繼電保護(hù)隱性故障下的電力系統(tǒng)連鎖故障淺談

【摘要】由繼電保護(hù)隱性故障引發(fā)的電力系統(tǒng)連鎖故障會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生極大的危害。通過對繼電保護(hù)隱性故障發(fā)生的影響因素進(jìn)行分析，評價隱性故障的重要性，并討論隱性故障下的電力系統(tǒng)連鎖故障，對其進(jìn)行風(fēng)險評估，找出系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，有助于對隱性故障采取相應(yīng)的預(yù)防措施，降低隱性故障發(fā)生的概率，達(dá)到防止電力系統(tǒng)連鎖故障發(fā)生或降低連鎖故障發(fā)生概率的目的。

【關(guān)鍵詞】繼電保護(hù)；隱性故障；電力系統(tǒng)；連鎖故障

近年來，電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化發(fā)展使電力系統(tǒng)的復(fù)雜程度增加，而同時電力系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重的連鎖故障的次數(shù)也隨之有增多的趨勢。電力系統(tǒng)的連鎖故障是指，由電力系統(tǒng)中某一故障導(dǎo)致一系列故障的發(fā)生，故障發(fā)生連鎖式地蔓延，導(dǎo)致大規(guī)模的事故。這種連鎖故障有些是由于繼電保護(hù)隱性故障引起的，危害極大，因此研究繼電保護(hù)下的電力系統(tǒng)連鎖故障，對預(yù)防連鎖故障的發(fā)生具有重要的意義。

1.繼電保護(hù)的隱性故障

繼電保護(hù)的隱性故障在繼電保護(hù)系統(tǒng)正常運行時沒有影響，但當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生某些變化時，會觸發(fā)這種故障，而且會引發(fā)一系列的故障。由此可見繼電保護(hù)的隱性故障在正常運行狀態(tài)下是不會被發(fā)現(xiàn)的，因此故障一旦發(fā)生時，繼電保護(hù)將故障切除后，可能會導(dǎo)致隱性故障的繼電保護(hù)系統(tǒng)誤動。由繼電保護(hù)的隱性故障引起的誤動可能會造成連鎖故障，引起大范圍的事故。

1.1 繼電保護(hù)隱性故障概率模型

常用的繼電保護(hù)隱性故障概率模型有三種：輸電線路三段距離保護(hù)隱性故障概率模型、階段式電流保護(hù)的隱性故障概率模型、線路潮流越限的隱性故障概率模型。

對于考慮輸電線路三段距離保護(hù)隱性故障概率模型，隱性故障的概率與繼電保護(hù)的測量阻抗有關(guān)。當(dāng)測量阻抗小于三倍距離保護(hù)中第三段的整定值時，隱性故障存在的概率為一個常數(shù)，而當(dāng)測量阻抗大于三倍距離保護(hù)中第三段的整定值時，隱性故障存在的概率會以指數(shù)規(guī)律迅速降低?？紤]輸電線路三短距離保護(hù)隱性故障特征及概率模型如圖1所示。

對于考慮階段式電流保護(hù)的隱性故障概率模型，隱性故障概率與線路電流的大小有關(guān)。當(dāng)線路電流大于保護(hù)第三段的整定值時，隱性故障存在的概率為一個常數(shù) ，而當(dāng)線路電流在大于0.1倍的第三段保護(hù)整定值小于第三段保護(hù)整定值時，隱性故障存在的概率以直線規(guī)律迅速下降直至概率為零，當(dāng)線路電流小于0.1倍的第三段保護(hù)整定值時，隱性故障概率為零。階段式電流保護(hù)的隱性故障特征與概率模型如圖2所示。

對于考慮線路潮流越限的隱性故障概率模型，當(dāng)有功潮流小于潮流限值時，隱性故障的概率可以按不同因素分為幾個方面，即可修復(fù)的隱性故障、老化隱性故障、惡劣氣候條件造成的隱性故障等。首先，可修復(fù)隱性故障是由繼電保護(hù)定值不合理等原因造成的，這些原因是可修復(fù)的，因此這些隱性故障是可修復(fù)的。其次，老化隱性故障是當(dāng)設(shè)備元件耗損到一定程度時，可能會突然發(fā)生因老化引起的故障，這些隱性故障是不可修復(fù)的。再次，對電力系統(tǒng)來說，惡劣環(huán)境是指大風(fēng)、大雨、大雪天氣或者暴風(fēng)雪、洪水等災(zāi)害發(fā)生的情況，對于這類隱性故障的概率很難給出模型，惡劣環(huán)境因素一般會導(dǎo)致其它隱性故障發(fā)生的概率增加。而且，在以上因素的基礎(chǔ)上，操作或維護(hù)不當(dāng)也有可能導(dǎo)致繼電保護(hù)發(fā)生誤動，因此這類因素也可以歸結(jié)為繼電保護(hù)的隱性故障。綜合以上因素，可以得出考慮潮流越限的隱性故障特征及模型如圖3所示。

1.2 繼電保護(hù)隱性故障重要性評價

不同的隱性故障危害性不同，對繼電保護(hù)及整個電力系統(tǒng)來說，重要性也有所不同。因此一般用脆弱性區(qū)域和隱性故障的嚴(yán)重性來描述隱性故障的重要性。繼電保護(hù)隱性故障對電力系統(tǒng)的危害程度與隱性故障的位置有密切的關(guān)聯(lián)，這種故障所處的區(qū)域即為隱性故障的脆弱性區(qū)域。脆弱性區(qū)域考慮的是概率問題，因而還需要考慮隱性故障的嚴(yán)重性，然后對這些隱性故障進(jìn)行優(yōu)先等級分析，并且用脆弱性指數(shù)來表示隱性故障的嚴(yán)重性。將脆弱性區(qū)域與脆弱性指數(shù)綜合起來進(jìn)行分析，可以得出對繼電保護(hù)隱性故障的重要性評價，對不同重要性的隱性故障采取不同的措施。進(jìn)而分析在繼電保護(hù)隱性故障下的整個電力系統(tǒng)的連鎖故障。

2.在隱性故障下的連鎖故障及風(fēng)險評估

OPA模型及CASCADE模型是重要的連鎖故障模型，OPA模型采用標(biāo)準(zhǔn)線性規(guī)劃，對發(fā)電機(jī)功率的調(diào)度問題進(jìn)行求解，達(dá)到使價值函數(shù)最小化的目標(biāo)。OPA模型要求系統(tǒng)運行應(yīng)滿足的約束條件是：以實現(xiàn)功率平衡與負(fù)荷節(jié)點不注入功率為基礎(chǔ)，確保發(fā)電機(jī)輸出功率小于極限值，同時線路潮流也應(yīng)小于極限值。在這種情況下，系統(tǒng)會以一定的概率，產(chǎn)生連鎖故障。

在對繼電保護(hù)隱性故障下的電力系統(tǒng)連鎖故障進(jìn)行分析時，我們著重討論隱性故障下的連鎖故障模型?？紤]隱性故障的連鎖故障模型采用的是直流潮流法，并同時對隱性故障模型進(jìn)行改進(jìn)，考慮繼電保護(hù)在初次不受保護(hù)后誤動概率為零的情況下重合閘不啟動來尋找系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。目前，風(fēng)險指標(biāo)可以通過仿真獲得，首先指定初始故障線路，然后對連鎖故障進(jìn)行仿真，從而得到與初始故障相對應(yīng)的風(fēng)險指標(biāo)，再比較仿真結(jié)果，從中找出導(dǎo)致最大風(fēng)險的裝置，即系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。連鎖故障的仿真模擬可以參照如下的Monte Carlo仿真流程圖（圖4）。

應(yīng)用以上方法進(jìn)行仿真時應(yīng)注意以下幾點：首先，應(yīng)假設(shè)所有故障都為三相短路故障，這樣計算雖然結(jié)果可能比較保守，但更容易觸發(fā)相鄰路段的隱性故障，便于較快速地找到薄弱環(huán)節(jié)。其次，因為使線路發(fā)生故障的目的在于觸發(fā)隱性故障，所以可以不必考慮本線路發(fā)生保護(hù)拒動的情況。最后，可以用重要性抽樣對仿真結(jié)果進(jìn)行計算，加快計算速度。

根據(jù)對隱性故障下的連鎖故障進(jìn)行風(fēng)險評估的結(jié)果，工作人員可以確定系統(tǒng)的脆弱程度，及時采取相應(yīng)的措施預(yù)防故障發(fā)生。其中，通過將繼電保護(hù)裝置更換為更為高性能的高安全性的裝置，是降低連鎖故障風(fēng)險的有效方法，但這種方法需要一定的投資，不一定適用于所有的電網(wǎng)系統(tǒng)，因此在資金不充足的情況下，可以通過以上方法找到系統(tǒng)中最薄弱的、風(fēng)險最大的裝置進(jìn)行更換。

3.總結(jié)

以上對繼電保護(hù)隱性故障及隱性故障引發(fā)的電力系統(tǒng)連鎖故障的分析，旨在增強(qiáng)繼電保護(hù)的保護(hù)可靠性，增強(qiáng)電力系統(tǒng)運行的安全性。而在今后的實際工作中，應(yīng)將電力系統(tǒng)的發(fā)展考慮在內(nèi)，電力系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化發(fā)展，勢必對繼電保護(hù)提出更高的要求，繼電保護(hù)的隱性故障也必然會具有新特點。例如，電力系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展使得繼電保護(hù)系統(tǒng)增加相應(yīng)的電子裝置和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這些設(shè)備和技術(shù)有助于實時監(jiān)測系統(tǒng)異常，減少常規(guī)的隱性故障發(fā)生，但同時在數(shù)字系統(tǒng)和軟件的使用過程中，也會存在隱性故障，值得引起重視。另外，隨著電力系統(tǒng)向著智能化的方向發(fā)展，電力系統(tǒng)的運行方式處于不斷變化之中。但我們知道繼電保護(hù)定值是預(yù)先設(shè)定的，不具備對變化的運行狀態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)的能力，這也是保護(hù)定值引起的隱性故障增加的原因。在采用智能技術(shù)在保護(hù)系統(tǒng)中增加對保護(hù)定值監(jiān)測的元件時，會使系統(tǒng)進(jìn)一步復(fù)雜化，也會使繼電保護(hù)隱性故障具備新的特點。因此，應(yīng)結(jié)合實際情況對繼電保護(hù)隱性故障及電力系統(tǒng)連鎖故障進(jìn)行更深入的分析，從而保證電力系統(tǒng)安全運行。