雙重化繼電保護(hù)隱性故障風(fēng)險評估研究

吳少斌，陳小琪

（1.國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610042；2.國網(wǎng)四川省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，四川 成都 610041）

0 引 言

我國國家電網(wǎng)使用的電力系統(tǒng)雖然帶來了明顯的經(jīng)濟(jì)利益，但對我國電網(wǎng)電力系統(tǒng)安全提出了更高要求。近年來，雙重化繼電保護(hù)系統(tǒng)的開發(fā)和使用，減少了我國電力系統(tǒng)的各類連鎖型故障問題，提高了電力系統(tǒng)的安全性。穩(wěn)定、安全、可靠的繼電保護(hù)系統(tǒng)，是電力系統(tǒng)安全運行的必要條件。有關(guān)單位統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國超過220 kV的國家電網(wǎng)均采用了雙重化繼電保護(hù)系統(tǒng)，變壓器保護(hù)系統(tǒng)安全重合率也逐漸接近100%。此外，電力母線的雙重繼電保護(hù)系統(tǒng)也受到了極高重視，重合率為70%以上?？梢哉f，雙重化配置的繼電保護(hù)系統(tǒng)對我國電網(wǎng)輸出具有重要作用。為了保證雙重化繼電保護(hù)系統(tǒng)安全、合理運行，國家電力輸出行業(yè)對其風(fēng)險評估提出了多種評估方式。采用最小二乘法建立評估模型，對繼電保護(hù)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行評估，并在此基礎(chǔ)上整體評價其可靠性具有可行性。對此，基于雙重化繼電保護(hù)裝置的工作原理和配備結(jié)構(gòu)，建立其風(fēng)險評估模型，綜合評估繼電保護(hù)裝置的風(fēng)險性[1]。

1 隱性故障模型的建立

1.1 隱性故障模型結(jié)構(gòu)分析

我國電力資料數(shù)據(jù)顯示，繼電保護(hù)裝置80%以上的故障來自隱性故障。所以，隱性故障是我國國家電力系統(tǒng)和繼電保護(hù)系統(tǒng)最大的安全隱患。繼電保護(hù)系統(tǒng)的隱形故障主要是指電力系統(tǒng)在電力應(yīng)用時，因為電力系統(tǒng)資源配置問題和電路電流設(shè)計結(jié)構(gòu)問題導(dǎo)致的電源線路誤動。繼電保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部一旦發(fā)生隱形故障，很可能不斷擴(kuò)大故障嚴(yán)重性，進(jìn)而匯聚成大型電力系統(tǒng)連鎖性故障，最終造成巨大的經(jīng)濟(jì)能源損失。為了提高設(shè)計表達(dá)精確度，提出兩種不同的數(shù)據(jù)模型用于表述繼電保護(hù)裝置和電力系統(tǒng)發(fā)電裝置的隱性故障，其線路保護(hù)隱性故障特性如圖1所示。

圖1 線路保護(hù)隱性故障特征示意圖

在進(jìn)行電力線路風(fēng)險保護(hù)時，電源線路有可能存在的風(fēng)險P與雙重化繼電保護(hù)系統(tǒng)存在的電源線路誤動率Z具有直接關(guān)聯(lián)。當(dāng)繼電保護(hù)裝置所在線路阻抗小于整體阻抗3倍以上時，將設(shè)定Z3的誤動概率為一個常數(shù)量PW[2]。當(dāng)Z值大于3倍測定值時，繼電保護(hù)裝置的整體誤動概率會按照一定的指數(shù)規(guī)律不斷縮小，表達(dá)式如下：

電力保護(hù)的隱性故障特性示意圖如圖2所示。

圖2 發(fā)電機(jī)保護(hù)隱性故障特性示意圖

在電力系統(tǒng)發(fā)電裝置保護(hù)中，保護(hù)裝置的誤動率P與發(fā)電機(jī)內(nèi)部電機(jī)極端電壓U有關(guān)。當(dāng)極端電壓處于空置范圍時，其雙重化繼電保護(hù)裝置的風(fēng)險性概率可以直接表示為一個較小的值。當(dāng)電源的極端電壓過大超過標(biāo)準(zhǔn)范圍時，保護(hù)裝置的誤動概率會出現(xiàn)較大增長，為一個大概率常數(shù)。圖1和圖2集中表示了誤動率裝置的結(jié)構(gòu)和劃分，虛線表示繼電保護(hù)升級后的電源線路變化情況。通過兩條線的客觀比對可以確定，對于繼電保護(hù)裝置來說，高性能保護(hù)裝置誤動率明顯減少[3]。

1.2 故障樹結(jié)構(gòu)分析

應(yīng)用故障樹可以更清楚研究和分析雙重化繼電保護(hù)裝置的故障發(fā)展過程，如圖3所示。資料顯示，在電網(wǎng)內(nèi)部，當(dāng)某線路被人工阻隔后，該線路周圍所有的電源線路包括雙重化繼電保護(hù)系統(tǒng)均有可能產(chǎn)生誤動效應(yīng)。也就是說，該線路所連接的區(qū)域有可能存在大型連鎖型誤動效應(yīng)，大大增加了繼電保護(hù)裝置的隱性故障率。對此，將上述線路以及可能出現(xiàn)隱性故障的電源區(qū)集中定位為故障準(zhǔn)誤動線路集合。故障樹主要用于表示具有誤動隱患的線路集合和出現(xiàn)誤動事件的過程。以電力負(fù)荷清除、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)以及電網(wǎng)解列等多重連鎖故障以及其故障反應(yīng)結(jié)構(gòu)作為其終止條件[4]。

圖3 連鎖故障樹結(jié)構(gòu)示意圖

圖3中，每個圖像方框均為一個概率事件，方框序號即為事件序號，方框之間的連線代表其故障連鎖發(fā)展過程。每一層的各級事件為互相排斥事件，也就是根據(jù)該區(qū)域發(fā)生連鎖型故障的綜合表述和模型結(jié)構(gòu)可以確定，每一層僅會發(fā)生一處事件。根據(jù)上述建立的風(fēng)險評估和故障樹模型，可對風(fēng)險概率事件進(jìn)行綜合評估，從而確定故障樹發(fā)展路徑。圖3給出了9個發(fā)展事件，此9個事件為連鎖故障事件中最容易出現(xiàn)的部分故障概率事件，其他概念事件可以以此類推。圖3中事件的解釋如下。

I事件：繼電保護(hù)裝置的1組動作，主要表示雙重化繼電保護(hù)裝置的動態(tài)協(xié)作動作，當(dāng)線路1被切除時，可以為后續(xù)線路組成具有動態(tài)效應(yīng)的誤動子集。

II事件：繼電保護(hù)裝置的2組動作，主要表示繼電保護(hù)裝置的兩組不同動態(tài)效應(yīng)，如果切除，可以保證其事件脫離發(fā)電系統(tǒng)。

III事件：繼電保護(hù)裝置的3組動作，可以對對應(yīng)區(qū)域的研究子集進(jìn)行總結(jié)。

IV事件：繼電保護(hù)裝置的4組動作，需要保證繼電網(wǎng)根據(jù)圖2中的虛線進(jìn)行分解，保證其組成同效的兩部分。

V事件：繼電保護(hù)裝置的5組動作，可以對繼電保護(hù)裝置的4、8組動作組成成動態(tài)協(xié)同誤動子集。

VI事件：繼電保護(hù)裝置的6組動作，主要用于表述電力負(fù)荷M以及其系統(tǒng)脫離情況。

VII事件：繼電保護(hù)裝置的7組動作，主要用于直接表述與之相對應(yīng)的誤動子集和繼電保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)。

VIII事件：繼電保護(hù)裝置的8組動作，確定保護(hù)裝置的第4組和第8組為誤動子集，并對其進(jìn)行綜合評估，確定是否會繼續(xù)產(chǎn)生連鎖故障。

IX事件：繼電保護(hù)裝置的9組動作，確定保護(hù)裝置的第4組和第7組為誤動子集，確定連鎖型故障不會繼續(xù)發(fā)展。

此外該故障樹還包括三組連鎖故障：故障1，主要由上述I事件和II事件組成，通過繼電保護(hù)系統(tǒng)的第1組和第2組動作，有可能造成電源線路故障脫離；故障2，主要是由上述6、7、9組動作構(gòu)成，有可能造成電路電源直接脫離電路系統(tǒng)；故障3，主要由I事件和IV事件組成，有可能造成電路電網(wǎng)直接解列[5]。

2 基于風(fēng)險理論的隱性故障評估

風(fēng)險即電力系統(tǒng)線路出現(xiàn)故障災(zāi)害的可能性或者災(zāi)害破壞程度的大小。風(fēng)險評估是通過某種評估方法或模型，利用一系列評估動作，使操作人員和安全工程人員可以較系統(tǒng)地檢測出設(shè)備產(chǎn)生災(zāi)害的可能性，從而提前選擇相對合適的安全措施。因為繼電保護(hù)裝置的風(fēng)險具有組合性效應(yīng)，即可以累積疊加和組合，所以風(fēng)險評估的對象不僅是電網(wǎng)局部個體，也是區(qū)域整體。通過利用收集到的電路電力系統(tǒng)指標(biāo)，根據(jù)各級事件概率和評估模型，確定事故整體影響性。通過比對分析可以確定，在運行過程中，現(xiàn)代電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置的負(fù)荷、電源以及電網(wǎng)三方面為繼電保護(hù)裝置故障風(fēng)險最大的區(qū)域。將此三方面風(fēng)險進(jìn)行綜合評估，即可獲取整個電源電力系統(tǒng)包括繼電保護(hù)裝置的風(fēng)險性。綜上，風(fēng)險可以歸納為負(fù)荷風(fēng)險、電源風(fēng)險、電網(wǎng)風(fēng)險和整體風(fēng)險。

負(fù)荷風(fēng)險即繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)故障時，因為跳閘而出現(xiàn)負(fù)荷斷裂的情況，概率表達(dá)式為：

其中i為繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)的故障序號；N為整體故障數(shù)。

電源風(fēng)險為繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)隱性故障時，因電源線路斷裂以及電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)整體誤動效應(yīng)造成的電機(jī)啟動問題或繼電器風(fēng)險問題。電網(wǎng)風(fēng)險即為電力系統(tǒng)出現(xiàn)系統(tǒng)故障后，因為電解跳閘導(dǎo)致的電網(wǎng)解列。

上述三類風(fēng)險的評估實現(xiàn)除了要根據(jù)設(shè)計的評估模型外，還需要引入蒙特卡洛特法。該方法主要通過大型概率評估和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對大型復(fù)雜的電力系統(tǒng)進(jìn)行實際分析。設(shè)計引入蒙特卡羅特法，構(gòu)建了一個故障概率空間。在概率空間內(nèi)，提前設(shè)計一個隨機(jī)變量X及其統(tǒng)計變量G，通過計算機(jī)仿真軟件對G的近似值進(jìn)行評估。隨著電子計算技術(shù)不斷提升，它的算法速度隨之提高。該設(shè)計在概率空間內(nèi)隨機(jī)選取觸發(fā)事件，支撐系統(tǒng)誤動子集，建立隱性故障模型。通過風(fēng)險潮流計算，確定雙重化繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)故障誤動的實際概率。根據(jù)獲取的概率，分析保護(hù)裝置，并將其概率觸發(fā)。如果繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)電源誤動，則直接導(dǎo)致電源鼓勵、負(fù)荷鼓勵以及電網(wǎng)障礙等問題。根據(jù)誤動概率利用故障樹重新開始故障評估，直到繼電仿真最大次數(shù)。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

為了實際分析設(shè)計的雙重化繼電保護(hù)隱性故障風(fēng)險評估方法是否真實有效，進(jìn)行了仿真對比實驗。模擬故障繼電保護(hù)裝置，設(shè)計同樣故障點和故障問題，建立仿真環(huán)境。具體地，實驗組搭載設(shè)計的故障風(fēng)險評估方法，對比組使用傳統(tǒng)評估方法進(jìn)行實際對比，結(jié)果如表1所示。

通過實驗數(shù)據(jù)可以清晰看出，實驗組評估正確率明顯高于對比組，證明設(shè)計的評估方法真實有效。

表1 實驗參數(shù)對比表

4 結(jié) 論

設(shè)計雙重化繼電保護(hù)隱形故障風(fēng)險評估模型，首先通過使用繼電保護(hù)裝置隱形概率分析模型對電力系統(tǒng)進(jìn)行分析描述，其次通過分析保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)在機(jī)理明確保護(hù)裝置的連鎖作用，利用母線孤立風(fēng)險、顯現(xiàn)負(fù)荷風(fēng)險和電網(wǎng)解列風(fēng)險等綜合風(fēng)險性評估整體隱性故障風(fēng)險，以此提出風(fēng)險預(yù)防措施。實驗證明，該繼電保護(hù)隱性故障風(fēng)險評估方法真實有效。