變電站電氣設備主接線故障在線診斷方法研究

李 凱,宋景博,張金鳳,閆向陽,趙 沖

(國網河南省電力公司經濟技術研究院,河南 鄭州 450000)

0 引言

電力系統的安全、穩定運行取決于電力設備主接線的可靠度。變電站內的電力設備包括變壓器、斷路器、母線和隔離開關等[1]。隨著電力容量的增大，電氣裝置結構日益復雜，元件的數量也相應增多。國際上，電氣主接線可靠性研究始于20世紀70年代，主要研究斷路器的3狀態模式[2]。在20世紀90年代，比林頓推出了廣域n+2狀態馬爾科夫模式[3]，并將其應用于發電站的可靠算法評價。后來，國內學者利用解析法診斷變電站主接線故障。解析法采用的具體方式較多，在實現過程中主要有狀態空間法、故障后果評價法、故障樹分析法和最小割集法[4]。目前，電氣設備主接線故障的診斷在電力設備的可靠性監測中是十分重要的，許多研究方法尚處于起步階段。因此，建立一套完善的電氣設備主接線故障在線診斷方法已經成為當下迫切需要解決的問題。

1 電氣主接線元件傳統模型

1.1 斷路器模型

電氣設備的斷路器是主要操作部分，結構復雜。其功能一般包括切除短路電流、倒閘操作等[5]。基于多種因素，斷路器的可靠性模型通常包含7種狀態。最常見的是正常運行狀態N、計劃修復狀態M、強迫修復狀態m、誤動狀態f。在上述狀態之外，一般還包括接地或絕緣故障狀態i、拒動狀態St和故障后修復狀態r。這些狀態共同組成了斷路器的7狀態空間，如圖1所示。

圖1 斷路器的7狀態空間圖

由于斷路器所具有的故障模式比較多，根據不同位置和運行規則，線路側斷路器的修改計算如式(1)所示[6]。

(1)

式中：λ為線路側斷路器的故障率，次/年；K1為靜態系數，取0.3；K2為短路切除系數，取0.4；K3為操作系數，一般取0.3；Li為線路的長度；Lp為平均線路長度；ni為實際運行次數；np為年操作次數的平均值；λp為斷路器的故障率。

1.2 發電機、輸電線路和變壓器模型

發電機、輸電線路和變壓器模型結構圖被定義為3狀態圖[7]。發電機、輸電線路和變壓器的轉移模型如圖2所示。由于故障導致其他元件的狀態改變，使鄰接斷路器無法工作，所以需要相關斷路器的動作，才能將故障切除。圖2中：λR為故障的出現概率；λM為計劃的檢修速度；μR為修復的概率；μM為計劃修復的概率。

圖2 發電機、輸電線路和變壓器的轉移模型圖

1.3 母線模型

對于常見的電力連接，母線分為倒閘母線、無倒閘母線等[8]。有倒閘操作的母線可靠度模型如圖3所示。參數N為正常操作狀態；R為修復故障狀態；M是計劃的修復狀態；S是開關的切換狀態；λR為故障發生的概率；λM為計劃檢修的速度；λS為切換速度；μR為修復的概率；μM為計劃修復的概率。

圖3 有倒閘操作的母線可靠度模型圖

2 電氣設備主接線故障

2.1 變電站電氣主接線的網絡結構特征矩陣

網絡結構特征矩陣是評估主接線設備的基本矩陣[9]，對主接線之間的關系進行分析。主接線網絡結構的變化以及設備中元件的變化都需要由這些特征矩陣進行輔助分析，以便對主接線網絡進行整體研究。故障變化的情況主要可分為元件鄰接矩陣A、受累停運矩陣D。變電站中的鄰近元件的相互關系需要用相對應的矩陣進行描述，主要用于描述相互的影響。對此，可采用元件鄰接矩陣滿足上述需求。其功能用于對元件組合情況和網絡結構狀態進行描述，實現主接線系統狀態的定量化[10]。

元件鄰接矩陣元素用代碼(0、1)表示，通過元件間的關聯關系來表征元件的運行或停運狀況，從而表征變電所電氣主接線的系統狀態和網絡結構。其矩陣表達式如式(2)所示。

A=

x1

x2

?

(2)

式中：xi為元件編號，i=1、2、…、n；i、j為元件在矩陣中的排列序號；aij為元件i與元件j的連接關系代碼。

(3)

為保證在電力網絡結構中不發生故障，需要界定一個影響范圍。通過界定范圍，可以確定受累停運矩陣表示的被破壞電力元件的故障描述[11]。元件故障的影響范圍可用該元件故障所造成的其他元件受累停運狀況來表示。因此，受累停運矩陣是以故障元件i為行、受累停運元件j為列得出的，如式(4)所示。

D=

x1

x2

?

(4)

式中：dij為停運因子。

受累停運矩陣的停運因子用對元件擴大型故障引起的受累停運元件代碼(0、1)來表示。

(5)

受累停運矩陣建立方法流程如圖4所示。

圖4 受累停運矩陣建立方法流程圖

xi、xj是一個元件號碼，i,j=1,2,…,n。i、j是矩陣中元件的排序。

①鄰接矩陣中調出xi行矩陣，搜索故障影響范圍是該步驟的主要目的，進而通過區域的確定進一步診斷故障。搜索的目的是找出代碼相對應的元素xj。

②跟蹤并調取步驟①搜尋到的各xj行矩陣，繼續搜索這些行矩陣中代碼1所對應的元件。搜索方式是將代碼與元件進行一一對應。

③判斷xj中是否存在斷路器。若存在，記錄該元件編號并停止搜索。若不存在，繼續步驟①、步驟②，直到搜索到斷路器。此時即完成整個搜索的流程，原則上可以判定為搜索中止，完成該項[12]。

對于搜索所得到的所有記錄的行元件，形成一個行矩陣，構建累積停運矩陣，用于表征上述行為。再設計一個xi的行矩陣，以構成累積后的停運矩陣。該矩陣的作用十分重要。

2.2 變電站電氣主接線故障應答矩陣

故障類型主要有R型和S型兩種。不同故障相對應的后果是不同的。變電站一般都存在R型故障。為了確定R型故障的各類組合對電氣主接線的影響，需要合理劃分故障類型，對同一類故障采用R型故障進行描述。由于只限于一個元件自身情況，因此，變電站電氣主接線的最小路線矩陣在這時是具有相同意義的，也可以用G來表征R型故障矩陣。

而S型矩陣則有所不同。S型故障的結果不僅是故障部件停止運行，而且會使相應斷路器分段中的所有非故障部件受到累積停運，從而導致該最小線路斷電。

2.3 連續性故障診斷

變電站故障診斷無需通過窮舉和篩選就能確定其故障狀態，而且往往要根據判斷條件進行直接查找。通常以供電中斷作為連續性診斷的故障判據。變電站主接線從進線到出線所要經過的元件的集合稱為變電站的一條線路。如果在變電站的一條線路中任意除去一個元件就不再是通路，則這條線路稱為最小線路。由最小線路構成的集合稱為最小線路集。根據最小線路矩陣中元件與最小線路的關聯情況，每個元件與最小線路的關聯總是非0即1的，所以任意元件都可以將其與最小線路Ln(n為最小線路總數)劃分為L(1)和L(0)兩部分。假設代碼為1的關聯通路為x條、代碼為0的不關聯通道為y條，分別記為Lx(1)和Ly(0)，則任意元件的最小線路關聯式如式(6)所示。

Ln=Lx(1)∪Ly(0)

(6)

式中:x+y=0，Lx(1)∈Ln，Ly(0)∈Ln。

(7)

3 算例分析

3.1 電氣主接線最小割集

本文以最小割集法為主，對單母線的接線進行了研究。根據電力可靠性趨勢評價報告公布的可靠參數，經統計后得到主接線元件原始可靠性參數，如表1所示。

表1 主接線元件原始可靠性參數

如表1所示，本算例選取的是SF6斷路器。以典型的變電所電氣主接線為例，采用單母線接線方式。單母線接線圖如圖5所示。

圖5 單母線接線圖

將故障時間與故障率的關系相互聯系起來，分別假設故障切換率為μS，對應故障切換時間。元件故障檢修修復的概率為μR、計劃修復的概率為μM，分別對應故障檢修時間和計劃檢修時間，可以從可靠性參數表中求得修復率。

(8)

同時，參考其他參數，合理地設定拒動修復率的參數。拒動修復率一般設置為μf=396。主接線元件的故障修復率如表2所示。

表2 主接線元件的故障修復率

接下來，求取主接線的最小割集。假設最小線路矩陣中的元件個數為m，求一階最小割集流程如圖6所示。

圖6 求一階最小割集流程圖

由該流程可以獲取使得各條出線停運的原因。停運時對應的一階故障狀態如表3所示。

表3 停運時對應的一階故障狀態

3.2 計算結果

由表1的出線停運故障狀態參數，采用上述方法可以計算出變電站電氣主接線各出線停運的概率和頻率，主接線各出線停運的概率和頻率如表4所示。

表4 主接線各出線停運的概率和頻率

由于單母線連接中各出線之間的連接方式相同，具有對稱性，導致各出線在單母線連接中停運頻率、概率相同。單母線接線簡單，操作便利，但由于運行比較單一，一旦斷路器關閉，整個回路都會被切斷。而發生母線或隔離開關的故障時，母線的回路也要切斷。

4 結論

電力設施對經濟發展起著至關重要的作用，因此變電站電力設備的穩定運行十分關鍵。其中，電力主接線系統的可靠性至關重要。電氣主接線模型包含斷路器、變壓器、母線和隔離開關等部件。本文主要研究了變電站主接線的可靠性，總結分析了變電站電氣設備主接線可靠性評估的模型及相應指標。本文采用最小割集法，計算了單母線的主接線一階的最小割集。故障診斷的主要目標是電氣設備的供電連續性，反映其可靠性。下一步研究將在分析主接線故障診斷性能的同時，更加合理地解耦廠站接線與電力系統的聯系，利用神經網絡對設備故障進行辨識，提升自動化水平。此外，變電站分層拓撲也是重點研究方向之一。