電力系統(tǒng)繼電保護隱性故障的研究

南京南瑞繼保電氣有限公司 錢名軍 羅江濤

電力系統(tǒng)繼電保護裝置主要是對電網(wǎng)運行狀態(tài)進行監(jiān)控，如若出現(xiàn)故障可及時開展有效保護[1]。電力系統(tǒng)繼電保護故障具有不易被察覺、不易處理等特點，使得維護人員很難第一時間對故障進行處理，導致電力系統(tǒng)無法正常工作。因此，加強電力系統(tǒng)故障研究力度具有十分重要的意義。

1 電力系統(tǒng)繼電保護裝置

在電力系統(tǒng)中，繼電保護裝置主要功能是對系統(tǒng)故障和異常進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)并及時隔離故障，從而達到預防故障擴散的目的。因此，在電力系統(tǒng)操作與維護中，繼電保護裝置較為關(guān)鍵。目前，繼電保護裝置類型較多，其在運行過程中是否具備可靠性與電力系統(tǒng)有著非常密切的聯(lián)系。自動化設(shè)備功能體現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)督和運行中，所以在電網(wǎng)日常運行和維護過程中，應(yīng)加強對繼電保護裝置檢查與維護，確保其處于正常工作狀態(tài)。

2 繼電保護隱性故障的定義

繼電保護系統(tǒng)隱形故障是指保護裝置在運行過程中，存在不易被察覺的故障，繼而造成繼電保護裝置運行隱患。如果故障處理方式不當，則會導致繼電保護裝置癱瘓，并且出現(xiàn)大面積停電現(xiàn)象，對周圍居民生活以及工業(yè)生產(chǎn)造成嚴重影響；從另一個角度來看，潛在故障就是系統(tǒng)可能存在的問題[2]，但這種問題并不能直接致使系統(tǒng)運行異常。當電力系統(tǒng)在正常運轉(zhuǎn)時，容易受外界因素影響使得系統(tǒng)運行環(huán)境發(fā)生改變，提高了隱形故障的觸發(fā)概率，嚴重時甚至會導致保護裝置喪失其原有效用。

3 繼電保護隱性故障的原因

產(chǎn)生隱性故障的原因較多，最為人們熟知的主要為兩種。一是因定值調(diào)整不正確產(chǎn)生的隱性故障。當前所采用的繼電保護均為“預先設(shè)定，實時動作”。定值調(diào)整不當，會造成繼電保護裝置運行不規(guī)律。另外，保護定值不具有適應(yīng)性，不能適應(yīng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運行方式變化。當電網(wǎng)電流由于故障或其他原因而產(chǎn)生較大變化時，若是不能迅速調(diào)整保護定值，開啟備用保護，則會導致設(shè)備故障更加嚴重，并形成潛在的安全隱患。二是設(shè)備非接觸性失效產(chǎn)生的隱性故障，即軟件和硬件失效。如PT、CT[3]以及各種繼電器。軟件系統(tǒng)失效是指程序邏輯錯誤，軟件版本錯誤以及軟件開發(fā)、測試、維護和使用錯誤等。這不僅要求廠家嚴格把關(guān)，同時也要求各用戶單位提高重視，做好日常維修、管理。硬件故障是指由于水解、氧化、高溫等環(huán)境因素而引起的硬件磨損、材料老化、外因突變等。

4 電力系統(tǒng)繼電保護隱性故障的危害

4.1 損壞重要電氣設(shè)備

電力系統(tǒng)繼電保護裝置主要通過監(jiān)測電力系統(tǒng)運行狀況，在發(fā)生故障第一時間隔離故障并警示工作人員及時排除故障，在此基礎(chǔ)上保護電力系統(tǒng)。如果存在隱性故障，嚴重情況下會導致電網(wǎng)崩潰。電網(wǎng)崩潰后，系統(tǒng)不同區(qū)域的電流和電壓會受各種因素影響而發(fā)生劇烈變化，若是系統(tǒng)設(shè)備無法承受，其整體功能會受到嚴重損害。如果存在隱性故障，繼電保護裝置就無法正常運行，導致電力系統(tǒng)事故蔓延，易對其他設(shè)備造成嚴重的負面影響，最終導致大范圍電力中斷，嚴重損害用戶利益。

4.2 對人身安全產(chǎn)生危害

在電網(wǎng)中，若不能及時發(fā)現(xiàn)并解決這些隱患，會給操作人員人身安全帶來嚴重威脅。由于繼電保護工作原理是對各個設(shè)備各種電量值進行實時檢測，從而保證整個電網(wǎng)穩(wěn)定、有效工作，如果其發(fā)生潛在故障，那么就有可能對操作人員或者測試人員造成一定影響，危及生命安全。

5 繼電保護隱性故障識別方法

在分析電力系統(tǒng)繼電保護隱性故障過程中，首先需要基于保護邏輯構(gòu)建故障集合，將電力系統(tǒng)故障區(qū)域元件和線路進行匯總，并建立線路集合P、斷路集合D、母線集合S和變壓器集合B，然后將所有的集合進行匯總，構(gòu)建目標函數(shù)集合H={P，S，D，B}。當P取值為0時，表示電力系統(tǒng)繼電保護正常，取值為1時，表示繼電保護線路故障；當S取值為0時，繼電保護正常，取值為1時，表示繼電保護母線故障；當D取值為0時，繼電保護正常，取值為1時，表示繼電保護斷路器故障；當B取值為0時，繼電保護正常，取值為1時，表示繼電保護變壓器故障。

將電力系統(tǒng)所有故障采用集合的方式將其代入目標函數(shù)中，通過判斷目標函數(shù)計算情況，進行判斷電力系統(tǒng)繼電保護是否存在故障。目標函數(shù)計算結(jié)果越小，分析結(jié)果越貼近實際情況。

5.1 目標函數(shù)

目標函數(shù)主要包括期望狀態(tài)和實際狀態(tài)，目標函數(shù)表達式如下：

根據(jù)集合H中包括四類集合，其取值情況共有2N種。首先，將集合中全部為0的故障情況代入目標函數(shù)中進行計算，進而得到函數(shù)E（H0）；其次，使2N種取值情況進入循環(huán)，并將每組數(shù)據(jù)的元素代入目標函數(shù)中進行計算，并與函數(shù)E（H0）進行比較，選取最小值；最后，重復以上步驟，直至選出最小值。目標函數(shù)算法流程如圖1所示。

圖1 目標函數(shù)算法流程

5.2 電力系統(tǒng)隱性故障識別流程

步驟1：對電力系統(tǒng)線路拓撲進行分析，并獲取信息表。當電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，分析斷路器動作保護情況，進而判斷電力系統(tǒng)故障區(qū)域。如斷路器存在動作保護，則將電力系統(tǒng)支路判斷為故障區(qū)域，且所有與母線相連接的支路均為故障區(qū)域。

步驟2：根據(jù)故障關(guān)聯(lián)信息，判斷電力系統(tǒng)支路不同元件是否存在故障，并將元件進行匯總，構(gòu)建集合H={P，S，D，B}，假設(shè)集合H有N個元素，即H擁有2N中取值情況。

步驟3：基于繼電保護關(guān)系將集合H中的元素進行劃分，分為保護啟動期望、保護動作期望和斷路器跳閘期望3個集合，每個集合取值情況均為2N。

步驟4：將每個集合中的取值情況代入目標函數(shù)中進行計算，進而可以獲得2N個計算結(jié)果，通過對獲取的計算結(jié)果進行比較，選取其中的最小值。根據(jù)最小值集合元素取值，可以推測出電力系統(tǒng)故障位置，對比電力系統(tǒng)故障預期情況和實際情況，可以判斷出電力系統(tǒng)繼電保護故障。隱性故障檢測流程如圖2所示。

圖2 隱性故障檢測流程

6 電力系統(tǒng)繼電保護隱性故障的應(yīng)對策略

6.1 加強對隱性故障的風險評估

不同的繼電保護隱性故障會對電力系統(tǒng)造成不同程度的損壞，因此必須制訂科學合理的風險評估措施，有效降低隱性故障發(fā)生的可能性，將損失控制在最小范圍內(nèi)。通過全面評估電力系統(tǒng)繼電保護隱性故障，在科學的風險評估措施支持下，可以基本避免隱性故障發(fā)生，包括如下方面的工作。一是替換老舊的電磁式繼電保護裝置，使用自動化程度更高的保護裝置。先進的自動化保護裝置不僅能夠自動檢測電力系統(tǒng)及自身運行環(huán)境異常狀況，還能實時監(jiān)測自身元器件工作狀態(tài)，具有良好的監(jiān)控和預警機制。

二是要求維修人員按照國家現(xiàn)行規(guī)范進行標準化的電力系統(tǒng)運營管理，明確各部門、各人員責任和義務(wù)，避免玩忽職守和蓄意隱瞞現(xiàn)象。同時，企業(yè)要加強運行維護人員業(yè)務(wù)培訓，不斷提高運維人員實際操作能力和業(yè)務(wù)素質(zhì)，確保繼電保護中的隱性故障能夠得到迅速解決。

三是根據(jù)繼電器保護系統(tǒng)實際情況制訂檢修計劃，詳細記錄運行階段設(shè)備故障產(chǎn)生的附加問題，第一時間識別隱藏的故障隱患，防止故障范圍再次擴大，維持電網(wǎng)安全運行。

四是，根據(jù)繼電保護隱性故障已有解決經(jīng)驗，確定不同故障成因及對電力系統(tǒng)造成的損害程度，總結(jié)工作經(jīng)驗，改進應(yīng)急處理措施。監(jiān)測和預防是相關(guān)工作的重點，在后續(xù)發(fā)生隱性故障時可以根據(jù)緊急計劃采取合理措施，盡可能地避免事故擴大，提高電氣系統(tǒng)運行安全性與穩(wěn)定性。

6.2 建設(shè)完善高效的運行監(jiān)管系統(tǒng)

僅在電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出一定峰值變動情況下，繼電保護隱性故障才能由不確定性向確定性轉(zhuǎn)變，因此必須采取適當?shù)淖詣踊夹g(shù)系統(tǒng)監(jiān)測繼電保護運行狀況，尤其要注意觀察薄弱區(qū)域和精細指數(shù)異常情況，減少隱性故障事故發(fā)生的可能性。在具體工作中，可以在變電站安裝智能監(jiān)控系統(tǒng)，重點監(jiān)控可能存在隱藏故障的位置。在此期間，需要合理調(diào)整監(jiān)控系統(tǒng)從繼電保護裝置上收到的信號，確保其具有高度吻合性，從而幫助員工全面監(jiān)控繼電保護裝置的運行。通過深入分析監(jiān)視信號和設(shè)備各種性能，根據(jù)分析結(jié)果確定隱性故障發(fā)生的可能性和位置，提高故障檢測精度，防止事故發(fā)生。首先，可以總結(jié)繼電保護裝置運維工作經(jīng)驗，以正確區(qū)分受保護設(shè)備故障是設(shè)備本身問題導致的還是受外部故障影響。其次，需要總結(jié)以往工作中遇到的隱藏故障特點，通過總結(jié)繼電保護工作和供電系統(tǒng)的潛在風險，制定合適的電力系統(tǒng)監(jiān)管制度。

6.3 提高檢測人員素質(zhì)和專業(yè)能力水平

在進行繼電保護隱性故障排查工作時，需要綜合分析在自動化設(shè)備中捕獲的信息，這對檢測人員素質(zhì)和專業(yè)能力水平都提出了較高要求。首先，要積極組建電力系統(tǒng)繼電保護隱性故障檢測專業(yè)團隊，為后續(xù)工作創(chuàng)造良好基礎(chǔ)。其次，必須確保檢測人員專業(yè)知識和技能達標。最后，在把握當前工作情況基礎(chǔ)上，合理安排后續(xù)培訓工作。

6.4 提高維護檢修工作質(zhì)量

在日常工作中，電力企業(yè)應(yīng)監(jiān)督指導有關(guān)人員積極有效開展繼電保護隱性故障檢測工作，降低潛在安全風險發(fā)生的可能性。首先，為全面改善當前電力系統(tǒng)功能，必須總結(jié)相關(guān)工作經(jīng)驗，包括短路點位置、短路類型、實際強度狀態(tài)、電氣系統(tǒng)整體運行狀態(tài)等。檢修人員必須從各種角度控制和減小阻力，保證隨著時間推移豐富隱性故障數(shù)據(jù)庫。其次，在開始電力生產(chǎn)分配之前必須檢查電氣系統(tǒng)設(shè)備，確定其處于較好的運行狀態(tài)。同時，需要定期檢查母線發(fā)電電壓，大功率發(fā)電機、線路的中低壓狀態(tài)、響應(yīng)速度等。在實際工作中，需要隨時與電氣系統(tǒng)進行全自動信息交換，隨時掌握電氣系統(tǒng)繼電保護狀態(tài)。最后，必須完善對檢修人員工作失誤或不作為情形的處罰工作。檢修人員在完成相應(yīng)維護及故障處理工作后，必須按照相關(guān)規(guī)范進行工作記錄，便于后期出現(xiàn)問題時追責[5]。

6.5 不斷完善繼電器保護裝置

目前，我國電力系統(tǒng)中使用的繼電保護裝置仍存在不足。鑒于此，需要根據(jù)我國電力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀開發(fā)新的技術(shù)，更新故障檢測方法，改善并優(yōu)化繼電保護裝置各種特性和功能，確保設(shè)備滿足電力系統(tǒng)發(fā)展需求。在設(shè)計繼電保護裝置時，應(yīng)加強繼電保護裝置冗余設(shè)計，提高繼電保護運行可靠性，確保當保護裝置發(fā)生故障時不會對電力系統(tǒng)造成嚴重影響。同時，應(yīng)基于實際故障率和繼電保護裝置故障狀態(tài)選擇冗余模式，并滿足系統(tǒng)可靠性指標要求。在此基礎(chǔ)上，可以減少硬件配置冗余，降低設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜性，對技術(shù)及設(shè)備進行改進升級，以確保繼電保護自動化裝置安全可靠。

綜上所述，電力系統(tǒng)繼電保護設(shè)備在使用中會因各種原因出現(xiàn)大量隱性故障，這些問題往往難以被及時發(fā)現(xiàn)并得到有效解決。因此，本文從分析繼電保護設(shè)備隱蔽性故障成因入手，指出其存在的潛在故障并提出相應(yīng)對策，以解決其潛在故障，確保電力系統(tǒng)始終處于正常運行狀態(tài)。