一种继电保护系统的多模式隐藏故障风险分析方法

摘要

本发明属于电力系统继电保护和风险分析领域，公开了一种继电保护系统的多模式隐藏故障风险分析方法，包括建立继电保护系统的多模式隐藏故障模型；根据多模式隐藏故障模型对由继电保护隐藏故障导致的电网N-k故障进行风险分析，获得继电保护系统隐藏故障的风险指标值。本发明对保护系统的隐藏故障进行简化建模分析；分析不同种典型模式的保护隐藏故障特点，建立多种模式的隐藏故障模型；针对隐藏故障的风险分析问题，提出一种电网N-k故障分析方法。分析中采用了基于改进功能组分解法和事件树分析方法的N-k故障概率求解方法，并建立了相应的连锁故障风险指标；提高电网N-k故障概率的计算准确度，能对继电保护系统的隐藏故障进行风险评估分析。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统继电保护和风险分析领域，更具体地，涉及一种 继电保护系统的多模式隐藏故障风险分析方法。

背景技术

继电保护系统是电力系统的一个重要防线，关系到电网的安全稳定运 行水平。由于受到设备自身和外部环境等多种因素的影响，保护系统往往 会存在有一定的隐藏故障。保护的隐藏故障（Hidden Failure HF）定义为保 护系统中的一种持久性缺陷：在正常情况下，该缺陷不被暴露和察觉。但 是当系统发生故障或出现不正常运行状态时会被触发，导致保护装置不正 确动作。数次大停电事故表明，保护系统的隐藏故障在电网发生连锁故障 的过程中起到了推波助澜的作用。

实际电网中，继电保护系统的配置应由主保护和后备保护构成。一般 情况下，主保护由差动保护和纵联距离保护组成；后备保护则包括相间距 离保护，接地距离保护和零序电流保护。继电保护系统的隐藏故障常可以 分为以下三类：（1）硬件故障造成的隐性故障；（2）软件系统造成的隐性 故障；（3）保护定值造成的隐性故障。目前针对隐藏故障的建模分析方法 是单一的，只考虑保护某一种类型的隐藏故障。部分方法认为保护元件隐 藏故障爆发是因为元件有功潮流过载，隐藏故障爆发的概率与该元件潮流 过载率有关；部分方法从保护元件的动作逻辑图出发分析隐藏故障爆发的 特点，这种分析方法从保护原理出发进行分析，分析的仍是保护系统的某 一个模式的隐藏故障；在某些特殊的运行方式下，原先配合合理的定值可 能会不满足系统运行的要求，导致保护产生隐藏故障。部分方法通过分析 不合理的保护定值来分析由保护定值所引起隐藏故障的特点。另外，继电 保护系统最终都是通过动作断路器来实现保护功能的。断路器装置虽然是 电网的一次设备，但鉴于其关系到继电保护系统的实际保护作用，所以有 必要分析断路器隐藏故障的特点。继电保护系统的隐藏故障在横向方向上 反映在不同保护原理构成的保护上，纵向方向上反映在不同位置的保护相 互配合情况上。保护系统的隐藏故障应是具有多种模式，多种层次的，目 前的方法主要针对某一种模式的隐藏故障进行分析。单一模式的分析方法 忽略了故障发生在线路的不同位置应对应着不同模式的隐藏故障，并且保 护系统不同模式的隐藏故障之间应是相互联系，相互影响的。

继电保护系统的隐藏故障会反映在电网的N-k故障过程中，对隐藏故 障进行风险分析最终反映在对电网的N-k故障风险分析中。电网N-k故障 风险分析主要包括N-k故障概率求解和N-k故障后果损失两方面。目前， 求解电网N-k故障概率多采用功能组和故障事件树分析方法。多模式的隐 藏故障模型中隐藏故障组合模式多，N-k故障路径繁多，目前的功能组法和 故障事件树分析方法不能有效地处理在多模式模型下N-k故障的分析。另 外，在N-k故障后果损失中，目前的后果损失评价指标多采用负荷损失表 示。实际电网N-k故障中，后果损失指标并不能充分反映故障的后果损失 情况。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种继电保护系 统的多模式隐藏故障风险分析方法，其目的在于对多模式的隐藏故障进行 分析，由此发现更多的N-k故障路径，提高N-k故障路径发生概率的计算 准确度，识别出电网的薄弱环节。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种继电保护系统 的多模式隐藏故障风险分析方法，包括下述步骤：

S1：建立继电保护系统的多模式隐藏故障模型；

S2：根据所述多模式隐藏故障模型对由继电保护隐藏故障导致的电网 N-k故障进行风险分析，获得继电保护系统隐藏故障的风险指标值。

更进一步地，步骤S1具体为：

S11：对继电保护系统的隐藏故障进行简化：

只考虑由隐藏故障导致差动保护拒动的情况；只考虑由隐藏故障导致 纵联距离保护误动的情况；不考虑零序电流保护的隐藏故障；将相间距离 的隐藏故障和接地距离保护的隐藏故障统一为距离保护的隐藏故障；

S12：计算简化后的隐藏故障发生的概率：

根据电网的实际运行情况的统计值获得通信通道故障概率；所述通信 通道故障概率即为差动保护拒动隐藏故障发生的概率；

根据通信信道故障概率和故障落入隐藏故障区间的概率获得纵联距离 保护隐藏故障发生的概率；

根据拒动断路器的位置和厂站的接线方式获得断路器拒动隐藏故障发 生的概率；

根据距离I，II段的定值获得距离保护的隐藏故障发生的概率；

根据距离III段定值躲负荷的可靠系数偏离实际运行要求的可靠系数值 的程度获得距离保护III段定值隐藏故障发生的概率。

更进一步地，步骤S2具体为：

S21：采用功能组分解方法和事件树方法计算电网N-k故障的故障概 率；

S22：根据电网的实际运行情况和运行规定获得综合后果损失指标值； 所述综合后果损失指标值等于三个子指标乘以权重系数求和；其中第一子 指标为丢失电厂电源容量，第二子指标为变压器的下网功率损失，第三子 指标为断面功率传输裕度的变化值；

S23：将电网N-k故障的故障概率乘以电网N-k故障的综合后果损失指 标值获得继电保护系统隐藏故障的风险指标值。

在本发明提供的多模式隐藏故障风险分析方法中，由于建立了继电保 护系统的多模式隐藏故障模型，使得可以发现更多的N-k故障路径，提高 N-k故障路径发生概率的计算准确度。通过对N-k故障的识别和分析可以找 出系统中的脆弱路径和薄弱环节。对这些薄弱环节的重点监控可以有效地 提高系统的可靠性。另外，优先对薄弱环节中的保护进行检修或升级，除 了最大程度地提高可靠性以外，还可以使得保护升级更具有针对性和经济 性。

附图说明

图1为保护系统隐藏故障的简化建模分析方法；

图2为纵联距离保护的隐藏故障区间；

图3为距离I段定值对应的隐藏故障区间；

图4为距离II段定值对应的隐藏故障区间；

图5为距离III段定值误动概率曲线；

图6为改进功能组分解法分析电网N-k故障；

图7为电网N-k故障对应的事件树。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

本发明属于电力系统继电保护和风险分析领域，具体涉及一种继电保护 系统隐藏故障的建模分析，以及评估隐藏故障风险的风险分析方法。本发 明的目的在于对继电保护系统的隐藏故障进行风险分析。通过在不同方向 和不同层次上，对保护系统的隐藏故障进行分析，建立了一种继电保护系 统的多模式隐藏故障模型。同时将隐藏故障的风险反映到电网N-k故障风 险中，建立了一种隐藏故障的风险分析方法。在N-k故障风险分析中，采 用了一种简化的N-k故障概率求解方法，并提出了相应的后果损失指标。 该方法可以用于对保护隐藏故障的建模、风险分析以及对电网连锁故障作 用机理等若干关键技术问题进行分析。

本发明提供的继电保护系统的多模式隐藏故障风险分析方法根据继电 保护的不同原理，不同作用对一套完整的继电保护系统进行分块、分层地 简化分析。对几种典型的隐藏故障模式进行建模分析，建立继电保护系统 的多模式隐藏故障模型。通过对由继电保护隐藏故障导致的电网N-k故障 进行风险分析，来研究继电保护系统隐藏故障的风险。

本发明提供的继电保护系统的多模式隐藏故障风险分析方法具体包括 下述步骤：

S1：建立继电保护系统的多模式隐藏故障模型；

S2：根据所述多模式隐藏故障模型对由继电保护隐藏故障导致的电网 N-k故障进行风险分析，获得继电保护系统隐藏故障的风险指标值。

其中步骤S1具体包括：

S11：对继电保护系统的隐藏故障进行简化，

具体包括：只考虑由隐藏故障导致差动保护拒动的情况；只考虑由隐 藏故障导致纵联距离保护误动的情况；不考虑零序电流保护的隐藏故障； 将相间距离的隐藏故障和接地距离保护的隐藏故障统一为距离保护的隐藏 故障；

S12：计算简化后的隐藏故障发生的概率：

根据电网的实际运行情况的统计值获得通信通道故障概率；所述通信 通道故障概率即为差动保护拒动隐藏故障发生的概率；

根据通信信道故障概率和故障落入隐藏故障区间的概率获得纵联距离 保护隐藏故障发生的概率；首先，通过故障信息系统获取纵联距离保护的 定值，然后根据实际运行方式计算保护伸入下级线路的长度。该长度即为 隐藏故障区间的长度。将隐藏故障区间的长度比上线路长度，再乘以该线 路故障的概率和通信通道故障的概率即为纵联距离保护隐藏故障发生的概 率。

根据拒动断路器的位置和厂站的接线方式获得断路器拒动隐藏故障发 生的概率；

根据距离I，II段的定值获得距离保护的隐藏故障发生的概率；距离I， II段的定值同样可以由故障信息系统直接获取。获取定值后结合实际运行 方式，计算出各自隐藏故障区间的长度。采用与纵联距离保护隐藏故障概 率求解方法类似地求解距离I，II段的隐藏故障概率。

根据距离III段定值躲负荷的可靠系数偏离实际运行要求的可靠系数值 的程度获得距离保护III段定值隐藏故障发生的概率；

其中，步骤S2具体包括：

S21：采用功能组分解方法和事件树方法计算电网N-k故障的故障概率；

S22：根据电网的实际运行情况和运行规定获得综合后果损失指标值；

综合后果损失指标值等于三个子指标乘以权重系数求和；其中第一子 指标为丢失电厂电源容量，第二子指标为变压器的下网功率损失，第三子 指标为断面功率传输裕度的变化值；

S23：将电网N-k故障的故障概率乘以电网N-k故障的综合后果损失指 标值获得继电保护系统隐藏故障的风险指标值。

在本发明实施例提供的多模式隐藏故障风险分析方法中，由于建立了 继电保护系统的多模式隐藏故障模型，使得可以发现更多的N-k故障路径， 提高N-k故障路径发生概率的计算准确度，识别出电网的薄弱环节。对这 些薄弱环节的重点监控可以有效地提高系统的可靠性。另外，优先对薄弱 环节中的保护进行检修或升级，可以同时实现经济性和可靠性。该隐藏故 障风险分析方法可以被用于作为继电保护升级更换的参考依据。

本发明首先根据实际电网中保护系统的配置情况，提出了针对保护系 统隐藏故障的分块、分层的简化建模方法，如图1所示。然后，对保护不 同种模式的隐藏故障进行建模分析，建立了一个多模式的隐藏故障模型。 针对该模型提出了一种基于多模式隐藏故障模型的电网N-k故障概率求解 的简化方法。最后，定义了三个后果损失指标，建立了一种针对实际电网 的N-k故障风险分析方法。实际电网算例分析验证了该风险分析方法的有 效性。

本发明提出的针对保护系统隐藏故障的简化建模方法主要指的是：

（1）主保护中，差动保护主要根据通信信道传输过来的对侧保护的采样 信息，通过动作判据决定是否动作。保护装置的不正确动作分为拒动和误 动两种情形。当通信信道出现故障时，差动保护会因检测不到对侧保护传 来的信号而直接拒动闭锁保护，一般不会出现差动保护误动的情况。故在 隐藏故障模型中本发明只考虑差动保护拒动的情形；纵联距离保护则主要 通过通信信道传输过来的闭锁信号来防止保护在检测到区外故障时因未收 到对侧保护发出的闭锁信号而误动。但若是区内故障，纵联保护虽收不到 对侧信号，但是作为距离保护仍然可以检测到该故障，作用保护动作。当 通信信道出现故障时，纵联距离保护一般只会出现误动，故本发明中只考 虑纵联距离保护误动的情形。

（2）后备保护中，由于零序电流保护在高压输电网络中，主要是为了针 对高阻接地故障设置的，很少存在拒动或误动的情形，故在模型中不考虑 零序电流保护的隐藏故障；另外，本发明中分析的初始故障是电网发生三 相短路故障的情形。故在隐藏故障模型的分析中，将相间距离和接地距离 保护可以统一为距离保护来进行研究分析。

本发明在简化建模思想的基础上，对隐藏故障进行分析。选取几种典 型的隐藏故障模式分别进行建模分析。所谓建模分析指的是对该模式的隐 藏故障发生的概率和发生条件进行分析，主要分析的内容如下：

（1）差动保护拒动受通信通道故障影响，通信通道故障概率可以根据统 计值求解出，从而能够确定差动保护拒动的概率；纵联距离保护除了受通 信信道影响，还会在下级线路出口处会产生一个隐藏故障区间。若故障落 入该隐藏故障区间内，并且通信信道出现故障，则上级线路的纵联保护会 误动跳闸，隐藏故障区间的分布见图2所示。图中线路B1-B2上纵联距离 保护1（Relay1）的定值保护范围分别伸入到线路B2-B3和B2-B4中，产 生了风险区间。因此纵联距离保护隐藏故障发生的概率应受通信信道故障 的概率和故障落入隐藏故障区间的概率决定。本方法中主保护对应的隐藏 故障记为HF1。

（2）断路器装置是电网重要的一次元件，受元件自身寿命，系统运行条 件和天气环境等因素的影响，易产生隐藏故障（记为HF2）。当断路器拒动 时，断路器失灵保护会动作其它断路器动作跳闸，从而扩大故障范围。断 路器拒动对电网N-k故障的影响与拒动断路器的位置和厂站的接线方式有 关。

（3）距离保护的隐藏故障（HF3）通常与保护整定的定值不合理有关。 当实际运行方式发生变化时，离线整定的定值不适应实际运行方式时，会 产生相应的隐藏故障区间。距离I，II段的定值对应的隐藏故障区间如图3 和图4所示。图3中保护1（Relay1）在系统运行方式改变时，保护范围伸 入到下级线路B2-B4中。图4中保护1的II段定值由与下级线路保护2（Relay 2）和保护3（Relay3）的I段配合得到。运行方式改变后，保护1与保护 2的I段失配，保护范围超过保护2的I段保护范围，产生了风险区间。

（4）距离保护III段一般按照躲电网运行的最小负荷阻抗整定。实际 电网发生N-k后，部分线路会出现严重过负荷运行的情况。距离III段定值 躲负荷的可靠系数可以用负荷阻抗与距离III段的阻抗定值的比值表示。线 路过负荷越严重，可靠性系数越不满足实际运行中要求的值（即小于最小 可靠系数值），保护误动的概率就越大，距离保护III段隐藏故障记为HF4。 误动的概率与可靠系数偏离实际运行要求的可靠系数值的程度有关，建立 相应的误动概率曲线如图5所示。图5中横坐标为保护测量到的阻抗，Z₃为距离保护III段定值，k_min为最小可靠系数值。该曲线表明距离保护III段 定值可靠系数小于规程规定值的程度越大，III段定值误动的概率越大，该 隐藏故障发生的概率越大。

本发明针对多模式隐藏故障模型，提出一种N-k故障概率简化求解方 法。基本的求解思路如下：

采用功能组分解的思想，将故障线路，故障线路的相邻线路以及系统 中其它过负荷的线路分别划分为功能组（Function Group FG）。在功能组分 解方法的基础上做一定的改进处理：1）功能组与功能组之间的中间元件由 多模式的隐藏故障模型组成，而不是单纯的断路器装置连接；2）划分功能 组的范围将不再局限于初始故障元件的相邻元件，而是扩展到全网元件。 图6展示的是采用改进功能组分解方法分析电网N-k故障的过程，图中 HF1、HF2等分别对应各种模式的隐藏故障。具体求解N-k故障过程和概率 求解过程如下：

（1）选定初始故障线路。选择需要研究和分析的线路，在该线路上设置 三相故障。并将该线路划入功能组FG1。

（2）根据网络拓扑结构，找出该故障线路相邻的线路，变压器，将这些 元件划入功能组FG2。

（3）通过故障点的位置，判断哪种模式的隐藏故障会被触发。本发明忽 略数量级较小的N-k故障，根据小概率事件的处理方法主要分析：1）FG2 在FG1内元件故障后，因各种模式的隐藏被触发而发生的N-k故障，不考 虑三种以上隐藏故障模式同时被触发的情况；2）FG2内元件断开后，FG3 内有元件因距离III段定值隐藏故障被触发而跳开，电网发生N-k-i故障的 情况，在N-k到N-k-i的过程中，只考虑III段定值的隐藏故障。

在小概率事件处理的简化方法的基础上，若故障点落在线路首段，则首先 判断是否存在HF1型故障；随着故障点离线路首段的距离增大，判断是否 存在HF4型故障。假设初始故障落入上级线路纵联保护在本线路首段产生 的隐藏故障区间内。当通信信道故障，闭锁信号丢失时，并且上级线路断 路器未拒动，即断路器拒动的隐藏故障未被触发系统发生N-k故障。此时 搜索计算各线路保护躲负荷能力的可靠系数，判断是否存在HF4型故障。 将不满足规定要求的线路划入功能组FG3，断开III段误动概率最大的线路， 系统发生N-k-i故障。而在上述判断过程中，考虑断路器拒动的情况，判断 HF2型故障会不会触发，若触发则重新对应着一种N-k故障过程。上述故 障过程可以用事件树表示。图7中所示的是某次N-4故障对应的故障事件 树分析过程，该N-4故障是由初始N-1故障经保护隐藏故障触发导致的。 N-4故障的概率可采用故障事件树求得。

本发明提出了一个针对实际电网运行特点的继电保护系统隐藏故障风 险分析方法。该风险分析方法将继电保护系统的隐藏故障反映到电网的N-k 故障过程中，从连锁故障的角度来考察隐藏故障的风险。本方法首先定义 三个后果损失指标：（1）考虑电网由N-1故障到N-k故障的过程中，可能 会断开电厂导致系统丢失电源容量，定义丢失电厂电源容量为第一子指标； （2）考虑断路器拒动的隐藏故障，一条线路故障会断开与该线路相连的变 压器，此时相关的变压器会因负荷转移而需切除部分下网功率，定义变压 器的下网功率损失为第二子指标。（3）考虑N-k故障对系统稳定性的影响， 结合实际系统中断面的稳控规定，定义断面功率传输裕度（传输极限减去 当前的功率值）的变化值（保护正确动作的情况减去不正确动作的情况） 为第三子指标。将这三个后果损失指标结合起来，建立了一个综合后果损 失指标。该综合后果损失指标由上述三个子指标乘以权重系数求和得到。 所谓的权重系数指的是这三种评价指标在综合后果指标中所占的比例，为 小于1的系数。根据风险理论将N-k故障概率与后果损失相乘得到一个风 险分析指标。所得到的风险值是相对风险指标，可以根据不同N-k故障的 风险相对大小来比较不同故障的风险水平。

为了更进一步说明本发明实施例提供的继电保护系统的多模式隐藏故 障风险分析方法，现结合具体实例详述如下：

本发明提供的继电保护系统的多模式隐藏故障风险分析方法在某省级 实际电网上进行方法验证，验证结果表明：本方法建立考虑的多模式隐藏 故障模型，相比单模式的隐藏故障而言，计算出的N-k故障概率更加准确， 部分故障计算结果如表一所示，表一给出了计及单个HF和多种HF的N-2 事件概率比较结果。

初始故障线路 N-2线路 HF1概率 HF2概率 HF3概率 N-2事件总概率 凤咸I回 凤磁II回 4.5E-6 1.4E-6 0 5.9E-6 恩渔I回 渔兴I回 1E-6 1.9E-6 0 2.9E-6 道吉I回 大道I回 1.5E-6 1.5E-6 0 3E-6 玉军I回 玉孝I回 4.75E-5 0.9E-6 1.25E-6 4.965E-5

表一

本发明提供的继电保护系统的多模式隐藏故障风险分析方法能搜索到 传统方法无法搜索到的N-k事故，如搜索到线路路障引起变压器被切除的 事故，如表二所示，表二给出了特殊的N-k故障路径搜索结果：

表二

采用本发明提供的继电保护系统的多模式隐藏故障风险分析方法对全 网进行N-k事故分析，得出全网最严重的N-k事故，如表三所示，表三示 出了全网中较严重N-k故障：

初始故障线路 误动线路或变压器 过载线路 概率 后果损失 风险指标 玉军I回 玉孝I回 玉孝II回 5.03E-5 815.14 0.0236 军风I回 玉军I回 玉军II回 1.76E-6 1268.89 0.002233

江兴I回 江陵主变#1 —— 1.5E-6 178.738 0.000268 斗江I回 江陵主变#2 —— 1.5E-6 138.755 0.000208 玉孝I回 孝感主变#1 —— 1.5E-6 90 0.000135 木孝I回 孝感主变#1 —— 1.5E-6 90 0.000135 凤磁I回 军凤I回 军凤II回 7.82E-7 1119.639 0.000876 玉军I回 玉孝I回—孝感主变#1 —— 7.54E-8 905.14 0.000068

表三

通过对表三所示的线路和故障路径进行重点监视，可以有效地预防连 锁故障的发生，提高全网安全稳定运行水平。算例的分析结果，验证了模 型的有效性，连锁故障风险分析的结果对实际电网的运行有一定的指导意 义。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。