面向電力系統的繼電保護故障建模研究

鄭璐

【摘 要】繼電保護系統隨時監控電力系統的運行狀態，并能迅速準確地發現故障或出現的異常情況，從而有選擇可靠地通過斷路器切除故障部分或發出信號及時采取措施排除故障，擔負著保證電力系統安全可靠運行的重要任務，作為保證電力系統承受大擾動能力的第一級安全穩定標準的技術措施。繼電保護系統不正確動作便會使電力系統的故障擴大，甚至可能發生不良連鎖反應而造成電力系統崩潰，導致大面積停電，造成重大經濟損失。因此，從電力系統安全穩定運行的角度出發，對繼電保護系統提出了必須滿足“可靠性、選擇性、靈敏性、速動性”的要求。在現代復雜大規模電網運行環境下必須加強電網對事故的承受力和提高繼電保護系統動作的可靠性來提高電網的可靠性。

【關鍵詞】繼電保護系統;可靠性;建模分析

1 影響繼電保護系統可靠性的因素

1.1繼電保護系統軟件因素

軟件出錯將導致保護裝置誤動或拒動。目前影響微機保護軟件可靠性的因素有：需求分析定義不夠準確;軟件結構設計失誤：編碼有誤：測試不規范：定值輸入出錯等。

1.2繼電保護系統硬件因素

（1）繼電保護裝置。繼電保護裝置中與繼電保護可靠性密切相關的模塊有：電源供應模塊;中央處理模塊;數字量輸入模塊;模擬量輸入模塊：數字量輸出模塊。（2）二次回路。由二次回路絕緣老化、裸露導致接地等原因造成的故障在繼電保護系統故障中占有一定比例。（3）繼電保護輔助裝置。這些輔助裝置包括交流電壓切換箱、三相操作繼電器箱及分相操作繼電器箱等，它們起著極為重要的作用。（4）裝置的通信、通道及接口。高頻保護的收發信機、縱聯差動保護的光纖、微波的通信接口等裝置系統易于發生通信阻斷故障。直接影響繼電保護裝置的正確動作。（5）自動重合閘裝置。繼電保護與重合閘配合消除瞬時性故障，使電網恢復正常運行。（6）斷路器。斷路器是電力網絡的重要元件，其可靠性不僅關系到繼電保護的可靠性，還關系到電力系統主接線的可靠性。（7）電流互感器、電壓互感器。互感器將高壓側的電壓電流變換成適用于二次回路的電流電壓。其采集量的誤差主要是二次接線錯誤和接線的連接松動。

1.3人為因素

安裝人員未能按設計要求正確接線或接線中極性不正確等誤接線問題和檢修、運行人員的誤操作問題在不少電網中都曾發生過。在計算繼電保護系統可靠性時，忽略設計部門及制造部門的人員可靠性，認為該因素已經包含在電子設備及保護系統的硬件可靠性中。

2 單主保護系統隱藏故障可靠性模型

單個主保護的隱藏故障可靠性模型由模型 1給出，如圖 1 所示。受保護的部件有兩種狀態：正常狀態 UP 和故障狀態 DN;保護有四種狀態：正常狀態 UP 和故障狀態 DN、隱藏非操作狀態 DUN 和隱藏誤操作狀態 DUM。假定 CBM 不能檢查保護系統的所有故障，因此保護系統可能處于隱藏故障狀態，由于隱藏故障狀態不是故障狀態，則它沒有故障后果且不屬于誤操作狀態或非操作狀態;它僅表明保護系統處于隱藏的不健康狀態，并且在某些情況下可能會發生故障。例如，當故障發生在保護區外時，隱藏故障狀態下的保護系統可能會發生誤操作，當故障發生在保護區內時，可能會錯誤地拒絕操作。

在研究保護系統的可靠性時，必須考慮系統的每個狀態的概率和狀態之間的轉換率。馬爾可夫過程是分析狀態切換最為有用的工具[8]。在圖1 中，狀態 1 表示部件被保護和保護設備的正常狀態;狀態2 表示當部件失效時，其保護正常運行;在部件修復后進入狀態 1;狀態 3 表示部件良好，保護器有自校驗錯誤;狀態 4 表示部件良好，保護器有非自校驗誤操作故障;狀態 5 表示部件良好，保護器具有非自校驗非操作故障;狀態 6 表示在外部故障或自身故障情況下觸發隱藏錯誤操作，并發生非自校驗錯誤操作;狀態 7 表示當部件發生故障時，發生非自校驗的非保護動作;如果部件先修復，則進入狀態 3;如果保護先修復，則進入狀態 2;狀態 8 表示部件故障，保護的誤操作被認為是正確的操作，在部件修復后，則進入狀態 4。隱藏的錯誤操作狀態（狀態 4）可以轉換為隱藏的非操作狀態（狀態5），反之亦然。

3雙主保護系統隱藏故障可靠性模型

模型 2 給出了雙主保護系統的可靠性模型，如圖 2 所示。該模型與模型 1 相似，但雙主保護更復雜，保護器 P1 和 P2 的位置相同。定義姿P為保護 P1的故障率，主保護器 P1 的參數與模型 1 的相同。

對于保護器 P2，λP2為保護失效率，C3為自檢成功率，C4為誤保護率，P7=P4λP2（1 -C2）為非自校驗保護誤動率，P8=C4 λP2（1 -C2）為非自校驗非運行保護率，μ2為保護器的修復率，μ是兩種保護的同時修復率。定義：C9=C1λP，C10=C2λP2。

4考慮人為誤差的單個主保護系統隱藏故障可靠性模型

人為誤差可以定義為任何不正當行為而導致的影響系統正確動作的事件。從系統角度來看，使用可靠的硬件和軟件，人為誤差仍然對系統安全構成極大威脅。人為誤差可分為六類：設計誤差、操作者誤差、制造誤差、維修誤差、檢測誤差和操作誤差。有許多可用于進行人為誤差可靠性評估的技術，例如 THERP（人為誤差率預測技術），HEART（人為誤差評估和縮減技術）等。保護系統的兩種故障模式分別是誤操作和非操作，人為誤差對保護系統的影響有兩種：誤操作和非操作。在下面的分析中，假定在某些操作和修理之后出現人為誤差。考慮了人為誤差的單主保護系統的隱藏故障可靠性模型，如圖 3 所示。該模型以模型 1 為基礎，考慮兩類人為誤差：（1）由于操作人員操作不當造成的保護系統誤操作，例如調度人員或值班人員不按正確程序操作;（2）維修后保護系統沒有完全回復。例如修理后保護設置不變，這可能導致保護系統的隱藏誤操作或非操作。

結束語

針對數字保護系統必須采取措施，不僅要減少誤操作概率和非操作概率，而且要降低隱藏故障狀態概率。與單主保護相比，雙主保護系統增加了隱藏故障狀態概率，從而降低了實際狀態概率，同時也提高了兩個主保護的可靠性。人為誤差率會增加保護系統隱藏故障的狀態概率，在正常運行和維護過程中必須降低人為誤差。通過對數字保護系統中的在線自檢和監控系統的改進，CBM 的應用可以降低隱藏故障的發生概率，只有通過這種方式，才能保證保護系統運行良好。

參考文獻：

[1] 呂文超，呂飛鵬，張新峰.模糊聚類法在繼電保護狀態檢修中的應用[J].電力系統及其自動化學報，2013，25（2）：93—97.

[2] 姜臻.基于馬爾可夫小概率事件統計模型的繼電保護隱藏故障分析[J].機電信息，2014（36）：1—3.

[3] 熊小伏，陳星田，曾星星，等.基于廣義變比辨識的繼電保護電流測量回路故障診斷方法[J].中國電機工程學報，2014，34（S1）：76—84.

（作者單位：陽泉供電公司）