楊利民 周杰 張烈 張良武 趙啟

摘 要：電網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，增強電網故障辨識能力。鑒于此，根據繼電保護隱性故障特點，從變電站角度，對變電站采集數據進行分類，利用同源數據比對，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據，按不同維度將信息分類，進行隱性故障辨識，以加強電網隱性故障辨識能力。

關鍵詞：變電站;繼電保護;隱性故障;同源數據;歷史數據

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，提出同源數據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據，結合隱性故障原因，進行隱性故障辨識，增強電網隱性故障辨識能力。

1? ? 隱性故障的危害

在電網未發(fā)生故障時，繼電保護隱性故障對電網無影響，且檢測不出此類故障[7]。但在電網發(fā)生故障時，電網各個環(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，造成電網有功、無功缺額，影響電網電能質量，甚至導致電網出現(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)內外故障時，先通過測量元件進行數據采集，再基于采集數據，結合繼電保護判據，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頻，穩(wěn)定電能質量，保證電網安全穩(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)，隱性故障產生原因以其內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? ? 數據分類

針對繼電保護故障診斷與在線巡檢，采集數據分類如下：

（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?？捎赡M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）錄波數據。

繼電保護在檢測到電網擾動和故障時會產生啟動事件信號，并觸發(fā)錄波數據的記錄功能，記錄擾動過程中繼電保護的模擬量、開關量變化情況。這些數據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）歷史數據。

電網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。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。歷史啟動和跳閘錄波數據也可作為設備隱性故障檢測的依據，在運行檢測周期內有正確跳閘的保護可不用再次進行本周期的檢驗，檢測周期可根據運行檢驗設定。

將采集的數據分類，結合數據分類的特點及隱性故障原因，可用于數據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，這些量測數據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冗余信息的相互校驗來辨識。

4.1.1? ? 同源數據比較原理

將變電站采集到的數據與二次回路的狀態(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，用斷面數據比較存在差異較大的情況，因此需采用積分算法進行數據差異比對，可以避免數據短時間突發(fā)變化帶來的影響。以模擬量的同源數據比對為例，設同源的兩個數據點為A、B，其隨時間的變化規(guī)律如圖1所示。

則0—t1時間段內，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%），認為數據存在差異。為了避免數據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1。

此外，為了避免在數據變化劇烈時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：只有數據變化較緩慢時才進行比較。衡量數據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2，狀態(tài)量可以做類似處理。

因此，基于模擬量的同源數據比對，在滿足觸發(fā)條件后，利用式（1）進行同源數據差異判別?；阡洸〝祿心M量波形、狀態(tài)量波形數據比對，可根據啟動點位置實現(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? ? 同源數據比較方法

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。

對于任一個同源數據，可根據同源配置獲取其不同的數據測量點，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，此時需對同源數據差異發(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。同源冗余數據對比流程如圖2所示。

4.1.3? ? 同源數據的選取

（1）同源數據定義。

同源數據是指同一實際數據由不同的設備或信號點采集，通過比較同源數據，判斷設備是否異常。同源數據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據、同一次電網故障（或擾動）中針對相同一次設備的暫態(tài)錄波數據等。本研究選取的同源數據定義如下：

高壓線路的雙套保護，僅考慮一次設備電氣量數據，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據，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）建立同源數據邏輯關系。

新建同源數據表，將定義為同源數據的相關數據寫入模型表，建立同源數據邏輯關系，作為比較的數據基礎。

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

4.1.4? ? 同源數據比對

針對同源數據的實時值，基于圖2同源冗余數據對比流程圖，對同源冗余數據進行周期性比對，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，基于同源冗余數據比對，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)對同源冗余數據進行比對發(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品在歷史上的運行情況進行數據挖掘，可輔助識別分析判斷得出某產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，統(tǒng)計的內容包括：

（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據采集現(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。前者綜合考慮數據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據進行差異比對，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。