繼電保護(hù)隱性故障辨識(shí)技術(shù)研究

楊利民 周杰 張烈 張良武 趙啟

摘 要：電網(wǎng)正因繼電保護(hù)隱性故障面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)，亟需針對(duì)隱性故障提出辨識(shí)方法，增強(qiáng)電網(wǎng)故障辨識(shí)能力。鑒于此，根據(jù)繼電保護(hù)隱性故障特點(diǎn)，從變電站角度，對(duì)變電站采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，利用同源數(shù)據(jù)比對(duì)，進(jìn)行隱性故障辨識(shí);從系統(tǒng)角度，分析、挖掘所投繼電保護(hù)裝置歷史數(shù)據(jù)，按不同維度將信息分類，進(jìn)行隱性故障辨識(shí)，以加強(qiáng)電網(wǎng)隱性故障辨識(shí)能力。

關(guān)鍵詞：變電站;繼電保護(hù);隱性故障;同源數(shù)據(jù);歷史數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)：TM774? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）07-0006-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.07.002

0? ? 引言

繼電保護(hù)隱性故障是一種永久性缺陷，對(duì)保護(hù)裝置的可靠性造成了嚴(yán)重沖擊[1]。電網(wǎng)的穩(wěn)定性因隱性故障存在而變差，影響社會(huì)效益[2]。文獻(xiàn)[3-4]根據(jù)隱性故障形成原因，展望了繼電保護(hù)隱性故障的防控措施。文獻(xiàn)[5]利用語(yǔ)義網(wǎng)技術(shù)建立隱性故障規(guī)則庫(kù)，但對(duì)專家知識(shí)庫(kù)要求較高。文獻(xiàn)[6]將隱性故障嚴(yán)重性指標(biāo)化，與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估相結(jié)合，從而進(jìn)行隱性故障辨識(shí)，但對(duì)設(shè)備要求較高。鑒于以上分析，首先從變電站角度出發(fā)，基于現(xiàn)有智能變電站的采集設(shè)備，結(jié)合隱性故障原因，提出同源數(shù)據(jù)比對(duì)的隱性故障辨識(shí)法;其次從電力系統(tǒng)角度出發(fā)，深入分析投入的繼電保護(hù)設(shè)備歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合隱性故障原因，進(jìn)行隱性故障辨識(shí)，增強(qiáng)電網(wǎng)隱性故障辨識(shí)能力。

1? ? 隱性故障的危害

在電網(wǎng)未發(fā)生故障時(shí)，繼電保護(hù)隱性故障對(duì)電網(wǎng)無影響，且檢測(cè)不出此類故障[7]。但在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，電網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)的狀態(tài)采集量與正常狀態(tài)不同，隱性故障存在觸發(fā)的可能性，一旦觸發(fā)該故障，輕則使電網(wǎng)出現(xiàn)聯(lián)鎖故障，重則使得故障發(fā)生范圍擴(kuò)大，造成電網(wǎng)有功、無功缺額，影響電網(wǎng)電能質(zhì)量，甚至導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)解列風(fēng)險(xiǎn)。

2? ? 繼電保護(hù)隱性故障原因及分類

繼電保護(hù)裝置在判別電力系統(tǒng)是否發(fā)生區(qū)內(nèi)外故障時(shí)，先通過測(cè)量元件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再基于采集數(shù)據(jù)，結(jié)合繼電保護(hù)判據(jù)，進(jìn)行邏輯判斷，最后將判斷結(jié)果執(zhí)行輸出。隱性故障易在上述保護(hù)裝置故障判別流程中存在。根據(jù)判別流程，致使隱性故障存在的原因如下：對(duì)于測(cè)量元件，當(dāng)電力系統(tǒng)因某些原因采集量主頻率出現(xiàn)頻率偏移時(shí)，若需采用工頻量的信息進(jìn)行判斷，測(cè)量元件則會(huì)因其提取工頻量的傅式算法存在問題，出現(xiàn)不同程度的誤差;其次也需考慮CT飽和、電壓互感器斷線甚至測(cè)量元件內(nèi)部老化等問題;對(duì)于邏輯判斷方面，當(dāng)所需信息成功提取后，傳輸至邏輯判斷，若繼電保護(hù)整定值選取不當(dāng)，則該環(huán)節(jié)易使主保護(hù)出現(xiàn)拒動(dòng)、誤動(dòng)的情況，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致后備保護(hù)動(dòng)作，擴(kuò)大事故范圍，甚至使得電網(wǎng)電壓、電流波動(dòng)明顯，有功、無功缺額嚴(yán)重，只能通過削減負(fù)荷等手段進(jìn)行調(diào)頻，穩(wěn)定電能質(zhì)量，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。除此以外，還需考慮主保護(hù)、后備保護(hù)及控制策略之間的邏輯關(guān)系，在保護(hù)判別時(shí)間與控制策略投入沖突時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)的可靠性存在嚴(yán)重問題。對(duì)于執(zhí)行輸出環(huán)節(jié)，隱性故障產(chǎn)生原因以其內(nèi)部元件存在問題為主。

目前，對(duì)保護(hù)設(shè)備的動(dòng)作分析主要基于保信系統(tǒng)所獲取的保護(hù)動(dòng)作的各類信息，動(dòng)作分析不夠全面，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的動(dòng)作在線分析。對(duì)保護(hù)設(shè)備的故障診斷主要依靠現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行及檢修人員處理，在發(fā)現(xiàn)保護(hù)設(shè)備的隱性缺陷和隱性故障方面手段較少，因此，可以針對(duì)系統(tǒng)獲取的各類信息進(jìn)行分類，用于隱性故障辨識(shí)技術(shù)的研究。

3? ? 數(shù)據(jù)分類

針對(duì)繼電保護(hù)故障診斷與在線巡檢，采集數(shù)據(jù)分類如下：

（1）告警信息。

繼電保護(hù)告警信息可分為自檢信息和運(yùn)行異常信息。繼電保護(hù)通過自診斷功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置本身保護(hù)元件的監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，實(shí)時(shí)給出自檢告警信息，可以較為精確地反映保護(hù)自身元件的異常。同時(shí)，繼電保護(hù)對(duì)外部回路的運(yùn)行異常，如CT/PT等也能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常給出運(yùn)行異常告警，這部分信息也可用于對(duì)二次回路的監(jiān)視。

（2）模擬量、開關(guān)量。

模擬量由繼電保護(hù)設(shè)備的采樣回路及采樣插件生成，因此采樣回路和交流插件是否正?？捎赡M量直接反映。同理，開入回路和開入插件的狀態(tài)判別，可以通過監(jiān)視開入量的狀態(tài)與實(shí)際位置是否一致實(shí)現(xiàn);開出回路和開出插件的狀態(tài)判別，可以通過監(jiān)視開出量的狀態(tài)與實(shí)際位置是否一致實(shí)現(xiàn)。

（3）錄波數(shù)據(jù)。

繼電保護(hù)在檢測(cè)到電網(wǎng)擾動(dòng)和故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生啟動(dòng)事件信號(hào)，并觸發(fā)錄波數(shù)據(jù)的記錄功能，記錄擾動(dòng)過程中繼電保護(hù)的模擬量、開關(guān)量變化情況。這些數(shù)據(jù)可用于對(duì)于繼電保護(hù)二次回路的在線檢測(cè)，包括以下部分：故障簡(jiǎn)報(bào)、動(dòng)作報(bào)告、啟動(dòng)時(shí)開入量狀態(tài)、啟動(dòng)時(shí)壓板狀態(tài)、啟動(dòng)后開入量的變位時(shí)刻、相關(guān)保護(hù)控制字。

（4）歷史數(shù)據(jù)。

電網(wǎng)中存在大量同型號(hào)繼電保護(hù)設(shè)備，這些設(shè)備的故障記錄可作為判斷運(yùn)行設(shè)備隱性故障的依據(jù)。由浴盆曲線原理可知，保護(hù)元件及本體均存在功能失效期，因此可將保護(hù)設(shè)備歷史運(yùn)行年限作為設(shè)備檢測(cè)的判據(jù)。歷史啟動(dòng)和跳閘錄波數(shù)據(jù)也可作為設(shè)備隱性故障檢測(cè)的依據(jù)，在運(yùn)行檢測(cè)周期內(nèi)有正確跳閘的保護(hù)可不用再次進(jìn)行本周期的檢驗(yàn)，檢測(cè)周期可根據(jù)運(yùn)行檢驗(yàn)設(shè)定。

將采集的數(shù)據(jù)分類，結(jié)合數(shù)據(jù)分類的特點(diǎn)及隱性故障原因，可用于數(shù)據(jù)比對(duì)型隱性故障辨識(shí)技術(shù)。

4? ? 隱性故障辨識(shí)方法

4.1? ? 變電站角度的隱性故障辨識(shí)法

從變電站運(yùn)行的角度來看，出于高電壓等級(jí)保護(hù)雙重化配置以及繼電保護(hù)雙AD配置等原因，變電站中存在大量的二次設(shè)備冗余量測(cè)信息，這些量測(cè)數(shù)據(jù)直接反映了繼電保護(hù)采樣、開入回路的運(yùn)行情況，二次回路以及對(duì)應(yīng)的二次設(shè)備組件的隱性故障可根據(jù)冗余信息的相互校驗(yàn)來辨識(shí)。

4.1.1? ? 同源數(shù)據(jù)比較原理

將變電站采集到的數(shù)據(jù)與二次回路的狀態(tài)量對(duì)比，可對(duì)回路中的設(shè)備進(jìn)行隱性故障辨識(shí)。

因電流、電壓等測(cè)量點(diǎn)值在一定范圍波動(dòng)，用斷面數(shù)據(jù)比較存在差異較大的情況，因此需采用積分算法進(jìn)行數(shù)據(jù)差異比對(duì)，可以避免數(shù)據(jù)短時(shí)間突發(fā)變化帶來的影響。以模擬量的同源數(shù)據(jù)比對(duì)為例，設(shè)同源的兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為A、B，其隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖1所示。

則0—t1時(shí)間段內(nèi)，A、B兩個(gè)量值之間的差異可用其對(duì)應(yīng)曲線間的面積來表示：

diff= |yA（t）-yB（t）|dt/|yA（t）|dt=

Δt·|yA（ti）-yB（ti）|/Δt·|yA（ti）|（1）

其中，分子表示A、B兩條曲線間的面積，分母為曲線A與橫坐標(biāo)間的面積（也可采用曲線B與橫坐標(biāo)間的面積），Δt表示采樣間隔（即實(shí)時(shí)庫(kù)獲取模擬量的間隔，為簡(jiǎn)化這里取等間隔），t1則表示計(jì)算差異的時(shí)間區(qū)間，考慮到保信主子站規(guī)約中模擬量獲取的頻度及電氣量有效值實(shí)際的變化速度，Δt可取2 min，t1可取10 min，yA（ti）、yB（ti）分別表示A、B的采樣值。

當(dāng)diff大于給定值時(shí)（建議2%），認(rèn)為數(shù)據(jù)存在差異。為了避免數(shù)據(jù)較小情況下的零漂影響，可對(duì)比較的觸發(fā)條件進(jìn)行限制，必須滿足下述條件時(shí)才進(jìn)行比較：

Δt·|yA（ti）|>k1t1·yAe（2）

式中：yAe為yA的額定值;k1為門檻系數(shù)1。

此外，為了避免在數(shù)據(jù)變化劇烈時(shí)A、B兩點(diǎn)采樣時(shí)間不同步帶來的影響，可對(duì)比較的條件進(jìn)行限制：只有數(shù)據(jù)變化較緩慢時(shí)才進(jìn)行比較。衡量數(shù)據(jù)變化快慢可簡(jiǎn)單用計(jì)算期間最大值、最小值的差來衡量：

|max yA-min yA|

式中：k2為門檻系數(shù)2，狀態(tài)量可以做類似處理。

因此，基于模擬量的同源數(shù)據(jù)比對(duì)，在滿足觸發(fā)條件后，利用式（1）進(jìn)行同源數(shù)據(jù)差異判別?；阡洸〝?shù)據(jù)中模擬量波形、狀態(tài)量波形數(shù)據(jù)比對(duì)，可根據(jù)啟動(dòng)點(diǎn)位置實(shí)現(xiàn)錄波零點(diǎn)對(duì)齊及利用插值算法實(shí)現(xiàn)采樣間隔標(biāo)準(zhǔn)化等處理后，同樣采用此方法來計(jì)算兩個(gè)波形的差異。

4.1.2? ? 同源數(shù)據(jù)比較方法

收集變電站繼電保護(hù)設(shè)備的遙信、遙測(cè)信息，進(jìn)行一致性比較、計(jì)算，實(shí)現(xiàn)輸入信息在線監(jiān)測(cè)的智能告警和可視化展示?？蓪?shí)現(xiàn)的自診斷功能包括：雙重化輸入信息不一致監(jiān)測(cè);雙AD輸入信息不一致監(jiān)測(cè);自診斷功能配置一致性監(jiān)測(cè)的對(duì)象，形成告警信息點(diǎn)、設(shè)置告警級(jí)別、告警方式;按分類、分級(jí)進(jìn)行告警并可視化展示。

對(duì)于任一個(gè)同源數(shù)據(jù)，可根據(jù)同源配置獲取其不同的數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)，每隔一定時(shí)間（例如24 h，可配置）可采集這些點(diǎn)的實(shí)時(shí)測(cè)量值來進(jìn)行比較，如果差值超出規(guī)定的范圍，則認(rèn)為存在差異，此時(shí)需對(duì)同源數(shù)據(jù)差異發(fā)出告警并在界面進(jìn)行展示，同時(shí)將差異信息保存到歷史庫(kù)。同源冗余數(shù)據(jù)對(duì)比流程如圖2所示。

4.1.3? ? 同源數(shù)據(jù)的選取

（1）同源數(shù)據(jù)定義。

同源數(shù)據(jù)是指同一實(shí)際數(shù)據(jù)由不同的設(shè)備或信號(hào)點(diǎn)采集，通過比較同源數(shù)據(jù)，判斷設(shè)備是否異常。同源數(shù)據(jù)可能來自于雙套保護(hù)、同間隔二次設(shè)備、EMS與保信主站的重復(fù)數(shù)據(jù)、同一次電網(wǎng)故障（或擾動(dòng)）中針對(duì)相同一次設(shè)備的暫態(tài)錄波數(shù)據(jù)等。本研究選取的同源數(shù)據(jù)定義如下：

高壓線路的雙套保護(hù)，僅考慮一次設(shè)備電氣量數(shù)據(jù)，如一次設(shè)備的模擬量（三相電壓、三相電流、零序電流等）、狀態(tài)量（開關(guān)、刀閘位置）;

同間隔下的不同二次設(shè)備，僅考慮一次設(shè)備電氣量數(shù)據(jù)，如一次設(shè)備的模擬量（三相電壓、三相電流、零序電流等）、狀態(tài)量（開關(guān)、刀閘位置）。

（2）建立同源數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系。

新建同源數(shù)據(jù)表，將定義為同源數(shù)據(jù)的相關(guān)數(shù)據(jù)寫入模型表，建立同源數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系，作為比較的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

基于上述同源數(shù)據(jù)定義，本研究以同間隔下電網(wǎng)故障（或擾動(dòng)）中不同設(shè)備的錄波數(shù)據(jù)為主，將建立在該數(shù)據(jù)下的邏輯關(guān)系作為同源數(shù)據(jù)比對(duì)基礎(chǔ)。

4.1.4? ? 同源數(shù)據(jù)比對(duì)

針對(duì)同源數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)值，基于圖2同源冗余數(shù)據(jù)對(duì)比流程圖，對(duì)同源冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性比對(duì)，發(fā)現(xiàn)異常給出告警提示。除此以外，一二次運(yùn)行方式狀態(tài)量的計(jì)算在廠站端進(jìn)行，主站端在運(yùn)行設(shè)備工況評(píng)估時(shí)，會(huì)主動(dòng)向廠站端召喚二次系統(tǒng)的運(yùn)行方式報(bào)告，主站端根據(jù)上送的報(bào)告，確定二次系統(tǒng)與一次系統(tǒng)正常運(yùn)行方式是否一致，二次系統(tǒng)處于異常運(yùn)行方式，則此狀態(tài)量置位，因此需建立一二次系統(tǒng)間運(yùn)行方式一致性校驗(yàn)。建立一致性校驗(yàn)規(guī)則需建立一二次系統(tǒng)運(yùn)行方式之間的約束關(guān)系，一旦發(fā)現(xiàn)實(shí)際采集的信息不滿足這些約束規(guī)則時(shí)，說明一二次運(yùn)行方式一致性校驗(yàn)出錯(cuò)，需要發(fā)送告警信息。一二次系統(tǒng)運(yùn)行方式適配與失配的描述如圖3所示。

在一二次系統(tǒng)運(yùn)行方式失配時(shí)，基于同源冗余數(shù)據(jù)比對(duì)，判斷是否發(fā)出告警信息，若發(fā)出告警信息，則結(jié)合隱性故障分類及原因，對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備進(jìn)行隱性故障辨識(shí)。

4.2? ? 系統(tǒng)角度的隱性故障辨識(shí)法

從系統(tǒng)的角度出發(fā)對(duì)同源冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)發(fā)現(xiàn)隱性故障。

投入運(yùn)行的繼電保護(hù)設(shè)備，部分在運(yùn)行過程中因各種因素會(huì)出現(xiàn)故障，通過對(duì)整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)中各繼電保護(hù)設(shè)備的歷史故障信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從系統(tǒng)的角度對(duì)某型號(hào)或某制造商產(chǎn)品在歷史上的運(yùn)行情況進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，可輔助識(shí)別分析判斷得出某產(chǎn)品是否具備家族性缺陷等異常因素。

通過對(duì)歷史故障進(jìn)行多維度分類統(tǒng)計(jì)，找出影響二次設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵因素，為二次設(shè)備的隱性故障辨識(shí)提供決策依據(jù)，統(tǒng)計(jì)的內(nèi)容包括：

（1）按重要性統(tǒng)計(jì)：即統(tǒng)計(jì)危急告警、重要告警、一般告警的次數(shù)及所占比重;

（2）按影響范圍統(tǒng)計(jì)：包括裝置本體、外部回路、通道告警、系統(tǒng)告警等告警次數(shù)及所占比重，進(jìn)一步還可以按影響范圍的詳細(xì)分類維度進(jìn)行統(tǒng)計(jì);

（3）按告警詳細(xì)分類統(tǒng)計(jì)：如統(tǒng)計(jì)CPU插件異常、定值異常、開出告警等的告警次數(shù)及所占比重。

此外，還可以結(jié)合其他維度，對(duì)上述3類指標(biāo)做進(jìn)一步分類統(tǒng)計(jì)：

（1）按二次設(shè)備廠家：如南瑞、四方、許繼、南自等廠家的二次設(shè)備平均每裝置告警指標(biāo)（包括重要性指標(biāo)、影響范圍指標(biāo)、告警詳細(xì)分類統(tǒng)計(jì)指標(biāo)等，下同）;

（2）按裝置型號(hào)：如RCS-931、CSC103B等，統(tǒng)計(jì)每種型號(hào)平均每裝置的告警指標(biāo)。

統(tǒng)計(jì)上述信息后，按照一定指標(biāo)進(jìn)行劃分，確定存在故障的繼電保護(hù)設(shè)備，再根據(jù)隱性故障的分類及原因，對(duì)隱性故障進(jìn)行辨識(shí)。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

本文基于隱性故障原因及工程實(shí)際數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀，提出了立足于變電站的隱性故障辨識(shí)法及立足于系統(tǒng)的隱性故障辨識(shí)法。前者綜合考慮數(shù)據(jù)較小情況下的零漂影響，結(jié)合一二次系統(tǒng)運(yùn)行方式的一致性校驗(yàn)，采用積分算法對(duì)變電站同源冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行差異比對(duì)，對(duì)隱性故障進(jìn)行辨識(shí);后者基于整個(gè)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)備歷史信息，對(duì)設(shè)備按不同指標(biāo)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)及信息挖掘，進(jìn)行隱性故障辨識(shí)。將立足于變電站的隱性故障辨識(shí)法與立足于系統(tǒng)的隱性故障辨識(shí)法相結(jié)合，可以增強(qiáng)電網(wǎng)隱性故障辨識(shí)能力及安全穩(wěn)定運(yùn)行能力。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 趙麗莉，李雪明，倪明，等.繼電保護(hù)與安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)隱性故障研究綜述及展望[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014，38（22）：128-135.

[2] 康曉民，胡浩雷.繼電保護(hù)與安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)隱性故障研究綜述及展望[J].科技與創(chuàng)新，2016（17）：80.

[3] 馬成鵬.繼電保護(hù)與安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)隱性故障研究綜述及展望[J].電氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2021（2）：11-12.

[4] 李文學(xué).繼電保護(hù)與安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)隱性故障研究綜述及展望[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2018，8（6）：80-81.

[5] 張馳，謝民，劉宏君，等.基于語(yǔ)義網(wǎng)的智能站繼電保護(hù)隱性故障辨識(shí)診斷技術(shù)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2019，47（14）：95-101.

[6] 李仲青，高翔，李永麗，等.考慮繼電保護(hù)隱性故障的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，36（S1）：29-35.

[7] 張勇.智能電網(wǎng)中繼電保護(hù)裝置隱性故障風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].電氣應(yīng)用，2018，37（12）：32-36.

收稿日期：2022-01-07

作者簡(jiǎn)介：楊利民（1985—），男，湖北孝感人，高級(jí)工程師，研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與控制。

通信作者：周杰（1990—），男，新疆吐魯番人，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與控制。