關于繼電保護系統中隱形故障的探討

這篇文章主要介紹了電力系統繼電保護中所存在的隱形故障問題。通過介紹隱形故障的概念和特點，說明了隱形故障的危害性，它能夠導致大面積故障的產生，在此基礎上也介紹了評價隱形故障危害性的方法。通過采取對隱形故障進行監測和控制的方法來減少隱形故障的發生，從而也就減小了系統發生大面積故障的可能性。這篇文章最后還介紹了目前電力系統中對于隱形故障分析的應用情況。
　　關鍵詞：隱形故障；大面積故障；脆弱性；監測和控制

The discussion of hidden failures in the protection of power systems

SHI Li1, ZHAO Dong-cheng2, YANG Ming-yu1

(1.North China Electric Power University, Baoding 071003, China;?
2.Northeast China Institute of Electric Power, Jilin 132000, China)

　　Abstract: This paper introduces the problem of hidden failures in protection systems. Based on introducing the characteristic of hidden failures, the method to evaluate the hazard of hidden failures is showed. The supervision and control of hidden failures may reduce hidden failures to happen, so that the likelihood of the wide-area system failures is also reduced. At the same time, this paper also introduce that the analysis of hidden failures has been used in power systems.
　　Keywords: Hidden failures; Wide-area failures; Vulnerability; Supervision and control

1 引言
　　隨著電力系統的不斷擴大，對于電力系統繼電保護的要求也愈來愈高。繼電保護系統中存在著隱形故障現象，并且它的存在是不可避免的。然而隱形故障的存在對電力系統的影響卻很大，容易導致系統發生重大事故。本文在介紹隱形故障對電力系統影響的基礎上，提出了有效的方法用來監測和控制隱形故障，從而減小了隱形故障導致大面積故障的發生率，而且目前也已經有許多系統中開始實現對隱形故障的控制。

2 隱形故障
1.1　 電力系統大面積故障
　　任何一個系統都有可能發生大面積故障，這種大面積故障會導致惡劣的后果，比如1977年的紐約大停電。電力系統繼電保護的任務是快速可靠地切除故障，能夠滿足保護四性的要求，但為了保證故障切除的可靠性，有時候保護不可避免地會發生誤跳現象。通常情況下，誤跳可以減少對電力系統元件的損壞。但是如果系統處于壓力狀況下，例如一些無法事先預料的事件發生：斷電，過負荷或者非常惡劣的天氣等等情況，此時如果發生誤跳，則會給本來已處于壓力狀態的系統產生更大的壓力，從而就可能導致大面積的系統故障。
　　因此，電力系統發生大面積故障一般都有一定的發展過程：首先，電力系統因為一些無法預知的事件而處于非正常的壓力狀態下，此時系統中許多設備可能都處于運行極限，發電儲備已經耗盡，而無功電力也處于短缺狀態。由于缺乏實時監測設備或者運行人員對系統運行狀況估計錯誤等原因，運行人員就可能對于目前的運行狀態仍然一無所知。在這種情況下，如果某處發生故障則有可能引起連鎖反應。一般來說，故障是由所在保護段的繼電器或者通過后備繼電器延時切除的，但是由于別的保護系統可能存在隱形故障而會導致保護的誤跳，這樣，系統就會更加不穩定，從而進一步削弱了電力網。最終，電力網就有可能被分割成獨立的過負荷區和過發電區，而過負荷區就很有可能最后崩潰導致大面積的停電。因此，我們可以了解到當電力網存在大面積的干擾時，繼電保護系統起著十分重要的作用。一些干擾可能開始只是一些獨立的偶然事件，但是最終卻發展成為電力設備的中斷和系統的分離。而繼電保護系統中的隱形故障又對于許多干擾事件起著關鍵的作用，它能夠導致繼電保護系統的誤操作，從而導致大面積的干擾。因此有必要對繼電保護系統的隱形故障進行研究和分析。
2.2 隱形故障簡介
　　什么是隱形故障呢？它是指一種在系統正常運行時對系統沒有影響的故障，而當系統某些部分發生變化時，這種故障就會被觸發從而導致大面積故障的發生[1]。隱形故障在系統正常運行時是無法發現的，但是一旦有故障發生，繼電器正確切除故障后，電力系統潮流重新分配，這樣的運行狀態下就可能會使帶有隱形故障的保護系統誤動作。
　　繼電保護系統中的元件都有可能存在隱形故障，例如PT﹑CT﹑接線片﹑連接器﹑各種繼電器﹑通信通道等等。隱形故障的存在并不表示繼電器本身的設計有問題或者繼電器應用的不對，也不表示校準有錯誤。它和一般故障的差別就在于這些缺陷不會使繼電器立刻動作，而是當其它系統發生一些事件時才能夠被監測到。隱形故障的最大特點，也是它最危險的地方就是它們對于系統的影響只有在電力系統處于壓力狀態時才能顯現出來，比如在故障發生時或者故障發生后瞬間﹑低電壓﹑過負荷以及其他開關事件發生后。
　　經常提到的隱形故障的例子就是方向比較閉鎖方案。故障檢測器或者通信連接的失靈，都有可能導致在相鄰線路故障時繼電器觸發斷路器錯誤地斷開[2]。如圖1所示，只要正向有故障發生，那么載波電路中的隱形故障都會使線路跳開。

　　隱形故障可能是由很多原因引起的，但通常有兩種情況：
　　（1）由不正確的整定引起的隱形故障。這種隱形故障可能是由于整定和校準的錯誤，或者整定對于系統的主要運行方式不合適所引起的。特別是當系統經過很多地改變，而整定值卻沒有修改，此時即使繼電器正常運行，但是由于不正確的整定仍然會存在隱形故障。當然這種隱形故障可以由繼電保護人員通過經常地整定繼電器來控制。
　　（2）由設備故障引起的隱形故障。這種故障的產生可能是由于元件失靈﹑磨損或者因為環境和不正確的人為干涉引起的元件損壞等原因。實際上，這種隱形故障在任何設備上都有可能發生，但是通過正確地維修可以減小隱形故障的發生率。當然，太過頻繁地維修反過來也會導致隱形故障的發生。

3 評價隱形故障重要性
　　隱形故障并不都具有同樣的危害性，也不是所有的隱形故障都對電力系統起著非常重要的作用。每個隱形故障都有其脆弱性區域，如果在脆弱性區域有非正常的事件發生（比如故障），隱形故障會使得繼電器錯誤地斷開電路元件，這樣就會產生新的非正常狀態，而在這樣的狀態下，又會有別的隱形故障再次暴露出來。
　　通常，我們用以下兩個性能來描述隱形故障對于系統的重要性[3]：（1） 脆弱性區域（2） 隱形故障影響的嚴重性
　　如圖2a顯示的是沿著正方向的脆弱性區域。由于繼電器存在隱形故障，只要當電力系統在某個范圍內發生故障，帶有隱形故障的繼電器就會誤動。所有涉及到此種故障的區域就是隱形故障的脆弱性區域。如圖2的陰影部分即是繼電器的脆弱性區域。
　　如圖2b顯示的是沿著母線后背方向的脆弱性區域。斷路器A電路傳遞閉鎖信號失靈時，這會導致線路AB對于外部線路發生的故障會失去方向性。陰影部分即為脆弱性區域。
　　在確定了帶有隱形故障的繼電器的脆弱性區域后，需要研究隱形故障影響的重要性，決定每個區域的相對重要性，給它們分配優先權或者靈敏性等級，通常用“脆弱性指數”來表示。測量“脆弱性指數”的方法就是看電力系統發生事故時的系統的穩定性或者非穩定性。系統發生內部故障，該線路的繼電器會跳閘，這是第一件事故；然后帶有隱形故障的繼電器被觸發，結果就有兩條線路斷開了，這是第二件事故。我們可以實時執行這樣的事故分析，但如果條件不允許的話，也可以提前計算連續發生兩件事故的影響。通常，我們用負載﹑暫態穩定性或者電壓崩潰等等性能來描述“脆弱性指數”。脆弱性區域和脆弱性指數結合在一起就可以給出隱形故障導致大規模嚴重事故的可能性。以此為標準，列出隱形故障的重要性，就可以按順序劃分隱形故障的級別。對于最嚴重的隱形故障則需要進行單獨的監測和控制。

4 隱形故障的監測與控制
　　在研究了脆弱性區域和脆弱性指數后，就可知道哪些繼電器隱形故障的危害性比較大，從而必須對這些繼電器采取一些措施以減小隱形故障的發生率。
　　如圖3所示即為隱形故障的監測和控制系統，可以將它應用到變電站中以控制那些有著很高脆弱性指數的繼電器。隱形故障監測控制系統接收到的信號輸入與具有高脆弱性指數繼電器所接受的信號相同，事實上也就是復制該繼電器的算法和功能。它的輸出和傳統的繼電器的輸出以一個適當的邏輯形式聯系起來，用來監督傳統繼電器的輸出。當監控系統的決策和傳統繼電器的決策不同時，跳閘是不允許的。例如：過電流繼電器，考慮其隱形故障的可能性就是考慮它的方向性。監控系統接收來自傳統繼電器的運行和極化信號，進行方向計算，其輸出和傳統繼電器的輸出相串聯。
　　當然沒有必要監測系統中所有的繼電器，我們可以事先鑒別出哪些線路和母線對于系統可靠性有著最嚴重的危害，然后再對那些相關的繼電器加入數字裝置進行必要的監測和控制。

5 隱形故障分析在電力系統中的應用
5.1 隱形故障分析在EMS中的應用
　　如圖4所示即為隱形故障分析在EMS中的應用。這些隱形故障的分析都是離線進行的，所得到的分析結果都建立在可查詢的表中，當需要它時，可以直接查詢這些表。不管系統的負荷或者開關操作如何變化，一般來說這些分析結果對于多數情況都是有效的。

5.2 隱形故障分析在SPID(Strategic Power Infrastructure Defense)系統中的應用
　　SPID系統是一個分層的多Agent系統，一般分為審慎層、協作層和反應層。系統中的各個Agent是相互獨立的，整個系統又通過協作實現整體目標。隱形故障監測Agent是從系統的角度進行監測的，因此它被設置在最高層審慎層中。如圖即為SPID系統的審慎層的結構。
　　事件鑒別Agents在識別到干擾后，鑒別網絡發生事故的比例。隱形故障監測Agent不斷監測電力系統中有著隱形故障的繼電器﹑發電機﹑負荷，這樣可以鑒別出脆弱性區域。脆弱性評估Agents則不斷地分析系統的脆弱性，計算脆弱性指數，它的Agent要考慮由隱形故障監測Agent監視的所有可能的隱形故障。具體的過程就是一旦事件agent被觸發，就要求脆弱性評估agent計算脆弱性指數。同時，隱形故障監測agent也提供脆弱性區域和隱形故障信息給脆弱性評估agent。計算出來的脆弱性指數發給事件鑒別agent，并將此廣播給其它的agents。重組agents提供的自我愈合動作就傳送給計劃agents。在計劃agents建立了計劃的優化順序后，就會向協作層發出計劃。

6 結論
　　本文主要論述了電力系統繼電保護中所存在的隱形故障問題，它的存在是不可避免的，也是無法消除的。隱形故障是產生大面積故障的關鍵因素之一，因此必須采取有效的措施對其進行控制。目前，在許多系統中，已經要求對隱形故障進行監測和控制。隨著計算機技術和人工智能的發展，會出現更多方法減少隱形故障的危害，使電力系統避免大規模的事故。