双重化继电保护隐性故障风险评估研究

吴少斌，陈小琪

（1.国网四川省电力公司检修公司，四川 成都 610042；2.国网四川省电力公司经济技术研究院，四川 成都 610041）

0 引 言

我国国家电网使用的电力系统虽然带来了明显的经济利益，但对我国电网电力系统安全提出了更高要求。近年来，双重化继电保护系统的开发和使用，减少了我国电力系统的各类连锁型故障问题，提高了电力系统的安全性。稳定、安全、可靠的继电保护系统，是电力系统安全运行的必要条件。有关单位统计数据显示，我国超过220 kV的国家电网均采用了双重化继电保护系统，变压器保护系统安全重合率也逐渐接近100%。此外，电力母线的双重继电保护系统也受到了极高重视，重合率为70%以上。可以说，双重化配置的继电保护系统对我国电网输出具有重要作用。为了保证双重化继电保护系统安全、合理运行，国家电力输出行业对其风险评估提出了多种评估方式。采用最小二乘法建立评估模型，对继电保护系统参数进行评估，并在此基础上整体评价其可靠性具有可行性。对此，基于双重化继电保护装置的工作原理和配备结构，建立其风险评估模型，综合评估继电保护装置的风险性[1]。

1 隐性故障模型的建立

1.1 隐性故障模型结构分析

我国电力资料数据显示，继电保护装置80%以上的故障来自隐性故障。所以，隐性故障是我国国家电力系统和继电保护系统最大的安全隐患。继电保护系统的隐形故障主要是指电力系统在电力应用时，因为电力系统资源配置问题和电路电流设计结构问题导致的电源线路误动。继电保护系统内部一旦发生隐形故障，很可能不断扩大故障严重性，进而汇聚成大型电力系统连锁性故障，最终造成巨大的经济能源损失。为了提高设计表达精确度，提出两种不同的数据模型用于表述继电保护装置和电力系统发电装置的隐性故障，其线路保护隐性故障特性如图1所示。

图1 线路保护隐性故障特征示意图

在进行电力线路风险保护时，电源线路有可能存在的风险P与双重化继电保护系统存在的电源线路误动率Z具有直接关联。当继电保护装置所在线路阻抗小于整体阻抗3倍以上时，将设定Z3的误动概率为一个常数量PW[2]。当Z值大于3倍测定值时，继电保护装置的整体误动概率会按照一定的指数规律不断缩小，表达式如下：

电力保护的隐性故障特性示意图如图2所示。

图2 发电机保护隐性故障特性示意图

在电力系统发电装置保护中，保护装置的误动率P与发电机内部电机极端电压U有关。当极端电压处于空置范围时，其双重化继电保护装置的风险性概率可以直接表示为一个较小的值。当电源的极端电压过大超过标准范围时，保护装置的误动概率会出现较大增长，为一个大概率常数。图1和图2集中表示了误动率装置的结构和划分，虚线表示继电保护升级后的电源线路变化情况。通过两条线的客观比对可以确定，对于继电保护装置来说，高性能保护装置误动率明显减少[3]。

1.2 故障树结构分析

应用故障树可以更清楚研究和分析双重化继电保护装置的故障发展过程，如图3所示。资料显示，在电网内部，当某线路被人工阻隔后，该线路周围所有的电源线路包括双重化继电保护系统均有可能产生误动效应。也就是说，该线路所连接的区域有可能存在大型连锁型误动效应，大大增加了继电保护装置的隐性故障率。对此，将上述线路以及可能出现隐性故障的电源区集中定位为故障准误动线路集合。故障树主要用于表示具有误动隐患的线路集合和出现误动事件的过程。以电力负荷清除、发电机系统以及电网解列等多重连锁故障以及其故障反应结构作为其终止条件[4]。

图3 连锁故障树结构示意图

图3中，每个图像方框均为一个概率事件，方框序号即为事件序号，方框之间的连线代表其故障连锁发展过程。每一层的各级事件为互相排斥事件，也就是根据该区域发生连锁型故障的综合表述和模型结构可以确定，每一层仅会发生一处事件。根据上述建立的风险评估和故障树模型，可对风险概率事件进行综合评估，从而确定故障树发展路径。图3给出了9个发展事件，此9个事件为连锁故障事件中最容易出现的部分故障概率事件，其他概念事件可以以此类推。图3中事件的解释如下。

I事件：继电保护装置的1组动作，主要表示双重化继电保护装置的动态协作动作，当线路1被切除时，可以为后续线路组成具有动态效应的误动子集。

II事件：继电保护装置的2组动作，主要表示继电保护装置的两组不同动态效应，如果切除，可以保证其事件脱离发电系统。

III事件：继电保护装置的3组动作，可以对对应区域的研究子集进行总结。

IV事件：继电保护装置的4组动作，需要保证继电网根据图2中的虚线进行分解，保证其组成同效的两部分。

V事件：继电保护装置的5组动作，可以对继电保护装置的4、8组动作组成成动态协同误动子集。

VI事件：继电保护装置的6组动作，主要用于表述电力负荷M以及其系统脱离情况。

VII事件：继电保护装置的7组动作，主要用于直接表述与之相对应的误动子集和继电保护装置结构。

VIII事件：继电保护装置的8组动作，确定保护装置的第4组和第8组为误动子集，并对其进行综合评估，确定是否会继续产生连锁故障。

IX事件：继电保护装置的9组动作，确定保护装置的第4组和第7组为误动子集，确定连锁型故障不会继续发展。

此外该故障树还包括三组连锁故障：故障1，主要由上述I事件和II事件组成，通过继电保护系统的第1组和第2组动作，有可能造成电源线路故障脱离；故障2，主要是由上述6、7、9组动作构成，有可能造成电路电源直接脱离电路系统；故障3，主要由I事件和IV事件组成，有可能造成电路电网直接解列[5]。

2 基于风险理论的隐性故障评估

风险即电力系统线路出现故障灾害的可能性或者灾害破坏程度的大小。风险评估是通过某种评估方法或模型，利用一系列评估动作，使操作人员和安全工程人员可以较系统地检测出设备产生灾害的可能性，从而提前选择相对合适的安全措施。因为继电保护装置的风险具有组合性效应，即可以累积叠加和组合，所以风险评估的对象不仅是电网局部个体，也是区域整体。通过利用收集到的电路电力系统指标，根据各级事件概率和评估模型，确定事故整体影响性。通过比对分析可以确定，在运行过程中，现代电网继电保护装置的负荷、电源以及电网三方面为继电保护装置故障风险最大的区域。将此三方面风险进行综合评估，即可获取整个电源电力系统包括继电保护装置的风险性。综上，风险可以归纳为负荷风险、电源风险、电网风险和整体风险。

负荷风险即继电保护装置出现故障时，因为跳闸而出现负荷断裂的情况，概率表达式为：

其中i为继电保护装置出现的故障序号；N为整体故障数。

电源风险为继电保护装置出现隐性故障时，因电源线路断裂以及电网发电系统出现整体误动效应造成的电机启动问题或继电器风险问题。电网风险即为电力系统出现系统故障后，因为电解跳闸导致的电网解列。

上述三类风险的评估实现除了要根据设计的评估模型外，还需要引入蒙特卡洛特法。该方法主要通过大型概率评估和统计数据，对大型复杂的电力系统进行实际分析。设计引入蒙特卡罗特法，构建了一个故障概率空间。在概率空间内，提前设计一个随机变量X及其统计变量G，通过计算机仿真软件对G的近似值进行评估。随着电子计算技术不断提升，它的算法速度随之提高。该设计在概率空间内随机选取触发事件，支撑系统误动子集，建立隐性故障模型。通过风险潮流计算，确定双重化继电保护装置出现故障误动的实际概率。根据获取的概率，分析保护装置，并将其概率触发。如果继电保护装置出现电源误动，则直接导致电源鼓励、负荷鼓励以及电网障碍等问题。根据误动概率利用故障树重新开始故障评估，直到继电仿真最大次数。

3 实验数据分析

为了实际分析设计的双重化继电保护隐性故障风险评估方法是否真实有效，进行了仿真对比实验。模拟故障继电保护装置，设计同样故障点和故障问题，建立仿真环境。具体地，实验组搭载设计的故障风险评估方法，对比组使用传统评估方法进行实际对比，结果如表1所示。

通过实验数据可以清晰看出，实验组评估正确率明显高于对比组，证明设计的评估方法真实有效。

表1 实验参数对比表

4 结 论

设计双重化继电保护隐形故障风险评估模型，首先通过使用继电保护装置隐形概率分析模型对电力系统进行分析描述，其次通过分析保护系统内在机理明确保护装置的连锁作用，利用母线孤立风险、显现负荷风险和电网解列风险等综合风险性评估整体隐性故障风险，以此提出风险预防措施。实验证明，该继电保护隐性故障风险评估方法真实有效。