继电保护隐性故障辨识技术研究

杨利民 周杰 张烈 张良武 赵启

摘 要：电网正因继电保护隐性故障面临严峻考验，亟需针对隐性故障提出辨识方法，增强电网故障辨识能力。鉴于此，根据继电保护隐性故障特点，从变电站角度，对变电站采集数据进行分类，利用同源数据比对，进行隐性故障辨识;从系统角度，分析、挖掘所投继电保护装置历史数据，按不同维度将信息分类，进行隐性故障辨识，以加强电网隐性故障辨识能力。

关键词：变电站;继电保护;隐性故障;同源数据;历史数据

中图分类号：TM774  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）07-0006-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.07.002

0    引言

继电保护隐性故障是一种永久性缺陷，对保护装置的可靠性造成了严重冲击[1]。电网的稳定性因隐性故障存在而变差，影响社会效益[2]。文献[3-4]根据隐性故障形成原因，展望了继电保护隐性故障的防控措施。文献[5]利用语义网技术建立隐性故障规则库，但对专家知识库要求较高。文献[6]将隐性故障严重性指标化，与风险评估相结合，从而进行隐性故障辨识，但对设备要求较高。鉴于以上分析，首先从变电站角度出发，基于现有智能变电站的采集设备，结合隐性故障原因，提出同源数据比对的隐性故障辨识法;其次从电力系统角度出发，深入分析投入的继电保护设备历史数据，结合隐性故障原因，进行隐性故障辨识，增强电网隐性故障辨识能力。

1    隐性故障的危害

在电网未发生故障时，继电保护隐性故障对电网无影响，且检测不出此类故障[7]。但在电网发生故障时，电网各个环节的状态采集量与正常状态不同，隐性故障存在触发的可能性，一旦触发该故障，轻则使电网出现联锁故障，重则使得故障发生范围扩大，造成电网有功、无功缺额，影响电网电能质量，甚至导致电网出现解列风险。

2    继电保护隐性故障原因及分类

继电保护装置在判别电力系统是否发生区内外故障时，先通过测量元件进行数据采集，再基于采集数据，结合继电保护判据，进行逻辑判断，最后将判断结果执行输出。隐性故障易在上述保护装置故障判别流程中存在。根据判别流程，致使隐性故障存在的原因如下：对于测量元件，当电力系统因某些原因采集量主频率出现频率偏移时，若需采用工频量的信息进行判断，测量元件则会因其提取工频量的傅式算法存在问题，出现不同程度的误差;其次也需考虑CT饱和、电压互感器断线甚至测量元件内部老化等问题;对于逻辑判断方面，当所需信息成功提取后，传输至逻辑判断，若继电保护整定值选取不当，则该环节易使主保护出现拒动、误动的情况，严重时会导致后备保护动作，扩大事故范圍，甚至使得电网电压、电流波动明显，有功、无功缺额严重，只能通过削减负荷等手段进行调频，稳定电能质量，保证电网安全稳定运行。除此以外，还需考虑主保护、后备保护及控制策略之间的逻辑关系，在保护判别时间与控制策略投入冲突时，也会导致继电保护的可靠性存在严重问题。对于执行输出环节，隐性故障产生原因以其内部元件存在问题为主。

目前，对保护设备的动作分析主要基于保信系统所获取的保护动作的各类信息，动作分析不够全面，无法实现远程的动作在线分析。对保护设备的故障诊断主要依靠现场运行及检修人员处理，在发现保护设备的隐性缺陷和隐性故障方面手段较少，因此，可以针对系统获取的各类信息进行分类，用于隐性故障辨识技术的研究。

3    数据分类

针对继电保护故障诊断与在线巡检，采集数据分类如下：

（1）告警信息。

继电保护告警信息可分为自检信息和运行异常信息。继电保护通过自诊断功能，实现对装置本身保护元件的监视，发现异常时，实时给出自检告警信息，可以较为精确地反映保护自身元件的异常。同时，继电保护对外部回路的运行异常，如CT/PT等也能实时监测，发现异常给出运行异常告警，这部分信息也可用于对二次回路的监视。

（2）模拟量、开关量。

模拟量由继电保护设备的采样回路及采样插件生成，因此采样回路和交流插件是否正常可由模拟量直接反映。同理，开入回路和开入插件的状态判别，可以通过监视开入量的状态与实际位置是否一致实现;开出回路和开出插件的状态判别，可以通过监视开出量的状态与实际位置是否一致实现。

（3）录波数据。

继电保护在检测到电网扰动和故障时会产生启动事件信号，并触发录波数据的记录功能，记录扰动过程中继电保护的模拟量、开关量变化情况。这些数据可用于对于继电保护二次回路的在线检测，包括以下部分：故障简报、动作报告、启动时开入量状态、启动时压板状态、启动后开入量的变位时刻、相关保护控制字。

（4）历史数据。

电网中存在大量同型号继电保护设备，这些设备的故障记录可作为判断运行设备隐性故障的依据。由浴盆曲线原理可知，保护元件及本体均存在功能失效期，因此可将保护设备历史运行年限作为设备检测的判据。历史启动和跳闸录波数据也可作为设备隐性故障检测的依据，在运行检测周期内有正确跳闸的保护可不用再次进行本周期的检验，检测周期可根据运行检验设定。

将采集的数据分类，结合数据分类的特点及隐性故障原因，可用于数据比对型隐性故障辨识技术。

4    隐性故障辨识方法

4.1    变电站角度的隐性故障辨识法

从变电站运行的角度来看，出于高电压等级保护双重化配置以及继电保护双AD配置等原因，变电站中存在大量的二次设备冗余量测信息，这些量测数据直接反映了继电保护采样、开入回路的运行情况，二次回路以及对应的二次设备组件的隐性故障可根据冗余信息的相互校验来辨识。

4.1.1    同源数据比较原理

将变电站采集到的数据与二次回路的状态量对比，可对回路中的设备进行隐性故障辨识。

因电流、电压等测量点值在一定范围波动，用断面数据比较存在差异较大的情况，因此需采用积分算法进行数据差异比对，可以避免数据短时间突发变化带来的影响。以模拟量的同源数据比对为例，设同源的两个数据点为A、B，其随时间的变化规律如图1所示。

则0—t1时间段内，A、B两个量值之间的差异可用其对应曲线间的面积来表示：

diff= |yA（t）-yB（t）|dt/|yA（t）|dt=

Δt·|yA（ti）-yB（ti）|/Δt·|yA（ti）|（1）

其中，分子表示A、B两条曲线间的面积，分母为曲线A与横坐标间的面积（也可采用曲线B与横坐标间的面积），Δt表示采样间隔（即实时库获取模拟量的间隔，为简化这里取等间隔），t1则表示计算差异的时间区间，考虑到保信主子站规约中模拟量获取的频度及电气量有效值实际的变化速度，Δt可取2 min，t1可取10 min，yA（ti）、yB（ti）分别表示A、B的采样值。

当diff大于给定值时（建议2%），认为数据存在差异。为了避免数据较小情况下的零漂影响，可对比较的触发条件进行限制，必须满足下述条件时才进行比较：

Δt·|yA（ti）|>k1t1·yAe（2）

式中：yAe为yA的额定值;k1为门槛系数1。

此外，为了避免在数据变化剧烈时A、B两点采样时间不同步带来的影响，可对比较的条件进行限制：只有数据变化较缓慢时才进行比较。衡量数据变化快慢可简单用计算期间最大值、最小值的差来衡量：

|max yA-min yA|

式中：k2为门槛系数2，状态量可以做类似处理。

因此，基于模拟量的同源数据比对，在满足触发条件后，利用式（1）进行同源数据差异判别。基于录波数据中模拟量波形、状态量波形数据比对，可根据启动点位置实现录波零点对齐及利用插值算法实现采样间隔标准化等处理后，同样采用此方法来计算两个波形的差异。

4.1.2    同源数据比较方法

收集变电站继电保护设备的遥信、遥测信息，进行一致性比较、计算，实现输入信息在线监测的智能告警和可视化展示。可实现的自诊断功能包括：双重化输入信息不一致监测;双AD输入信息不一致监测;自诊断功能配置一致性监测的对象，形成告警信息点、设置告警级别、告警方式;按分类、分级进行告警并可视化展示。

对于任一个同源数据，可根据同源配置获取其不同的数据测量点，每隔一定时间（例如24 h，可配置）可采集这些点的实时测量值来进行比较，如果差值超出规定的范围，则认为存在差异，此时需对同源数据差异发出告警并在界面进行展示，同时将差异信息保存到历史库。同源冗余数据对比流程如图2所示。

4.1.3    同源数据的选取

（1）同源数据定义。

同源数据是指同一实际数据由不同的设备或信号点采集，通过比较同源数据，判断设备是否异常。同源数据可能来自于双套保护、同间隔二次设备、EMS与保信主站的重复数据、同一次电网故障（或扰动）中针对相同一次设备的暂态录波数据等。本研究选取的同源数据定义如下：

高压线路的双套保护，仅考虑一次设备电气量数据，如一次设备的模拟量（三相电压、三相电流、零序电流等）、状态量（开关、刀闸位置）;

同间隔下的不同二次设备，仅考虑一次设备电气量数据，如一次设备的模拟量（三相电压、三相电流、零序电流等）、状态量（开关、刀闸位置）。

（2）建立同源数据逻辑关系。

新建同源数据表，将定义为同源数据的相关数据写入模型表，建立同源数据逻辑关系，作为比较的数据基础。

基于上述同源数据定义，本研究以同间隔下电网故障（或扰动）中不同设备的录波数据为主，将建立在该数据下的逻辑关系作为同源数据比对基础。

4.1.4    同源数据比对

针对同源数据的实时值，基于图2同源冗余数据对比流程图，对同源冗余数据进行周期性比对，发现异常给出告警提示。除此以外，一二次运行方式状态量的计算在厂站端进行，主站端在运行设备工况评估时，会主动向厂站端召唤二次系统的运行方式报告，主站端根据上送的报告，确定二次系统与一次系统正常运行方式是否一致，二次系统处于异常运行方式，则此状态量置位，因此需建立一二次系统间运行方式一致性校验。建立一致性校验规则需建立一二次系统运行方式之间的约束关系，一旦发现实际采集的信息不满足这些约束规则时，说明一二次运行方式一致性校验出错，需要发送告警信息。一二次系统运行方式适配与失配的描述如圖3所示。

在一二次系统运行方式失配时，基于同源冗余数据比对，判断是否发出告警信息，若发出告警信息，则结合隐性故障分类及原因，对继电保护设备进行隐性故障辨识。

4.2    系统角度的隐性故障辨识法

从系统的角度出发对同源冗余数据进行比对发现隐性故障。

投入运行的继电保护设备，部分在运行过程中因各种因素会出现故障，通过对整个电网系统中各继电保护设备的历史故障信息进行统计分析，从系统的角度对某型号或某制造商产品在历史上的运行情况进行数据挖掘，可辅助识别分析判断得出某产品是否具备家族性缺陷等异常因素。

通过对历史故障进行多维度分类统计，找出影响二次设备运行的关键因素，为二次设备的隐性故障辨识提供决策依据，统计的内容包括：

（1）按重要性统计：即统计危急告警、重要告警、一般告警的次数及所占比重;

（2）按影响范围统计：包括装置本体、外部回路、通道告警、系统告警等告警次数及所占比重，进一步还可以按影响范围的详细分类维度进行统计;

（3）按告警详细分类统计：如统计CPU插件异常、定值异常、开出告警等的告警次数及所占比重。

此外，还可以结合其他维度，对上述3类指标做进一步分类统计：

（1）按二次设备厂家：如南瑞、四方、许继、南自等厂家的二次设备平均每装置告警指标（包括重要性指标、影响范围指标、告警详细分类统计指标等，下同）;

（2）按装置型号：如RCS-931、CSC103B等，统计每种型号平均每装置的告警指标。

统计上述信息后，按照一定指标进行划分，确定存在故障的继电保护设备，再根据隐性故障的分类及原因，对隐性故障进行辨识。

5    结语

本文基于隐性故障原因及工程实际数据采集现状，提出了立足于变电站的隐性故障辨识法及立足于系统的隐性故障辨识法。前者综合考虑数据较小情况下的零漂影响，结合一二次系统运行方式的一致性校验，采用积分算法对变电站同源冗余数据进行差异比对，对隐性故障进行辨识;后者基于整个电力系统继电保护设备历史信息，对设备按不同指标进行分类统计及信息挖掘，进行隐性故障辨识。将立足于变电站的隐性故障辨识法与立足于系统的隐性故障辨识法相结合，可以增强电网隐性故障辨识能力及安全稳定运行能力。

[参考文献]

[1] 赵丽莉，李雪明，倪明，等.继电保护与安全稳定控制系统隐性故障研究综述及展望[J].电力系统自动化，2014，38（22）：128-135.

[2] 康晓民，胡浩雷.继电保护与安全稳定控制系统隐性故障研究综述及展望[J].科技与创新，2016（17）：80.

[3] 马成鹏.继电保护与安全稳定控制系统隐性故障研究综述及展望[J].电气技术与经济，2021（2）：11-12.

[4] 李文学.继电保护与安全稳定控制系统隐性故障研究综述及展望[J].现代工业经济和信息化，2018，8（6）：80-81.

[5] 张驰，谢民，刘宏君，等.基于语义网的智能站继电保护隐性故障辨识诊断技术研究[J].电力系统保护与控制，2019，47（14）：95-101.

[6] 李仲青，高翔，李永丽，等.考虑继电保护隐性故障的风险评估技术研究[J].中国电机工程学报，2016，36（S1）：29-35.

[7] 張勇.智能电网中继电保护装置隐性故障风险评估[J].电气应用，2018，37（12）：32-36.

收稿日期：2022-01-07

作者简介：杨利民（1985—），男，湖北孝感人，高级工程师，研究方向：电力系统继电保护与控制。

通信作者：周杰（1990—），男，新疆吐鲁番人，工程师，研究方向：电力系统继电保护与控制。