繼電保護(hù)系統(tǒng)隱性故障識(shí)別方法及軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

戴志輝，李金鑠，耿宏賢，方 偉，寇博綽

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定 071003；2.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司，北京 100037）

0 引言

繼電保護(hù)隱性故障是指在正常運(yùn)行時(shí)對(duì)系統(tǒng)不產(chǎn)生影響，但當(dāng)某些部分運(yùn)行狀態(tài)改變時(shí)（如發(fā)生故障、線路潮流增大、母線電壓降低等非正常事件發(fā)生時(shí)），才可能會(huì)被觸發(fā)的一種永久性缺陷[1-2]。其隱蔽性和不確定性增加了分析、識(shí)別的難度，往往會(huì)造成事故擴(kuò)大[3-4]。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大和電力需求的日益增長(zhǎng)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行也愈發(fā)重要[5-8]。保護(hù)隱性故障曾引發(fā)2003 年美加大停電及2014 年甘肅330kV永登變線路保護(hù)拒動(dòng)等事故[9-10]。因此，對(duì)繼電保護(hù)隱性故障的研究具有重要意義。

隱性故障會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)，前者表現(xiàn)為系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)未能正確切除故障；后者表現(xiàn)為系統(tǒng)未發(fā)生故障或發(fā)生區(qū)外故障時(shí)保護(hù)誤動(dòng)作將非故障元件錯(cuò)誤切除[11-14]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隱性故障的研究主要集中在概念、產(chǎn)生原因、系統(tǒng)建模和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面[15-17]。文獻(xiàn)[18]提出從保護(hù)分區(qū)、保護(hù)裝置、故障定位、故障識(shí)別與保護(hù)4 個(gè)方面對(duì)保護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[19]提出了一種線路電壓越限情況下的隱性故障風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。文獻(xiàn)[20]利用保護(hù)裝置測(cè)量計(jì)算值和廣域測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量計(jì)算值的差別實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置的靜態(tài)特性，識(shí)別存在的隱性故障。文獻(xiàn)[21]根據(jù)電力信息物理系統(tǒng)外來(lái)和內(nèi)部因素，研究了隱性故障對(duì)風(fēng)險(xiǎn)傳播的影響。

目前所建立的繼電保護(hù)軟件型隱性故障識(shí)別模型缺乏較為準(zhǔn)確通用的拓?fù)渚幋a體系，且在實(shí)際診斷時(shí)需重復(fù)配置保護(hù)邏輯，導(dǎo)致模型普適性較差；此外，目前的模型、方法沒(méi)有案例模板庫(kù)，無(wú)法積累拓?fù)洹Ｒ验_(kāi)展的研究中多關(guān)注電力系統(tǒng)的靜態(tài)特性，未能充分挖掘各種保護(hù)信號(hào)對(duì)隱性故障識(shí)別的作用，且沒(méi)有充分考慮各種保護(hù)的協(xié)調(diào)配合。

為此，參考構(gòu)建故障診斷解析模型的方法[22-27]，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了帶有案例模板庫(kù)的繼電保護(hù)隱性故障識(shí)別軟件，涵蓋架構(gòu)設(shè)計(jì)、拓?fù)渚幋a方法和數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別各種線路隱性故障。減少了人工投入、提高了識(shí)別準(zhǔn)確率，且有助于解決軟件型隱性故障難以識(shí)別的問(wèn)題，案例驗(yàn)證了識(shí)別效果。

1 編碼方法

為提高繼電保護(hù)隱性故障識(shí)別模型的普適性，同步制定了一套用于拓?fù)湫畔㈩A(yù)處理的編碼方法。數(shù)據(jù)預(yù)處理需對(duì)線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并編碼，用S，P，B，D 代表母線、支線、變壓器、斷路器，以拓?fù)渲凶铋L(zhǎng)的1 條支線為主，若有2 條及以上支路長(zhǎng)度相等且最長(zhǎng)，則以其中任意一條為主，將母線按從左到右或順時(shí)針（環(huán)形）順序編碼，然后從母線1 開(kāi)始對(duì)其他與主支線相連支線的母線編碼。支線編號(hào)由首、末母線編號(hào)確定，如母線S1和母線S2所連的支線的編號(hào)為P12。將支線分為3 類(lèi)：含母聯(lián)開(kāi)關(guān)支線、含變壓器支線、普通支線。由于每條支線最多存在1 個(gè)變壓器，變壓器編號(hào)同支線編號(hào)，如P12上變壓器為B12。斷路器編號(hào)同樣由首端母線與末端母線確定，但可通過(guò)下標(biāo)順序區(qū)分?jǐn)嗦菲魑恢?，如D12和D21分別表示支線12 上的首端斷路器與末端斷路器。線路拓?fù)浣?jīng)過(guò)編碼規(guī)則預(yù)處理后各元件編碼如圖1 所示。

圖1 線路拓?fù)渚幪?hào)示例Fig.1 Example of line topology number

隱性故障識(shí)別軟件的識(shí)別原理基于此編碼方法。識(shí)別時(shí)可根據(jù)元件編號(hào)中的字母判斷元件類(lèi)型，根據(jù)元件編號(hào)中數(shù)字判斷支線上下級(jí)關(guān)系或元件位置。例如在判斷P12，P14與P23的關(guān)系時(shí)通過(guò)逐位字符比對(duì)的方法，首先字母部分均為P 可知3 個(gè)元件都是支線；然后逐位判斷數(shù)字部分，P12和P14第一位相同，說(shuō)明這2 條支線都以母線1 為首端母線，根據(jù)第二位數(shù)字的大小關(guān)系判斷出P12是P14的上級(jí)支線；P12和P23數(shù)字部分第一位和第二位都不同，但P12的第二位與P23的第一位相同，說(shuō)明2 條支線均與母線2 相連，且P12以母線2 為末端母線，P23以母線2 為首端母線，即P12是P23的上級(jí)支線。

為方便后續(xù)分析，將所有線路Pij等分為pij1，pij2，pij33 段，定義H為元素pijn，Si，Sj，Dij，Dji，Bij的集合，各元素取0 和1 分別表示支路ij上對(duì)應(yīng)元件的正常和故障，故H即可表示各支線的故障情況。本文主要考慮隱性故障離線診斷，對(duì)診斷準(zhǔn)確度的要求大于診斷速度，因此令H進(jìn)行從{0 0 0 0 0…0}到{1 1 1 1 1…1}共2N種情況的遍歷，將所有可能出現(xiàn)的情況均納入診斷范圍，提高隱性故障識(shí)別準(zhǔn)確度。

通過(guò)本編碼方法，可將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行描述，將復(fù)雜的圖形化拓?fù)浜?jiǎn)化成編號(hào)的形式儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于后續(xù)的邏輯判斷和分析計(jì)算，加快了識(shí)別速度。

2 保護(hù)邏輯庫(kù)

目前存在的隱性故障識(shí)別模型在實(shí)際診斷時(shí)每次都需要重新配置一遍保護(hù)邏輯，無(wú)法快速準(zhǔn)確地進(jìn)行隱性故障識(shí)別，因此設(shè)計(jì)了通用的保護(hù)邏輯庫(kù)。配置保護(hù)邏輯時(shí)考慮了兩端保護(hù)和遠(yuǎn)近后備保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了縱聯(lián)保護(hù)V、距離I 段保護(hù)X、距離II段保護(hù)Y、距離III 段保護(hù)Z、復(fù)壓過(guò)流保護(hù)I 段Ua、復(fù)壓過(guò)流保護(hù)II 段Ub、復(fù)壓過(guò)流保護(hù)III 段Uc、斷路器失靈保護(hù)K 等多重保護(hù)的協(xié)調(diào)配合。

保護(hù)的啟動(dòng)信號(hào)期望集合A*、動(dòng)作信號(hào)期望集合R*以及斷路器的跳閘期望集合C*分別是集合H根據(jù)保護(hù)原理計(jì)算得到的啟動(dòng)、動(dòng)作信號(hào)期望以及斷路器預(yù)期跳閘情況。A*，R*，C*中元素分別為，，其值取0 和1 分別表示Dij上的t保護(hù)預(yù)期不啟動(dòng)和啟動(dòng)、預(yù)期不動(dòng)作和動(dòng)作以及Dij預(yù)期不跳閘和跳閘[28]。例如代表ij支路首端母線側(cè)距離保護(hù)I 段啟動(dòng)信號(hào)期望。在A*，R*，C*邏輯配置時(shí)，根據(jù)保護(hù)原理，若在保護(hù)范圍內(nèi)存在故障，則相應(yīng)的所有保護(hù)均應(yīng)啟動(dòng)。根據(jù)繼電保護(hù)時(shí)間整定原則，主保護(hù)延時(shí)＜近后備保護(hù)延時(shí)＜遠(yuǎn)后備保護(hù)延時(shí)。若保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障，且在已啟動(dòng)的保護(hù)中延時(shí)最小，則該保護(hù)動(dòng)作。

A*，R*根據(jù)支線的3 種類(lèi)型和保護(hù)邏輯，按V，X，Y，Z，U 的順序進(jìn)行配置，以此來(lái)模擬實(shí)際保護(hù)裝置里的保護(hù)配置。

以首端斷路器ij處主保護(hù)為縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，后備保護(hù)為距離保護(hù)的啟動(dòng)/動(dòng)作信號(hào)期望為例：

主保護(hù)啟動(dòng)/動(dòng)作期望的邏輯表達(dá)式為：

式中：||為或運(yùn)算。

距離保護(hù)I 段啟動(dòng)、動(dòng)作期望的邏輯表達(dá)式分別為：

式中：&&為與運(yùn)算；!為非運(yùn)算。

距離保護(hù)II 段啟動(dòng)、動(dòng)作期望的邏輯表達(dá)式分別為：

根據(jù)Dij處保護(hù)配置情況，假設(shè)其存在w個(gè)保護(hù)。只要Dij收到所關(guān)聯(lián)保護(hù)的動(dòng)作信號(hào)便會(huì)跳閘，若Dij存在故障則將拒動(dòng)，表達(dá)式為：

當(dāng)延時(shí)低的保護(hù)由于超出保護(hù)范圍未啟動(dòng)時(shí)，其邏輯值通過(guò)非運(yùn)算后為1，邏輯表達(dá)式&&1 后不改變結(jié)果，故對(duì)延時(shí)長(zhǎng)的保護(hù)的邏輯表達(dá)式將不造成影響。在配置遠(yuǎn)后備保護(hù)時(shí)會(huì)考慮近后備保護(hù)和主保護(hù)的動(dòng)作信號(hào)，在配置近后備保護(hù)時(shí)考慮主保護(hù)的動(dòng)作信號(hào)，達(dá)到了令多重保護(hù)協(xié)調(diào)配合的目的。

但由于保護(hù)范圍不同，涉及到下一級(jí)線路的保護(hù)邏輯配置分為首端斷路器和末端斷路器兩種情況。為末端斷路器配置含后備保護(hù)的保護(hù)邏輯時(shí)，下一級(jí)線路即以本級(jí)線路首端母線作為末端母線的線路；為首端斷路器配置考慮后備保護(hù)的保護(hù)邏輯時(shí)，下一級(jí)線路即以本級(jí)線路末端母線作為首端母線的線路。根據(jù)Dij中i與j的大小關(guān)系，可準(zhǔn)確迅速地識(shí)別出下級(jí)線路，并對(duì)i＞j和i＜j兩種情況分別構(gòu)建出疑似故障區(qū)域內(nèi)所有A*，R*，C*之間的邏輯關(guān)系，以及各種保護(hù)的關(guān)聯(lián)規(guī)則。

以圖1 拓?fù)錇槔襞渲肈32上的保護(hù)邏輯，根據(jù)D32中3 與2 的大小判斷為支線23 上的末端斷路器，則其對(duì)應(yīng)的下級(jí)線路是與本級(jí)線路首端母線相連的其他線路，即含有S2的其他支線（支線12，25）。

保護(hù)邏輯的配置和期望集合的計(jì)算復(fù)雜且數(shù)據(jù)量繁多，計(jì)算量大，因此全程使用支持多種數(shù)據(jù)類(lèi)型的動(dòng)態(tài)數(shù)組以減少內(nèi)存使用。

3 隱性故障識(shí)別流程

首先，對(duì)線路拓?fù)溥M(jìn)行預(yù)處理，并收集保護(hù)實(shí)際啟動(dòng)情況集合A、保護(hù)實(shí)際動(dòng)作情況集合R與斷路器實(shí)際跳閘情況集合C；其次，根據(jù)故障后斷路器動(dòng)作情況劃分疑似故障區(qū)域并構(gòu)建H；然后，根據(jù)H對(duì)疑似故障區(qū)域內(nèi)的保護(hù)邏輯進(jìn)行配置，得到A*，R*，C*；最后，基于3 種預(yù)期信號(hào)與實(shí)際信號(hào)最大程度匹配的原則，構(gòu)造出反映實(shí)際與預(yù)期差距的目標(biāo)函數(shù)。將H代入目標(biāo)函數(shù)，得出最優(yōu)解，并據(jù)此得到一次系統(tǒng)的故障點(diǎn)和不正確啟動(dòng)或動(dòng)作的保護(hù)，找到存在的隱性故障。隱性故障識(shí)別流程如圖2。

圖2 隱性故障識(shí)別流程Fig.2 Hidden fault identification process

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

按照編碼方法對(duì)線路拓?fù)溥M(jìn)行編號(hào)預(yù)處理并將其導(dǎo)入系統(tǒng)。此外，需將A，R，C作為目標(biāo)函數(shù)的輸入。A中元素aijx、R中元素rijx、C中元素cij取0 和1 分別表示斷路器ij上的距離保護(hù)I 段的不啟動(dòng)和啟動(dòng)、不動(dòng)作和動(dòng)作以及斷路器ij不跳閘和跳閘。

3.2 疑似故障區(qū)域識(shí)別

3.2.1 疑似故障區(qū)域初步識(shí)別

為縮小隱性故障識(shí)別范圍、減少計(jì)算量，根據(jù)電力系統(tǒng)故障后斷路器動(dòng)作情況識(shí)別疑似故障區(qū)域。識(shí)別規(guī)則為若普通支線斷路器跳閘，所在支線與其所連接的所有下條支線均為疑似故障區(qū)域；若母聯(lián)開(kāi)關(guān)跳閘，則將此支線劃分為疑似故障區(qū)域；若變壓器支線故障，則與變壓器支路相連線路均為疑似故障區(qū)域。

為快速準(zhǔn)確進(jìn)行疑似故障區(qū)域識(shí)別，利用編碼方法的關(guān)聯(lián)性，假設(shè)圖1 中D12故障，首先判斷D12位于普通支線上，其次根據(jù)斷路器編碼中1 與2 的大小判斷此斷路器為首端斷路器，最后根據(jù)判斷結(jié)果和判定規(guī)則，得到疑似故障區(qū)域?yàn)橹Ь€12 和支路23。識(shí)別過(guò)程如下：

if 支線類(lèi)型=母聯(lián)支線

疑似故障區(qū)域支線集合+=支線編號(hào)

else if 支線類(lèi)型=變壓器支線

搜索數(shù)據(jù)庫(kù)外部信息表中含Si或Sj的支線

疑似故障區(qū)域支線集合+=支線編號(hào)）

else if 支線類(lèi)型=普通支線

搜索數(shù)據(jù)庫(kù)外部信息表中含Sj的支線

疑似故障區(qū)域支線集合+=支線編號(hào)

3.2.2 疑似故障區(qū)域識(shí)別方法優(yōu)化

由于支線類(lèi)型不同，疑似故障區(qū)域識(shí)別規(guī)則也不同，不同支線識(shí)別出來(lái)的所有疑似故障區(qū)域可能會(huì)存在重復(fù)的情況，例如若普通支線P12中D12跳閘，則其疑似故障區(qū)域?yàn)镻12，P23，含母聯(lián)開(kāi)關(guān)支線P23中D23跳閘，則其疑似故障區(qū)域?yàn)镻23，在此情況下疑似故障區(qū)域中包括兩個(gè)P23。重復(fù)的疑似故障區(qū)域會(huì)增加隱性故障識(shí)別工作量，故首先進(jìn)行去重。軟件將所有識(shí)別到的疑似故障區(qū)域所含支線存入同一數(shù)組，通過(guò)冒泡排序算法對(duì)疑似故障區(qū)域內(nèi)支線編號(hào)排序并利用Contains（）函數(shù)進(jìn)行去重。得到簡(jiǎn)潔有序的疑似故障區(qū)域，減少了分析計(jì)算所用的時(shí)間和內(nèi)存。

疑似故障區(qū)域優(yōu)化流程如下：

3.3 目標(biāo)函數(shù)計(jì)算

根據(jù)疑似故障區(qū)域內(nèi)線路構(gòu)造H，并據(jù)此配置疑似故障區(qū)域內(nèi)的保護(hù)邏輯庫(kù)，得到保護(hù)啟動(dòng)/動(dòng)作信號(hào)期望集合A*，R*以及斷路器跳閘期望C*。配置好保護(hù)邏輯庫(kù)后，若H中各元素值改變，A*，R*，C*也將改變，解析模型便轉(zhuǎn)化為0-1 整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題。將所有可能發(fā)生的故障通過(guò)H代入目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)值最小時(shí)即為最優(yōu)解，即最貼近實(shí)際的情況，此時(shí)H中值為1 的元素即為一次系統(tǒng)故障發(fā)生點(diǎn)。令此時(shí)的A*，R*與A，R對(duì)比，值不同的元素即為存在隱性故障的保護(hù)。目標(biāo)函數(shù)中所有元素均為疑似故障區(qū)域內(nèi)元素，目標(biāo)函數(shù)G(H)為[27]：

4 隱性故障識(shí)別軟件

4.1 軟件架構(gòu)

首先對(duì)線路拓?fù)溥M(jìn)行編碼預(yù)處理并輸入軟件，存入案例模板庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)中。根據(jù)跳閘斷路器編號(hào)識(shí)別出疑似故障區(qū)域并存入隱性故障識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)。

對(duì)疑似故障區(qū)域內(nèi)的支線進(jìn)行保護(hù)邏輯的配置以得到保護(hù)啟動(dòng)/動(dòng)作信號(hào)期望、斷路器跳閘期望，將期望集合和實(shí)際啟動(dòng)/動(dòng)作信號(hào)集合代入目標(biāo)函數(shù)，分析計(jì)算結(jié)果并顯示結(jié)論。軟件架構(gòu)如圖3。

圖3 軟件架構(gòu)Fig.3 Software architecture

4.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)預(yù)處理后的線路拓?fù)浜捅Ｗo(hù)的實(shí)際/預(yù)期啟動(dòng)/動(dòng)作信號(hào)，并提供歷史數(shù)據(jù)的插入、刪除、修改、查詢(xún)、顯示和分析。數(shù)據(jù)遍歷及對(duì)比計(jì)算的計(jì)算量為O（N*2N），采用Access 數(shù)據(jù)庫(kù)作為支撐結(jié)構(gòu)可以避免在中間數(shù)據(jù)取用、計(jì)算環(huán)節(jié)產(chǎn)生錯(cuò)誤。

數(shù)據(jù)庫(kù)由外部拓?fù)湫畔⒈砗捅Ｗo(hù)與信號(hào)表構(gòu)成。表1 為外部拓?fù)湫畔⒈?，用于存放編碼預(yù)處理后的線路拓?fù)?，為隱性故障識(shí)別提供數(shù)據(jù)支撐。

表1 外部拓?fù)湫畔⒈鞹able 1 External topology information

表1 中的主碼用來(lái)唯一地標(biāo)識(shí)某一行，相當(dāng)于該行唯一的識(shí)別碼，起到與其他行進(jìn)行區(qū)分的作用。外部拓?fù)湫畔⒈砜赏瑫r(shí)存儲(chǔ)多個(gè)變電站的拓?fù)湫畔?。?dāng)識(shí)別不同案例的隱性故障時(shí)，拓?fù)渚幪?hào)可能會(huì)重復(fù)使用，故支線編號(hào)無(wú)法唯一表示某條支線，所以每錄入一條支線，軟件會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)無(wú)重復(fù)隨機(jī)數(shù)作為表1 的主碼。當(dāng)不同案例的拓?fù)渚幪?hào)重復(fù)使用時(shí)，線路編號(hào)相同的兩條支線在不同案例中的類(lèi)型和所含元件都有可能不同。因此設(shè)置“組別”屬性對(duì)不同案例進(jìn)行區(qū)分，以防止識(shí)別某案例存在的隱性故障時(shí)其他案例的同編號(hào)支線造成干擾。在實(shí)際情況中，“組別”屬性可用漢字或英文字母來(lái)表示，本文表格以“甲”代表某次識(shí)別時(shí)的案例。若支線類(lèi)型為含母聯(lián)開(kāi)關(guān)支線，則標(biāo)記為m；若為變壓器支線，則標(biāo)記為T(mén)；若為普通支線，則不標(biāo)記。由于不同類(lèi)型的支線在識(shí)別疑似故障區(qū)域時(shí)使用的算法不同，識(shí)別時(shí)令支線的3 種類(lèi)型與對(duì)應(yīng)的算法進(jìn)行匹配，以實(shí)現(xiàn)隱性故障識(shí)別規(guī)則根據(jù)支線類(lèi)型進(jìn)行區(qū)分的目的。

支線上元件個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)時(shí)考慮支線類(lèi)型，以母聯(lián)支線和含變壓器支線上元件個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)為例：

if 支線類(lèi)型=母聯(lián)支線

元件數(shù)=3

else if 支線類(lèi)型=變壓器支線

if 首端斷路器末端斷路器均存在

元件數(shù)=5

else if 首、末端斷路器只存在其中1 個(gè)

元件數(shù)=4

else if 首端斷路器末端斷路器均不存在

元件數(shù)=3

保護(hù)與信號(hào)表中屬性包括保護(hù)名稱(chēng)、A*，A，R*，R組別。識(shí)別出疑似故障區(qū)域內(nèi)存在的保護(hù)后，將線路故障時(shí)的A與R錄入保護(hù)與信號(hào)表，并將保護(hù)名稱(chēng)作為主碼，如表2 所示。由于每一行的保護(hù)名稱(chēng)均不同，故其可以起到主碼的作用，因此將保護(hù)名稱(chēng)作為保護(hù)與信號(hào)表的主碼，不再額外設(shè)置。在隱性故障識(shí)別結(jié)束后，將此表的數(shù)據(jù)清空，防止系統(tǒng)再次進(jìn)行隱性故障識(shí)別時(shí)主碼重復(fù)阻礙分析。

表2 保護(hù)與信號(hào)表Table 2 Protection and Signal

為提高繼電保護(hù)隱性故障識(shí)別模型的普適性，本文將外部拓?fù)湫畔⒈韮?nèi)數(shù)據(jù)生成案例模板庫(kù)，實(shí)現(xiàn)案例的積累，線路拓?fù)渲貜?fù)使用時(shí)無(wú)需重復(fù)導(dǎo)入，可直接根據(jù)A，R，C進(jìn)行診斷，提高了效率。當(dāng)電網(wǎng)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，將變化部分重新編碼，在歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)界面的表格中進(jìn)行修改即可。必要時(shí)可將案例模板庫(kù)中數(shù)據(jù)導(dǎo)出，方便傳輸與保存。

5 算例驗(yàn)證與分析

5.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

以某發(fā)生雷擊事故的變電站為例，圖4 為局部電網(wǎng)拓?fù)?。正常運(yùn)行時(shí)母聯(lián)開(kāi)關(guān)212 與312 斷開(kāi)。雷擊時(shí)，雷擊點(diǎn)在B 變電站35 kV 側(cè)F 線上，斷路器375 過(guò)流II 段動(dòng)作，375 跳閘；兩分鐘后，斷路器150 距離III 段動(dòng)作，150 跳閘，母聯(lián)112 斷路器A 變電站1 號(hào)主變壓器復(fù)壓方向I 段I 時(shí)限保護(hù)動(dòng)作，112 跳閘導(dǎo)致多處變電站全站失壓。

圖4 局部電網(wǎng)拓?fù)鋱DFig.4 Partial grid topology

按編碼規(guī)則將事故拓?fù)鋱D中母線編號(hào)（母聯(lián)開(kāi)關(guān)212 和312 均處于斷開(kāi)位，無(wú)需考慮）預(yù)處理，并命名為f 站（即組別為f）；將拓?fù)湫畔浫胂到y(tǒng)并存入圖5 所示案例模板庫(kù)。

圖5 案例模板庫(kù)Fig.5 Case template library

當(dāng)更改跳閘斷路器或啟動(dòng)、動(dòng)作信號(hào)再次分析本拓?fù)鋾r(shí)，無(wú)需再次進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，提高了分析效率。案例模板庫(kù)可在歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)界面查詢(xún)、修改并導(dǎo)出，操作靈活簡(jiǎn)便。軟件主界面如圖6。

圖6 主界面Fig.6 Main interface

5.2 疑似故障區(qū)域識(shí)別

根據(jù)事故結(jié)果，跳閘的斷路器應(yīng)為母聯(lián)開(kāi)關(guān)12、斷路器23。輸入跳閘斷路器編號(hào)12，23，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)拓?fù)湫畔?、斷路器所在支線類(lèi)型和識(shí)別方法得到疑似故障區(qū)域：支線12，23，34。則目標(biāo)函數(shù)輸入為H={D12，D23，D32，D43，B34，P231，P232，P233，S1，S2，S3，S4}，根據(jù)斷路器跳閘情況可得到C集合。

5.3 實(shí)際啟動(dòng)/動(dòng)作信號(hào)錄入

識(shí)別出疑似故障區(qū)域后，系統(tǒng)根據(jù)疑似故障區(qū)域內(nèi)支線的類(lèi)型以及元件的情況自動(dòng)構(gòu)建出存在的保護(hù)，并生成表格。將事故發(fā)生時(shí)各保護(hù)的實(shí)際啟動(dòng)/動(dòng)作信號(hào)通過(guò)界面表格錄入軟件，數(shù)字0，1，2分別代表不啟動(dòng)/不動(dòng)作、啟動(dòng)/動(dòng)作、未輸入數(shù)據(jù)。實(shí)際保護(hù)動(dòng)作信號(hào)R={0，0，0，0，0，0，1，0，2，2，1，2，2，0，0，0}，實(shí)際保護(hù)啟動(dòng)信號(hào)A={0，0，0，0，0，0，1，0，2，2，1，2，2，1，1，1}。

5.4 保護(hù)邏輯配置和目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化計(jì)算

H每變化一次，軟件根據(jù)保護(hù)邏輯、跳閘斷路器D12、D23以及此時(shí)的H構(gòu)建出A*，R*，C*集合并對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。得到最優(yōu)解9，對(duì)應(yīng)的H={0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1}，根據(jù)配置的保護(hù)邏輯，此時(shí)對(duì)應(yīng)的保護(hù)的動(dòng)作信號(hào)期望R*={0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，0，0}，保護(hù)啟動(dòng)信號(hào)期望A*={0，0，0，0，0，0，1，0，0，0，1，1，1，1，1，1}。根據(jù)集合H可識(shí)別出在母線4 上發(fā)生了1 次故障；對(duì)比A，R與A*，R*之間的差異可知斷路器12（即斷路器112）上復(fù)壓過(guò)流I 段、斷路器23（即斷路器150）上距離保護(hù)III段和斷路器43（即斷路器302）上復(fù)壓過(guò)流保護(hù)存在隱性故障。

該次事故的分析報(bào)告顯示，375 斷路器跳閘后，雷擊過(guò)電壓造成375 近母線側(cè)（母線4）靜觸頭座三相閃烙放電。由于保護(hù)越級(jí)動(dòng)作，A 變電站1 號(hào)主變壓器110 kV 側(cè)復(fù)壓過(guò)流保護(hù)和150 斷路器線路保護(hù)距離保護(hù)與B 變電站2 號(hào)主變壓器35 kV 側(cè)復(fù)壓過(guò)流II 段保護(hù)同時(shí)啟動(dòng)[26]。A 變電站1 號(hào)主變壓器110 kV 側(cè)復(fù)壓過(guò)流保護(hù)I 段I 時(shí)限與110 kV臨北II 回150 線路接地距離保護(hù)III 段動(dòng)作時(shí)限均為2.0 s；B 變電站2 號(hào)主變壓器35 kV 復(fù)壓過(guò)流III段動(dòng)作時(shí)限為2.1 s，110 kV 復(fù)壓過(guò)流保護(hù)I 段動(dòng)作時(shí)限為2.4 s。故A 變電站150 斷路器、母聯(lián)112 斷路器先跳閘并將故障點(diǎn)切除，引起線路多處失壓。實(shí)際情況與軟件識(shí)別結(jié)果相同。

與現(xiàn)有方案相比，本文將線路拓?fù)渫ㄟ^(guò)編碼轉(zhuǎn)化為數(shù)字的形式便于計(jì)算機(jī)識(shí)別，還可存儲(chǔ)在案例模板庫(kù)中，增強(qiáng)了軟件的普適性；其次，根據(jù)斷路器跳閘情況，制定了疑似故障區(qū)域識(shí)別方法，有效地縮小了故障劃分范圍，減少了后續(xù)計(jì)算量；然后，不僅考慮了斷路器跳閘情況，還充分利用了各種保護(hù)信號(hào)。在考慮縱聯(lián)保護(hù)、距離保護(hù)、復(fù)壓過(guò)流保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)等多種保護(hù)配合的情況下，構(gòu)建了保護(hù)解析模型，更符合實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行情況；最后，基于預(yù)期情況與實(shí)際情況最大吻合原則，構(gòu)建了目標(biāo)函數(shù)，將故障診斷問(wèn)題轉(zhuǎn)化為0-1 規(guī)劃問(wèn)題，提高了運(yùn)算速度。經(jīng)目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化計(jì)算后，軟件即可自動(dòng)識(shí)別保護(hù)系統(tǒng)中存在的隱性故障和一次系統(tǒng)故障點(diǎn)，減少了人員工作量，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性。

6 結(jié)論

研究了繼電保護(hù)軟件型隱性故障的識(shí)別方法，制訂了適用于隱性故障識(shí)別的編碼規(guī)則，設(shè)計(jì)了包含縱聯(lián)保護(hù)、復(fù)壓過(guò)流保護(hù)、距離保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)的保護(hù)邏輯庫(kù)，并根據(jù)隱性故障識(shí)別方法設(shè)計(jì)了繼電保護(hù)隱性故障識(shí)別軟件。

1）通用的拓?fù)渚幋a方法以編碼形式將拓?fù)鋱D儲(chǔ)存在案例模板庫(kù)中，無(wú)需重復(fù)對(duì)拓?fù)溥M(jìn)行預(yù)處理，提高了使用效率。基于編碼的關(guān)聯(lián)性提出考慮斷路器跳閘情況和支線類(lèi)型的疑似故障區(qū)域識(shí)別方法，縮小了隱性故障識(shí)別范圍。

2）在疑似故障區(qū)域內(nèi)基于編碼方法配置了考慮后備保護(hù)和兩端保護(hù)的多重保護(hù)邏輯，提高了保護(hù)邏輯庫(kù)的準(zhǔn)確性和普適性。由于保護(hù)之間的配置規(guī)則以及根據(jù)保護(hù)原理所搭建的邏輯關(guān)系式具有通用性，即使系統(tǒng)運(yùn)行方式改變，隱性故障仍可識(shí)別。根據(jù)保護(hù)邏輯構(gòu)建了期望信號(hào)集合并與實(shí)際信號(hào)集合對(duì)比，識(shí)別出保護(hù)系統(tǒng)中存在隱性故障的保護(hù)，達(dá)到了精準(zhǔn)識(shí)別隱性故障的目的。

3）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了帶有案例模板庫(kù)的繼電保護(hù)隱性故障識(shí)別軟件，并通過(guò)實(shí)際案例驗(yàn)證了軟件的實(shí)用性與準(zhǔn)確性。