继电保护系统隐性故障识别方法及软件设计与实现

胡松涛

国网山西省电力公司超高压变电分公司   山西太原  030000

摘要：文章针对继电保护隐性故障进行深入分析，做好故障监测工作，有效的提高电力系统继电保护安全运行的能力。

关键词：隐性故障；编码方法；保护逻辑；拓扑信息；案例模板库

1 引言

继电保护隐性故障作为继电保护系统永久性的缺陷，其故障的存在不会使保护系统直接动作，而且在电网正常运行时继电保护隐性故障很难被发现，只有系统发生故障时，隐患故障才会显示出来，导致继电保护不能正确或是适当的切除电路元件，从而影响电力系统运行的安全性和稳定性[1]。

2 继电保护隐性故障产生原因

2.1 由于不正确的整定引起的隐性故障

当出现保护定值整定不当问题时，多是由于人为因素及保护定值不具备适应能力而导致的。由于操作人员自身技术水平及工作中缺乏责任心，从而出现高误整定、误管理及误设置问题发生，引发保护定值不当产生[2]。

2.2 由于设备故障引起的隐性故障

设备故障主要以软件故障和硬件故障为主。软件系统在开发设计、测试、维护和使用时都可能引发隐性故障，这些隐性故障的存在不仅关系到生产厂商，而且还与使用用户息息相关。因此需要生产厂商严格把好生产质量关，使用用户也需要对软件系统给予充分的重视，并在日常工作中做好软件系统的维护和管理工作。硬件故障可以由环境因素及外部偶然事件所引发，从而导致硬件磨损严重、材料老化或是操作不当而直接导致硬件出现不同程度的损毁，从而导致硬件隐患故障产生[3]。

3继电保护系统隐性故障软件设计

3.1编码方法

为提高继电保护隐性故障识别模型的普适性，同步制定了一套用于拓扑信息预处理的编码方法。数据预处理需对线路拓扑结构进行分析并编码，用S，P，B，D代表母线、支线、变压器、断路器，以拓扑中最长的1条支线为主，若有2条及以上支路长度相等且最长，则以其中任意一条为主，将母线按从左到右或顺时针（环形）顺序编码，然后从母线1开始对其他与主支线相连支线的母线编码。支线编号由首、末母线编号确定，如母线S1和母线S2所连的支线的编号为P12。将支线分为3类：含母联开关支线、含变压器支线、普通支线。由于每条支线最多存在1个变压器，变压器编号同支线编号，如P12上变压器为B12。断路器编号同样由首端母线与末端母线确定，但可通过下标顺序区分断路器位置，如D12和D21分别表示支线12上的首端断路器与末端断路器。

隐性故障识别软件的识别原理基于此编码方法。识别时可根据元件编号中的字母判断元件类型，根据元件编号中数字判断支线上下级关系或元件位置。例如在判断P12，P14与P23的关系时通过逐位字符比对的方法，首先字母部分均为P可知3个元件都是支线；然后逐位判断数字部分，P12和P14第一位相同，说明这2条支线都以母线1为首端母线，根据第二位数字的大小关系判断出P12是P14的上级支线；P12和P23数字部分第一位和第二位都不同，但P12的第二位与P23的第一位相同，说明2条支线均与母线2相连，且P12以母线2为末端母线，P23以母线2为首端母线，即P12是P23的上级支线。

为方便后续分析，将所有线路Pij等分为pij1，pij2，pij33段，定义H为元素pijn，Si，Sj，Dij，Dji，Bij的集合，各元素取0和1分别表示支路ij上对应元件的正常和故障，故H即可表示各支线的故障情况。本文主要考虑隐性故障离线诊断，对诊断准确度的要求大于诊断速度，因此令H进行从{00000…0}到{11111…1}共2N种情况的遍历，将所有可能出现的情况均纳入诊断范围，提高隐性故障识别准确度。

通过本编码方法，可将拓扑结构用计算机语言进行描述，将复杂的图形化拓扑简化成编号的形式储存在数据库中，便于后续的逻辑判断和分析计算，加快了识别速度。

3.2隐性故障识别流程

首先，对线路拓扑进行预处理，并收集保护实际启动情况集合A、保护实际动作情况集合R与断路器实际跳闸情况集合C；其次，根据故障后断路器动作情况划分疑似故障区域并构建H；然后，根据H对疑似故障区域内的保护逻辑进行配置，得到A*，R*，C*；最后，基于3种预期信号与实际信号最大程度匹配的原则，构造出反映实际与预期差距的目标函数。将H代入目标函数，得出最优解，并据此得到一次系统的故障点和不正确启动或动作的保护，找到存在的隐性故障。

3.2.1数据预处理

按照编码方法对线路拓扑进行编号预处理并将其导入系统。此外，需将A，R，C作为目标函数的输入。A中元素aijx、R中元素rijx、C中元素cij取0和1分别表示断路器ij上的距离保护I段的不启动和启动、不动作和动作以及断路器ij不跳闸和跳闸。

3.3.2疑似故障区域识别

为缩小隐性故障识别范围、减少计算量，根据电力系统故障后断路器动作情况识别疑似故障区域。识别规则为若普通支线断路器跳闸，所在支线与其所连接的所有下条支线均为疑似故障区域；若母联开关跳闸，则将此支线划分为疑似故障区域；若变压器支线故障，则与变压器支路相连线路均为疑似故障区域。

由于支线类型不同，疑似故障区域识别规则也不同，不同支线识别出来的所有疑似故障区域可能会存在重复的情况，例如若普通支线P12中D12跳闸，则其疑似故障区域为P12，P23，含母联开关支线P23中D23跳闸，则其疑似故障区域为P23，在此情况下疑似故障区域中包括两个P23。重复的疑似故障区域会增加隐性故障识别工作量，故首先进行去重。软件将所有识别到的疑似故障区域所含支线存入同一数组，通过冒泡排序算法对疑似故障区域内支线编号排序并利用Contains（）函数进行去重。得到简洁有序的疑似故障区域，减少了分析计算所用的时间和内存。

3.3保护逻辑库

目前存在的隐性故障识别模型在实际诊断时每次都需要重新配置一遍保护逻辑，无法快速准确地进行隐性故障识别，因此设计了通用的保护逻辑库。配置保护逻辑时考虑了两端保护和远近后备保护，实现了纵联保护V、距离I段保护X、距离II段保护Y、距离III段保护Z、复压过流保护I段Ua、复压过流保护II段Ub、复压过流保护III段Uc、断路器失灵保护K等多重保护的协调配合。

保护的启动信号期望集合A*、动作信号期望集合R*以及断路器的跳闸期望集合C*分别是集合H根据保护原理计算得到的启动、动作信号期望以及断路器预期跳闸情况。A*，R*，C*中元素分别为A*ijt，R*ijt，C*ij，其值取0和1分别表示Dij上的t保护预期不启动和启动、预期不动作和动作以及Dij预期不跳闸和跳闸。

4结论

继电保护系统的隐性故障可能引起保护误动或拒动，并影响电力系统的安全稳定运行，但目前还没有通用的识别系统。设计实现了带有案例模板库的继电保护隐性故障识别软件，具有较强的普适性。

参考文献:

[1]罗琨，时永肖，李正新，等.智能变电站继电保护装置寿命模型及其辨识方法[J].智慧电力，2021，49（1）:96-101.

[2]刘旭伟.电力系统的继电保护隐性故障分析[J].电子技术与软件工程，2021（22）:220-221.

[3]滕苏郸，宫一玉，张璞，等.2019年8月9日英国大停电事故分析及对北京电网安全稳定运行的启示[J].电力勘测设计，2020（2）:5-8.