基于繼電保護隱性故障的電力系統可靠性分析

朱永珍　楊黎　楊艷燕

【摘要】近年來，我國電力系統的規模不斷擴大，為經濟發展提供了不竭動力，但同時也對電力系統安全提出了更高要求。繼電保護技術隨之產生，為電網安全提供有力保障。本論文從電力系統可靠性入手，對繼電保護隱性故障進行分析，并提出相應評估方法來降低連鎖故障風險，努力將電力安全事故發生概率降到最低。

【關鍵詞】電力系統可靠性；繼電保護；隱性故障

1電力系統可靠性分析評估

電力系統可靠性能夠將最有效、最專業的途徑結合起來，共同發掘供電、發電設備的潛力，并在保證供電質量的前提下確保安全管理工作順利進行。下面，筆者將介紹電力系統可靠性發展過程及研究方法，并提出針對繼電保護運行狀況的評價方法。

1.1電力系統可靠性簡介

廣義的可靠性包含充裕度（即靜態可靠性）和安全性（即動態可靠性）兩方面。其中，充裕度是指在靜態條件下電力系統滿足客戶用電需求的能力，包括電力和電能量；安全性是指在動態條件下電力系統在供電同時能經得住突發干擾的能力。

可靠性這一概念最初用于工業之中。到20世紀60年代中期，電力系統穩定性遭到破壞的事件在多國發生，引起了政府的極大重視。電力可靠協會隨之在美國成立，并制定出可靠性準則。不久后，公平、公正、公開的電子市場競爭原則便在各地得以推廣。中國電力系統可靠性研究雖起步較晚，但隨著電力行業可靠性管理委員會的成立，研究工作也有了很大突破，可靠性工程在電力工業與電氣設備制造工業上得以迅速發展。

1.2電力系統可靠性研究方法

要做好電力系統可靠性評估，首先要鎖定可靠性目標，然后結合評估手段，將故障準則與可靠性準則進行對比，從而判斷故障的嚴重程度。常用的研究方法有解析法和模擬法兩種。其中，解析法側重于系統計算，把可靠性這一概念放到數學模型中進行數值運算。這一方法的好處是能清楚看到系統中的因果聯系，便于人們理解。模擬法則通過對系統元件的特性進行組合來得出可靠性指標。其中，元件的特性能通過概率分布預測出來。比起解析法，模擬法的精確度相對較低，所用的時間較長，但能夠解決更多有關于概率分布的問題。

1.3繼電保護系統可靠性

作為電力系統可靠、安全運行的重要保障，繼電保護裝置能在第一時間發現系統故障，并根據實際情況通過斷路器將故障部分隔離出來。影響繼電保護系統的因素有軟件因素、硬件因素和人為因素三種。為有效維護電力系統安全，技術人員應強化電力系統監管水準，重視繼電保護系統可靠性的統計評價工作。目前用于評價該裝置的方法主要參照正確動作率這一指標，并通過保護裝置的電壓大小進行分類計算，其劃分范圍為110kV以下、220kV以上和500kV或330kV的繼電保護裝置。

2繼電保護隱性故障分析

目前，我國已擁有了較高的繼電保護正確動作率，但一些隱性故障仍存在于繼電保護系統中。隱性故障無法避免，并很有可能引發一系列故障，最終造成大面積停電等嚴重事故，因此，對繼電保護隱性故障進行深入分析很有必要。下面，筆者將提出導致繼電保護隱性故障的原因，并分析其故障評估方法。

2.1繼電保護隱性故障的引發

隱性故障不會對正常運作的電力系統造成影響，但當系統某部分出現狀況時就會觸發該故障，同時還會連帶產生其他故障。實際上，繼電保護系統中的每個元件都有存在隱性故障的可能，然而這一故障并不代表繼電器本身在設計或應用上存在問題。與其他故障相比，隱性故障更易出現于壓力狀態下的電力系統中。結合專家分析和相關資料，筆者總結出以下三點容易引發隱性故障的情況：

1）系統老化造成的隱性故障。系統元件損耗時間過長便很容易出現老化狀況，并由此突發故障。

2）不良環境造成的隱性故障。這里的不良環境多指陰暗潮濕的雨雪天氣，長期處于這種惡劣環境將對器具儲存造成影響。

3）自然災害造成的隱性故障。通常，火災、地震、龍卷風等不可抗逆因素也會對系統造成影響，并且這種情況往往無法預測，發生概率也只能粗略計算。

2.2繼電保護隱性故障評估

鑒于隱性故障不會在正常運行的系統中表現出來，研究人員應設計出有針對性的概率模型，結合不同的故障發生情況進行概率計算。常見的概率模型會對線路距離保護和線路過電流保護的隱性故障特征加以分析，并將元件壽命等因素加入到概率運算當中。而不良環境和自然災害這類情況有一定的特殊性，不能采用傳統的概率模型進行計算。模糊分析計算模型可將不同環境及各類災害區分開來進行分析，得出的數據能將事故發生概率科學地呈現出來。另外一種評估方案是設計出隱性故障線路集。這一做法有助于搜索連鎖故障發生路徑，盡可能降低事故造成的損失。

3連鎖故障風險

連鎖故障又稱為連鎖停運，是指電力系統中兩個或兩個以上元件接連不斷停止運行的情況。也就是說，系統中一個元件的失效將導致第二個元件的失效，并以此類推。下面，筆者將分析連鎖故障風險的引發原因，并找出其相應的風險評估方法。

3.1連鎖故障風險的引發

連鎖故障影響到的系統元件種類的、范圍廣，是一個不間斷的動態過程。造成該故障的原因十分罕見且無法預測，一旦引發將會損失慘重。

一般說來，線路負荷過大，電路電壓波動過大就容易引發連鎖故障。例如，超負荷的輸電線路會導致負荷大幅度轉移，從而造成電源和線路連續跳閘。從這一點看來，電網元件發生連鎖故障的相互作用過程是：電力系統正常運作時，每個元件都附帶有初始負荷。運行過程中，如果某元件因超負荷發生故障后，電網內的原始電壓、功率等分布就會有所變動，喪失應有功能的元件負荷就會轉移到正常的元件上，如果這些正常元件接收負荷過度就會停止運行，于是就引發負荷再分配。這一過程的不斷循環會影響到所有元件的運作，造成電網癱瘓，最終停止運行。

3.2電力系統連鎖故障風險評估

電力系統風險評估的首要步驟是確定元件的停運模型，隨后根據該模型選出系統失效狀態，從而計算出發生概率。接下來，技術人員就系統狀態做出后果分析。這一分析過程可按照不同的研究系統和研究目的來進行設計，以此制定出不同的研究方案。在完成好上述工作后便可構建系統風險指標并進行指標計算。

本論文對連鎖風險的評估建立在繼電保護隱性故障的基礎之上，評估工作劃分如下：

1）確定隱性故障模型。該項工作應當放在實施初試狀態搜索之前。技術人員要對繼電保護動作數據進行分析，還要參考環境、自然因素和元件損耗程度來確定出隱性故障導致斷路器在不必要的情況下自行跳閘的概率。

2）主要故障線路選擇。即根據故障可能發生的概率情況選出一條主要線路，并對其與各線路進行搜索。

3）連鎖故障過程分析。即在斷開主要故障線路之后計算出電網中的電壓和功率，以此判斷系統有無失電現象，并檢測故障出現后電路的電壓越限、系統解列、母線孤立等狀況。

4）風險指標計算。即將各線路發生故障的嚴重程度通過綜合的風險評估指標按順序排列出來。

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