梁 辰 ，邰能靈 ，胡 炎 ，朱 欽

（1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240；2.國網(wǎng)上海市電力公司 市南供電公司，上海 200233）

0 引言

隱性故障即在電網(wǎng)故障時(shí)才表現(xiàn)出來的保護(hù)裝置缺陷［1-3］，會(huì)導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)或者拒動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至引起電網(wǎng)連鎖故障。檢測并及時(shí)處理保護(hù)隱性故障能有效提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，是十分必要的。已有文獻(xiàn)大多針對隱性故障造成的電網(wǎng)連鎖故障風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)［4-5］通過概率統(tǒng)計(jì)的方法建立隱性故障造成的連鎖故障概率模型。文獻(xiàn)［6-7］提出了基于故障樹等方法分析電網(wǎng)的連鎖故障，但對保護(hù)裝置中隱性故障的檢測方法研究則較少［8］。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，實(shí)時(shí)獲取準(zhǔn)確的電網(wǎng)信息已成為可能［9-10］。 廣域測量系統(tǒng)（WAMS）利用相量測量單元（PMU）可同步多點(diǎn)測量電網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)具有高采樣頻率、高精度等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，保護(hù)管理信息系統(tǒng)可以準(zhǔn)確記錄保護(hù)裝置及斷路器的動(dòng)作信號等信息。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，上述系統(tǒng)采集一次設(shè)備及二次設(shè)備的信息傳送到調(diào)度中心，可綜合用于檢測隱性故障。

現(xiàn)有的微機(jī)保護(hù)自帶自檢裝置，可以離線檢測到一部分故障。但是保護(hù)動(dòng)作原理較為復(fù)雜，各個(gè)環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系緊密，常規(guī)手段有時(shí)難以檢測到某些環(huán)節(jié)缺陷。文獻(xiàn)［11-13］提出利用保護(hù)及斷路器的動(dòng)作信號建立解析模型，將故障診斷規(guī)則解析化，轉(zhuǎn)化為使目標(biāo)函數(shù)最小化的0-1整數(shù)規(guī)劃問題并優(yōu)化求解，其有著嚴(yán)密的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。該方法能診斷出故障元件及拒動(dòng)或誤動(dòng)的保護(hù)或斷路器，但是無法檢測未出口動(dòng)作的后備保護(hù)或保護(hù)其他環(huán)節(jié)的隱性故障，也無法判斷線路故障的范圍。

本文通過構(gòu)造基于保護(hù)信號的解析模型以檢測隱性故障，利用保護(hù)的啟動(dòng)、動(dòng)作信號及斷路器的跳閘信號，并考慮線路的三段保護(hù)及拒動(dòng)誤動(dòng)等較復(fù)雜情況，建立反映各信號之間關(guān)聯(lián)的解析模型，基于3種信號的實(shí)際狀態(tài)與期望狀態(tài)的最大匹配原則，構(gòu)造反映兩者之間差異的目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化求解，最后根據(jù)保護(hù)的實(shí)際狀態(tài)與期望狀態(tài)的差異判斷其是否含有隱性故障。該方法除了能有效診斷故障元件以及線路故障的基本位置，還能檢測出保護(hù)的啟動(dòng)或出口動(dòng)作方面的隱性故障，根據(jù)啟動(dòng)信號檢測未出口動(dòng)作信號的后備保護(hù)隱性故障。通過算例驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 解析模型的建立

按照不同的保護(hù)要求，繼電保護(hù)裝置有多種類型，但是其內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)類似，按功能劃分一般有以下幾個(gè)部分：

a.數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理環(huán)節(jié)，采集電網(wǎng)一次側(cè)的電氣量并預(yù)處理；

b.測量與比較環(huán)節(jié)，故障時(shí)對電氣量進(jìn)行計(jì)算處理及邏輯判斷；

c.啟動(dòng)環(huán)節(jié)，檢測系統(tǒng)的擾動(dòng)使保護(hù)啟動(dòng)，發(fā)出啟動(dòng)信號，若不滿足動(dòng)作條件則返回；

d.出口動(dòng)作環(huán)節(jié)，發(fā)出動(dòng)作信號驅(qū)動(dòng)斷路器跳閘。

隱性故障原因一般有以下幾種：數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理環(huán)節(jié)故障導(dǎo)致一次側(cè)測量數(shù)據(jù)錯(cuò)誤引起的誤動(dòng)；通信故障使信號發(fā)送失敗或錯(cuò)誤引起的誤動(dòng)；繼電器故障導(dǎo)致觸點(diǎn)常閉引起的誤動(dòng)；保護(hù)設(shè)置不合理引起的誤動(dòng)等。電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，可以檢測到數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理環(huán)節(jié)的隱性故障［14］，故障時(shí)，若主保護(hù)和斷路器正確動(dòng)作，則故障設(shè)備會(huì)被隔離，此時(shí)相關(guān)的后備保護(hù)也應(yīng)該正確啟動(dòng)，如果它們未啟動(dòng)或錯(cuò)誤啟動(dòng)，則表明保護(hù)存在隱性故障；或者相應(yīng)的后備保護(hù)啟動(dòng)但未按照動(dòng)作原理返回而發(fā)生誤動(dòng)，也表明保護(hù)存在隱性故障?；诒Ｗo(hù)信號來構(gòu)建解析模型，可以有效檢測隱性故障，現(xiàn)階段可收集的信號主要包括保護(hù)啟動(dòng)及動(dòng)作信號、斷路器的跳閘信號。啟動(dòng)信號即保護(hù)已啟動(dòng)，但延時(shí)未到時(shí)保護(hù)裝置發(fā)出的即時(shí)信號；動(dòng)作信號即保護(hù)裝置出口的動(dòng)作信號，可驅(qū)動(dòng)斷路器跳閘，并使之發(fā)出跳閘信號。根據(jù)檢測結(jié)果對保護(hù)裝置進(jìn)行檢修，排除隱性故障，能有效避免連鎖故障。

多數(shù)文獻(xiàn)僅使用主保護(hù)和后備保護(hù)的動(dòng)作信號進(jìn)行解析，診斷故障元件及保護(hù)或斷路器的拒動(dòng)或誤動(dòng)情況，未充分利用保護(hù)的其他信號。而且在實(shí)際的運(yùn)行中，線路會(huì)采用三段保護(hù)結(jié)合其他保護(hù)等較為復(fù)雜的配置，關(guān)于這方面的研究較少。本文將保護(hù)分為線路保護(hù)（三段保護(hù)配合縱聯(lián)保護(hù)）及其他元件保護(hù)（母線保護(hù)、變壓器保護(hù)等），分別針對以上保護(hù)的動(dòng)作及啟動(dòng)信號、斷路器的跳閘信號建立解析模型。

1.1 故障區(qū)域的識別

電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，單一元件故障較為頻繁，若保護(hù)裝置和斷路器正確動(dòng)作切除故障，則過程簡單，結(jié)果準(zhǔn)確。但當(dāng)保護(hù)裝置含有隱性故障時(shí)，會(huì)發(fā)生誤動(dòng)或拒動(dòng)，動(dòng)作情況更為復(fù)雜，故障區(qū)域也會(huì)相應(yīng)擴(kuò)大。建立解析模型首先要確定故障區(qū)域，現(xiàn)有研究根據(jù)斷路器的帶電狀況能準(zhǔn)確識別故障邊界，形成故障區(qū)域，為構(gòu)造解析模型建立良好的基礎(chǔ)［13，15］。本文考慮到遠(yuǎn)后備保護(hù)的啟動(dòng)情況，將故障區(qū)域邊界向下級線路延伸一級，以檢測啟動(dòng)信號。

故障區(qū)域確定后，設(shè)：其中共有M個(gè)可能發(fā)生故障的元件，構(gòu)成元件集合 S=｛s1，s2，…，sM｝；N 條可能發(fā)生故障的線路，為了方便描述，將第n條線路分為3段 pn1、pn2、pn3，構(gòu)成線路集合 P=｛p11，p12，p13，…，pN1，pN2，pN3｝。采用這種線路劃分方法，可以在診斷結(jié)果中判斷出線路故障的位置。定義sm取1和0時(shí)分別表示S中第m個(gè)元件故障和正常；pnt取1和0時(shí)分別表示P中第n條線路的第t（t=1，2，3）段故障和正常。

設(shè)上述線路和元件共配置D個(gè)保護(hù)，保護(hù)動(dòng)作信號構(gòu)成的集合為 R=｛r1，r2，…，rd，…，rD｝，rd取 1 和 0時(shí)分別表示R中第d個(gè)保護(hù)動(dòng)作和未動(dòng)作；保護(hù)啟動(dòng)信號構(gòu)成的集合為 A=｛a1，a2，…，ad，…，aD｝，ad取 1和0時(shí)分別表示A中第d個(gè)保護(hù)啟動(dòng)和未啟動(dòng)；故障后與停電設(shè)備相關(guān)的所有Q個(gè)斷路器的跳閘信號構(gòu)成的集合為 C=｛c1，c2，…，cq，…，cQ｝，cq取 1 和 0 時(shí)分別表示C中第q個(gè)斷路器跳閘和未跳閘。

根據(jù)繼電保護(hù)原理，在解析模型中，故障后保護(hù)或者斷路器做出的正確動(dòng)作響應(yīng)，稱作動(dòng)作期望［12］，表現(xiàn)為相應(yīng)的信號期望，即保護(hù)的啟動(dòng)信號期望A*、動(dòng)作信號期望R*以及斷路器的跳閘信號期望C*。

在本文的解析模型中，v表示線路的縱聯(lián)保護(hù)；x、y、z分別表示線路的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段保護(hù)；i表示元件的主保護(hù)；j表示元件的第一后備保護(hù)；l表示元件的第二后備保護(hù)；k表示斷路器失靈保護(hù)；在各線路及元件的解析模型中，?、⊕、-分別表示邏輯運(yùn)算的與、或、非，若不影響表達(dá)，?可省略。

1.2 線路保護(hù)動(dòng)作信號解析模型

線路保護(hù)采用三段保護(hù)與縱聯(lián)保護(hù)配合，縱聯(lián)保護(hù)在線路兩端安裝，三段保護(hù)在線路靠近電源的一側(cè)安裝，若是雙端電源線路，則兩側(cè)均需要安裝。線路保護(hù)范圍劃分如圖1所示。以L1為例，D、E側(cè)一般采用相同的保護(hù)，保護(hù)范圍也一致，一般為線路全長的80%。根據(jù)繼電保護(hù)裝置已設(shè)定的三段保護(hù)范圍，將線路 L1分為 p11、p12、p133 段，則 D 側(cè)Ⅰ段保護(hù)范圍為p11+p12，E側(cè)Ⅰ段保護(hù)范圍為p12+p13。Ⅱ段保護(hù)范圍為本線路的全長及相連的母線，為保證線路的全長均得到保護(hù)，保護(hù)的范圍會(huì)相應(yīng)延伸到下級線路，但延伸長度并不確定，因此這部分不考慮在內(nèi)。同理，Ⅲ段保護(hù)范圍為本線路及下級線路的全長及相連母線。縱聯(lián)保護(hù)作為主保護(hù)，保護(hù)本線路的全長。根據(jù)各保護(hù)的保護(hù)范圍、配置規(guī)則以及保護(hù)動(dòng)作原理，形成解析模型。

圖1 線路保護(hù)范圍劃分Fig.1 Range partition of line protection

a.主保護(hù)。

設(shè)線路L1的縱聯(lián)保護(hù)動(dòng)作信號為r1v，當(dāng)L1上發(fā)生故障時(shí)，縱聯(lián)保護(hù)應(yīng)該動(dòng)作，其動(dòng)作信號期望為：

b.Ⅰ段保護(hù)。

設(shè)線路L1的D側(cè)Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作信號為r1x，當(dāng)故障發(fā)生在第1、2段線路時(shí)，則Ⅰ段保護(hù)應(yīng)動(dòng)作，其動(dòng)作信號期望為：

c.Ⅱ段保護(hù)。

設(shè)線路L1的D側(cè)Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作信號為r1y，保護(hù)本線路全長及母線E。當(dāng)故障發(fā)生在本線路時(shí)，若對應(yīng)線路D側(cè)的Ⅰ段保護(hù)及縱聯(lián)保護(hù)未動(dòng)作，則Ⅱ段保護(hù)應(yīng)動(dòng)作；或者當(dāng)故障發(fā)生在末端母線E時(shí)，若母線主保護(hù)未動(dòng)作，則Ⅱ段保護(hù)應(yīng)動(dòng)作，動(dòng)作信號期望為：

其中，r1v為線路L1的縱聯(lián)保護(hù)信號。

d.Ⅲ段保護(hù)。

設(shè)線路L1的D側(cè)的Ⅲ段保護(hù)動(dòng)作信號為r1z，當(dāng)故障發(fā)生在本線路時(shí)，若對應(yīng)線路D側(cè)的Ⅰ段保護(hù)、Ⅱ段保護(hù)及縱聯(lián)保護(hù)均未動(dòng)作，則Ⅲ段保護(hù)應(yīng)動(dòng)作；或者當(dāng)故障發(fā)生在下級線路 L2（或 L3、L4）時(shí)，Ⅲ段保護(hù)到故障線路之間的關(guān)聯(lián)路徑上的全部斷路器都處于閉合狀態(tài)，則Ⅲ段保護(hù)應(yīng)動(dòng)作；或者當(dāng)故障發(fā)生在母線E（或F）時(shí)，母線主保護(hù)及相應(yīng)的Ⅱ段保護(hù)均未動(dòng)作，則Ⅲ段保護(hù)應(yīng)動(dòng)作，動(dòng)作信號期望為：

其中，iq為第i條下級線路故障時(shí)，該線路上第q個(gè)斷路器的跳閘情況。

1.3 元件保護(hù)及斷路器動(dòng)作信號的解析模型

元件保護(hù)主要包括母線保護(hù)、變壓器保護(hù)、發(fā)電機(jī)保護(hù)等，以下對各種類型的保護(hù)動(dòng)作情況分別進(jìn)行討論。

a.主保護(hù)。

設(shè)S中第m個(gè)元件sm的主保護(hù)動(dòng)作信號為rmi，如sm故障，則主保護(hù)動(dòng)作，動(dòng)作信號期望為：

b.第一后備保護(hù)。

設(shè)元件sm的第一后備保護(hù)動(dòng)作信號為rmj，如果sm故障且主保護(hù)拒動(dòng)，則第一后備保護(hù)動(dòng)作，動(dòng)作信號期望為：

c.第二后備保護(hù)。

設(shè)元件sm的第二后備保護(hù)動(dòng)作信號為rml，第二后備保護(hù)保護(hù)元件為sm及其相鄰的元件sx，如果sm故障且其主保護(hù)和第一后備保護(hù)未動(dòng)作，則第二后備保護(hù)動(dòng)作；或者當(dāng)故障發(fā)生在相鄰元件sx，且第二后備保護(hù)到sx的關(guān)聯(lián)路徑上的全部斷路器都處于閉合狀態(tài)，則第二后備保護(hù)動(dòng)作，動(dòng)作信號期望為：

其中，∑表示邏輯連⊕運(yùn)算；Π表示邏輯連 ⊕運(yùn)算；M（rml，sm）為在保護(hù) rml范圍內(nèi)元件sm的所有相鄰元件集合；Q（rml，sx）為保護(hù) rml到 sx關(guān)聯(lián)路徑上的全部斷路器的集合。

d.斷路器失靈保護(hù)。

220 kV及以上電壓等級的電網(wǎng)中一般配置專門的斷路器失靈保護(hù)。設(shè)rqk為第q個(gè)斷路器的斷路器失靈保護(hù)的動(dòng)作信號，rp為可驅(qū)動(dòng)斷路器跳閘的保護(hù)動(dòng)作信號，cq為斷路器跳閘信號。當(dāng)保護(hù)動(dòng)作并驅(qū)動(dòng)斷路器跳閘時(shí)，若斷路器未動(dòng)作，則斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作，動(dòng)作信號期望為：

其中，D（cq）為能驅(qū)動(dòng)斷路器cq跳閘的全部保護(hù)集合。

e.斷路器動(dòng)作。

任何能夠驅(qū)動(dòng)斷路器跳閘的保護(hù)動(dòng)作，斷路器都應(yīng)該跳閘，動(dòng)作信號期望為：

1.4 保護(hù)啟動(dòng)信號的解析模型

故障發(fā)生后，只要在保護(hù)范圍內(nèi)，相應(yīng)的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段保護(hù)，或者主保護(hù)后備保護(hù)均要啟動(dòng)。若繼電保護(hù)裝置含有隱性故障，可能會(huì)造成保護(hù)不能及時(shí)啟動(dòng)或者錯(cuò)誤啟動(dòng)，以下對各種類型的保護(hù)啟動(dòng)信號解析模型分別進(jìn)行討論。

a.縱聯(lián)保護(hù)啟動(dòng)。

設(shè)線路L1的縱聯(lián)保護(hù)的啟動(dòng)信號為a1v，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)作為L1的主保護(hù)保護(hù)線路全長，故障發(fā)生在L1的任何位置，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)均應(yīng)該啟動(dòng)，啟動(dòng)信號期望為：

b.Ⅰ段保護(hù)啟動(dòng)。

設(shè)線路L1Ⅰ段保護(hù)的啟動(dòng)信號為a1x，故障發(fā)生在Ⅰ段保護(hù)范圍內(nèi)就應(yīng)該啟動(dòng)，啟動(dòng)信號期望為：

c.Ⅱ段保護(hù)啟動(dòng)。

設(shè)線路L1Ⅱ段保護(hù)的啟動(dòng)信號為a1y，故障發(fā)生在Ⅱ段保護(hù)范圍內(nèi)就應(yīng)該啟動(dòng)，啟動(dòng)信號期望為：

d.Ⅲ段保護(hù)啟動(dòng)。

設(shè)線路L1Ⅲ段保護(hù)的啟動(dòng)信號為a1z，Ⅲ段保護(hù)作為本線路的近后備及下級線路的遠(yuǎn)后備，在本線路及與本線路連接的任一下級線路發(fā)生故障時(shí)均需要啟動(dòng)，啟動(dòng)信號期望為：

其中，N為下級線路物數(shù)目。

e.其他元件保護(hù)啟動(dòng)。

設(shè)元件sm的主保護(hù)的啟動(dòng)信號為ami，第一后備保護(hù)的啟動(dòng)信號為amj，第二后備保護(hù)的啟動(dòng)信號為aml，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，主保護(hù)及第一、第二后備保護(hù)均需要啟動(dòng)，啟動(dòng)信號期望分別為：

f.斷路器失靈保護(hù)啟動(dòng)。

設(shè)第q個(gè)斷路器失靈保護(hù)的啟動(dòng)信號為aqk，當(dāng)有啟動(dòng)斷路器的任一保護(hù)動(dòng)作，斷路器失靈保護(hù)均需啟動(dòng)，啟動(dòng)信號期望為：

1.5 拒動(dòng)及誤動(dòng)的解析模型

在上述保護(hù)和斷路器解析模型的基礎(chǔ)上，加入保護(hù)（斷路器）的誤動(dòng)（用f表示）或者拒動(dòng)（用g表示）情況。對于保護(hù)（斷路器）的動(dòng)作信號集合｛r1，r2，…，rd，…，rD｝（｛c1，c2，…，cq，…，cQ｝），如果 rd=1，第d 個(gè)保護(hù)的動(dòng)作信號期望，則保護(hù)（斷路器）誤動(dòng)，frd=1（fcq=1），否則 frd=0（fcq=0）；如果 rd=0，則保護(hù)（斷路器）拒動(dòng)，grd=1（gcq=1），否則 grd=0（gcq=0）；如果，或者，則保護(hù)（斷路器）正確動(dòng)作?？紤]到保護(hù)的拒動(dòng)問題，當(dāng)元件或線路發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)啟動(dòng)但未動(dòng)作，或保護(hù)未啟動(dòng)，均表示保護(hù)未動(dòng)作。

根據(jù)保護(hù)和斷路器的期望狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)的對比，分析得出保護(hù)和斷路器的拒動(dòng)和誤動(dòng)情況，并對矛盾的動(dòng)作邏輯進(jìn)行約束，矛盾的動(dòng)作邏輯包括：保護(hù)動(dòng)作但未啟動(dòng)，保護(hù)（斷路器）誤動(dòng)又拒動(dòng)，有動(dòng)作期望又誤動(dòng)，無動(dòng)作期望又拒動(dòng)，未動(dòng)作又誤動(dòng)，已動(dòng)作又拒動(dòng)。將矛盾的動(dòng)作邏輯進(jìn)行約束，用邏輯方程可以表示為：

2 隱性故障檢測

采用基于保護(hù)信號解析模型的隱性故障檢測方法，將解析模型的問題轉(zhuǎn)換成最能解釋實(shí)際保護(hù)（斷路器）動(dòng)作情況的0-1整數(shù)規(guī)劃問題，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行故障診斷，并通過比較保護(hù)期望狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)的差別，確定不正確啟動(dòng)或動(dòng)作的保護(hù)，檢測含有隱性故障的保護(hù)裝置。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

首先確定目標(biāo)函數(shù)E（H），目標(biāo)函數(shù)越小表示保護(hù)與斷路器的實(shí)際情況與期望情況越接近，目標(biāo)函數(shù)的邏輯約束如1.5節(jié)所述，目標(biāo)函數(shù)E（H）為：

其中，D 為保護(hù)數(shù)量；Q 為斷路器的數(shù)量；為D個(gè)保護(hù)的啟動(dòng)期望狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)之間的差異；為D個(gè)保護(hù)的動(dòng)作期望狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)的差異為Q個(gè)斷路器的跳閘期望狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)的差異表示保護(hù)和斷路器拒動(dòng)、誤動(dòng)的情況，在優(yōu)化過程中，誤動(dòng)或拒動(dòng)的保護(hù)和斷路器總數(shù)越少，目標(biāo)函數(shù)越小，優(yōu)化結(jié)果越明顯；由于啟動(dòng)的保護(hù)數(shù)量遠(yuǎn)多于動(dòng)作的數(shù)量，應(yīng)適當(dāng)減小啟動(dòng)狀態(tài)在目標(biāo)函數(shù)中的相對權(quán)重，設(shè)w為啟動(dòng)的相對權(quán)值，為（0，1）范圍內(nèi)的實(shí)數(shù)，w1、w2分別表示保護(hù)和斷路器的誤動(dòng)、拒動(dòng)的相對權(quán)值。

2.2 隱性故障檢測流程

本文采用粒子群優(yōu)化算法求解目標(biāo)函數(shù)，最優(yōu)粒子為 H（S，P，A，R，C，F(xiàn)，G），H 中的 S、P 為故障診斷結(jié)果，即發(fā)生故障的元件和線路；F、G為保護(hù)與斷路器的動(dòng)作評價(jià)。通過診斷結(jié)果檢測保護(hù)的實(shí)際狀態(tài)與期望狀態(tài)的差異，可以確定沒有正確啟動(dòng)或動(dòng)作，或者信息上傳有誤的保護(hù)含有隱性故障。

根據(jù)上文的建模和求解思路，檢測流程如圖2所示，通過保護(hù)管理信息系統(tǒng)采集電網(wǎng)中保護(hù)的配置規(guī)則及保護(hù)范圍，建立解析模型，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，利用該方法進(jìn)行故障診斷及隱性故障的檢測，在調(diào)度中心建立隱性故障檢測系統(tǒng)。

圖2 故障診斷及隱性故障檢測流程圖Fig.2 Flowchart of fault diagnosis and hidden failure detection

3 算例分析與驗(yàn)證

以圖3所示的測試系統(tǒng)為例，系統(tǒng)中元件、保護(hù)及斷路器的數(shù)量如下。

a.20 個(gè)設(shè)備，包括 4 臺發(fā)電機(jī) G1、G2、G3、G4，4臺變壓器 T1、T2、T3、T4，8 條母線 A1、A2、…、A8及 4 條線路 L1、L2、L3、L4。

b.20 個(gè)斷路器 QF1、QF2、…、QF20。

圖3 測試系統(tǒng)Fig.3 Test system

c.76 個(gè)保護(hù)，包括 20 個(gè)主保護(hù) G1i、G2i、G3i、G4i、T1i、T2i、T3i、T4i、A1i、A2i、 … 、A8i、L1v、L2v、L3v、L4v，12 個(gè) 后備 保 護(hù) G1j、G2j、G3j、G4j、T1j、T2j、T3j、T4j、T1l、T2l、T3l、T4l；20個(gè)斷路器失靈保護(hù) QF1k、QF2k、…、QF20k；每條線路都是雙端電源線路，兩側(cè)均配置三段保護(hù)，因此有8個(gè)Ⅰ段保護(hù) L1x、L1x′、L2x、L2x′、L3x、L3x′、L4x、L4x′，8 個(gè)Ⅱ段保護(hù) L1y、L1y′、L2y、L2y′、L3y、L3y′、L4y、L4y′，8 個(gè)Ⅲ段 保 護(hù) L1z、L1z′、L2z、L2z′、L3z、L3z′、L4z、L4z′。 其中，G 表示發(fā)電機(jī)或者發(fā)電機(jī)的保護(hù)；T表示變壓器或者變壓器的保護(hù)；A表示母線或者母線的保護(hù)；L表示線路或者線路的保護(hù)；B表示斷路器或者斷路器的失靈保護(hù)；x與x′分別表示線路兩端的Ⅰ段保護(hù)，y與y′分別表示線路兩端的Ⅱ段保護(hù)，z與z′分別表示線路兩端的Ⅲ段保護(hù)，x、y、z 為順時(shí)針方向的保護(hù)，x′、y′、z′為逆時(shí)針方向的保護(hù)。

3.1 算例1

設(shè)線路L3發(fā)生故障，上傳的保護(hù)和斷路器實(shí)際動(dòng)作為：線路L3的主保護(hù)L3v拒動(dòng)，L3x動(dòng)作，跳開斷路器 QF17，L3x′、L3y′、L3z′拒動(dòng)，相鄰線路的Ⅲ段保護(hù) L4z′動(dòng)作，跳開斷路器QF9，變壓器第二后備保護(hù)T3l動(dòng)作，跳開斷路器QF14。

上傳的保護(hù)啟動(dòng)信號為：L3v、L3x、L3y、L3z、L2z、L4z′、T3l、T4l、QF9k、QF14k、QF17k。

根據(jù)斷路器的跳閘信號，且故障區(qū)域邊界向下級線路延伸一級，故障區(qū)域包含的可疑故障元件有 L1、L2、L3、L4、A2、A5、A6、A7、T1、T3、T4、G3，對應(yīng)于S=｛s1，s2，…，s8｝；P=｛p11，p12，p13，p21，p22，p23，p31，p32，p33，p41，p42，p43｝；斷路器有 15 個(gè)，分別是 QF2、QF3、QF4、QF5、QF9、QF10、QF11、QF12、QF13、QF14、QF15、QF16、QF17、QF18、QF19，對應(yīng)的斷路器跳閘信號 C=｛c1，c2，…，c15｝。線路保護(hù)有 28 個(gè)，分別是線路 L1、L2、L3、L4的縱聯(lián)保護(hù)及三段保護(hù)L1v、L1x（x′）、L1y（y′）、L1z（z′）、L2v、L2x（x′）、元件主保護(hù)有 8 個(gè) ，分別是 A2i、…、A7i、T1i、…、T4i、G3i；元件的后備保護(hù)有 7 個(gè)，分別是 T1j、T2j、T3j、T4j、G3j、T1l、T2l、T3l、T4l。 斷路器失 靈保護(hù)有 6 個(gè)，分別是QF9k、…、QF17k，對應(yīng)的實(shí)際保護(hù)動(dòng)作信號 R=｛r1，r2，…，r49｝，保護(hù)啟動(dòng)信號 A=｛a1，a2，…，a49｝；目標(biāo)函數(shù)E（H）中，w=0.25，w1=1.5，w2=0.75。

采用離散粒子群優(yōu)化算法求解，則目標(biāo)函數(shù)的最小值 E（H*）=5.75，最優(yōu)粒子為 H*，其中，S=｛0，0，0，0，0，0，0，0｝，P=｛0，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0｝。 則診斷結(jié)果為：線路L3的p31段發(fā)生故障，線路Ⅰ段保護(hù)L3x動(dòng)作，線路L4Ⅲ段保護(hù)L4z′動(dòng)作，變壓器 T3第二后備保護(hù) T3l動(dòng)作，斷路器 QF9、QF11、QF14跳閘，拒動(dòng)的保護(hù)有 L3v、L3y′、L3z′。 通過對比 a 與 A*，得出保護(hù)啟動(dòng)的差異：實(shí)際狀態(tài)下線路L3左側(cè)的Ⅱ、Ⅲ段保護(hù)未啟動(dòng)，期望狀態(tài)下Ⅱ、Ⅲ段保護(hù)應(yīng)啟動(dòng)。由此可得，L3左側(cè)的Ⅲ段保護(hù)啟動(dòng)部分可能含有隱性故障，導(dǎo)致保護(hù)未啟動(dòng)或啟動(dòng)信號未上傳。

3.2 算例2

設(shè)變壓器T1發(fā)生故障，上傳的保護(hù)和斷路器實(shí)際動(dòng)作為：變壓器主保護(hù)T1i拒動(dòng)，第一后備保護(hù)T1j動(dòng)作，跳開斷路器QF2，斷路器QF3拒動(dòng)，斷路器失靈保護(hù) QF3k動(dòng)作，跳開斷路器 QF4、QF9，Ⅲ段保護(hù) L4z動(dòng)作，跳開斷路器QF11。

上傳的保護(hù)實(shí)際啟動(dòng)信號為：T1j、T1l、QF2k、QF3k、QF11k、L4z、L1z′。

同理，故障區(qū)域包含的可疑元件有 A1、A2、A6、T1、T3、G1、L1、L3、L4， 對 應(yīng) 于 S=｛s1，s2， … ，s6｝，P=｛p11，p12，p13，p21，p22，p23，p31，p32，p33，p41，p43，p43｝；斷路器有 QF1、QF2、QF3、QF4、QF5、QF9、QF11、QF14、QF15、QF16、QF17，對應(yīng)于 C=｛c1，c2，…，c11｝；線路保護(hù)有 12 個(gè)，分別是L1、L3、L4的縱聯(lián)保護(hù)及三段保護(hù) L1v、L1x（x′）、L1y（y′）、L1z（z′）、L2v、L2x（x′）、L2y（y′）、L2z（z′）、L3v、L3x（x′）、L3y（y′）、L3z（z′）、L4v、L4x（x′）、L4y（y′）、L4z（z′）；元件主保護(hù)有 6 個(gè)，分別是 A1i、A2i、A6i、T1i、T3i、G1i；元件的后備保護(hù) 5 個(gè)，分別是 T1j、T3j、G1j、T1l、T3l；斷路器失靈保護(hù)有 3 個(gè)，分別是 QF2k、QF3k、QF11k；對應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作信號 R=｛r1，r2，…，r26｝，保護(hù)啟動(dòng)信號A=｛a1，a2，…，a26｝。 目標(biāo)函數(shù) E（H）中，w=0.25，w1=1.5，w2=0.75。

采用離散粒子群優(yōu)化算法求解，目標(biāo)函數(shù)最小值E（H*）=6.25，最優(yōu)粒子為 H*，其中，S=｛0，0，0，1，0，0｝，P=｛0，0，…，0｝。 則診斷結(jié)果為：變壓器 T1發(fā)生故障，第一后備保護(hù)T1j動(dòng)作，斷路器失靈保護(hù)QF3k動(dòng)作，Ⅲ段保護(hù) L4z動(dòng)作，斷路器 QF2、QF4、QF9、QF11跳閘，拒動(dòng)的保護(hù)有T1i，誤動(dòng)的保護(hù)有L4z。通過對比a與A*，r與R*，得出保護(hù)啟動(dòng)與動(dòng)作的差異：實(shí)際狀態(tài)下變壓器T1的主保護(hù)未啟動(dòng)，第一、第二后備保護(hù)啟動(dòng)，期望狀態(tài)下主保護(hù)與第一、第二后備保護(hù)均啟動(dòng)；實(shí)際狀態(tài)下L4的Ⅲ段保護(hù)啟動(dòng)并動(dòng)作，期望狀態(tài)下L4的Ⅲ段保護(hù)啟動(dòng)但未動(dòng)作。由此可得，變壓器 T1的主保護(hù)啟動(dòng)部分可能含有隱性故障，導(dǎo)致主保護(hù)未啟動(dòng)或啟動(dòng)信號未上傳；L4的Ⅲ段保護(hù)可能含有隱性故障，導(dǎo)致Ⅲ段保護(hù)誤動(dòng)。

4 結(jié)論

電網(wǎng)可提供精確度較高的多種信息用于隱性故障檢測，本文加入了保護(hù)的啟動(dòng)信號，考慮了故障元件、保護(hù)啟動(dòng)、保護(hù)動(dòng)作和斷路器跳閘的關(guān)聯(lián)性，并針對三段保護(hù)等較復(fù)雜情況，提出一種基于保護(hù)信號解析模型的隱性故障檢測方法。該方法利用一次設(shè)備及二次設(shè)備提供的信息，根據(jù)保護(hù)和斷路器的動(dòng)作原理及配置規(guī)則構(gòu)建解析模型，并建立目標(biāo)函數(shù)，利用粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行求解，得到故障診斷結(jié)果。并通過保護(hù)信號期望狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)的差異確定含有隱性故障的保護(hù)裝置。算例表明，該隱性故障檢測方法有較強(qiáng)的實(shí)用性，可在故障診斷的同時(shí)檢測保護(hù)裝置的隱性故障。

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