考慮隱性故障的繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析及評(píng)估

楊寅明

摘 要：電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)設(shè)備是保證電力安全的關(guān)鍵設(shè)施，如果突然發(fā)生故障，將導(dǎo)致停電并威脅該區(qū)域內(nèi)的電力傳輸安全。從現(xiàn)狀來(lái)看，安全穩(wěn)定控制仍處于初步探索階段。本文是從電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)通常故障著手，關(guān)鍵是分析和探討繼電保護(hù)故障解決措施，希望能給行業(yè)有關(guān)人士提供一些參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：繼電保護(hù);安全穩(wěn)定控制系統(tǒng);隱性故障

引言：由于繼電保護(hù)故障的出現(xiàn)，某種程度上會(huì)影響到生產(chǎn)能否順利展開(kāi)，這也限制了國(guó)民生活水平的提升，從而減少電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)故障的出現(xiàn)，是所有電力系統(tǒng)工作者需要面對(duì)且要解決的問(wèn)題。從現(xiàn)階段的分析狀況來(lái)看，雖然繼電保護(hù)是電力系統(tǒng)中具備關(guān)鍵的應(yīng)用價(jià)值，但是在部分不能避免的要素面前，繼電保護(hù)還可能會(huì)出現(xiàn)故障，而該故障的出現(xiàn)會(huì)嚴(yán)重影響到電力系統(tǒng)的安穩(wěn)運(yùn)行，因此積極對(duì)故障展開(kāi)分析與問(wèn)題的處理具備關(guān)鍵的意義。如此，系統(tǒng)地探討繼電保護(hù)故障的出現(xiàn)以及詳細(xì)的解決手段便有著十分關(guān)鍵的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1.繼電保護(hù)系統(tǒng)的隱性故障分析

在電力系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，繼電保護(hù)系統(tǒng)存在的電力隱性故障不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，如果電力系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備組件有了變化時(shí)，就會(huì)引發(fā)隱性故障，從而導(dǎo)致電力系統(tǒng)發(fā)生運(yùn)行故障。因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的組件結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性，所以很難被及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱性風(fēng)險(xiǎn)，如果電力系統(tǒng)中發(fā)生運(yùn)行故障，會(huì)重新分配電力系統(tǒng)潮流。在作用過(guò)程中，電力系統(tǒng)由于隱性故障引發(fā)保護(hù)裝置的誤動(dòng)作，使電力系統(tǒng)中存在的隱性故障明顯化，故障范圍可以作用到電力系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)中。電力系統(tǒng)中發(fā)生隱性故障的有兩方面原因：一是電力系統(tǒng)中設(shè)備的定值以及軟件設(shè)置引發(fā)參數(shù)值發(fā)生錯(cuò)誤，繼電系統(tǒng)產(chǎn)生的保護(hù)動(dòng)作對(duì)系統(tǒng)中的隱性故障發(fā)生錯(cuò)誤判斷。二是電力系統(tǒng)中的繼電保護(hù)裝置測(cè)量元件和通信系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)等發(fā)生故障，引發(fā)繼電保護(hù)拒動(dòng)和誤動(dòng)。繼電保護(hù)系統(tǒng)隱性故障是主要的表現(xiàn)形式。研究發(fā)現(xiàn)，繼電保護(hù)系統(tǒng)中存在的隱性故障主要有兩種形式：一是發(fā)生操作失敗，二是引發(fā)意外跳閘。由于電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致操作失敗，所以繼電保護(hù)裝置不能清除將其中的運(yùn)行故障;而系統(tǒng)發(fā)生意外跳閘是指電力系統(tǒng)中沒(méi)有出現(xiàn)故障和故障發(fā)生在保護(hù)區(qū)外，系統(tǒng)產(chǎn)生誤跳閘。系統(tǒng)操作如果發(fā)生失敗，當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生故障后，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)后備保護(hù)切除故障線路，但顯示操作失敗后可能擴(kuò)大系統(tǒng)中的運(yùn)行故障范圍。對(duì)于因自發(fā)性意外產(chǎn)生的跳閘現(xiàn)象，其會(huì)產(chǎn)生大范圍停電，這和系統(tǒng)中的隱性故障發(fā)生相聯(lián)，并且和系統(tǒng)運(yùn)行條件發(fā)生關(guān)聯(lián)。

2 隱性故障下的繼電保護(hù)的可靠性與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)

2.1 隱性故障條件下的OPA 模型

這類故障模型表現(xiàn)為直流潮流方程，其作用原理是利用標(biāo)準(zhǔn)線性規(guī)劃方法解決電力系統(tǒng)運(yùn)行中如何實(shí)現(xiàn)功率調(diào)度問(wèn)題。通過(guò)模型優(yōu)化可以確保隱性故障存在的價(jià)值函數(shù)實(shí)現(xiàn)最小化。所以，在評(píng)估此類模型過(guò)程中，需要滿足一定的外在條件，前提是保持功率相對(duì)平衡和負(fù)荷節(jié)點(diǎn)不發(fā)生注入功率，這可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)設(shè)備實(shí)際功率和線路潮流同時(shí)小于運(yùn)行的極限值。

2.2 隱性故障下的CASCADE 模型

通過(guò)CASCADE 模型對(duì)隱性故障存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，電力系統(tǒng)中可假設(shè)有N 條相同的傳輸線，這些線路帶有隨機(jī)性質(zhì)的初始電力負(fù)荷。所以初始擾動(dòng)值d 會(huì)在引發(fā)電力系統(tǒng)中的元件發(fā)生故障，故障元件產(chǎn)生的電力負(fù)荷可以按照電力系統(tǒng)內(nèi)在的繼電保護(hù)進(jìn)行電力分配，將其合理轉(zhuǎn)移到另外相關(guān)設(shè)備元件中，發(fā)生連鎖電力故障。

3.發(fā)生連鎖故障的風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 連鎖故障風(fēng)險(xiǎn)原因

影響連鎖故障的系統(tǒng)元件種類多，且范圍也廣，小間斷動(dòng)態(tài)過(guò)程不能可靠預(yù)測(cè)的。通常情況下，電力系統(tǒng)由于線路負(fù)荷過(guò)大，就會(huì)此發(fā)連鎖故障，超負(fù)荷輸電線路還會(huì)促使負(fù)荷幅度產(chǎn)生轉(zhuǎn)移，進(jìn)而產(chǎn)生整個(gè)系統(tǒng)的電源和線路發(fā)生跳停。風(fēng)險(xiǎn)分析之后發(fā)現(xiàn)，電網(wǎng)元件之間連鎖故障有非常的相互作用。在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，元件在帶有初始的負(fù)荷的狀態(tài)下運(yùn)行，如果某一個(gè)元件存在超負(fù)荷故障了，那么電網(wǎng)中的初始電壓和功率也就會(huì)發(fā)生改變，不僅元件應(yīng)有的功能喪失了，還會(huì)導(dǎo)致元件負(fù)荷直接作用到正常的元件上，如果元件的接收負(fù)荷發(fā)生改變，也會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)停止運(yùn)行。停止運(yùn)行會(huì)引發(fā)電網(wǎng)癱瘓，造成經(jīng)濟(jì)損失。

3.2 電力系統(tǒng)發(fā)生連鎖故障后的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

電力系統(tǒng)發(fā)生連鎖故障后要評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)的狀態(tài)，首先要完成元件的停運(yùn)模型，然后結(jié)合模型來(lái)確定電力系統(tǒng)的失效狀態(tài)，可以結(jié)合系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行后果分析，分析過(guò)程可以依據(jù)不同的狀態(tài)來(lái)進(jìn)行可靠性評(píng)估設(shè)計(jì)和規(guī)劃，在確定好相關(guān)的內(nèi)容之后，就可以依據(jù)系統(tǒng)存在的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行指標(biāo)計(jì)算。

4.如何提高繼電保護(hù)可靠性

4.1 繼電保護(hù)的信息化

信息技術(shù)在快速發(fā)展，信息技術(shù)的科技含量也逐步提高。和原有的小型機(jī)，現(xiàn)在工控機(jī)的功能日趨強(qiáng)大，存儲(chǔ)容量和運(yùn)行速度發(fā)生了很大的變化，采用成套的工控機(jī)可以進(jìn)行繼電保護(hù)，提升了繼電保護(hù)中的可靠性。繼電保護(hù)裝置可以主切除故障元件，保證整體系統(tǒng)，所以通過(guò)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以將電力系統(tǒng)整體連接起來(lái)，不同的保護(hù)單元都可以實(shí)現(xiàn)共享數(shù)據(jù)信息故障，微機(jī)保護(hù)裝置的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)信息得以共享。

4.2 繼電保護(hù)運(yùn)行的智能化

人工智能已應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域和多個(gè)行業(yè)。人工智能應(yīng)用于繼電保護(hù)領(lǐng)域是技術(shù)上的創(chuàng)新。比如在電力系統(tǒng)實(shí)施繼電保護(hù)時(shí)，可以采用遺傳算法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)元算法等。人工智能應(yīng)用在繼電保護(hù)領(lǐng)域，可以提高繼電保護(hù)的穩(wěn)定性。人工智能具有邏輯思維，可以快速準(zhǔn)確地處理信息，所以提高了繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

4.3 使用數(shù)字器件

性能可靠的數(shù)字器件，如FPGA和CPLD可以應(yīng)用于繼電保護(hù)領(lǐng)域，提高了繼電保護(hù)的系統(tǒng)質(zhì)量。EPGA是一類可實(shí)現(xiàn)編程的邏輯器件，CPLD是另一種可進(jìn)行編程序的邏輯類器件，具有功能集成化的特點(diǎn)，F(xiàn)PGA和CPLD可以將不同微機(jī)系統(tǒng)的功能集成。由于數(shù)字控制器和繼電保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了集成，所以響應(yīng)速度和可靠性得到提升。FPGA和CPLD數(shù)字控制器件縮短了繼電保護(hù)裝置的開(kāi)發(fā)時(shí)間，繼電保護(hù)的可靠性提高了。

4.4 繼電保護(hù)的冗余設(shè)計(jì)

繼電保護(hù)系統(tǒng)通過(guò)冗余設(shè)計(jì)可以提高繼電保護(hù)的性能，冗余設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)就是保證繼電保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定，允許部分裝置不正常狀態(tài)的容錯(cuò)技術(shù)。在對(duì)繼電保護(hù)硬件進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)時(shí)，可采用串聯(lián)、表決、備用切換等不同的技術(shù)方法。繼電保護(hù)裝置通過(guò)冗余設(shè)計(jì)可以改善繼電保護(hù)的可靠性和穩(wěn)定性。

5.結(jié)束語(yǔ)

繼電保護(hù)系統(tǒng)分析可知，研究繼電保護(hù)系統(tǒng)存在的隱性故障，可以采用傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的可靠性建模，也可以使用系統(tǒng)的一次設(shè)備和二次設(shè)備共同組成的電力系統(tǒng)模型，以此研究電力系統(tǒng)中繼電保護(hù)裝置發(fā)生隱性故障的原因，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置由于存在某些缺陷，所以在運(yùn)行過(guò)程中存在風(fēng)險(xiǎn)性和不穩(wěn)定性。此外，電力系統(tǒng)中發(fā)生繼電保護(hù)裝置的隱性故障后，由于具體原因具復(fù)雜性。在評(píng)估系統(tǒng)隱性風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，可以利用危害程度風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估法和隱性危險(xiǎn)等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估法，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性實(shí)施全面評(píng)估，從而解決繼電保護(hù)系統(tǒng)中存在在的隱性故障問(wèn)題。

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