電力系統繼電保護及自動化故障風險分析

劉保平

（國網麗水供電公司，浙江 麗水 323000）

保持電力設備的良好使用狀態是至關重要的研究課題，它決定著電力系統的功能狀態，進而決定著現代社會人們的生活［1-2］。繼電保護與自動化（RPA）作為事故狀態演變的預防系統，保證了電氣設備的安全。本文提出了考慮電路運行參數的RPA設備故障潛在風險的計算方法。

傳統的邏輯和概率方法用于解決前人研究中的RPA可靠性問題，現有方法允許針對特定網絡元件的短路判斷穩定性。在現有方法的基礎上，對連鎖故障情況下的RPA 操作理論進行了研究，RPA的失效概率是基于失效樹計算的［3-4］。

本文運用現代數學方法，如蒙特卡羅方法和神經網絡方法，分析了一次和二次電路拓撲復雜關系的建模問題。

1 故障風險分析

電力系統繼電保護及自動化是電力系統重要的安全保障措施。然而，由于各種原因，系統中的繼電保護及自動化裝置可能存在故障，這些故障將會帶來安全隱患和經濟損失。

故障風險分析是一種有效的方式，用于確定電力系統繼電保護及自動化存在故障的可能性和影響。該分析可以通過以下幾個步驟進行：故障識別，對系統中的繼電保護及自動化裝置進行檢測和測試，以確定裝置的工作狀態和性能。同時，還需要研究設備的可靠度和維護保養情況。故障分析，當發現繼電保護及自動化存在故障時，需要進行故障分析，確定故障原因和影響。此外，還需要對故障的可能性進行評估，以判斷未來可能發生的故障。風險評估，根據故障分析的結果，評估繼電保護及自動化的故障可能帶來的風險和影響。同時，還需要確定故障發生的概率和可能的后果。風險治理，如果在風險評估中發現故障風險較高，需要實施針對性的治理措施，以減少故障發生的概率或減輕故障的影響。這些治理措施可以包括更換設備、改進維護保養、增加備用裝置等。

2 算法分析

基于圖概率模型的方法是判斷RPA設備失效風險的基礎方法，所研究的方法允許分析客觀影響，例如，對一個特定設備的系統風險或對另一個特定因素之間的關系［5］。

2.1 假設條件

在本文的框架內，認為兩個事故同時發生的可能性較大，而三個或三個以上事故同時發生的可能性較小，例如元件保護失效和短路（SC）發生時的遠程后備保護失效。考慮到公認的假設，RPA操作可以用四種情況來描述，如圖1所示:

圖1 RPA四種情況

（a）保護的正確啟動：（1）（1-qpu）在SC（λsc）的情況下，保護系統啟動，并對被保護元件按照給定的操作邏輯關閉，換句話說，具有Psb容量的傳輸線被切斷。

（b）保護不工作：保護在不可操作條件下（qpu），在SC（λsc）情況下沒有關閉被保護元件，遠程后備保護啟動，額外負載Pb1容量斷開；

（c）保護誤動：（λfa）在不需要啟動的情況下，保護啟動，并關閉保護元件Psb；

（d）不正確的保護操作: 保護在不可操作的條件下（qpu），不必要地切斷了受保護元件的負載（Psb）。

案例a描述了RPA設備的正確操作，因此在故障風險計算中不予考慮。因此，為了計算RPA操作引起的網絡元件故障風險，將考慮三種情況b、c、d。

由于接受的基本模型元件不是保護裝置，而是主電路設備，有必要為每個初級電路元件分配屬性，以評估不同的保護對網絡中當前元件的影響。為此，就主電路設備而言，所有RPA設備分為以下等級：

1）在被保護元件上安裝的保護裝置誤動的情況下導致元件斷開的保護裝置，對應于情況c。

2）在元件損壞的情況下可以運行的保護，相鄰元件保護是當前保護中的一種，對應于情況d。

3）在不斷開受保護元件負載的情況下，允許不必要負載斷開的可能性保護。相鄰元件保護也在當前保護中，對應于情況b。

只要來自2和3級的元件對于每個特定的初級電路元件是相同的，它們在下文中將被稱為2級。

2.2 模型圖分析

任何網絡都可以表示為一個圖，其節點屬于主電路器件子集和RPA器件子集如圖2所示。網絡主元件的圖是復雜連接的，RPA圖元件彼此之間沒有直接影響，僅與主電路元件連接。

圖2 一次和中繼網絡設備圖

屬于初級電路元件集的圖節點是需要保護的擴展元件。圖連接是能量系統表示中的節點。在RPA設備子集中，節點直接即為RPA設備，跳閘電路是連接兩個子集的邊緣。

總結A部分的結果，針對第一級和第二級保護下的每個節點對保護進行了分類。使用圖論術語，對來自主電路元件集合的每個節點，第一程序保護是來自RPA子集的一組節點，其路由長度等于1，而第二程序保護是RPA子集合的一組結點，其路由長度等于2。

2.3 模型去中心化

圖2（a）中的圖表沒有考慮次級電路的以下顯著特征：1）信息渠道；2）節點保護；3）絕對選擇性元素。

在此圖中，信息通道被隱含地考慮，其故障的概率被包括在兩端保護故障的概率中。例如，保護裝置13和7通過通信信道連接，通信信道沒有明確建模，但保護裝置的操作相同，兩個保護裝置完全斷開B1-T1元件的連接，這反過來又是通信信道的隱含替代。

目前模型中沒有實現節點保護，但原則上存在這種可能性。節點保護，例如差動母線保護（DBP），可以被視為同時影響所有初級元件的保護，如圖2（b）所示。第三個特征可以用其他方式表述。由于添加了DBP這樣的絕對選擇性元件，出現了一個問題，即如何考慮DBP不備份相鄰輸電線路保護的事實，但同時它可能在發生外部故障時不必要地啟動。換言之，在風險計算期間，根據規則b，應將絕對選擇性元素排除在考慮之外。為此，當前類型的節點應具有附加屬性，將這些節點排除在計算算法之外。

3 IEEE 14節點模型的計算

本文的問題設置如下：每個保護節點在IEEE14模型的隨機不可操作性值設置在0.04到0.1的范圍內，然后進行計算，并確定每個保護節點的更換如何影響相鄰設備的故障風險。假設在用新的保護替換的情況下，不可操作性等于0.01。為了簡單起見，接受錯誤致動概率是恒定的并且等于0.01。

圖3中給出了可接受的一次電路元件和RPA設備枚舉的網絡圖。對所考慮的電路進行了風險計算。然后，基于所獲得的按降序排列的風險，制定了允許確定高優先級網絡設備更換向量的列表。

圖3 IEEE 14測試方案

根據圖4中獲得結果的圖形解釋，可以得出結論，故障和節點故障具有相似的qpu依賴性類型，在這種情況下，當前的依賴性是線性的。

圖4 節點4和7故障qpu

可以觀察到，在受保護線路和相鄰線路保護參數變化的情況下，風險變化不同。所有相鄰元素的當前風險之和就是節點風險。每個特定的風險特征都會根據其自身的線性定律發生變化，實際上，由模型的數學裝置決定依賴性是線性的。

然而，在更多參數變化的情況下，可以獲得二次相關性。例如，在保護不可操作性參數和輸電線路故障概率發生變化的情況下，獲得了圖5所示的具有二次特征的相關性。為了進一步分析所獲得的結果，分析了可靠性額定值和風險與電壓等級、傳輸功率和總線路保護pPU等輸入值的相關性。在這種情況下，對以下三種方法進行了比較：

圖5 節點4和節點6故障值

1）功率計算。根據本文所述原理運行的算法。

2）當前計算。其中額定值是基于電流建立的。

3）系數轉換。通過將獲得的風險除以元件電壓類別。

從圖6中可以看出，在其他條件相同的情況下，功率越大的物體將獲得越高的不可靠性評級。為了更好地闡明所獲得的趨勢，通過普通最小二乘法（OLS）繪制了互補依賴關系。需要注意的是，由于依賴關系的線性特性，將線性回歸作為近似方法，如圖7所示。

圖7 qpu額定相關性

本文在對所提出的三種方法進行比較的基礎上，可以得出結論，在明確考慮任何操作參數時，具有較高功率的元件由于其較高的傳遞能力而更具重要性。此外，在所有考慮的方法中，結果與元件功率和電壓等級的相關系數大致相同。

另一方面，在斷開饋線（例如110kV）的情況下，與斷開兩條負載500kV輸電線路中的一條相比，可能會發生更高的損壞。需要使用根據操作參數單獨計算的實際損傷值作為輸入模型數據。

4 結論

所獲得的方法允許計算獨立RPA裝置對電路故障風險的影響程度。該算法在IEEE14模型上進行了驗證，得到了理想的結果，該方法可用于評估某些元件對其他元件的可靠性影響，并根據與設備健康相關的潛在風險降低對所有RPA設備進行排序。該算法可用于網狀能量網絡條件下的RPA修復規劃。該算法的引入將減少財務費用，提高系統可靠性，從而產生額外的經濟效益。