基于擾動激勵的智能變電站繼電保護故障診斷關鍵技術

汪 敏 孫達山 張 健

（國網安徽省電力有限公司淮南供電公司，安徽 淮南232001）

在智能變電站運行管理方面，需要依靠繼電保護系統提供安全保護，避免因局部故障引起大面積停電問題。而繼電保護系統可能存在各種隱性故障，導致裝置發生拒動或誤動問題，給變電站安全運行帶來威脅。引入擾動激勵分析規則對繼電保護故障進行診斷，能夠使故障得到及時消除。因此，還應加強基于擾動激勵的智能變電站繼電保護故障診斷研究，從而為智能變電站建設發展提供強有力的技術支撐。

1 智能變電站繼電保護故障診斷問題分析

在智能變電站中，繼電保護系統利用互感器進行模擬量采集，然后轉換為數字量傳輸至智能終端，完成跳轉指令發送，如圖1 所示，為智能變電站繼電保護體系結構。在保護系統中，各種智能設備可以實現信息互通，在保證信息參數準確的同時，為系統故障檢測和診斷提供支持。但在系統回路測量方面中涉及較多模擬多線路開關、變送器等裝置，如果存在隱性故障將導致系統面臨較高運行風險[1]。因為任一環節出現問題將造成信息參數出現差錯，造成系統出現錯誤判斷。目前，繼電保護隱性故障不僅涉及二次系統保護，也與一次系統運行、故障位置、保護動作方式等有關。由于設備數量較多，彼此間存在復雜關系，使得回路信息無法得到直觀反映，繼而給系統隱性故障診斷帶來了較大困難。

圖1 智能變電站繼電保護體系結構

2 基于擾動激勵的智能變電站繼電保護故障診斷

2.1 擾動激勵分析思路

針對智能變電站繼電保護隱性故障進行診斷，可以采用擾動激勵分析方法。具體來講，就是利用可量化的裝置動作指標對保護系統運行狀態進行評估，使測量回路存在的問題得到及時發現。實際在裝置動作判斷上，需要對其速度和動作距離等進行分析。在保護動作啟動上，可以利用裝置測量值與保護啟動值的相對差進行啟動距離分析，并根據保護實測值和動作邊界相對差進行動作距離分析。在裝置啟動到跳閘命令發出，經歷的時間則為啟跳時間[2]。對裝置故障靈敏度進行評價，可以加強穿越指標和動作時間分析。設定的穿越指標包含穿越頻率和時間兩個，前者為從保護開始到故障恢復的動作邊界穿過次數，后者為設備第一次超過整定值的時間。在動作區域內，裝置測量值始終保持，則屬于動作區持續時間。在故障期間，保護裝置測量值將比之前返回的數值要小。在回路跳閘后，從指令發出到斷路器動作，測量值要比之前返回值的時間差要小。根據這些特性，可以對機電保護狀態進行科學評估，使隱藏的故障得到識別和判斷，為系統可靠運行提供保障。

2.2 保護故障診斷方法

按照上述思路進行保護系統隱性故障診斷分析，可以從多個角度進行故障識別與評價。具體來講，就是可以利用動作距離、啟跳時間和穿越頻率對故障所在區域、相鄰區域和較遠區域的繼電保護裝置動作展開分析，確認能否達到要求。如果未能達到要求，說明區域存在隱性故障。

2.2.1 動作距離分析

在系統發生故障后，將發出跳閘指令，相鄰后備保護將發生動作。而裝置主保護的啟動距離和動作距離應同時比零大，后備保護同樣也符合這一條件，做到同時進行跳閘指令發送。在相鄰位置保護裝置上，如果裝置距離電源較近，主保護則出現動作距離比零小的情況下，后備保護的動作距離則比零大，因此能夠提供后備保護[3]。在距離保護裝置較遠的位置，存在主保護和后備保護動作距離均比零小的情況，因此不會發生保護動作。在系統能夠維持正常運行狀態時，動作距離呈現出上述規律。但是如果存在隱性故障，就可能造成遠離故障元件的保護裝置發生動作，也可能導致相鄰裝置發生主保護誤動、后備保護拒絕動作的情況。

2.2.2 啟跳時間分析

除了根據動作距離進行故障診斷，也可以根據動作時間確認系統是否存在隱性故障。如在系統過量保護功能實現上，對主保護和后備保護的動作時間就提出了一定要求，只有滿足條件才能保證動作可靠。具體來講，就是后備保護擁有的啟跳時間要比主保護長。在相鄰區域，保護裝置后備保護則需要更長時間才能啟跳，以免在故障區域保護裝置動作前發生動作。而在遠離故障的區域，無論是主保護還是后備保護都需要滿足動作距離小于零的要求。在故障發生后，按照啟跳時間，應當為故障所在區域后備保護優先動作，其次為主保護發生動作，再次為相鄰區域后備保護發生動作，其余保護裝置則不會發生動作。無法滿足上述條件，說明區域存在隱性故障。

2.2.3 穿越頻率分析

在系統故障發生后，故障所在區域保護裝置和相鄰區域保護裝置都要做到動作準確、靈敏，以便使系統得到有效保護。從靈敏度要求上來看，故障發生區域繼電保護裝置主保護和后備保護的穿越頻率至少都應達到1。而在相鄰區域，主保護裝置穿越頻率不超過1，后備保護則至少達到1。在遠離故障的區域，保護裝置穿越頻率均比1 小。如果相鄰區域主保護穿越頻率超出1，將出現誤動情況。同樣的，遠離故障區域動作靈敏度也不能過高，以免發生誤動情況。而故障所在區域保護裝置靈敏度應較高，以免發生拒動問題。不符合動作靈敏度條件要求，說明所在區域存在隱性故障。

2.3 故障識別判斷過程

實際對繼電保護系統隱性故障進行判斷，可以根據系統采集的保護定值和保護原理完成故障準確識別與判斷。具體來講，就是可以對互感器模擬量進行濾波處理和邏輯判斷。通過定值比較，如果發現邏輯與定值整定不合理，說明系統存在故障，造成裝置出現誤動或拒動問題。隱性故障多存在單端，上下級配合時容易給系統動作帶來擾動。針對采集到的電流相量，利用傅里葉算法展開分析，確認是否符合啟動條件，能夠判斷裝置動態特性是否正常。如圖2 所示，在簡易母線保護中，I 和II保護存在重疊，保護動作需要保護本體和支路元件一同完成，保護重疊則容易引發誤動。在間隔1 線路位置F 發生故障時，出線保護和站域保護將會動作。但是如果1 線路保護裝置存在隱性故障，將導致站域無法閉鎖，無法正常動作，繼而引發變電站停電事故。根據設備間的冗余互備關系，可以引入擾動激勵指標進行隱性故障提前診斷。以動作距離為例，在間隔1 線存在隱性故障時，母線I 出線保護和站域保護動作距離將比零小，導致保護裝置無法正常動作。而線I 出線保護和站域保護動作距離比零大，相鄰間隔區域保護裝置后備保護動作距離比零大，不符合這一條件說明相鄰區域繼電保護系統存在隱性故障。根據各條饋線保護動作距離等指標關系，能夠得到繼電保護隱性故障判別規則，在故障發生前進行故障識別和判斷，并通過消除故障隱患保證保護系統正常發揮功能。

圖2 智能變電站繼電保護隱性故障

2.4 故障診斷仿真分析

在系統故障診斷仿真方面，可以在CLIPS 平臺上完成220kV 智能變電站繼電保護系統構建，按照上述規則對故障診斷方法的有效性進行測試。系統主變220kV 側的距離保護I 段按照全線阻抗85%進行整定，II 段為148%。繼電保護CB1 的I段阻抗整定值約36Ω，II 段約63Ω，I 段發生邊界故障，在t=0.5s 時在母線2 的B 側出現三相接地短路，持續0.5s。分別在故障區域繼電保護裝置CB1、相鄰區域保護裝置CB2中完成隱性故障設置，利用軟件對回路干擾進行模擬測量，并利用傅里葉算法完成基本分量提取，得到動作距離和保護測量值，如表1所示。在CB1存在隱性故障的情況下，動作距離大于零，但裝置不發生動作，可以判定裝置存在故障。而CB2中存在隱性故障，所以在動作距離小于零時卻發生動作，違背了動作規則。因此根據擾動激勵判斷規則，能夠依次辨別裝置是否存在隱性故障，可以滿足故障診斷要求。

表1 仿真測試結果

3 結論

綜上所述，智能變電站繼電保護裝置存在故障，將導致裝置無法正常發揮保護作用，使變電站運行缺乏安全保障。運用擾動激勵對裝置隱性故障進行判斷，利用動作距離、穿越頻率等量化指標對裝置動作展開分析，確認是否符合保護整定規則，能夠準確判斷裝置存在的故障，并通過消除故障保證裝置正確動作，繼而為變電站運行提供保障。從仿真分析結果來看，采取該方法能夠對發生隱性故障的繼電保護裝置進行準確判別，因此具有一定實用價值。