雙重化繼電保護隱性故障風險評估研究

吳少斌，陳小琪

（1.國網四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610042；2.國網四川省電力公司經濟技術研究院，四川 成都 610041）

0 引 言

我國國家電網使用的電力系統雖然帶來了明顯的經濟利益，但對我國電網電力系統安全提出了更高要求。近年來，雙重化繼電保護系統的開發和使用，減少了我國電力系統的各類連鎖型故障問題，提高了電力系統的安全性。穩定、安全、可靠的繼電保護系統，是電力系統安全運行的必要條件。有關單位統計數據顯示，我國超過220 kV的國家電網均采用了雙重化繼電保護系統，變壓器保護系統安全重合率也逐漸接近100%。此外，電力母線的雙重繼電保護系統也受到了極高重視，重合率為70%以上?？梢哉f，雙重化配置的繼電保護系統對我國電網輸出具有重要作用。為了保證雙重化繼電保護系統安全、合理運行，國家電力輸出行業對其風險評估提出了多種評估方式。采用最小二乘法建立評估模型，對繼電保護系統參數進行評估，并在此基礎上整體評價其可靠性具有可行性。對此，基于雙重化繼電保護裝置的工作原理和配備結構，建立其風險評估模型，綜合評估繼電保護裝置的風險性[1]。

1 隱性故障模型的建立

1.1 隱性故障模型結構分析

我國電力資料數據顯示，繼電保護裝置80%以上的故障來自隱性故障。所以，隱性故障是我國國家電力系統和繼電保護系統最大的安全隱患。繼電保護系統的隱形故障主要是指電力系統在電力應用時，因為電力系統資源配置問題和電路電流設計結構問題導致的電源線路誤動。繼電保護系統內部一旦發生隱形故障，很可能不斷擴大故障嚴重性，進而匯聚成大型電力系統連鎖性故障，最終造成巨大的經濟能源損失。為了提高設計表達精確度，提出兩種不同的數據模型用于表述繼電保護裝置和電力系統發電裝置的隱性故障，其線路保護隱性故障特性如圖1所示。

圖1 線路保護隱性故障特征示意圖

在進行電力線路風險保護時，電源線路有可能存在的風險P與雙重化繼電保護系統存在的電源線路誤動率Z具有直接關聯。當繼電保護裝置所在線路阻抗小于整體阻抗3倍以上時，將設定Z3的誤動概率為一個常數量PW[2]。當Z值大于3倍測定值時，繼電保護裝置的整體誤動概率會按照一定的指數規律不斷縮小，表達式如下：

電力保護的隱性故障特性示意圖如圖2所示。

圖2 發電機保護隱性故障特性示意圖

在電力系統發電裝置保護中，保護裝置的誤動率P與發電機內部電機極端電壓U有關。當極端電壓處于空置范圍時，其雙重化繼電保護裝置的風險性概率可以直接表示為一個較小的值。當電源的極端電壓過大超過標準范圍時，保護裝置的誤動概率會出現較大增長，為一個大概率常數。圖1和圖2集中表示了誤動率裝置的結構和劃分，虛線表示繼電保護升級后的電源線路變化情況。通過兩條線的客觀比對可以確定，對于繼電保護裝置來說，高性能保護裝置誤動率明顯減少[3]。

1.2 故障樹結構分析

應用故障樹可以更清楚研究和分析雙重化繼電保護裝置的故障發展過程，如圖3所示。資料顯示，在電網內部，當某線路被人工阻隔后，該線路周圍所有的電源線路包括雙重化繼電保護系統均有可能產生誤動效應。也就是說，該線路所連接的區域有可能存在大型連鎖型誤動效應，大大增加了繼電保護裝置的隱性故障率。對此，將上述線路以及可能出現隱性故障的電源區集中定位為故障準誤動線路集合。故障樹主要用于表示具有誤動隱患的線路集合和出現誤動事件的過程。以電力負荷清除、發電機系統以及電網解列等多重連鎖故障以及其故障反應結構作為其終止條件[4]。

圖3 連鎖故障樹結構示意圖

圖3中，每個圖像方框均為一個概率事件，方框序號即為事件序號，方框之間的連線代表其故障連鎖發展過程。每一層的各級事件為互相排斥事件，也就是根據該區域發生連鎖型故障的綜合表述和模型結構可以確定，每一層僅會發生一處事件。根據上述建立的風險評估和故障樹模型，可對風險概率事件進行綜合評估，從而確定故障樹發展路徑。圖3給出了9個發展事件，此9個事件為連鎖故障事件中最容易出現的部分故障概率事件，其他概念事件可以以此類推。圖3中事件的解釋如下。

I事件：繼電保護裝置的1組動作，主要表示雙重化繼電保護裝置的動態協作動作，當線路1被切除時，可以為后續線路組成具有動態效應的誤動子集。

II事件：繼電保護裝置的2組動作，主要表示繼電保護裝置的兩組不同動態效應，如果切除，可以保證其事件脫離發電系統。

III事件：繼電保護裝置的3組動作，可以對對應區域的研究子集進行總結。

IV事件：繼電保護裝置的4組動作，需要保證繼電網根據圖2中的虛線進行分解，保證其組成同效的兩部分。

V事件：繼電保護裝置的5組動作，可以對繼電保護裝置的4、8組動作組成成動態協同誤動子集。

VI事件：繼電保護裝置的6組動作，主要用于表述電力負荷M以及其系統脫離情況。

VII事件：繼電保護裝置的7組動作，主要用于直接表述與之相對應的誤動子集和繼電保護裝置結構。

VIII事件：繼電保護裝置的8組動作，確定保護裝置的第4組和第8組為誤動子集，并對其進行綜合評估，確定是否會繼續產生連鎖故障。

IX事件：繼電保護裝置的9組動作，確定保護裝置的第4組和第7組為誤動子集，確定連鎖型故障不會繼續發展。

此外該故障樹還包括三組連鎖故障：故障1，主要由上述I事件和II事件組成，通過繼電保護系統的第1組和第2組動作，有可能造成電源線路故障脫離；故障2，主要是由上述6、7、9組動作構成，有可能造成電路電源直接脫離電路系統；故障3，主要由I事件和IV事件組成，有可能造成電路電網直接解列[5]。

2 基于風險理論的隱性故障評估

風險即電力系統線路出現故障災害的可能性或者災害破壞程度的大小。風險評估是通過某種評估方法或模型，利用一系列評估動作，使操作人員和安全工程人員可以較系統地檢測出設備產生災害的可能性，從而提前選擇相對合適的安全措施。因為繼電保護裝置的風險具有組合性效應，即可以累積疊加和組合，所以風險評估的對象不僅是電網局部個體，也是區域整體。通過利用收集到的電路電力系統指標，根據各級事件概率和評估模型，確定事故整體影響性。通過比對分析可以確定，在運行過程中，現代電網繼電保護裝置的負荷、電源以及電網三方面為繼電保護裝置故障風險最大的區域。將此三方面風險進行綜合評估，即可獲取整個電源電力系統包括繼電保護裝置的風險性。綜上，風險可以歸納為負荷風險、電源風險、電網風險和整體風險。

負荷風險即繼電保護裝置出現故障時，因為跳閘而出現負荷斷裂的情況，概率表達式為：

其中i為繼電保護裝置出現的故障序號；N為整體故障數。

電源風險為繼電保護裝置出現隱性故障時，因電源線路斷裂以及電網發電系統出現整體誤動效應造成的電機啟動問題或繼電器風險問題。電網風險即為電力系統出現系統故障后，因為電解跳閘導致的電網解列。

上述三類風險的評估實現除了要根據設計的評估模型外，還需要引入蒙特卡洛特法。該方法主要通過大型概率評估和統計數據，對大型復雜的電力系統進行實際分析。設計引入蒙特卡羅特法，構建了一個故障概率空間。在概率空間內，提前設計一個隨機變量X及其統計變量G，通過計算機仿真軟件對G的近似值進行評估。隨著電子計算技術不斷提升，它的算法速度隨之提高。該設計在概率空間內隨機選取觸發事件，支撐系統誤動子集，建立隱性故障模型。通過風險潮流計算，確定雙重化繼電保護裝置出現故障誤動的實際概率。根據獲取的概率，分析保護裝置，并將其概率觸發。如果繼電保護裝置出現電源誤動，則直接導致電源鼓勵、負荷鼓勵以及電網障礙等問題。根據誤動概率利用故障樹重新開始故障評估，直到繼電仿真最大次數。

3 實驗數據分析

為了實際分析設計的雙重化繼電保護隱性故障風險評估方法是否真實有效，進行了仿真對比實驗。模擬故障繼電保護裝置，設計同樣故障點和故障問題，建立仿真環境。具體地，實驗組搭載設計的故障風險評估方法，對比組使用傳統評估方法進行實際對比，結果如表1所示。

通過實驗數據可以清晰看出，實驗組評估正確率明顯高于對比組，證明設計的評估方法真實有效。

表1 實驗參數對比表

4 結 論

設計雙重化繼電保護隱形故障風險評估模型，首先通過使用繼電保護裝置隱形概率分析模型對電力系統進行分析描述，其次通過分析保護系統內在機理明確保護裝置的連鎖作用，利用母線孤立風險、顯現負荷風險和電網解列風險等綜合風險性評估整體隱性故障風險，以此提出風險預防措施。實驗證明，該繼電保護隱性故障風險評估方法真實有效。