電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動化故障風(fēng)險分析

劉保平

（國網(wǎng)麗水供電公司，浙江 麗水 323000）

保持電力設(shè)備的良好使用狀態(tài)是至關(guān)重要的研究課題，它決定著電力系統(tǒng)的功能狀態(tài)，進(jìn)而決定著現(xiàn)代社會人們的生活［1-2］。繼電保護(hù)與自動化（RPA）作為事故狀態(tài)演變的預(yù)防系統(tǒng)，保證了電氣設(shè)備的安全。本文提出了考慮電路運行參數(shù)的RPA設(shè)備故障潛在風(fēng)險的計算方法。

傳統(tǒng)的邏輯和概率方法用于解決前人研究中的RPA可靠性問題，現(xiàn)有方法允許針對特定網(wǎng)絡(luò)元件的短路判斷穩(wěn)定性。在現(xiàn)有方法的基礎(chǔ)上，對連鎖故障情況下的RPA 操作理論進(jìn)行了研究，RPA的失效概率是基于失效樹計算的［3-4］。

本文運用現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法，如蒙特卡羅方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，分析了一次和二次電路拓?fù)鋸?fù)雜關(guān)系的建模問題。

1 故障風(fēng)險分析

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動化是電力系統(tǒng)重要的安全保障措施。然而，由于各種原因，系統(tǒng)中的繼電保護(hù)及自動化裝置可能存在故障，這些故障將會帶來安全隱患和經(jīng)濟損失。

故障風(fēng)險分析是一種有效的方式，用于確定電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動化存在故障的可能性和影響。該分析可以通過以下幾個步驟進(jìn)行：故障識別，對系統(tǒng)中的繼電保護(hù)及自動化裝置進(jìn)行檢測和測試，以確定裝置的工作狀態(tài)和性能。同時，還需要研究設(shè)備的可靠度和維護(hù)保養(yǎng)情況。故障分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)繼電保護(hù)及自動化存在故障時，需要進(jìn)行故障分析，確定故障原因和影響。此外，還需要對故障的可能性進(jìn)行評估，以判斷未來可能發(fā)生的故障。風(fēng)險評估，根據(jù)故障分析的結(jié)果，評估繼電保護(hù)及自動化的故障可能帶來的風(fēng)險和影響。同時，還需要確定故障發(fā)生的概率和可能的后果。風(fēng)險治理，如果在風(fēng)險評估中發(fā)現(xiàn)故障風(fēng)險較高，需要實施針對性的治理措施，以減少故障發(fā)生的概率或減輕故障的影響。這些治理措施可以包括更換設(shè)備、改進(jìn)維護(hù)保養(yǎng)、增加備用裝置等。

2 算法分析

基于圖概率模型的方法是判斷RPA設(shè)備失效風(fēng)險的基礎(chǔ)方法，所研究的方法允許分析客觀影響，例如，對一個特定設(shè)備的系統(tǒng)風(fēng)險或?qū)α硪粋€特定因素之間的關(guān)系［5］。

2.1 假設(shè)條件

在本文的框架內(nèi)，認(rèn)為兩個事故同時發(fā)生的可能性較大，而三個或三個以上事故同時發(fā)生的可能性較小，例如元件保護(hù)失效和短路（SC）發(fā)生時的遠(yuǎn)程后備保護(hù)失效?？紤]到公認(rèn)的假設(shè)，RPA操作可以用四種情況來描述，如圖1所示:

圖1 RPA四種情況

（a）保護(hù)的正確啟動：（1）（1-qpu）在SC（λsc）的情況下，保護(hù)系統(tǒng)啟動，并對被保護(hù)元件按照給定的操作邏輯關(guān)閉，換句話說，具有Psb容量的傳輸線被切斷。

（b）保護(hù)不工作：保護(hù)在不可操作條件下（qpu），在SC（λsc）情況下沒有關(guān)閉被保護(hù)元件，遠(yuǎn)程后備保護(hù)啟動，額外負(fù)載Pb1容量斷開；

（c）保護(hù)誤動：（λfa）在不需要啟動的情況下，保護(hù)啟動，并關(guān)閉保護(hù)元件Psb；

（d）不正確的保護(hù)操作: 保護(hù)在不可操作的條件下（qpu），不必要地切斷了受保護(hù)元件的負(fù)載（Psb）。

案例a描述了RPA設(shè)備的正確操作，因此在故障風(fēng)險計算中不予考慮。因此，為了計算RPA操作引起的網(wǎng)絡(luò)元件故障風(fēng)險，將考慮三種情況b、c、d。

由于接受的基本模型元件不是保護(hù)裝置，而是主電路設(shè)備，有必要為每個初級電路元件分配屬性，以評估不同的保護(hù)對網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)前元件的影響。為此，就主電路設(shè)備而言，所有RPA設(shè)備分為以下等級：

1）在被保護(hù)元件上安裝的保護(hù)裝置誤動的情況下導(dǎo)致元件斷開的保護(hù)裝置，對應(yīng)于情況c。

2）在元件損壞的情況下可以運行的保護(hù)，相鄰元件保護(hù)是當(dāng)前保護(hù)中的一種，對應(yīng)于情況d。

3）在不斷開受保護(hù)元件負(fù)載的情況下，允許不必要負(fù)載斷開的可能性保護(hù)。相鄰元件保護(hù)也在當(dāng)前保護(hù)中，對應(yīng)于情況b。

只要來自2和3級的元件對于每個特定的初級電路元件是相同的，它們在下文中將被稱為2級。

2.2 模型圖分析

任何網(wǎng)絡(luò)都可以表示為一個圖，其節(jié)點屬于主電路器件子集和RPA器件子集如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)主元件的圖是復(fù)雜連接的，RPA圖元件彼此之間沒有直接影響，僅與主電路元件連接。

圖2 一次和中繼網(wǎng)絡(luò)設(shè)備圖

屬于初級電路元件集的圖節(jié)點是需要保護(hù)的擴展元件。圖連接是能量系統(tǒng)表示中的節(jié)點。在RPA設(shè)備子集中，節(jié)點直接即為RPA設(shè)備，跳閘電路是連接兩個子集的邊緣。

總結(jié)A部分的結(jié)果，針對第一級和第二級保護(hù)下的每個節(jié)點對保護(hù)進(jìn)行了分類。使用圖論術(shù)語，對來自主電路元件集合的每個節(jié)點，第一程序保護(hù)是來自RPA子集的一組節(jié)點，其路由長度等于1，而第二程序保護(hù)是RPA子集合的一組結(jié)點，其路由長度等于2。

2.3 模型去中心化

圖2（a）中的圖表沒有考慮次級電路的以下顯著特征：1）信息渠道；2）節(jié)點保護(hù)；3）絕對選擇性元素。

在此圖中，信息通道被隱含地考慮，其故障的概率被包括在兩端保護(hù)故障的概率中。例如，保護(hù)裝置13和7通過通信信道連接，通信信道沒有明確建模，但保護(hù)裝置的操作相同，兩個保護(hù)裝置完全斷開B1-T1元件的連接，這反過來又是通信信道的隱含替代。

目前模型中沒有實現(xiàn)節(jié)點保護(hù)，但原則上存在這種可能性。節(jié)點保護(hù)，例如差動母線保護(hù)（DBP），可以被視為同時影響所有初級元件的保護(hù)，如圖2（b）所示。第三個特征可以用其他方式表述。由于添加了DBP這樣的絕對選擇性元件，出現(xiàn)了一個問題，即如何考慮DBP不備份相鄰輸電線路保護(hù)的事實，但同時它可能在發(fā)生外部故障時不必要地啟動。換言之，在風(fēng)險計算期間，根據(jù)規(guī)則b，應(yīng)將絕對選擇性元素排除在考慮之外。為此，當(dāng)前類型的節(jié)點應(yīng)具有附加屬性，將這些節(jié)點排除在計算算法之外。

3 IEEE 14節(jié)點模型的計算

本文的問題設(shè)置如下：每個保護(hù)節(jié)點在IEEE14模型的隨機不可操作性值設(shè)置在0.04到0.1的范圍內(nèi)，然后進(jìn)行計算，并確定每個保護(hù)節(jié)點的更換如何影響相鄰設(shè)備的故障風(fēng)險。假設(shè)在用新的保護(hù)替換的情況下，不可操作性等于0.01。為了簡單起見，接受錯誤致動概率是恒定的并且等于0.01。

圖3中給出了可接受的一次電路元件和RPA設(shè)備枚舉的網(wǎng)絡(luò)圖。對所考慮的電路進(jìn)行了風(fēng)險計算。然后，基于所獲得的按降序排列的風(fēng)險，制定了允許確定高優(yōu)先級網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更換向量的列表。

圖3 IEEE 14測試方案

根據(jù)圖4中獲得結(jié)果的圖形解釋，可以得出結(jié)論，故障和節(jié)點故障具有相似的qpu依賴性類型，在這種情況下，當(dāng)前的依賴性是線性的。

圖4 節(jié)點4和7故障qpu

可以觀察到，在受保護(hù)線路和相鄰線路保護(hù)參數(shù)變化的情況下，風(fēng)險變化不同。所有相鄰元素的當(dāng)前風(fēng)險之和就是節(jié)點風(fēng)險。每個特定的風(fēng)險特征都會根據(jù)其自身的線性定律發(fā)生變化，實際上，由模型的數(shù)學(xué)裝置決定依賴性是線性的。

然而，在更多參數(shù)變化的情況下，可以獲得二次相關(guān)性。例如，在保護(hù)不可操作性參數(shù)和輸電線路故障概率發(fā)生變化的情況下，獲得了圖5所示的具有二次特征的相關(guān)性。為了進(jìn)一步分析所獲得的結(jié)果，分析了可靠性額定值和風(fēng)險與電壓等級、傳輸功率和總線路保護(hù)pPU等輸入值的相關(guān)性。在這種情況下，對以下三種方法進(jìn)行了比較：

圖5 節(jié)點4和節(jié)點6故障值

1）功率計算。根據(jù)本文所述原理運行的算法。

2）當(dāng)前計算。其中額定值是基于電流建立的。

3）系數(shù)轉(zhuǎn)換。通過將獲得的風(fēng)險除以元件電壓類別。

從圖6中可以看出，在其他條件相同的情況下，功率越大的物體將獲得越高的不可靠性評級。為了更好地闡明所獲得的趨勢，通過普通最小二乘法（OLS）繪制了互補依賴關(guān)系。需要注意的是，由于依賴關(guān)系的線性特性，將線性回歸作為近似方法，如圖7所示。

圖7 qpu額定相關(guān)性

本文在對所提出的三種方法進(jìn)行比較的基礎(chǔ)上，可以得出結(jié)論，在明確考慮任何操作參數(shù)時，具有較高功率的元件由于其較高的傳遞能力而更具重要性。此外，在所有考慮的方法中，結(jié)果與元件功率和電壓等級的相關(guān)系數(shù)大致相同。

另一方面，在斷開饋線（例如110kV）的情況下，與斷開兩條負(fù)載500kV輸電線路中的一條相比，可能會發(fā)生更高的損壞。需要使用根據(jù)操作參數(shù)單獨計算的實際損傷值作為輸入模型數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

所獲得的方法允許計算獨立RPA裝置對電路故障風(fēng)險的影響程度。該算法在IEEE14模型上進(jìn)行了驗證，得到了理想的結(jié)果，該方法可用于評估某些元件對其他元件的可靠性影響，并根據(jù)與設(shè)備健康相關(guān)的潛在風(fēng)險降低對所有RPA設(shè)備進(jìn)行排序。該算法可用于網(wǎng)狀能量網(wǎng)絡(luò)條件下的RPA修復(fù)規(guī)劃。該算法的引入將減少財務(wù)費用，提高系統(tǒng)可靠性，從而產(chǎn)生額外的經(jīng)濟效益。