電力系統(tǒng)繼電保護(hù)隱性故障辨識(shí)診斷技術(shù)

南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司 張東岳

1 引言

電力系統(tǒng)的運(yùn)行需要電流互感器、電壓轉(zhuǎn)換器、線路連接器、接線片等繼電元件作為支撐，而這些元件會(huì)在運(yùn)行中受到外界環(huán)境的影響，發(fā)生不同表現(xiàn)形式的繼電保護(hù)設(shè)備隱性故障。而系統(tǒng)在運(yùn)行中，一旦出現(xiàn)隱性故障觸發(fā)行為，潮流電力將在系統(tǒng)內(nèi)被重新分配，此種行為會(huì)干預(yù)系統(tǒng)供電、輸電、電力調(diào)度、資源配置的穩(wěn)定性，從而造成大型停電事故，嚴(yán)重情況下，甚至?xí)l(fā)生電力系統(tǒng)崩潰現(xiàn)象，不僅會(huì)對(duì)電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益造成影響，也會(huì)干預(yù)供電過(guò)程的安全性。大部分隱性故障從發(fā)生到觸發(fā)會(huì)經(jīng)歷一個(gè)相對(duì)漫長(zhǎng)的過(guò)程，而在出現(xiàn)隱性故障的前期，電力系統(tǒng)會(huì)存在一些未知的安全事件，使系統(tǒng)整體處于一種非常態(tài)化運(yùn)行狀態(tài)[1]。受到連鎖作用的影響，電力系統(tǒng)中的部分元件的運(yùn)行將處于極限化趨勢(shì)，而一旦極限超出負(fù)荷，電網(wǎng)運(yùn)行將大規(guī)模崩盤，造成最終較為嚴(yán)重的后果[2]。因此，有必要在安全事故發(fā)生前，準(zhǔn)確辨識(shí)并診斷電力系統(tǒng)在運(yùn)行中繼電保護(hù)設(shè)備的隱性故障，在最短的時(shí)間內(nèi)采取有效的措施進(jìn)行故障排除，避免由于隱性故障造成的大規(guī)模停電事故或電網(wǎng)發(fā)電設(shè)備大量損壞事件。為此，本文將以某電力系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)一種針對(duì)隱性故障的全新辨識(shí)診斷技術(shù)，以此種方式，為電網(wǎng)的規(guī)范化運(yùn)行提供幫助。

2 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)隱性故障辨識(shí)診斷技術(shù)

2.1 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)運(yùn)行信息采集

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)備在運(yùn)行中發(fā)生隱性故障的精準(zhǔn)辨識(shí)，需要根據(jù)繼電保護(hù)的運(yùn)行原則，結(jié)合相關(guān)設(shè)備為電力系統(tǒng)運(yùn)行提供的專業(yè)保護(hù)服務(wù)，進(jìn)行系統(tǒng)終端運(yùn)行信息的針對(duì)性采集[3]。在此過(guò)程中，可將繼電保護(hù)專業(yè)服務(wù)信息描述為PFIS，對(duì)專業(yè)服務(wù)信息模式的描述可用下述圖1表示。

圖1 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)專業(yè)服務(wù)模式

按照?qǐng)D1所示的電力部署，將其安裝在供電企業(yè)的子站終端，通過(guò)對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備與錄波器裝置的通信連接與運(yùn)行接入，為電網(wǎng)中不同設(shè)備的運(yùn)行與通信提供協(xié)議作為支撐，以此種方式，實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的有效調(diào)度。在此基礎(chǔ)上，將輪詢機(jī)制作為參照，通過(guò)對(duì)不同接入繼電保護(hù)設(shè)備的定時(shí)訪問(wèn)，得到一個(gè)全新的事件信息，確保對(duì)電力系統(tǒng)在運(yùn)行當(dāng)中參數(shù)的查詢[4]。在輪詢過(guò)程中，電力系統(tǒng)的子站將主動(dòng)獲取電網(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中繼電保護(hù)故障行為信息、故障波頻信息、裝置自行檢查故障警示信息等，通過(guò)獲取的信息，對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備在當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)下的參數(shù)進(jìn)行查詢。查詢的內(nèi)容包括繼電保護(hù)定值區(qū)號(hào)、電壓與電流定值運(yùn)行參數(shù)值、壓板運(yùn)行狀態(tài)、電力系統(tǒng)開(kāi)關(guān)輸入量狀態(tài)信息、模擬量信息等。將安裝在各個(gè)級(jí)別電網(wǎng)調(diào)度中心的子站作為接收站，進(jìn)行上送信息的獲取，對(duì)獲取的信息進(jìn)行深度分析，根據(jù)信息關(guān)聯(lián)機(jī)制對(duì)其進(jìn)行綜合利用，并利用電網(wǎng)中的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)行故障的遠(yuǎn)方查詢與定位。

通過(guò)繼電保護(hù)專業(yè)服務(wù)采集電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的方式，基本可以滿足對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備常態(tài)化運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)視。為了確保獲取數(shù)據(jù)的時(shí)效性與完整性要求，可在上述研究的基礎(chǔ)上，采用擾動(dòng)觀測(cè)的方式，進(jìn)行故障錄波的獲取。將獲取的錄波信息反饋到監(jiān)測(cè)終端，對(duì)繼電保護(hù)裝置在瞬時(shí)狀態(tài)下的隱性故障與潛在故障展開(kāi)進(jìn)一步的詳細(xì)分析，以此種方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)在不同運(yùn)行狀態(tài)下與不同工況下繼電保護(hù)運(yùn)行信息的采集[5]。大多數(shù)情況下，用于描述繼電保護(hù)隱性故障的告警數(shù)據(jù)被劃分為七大類別。具體內(nèi)容如表1所示。

表1 繼電保護(hù)隱性故障告警數(shù)據(jù)類別

根據(jù)采集信息的內(nèi)容，對(duì)照其類別，以此種方式，完成對(duì)繼電保護(hù)運(yùn)行信息的獲取。

2.2 繼電保護(hù)本體運(yùn)行配置參數(shù)一致性在線辨識(shí)

電力系統(tǒng)中繼電保護(hù)設(shè)備在常態(tài)化運(yùn)行條件下，由于參數(shù)配置不統(tǒng)一或整體運(yùn)行方式失調(diào)造成的隱性故障，也是本體隱性故障的主要表現(xiàn)形式之一，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)此類隱性故障的精準(zhǔn)辨識(shí)，需要在進(jìn)一步的設(shè)計(jì)工作中，對(duì)本體配置參數(shù)的一致性進(jìn)行在線辨識(shí)。明確繼電保護(hù)本體的有效配置參數(shù)包括定值參數(shù)、區(qū)號(hào)參數(shù)、軟/硬壓板參數(shù)、預(yù)設(shè)基準(zhǔn)值等，只有多個(gè)參數(shù)在電力系統(tǒng)的運(yùn)行中保持協(xié)調(diào)一致，才能確保繼電保護(hù)在運(yùn)行中的輸入量與輸出量呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的線性關(guān)系。因此，可在進(jìn)行配置參數(shù)的一致性辨識(shí)時(shí)，將開(kāi)關(guān)輸入量與輸出量的比值作為評(píng)價(jià)本體運(yùn)行配置參數(shù)一致性的關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)。

對(duì)本體配置參數(shù)一致性的校對(duì)主要包括三個(gè)步驟，分別為基準(zhǔn)值的選擇、電力系統(tǒng)運(yùn)行周期的自動(dòng)比對(duì)、運(yùn)行核對(duì)結(jié)果報(bào)告生成與輸出。根據(jù)電力企業(yè)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的不同管理標(biāo)準(zhǔn)與管理要求，可以在變電站子站中進(jìn)行主站繼電保護(hù)本體配置參數(shù)的集中核對(duì)[6]。例如，在進(jìn)行繼電保護(hù)輸入量與輸出量的在線核對(duì)時(shí)，應(yīng)先獲取壓板的基準(zhǔn)值，采用召喚真實(shí)狀態(tài)值的方式，進(jìn)行電網(wǎng)設(shè)置方式的調(diào)整，確保其運(yùn)行設(shè)置無(wú)誤后，將參數(shù)值直接保存為基準(zhǔn)值。根據(jù)繼電保護(hù)的運(yùn)行周期，對(duì)整體周期進(jìn)行自行比對(duì)，當(dāng)運(yùn)行周期出現(xiàn)異常或不匹配現(xiàn)象時(shí)，電網(wǎng)終端將自動(dòng)觸發(fā)隱性故障告警。完成對(duì)數(shù)據(jù)的核對(duì)后，生成一個(gè)針對(duì)電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置的核對(duì)記錄報(bào)表，標(biāo)注其中的異常量與告警信息。

為了確保對(duì)故障識(shí)別的精準(zhǔn)性，可在完成上述辨識(shí)后，進(jìn)行繼電保護(hù)定值的在線校對(duì)，較為常用的定值設(shè)置方法有三種：一是根據(jù)主站繼電保護(hù)的定值詳單，進(jìn)行設(shè)備類型的在線校對(duì)，結(jié)合主站的運(yùn)行需求，生成一個(gè)全網(wǎng)統(tǒng)一的定值詳單；二是在電力系統(tǒng)主站的計(jì)算機(jī)程序接口，開(kāi)發(fā)一個(gè)定值格式轉(zhuǎn)換詳細(xì)，按照預(yù)設(shè)的定值，對(duì)繼電保護(hù)整體進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)集中調(diào)試；三是固化主站內(nèi)繼電保護(hù)裝置的當(dāng)前定值，采用人工校對(duì)的方式，進(jìn)行電力系統(tǒng)運(yùn)行基準(zhǔn)的調(diào)試。

確保對(duì)所有繼電保護(hù)進(jìn)行調(diào)試后，生成完整的記錄單，對(duì)于在此過(guò)程中出現(xiàn)異常的線路或繼電保護(hù)給予警告信息。定位告警信息所在的電力終端，以此種方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電保護(hù)本體運(yùn)行配置參數(shù)一致性在線辨識(shí)。

2.3 基于整定性原則的隱性故障診斷

當(dāng)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的饋線發(fā)生隱性故障時(shí)，需要由集成在前端的專項(xiàng)檢測(cè)裝置，發(fā)射檢測(cè)信號(hào)，并反饋故障信號(hào)到斷路設(shè)備，當(dāng)斷路設(shè)備識(shí)別到繼電保護(hù)裝置存在隱性故障后，會(huì)及時(shí)對(duì)故障給予反應(yīng)，并切斷故障。此時(shí)，饋線故障發(fā)生主動(dòng)切除行為，繼電保護(hù)裝置對(duì)應(yīng)點(diǎn)發(fā)出閉鎖信號(hào)，通過(guò)此種方式，可以防止站內(nèi)保護(hù)區(qū)域發(fā)生誤動(dòng)行為[7]。當(dāng)隱性故障并未完全被切除時(shí)，對(duì)應(yīng)支路的元件將發(fā)生閉鎖，瞬時(shí)信號(hào)被返回，繼電保護(hù)裝置的支路線路將發(fā)生后備，為電網(wǎng)的繼續(xù)運(yùn)行提供母線。考慮到繼電保護(hù)裝置中的閉鎖元件整體采用支路過(guò)流啟動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)隱性故障的精準(zhǔn)識(shí)別與診斷，應(yīng)參照整定性原則，對(duì)發(fā)生故障的概率進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果定義為繼電保護(hù)裝置發(fā)生隱性故障后的安全裕度。對(duì)安全裕度的計(jì)算可用下述計(jì)算公式表示。

公式（1）中：Pr表示為繼電保護(hù)裝置發(fā)生隱性故障后的安全裕度；Im表示為繼電保護(hù)元件測(cè)量值；Iset表示為繼電保護(hù)元件整定值；g 表示為元件測(cè)量過(guò)程中的靈敏度；Ksr表示為保護(hù)行為整定系數(shù)。在根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)Pr>1.0時(shí)，表明電力系統(tǒng)安全裕度較高，不容易或不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)行為，代表集成在電力系統(tǒng)中的繼電保護(hù)不存在隱性故障。當(dāng)Pr<1.0時(shí)，表明電力系統(tǒng)安全裕度較低，容易或存在誤動(dòng)行為，代表集成在電力系統(tǒng)中的繼電保護(hù)存在隱性故障。按照此種方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)隱性故障的精準(zhǔn)辨識(shí)診斷。

3 實(shí)例應(yīng)用分析

上文完成了對(duì)繼電保護(hù)裝置故障辨識(shí)診斷技術(shù)的設(shè)計(jì)研究。在深入對(duì)電力系統(tǒng)的研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，隱性故障是一種較難直接察覺(jué)的事故現(xiàn)象，而一旦隱性故障被觸發(fā)，便會(huì)造成電力系統(tǒng)大規(guī)模停電或異常。因此，需要在完成對(duì)本文提出方法的設(shè)計(jì)后，進(jìn)行此方法可行性的檢驗(yàn)。

為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果真實(shí)、可靠，選擇某地區(qū)大型變電站作為實(shí)驗(yàn)單位，根據(jù)此供電單位技術(shù)人員反饋的信息可知，該變電站曾發(fā)生過(guò)雷擊事故。實(shí)驗(yàn)前，根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，繪制該變電站電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，如下圖2所示。

圖2 變電站電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

該電力系統(tǒng)在發(fā)生雷擊事故前，其中母線110kV并聯(lián)開(kāi)關(guān)中的35kV 側(cè)II 母線與112兩者處于斷路運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)雷擊事故發(fā)生后，位于B 端的主要變壓設(shè)備在F 側(cè)出現(xiàn)斷路過(guò)流問(wèn)題。與此同時(shí)，II 段發(fā)生隱性故障，對(duì)應(yīng)的375線路發(fā)生斷路跳閘。隨著變電站中電力系統(tǒng)保護(hù)定位的發(fā)生，并網(wǎng)整體發(fā)生小電解網(wǎng)，多個(gè)電解網(wǎng)呈現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)此種隱性故障的辨識(shí)與診斷，將本文設(shè)計(jì)的技術(shù)集成在電力終端，采集電力系統(tǒng)繼電保護(hù)運(yùn)行信息，對(duì)其在運(yùn)行中的常態(tài)化信息進(jìn)行描述。在此過(guò)程中，將隱性監(jiān)測(cè)保護(hù)互感器安裝在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的接線端，明確互感器反饋信息的誤差值在±5.0%范圍內(nèi)，對(duì)獲取的信息進(jìn)行誤差正態(tài)分布標(biāo)注，預(yù)設(shè)采集的運(yùn)行信息均值為0，有效標(biāo)準(zhǔn)差值為0.01，對(duì)無(wú)隱性故障的繼電保護(hù)裝置在運(yùn)行中的節(jié)點(diǎn)電壓幅度差值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

公式（2）中：F 表示為繼電保護(hù)裝置在運(yùn)行中的節(jié)點(diǎn)電壓幅度差值；Fmax表示為節(jié)點(diǎn)電壓最大幅度；Fmin表示為節(jié)點(diǎn)電壓最小幅度。結(jié)合變電站中電力系統(tǒng)的常態(tài)化運(yùn)行趨勢(shì)，對(duì)無(wú)隱性故障的繼電保護(hù)幅差值進(jìn)行計(jì)算，將繼電保護(hù)元件的負(fù)荷極限值作為觸發(fā)隱性故障的門檻值，對(duì)非故障條件下的節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行描述。如下圖3所示。

從圖3中可以看出，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)節(jié)點(diǎn)在無(wú)隱性故障條件下運(yùn)行，其電壓幅值差值都明顯小于門檻值。在此基礎(chǔ)上，對(duì)遭受雷擊事故后的繼電保護(hù)裝置進(jìn)行隱性故障辨識(shí)診斷，診斷中，需要采集電力系統(tǒng)繼電保護(hù)運(yùn)行信息，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行繼電保護(hù)本體運(yùn)行配置參數(shù)一致性在線辨識(shí)，將整定性原則作為參照，對(duì)電力系統(tǒng)中的隱性故障進(jìn)行診斷，按照上述方式，對(duì)診斷后結(jié)果的電壓幅度差值進(jìn)行描述。如下圖4所示。

圖3 非隱性故障條件下的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行

從圖4所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，375節(jié)點(diǎn)的電壓幅度差值顯著大于預(yù)設(shè)的門檻值，由此可以診斷在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的運(yùn)行中，375節(jié)點(diǎn)存在隱性故障。根據(jù)變電站技術(shù)人員反饋的信息可知，該節(jié)點(diǎn)由于受到雷擊的影響，確實(shí)存在打擊異常，故障辨識(shí)診斷結(jié)果與實(shí)際故障結(jié)果相同，說(shuō)明了本文設(shè)計(jì)的辨識(shí)診斷技術(shù)在進(jìn)行繼電保護(hù)裝置的隱性故障診斷時(shí)具有一定可行性。

圖4 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)隱性故障辨識(shí)診斷結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

隱性故障是指終端電力系統(tǒng)在常態(tài)化環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)運(yùn)行故障或異常，而此種故障又是電力系統(tǒng)無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)且不會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成影響的故障。只有電力系統(tǒng)出現(xiàn)其他異常或故障現(xiàn)象時(shí)，隱性故障才會(huì)出現(xiàn)，從而對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成威脅。盡管此種故障不會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行造成威脅，但倘若不及時(shí)采取有效的措施進(jìn)行隱性故障處理或排除，便會(huì)誘發(fā)電力系統(tǒng)的連鎖故障，最終對(duì)電網(wǎng)造成不可逆的損害。為了降低隱性故障對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的負(fù)面影響，應(yīng)做好對(duì)其隱性故障的診斷，為此本文從電力系統(tǒng)繼電保護(hù)運(yùn)行信息采集、繼電保護(hù)本體運(yùn)行配置參數(shù)一致性在線辨識(shí)、基于整定性原則的隱性故障診斷三個(gè)方面，設(shè)計(jì)了全新的隱性故障辨識(shí)診斷技術(shù)。完成設(shè)計(jì)后，選擇某地區(qū)大型變電站作為實(shí)驗(yàn)單位，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)例應(yīng)用的方式，證明了本文此次研究設(shè)計(jì)的成果在實(shí)際應(yīng)用中，可以起到精準(zhǔn)辨識(shí)并診斷電力系統(tǒng)隱性故障的作用。