楊利民 周杰 張烈 張良武 趙啟

摘 要：電網(wǎng)正因繼電保護隱性故障面臨嚴峻考驗，亟需針對隱性故障提出辨識方法，增強電網(wǎng)故障辨識能力。鑒于此，根據(jù)繼電保護隱性故障特點，從變電站角度，對變電站采集數(shù)據(jù)進行分類，利用同源數(shù)據(jù)比對，進行隱性故障辨識;從系統(tǒng)角度，分析、挖掘所投繼電保護裝置歷史數(shù)據(jù)，按不同維度將信息分類，進行隱性故障辨識，以加強電網(wǎng)隱性故障辨識能力。

關鍵詞：變電站;繼電保護;隱性故障;同源數(shù)據(jù);歷史數(shù)據(jù)

中圖分類號：TM774? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）07-0006-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.07.002

0? ? 引言

繼電保護隱性故障是一種永久性缺陷，對保護裝置的可靠性造成了嚴重沖擊[1]。電網(wǎng)的穩(wěn)定性因隱性故障存在而變差，影響社會效益[2]。文獻[3-4]根據(jù)隱性故障形成原因，展望了繼電保護隱性故障的防控措施。文獻[5]利用語義網(wǎng)技術建立隱性故障規(guī)則庫，但對專家知識庫要求較高。文獻[6]將隱性故障嚴重性指標化，與風險評估相結合，從而進行隱性故障辨識，但對設備要求較高。鑒于以上分析，首先從變電站角度出發(fā)，基于現(xiàn)有智能變電站的采集設備，結合隱性故障原因，提出同源數(shù)據(jù)比對的隱性故障辨識法;其次從電力系統(tǒng)角度出發(fā)，深入分析投入的繼電保護設備歷史數(shù)據(jù)，結合隱性故障原因，進行隱性故障辨識，增強電網(wǎng)隱性故障辨識能力。

1? ? 隱性故障的危害

在電網(wǎng)未發(fā)生故障時，繼電保護隱性故障對電網(wǎng)無影響，且檢測不出此類故障[7]。但在電網(wǎng)發(fā)生故障時，電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)的狀態(tài)采集量與正常狀態(tài)不同，隱性故障存在觸發(fā)的可能性，一旦觸發(fā)該故障，輕則使電網(wǎng)出現(xiàn)聯(lián)鎖故障，重則使得故障發(fā)生范圍擴大，造成電網(wǎng)有功、無功缺額，影響電網(wǎng)電能質量，甚至導致電網(wǎng)出現(xiàn)解列風險。

2? ? 繼電保護隱性故障原因及分類

繼電保護裝置在判別電力系統(tǒng)是否發(fā)生區(qū)內(nèi)外故障時，先通過測量元件進行數(shù)據(jù)采集，再基于采集數(shù)據(jù)，結合繼電保護判據(jù)，進行邏輯判斷，最后將判斷結果執(zhí)行輸出。隱性故障易在上述保護裝置故障判別流程中存在。根據(jù)判別流程，致使隱性故障存在的原因如下：對于測量元件，當電力系統(tǒng)因某些原因采集量主頻率出現(xiàn)頻率偏移時，若需采用工頻量的信息進行判斷，測量元件則會因其提取工頻量的傅式算法存在問題，出現(xiàn)不同程度的誤差;其次也需考慮CT飽和、電壓互感器斷線甚至測量元件內(nèi)部老化等問題;對于邏輯判斷方面，當所需信息成功提取后，傳輸至邏輯判斷，若繼電保護整定值選取不當，則該環(huán)節(jié)易使主保護出現(xiàn)拒動、誤動的情況，嚴重時會導致后備保護動作，擴大事故范圍，甚至使得電網(wǎng)電壓、電流波動明顯，有功、無功缺額嚴重，只能通過削減負荷等手段進行調(diào)頻，穩(wěn)定電能質量，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。除此以外，還需考慮主保護、后備保護及控制策略之間的邏輯關系，在保護判別時間與控制策略投入沖突時，也會導致繼電保護的可靠性存在嚴重問題。對于執(zhí)行輸出環(huán)節(jié)，隱性故障產(chǎn)生原因以其內(nèi)部元件存在問題為主。

目前，對保護設備的動作分析主要基于保信系統(tǒng)所獲取的保護動作的各類信息，動作分析不夠全面，無法實現(xiàn)遠程的動作在線分析。對保護設備的故障診斷主要依靠現(xiàn)場運行及檢修人員處理，在發(fā)現(xiàn)保護設備的隱性缺陷和隱性故障方面手段較少，因此，可以針對系統(tǒng)獲取的各類信息進行分類，用于隱性故障辨識技術的研究。

3? ? 數(shù)據(jù)分類

針對繼電保護故障診斷與在線巡檢，采集數(shù)據(jù)分類如下：

（1）告警信息。

繼電保護告警信息可分為自檢信息和運行異常信息。繼電保護通過自診斷功能，實現(xiàn)對裝置本身保護元件的監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)異常時，實時給出自檢告警信息，可以較為精確地反映保護自身元件的異常。同時，繼電保護對外部回路的運行異常，如CT/PT等也能實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常給出運行異常告警，這部分信息也可用于對二次回路的監(jiān)視。

（2）模擬量、開關量。

模擬量由繼電保護設備的采樣回路及采樣插件生成，因此采樣回路和交流插件是否正常可由模擬量直接反映。同理，開入回路和開入插件的狀態(tài)判別，可以通過監(jiān)視開入量的狀態(tài)與實際位置是否一致實現(xiàn);開出回路和開出插件的狀態(tài)判別，可以通過監(jiān)視開出量的狀態(tài)與實際位置是否一致實現(xiàn)。

（3）錄波數(shù)據(jù)。

繼電保護在檢測到電網(wǎng)擾動和故障時會產(chǎn)生啟動事件信號，并觸發(fā)錄波數(shù)據(jù)的記錄功能，記錄擾動過程中繼電保護的模擬量、開關量變化情況。這些數(shù)據(jù)可用于對于繼電保護二次回路的在線檢測，包括以下部分：故障簡報、動作報告、啟動時開入量狀態(tài)、啟動時壓板狀態(tài)、啟動后開入量的變位時刻、相關保護控制字。

（4）歷史數(shù)據(jù)。

電網(wǎng)中存在大量同型號繼電保護設備，這些設備的故障記錄可作為判斷運行設備隱性故障的依據(jù)。由浴盆曲線原理可知，保護元件及本體均存在功能失效期，因此可將保護設備歷史運行年限作為設備檢測的判據(jù)。歷史啟動和跳閘錄波數(shù)據(jù)也可作為設備隱性故障檢測的依據(jù)，在運行檢測周期內(nèi)有正確跳閘的保護可不用再次進行本周期的檢驗，檢測周期可根據(jù)運行檢驗設定。

將采集的數(shù)據(jù)分類，結合數(shù)據(jù)分類的特點及隱性故障原因，可用于數(shù)據(jù)比對型隱性故障辨識技術。

4? ? 隱性故障辨識方法

4.1? ? 變電站角度的隱性故障辨識法

從變電站運行的角度來看，出于高電壓等級保護雙重化配置以及繼電保護雙AD配置等原因，變電站中存在大量的二次設備冗余量測信息，這些量測數(shù)據(jù)直接反映了繼電保護采樣、開入回路的運行情況，二次回路以及對應的二次設備組件的隱性故障可根據(jù)冗余信息的相互校驗來辨識。

4.1.1? ? 同源數(shù)據(jù)比較原理

將變電站采集到的數(shù)據(jù)與二次回路的狀態(tài)量對比，可對回路中的設備進行隱性故障辨識。

因電流、電壓等測量點值在一定范圍波動，用斷面數(shù)據(jù)比較存在差異較大的情況，因此需采用積分算法進行數(shù)據(jù)差異比對，可以避免數(shù)據(jù)短時間突發(fā)變化帶來的影響。以模擬量的同源數(shù)據(jù)比對為例，設同源的兩個數(shù)據(jù)點為A、B，其隨時間的變化規(guī)律如圖1所示。

則0—t1時間段內(nèi)，A、B兩個量值之間的差異可用其對應曲線間的面積來表示：

diff= |yA（t）-yB（t）|dt/|yA（t）|dt=

Δt·|yA（ti）-yB（ti）|/Δt·|yA（ti）|（1）

其中，分子表示A、B兩條曲線間的面積，分母為曲線A與橫坐標間的面積（也可采用曲線B與橫坐標間的面積），Δt表示采樣間隔（即實時庫獲取模擬量的間隔，為簡化這里取等間隔），t1則表示計算差異的時間區(qū)間，考慮到保信主子站規(guī)約中模擬量獲取的頻度及電氣量有效值實際的變化速度，Δt可取2 min，t1可取10 min，yA（ti）、yB（ti）分別表示A、B的采樣值。

當diff大于給定值時（建議2%），認為數(shù)據(jù)存在差異。為了避免數(shù)據(jù)較小情況下的零漂影響，可對比較的觸發(fā)條件進行限制，必須滿足下述條件時才進行比較：

Δt·|yA（ti）|>k1t1·yAe（2）

式中：yAe為yA的額定值;k1為門檻系數(shù)1。

此外，為了避免在數(shù)據(jù)變化劇烈時A、B兩點采樣時間不同步帶來的影響，可對比較的條件進行限制：只有數(shù)據(jù)變化較緩慢時才進行比較。衡量數(shù)據(jù)變化快慢可簡單用計算期間最大值、最小值的差來衡量：

|max yA-min yA|

式中：k2為門檻系數(shù)2，狀態(tài)量可以做類似處理。

因此，基于模擬量的同源數(shù)據(jù)比對，在滿足觸發(fā)條件后，利用式（1）進行同源數(shù)據(jù)差異判別?；阡洸〝?shù)據(jù)中模擬量波形、狀態(tài)量波形數(shù)據(jù)比對，可根據(jù)啟動點位置實現(xiàn)錄波零點對齊及利用插值算法實現(xiàn)采樣間隔標準化等處理后，同樣采用此方法來計算兩個波形的差異。

4.1.2? ? 同源數(shù)據(jù)比較方法

收集變電站繼電保護設備的遙信、遙測信息，進行一致性比較、計算，實現(xiàn)輸入信息在線監(jiān)測的智能告警和可視化展示?？蓪崿F(xiàn)的自診斷功能包括：雙重化輸入信息不一致監(jiān)測;雙AD輸入信息不一致監(jiān)測;自診斷功能配置一致性監(jiān)測的對象，形成告警信息點、設置告警級別、告警方式;按分類、分級進行告警并可視化展示。

對于任一個同源數(shù)據(jù)，可根據(jù)同源配置獲取其不同的數(shù)據(jù)測量點，每隔一定時間（例如24 h，可配置）可采集這些點的實時測量值來進行比較，如果差值超出規(guī)定的范圍，則認為存在差異，此時需對同源數(shù)據(jù)差異發(fā)出告警并在界面進行展示，同時將差異信息保存到歷史庫。同源冗余數(shù)據(jù)對比流程如圖2所示。

4.1.3? ? 同源數(shù)據(jù)的選取

（1）同源數(shù)據(jù)定義。

同源數(shù)據(jù)是指同一實際數(shù)據(jù)由不同的設備或信號點采集，通過比較同源數(shù)據(jù)，判斷設備是否異常。同源數(shù)據(jù)可能來自于雙套保護、同間隔二次設備、EMS與保信主站的重復數(shù)據(jù)、同一次電網(wǎng)故障（或擾動）中針對相同一次設備的暫態(tài)錄波數(shù)據(jù)等。本研究選取的同源數(shù)據(jù)定義如下：

高壓線路的雙套保護，僅考慮一次設備電氣量數(shù)據(jù)，如一次設備的模擬量（三相電壓、三相電流、零序電流等）、狀態(tài)量（開關、刀閘位置）;

同間隔下的不同二次設備，僅考慮一次設備電氣量數(shù)據(jù)，如一次設備的模擬量（三相電壓、三相電流、零序電流等）、狀態(tài)量（開關、刀閘位置）。

（2）建立同源數(shù)據(jù)邏輯關系。

新建同源數(shù)據(jù)表，將定義為同源數(shù)據(jù)的相關數(shù)據(jù)寫入模型表，建立同源數(shù)據(jù)邏輯關系，作為比較的數(shù)據(jù)基礎。

基于上述同源數(shù)據(jù)定義，本研究以同間隔下電網(wǎng)故障（或擾動）中不同設備的錄波數(shù)據(jù)為主，將建立在該數(shù)據(jù)下的邏輯關系作為同源數(shù)據(jù)比對基礎。

4.1.4? ? 同源數(shù)據(jù)比對

針對同源數(shù)據(jù)的實時值，基于圖2同源冗余數(shù)據(jù)對比流程圖，對同源冗余數(shù)據(jù)進行周期性比對，發(fā)現(xiàn)異常給出告警提示。除此以外，一二次運行方式狀態(tài)量的計算在廠站端進行，主站端在運行設備工況評估時，會主動向廠站端召喚二次系統(tǒng)的運行方式報告，主站端根據(jù)上送的報告，確定二次系統(tǒng)與一次系統(tǒng)正常運行方式是否一致，二次系統(tǒng)處于異常運行方式，則此狀態(tài)量置位，因此需建立一二次系統(tǒng)間運行方式一致性校驗。建立一致性校驗規(guī)則需建立一二次系統(tǒng)運行方式之間的約束關系，一旦發(fā)現(xiàn)實際采集的信息不滿足這些約束規(guī)則時，說明一二次運行方式一致性校驗出錯，需要發(fā)送告警信息。一二次系統(tǒng)運行方式適配與失配的描述如圖3所示。

在一二次系統(tǒng)運行方式失配時，基于同源冗余數(shù)據(jù)比對，判斷是否發(fā)出告警信息，若發(fā)出告警信息，則結合隱性故障分類及原因，對繼電保護設備進行隱性故障辨識。

4.2? ? 系統(tǒng)角度的隱性故障辨識法

從系統(tǒng)的角度出發(fā)對同源冗余數(shù)據(jù)進行比對發(fā)現(xiàn)隱性故障。

投入運行的繼電保護設備，部分在運行過程中因各種因素會出現(xiàn)故障，通過對整個電網(wǎng)系統(tǒng)中各繼電保護設備的歷史故障信息進行統(tǒng)計分析，從系統(tǒng)的角度對某型號或某制造商產(chǎn)品在歷史上的運行情況進行數(shù)據(jù)挖掘，可輔助識別分析判斷得出某產(chǎn)品是否具備家族性缺陷等異常因素。

通過對歷史故障進行多維度分類統(tǒng)計，找出影響二次設備運行的關鍵因素，為二次設備的隱性故障辨識提供決策依據(jù)，統(tǒng)計的內(nèi)容包括：

（1）按重要性統(tǒng)計：即統(tǒng)計危急告警、重要告警、一般告警的次數(shù)及所占比重;

（2）按影響范圍統(tǒng)計：包括裝置本體、外部回路、通道告警、系統(tǒng)告警等告警次數(shù)及所占比重，進一步還可以按影響范圍的詳細分類維度進行統(tǒng)計;

（3）按告警詳細分類統(tǒng)計：如統(tǒng)計CPU插件異常、定值異常、開出告警等的告警次數(shù)及所占比重。

此外，還可以結合其他維度，對上述3類指標做進一步分類統(tǒng)計：

（1）按二次設備廠家：如南瑞、四方、許繼、南自等廠家的二次設備平均每裝置告警指標（包括重要性指標、影響范圍指標、告警詳細分類統(tǒng)計指標等，下同）;

（2）按裝置型號：如RCS-931、CSC103B等，統(tǒng)計每種型號平均每裝置的告警指標。

統(tǒng)計上述信息后，按照一定指標進行劃分，確定存在故障的繼電保護設備，再根據(jù)隱性故障的分類及原因，對隱性故障進行辨識。

5? ? 結語

本文基于隱性故障原因及工程實際數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀，提出了立足于變電站的隱性故障辨識法及立足于系統(tǒng)的隱性故障辨識法。前者綜合考慮數(shù)據(jù)較小情況下的零漂影響，結合一二次系統(tǒng)運行方式的一致性校驗，采用積分算法對變電站同源冗余數(shù)據(jù)進行差異比對，對隱性故障進行辨識;后者基于整個電力系統(tǒng)繼電保護設備歷史信息，對設備按不同指標進行分類統(tǒng)計及信息挖掘，進行隱性故障辨識。將立足于變電站的隱性故障辨識法與立足于系統(tǒng)的隱性故障辨識法相結合，可以增強電網(wǎng)隱性故障辨識能力及安全穩(wěn)定運行能力。

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收稿日期：2022-01-07

作者簡介：楊利民（1985—），男，湖北孝感人，高級工程師，研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護與控制。

通信作者：周杰（1990—），男，新疆吐魯番人，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護與控制。