南京南瑞继保工程技术有限公司 张东岳

1 引言

电力系统的运行需要电流互感器、电压转换器、线路连接器、接线片等继电元件作为支撑，而这些元件会在运行中受到外界环境的影响，发生不同表现形式的继电保护设备隐性故障。而系统在运行中，一旦出现隐性故障触发行为，潮流电力将在系统内被重新分配，此种行为会干预系统供电、输电、电力调度、资源配置的稳定性，从而造成大型停电事故，严重情况下，甚至会发生电力系统崩溃现象，不仅会对电力企业的经济效益造成影响，也会干预供电过程的安全性。大部分隐性故障从发生到触发会经历一个相对漫长的过程，而在出现隐性故障的前期，电力系统会存在一些未知的安全事件，使系统整体处于一种非常态化运行状态[1]。受到连锁作用的影响，电力系统中的部分元件的运行将处于极限化趋势，而一旦极限超出负荷，电网运行将大规模崩盘，造成最终较为严重的后果[2]。因此，有必要在安全事故发生前，准确辨识并诊断电力系统在运行中继电保护设备的隐性故障，在最短的时间内采取有效的措施进行故障排除，避免由于隐性故障造成的大规模停电事故或电网发电设备大量损坏事件。为此，本文将以某电力系统为例，设计一种针对隐性故障的全新辨识诊断技术，以此种方式，为电网的规范化运行提供帮助。

2 电力系统继电保护隐性故障辨识诊断技术

2.1 电力系统继电保护运行信息采集

为了实现对电力系统继电保护设备在运行中发生隐性故障的精准辨识，需要根据继电保护的运行原则，结合相关设备为电力系统运行提供的专业保护服务，进行系统终端运行信息的针对性采集[3]。在此过程中，可将继电保护专业服务信息描述为PFIS，对专业服务信息模式的描述可用下述图1表示。

图1 电力系统继电保护专业服务模式

按照图1所示的电力部署，将其安装在供电企业的子站终端，通过对继电保护设备与录波器装置的通信连接与运行接入，为电网中不同设备的运行与通信提供协议作为支撑，以此种方式，实现通信协议的有效调度。在此基础上，将轮询机制作为参照，通过对不同接入继电保护设备的定时访问，得到一个全新的事件信息，确保对电力系统在运行当中参数的查询[4]。在轮询过程中，电力系统的子站将主动获取电网在运行过程中继电保护故障行为信息、故障波频信息、装置自行检查故障警示信息等，通过获取的信息，对继电保护设备在当前运行状态下的参数进行查询。查询的内容包括继电保护定值区号、电压与电流定值运行参数值、压板运行状态、电力系统开关输入量状态信息、模拟量信息等。将安装在各个级别电网调度中心的子站作为接收站，进行上送信息的获取，对获取的信息进行深度分析，根据信息关联机制对其进行综合利用，并利用电网中的设备运行参数，进行故障的远方查询与定位。

通过继电保护专业服务采集电网运行数据的方式，基本可以满足对继电保护设备常态化运行状态的在线监视。为了确保获取数据的时效性与完整性要求，可在上述研究的基础上，采用扰动观测的方式，进行故障录波的获取。将获取的录波信息反馈到监测终端，对继电保护装置在瞬时状态下的隐性故障与潜在故障展开进一步的详细分析，以此种方式，实现对电力系统在不同运行状态下与不同工况下继电保护运行信息的采集[5]。大多数情况下，用于描述继电保护隐性故障的告警数据被划分为七大类别。具体内容如表1所示。

表1 继电保护隐性故障告警数据类别

根据采集信息的内容，对照其类别，以此种方式，完成对继电保护运行信息的获取。

2.2 继电保护本体运行配置参数一致性在线辨识

电力系统中继电保护设备在常态化运行条件下，由于参数配置不统一或整体运行方式失调造成的隐性故障，也是本体隐性故障的主要表现形式之一，为了实现对此类隐性故障的精准辨识，需要在进一步的设计工作中，对本体配置参数的一致性进行在线辨识。明确继电保护本体的有效配置参数包括定值参数、区号参数、软/硬压板参数、预设基准值等，只有多个参数在电力系统的运行中保持协调一致，才能确保继电保护在运行中的输入量与输出量呈现标准的线性关系。因此，可在进行配置参数的一致性辨识时，将开关输入量与输出量的比值作为评价本体运行配置参数一致性的关键评价指标。

对本体配置参数一致性的校对主要包括三个步骤，分别为基准值的选择、电力系统运行周期的自动比对、运行核对结果报告生成与输出。根据电力企业对电网运行的不同管理标准与管理要求，可以在变电站子站中进行主站继电保护本体配置参数的集中核对[6]。例如，在进行继电保护输入量与输出量的在线核对时，应先获取压板的基准值，采用召唤真实状态值的方式，进行电网设置方式的调整，确保其运行设置无误后，将参数值直接保存为基准值。根据继电保护的运行周期，对整体周期进行自行比对，当运行周期出现异常或不匹配现象时，电网终端将自动触发隐性故障告警。完成对数据的核对后，生成一个针对电网继电保护装置的核对记录报表，标注其中的异常量与告警信息。

为了确保对故障识别的精准性，可在完成上述辨识后，进行继电保护定值的在线校对，较为常用的定值设置方法有三种：一是根据主站继电保护的定值详单，进行设备类型的在线校对，结合主站的运行需求，生成一个全网统一的定值详单；二是在电力系统主站的计算机程序接口，开发一个定值格式转换详细，按照预设的定值，对继电保护整体进行运行参数集中调试；三是固化主站内继电保护装置的当前定值，采用人工校对的方式，进行电力系统运行基准的调试。

确保对所有继电保护进行调试后，生成完整的记录单，对于在此过程中出现异常的线路或继电保护给予警告信息。定位告警信息所在的电力终端，以此种方式，实现对继电保护本体运行配置参数一致性在线辨识。

2.3 基于整定性原则的隐性故障诊断

当电力系统继电保护装置的馈线发生隐性故障时，需要由集成在前端的专项检测装置，发射检测信号，并反馈故障信号到断路设备，当断路设备识别到继电保护装置存在隐性故障后，会及时对故障给予反应，并切断故障。此时，馈线故障发生主动切除行为，继电保护装置对应点发出闭锁信号，通过此种方式，可以防止站内保护区域发生误动行为[7]。当隐性故障并未完全被切除时，对应支路的元件将发生闭锁，瞬时信号被返回，继电保护装置的支路线路将发生后备，为电网的继续运行提供母线。考虑到继电保护装置中的闭锁元件整体采用支路过流启动，为了实现对隐性故障的精准识别与诊断，应参照整定性原则，对发生故障的概率进行计算，将计算结果定义为继电保护装置发生隐性故障后的安全裕度。对安全裕度的计算可用下述计算公式表示。

公式（1）中：Pr表示为继电保护装置发生隐性故障后的安全裕度；Im表示为继电保护元件测量值；Iset表示为继电保护元件整定值；g 表示为元件测量过程中的灵敏度；Ksr表示为保护行为整定系数。在根据计算结果，当Pr>1.0时，表明电力系统安全裕度较高，不容易或不会发生误动行为，代表集成在电力系统中的继电保护不存在隐性故障。当Pr<1.0时，表明电力系统安全裕度较低，容易或存在误动行为，代表集成在电力系统中的继电保护存在隐性故障。按照此种方式，实现对隐性故障的精准辨识诊断。

3 实例应用分析

上文完成了对继电保护装置故障辨识诊断技术的设计研究。在深入对电力系统的研究时发现，隐性故障是一种较难直接察觉的事故现象，而一旦隐性故障被触发，便会造成电力系统大规模停电或异常。因此，需要在完成对本文提出方法的设计后，进行此方法可行性的检验。

为了确保实验结果真实、可靠，选择某地区大型变电站作为实验单位，根据此供电单位技术人员反馈的信息可知，该变电站曾发生过雷击事故。实验前，根据现有数据，绘制该变电站电力系统继电保护装置整体拓扑结构图，如下图2所示。

图2 变电站电力系统继电保护装置拓扑结构示意图

该电力系统在发生雷击事故前，其中母线110kV并联开关中的35kV 侧II 母线与112两者处于断路运行状态。当雷击事故发生后，位于B 端的主要变压设备在F 侧出现断路过流问题。与此同时，II 段发生隐性故障，对应的375线路发生断路跳闸。随着变电站中电力系统保护定位的发生，并网整体发生小电解网，多个电解网呈现独立运行状态。

为了实现对此种隐性故障的辨识与诊断，将本文设计的技术集成在电力终端，采集电力系统继电保护运行信息，对其在运行中的常态化信息进行描述。在此过程中，将隐性监测保护互感器安装在电力系统继电保护的接线端，明确互感器反馈信息的误差值在±5.0%范围内，对获取的信息进行误差正态分布标注，预设采集的运行信息均值为0，有效标准差值为0.01，对无隐性故障的继电保护装置在运行中的节点电压幅度差值进行计算，计算公式如下：

公式（2）中：F 表示为继电保护装置在运行中的节点电压幅度差值；Fmax表示为节点电压最大幅度；Fmin表示为节点电压最小幅度。结合变电站中电力系统的常态化运行趋势，对无隐性故障的继电保护幅差值进行计算，将继电保护元件的负荷极限值作为触发隐性故障的门槛值，对非故障条件下的节点运行状态进行描述。如下图3所示。

从图3中可以看出，电力系统继电保护节点在无隐性故障条件下运行，其电压幅值差值都明显小于门槛值。在此基础上，对遭受雷击事故后的继电保护装置进行隐性故障辨识诊断，诊断中，需要采集电力系统继电保护运行信息，在此基础上，进行继电保护本体运行配置参数一致性在线辨识，将整定性原则作为参照，对电力系统中的隐性故障进行诊断，按照上述方式，对诊断后结果的电压幅度差值进行描述。如下图4所示。

图3 非隐性故障条件下的电力系统继电保护节点运行

从图4所示的实验结果可以看出，375节点的电压幅度差值显著大于预设的门槛值，由此可以诊断在电力系统继电保护装置的运行中，375节点存在隐性故障。根据变电站技术人员反馈的信息可知，该节点由于受到雷击的影响，确实存在打击异常，故障辨识诊断结果与实际故障结果相同，说明了本文设计的辨识诊断技术在进行继电保护装置的隐性故障诊断时具有一定可行性。

图4 电力系统继电保护隐性故障辨识诊断结果

4 结语

隐性故障是指终端电力系统在常态化环境下运行时，出现运行故障或异常，而此种故障又是电力系统无法及时发现且不会对系统运行造成影响的故障。只有电力系统出现其他异常或故障现象时，隐性故障才会出现，从而对系统运行造成威胁。尽管此种故障不会对电力系统的运行造成威胁，但倘若不及时采取有效的措施进行隐性故障处理或排除，便会诱发电力系统的连锁故障，最终对电网造成不可逆的损害。为了降低隐性故障对电力系统运行的负面影响，应做好对其隐性故障的诊断，为此本文从电力系统继电保护运行信息采集、继电保护本体运行配置参数一致性在线辨识、基于整定性原则的隐性故障诊断三个方面，设计了全新的隐性故障辨识诊断技术。完成设计后，选择某地区大型变电站作为实验单位，设计实验，通过实例应用的方式，证明了本文此次研究设计的成果在实际应用中，可以起到精准辨识并诊断电力系统隐性故障的作用。