汪 敏 孫達(dá)山 張 健

（國網(wǎng)安徽省電力有限公司淮南供電公司，安徽 淮南232001）

在智能變電站運(yùn)行管理方面，需要依靠繼電保護(hù)系統(tǒng)提供安全保護(hù)，避免因局部故障引起大面積停電問題。而繼電保護(hù)系統(tǒng)可能存在各種隱性故障，導(dǎo)致裝置發(fā)生拒動或誤動問題，給變電站安全運(yùn)行帶來威脅。引入擾動激勵(lì)分析規(guī)則對繼電保護(hù)故障進(jìn)行診斷，能夠使故障得到及時(shí)消除。因此，還應(yīng)加強(qiáng)基于擾動激勵(lì)的智能變電站繼電保護(hù)故障診斷研究，從而為智能變電站建設(shè)發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

1 智能變電站繼電保護(hù)故障診斷問題分析

在智能變電站中，繼電保護(hù)系統(tǒng)利用互感器進(jìn)行模擬量采集，然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳輸至智能終端，完成跳轉(zhuǎn)指令發(fā)送，如圖1 所示，為智能變電站繼電保護(hù)體系結(jié)構(gòu)。在保護(hù)系統(tǒng)中，各種智能設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)信息互通，在保證信息參數(shù)準(zhǔn)確的同時(shí)，為系統(tǒng)故障檢測和診斷提供支持。但在系統(tǒng)回路測量方面中涉及較多模擬多線路開關(guān)、變送器等裝置，如果存在隱性故障將導(dǎo)致系統(tǒng)面臨較高運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)[1]。因?yàn)槿我画h(huán)節(jié)出現(xiàn)問題將造成信息參數(shù)出現(xiàn)差錯(cuò)，造成系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤判斷。目前，繼電保護(hù)隱性故障不僅涉及二次系統(tǒng)保護(hù)，也與一次系統(tǒng)運(yùn)行、故障位置、保護(hù)動作方式等有關(guān)。由于設(shè)備數(shù)量較多，彼此間存在復(fù)雜關(guān)系，使得回路信息無法得到直觀反映，繼而給系統(tǒng)隱性故障診斷帶來了較大困難。

圖1 智能變電站繼電保護(hù)體系結(jié)構(gòu)

2 基于擾動激勵(lì)的智能變電站繼電保護(hù)故障診斷

2.1 擾動激勵(lì)分析思路

針對智能變電站繼電保護(hù)隱性故障進(jìn)行診斷，可以采用擾動激勵(lì)分析方法。具體來講，就是利用可量化的裝置動作指標(biāo)對保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評估，使測量回路存在的問題得到及時(shí)發(fā)現(xiàn)。實(shí)際在裝置動作判斷上，需要對其速度和動作距離等進(jìn)行分析。在保護(hù)動作啟動上，可以利用裝置測量值與保護(hù)啟動值的相對差進(jìn)行啟動距離分析，并根據(jù)保護(hù)實(shí)測值和動作邊界相對差進(jìn)行動作距離分析。在裝置啟動到跳閘命令發(fā)出，經(jīng)歷的時(shí)間則為啟跳時(shí)間[2]。對裝置故障靈敏度進(jìn)行評價(jià)，可以加強(qiáng)穿越指標(biāo)和動作時(shí)間分析。設(shè)定的穿越指標(biāo)包含穿越頻率和時(shí)間兩個(gè)，前者為從保護(hù)開始到故障恢復(fù)的動作邊界穿過次數(shù)，后者為設(shè)備第一次超過整定值的時(shí)間。在動作區(qū)域內(nèi)，裝置測量值始終保持，則屬于動作區(qū)持續(xù)時(shí)間。在故障期間，保護(hù)裝置測量值將比之前返回的數(shù)值要小。在回路跳閘后，從指令發(fā)出到斷路器動作，測量值要比之前返回值的時(shí)間差要小。根據(jù)這些特性，可以對機(jī)電保護(hù)狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)評估，使隱藏的故障得到識別和判斷，為系統(tǒng)可靠運(yùn)行提供保障。

2.2 保護(hù)故障診斷方法

按照上述思路進(jìn)行保護(hù)系統(tǒng)隱性故障診斷分析，可以從多個(gè)角度進(jìn)行故障識別與評價(jià)。具體來講，就是可以利用動作距離、啟跳時(shí)間和穿越頻率對故障所在區(qū)域、相鄰區(qū)域和較遠(yuǎn)區(qū)域的繼電保護(hù)裝置動作展開分析，確認(rèn)能否達(dá)到要求。如果未能達(dá)到要求，說明區(qū)域存在隱性故障。

2.2.1 動作距離分析

在系統(tǒng)發(fā)生故障后，將發(fā)出跳閘指令，相鄰后備保護(hù)將發(fā)生動作。而裝置主保護(hù)的啟動距離和動作距離應(yīng)同時(shí)比零大，后備保護(hù)同樣也符合這一條件，做到同時(shí)進(jìn)行跳閘指令發(fā)送。在相鄰位置保護(hù)裝置上，如果裝置距離電源較近，主保護(hù)則出現(xiàn)動作距離比零小的情況下，后備保護(hù)的動作距離則比零大，因此能夠提供后備保護(hù)[3]。在距離保護(hù)裝置較遠(yuǎn)的位置，存在主保護(hù)和后備保護(hù)動作距離均比零小的情況，因此不會發(fā)生保護(hù)動作。在系統(tǒng)能夠維持正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，動作距離呈現(xiàn)出上述規(guī)律。但是如果存在隱性故障，就可能造成遠(yuǎn)離故障元件的保護(hù)裝置發(fā)生動作，也可能導(dǎo)致相鄰裝置發(fā)生主保護(hù)誤動、后備保護(hù)拒絕動作的情況。

2.2.2 啟跳時(shí)間分析

除了根據(jù)動作距離進(jìn)行故障診斷，也可以根據(jù)動作時(shí)間確認(rèn)系統(tǒng)是否存在隱性故障。如在系統(tǒng)過量保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)上，對主保護(hù)和后備保護(hù)的動作時(shí)間就提出了一定要求，只有滿足條件才能保證動作可靠。具體來講，就是后備保護(hù)擁有的啟跳時(shí)間要比主保護(hù)長。在相鄰區(qū)域，保護(hù)裝置后備保護(hù)則需要更長時(shí)間才能啟跳，以免在故障區(qū)域保護(hù)裝置動作前發(fā)生動作。而在遠(yuǎn)離故障的區(qū)域，無論是主保護(hù)還是后備保護(hù)都需要滿足動作距離小于零的要求。在故障發(fā)生后，按照啟跳時(shí)間，應(yīng)當(dāng)為故障所在區(qū)域后備保護(hù)優(yōu)先動作，其次為主保護(hù)發(fā)生動作，再次為相鄰區(qū)域后備保護(hù)發(fā)生動作，其余保護(hù)裝置則不會發(fā)生動作。無法滿足上述條件，說明區(qū)域存在隱性故障。

2.2.3 穿越頻率分析

在系統(tǒng)故障發(fā)生后，故障所在區(qū)域保護(hù)裝置和相鄰區(qū)域保護(hù)裝置都要做到動作準(zhǔn)確、靈敏，以便使系統(tǒng)得到有效保護(hù)。從靈敏度要求上來看，故障發(fā)生區(qū)域繼電保護(hù)裝置主保護(hù)和后備保護(hù)的穿越頻率至少都應(yīng)達(dá)到1。而在相鄰區(qū)域，主保護(hù)裝置穿越頻率不超過1，后備保護(hù)則至少達(dá)到1。在遠(yuǎn)離故障的區(qū)域，保護(hù)裝置穿越頻率均比1 小。如果相鄰區(qū)域主保護(hù)穿越頻率超出1，將出現(xiàn)誤動情況。同樣的，遠(yuǎn)離故障區(qū)域動作靈敏度也不能過高，以免發(fā)生誤動情況。而故障所在區(qū)域保護(hù)裝置靈敏度應(yīng)較高，以免發(fā)生拒動問題。不符合動作靈敏度條件要求，說明所在區(qū)域存在隱性故障。

2.3 故障識別判斷過程

實(shí)際對繼電保護(hù)系統(tǒng)隱性故障進(jìn)行判斷，可以根據(jù)系統(tǒng)采集的保護(hù)定值和保護(hù)原理完成故障準(zhǔn)確識別與判斷。具體來講，就是可以對互感器模擬量進(jìn)行濾波處理和邏輯判斷。通過定值比較，如果發(fā)現(xiàn)邏輯與定值整定不合理，說明系統(tǒng)存在故障，造成裝置出現(xiàn)誤動或拒動問題。隱性故障多存在單端，上下級配合時(shí)容易給系統(tǒng)動作帶來擾動。針對采集到的電流相量，利用傅里葉算法展開分析，確認(rèn)是否符合啟動條件，能夠判斷裝置動態(tài)特性是否正常。如圖2 所示，在簡易母線保護(hù)中，I 和II保護(hù)存在重疊，保護(hù)動作需要保護(hù)本體和支路元件一同完成，保護(hù)重疊則容易引發(fā)誤動。在間隔1 線路位置F 發(fā)生故障時(shí)，出線保護(hù)和站域保護(hù)將會動作。但是如果1 線路保護(hù)裝置存在隱性故障，將導(dǎo)致站域無法閉鎖，無法正常動作，繼而引發(fā)變電站停電事故。根據(jù)設(shè)備間的冗余互備關(guān)系，可以引入擾動激勵(lì)指標(biāo)進(jìn)行隱性故障提前診斷。以動作距離為例，在間隔1 線存在隱性故障時(shí)，母線I 出線保護(hù)和站域保護(hù)動作距離將比零小，導(dǎo)致保護(hù)裝置無法正常動作。而線I 出線保護(hù)和站域保護(hù)動作距離比零大，相鄰間隔區(qū)域保護(hù)裝置后備保護(hù)動作距離比零大，不符合這一條件說明相鄰區(qū)域繼電保護(hù)系統(tǒng)存在隱性故障。根據(jù)各條饋線保護(hù)動作距離等指標(biāo)關(guān)系，能夠得到繼電保護(hù)隱性故障判別規(guī)則，在故障發(fā)生前進(jìn)行故障識別和判斷，并通過消除故障隱患保證保護(hù)系統(tǒng)正常發(fā)揮功能。

圖2 智能變電站繼電保護(hù)隱性故障

2.4 故障診斷仿真分析

在系統(tǒng)故障診斷仿真方面，可以在CLIPS 平臺上完成220kV 智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)建，按照上述規(guī)則對故障診斷方法的有效性進(jìn)行測試。系統(tǒng)主變220kV 側(cè)的距離保護(hù)I 段按照全線阻抗85%進(jìn)行整定，II 段為148%。繼電保護(hù)CB1 的I段阻抗整定值約36Ω，II 段約63Ω，I 段發(fā)生邊界故障，在t=0.5s 時(shí)在母線2 的B 側(cè)出現(xiàn)三相接地短路，持續(xù)0.5s。分別在故障區(qū)域繼電保護(hù)裝置CB1、相鄰區(qū)域保護(hù)裝置CB2中完成隱性故障設(shè)置，利用軟件對回路干擾進(jìn)行模擬測量，并利用傅里葉算法完成基本分量提取，得到動作距離和保護(hù)測量值，如表1所示。在CB1存在隱性故障的情況下，動作距離大于零，但裝置不發(fā)生動作，可以判定裝置存在故障。而CB2中存在隱性故障，所以在動作距離小于零時(shí)卻發(fā)生動作，違背了動作規(guī)則。因此根據(jù)擾動激勵(lì)判斷規(guī)則，能夠依次辨別裝置是否存在隱性故障，可以滿足故障診斷要求。

表1 仿真測試結(jié)果

3 結(jié)論

綜上所述，智能變電站繼電保護(hù)裝置存在故障，將導(dǎo)致裝置無法正常發(fā)揮保護(hù)作用，使變電站運(yùn)行缺乏安全保障。運(yùn)用擾動激勵(lì)對裝置隱性故障進(jìn)行判斷，利用動作距離、穿越頻率等量化指標(biāo)對裝置動作展開分析，確認(rèn)是否符合保護(hù)整定規(guī)則，能夠準(zhǔn)確判斷裝置存在的故障，并通過消除故障保證裝置正確動作，繼而為變電站運(yùn)行提供保障。從仿真分析結(jié)果來看，采取該方法能夠?qū)Πl(fā)生隱性故障的繼電保護(hù)裝置進(jìn)行準(zhǔn)確判別，因此具有一定實(shí)用價(jià)值。