基于擾動激勵的智能變電站繼電保護故障診斷關鍵技術

汪 敏 孫達山 張 健

（國網(wǎng)安徽省電力有限公司淮南供電公司，安徽 淮南232001）

在智能變電站運行管理方面，需要依靠繼電保護系統(tǒng)提供安全保護，避免因局部故障引起大面積停電問題。而繼電保護系統(tǒng)可能存在各種隱性故障，導致裝置發(fā)生拒動或誤動問題，給變電站安全運行帶來威脅。引入擾動激勵分析規(guī)則對繼電保護故障進行診斷，能夠使故障得到及時消除。因此，還應加強基于擾動激勵的智能變電站繼電保護故障診斷研究，從而為智能變電站建設發(fā)展提供強有力的技術支撐。

1 智能變電站繼電保護故障診斷問題分析

在智能變電站中，繼電保護系統(tǒng)利用互感器進行模擬量采集，然后轉換為數(shù)字量傳輸至智能終端，完成跳轉指令發(fā)送，如圖1 所示，為智能變電站繼電保護體系結構。在保護系統(tǒng)中，各種智能設備可以實現(xiàn)信息互通，在保證信息參數(shù)準確的同時，為系統(tǒng)故障檢測和診斷提供支持。但在系統(tǒng)回路測量方面中涉及較多模擬多線路開關、變送器等裝置，如果存在隱性故障將導致系統(tǒng)面臨較高運行風險[1]。因為任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題將造成信息參數(shù)出現(xiàn)差錯，造成系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤判斷。目前，繼電保護隱性故障不僅涉及二次系統(tǒng)保護，也與一次系統(tǒng)運行、故障位置、保護動作方式等有關。由于設備數(shù)量較多，彼此間存在復雜關系，使得回路信息無法得到直觀反映，繼而給系統(tǒng)隱性故障診斷帶來了較大困難。

圖1 智能變電站繼電保護體系結構

2 基于擾動激勵的智能變電站繼電保護故障診斷

2.1 擾動激勵分析思路

針對智能變電站繼電保護隱性故障進行診斷，可以采用擾動激勵分析方法。具體來講，就是利用可量化的裝置動作指標對保護系統(tǒng)運行狀態(tài)進行評估，使測量回路存在的問題得到及時發(fā)現(xiàn)。實際在裝置動作判斷上，需要對其速度和動作距離等進行分析。在保護動作啟動上，可以利用裝置測量值與保護啟動值的相對差進行啟動距離分析，并根據(jù)保護實測值和動作邊界相對差進行動作距離分析。在裝置啟動到跳閘命令發(fā)出，經(jīng)歷的時間則為啟跳時間[2]。對裝置故障靈敏度進行評價，可以加強穿越指標和動作時間分析。設定的穿越指標包含穿越頻率和時間兩個，前者為從保護開始到故障恢復的動作邊界穿過次數(shù)，后者為設備第一次超過整定值的時間。在動作區(qū)域內(nèi)，裝置測量值始終保持，則屬于動作區(qū)持續(xù)時間。在故障期間，保護裝置測量值將比之前返回的數(shù)值要小。在回路跳閘后，從指令發(fā)出到斷路器動作，測量值要比之前返回值的時間差要小。根據(jù)這些特性，可以對機電保護狀態(tài)進行科學評估，使隱藏的故障得到識別和判斷，為系統(tǒng)可靠運行提供保障。

2.2 保護故障診斷方法

按照上述思路進行保護系統(tǒng)隱性故障診斷分析，可以從多個角度進行故障識別與評價。具體來講，就是可以利用動作距離、啟跳時間和穿越頻率對故障所在區(qū)域、相鄰區(qū)域和較遠區(qū)域的繼電保護裝置動作展開分析，確認能否達到要求。如果未能達到要求，說明區(qū)域存在隱性故障。

2.2.1 動作距離分析

在系統(tǒng)發(fā)生故障后，將發(fā)出跳閘指令，相鄰后備保護將發(fā)生動作。而裝置主保護的啟動距離和動作距離應同時比零大，后備保護同樣也符合這一條件，做到同時進行跳閘指令發(fā)送。在相鄰位置保護裝置上，如果裝置距離電源較近，主保護則出現(xiàn)動作距離比零小的情況下，后備保護的動作距離則比零大，因此能夠提供后備保護[3]。在距離保護裝置較遠的位置，存在主保護和后備保護動作距離均比零小的情況，因此不會發(fā)生保護動作。在系統(tǒng)能夠維持正常運行狀態(tài)時，動作距離呈現(xiàn)出上述規(guī)律。但是如果存在隱性故障，就可能造成遠離故障元件的保護裝置發(fā)生動作，也可能導致相鄰裝置發(fā)生主保護誤動、后備保護拒絕動作的情況。

2.2.2 啟跳時間分析

除了根據(jù)動作距離進行故障診斷，也可以根據(jù)動作時間確認系統(tǒng)是否存在隱性故障。如在系統(tǒng)過量保護功能實現(xiàn)上，對主保護和后備保護的動作時間就提出了一定要求，只有滿足條件才能保證動作可靠。具體來講，就是后備保護擁有的啟跳時間要比主保護長。在相鄰區(qū)域，保護裝置后備保護則需要更長時間才能啟跳，以免在故障區(qū)域保護裝置動作前發(fā)生動作。而在遠離故障的區(qū)域，無論是主保護還是后備保護都需要滿足動作距離小于零的要求。在故障發(fā)生后，按照啟跳時間，應當為故障所在區(qū)域后備保護優(yōu)先動作，其次為主保護發(fā)生動作，再次為相鄰區(qū)域后備保護發(fā)生動作，其余保護裝置則不會發(fā)生動作。無法滿足上述條件，說明區(qū)域存在隱性故障。

2.2.3 穿越頻率分析

在系統(tǒng)故障發(fā)生后，故障所在區(qū)域保護裝置和相鄰區(qū)域保護裝置都要做到動作準確、靈敏，以便使系統(tǒng)得到有效保護。從靈敏度要求上來看，故障發(fā)生區(qū)域繼電保護裝置主保護和后備保護的穿越頻率至少都應達到1。而在相鄰區(qū)域，主保護裝置穿越頻率不超過1，后備保護則至少達到1。在遠離故障的區(qū)域，保護裝置穿越頻率均比1 小。如果相鄰區(qū)域主保護穿越頻率超出1，將出現(xiàn)誤動情況。同樣的，遠離故障區(qū)域動作靈敏度也不能過高，以免發(fā)生誤動情況。而故障所在區(qū)域保護裝置靈敏度應較高，以免發(fā)生拒動問題。不符合動作靈敏度條件要求，說明所在區(qū)域存在隱性故障。

2.3 故障識別判斷過程

實際對繼電保護系統(tǒng)隱性故障進行判斷，可以根據(jù)系統(tǒng)采集的保護定值和保護原理完成故障準確識別與判斷。具體來講，就是可以對互感器模擬量進行濾波處理和邏輯判斷。通過定值比較，如果發(fā)現(xiàn)邏輯與定值整定不合理，說明系統(tǒng)存在故障，造成裝置出現(xiàn)誤動或拒動問題。隱性故障多存在單端，上下級配合時容易給系統(tǒng)動作帶來擾動。針對采集到的電流相量，利用傅里葉算法展開分析，確認是否符合啟動條件，能夠判斷裝置動態(tài)特性是否正常。如圖2 所示，在簡易母線保護中，I 和II保護存在重疊，保護動作需要保護本體和支路元件一同完成，保護重疊則容易引發(fā)誤動。在間隔1 線路位置F 發(fā)生故障時，出線保護和站域保護將會動作。但是如果1 線路保護裝置存在隱性故障，將導致站域無法閉鎖，無法正常動作，繼而引發(fā)變電站停電事故。根據(jù)設備間的冗余互備關系，可以引入擾動激勵指標進行隱性故障提前診斷。以動作距離為例，在間隔1 線存在隱性故障時，母線I 出線保護和站域保護動作距離將比零小，導致保護裝置無法正常動作。而線I 出線保護和站域保護動作距離比零大，相鄰間隔區(qū)域保護裝置后備保護動作距離比零大，不符合這一條件說明相鄰區(qū)域繼電保護系統(tǒng)存在隱性故障。根據(jù)各條饋線保護動作距離等指標關系，能夠得到繼電保護隱性故障判別規(guī)則，在故障發(fā)生前進行故障識別和判斷，并通過消除故障隱患保證保護系統(tǒng)正常發(fā)揮功能。

圖2 智能變電站繼電保護隱性故障

2.4 故障診斷仿真分析

在系統(tǒng)故障診斷仿真方面，可以在CLIPS 平臺上完成220kV 智能變電站繼電保護系統(tǒng)構建，按照上述規(guī)則對故障診斷方法的有效性進行測試。系統(tǒng)主變220kV 側的距離保護I 段按照全線阻抗85%進行整定，II 段為148%。繼電保護CB1 的I段阻抗整定值約36Ω，II 段約63Ω，I 段發(fā)生邊界故障，在t=0.5s 時在母線2 的B 側出現(xiàn)三相接地短路，持續(xù)0.5s。分別在故障區(qū)域繼電保護裝置CB1、相鄰區(qū)域保護裝置CB2中完成隱性故障設置，利用軟件對回路干擾進行模擬測量，并利用傅里葉算法完成基本分量提取，得到動作距離和保護測量值，如表1所示。在CB1存在隱性故障的情況下，動作距離大于零，但裝置不發(fā)生動作，可以判定裝置存在故障。而CB2中存在隱性故障，所以在動作距離小于零時卻發(fā)生動作，違背了動作規(guī)則。因此根據(jù)擾動激勵判斷規(guī)則，能夠依次辨別裝置是否存在隱性故障，可以滿足故障診斷要求。

表1 仿真測試結果

3 結論

綜上所述，智能變電站繼電保護裝置存在故障，將導致裝置無法正常發(fā)揮保護作用，使變電站運行缺乏安全保障。運用擾動激勵對裝置隱性故障進行判斷，利用動作距離、穿越頻率等量化指標對裝置動作展開分析，確認是否符合保護整定規(guī)則，能夠準確判斷裝置存在的故障，并通過消除故障保證裝置正確動作，繼而為變電站運行提供保障。從仿真分析結果來看，采取該方法能夠對發(fā)生隱性故障的繼電保護裝置進行準確判別，因此具有一定實用價值。