結合物理聯接、邏輯鏈路映射及功能回路三者之間的關系，將保護二次系統的實際運行狀態實時呈現出來。

(三)定值與錄波數據

定值與錄波數據主要用于判斷定值是否合理以及其中是否存在安全隱患;在電網運行過程中，PF特性信號是處于實時變化狀態的，這種情況極易造成保護功能失效，故需在某一概率條件下對造成該現象的因素進行明確。

四、繼電保護系統隱性故障的風險評估

(一)風險評估

風險評估實質上是一項系統性的數據統計和分析工作，在不同的運行模式下，數據獲取方式、故障特征、故障種類、決策者需求等也存在差異，利用量化手段對其中可能出現的風險進行處理，即是事件發生后果與事件概率之間相乘的結果。

對于繼電保護系統隱性故障來說，風險評估主要包括性能 (某一故障的嚴重性)和頻率 (某一故障發生的或然性)這兩個方面的工作內容，結合故障發生的嚴重性程度和或然性，可計算出該故障嚴重性期望值和概率期望值，而這兩個值的乘積即是該故障所造成風險的量化表示。在確保電力系統可靠性及其元件性能均滿足基本要求的前提下，可用安全性和充裕性來表達電力系統處于運行狀態時的實際承載能力和承受能力，其中安全性是指所能承受外界不良因素干擾的能力;充裕性是指在額定要求下電力系統的實際承載能力。

電力系統可靠性的計算公式為:

上述公式中:E表示電力系統可靠性的期望值;Xi代表第i種運行狀態;P(Xi)表示分布函數概率統計;F表示電力系統可靠性指標。

(二)輸電斷面分析

在某一特定基態潮流下，輸電斷面應滿足的條件包括有功潮流方向相同和電氣距離相近。在大電網算例中，為了方便隱性故障嚴重程度的計算，需作出以下假設:假設線路所發生的故障均為三相短路故障;三相短路年故障率為0.1;某一隱性故障線路在發生三相短路故障時，退出運行的概率為0.01;采用光纖差動保護。相關計算公式為:

(2)公式中:TCS(Ei，Xi，j)表示隱性故障嚴重程度，本文將其引申為輸電斷面功率變化比率絕對值;P0表示在系統正產運行中，某一輸電斷面所有線路輸送功率的和;Pk表示線路i、j被切除后，某一輸電斷面所有線路輸送功率的和。

(三)仿真計算

①輸電斷面所處的地理位置不同，其存在的隱性故障風險也有所不同，一般情況下，處于重要位置的輸電斷面出現隱性故障的可能性較大，隨之風險較高;②繼電保護系統在正常運行過程中，所傳送的輸電斷面容量越大，其所出現隱性故障的幾率就越高、風險則越大;③繼電保護系統在正常運行時，針對傳送容量相差不多的多組輸電斷面，其出現隱性故障的規律為:包含線路多的輸電斷面，其隱性故障風險相對較小。

本文通過MATLAB基于IEEE－118標準系統 (該系統包含54臺、186條線路和118個節點)進行仿真驗證。根據支路數，將該系統平分為三個區域:區域l(支路l－62)、區域2(支路63－124)、區域3(支路125－186)，每個區域環境情況各不相同，區域l和2的環境狀況服從自由度不同的卡方分布，區域3的環境狀況服從指數分布。

對系統開展精確隱性故障模型評估，結果顯示32線路是風險最高的線路，主要原因在于:①線路32所處區域的平均環境情況最惡劣，導致該區域保護發生隱性故障概率上升;②線路32兩端母線分別連接著有功功率不同的發電機，一旦線路32斷線，就會導致相鄰線路潮流大范圍的變化，從而造成連鎖性的隱性故障。

五、結語

從上文所述內容得知，對于電力系統來說，繼電保護隱性故障是造成電網結構穩定性破壞或大面積停電事故的第一塊“多米諾骨牌”，再加上其隨機性較強，會形成一系列惡化結果。故在實際工作中，應將裝置在線監測、SCD全模型建模等方法與風險評估技術結合起來，構建出完善的風險預警機制，進而降低電力系統連鎖故障的發生幾率。

［1］薛士敏，孫文鵬，高峰，等.基于精確隱性故障模型的輸電系統連鎖故障風險評估［J］.電網技術，2016，40(4):1012－1017.

［2］丁明，朱自強，張晶晶，等.保護隱性故障及其對電力系統連鎖故障發展影響 ［J］.高電壓技術，2016，42(1):256－265.

［3］周培強，周孟然，謝穎，等.基于三參數Weibull分布的繼電保護風險評估可靠性研究［J］.工礦自動化，2016，42(8):56－61.

程小強 (1987－)，男，碩士研究生，工程師，主要從事繼電保護工作。