基于保护信号解析模型的继电保护隐性故障检测方法

摘要

一种电力系统检测技术领域的基于保护信号解析模型的继电保护隐性故障检测方法，首先在现有的保护和断路器动作信号的基础上加入保护装置启动信号，并建立保护装置启动信号、保护装置动作信号以及断路器跳闸信号之间关联的解析模型；然后基于上述三种信号的实际状态与期望状态的最大匹配原则，构造反映其中任两者之间差异的目标函数并优化，从而确定故障模式；最后根据保护装置的启动和动作的实际状态与期望状态的差异确定含有隐性故障的保护装置，并在电网发生故障时，使得保护装置检测到特征量而启动并动作，从而驱动相应的断路器跳闸。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种电力系统检测领域的方法，具体是一种基于保护信号解析模型的继 电保护隐性故障检测方法。

背景技术

隐性故障即在电网发生故障时才会表现出来的保护装置缺陷，会导致保护误动或者拒动， 严重时甚至引起电网连锁故障。为了提高电网运行的可靠性，对保护装置中的隐性故障进行检 测并及时处理是十分必要的。

随着通信技术的发展，实时获取准确的电网信息已成为可能。保护信息系统可以准确记 录保护装置及断路器的动作信号等信息。广域测量系统(WAMS)利用相量测量装置(PMU)可同步 多点测量数据获取电网实时状态，其数据具有高采样频率、高精度等优点。当电网发生故障时， 上述系统会收集一次设备及二次设备的多种信号并传送到调度中心，可综合运用这些信号来检 测隐性故障。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103472360A，公开(公告)日 2013.12.25，公开了一种电网继电保护隐性故障远程监测定位装置，包括：保护1动作接点， 保护2动作接点，1TWJ跳位监视接点，2TWJ跳位监视接点；第一与门，用于在保护1、保护 2动作接点收到动作信号，1TWJ、2TWJ跳位监视接点收到跳位信号时输出高电平信号；保护 装置2误动定位模块，用于定位保护装置2误动作；第二与门，用于在保护1动作接点未收到 但保护2动作接点收到动作信号，1TWJ跳位监视接点未收到但2TWJ跳位监视接点收到跳位 信号时输出高电平信号；保护装置2越级动作定位模块，用于定位保护装置2越级动作。

中国专利文献号CN103293421A公开(公告)日2013.09.11，公开了一种电网故障诊断 模型及其诊断方法，该方法通过保护和开关的动作信息建立故障诊断模型，建立目标函数并优 化，进行电网故障诊断。随着广域测量系统、保护信息系统等技术的发展，电网的多种信号均 可以接收到，并用于对电网状态的监测。

但上述技术仅利用收集到的保护动作和断路器跳闸信息监测隐性故障，或者进行故障诊 断，并未利用到保护装置的启动信息等其他有效信息，对于保护装置隐性故障的检测尚不完善。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提出一种基于保护信号解析模型的继电保护隐性故障 检测方法，通过在保护动作和断路器跳闸信号的基础上加入保护的启动信号，根据保护启动、 保护动作、断路器跳闸、故障位置信号之间的逻辑关系，以及主保护和后备保护之间的配置规 则，并考虑拒动、误动等情况，构建反应各信号之间关联的解析模型。将信号的实际状态和期 望状态的最大匹配作为优化目标，利用优化结果检测隐性故障。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明首先在现有的保护和断路器动作信号的基础 上加入保护装置启动信号，并建立保护装置启动信号、保护装置动作信号以及断路器跳闸信号 之间关联的解析模型；然后基于上述三种信号的实际状态与期望状态的最大匹配原则，构造反 映其中任两者之间差异的目标函数并优化，从而确定故障模式；最后根据保护装置的启动和动 作的实际状态与期望状态的差异确定含有隐性故障的保护装置，并在电网发生故障时，使得保 护装置检测到特征量而启动并动作，从而驱动相应的断路器跳闸。

所述的保护装置启动信号是指：当保护装置已启动，但由于延时未到时保护装置发出的 即时信号；所述的保护装置动作信号是指：保护装置出口的动作信号，可使得驱动断路器跳闸， 并使之发出跳闸信号。

本发明具体包括以下步骤：

1)确定故障区域：单侧电气量保护的断路器切除故障后，其一侧带电，一侧不带电，此 类断路器被称作故障区域边界断路器，通过识别此类断路器，确定故障区域边界，从而形成故 障区域。

2)确定疑似故障的元件或线路：经过故障区域的识别，发现其中共有M个可能发生故障 的元件，构成元件集合S{s₁,s₂…s_M}。N条可能发生故障的线路，由于线路保护采用三段保护， 一般情况下，一段保护范围为线路全长的80％，因此需将第n条线路分为三段p_n1、p_n2、p_n3， 分别占整条线路的20％，60％，20％，由此构成电网线路集合P{p₁₁,p₁₂,p₁₃…p_N1,p_N2,p_N3}，其中： s_m＝1或s_m＝0表示S中第m个元件处于故障状态或正常状态；p_ni＝1或p_ni＝0表示P中第n条线 路的i段处于故障状态或正常状态。

3)建立解析模型并基于解析模型生成目标函数。

4)对目标函数进行优化后检测隐性故障。

所述的期望是指：故障后按照继电保护原理，保护或者断路器做出相应的正确动作响应， 即动作期望，表现为相应的信号期望，即保护的启动信号期望A*，动作信号期望R*以及断路 器的动作信号期望C*。

所述的目标函数是指：E(H)为：$\left(\begin{array}{c}E\left(H\right)=w\underset{i=1}{\overset{D}{\Sigma }}|a_i-{A*}_i|+\underset{i=1}{\overset{D}{\Sigma }}|r_i-{R*}_i|+\\ \underset{i=1}{\overset{Q}{\Sigma }}|c_i-{C*}_i|+w_1\underset{i=1}{\overset{D+Q}{\Sigma }}\left|f_i\right|+w_2\underset{i=1}{\overset{D+Q}{\Sigma }}\left|g_i\right|\end{array}\right),$其中：D为保护数 量，Q为断路器数量。由于启动的保护数量较多，其中w为启动的相对权值，为D 个保护的启动期望状态与实际状态的差异，为D个保护的动作期望状态与实际状态 的差异，为Q个断路器的跳闸期望状态与实际状态的差异；与表示保 护和断路器拒动、误动的情况；w₁、w₂分别表示保护和断路器的误动、拒动的相对权值。

所述的优化具体通过粒子群算法实现，即将目标函数利用粒子群算法优化求解，最优解 H(S,P,A,R,C,F,G)即最终故障模式，H中的S、P为诊断结果，即发生故障的元件和线路，F、G为 保护与断路器的动作评价。通过诊断结果检测保护的实际状态与期望状态的差异，确定没有正 确启动或动作，或者信息上传有误的保护，其含有隐性故障。

附图说明

图1为实施例应用环境示意图；

图2为本发明流程示意图；

图3为实施例线路保护范围划分示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例以图1系统结构示意图，系统中元件、保护及断路器的数量为：

1)20个设备，包括4个发电机G1、G2、G3、G4，4个变压器T1、T2、T3、T4，8条 母线A1、A2…A8及4条线路L1、L2、L3、L4。

2)20个断路器QF1、QF2…QF20。

3)72个保护，包括20个主保护G1i、G2i、G3i、G4i、T1i、T2i、T3i、T4i、A1i、A2i…A8i、 L1v、L2v、L3v、L4v，12个后备保护G1j、G2j、G3j、G4j、T1j、T2j、T3j、T4j、T1l、T2l、 T3l、T4l；20个断路器失灵保护，QF1k、QF2k…QF20k；每条线路都是双端电源线路，两侧均 配置三段保护，因此有8个一段保护L1x…L2x…L3x…L4x、L4x’，8个二段保护L1y…L4y’，8 个三段保护L1z…L4z’。

上述实施环境中：G表示发电机，T表示变压器，A表示母线，L表示线路，QF表示断 路器，x与x’表示线路两端的一段保护，y与y’表示线路两端的二段保护，z与z’表示线路两端 的三段保护，其中，x、y、z表示顺时针方向的保护，x’、y’、z’表示逆时针方向的保护。

在本方法的解析模型中，v表示线路的纵联保护，x,y,z分别表示线路的一段二段三段保 护，i表示元件的主保护，j表示元件的第一后备保护，l表示元件的第二后备保护，k表示断路 器失灵保护，在各线路及元件的解析模型中，⊕、别表示逻辑运算的与、或、非，若不 影响表达，可省略。

如图2所示，本实施例具体步骤如下：

步骤1)通过识别故障区域边界断路器确定故障区域；

所述的故障区域边界断路器是指：当单侧电气量保护的断路器切除故障后，其一侧带电， 一侧不带电，此类断路器被称作故障区域边界断路器，通过识别此类断路器，即可确定故障区 域边界，从而形成故障区域。

步骤2)确定疑似故障的元件或线路：

M个可能发生故障的元件，构成元件集合S{s₁,s₂…s_M}；

N条可能发生故障的线路，由于线路保护采用三段保护，一般情况下，一段保护范围为 线路全长的80％，因此需将第n条线路分为三段p_n1、p_n2、p_n3，分别占整条线路的20％，60％， 20％，线路首端的一段保护范围为p_n1+p_n2，线路末端为p_n2+p_n3，线路首末端的确定遵循从左至 右，从上至下的顺序，由此构成电网线路集合P{p₁₁,p₁₂,p₁₃…p_N1,p_N2,p_N3}；

如图3所示，以线路L1为例，将L1分为三段p₁₁、p₁₂、p₁₃，p₁₁＝1、p₁₂＝1、p₁₃＝1分 别表示这三段发生故障；p₁₁＝0、p₁₂＝0、p₁₃＝0表示这三段未发生故障；线路采用三段保护，一 段保护范围为线路全长的80％，对于A侧一段保护范围为p₁₁+p₁₂，对于B侧一段保护范围为 p₁₂+p₁₃。

二段保护本线路的全长及相连的母线，其整定规则会使保护范围相应延伸到下级线路， 但延伸长度并不确定，因此这部分不考虑在内；同理三段保护本线路及下级线路的全长及相连 母线；纵联保护作为主保护，保护本线路的全长。

由上述线路和元件所配置的D个保护装置动作信号构成的集合为R{r₁,r₂…r_D}，保护启动 信号构成的集合为A{a₁,a₂…a_D}，故障后与停电设备相关的所有Q个断路器的跳闸信号构成的集 合为C{c₁,c₂…c_Q}。

a_d＝1表示A中第d个保护启动，a_d＝0表示未启动；r_d＝1表示R中第d个保护动作，r_d＝0 表示保护未动作；c_q＝1表示C中第q个断路器跳闸，c_q＝0表示断路器未跳闸。

在本实施例中，故障过程及信号分析情况如下：

1)设线路L3发生故障，上传的保护和断路器实际动作为：线路L3的主保护L3v拒动， L3x动作，跳开断路器QF17，L3x’、L3y’、L3z’拒动，相邻线路的三段保护L4z’动作，跳开断 路器QF9，变压器第二后备保护T3l动作，跳开断路器QF14。上传的保护启动信号为：L3v、 L3x、L3y、L3z、L2z、L4z’、T3l、T4l、QF9k、QF14k、QF17k。

2)根据断路器的跳闸信号，且故障区域边界向下级线路延伸一级，故障区域包含的可疑 故障元件有L1,L2,L3,L4,A2,A5,A6，A7,T1,T3,T4,G3，对应于S＝{s₁...s₈}，P＝{p₁₁...p₂₁...p₃₁...p₄₁...p₄₃}。

3)故障区域包含的断路器有15个，分别是QF2,QF3,QF4,QF5,QF9,QF10， QF11,QF12,QF13,QF14,QF15,QF16,QF17，QF18,QF19，对应的断路器跳闸信号C＝{c₁...c₁₅}。

4)故障区域包含的线路保护有28个，分别是线路L1,L2,L3,L4的纵联保护及三段保护 L1v,L1x…L4y’,L4z’，元件主保护有8个，分别是A2i…A7i,T1i…T4i,G3i，元件的后备保护7个， 分别是T1j…T4j,G3j,T1l…T4l。断路器失灵保护6个，分别是QF9k…QF17k，对应的实际保护装 置动作信号R＝{r₁...r₄₉}，保护启动信号A＝{a₁...a₄₉}。

步骤3)确立保护装置启动信号，并建立保护装置启动信号、保护装置动作信号以及断路 器跳闸信号之间关联：

3.1主保护：基于线路L1的纵联保护装置动作信号为r_1v，当L1上发生故障时，纵联保 护应该动作，其动作信号期望R*_1v为：R*_1v＝p₁₁⊕p₁₂⊕p₁₃    (1)

3.2一段保护：基于线路L1的A侧一段保护装置动作信号为r_1x，当故障发生在1段和 2段时，则一段保护应动作，其动作信号期望R*_1x为：R*_1x＝p₁₁⊕p₁₂    (2)

3.3二段保护：基于线路L1的A侧二段保护装置动作信号为r_1y，保护本线路全长及母 线B，当故障发生在本线路时，若对应线路A侧的一段保护及纵联保护未动作，则二段保护应 动作；或者当故障发生在末端母线B时，若母线主保护未动作，则二段保护应动作，动作信号 期望R*_1y为：${R*}_{1y}=(p_{11}\oplus p_{12}\oplus p_{13}){\bar{r}}_{1x}{\bar{r}}_{1v}\oplus s_B{\bar{r}}_{\mathrm{Bi}}---\left(3\right)$

3.4三段保护：基于线路L1的A侧的三段保护装置动作信号为r_1z，当故障发生在本线 路时，若对应线路A侧的一段保护，二段保护及纵联保护均未动作，则三段保护应动作；或者 当故障发生在下级线路L2(或L3、L4)时，三段保护到故障线路之间的关联路径上的全部断路 器都处于闭合状态，则三段保护应动作；或者当故障发生在母线B(或C)时，母线主保护及相应 的二段保护均未动作，则三段保护应动作，动作信号期望R*_1z为：

${R*}_{1z}=(p_{11}\oplus p_{12}\oplus p_{13}){\bar{r}}_{1x}{\bar{r}}_{1y}{\bar{r}}_{1v}\oplus$

$\underset{i=2}{\overset{4}{\Sigma }}\left((p_{i1}\oplus p_{i2}\oplus p_{i3}){\bar{c}}_{\mathrm{iq}}\right)\oplus \underset{m=1}{\overset{2}{\Sigma }}{s}_m{\bar{r}}_{\mathrm{mi}}{\bar{r}}_{\mathrm{my}}---\left(4\right)$

步骤4)初始建立包括母线保护装置信号、变压器保护装置信号、发电机保护装置信号及 断路器动作信号的解析模型：

4.1主保护：基于S中第m个元件s_m的主保护装置动作信号为r_mi，如s_m故障，则主保 护动作，动作信号期望R*_mi为：R*_mi＝s_m    (5)

4.2第一后备保护：基于元件s_m的第一后备保护装置动作信号为r_mj，如果s_m故障时， 且主保护拒动，则第一后备保护动作，动作信号期望R*_mj为：

4.3第二后备保护：基于元件s_m的第二后备保护装置动作信号为r_ml，第二后备保护保护 元件s_m及相邻的元件s_x，如果s_m故障且其主保护和第一后备保护未动作，则第二后备保护动 作；或者当故障发生在相邻元件s_x，且第二后备保护到s_x的关联路径上的全部断路器都处于闭 合状态，则第二后备保护动作，动作信号期望R*_ml为：

4.4断路器失灵保护：220kv及以上的电网中一般配置专门的断路器失灵保护。设第q 个断路器的断路器失灵保护的动作信号为r_qk，r_p为可驱动断路器跳闸的保护装置动作信号，c_q为断路器跳闸信号，当保护动作并驱动断路器跳闸时，若断路器未动作，则断路器失灵保护动 作，动作信号期望R*_qk为：${R*}_{\mathrm{qk}}={\bar{c}}_q\Sigma r_p---\left(8\right)$

4.5断路器动作：r_p为可驱动断路器跳闸的保护装置动作信号，c_q为断路器跳闸信号，任 何能够驱动断路器跳闸的保护动作，断路器都应该跳闸，动作信号期望C*_q为：C*_q＝∑r_p(9)

步骤5)当在保护范围内的故障发生后，相应的一段二段三段保护或者主保护后备保护均 启动，由此向解析模型中进一步加入保护装置启动信号，具体包括：

5.1纵联保护启动：基于线路L1的纵联保护的启动信号为a_1v，纵联差动保护作为L1 的主保护保护线路全长，故障发生在L1的任何位置均应该启动，启动信号期望A*_1v为： A*_1v＝p₁₁⊕p₁₂⊕p₁₃    (10)

5.2一段保护启动：基于线路L1一段保护的启动信号为a_1x，故障发生在一段保护范围 内就应该启动，启动信号期望A*_1x为：A*_1x＝p₁₁⊕p₁₂    (11)

5.3二段保护启动：基于线路L1二段保护的启动信号为a_1y，故障发生在二段保护范围 内就应该启动，启动信号期望A*_1y为：A*_1y＝p₁₁⊕p₁₂⊕p₁₃⊕s_B    (12)

5.4三段保护启动：基于线路L1三段保护的启动信号为a_1z，三段保护作为本线路的近后 备及下级线路的远后备，在本线路及与本线路连接的任一下级线路发生故障时均需要启动，N

A*_1z＝p₁₁⊕p₁₂⊕p₁₃⊕

表示下级线路的数目，启动信号期望A*_1z为：

5.5其他元件保护启动：基于元件s_m的主保护的启动信号为a_mi，第一后备保护的启动 信号为a_mj，第二后备保护的启动信号为a_ml，当设备发生故障时，主保护及第一第二后备保护 均需要启动，启动信号期望A*_mi、A*_mj、A*_ml为：$\left(\begin{array}{c}{A*}_{\mathrm{mi}}=s_m\\ {A*}_{\mathrm{mj}}=s_m\\ {A*}_{\mathrm{ml}}=s_m\end{array}\right)---\left(14\right)$

5.6断路器失灵保护启动：基于第q个断路器失灵保护的启动信号为a_qk，r_p为可驱动断 路器跳闸的保护装置动作信号，当有启动断路器的任一保护动作，断路器失灵保护均需启动， 启动信号期望A*_qk为：A*_qk＝∑r_p    (15)

步骤6)在步骤5)基础上，向解析模型中进一步加入断路器的误动(f)或者拒动(g)情况， 具体包括：

对于保护装置动作信号集合R{r₁,r₂…r_D}(断路器跳闸信号集合C{c₁,c₂…c_Q})：

如果r_d＝1,R*_d＝0(c_q＝1,C*_q＝0)，则保护(断路器)误动，f_rd＝1(f_cq＝1)，否则f_rd＝0(f_cq＝0)；如 果r_d＝0,R*_d＝1(c_q＝0,C*_q＝1)，则保护(断路器)拒动，g_rd＝1(g_cq＝1)，否则g_rd＝0(g_cq＝0)；如果 r_d＝R*_d＝0(c_q＝C*_q＝0)，或者r_d＝R*_d＝1(c_q＝C*_q＝1)，则保护(断路器)正确动作。

考虑到保护的拒动问题，当元件或线路发生故障时，保护启动但未动作，或保护未启动， 保护出口动作信号均无法获得，即保护未动作。

根据保护和断路器的期望状态与实际状态的对比，分析得出保护和断路器的拒动和误动 情况，并对矛盾的动作逻辑进行约束。所述的矛盾的动作逻辑包括：保护动作但未启动，断路 器误动又拒动，有动作期望又误动，无动作期望又拒动，未动作又误动，已动作又拒动。

所述的约束用逻辑方程表示为：f_rg_r(f_cg_c)＝0；Rf_r(Cf_c)＝0；rg_r(cg_c)＝0。

步骤7)建立目标函数：确定目标函数E(H)，目标函数越小表示保护与断路器的实际情况 与期望情况越接近，目标函数E(H)为：$\left(\begin{array}{c}E\left(H\right)=w\underset{i=1}{\overset{D}{\Sigma }}|a_i-{A*}_i|+\underset{i=1}{\overset{D}{\Sigma }}|r_i-{R*}_i|+\\ \underset{i=1}{\overset{Q}{\Sigma }}|c_i-{C*}_i|+w_1\underset{i=1}{\overset{D+Q}{\Sigma }}\left|f_i\right|+w_2\underset{i=1}{\overset{D+Q}{\Sigma }}\left|g_i\right|\end{array}\right)---\left(16\right)$

其中：D为保护数量，Q为断路器数量。由于启动的保护数量较多，设w为启动的相对 权值，为D个保护的启动期望状态与实际状态的差异，为D个保护的动 作期望状态与实际状态的差异，为Q个断路器的跳闸期望状态与实际状态的差异； 表示保护和断路器拒动、误动的情况；w₁、w₂分别表示保护和断路器的误动、 拒动的相对权值。目标函数E(H)中，各权值w＝0.25，w₁＝1.5，w₂＝0.75。

在优化过程中，误动或拒动的保护和断路器总数越少，目标函数越小，优化结果越明显。 当存在矛盾的动作逻辑，则目标函数应取一个极大值，如E(H)＝1000，使得矛盾的动作逻辑不 会成为最优解。

步骤8)粒子群算法优化：将目标函数利用粒子群算法优化求解，粒子群算法采用现有常 规技术即可，得出最优解H(S，P，A，R，C，F，G)即最终故障模式，H中的S、P为诊断结果， 即发生故障的元件和线路，F、G为保护与断路器的动作评价。

步骤9)优化结果分析：目标函数的最小值E(H*)＝5.75，最优粒子为H*，其中， S＝{0,0,0,0,0,0,0,0}，P＝{0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0}。此粒子的含义为：线路L3的第一段p₃₁段发生 故障，线路一段保护L3x动作，线路L4三段保护L4z’动作，变压器T3第二后备保护T3l动作， 断路器QF9,QF11,QF14跳闸，拒动的保护有L3v,L3y’,L3z’。

步骤10)检测隐性故障：通过对比a与A*，得出保护启动的差异：实际状态下线路L3 左侧的二段三段保护未启动，期望状态下二段三段保护应启动。由此可得，L3左侧的三段保护 启动部分可能含有隐性故障，导致保护未启动或启动信号未上传。

从实施例的结果可以看出，本方法的模型和方法考虑了故障元件、保护启动、保护动作 和断路器跳闸之间的关联性，利用电网可获取的多种信号，提出一种基于保护信号解析模型的 隐性故障检测方法。该方法利用一次设备及二次设备提供的信息，根据保护和断路器的动作原 理及配置规则构建解析模型，建立目标函数并利用粒子群算法进行优化得到故障模式。通过保 护信号期望状态与实际状态的差异确定含有隐性故障的保护装置。本方法在继电保护隐性故障 检测领域具有积极重要的意义。