電力系統繼電保護隱性故障的研究

南京南瑞繼保電氣有限公司 錢名軍 羅江濤

電力系統繼電保護裝置主要是對電網運行狀態進行監控，如若出現故障可及時開展有效保護[1]。電力系統繼電保護故障具有不易被察覺、不易處理等特點，使得維護人員很難第一時間對故障進行處理，導致電力系統無法正常工作。因此，加強電力系統故障研究力度具有十分重要的意義。

1 電力系統繼電保護裝置

在電力系統中，繼電保護裝置主要功能是對系統故障和異常進行監測，發現并及時隔離故障，從而達到預防故障擴散的目的。因此，在電力系統操作與維護中，繼電保護裝置較為關鍵。目前，繼電保護裝置類型較多，其在運行過程中是否具備可靠性與電力系統有著非常密切的聯系。自動化設備功能體現在系統設備監督和運行中，所以在電網日常運行和維護過程中，應加強對繼電保護裝置檢查與維護，確保其處于正常工作狀態。

2 繼電保護隱性故障的定義

繼電保護系統隱形故障是指保護裝置在運行過程中，存在不易被察覺的故障，繼而造成繼電保護裝置運行隱患。如果故障處理方式不當，則會導致繼電保護裝置癱瘓，并且出現大面積停電現象，對周圍居民生活以及工業生產造成嚴重影響；從另一個角度來看，潛在故障就是系統可能存在的問題[2]，但這種問題并不能直接致使系統運行異常。當電力系統在正常運轉時，容易受外界因素影響使得系統運行環境發生改變，提高了隱形故障的觸發概率，嚴重時甚至會導致保護裝置喪失其原有效用。

3 繼電保護隱性故障的原因

產生隱性故障的原因較多，最為人們熟知的主要為兩種。一是因定值調整不正確產生的隱性故障。當前所采用的繼電保護均為“預先設定，實時動作”。定值調整不當，會造成繼電保護裝置運行不規律。另外，保護定值不具有適應性，不能適應電網結構和運行方式變化。當電網電流由于故障或其他原因而產生較大變化時，若是不能迅速調整保護定值，開啟備用保護，則會導致設備故障更加嚴重，并形成潛在的安全隱患。二是設備非接觸性失效產生的隱性故障，即軟件和硬件失效。如PT、CT[3]以及各種繼電器。軟件系統失效是指程序邏輯錯誤，軟件版本錯誤以及軟件開發、測試、維護和使用錯誤等。這不僅要求廠家嚴格把關，同時也要求各用戶單位提高重視，做好日常維修、管理。硬件故障是指由于水解、氧化、高溫等環境因素而引起的硬件磨損、材料老化、外因突變等。

4 電力系統繼電保護隱性故障的危害

4.1 損壞重要電氣設備

電力系統繼電保護裝置主要通過監測電力系統運行狀況，在發生故障第一時間隔離故障并警示工作人員及時排除故障，在此基礎上保護電力系統。如果存在隱性故障，嚴重情況下會導致電網崩潰。電網崩潰后，系統不同區域的電流和電壓會受各種因素影響而發生劇烈變化，若是系統設備無法承受，其整體功能會受到嚴重損害。如果存在隱性故障，繼電保護裝置就無法正常運行，導致電力系統事故蔓延，易對其他設備造成嚴重的負面影響，最終導致大范圍電力中斷，嚴重損害用戶利益。

4.2 對人身安全產生危害

在電網中，若不能及時發現并解決這些隱患，會給操作人員人身安全帶來嚴重威脅。由于繼電保護工作原理是對各個設備各種電量值進行實時檢測，從而保證整個電網穩定、有效工作，如果其發生潛在故障，那么就有可能對操作人員或者測試人員造成一定影響，危及生命安全。

5 繼電保護隱性故障識別方法

在分析電力系統繼電保護隱性故障過程中，首先需要基于保護邏輯構建故障集合，將電力系統故障區域元件和線路進行匯總，并建立線路集合P、斷路集合D、母線集合S和變壓器集合B，然后將所有的集合進行匯總，構建目標函數集合H={P，S，D，B}。當P取值為0時，表示電力系統繼電保護正常，取值為1時，表示繼電保護線路故障；當S取值為0時，繼電保護正常，取值為1時，表示繼電保護母線故障；當D取值為0時，繼電保護正常，取值為1時，表示繼電保護斷路器故障；當B取值為0時，繼電保護正常，取值為1時，表示繼電保護變壓器故障。

將電力系統所有故障采用集合的方式將其代入目標函數中，通過判斷目標函數計算情況，進行判斷電力系統繼電保護是否存在故障。目標函數計算結果越小，分析結果越貼近實際情況。

5.1 目標函數

目標函數主要包括期望狀態和實際狀態，目標函數表達式如下：

根據集合H中包括四類集合，其取值情況共有2N種。首先，將集合中全部為0的故障情況代入目標函數中進行計算，進而得到函數E（H0）；其次，使2N種取值情況進入循環，并將每組數據的元素代入目標函數中進行計算，并與函數E（H0）進行比較，選取最小值；最后，重復以上步驟，直至選出最小值。目標函數算法流程如圖1所示。

圖1 目標函數算法流程

5.2 電力系統隱性故障識別流程

步驟1：對電力系統線路拓撲進行分析，并獲取信息表。當電力系統發生故障后，分析斷路器動作保護情況，進而判斷電力系統故障區域。如斷路器存在動作保護，則將電力系統支路判斷為故障區域，且所有與母線相連接的支路均為故障區域。

步驟2：根據故障關聯信息，判斷電力系統支路不同元件是否存在故障，并將元件進行匯總，構建集合H={P，S，D，B}，假設集合H有N個元素，即H擁有2N中取值情況。

步驟3：基于繼電保護關系將集合H中的元素進行劃分，分為保護啟動期望、保護動作期望和斷路器跳閘期望3個集合，每個集合取值情況均為2N。

步驟4：將每個集合中的取值情況代入目標函數中進行計算，進而可以獲得2N個計算結果，通過對獲取的計算結果進行比較，選取其中的最小值。根據最小值集合元素取值，可以推測出電力系統故障位置，對比電力系統故障預期情況和實際情況，可以判斷出電力系統繼電保護故障。隱性故障檢測流程如圖2所示。

圖2 隱性故障檢測流程

6 電力系統繼電保護隱性故障的應對策略

6.1 加強對隱性故障的風險評估

不同的繼電保護隱性故障會對電力系統造成不同程度的損壞，因此必須制訂科學合理的風險評估措施，有效降低隱性故障發生的可能性，將損失控制在最小范圍內。通過全面評估電力系統繼電保護隱性故障，在科學的風險評估措施支持下，可以基本避免隱性故障發生，包括如下方面的工作。一是替換老舊的電磁式繼電保護裝置，使用自動化程度更高的保護裝置。先進的自動化保護裝置不僅能夠自動檢測電力系統及自身運行環境異常狀況，還能實時監測自身元器件工作狀態，具有良好的監控和預警機制。

二是要求維修人員按照國家現行規范進行標準化的電力系統運營管理，明確各部門、各人員責任和義務，避免玩忽職守和蓄意隱瞞現象。同時，企業要加強運行維護人員業務培訓，不斷提高運維人員實際操作能力和業務素質，確保繼電保護中的隱性故障能夠得到迅速解決。

三是根據繼電器保護系統實際情況制訂檢修計劃，詳細記錄運行階段設備故障產生的附加問題，第一時間識別隱藏的故障隱患，防止故障范圍再次擴大，維持電網安全運行。

四是，根據繼電保護隱性故障已有解決經驗，確定不同故障成因及對電力系統造成的損害程度，總結工作經驗，改進應急處理措施。監測和預防是相關工作的重點，在后續發生隱性故障時可以根據緊急計劃采取合理措施，盡可能地避免事故擴大，提高電氣系統運行安全性與穩定性。

6.2 建設完善高效的運行監管系統

僅在電力系統呈現出一定峰值變動情況下，繼電保護隱性故障才能由不確定性向確定性轉變，因此必須采取適當的自動化技術系統監測繼電保護運行狀況，尤其要注意觀察薄弱區域和精細指數異常情況，減少隱性故障事故發生的可能性。在具體工作中，可以在變電站安裝智能監控系統，重點監控可能存在隱藏故障的位置。在此期間，需要合理調整監控系統從繼電保護裝置上收到的信號，確保其具有高度吻合性，從而幫助員工全面監控繼電保護裝置的運行。通過深入分析監視信號和設備各種性能，根據分析結果確定隱性故障發生的可能性和位置，提高故障檢測精度，防止事故發生。首先，可以總結繼電保護裝置運維工作經驗，以正確區分受保護設備故障是設備本身問題導致的還是受外部故障影響。其次，需要總結以往工作中遇到的隱藏故障特點，通過總結繼電保護工作和供電系統的潛在風險，制定合適的電力系統監管制度。

6.3 提高檢測人員素質和專業能力水平

在進行繼電保護隱性故障排查工作時，需要綜合分析在自動化設備中捕獲的信息，這對檢測人員素質和專業能力水平都提出了較高要求。首先，要積極組建電力系統繼電保護隱性故障檢測專業團隊，為后續工作創造良好基礎。其次，必須確保檢測人員專業知識和技能達標。最后，在把握當前工作情況基礎上，合理安排后續培訓工作。

6.4 提高維護檢修工作質量

在日常工作中，電力企業應監督指導有關人員積極有效開展繼電保護隱性故障檢測工作，降低潛在安全風險發生的可能性。首先，為全面改善當前電力系統功能，必須總結相關工作經驗，包括短路點位置、短路類型、實際強度狀態、電氣系統整體運行狀態等。檢修人員必須從各種角度控制和減小阻力，保證隨著時間推移豐富隱性故障數據庫。其次，在開始電力生產分配之前必須檢查電氣系統設備，確定其處于較好的運行狀態。同時，需要定期檢查母線發電電壓，大功率發電機、線路的中低壓狀態、響應速度等。在實際工作中，需要隨時與電氣系統進行全自動信息交換，隨時掌握電氣系統繼電保護狀態。最后，必須完善對檢修人員工作失誤或不作為情形的處罰工作。檢修人員在完成相應維護及故障處理工作后，必須按照相關規范進行工作記錄，便于后期出現問題時追責[5]。

6.5 不斷完善繼電器保護裝置

目前，我國電力系統中使用的繼電保護裝置仍存在不足。鑒于此，需要根據我國電力系統發展現狀開發新的技術，更新故障檢測方法，改善并優化繼電保護裝置各種特性和功能，確保設備滿足電力系統發展需求。在設計繼電保護裝置時，應加強繼電保護裝置冗余設計，提高繼電保護運行可靠性，確保當保護裝置發生故障時不會對電力系統造成嚴重影響。同時，應基于實際故障率和繼電保護裝置故障狀態選擇冗余模式，并滿足系統可靠性指標要求。在此基礎上，可以減少硬件配置冗余，降低設備結構復雜性，對技術及設備進行改進升級，以確保繼電保護自動化裝置安全可靠。

綜上所述，電力系統繼電保護設備在使用中會因各種原因出現大量隱性故障，這些問題往往難以被及時發現并得到有效解決。因此，本文從分析繼電保護設備隱蔽性故障成因入手，指出其存在的潛在故障并提出相應對策，以解決其潛在故障，確保電力系統始終處于正常運行狀態。