劉虎林,韓 俊，蘇柏松

(國(guó)家電網(wǎng)有限公司華東分部,上海 200120)

0 引言

隨著新能源不斷并入電網(wǎng)，電力系統(tǒng)隨之發(fā)生新的變化，給電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)一系列新的挑戰(zhàn)。為了降低擾動(dòng)對(duì)電能質(zhì)量的影響，電力公司設(shè)計(jì)出可靠安全的繼電保護(hù)系統(tǒng)。然而，保護(hù)裝置自身存在的某些缺陷會(huì)引起繼電器誤動(dòng)或者拒動(dòng)，進(jìn)而對(duì)電網(wǎng)造成擾動(dòng)，影響供電安全性和可靠性[1-4]。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，電力系統(tǒng)中大多數(shù)故障是隱性的，直到它們被網(wǎng)絡(luò)中的其他事件暴露出來(lái)，即隱性故障導(dǎo)致的繼電器誤動(dòng)作將與其他事件(如停電故障)同時(shí)發(fā)生。隱性故障的這一特性使得電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增加，危及保護(hù)系統(tǒng)可靠性。

因此，本文提出一種智能變電站集中保護(hù)方案(CPS)，以監(jiān)控原有保護(hù)系統(tǒng)，并確保其不會(huì)因隱性故障而誤動(dòng)作。使用動(dòng)態(tài)狀態(tài)評(píng)估法檢測(cè)和識(shí)別隱性故障，搭建研究案例模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明了方案的可行性。

1 隱性故障分析

隱性故障幾乎都是永久性缺陷，它可能為IED提供不正確的輸入，導(dǎo)致相關(guān)繼電器誤動(dòng)作，錯(cuò)誤地切除電路元件而擴(kuò)大停電范圍。而在出現(xiàn)異常情況(如故障)之前，它們一直處于隱藏狀態(tài)，未被檢測(cè)到。本節(jié)將討論不同部件的隱性故障模式及其對(duì)保護(hù)系統(tǒng)的潛在影響。

1.1 IED中的隱性故障

保護(hù)繼電器是電力系統(tǒng)的守護(hù)者，它們能夠處理各種遙測(cè)數(shù)據(jù)(如電流和電壓)，并檢測(cè)異常。目前使用的保護(hù)繼電器是微機(jī)保護(hù)繼電器。微機(jī)保護(hù)設(shè)備隨著保護(hù)裝置的演變，逐漸擁有通信和自動(dòng)化的相關(guān)功能，被稱為智能電子設(shè)備(IED)[5]。IED中的隱性故障可分為3類：硬件相關(guān)的隱性故障、設(shè)置相關(guān)的隱性故障和繼電器邏輯相關(guān)的隱性故障[6]。

IED的典型硬件結(jié)構(gòu)包括處理瞬時(shí)信號(hào)和尖峰信號(hào)的信號(hào)調(diào)節(jié)器、模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器、處理輸入和執(zhí)行IED功能的處理器、接收和發(fā)送數(shù)字信號(hào)的I/O模塊以及電源模塊。這些部件大概率存在老化或制造缺陷等故障，會(huì)在正常狀態(tài)下觸發(fā)跳閘信號(hào)，或在故障狀態(tài)下觸發(fā)繼電器拒動(dòng)。因此，大多數(shù)IED供應(yīng)商已經(jīng)在其IED中加入了自測(cè)試功能[7]。此類自檢旨在檢測(cè)IED中不同部件的實(shí)際狀況，包括檢測(cè)直流電源的電壓是否在可接受的范圍內(nèi)，檢查其訪問(wèn)處理器內(nèi)存的能力，以及A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)正確性。當(dāng)自檢出故障后，IED向控制中心發(fā)出警報(bào)，并自動(dòng)停用相關(guān)保護(hù)。但是，自檢過(guò)程沒(méi)有檢測(cè)物理I/O模塊，該模塊可能發(fā)生硬件故障(即短路)并向斷路器發(fā)出錯(cuò)誤的跳閘信號(hào)。此類故障一旦啟動(dòng)就無(wú)法停止，通過(guò)植入相關(guān)好的維保檢測(cè)程序可以降低其發(fā)生誤動(dòng)作的概率。

保護(hù)測(cè)量裝置中不正確的設(shè)置或邏輯錯(cuò)誤是IED中最常見(jiàn)的隱性故障之一。此類故障通常與人為因素有關(guān)，是由計(jì)算和安裝調(diào)試?yán)^電器的保護(hù)工程師和技術(shù)人員造成的。隨著IED復(fù)雜性的增加，這一問(wèn)題變得越來(lái)越突出，因?yàn)槲C(jī)保護(hù)中保護(hù)、控制和自動(dòng)化已經(jīng)集成在一起。為了規(guī)避由于繼電器設(shè)置和邏輯不正確而導(dǎo)致繼電器誤動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)，已經(jīng)提出繼電器設(shè)置同行評(píng)審、對(duì)保護(hù)工程師進(jìn)行更多培訓(xùn)以及繼電器設(shè)置模板標(biāo)準(zhǔn)化等許多措施，但仍無(wú)法完全避免該隱性故障。

1.2 通信系統(tǒng)中潛在的故障

在智能電網(wǎng)時(shí)代，通信系統(tǒng)已成為保護(hù)系統(tǒng)不可分割的一部分。這些通信系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，如差動(dòng)繼電器之間的通信，傳輸閉鎖、開(kāi)入和跳閘信號(hào)，以及來(lái)自合并單元的電流和電壓輸入信號(hào)的傳遞。然而，在如此大規(guī)模的應(yīng)用中，通信系統(tǒng)也可能存在隱性故障而導(dǎo)致繼電器誤動(dòng)作。通信系統(tǒng)中常見(jiàn)的隱性故障主要包括通信介質(zhì)(即光纜)和通信接口(即路由器)中的故障[8]。這些故障導(dǎo)致遠(yuǎn)端信息丟失，從而無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)分析以及相關(guān)判斷并得出結(jié)論。在傳統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)中，輸電線路保護(hù)是最容易受到通信信道隱性故障影響的，因?yàn)樗谋Ｗo(hù)方案依靠通信信道，如光纖差動(dòng)保護(hù)等，在通信故障期間可能會(huì)引起繼電器誤動(dòng)作。新興的數(shù)字化智能變電站的保護(hù)系統(tǒng)嚴(yán)重依賴于通信，每個(gè)保護(hù)區(qū)都容易受到通信信道中隱性故障的影響。通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也對(duì)此故障進(jìn)行了采樣，使通信信道中的單一故障將不再影響整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)，但同時(shí)導(dǎo)致該設(shè)計(jì)需要更多冗余的通信基礎(chǔ)設(shè)施。此外，該程序也會(huì)在通信信道丟失的同時(shí)向控制中心發(fā)出警報(bào)信號(hào)。

1.3 測(cè)控儀器儀表結(jié)構(gòu)中的隱性故障

保護(hù)系統(tǒng)中的測(cè)控儀器儀表結(jié)構(gòu)由變壓器測(cè)控單元、電纜測(cè)控單元和負(fù)載單元組成，它們?cè)诒Ｗo(hù)系統(tǒng)中爭(zhēng)當(dāng)排頭兵，并且介于一次設(shè)備(即高壓電力系統(tǒng)設(shè)備)和IED之間，因?yàn)镮ED需要相對(duì)較低的電流和電壓才能正常工作。電壓互感器將電壓轉(zhuǎn)化為合適值(PT通常為69 V)，電流互感器將電流轉(zhuǎn)化為合適值(CT通常為1 A或5 A)，并將這些電壓和電流通過(guò)二次回路給IED供能。此外，IED還配備了A/D轉(zhuǎn)換單元，用于將采集的測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。目前，隨著合并單元的引入，A/D轉(zhuǎn)換單元與IED分離，這也大大減少了儀器儀表布線的數(shù)量[9]，帶和不帶合并單元的典型測(cè)控儀器儀表結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于合并單元幾乎清除了相關(guān)儀器儀表線路，使得相關(guān)測(cè)量?jī)x器儀表變壓器單元成為了測(cè)控儀器儀表結(jié)構(gòu)中潛在的最脆弱故障元件，其中最常見(jiàn)的隱性故障大致分為以下幾類：PT回路保險(xiǎn)絲熔斷、CT飽和、CT短路、CT反極性和CT比率設(shè)置錯(cuò)誤。

圖1 測(cè)控儀器儀表結(jié)構(gòu)

2 集中保護(hù)方案

本文提出的集中式保護(hù)方案(CPS)將在變電站級(jí)為保護(hù)系統(tǒng)提供廣域監(jiān)控，從而進(jìn)行隱性故障檢測(cè)，且該過(guò)程將通過(guò)變電站動(dòng)態(tài)狀態(tài)評(píng)估來(lái)實(shí)現(xiàn)。DSE檢查核對(duì)變電站內(nèi)IED收集的測(cè)量值與其模型之間的一致性，以站內(nèi)總線為通道，將IED所采數(shù)據(jù)傳輸至CPS。這些數(shù)據(jù)包括變電站內(nèi)測(cè)量的相量、斷路器的狀態(tài)以及其他信息。在流程開(kāi)始時(shí)，CPS根據(jù)斷路器的狀態(tài)識(shí)別變電站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并根據(jù)預(yù)定義的單個(gè)區(qū)域模型構(gòu)建變電站模型。然后，CPS根據(jù)用戶提供的預(yù)定義信息將變電站內(nèi)的IED映射到其相應(yīng)區(qū)域。最后，CPS使用變電站模型和從IED收集的變電站測(cè)量值在變電站中運(yùn)行DSE。DSE是一種數(shù)學(xué)模型，用于檢測(cè)測(cè)量值與變電站模型之間的一致性。它將計(jì)算出變電站狀態(tài)的最佳估計(jì)值，通過(guò)使用變電站模型來(lái)計(jì)算出估計(jì)的測(cè)量值。測(cè)量值與模型之間的一致性程度通過(guò)卡方檢驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估，卡方檢驗(yàn)將計(jì)算出變電站的置信水平。高置信水平(即>0.8)表示變電站運(yùn)行正常，而低置信水平(即<0.8)表示變電站運(yùn)行異常。本文將在每個(gè)周期采樣1次，每個(gè)樣本實(shí)時(shí)執(zhí)行DSE和卡方檢驗(yàn)，在檢測(cè)到異常情況后，本文將進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，以確定異常是否由隱性故障或電源故障引起[10]。假設(shè)檢驗(yàn)使得測(cè)量中存在巨大的冗余數(shù)據(jù)，這意味著測(cè)量將產(chǎn)生比變電站自身狀態(tài)更多的數(shù)據(jù)量，導(dǎo)致典型變電站的冗余度將達(dá)到2 000%。雖然這種冗余消除了杠桿點(diǎn)的可能性[11]，但是這種特性導(dǎo)致異常測(cè)量的誤差更大。因此，高誤差的測(cè)量更有可能是不良測(cè)量。

假設(shè)檢驗(yàn)需要掃描計(jì)算的歸一化殘差值并作為DSE一部分，從中選擇誤差最大的測(cè)量值，將其標(biāo)記可疑測(cè)量值并刪除，并重新進(jìn)行DSE校驗(yàn)。如果DSE顯示高置信水平，則刪除的該測(cè)量值就是不正常的。為了將此異常歸類為儀表通道中的隱性故障或電源故障，在此提出共模標(biāo)準(zhǔn)，即如果多次測(cè)量共用共模標(biāo)準(zhǔn)且其歸一化殘差均超過(guò)一定閾值，則可將這些測(cè)量結(jié)果歸類到一組可疑測(cè)量中。在此，本文定義了2種類型的共模標(biāo)準(zhǔn)：儀器通道共模，用于測(cè)試從單個(gè)儀器通道提取的所有測(cè)量值； 區(qū)域共模標(biāo)準(zhǔn)，如果歸一化殘差超過(guò)某個(gè)閾值，則將相關(guān)的與運(yùn)行IED區(qū)域結(jié)合在一起?；诠材?zhǔn)則，一共有2種類型的假設(shè)。第1種是是滿足儀表通道共模標(biāo)準(zhǔn)的儀表通道中的隱性故障模型，該假設(shè)包括移除具有最高歸一化殘差且與儀器通道相關(guān)聯(lián)的測(cè)量值，并重新運(yùn)行DSE，如果該假設(shè)顯示出較高的置信水平，則判定為檢測(cè)到隱性故障。第2種假設(shè)類型是IED運(yùn)行區(qū)域內(nèi)的電源故障，該假設(shè)包括刪除與該區(qū)域相關(guān)的所有測(cè)量值。如果顯示高置信度，則判定為檢測(cè)到電源故障[12]。在檢測(cè)到隱性故障后，CPS向受到不良測(cè)量影響的相關(guān)IED發(fā)出閉鎖信號(hào)，以阻止其運(yùn)行。此操作將確保繼電器不會(huì)因隱性故障而誤動(dòng)作。

3 實(shí)際案例分析

本文將在1個(gè)相對(duì)較小的變電站進(jìn)行CPS模擬，該變電站有7個(gè)保護(hù)區(qū)，如圖2所示，其中部分重復(fù)元件僅標(biāo)注位置。此模擬的目的是驗(yàn)證第2節(jié)中所提概念，并說(shuō)明該系統(tǒng)可以在更大范圍內(nèi)運(yùn)用。該變電站由110 kV輸電線路供電。保護(hù)區(qū)劃分為： 110 kV輸電線路、110 kV母線、110 kV/10 kV 36 MVA的變壓器、10 kV母線、3條10 kV配電饋線(3個(gè)保護(hù)區(qū))。該系統(tǒng)由50個(gè)狀態(tài)組成，約有300個(gè)測(cè)量值，冗余度為600%。CT短路事件將模擬CT-9A中的隱性故障，該CT向差動(dòng)繼電器(87T)提供二次側(cè)的電流測(cè)量值。在5 MW負(fù)載切換期間，在t=2.5 s時(shí)啟動(dòng)CT短路事件，模擬從t=0開(kāi)始，初始系統(tǒng)負(fù)荷為15 MW，持續(xù)5 s。

圖2 變電站接線圖

如圖3所示是差動(dòng)繼電器的響應(yīng)曲線。在CT短路啟動(dòng)期間，由于CT短路，從CT-9A采樣的電流值降至0，此外，在t=2.5 s時(shí)，差動(dòng)元件中的電流顯著增加。因此，變壓器區(qū)的差動(dòng)繼電器運(yùn)行并啟動(dòng)跳閘信號(hào)。由于CT電路中存在隱性故障，此操作為繼電器誤動(dòng)作。該示例說(shuō)明了電力系統(tǒng)運(yùn)行中隱性故障的負(fù)面后果。

圖3 繼電器(87T)響應(yīng)曲線

此時(shí)，CPS對(duì)事件啟動(dòng)假設(shè)檢驗(yàn)，在驗(yàn)證期間，CPS驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)化殘差的值，并選擇測(cè)量的最高值作為可疑測(cè)量值。如表1所示，從CT-9A中提取的測(cè)量值的歸一化殘差最高，共模標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證表明，滿足CT-9A的儀表通道共模標(biāo)準(zhǔn)。因此，CPS從測(cè)量集中刪除了CT-9A的測(cè)量值，并重新運(yùn)行DSE。如圖4所示顯示了假設(shè)檢驗(yàn)的結(jié)果，該結(jié)果表明刪除CT-9A測(cè)量值會(huì)產(chǎn)生高置信水平。當(dāng)CPS檢測(cè)到作為假設(shè)檢驗(yàn)結(jié)果的隱性故障，確定了存在隱性故障的儀表通道，向變壓器差動(dòng)繼電器發(fā)出閉鎖信號(hào)，以阻止隱性故障，如圖5所示。其中，縱坐標(biāo)表示產(chǎn)生信號(hào)的狀態(tài)，即邏輯電平，1表示高電平，0表示低電平。

表1 歸一化殘差的最高值

圖4 假設(shè)檢驗(yàn)結(jié)果

圖5 隱性故障識(shí)別曲線

4 數(shù)據(jù)架構(gòu)

由于數(shù)據(jù)處理在該研究中非常關(guān)鍵，因此本文定義系統(tǒng)架構(gòu)，規(guī)定了數(shù)據(jù)處理、通信協(xié)議和系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。本文提出的架構(gòu)主要考慮運(yùn)用數(shù)字技術(shù)的傳統(tǒng)變電站作為研究對(duì)象。具有傳統(tǒng)保護(hù)的傳統(tǒng)變電站始終在主要設(shè)備(如斷路器、儀表通道和傳統(tǒng)保護(hù)繼電器)之間使用銅纜進(jìn)行信號(hào)傳輸。根據(jù)IEC 61850要求，數(shù)字技術(shù)需要通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這種以數(shù)字技術(shù)為補(bǔ)充手段的傳統(tǒng)變電站的改造預(yù)計(jì)將在短期內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位，因此，該架構(gòu)有利于傳統(tǒng)變電站向數(shù)字化變電站過(guò)渡。

開(kāi)關(guān)站的測(cè)量?jī)x器儀表直接通過(guò)導(dǎo)線連接到傳統(tǒng)保護(hù)繼電器，如圖6所示。此外，很少有繼電器通過(guò)過(guò)程總線接收來(lái)自合并單元和遙測(cè)數(shù)據(jù)接口的采樣值，因此將創(chuàng)建站端總線以進(jìn)行此類數(shù)據(jù)傳輸。此外，IED、遙測(cè)接口和CPS之間的相量通過(guò)站端總線傳輸，GOOSE消息通過(guò)過(guò)程總線在合并單元和IED之間或通過(guò)站端總線在傳統(tǒng)保護(hù)繼電器和CPS之間傳輸。該架構(gòu)以IEEE 1588v2精確時(shí)間協(xié)議(PTP)為基礎(chǔ)進(jìn)行GPS同步測(cè)量。

圖6 CPS系統(tǒng)總架構(gòu)

連續(xù)相量流對(duì)CPS的可靠運(yùn)行至關(guān)重要。因此，站點(diǎn)總線拓?fù)浔仨毚_?？煽康臄?shù)據(jù)流，以避免不必要的數(shù)據(jù)中斷。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臉?biāo)準(zhǔn)是對(duì)數(shù)據(jù)恢復(fù)的要求和網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求。對(duì)于所需的應(yīng)用程序，站點(diǎn)總線的數(shù)據(jù)恢復(fù)要求是零時(shí)間。零時(shí)間意味著恢復(fù)過(guò)程必須在1個(gè)采樣周期內(nèi)進(jìn)行。本文提出這一要求是為了使CPS能夠?qū)ψ冸娬綢ED進(jìn)行持續(xù)監(jiān)督，該要求表明廠站總線無(wú)法承受數(shù)據(jù)流中斷，而網(wǎng)絡(luò)帶寬的大小取決于數(shù)據(jù)流的速度。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，本文建議使用并行冗余協(xié)議(PRP)，它只是復(fù)制網(wǎng)絡(luò)主干基礎(chǔ)設(shè)施。在此需要?jiǎng)?chuàng)建2個(gè)獨(dú)立的局域網(wǎng)(即LAN_A和LAN_B)，這2個(gè)網(wǎng)絡(luò)將同時(shí)把每個(gè)來(lái)自IED的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺PS，當(dāng)這2個(gè)網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行時(shí)，CPS同時(shí)接收來(lái)自這2個(gè)網(wǎng)絡(luò)的重復(fù)數(shù)據(jù)。因此，必須實(shí)施重復(fù)檢測(cè)機(jī)制，以淘汰其中1個(gè)重復(fù)數(shù)據(jù)。PRP由1個(gè)網(wǎng)絡(luò)主干(即1組相互連接的以太網(wǎng)交換機(jī))和網(wǎng)絡(luò)分支(即IED和CPS)組成。從數(shù)據(jù)的角度來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)主干的大小取決于以太網(wǎng)交換機(jī)的大小，而以太網(wǎng)交換機(jī)的大小取決于數(shù)據(jù)交換的量。在本設(shè)計(jì)中，本文將數(shù)據(jù)集中器合并到CPS中。因此，廠站總線中的數(shù)據(jù)集中器被視為CPS中的一項(xiàng)功能。數(shù)據(jù)集中器的目標(biāo)是聚合從單個(gè)IED接收的數(shù)據(jù)，然后將每個(gè)采樣時(shí)間的數(shù)據(jù)作為1個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)紺PS。最終用戶決定考慮使用2個(gè)獨(dú)立的CPS設(shè)備(即計(jì)算機(jī))，將冗余度可以擴(kuò)展到相關(guān)CPS硬件中。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文開(kāi)發(fā)出了變電站集中保護(hù)方案，以確保變電站的保護(hù)系統(tǒng)免受隱性故障的影響。CPS將監(jiān)控變電站內(nèi)的所有單獨(dú)保護(hù)區(qū)內(nèi)的繼電器，使用動(dòng)態(tài)狀態(tài)評(píng)估來(lái)檢測(cè)和識(shí)別隱性故障。一旦檢測(cè)到異常，將采用假設(shè)檢驗(yàn)來(lái)區(qū)分隱性故障和電源故障。此外，通過(guò)案例驗(yàn)證模擬可知，該方案也能夠檢測(cè)儀器通道中其他類型的隱性故障。因此，CPS顯著提高了保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)隱性故障的安全性，填補(bǔ)了保護(hù)系統(tǒng)中的關(guān)鍵漏洞。此外，本文還提出了一種基于IEC 61850的CPS體系結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過(guò)增加PRP拓?fù)鋪?lái)適應(yīng)高冗余度，以滿足“零時(shí)間”數(shù)據(jù)恢復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)。并且，本文還引入了數(shù)據(jù)集中器來(lái)聚合不同來(lái)源的數(shù)據(jù)，避免了數(shù)據(jù)延遲產(chǎn)生的其他后果。