关于继电保护系统中隐形故障的探讨

这篇文章主要介绍了电力系统继电保护中所存在的隐形故障问题。通过介绍隐形故障的概念和特点，说明了隐形故障的危害性，它能够导致大面积故障的产生，在此基础上也介绍了评价隐形故障危害性的方法。通过采取对隐形故障进行监测和控制的方法来减少隐形故障的发生，从而也就减小了系统发生大面积故障的可能性。这篇文章最后还介绍了目前电力系统中对于隐形故障分析的应用情况。
　　关键词：隐形故障；大面积故障；脆弱性；监测和控制
 

The discussion of hidden failures in the protection of power systems

SHI Li1, ZHAO Dong-cheng2, YANG Ming-yu1

(1.North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 
2.Northeast China Institute of Electric Power, Jilin 132000, China)

　　Abstract: This paper introduces the problem of hidden failures in protection systems. Based on introducing the characteristic of hidden failures, the method to evaluate the hazard of hidden failures is showed. The supervision and control of hidden failures may reduce hidden failures to happen, so that the likelihood of the wide-area system failures is also reduced. At the same time, this paper also introduce that the analysis of hidden failures has been used in power systems.
　　Keywords: Hidden failures; Wide-area failures; Vulnerability; Supervision and control
 

1 引言
　　随着电力系统的不断扩大，对于电力系统继电保护的要求也愈来愈高。继电保护系统中存在着隐形故障现象，并且它的存在是不可避免的。然而隐形故障的存在对电力系统的影响却很大，容易导致系统发生重大事故。本文在介绍隐形故障对电力系统影响的基础上，提出了有效的方法用来监测和控制隐形故障，从而减小了隐形故障导致大面积故障的发生率，而且目前也已经有许多系统中开始实现对隐形故障的控制。

2 隐形故障
1.1　 电力系统大面积故障
　　任何一个系统都有可能发生大面积故障，这种大面积故障会导致恶劣的后果，比如1977年的纽约大停电。电力系统继电保护的任务是快速可靠地切除故障，能够满足保护四性的要求，但为了保证故障切除的可靠性，有时候保护不可避免地会发生误跳现象。通常情况下，误跳可以减少对电力系统元件的损坏。但是如果系统处于压力状况下，例如一些无法事先预料的事件发生：断电，过负荷或者非常恶劣的天气等等情况，此时如果发生误跳，则会给本来已处于压力状态的系统产生更大的压力，从而就可能导致大面积的系统故障。
　　因此，电力系统发生大面积故障一般都有一定的发展过程：首先，电力系统因为一些无法预知的事件而处于非正常的压力状态下，此时系统中许多设备可能都处于运行极限，发电储备已经耗尽，而无功电力也处于短缺状态。由于缺乏实时监测设备或者运行人员对系统运行状况估计错误等原因，运行人员就可能对于目前的运行状态仍然一无所知。在这种情况下，如果某处发生故障则有可能引起连锁反应。一般来说，故障是由所在保护段的继电器或者通过后备继电器延时切除的，但是由于别的保护系统可能存在隐形故障而会导致保护的误跳，这样，系统就会更加不稳定，从而进一步削弱了电力网。最终，电力网就有可能被分割成独立的过负荷区和过发电区，而过负荷区就很有可能最后崩溃导致大面积的停电。因此，我们可以了解到当电力网存在大面积的干扰时，继电保护系统起着十分重要的作用。一些干扰可能开始只是一些独立的偶然事件，但是最终却发展成为电力设备的中断和系统的分离。而继电保护系统中的隐形故障又对于许多干扰事件起着关键的作用，它能够导致继电保护系统的误操作，从而导致大面积的干扰。因此有必要对继电保护系统的隐形故障进行研究和分析。
2.2 隐形故障简介
　　什么是隐形故障呢？它是指一种在系统正常运行时对系统没有影响的故障，而当系统某些部分发生变化时，这种故障就会被触发从而导致大面积故障的发生[1]。隐形故障在系统正常运行时是无法发现的，但是一旦有故障发生，继电器正确切除故障后，电力系统潮流重新分配，这样的运行状态下就可能会使带有隐形故障的保护系统误动作。
　　继电保护系统中的元件都有可能存在隐形故障，例如PT﹑CT﹑接线片﹑连接器﹑各种继电器﹑通信通道等等。隐形故障的存在并不表示继电器本身的设计有问题或者继电器应用的不对，也不表示校准有错误。它和一般故障的差别就在于这些缺陷不会使继电器立刻动作，而是当其它系统发生一些事件时才能够被监测到。隐形故障的最大特点，也是它最危险的地方就是它们对于系统的影响只有在电力系统处于压力状态时才能显现出来，比如在故障发生时或者故障发生后瞬间﹑低电压﹑过负荷以及其他开关事件发生后。
　　经常提到的隐形故障的例子就是方向比较闭锁方案。故障检测器或者通信连接的失灵，都有可能导致在相邻线路故障时继电器触发断路器错误地断开[2]。如图1所示，只要正向有故障发生，那么载波电路中的隐形故障都会使线路跳开。

　　隐形故障可能是由很多原因引起的，但通常有两种情况：
　　（1）由不正确的整定引起的隐形故障。这种隐形故障可能是由于整定和校准的错误，或者整定对于系统的主要运行方式不合适所引起的。特别是当系统经过很多地改变，而整定值却没有修改，此时即使继电器正常运行，但是由于不正确的整定仍然会存在隐形故障。当然这种隐形故障可以由继电保护人员通过经常地整定继电器来控制。
　　（2）由设备故障引起的隐形故障。这种故障的产生可能是由于元件失灵﹑磨损或者因为环境和不正确的人为干涉引起的元件损坏等原因。实际上，这种隐形故障在任何设备上都有可能发生，但是通过正确地维修可以减小隐形故障的发生率。当然，太过频繁地维修反过来也会导致隐形故障的发生。

3 评价隐形故障重要性
　　隐形故障并不都具有同样的危害性，也不是所有的隐形故障都对电力系统起着非常重要的作用。每个隐形故障都有其脆弱性区域，如果在脆弱性区域有非正常的事件发生（比如故障），隐形故障会使得继电器错误地断开电路元件，这样就会产生新的非正常状态，而在这样的状态下，又会有别的隐形故障再次暴露出来。
　　通常，我们用以下两个性能来描述隐形故障对于系统的重要性[3]：（1） 脆弱性区域（2） 隐形故障影响的严重性
　　如图2a显示的是沿着正方向的脆弱性区域。由于继电器存在隐形故障，只要当电力系统在某个范围内发生故障，带有隐形故障的继电器就会误动。所有涉及到此种故障的区域就是隐形故障的脆弱性区域。如图2的阴影部分即是继电器的脆弱性区域。
　　如图2b显示的是沿着母线后背方向的脆弱性区域。断路器A电路传递闭锁信号失灵时，这会导致线路AB对于外部线路发生的故障会失去方向性。阴影部分即为脆弱性区域。
　　在确定了带有隐形故障的继电器的脆弱性区域后，需要研究隐形故障影响的重要性，决定每个区域的相对重要性，给它们分配优先权或者灵敏性等级，通常用“脆弱性指数”来表示。测量“脆弱性指数”的方法就是看电力系统发生事故时的系统的稳定性或者非稳定性。系统发生内部故障，该线路的继电器会跳闸，这是第一件事故；然后带有隐形故障的继电器被触发，结果就有两条线路断开了，这是第二件事故。我们可以实时执行这样的事故分析，但如果条件不允许的话，也可以提前计算连续发生两件事故的影响。通常，我们用负载﹑暂态稳定性或者电压崩溃等等性能来描述“脆弱性指数”。脆弱性区域和脆弱性指数结合在一起就可以给出隐形故障导致大规模严重事故的可能性。以此为标准，列出隐形故障的重要性，就可以按顺序划分隐形故障的级别。对于最严重的隐形故障则需要进行单独的监测和控制。

4 隐形故障的监测与控制
　　在研究了脆弱性区域和脆弱性指数后，就可知道哪些继电器隐形故障的危害性比较大，从而必须对这些继电器采取一些措施以减小隐形故障的发生率。
　　如图3所示即为隐形故障的监测和控制系统，可以将它应用到变电站中以控制那些有着很高脆弱性指数的继电器。隐形故障监测控制系统接收到的信号输入与具有高脆弱性指数继电器所接受的信号相同，事实上也就是复制该继电器的算法和功能。它的输出和传统的继电器的输出以一个适当的逻辑形式联系起来，用来监督传统继电器的输出。当监控系统的决策和传统继电器的决策不同时，跳闸是不允许的。例如：过电流继电器，考虑其隐形故障的可能性就是考虑它的方向性。监控系统接收来自传统继电器的运行和极化信号，进行方向计算，其输出和传统继电器的输出相串联。
　　当然没有必要监测系统中所有的继电器，我们可以事先鉴别出哪些线路和母线对于系统可靠性有着最严重的危害，然后再对那些相关的继电器加入数字装置进行必要的监测和控制。

5 隐形故障分析在电力系统中的应用
5.1 隐形故障分析在EMS中的应用
　　如图4所示即为隐形故障分析在EMS中的应用。这些隐形故障的分析都是离线进行的，所得到的分析结果都建立在可查询的表中，当需要它时，可以直接查询这些表。不管系统的负荷或者开关操作如何变化，一般来说这些分析结果对于多数情况都是有效的。

5.2 隐形故障分析在SPID(Strategic Power Infrastructure Defense)系统中的应用
　　SPID系统是一个分层的多Agent系统，一般分为审慎层、协作层和反应层。系统中的各个Agent是相互独立的，整个系统又通过协作实现整体目标。隐形故障监测Agent是从系统的角度进行监测的，因此它被设置在最高层审慎层中。如图即为SPID系统的审慎层的结构。
　　事件鉴别Agents在识别到干扰后，鉴别网络发生事故的比例。隐形故障监测Agent不断监测电力系统中有着隐形故障的继电器﹑发电机﹑负荷，这样可以鉴别出脆弱性区域。脆弱性评估Agents则不断地分析系统的脆弱性，计算脆弱性指数，它的Agent要考虑由隐形故障监测Agent监视的所有可能的隐形故障。具体的过程就是一旦事件agent被触发，就要求脆弱性评估agent计算脆弱性指数。同时，隐形故障监测agent也提供脆弱性区域和隐形故障信息给脆弱性评估agent。计算出来的脆弱性指数发给事件鉴别agent，并将此广播给其它的agents。重组agents提供的自我愈合动作就传送给计划agents。在计划agents建立了计划的优化顺序后，就会向协作层发出计划。

6 结论
　　本文主要论述了电力系统继电保护中所存在的隐形故障问题，它的存在是不可避免的，也是无法消除的。隐形故障是产生大面积故障的关键因素之一，因此必须采取有效的措施对其进行控制。目前，在许多系统中，已经要求对隐形故障进行监测和控制。随着计算机技术和人工智能的发展，会出现更多方法减少隐形故障的危害，使电力系统避免大规模的事故。