继电保护系统隐性故障识别方法及软件设计与实现

戴志辉，李金铄，耿宏贤，方 伟，寇博绰

（1.华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定 071003；2.国网北京市电力公司，北京 100037）

0 引言

继电保护隐性故障是指在正常运行时对系统不产生影响，但当某些部分运行状态改变时（如发生故障、线路潮流增大、母线电压降低等非正常事件发生时），才可能会被触发的一种永久性缺陷[1-2]。其隐蔽性和不确定性增加了分析、识别的难度，往往会造成事故扩大[3-4]。随着电力系统规模的逐渐扩大和电力需求的日益增长，网架结构也日趋复杂，电网安全稳定运行也愈发重要[5-8]。保护隐性故障曾引发2003 年美加大停电及2014 年甘肃330kV永登变线路保护拒动等事故[9-10]。因此，对继电保护隐性故障的研究具有重要意义。

隐性故障会导致继电保护拒动或误动，前者表现为系统发生故障时，保护未能正确切除故障；后者表现为系统未发生故障或发生区外故障时保护误动作将非故障元件错误切除[11-14]。

目前，国内外学者对隐性故障的研究主要集中在概念、产生原因、系统建模和风险评估等方面[15-17]。文献[18]提出从保护分区、保护装置、故障定位、故障识别与保护4 个方面对保护技术进行研究。文献[19]提出了一种线路电压越限情况下的隐性故障风险评估方法。文献[20]利用保护装置测量计算值和广域测量系统测量计算值的差别实时监测保护装置的静态特性，识别存在的隐性故障。文献[21]根据电力信息物理系统外来和内部因素，研究了隐性故障对风险传播的影响。

目前所建立的继电保护软件型隐性故障识别模型缺乏较为准确通用的拓扑编码体系，且在实际诊断时需重复配置保护逻辑，导致模型普适性较差；此外，目前的模型、方法没有案例模板库，无法积累拓扑。已开展的研究中多关注电力系统的静态特性，未能充分挖掘各种保护信号对隐性故障识别的作用，且没有充分考虑各种保护的协调配合。

为此，参考构建故障诊断解析模型的方法[22-27]，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，涵盖架构设计、拓扑编码方法和数据库，实现自动识别各种线路隐性故障。减少了人工投入、提高了识别准确率，且有助于解决软件型隐性故障难以识别的问题，案例验证了识别效果。

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。线路拓扑经过编码规则预处理后各元件编码如图1 所示。

图1 线路拓扑编号示例Fig.1 Example of line topology number

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{0 0 0 0 0…0}到{1 1 1 1 1…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。

2 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，，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[28]。例如代表ij支路首端母线侧距离保护I 段启动信号期望。在A*，R*，C*逻辑配置时，根据保护原理，若在保护范围内存在故障，则相应的所有保护均应启动。根据继电保护时间整定原则，主保护延时＜近后备保护延时＜远后备保护延时。若保护范围内发生故障，且在已启动的保护中延时最小，则该保护动作。

A*，R*根据支线的3 种类型和保护逻辑，按V，X，Y，Z，U 的顺序进行配置，以此来模拟实际保护装置里的保护配置。

以首端断路器ij处主保护为纵联差动保护，后备保护为距离保护的启动/动作信号期望为例：

主保护启动/动作期望的逻辑表达式为：

式中：||为或运算。

距离保护I 段启动、动作期望的逻辑表达式分别为：

式中：&&为与运算；!为非运算。

距离保护II 段启动、动作期望的逻辑表达式分别为：

根据Dij处保护配置情况，假设其存在w个保护。只要Dij收到所关联保护的动作信号便会跳闸，若Dij存在故障则将拒动，表达式为：

当延时低的保护由于超出保护范围未启动时，其逻辑值通过非运算后为1，逻辑表达式&&1 后不改变结果，故对延时长的保护的逻辑表达式将不造成影响。在配置远后备保护时会考虑近后备保护和主保护的动作信号，在配置近后备保护时考虑主保护的动作信号，达到了令多重保护协调配合的目的。

但由于保护范围不同，涉及到下一级线路的保护逻辑配置分为首端断路器和末端断路器两种情况。为末端断路器配置含后备保护的保护逻辑时，下一级线路即以本级线路首端母线作为末端母线的线路；为首端断路器配置考虑后备保护的保护逻辑时，下一级线路即以本级线路末端母线作为首端母线的线路。根据Dij中i与j的大小关系，可准确迅速地识别出下级线路，并对i＞j和i＜j两种情况分别构建出疑似故障区域内所有A*，R*，C*之间的逻辑关系，以及各种保护的关联规则。

以图1 拓扑为例，若配置D32上的保护逻辑，根据D32中3 与2 的大小判断为支线23 上的末端断路器，则其对应的下级线路是与本级线路首端母线相连的其他线路，即含有S2的其他支线（支线12，25）。

保护逻辑的配置和期望集合的计算复杂且数据量繁多，计算量大，因此全程使用支持多种数据类型的动态数组以减少内存使用。

3 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。隐性故障识别流程如图2。

图2 隐性故障识别流程Fig.2 Hidden fault identification process

3.1 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。

3.2 疑似故障区域识别

3.2.1 疑似故障区域初步识别

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。

为快速准确进行疑似故障区域识别，利用编码方法的关联性，假设图1 中D12故障，首先判断D12位于普通支线上，其次根据断路器编码中1 与2 的大小判断此断路器为首端断路器，最后根据判断结果和判定规则，得到疑似故障区域为支线12 和支路23。识别过程如下：

if 支线类型=母联支线

疑似故障区域支线集合+=支线编号

else if 支线类型=变压器支线

搜索数据库外部信息表中含Si或Sj的支线

疑似故障区域支线集合+=支线编号）

else if 支线类型=普通支线

搜索数据库外部信息表中含Sj的支线

疑似故障区域支线集合+=支线编号

3.2.2 疑似故障区域识别方法优化

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。

疑似故障区域优化流程如下：

3.3 目标函数计算

根据疑似故障区域内线路构造H，并据此配置疑似故障区域内的保护逻辑库，得到保护启动/动作信号期望集合A*，R*以及断路器跳闸期望C*。配置好保护逻辑库后，若H中各元素值改变，A*，R*，C*也将改变，解析模型便转化为0-1 整数规划问题。将所有可能发生的故障通过H代入目标函数，目标函数值最小时即为最优解，即最贴近实际的情况，此时H中值为1 的元素即为一次系统故障发生点。令此时的A*，R*与A，R对比，值不同的元素即为存在隐性故障的保护。目标函数中所有元素均为疑似故障区域内元素，目标函数G(H)为[27]：

4 隐性故障识别软件

4.1 软件架构

首先对线路拓扑进行编码预处理并输入软件，存入案例模板库和数据库中。根据跳闸断路器编号识别出疑似故障区域并存入隐性故障识别数据库。

对疑似故障区域内的支线进行保护逻辑的配置以得到保护启动/动作信号期望、断路器跳闸期望，将期望集合和实际启动/动作信号集合代入目标函数，分析计算结果并显示结论。软件架构如图3。

图3 软件架构Fig.3 Software architecture

4.2 数据库设计

数据库用于存储预处理后的线路拓扑和保护的实际/预期启动/动作信号，并提供历史数据的插入、删除、修改、查询、显示和分析。数据遍历及对比计算的计算量为O（N*2N），采用Access 数据库作为支撑结构可以避免在中间数据取用、计算环节产生错误。

数据库由外部拓扑信息表和保护与信号表构成。表1 为外部拓扑信息表，用于存放编码预处理后的线路拓扑，为隐性故障识别提供数据支撑。

表1 外部拓扑信息表Table 1 External topology information

表1 中的主码用来唯一地标识某一行，相当于该行唯一的识别码，起到与其他行进行区分的作用。外部拓扑信息表可同时存储多个变电站的拓扑信息。当识别不同案例的隐性故障时，拓扑编号可能会重复使用，故支线编号无法唯一表示某条支线，所以每录入一条支线，软件会自动生成一个无重复随机数作为表1 的主码。当不同案例的拓扑编号重复使用时，线路编号相同的两条支线在不同案例中的类型和所含元件都有可能不同。因此设置“组别”属性对不同案例进行区分，以防止识别某案例存在的隐性故障时其他案例的同编号支线造成干扰。在实际情况中，“组别”属性可用汉字或英文字母来表示，本文表格以“甲”代表某次识别时的案例。若支线类型为含母联开关支线，则标记为m；若为变压器支线，则标记为T；若为普通支线，则不标记。由于不同类型的支线在识别疑似故障区域时使用的算法不同，识别时令支线的3 种类型与对应的算法进行匹配，以实现隐性故障识别规则根据支线类型进行区分的目的。

支线上元件个数统计时考虑支线类型，以母联支线和含变压器支线上元件个数统计为例：

if 支线类型=母联支线

元件数=3

else if 支线类型=变压器支线

if 首端断路器末端断路器均存在

元件数=5

else if 首、末端断路器只存在其中1 个

元件数=4

else if 首端断路器末端断路器均不存在

元件数=3

保护与信号表中属性包括保护名称、A*，A，R*，R组别。识别出疑似故障区域内存在的保护后，将线路故障时的A与R录入保护与信号表，并将保护名称作为主码，如表2 所示。由于每一行的保护名称均不同，故其可以起到主码的作用，因此将保护名称作为保护与信号表的主码，不再额外设置。在隐性故障识别结束后，将此表的数据清空，防止系统再次进行隐性故障识别时主码重复阻碍分析。

表2 保护与信号表Table 2 Protection and Signal

为提高继电保护隐性故障识别模型的普适性，本文将外部拓扑信息表内数据生成案例模板库，实现案例的积累，线路拓扑重复使用时无需重复导入，可直接根据A，R，C进行诊断，提高了效率。当电网拓扑发生变化时，将变化部分重新编码，在历史数据查询界面的表格中进行修改即可。必要时可将案例模板库中数据导出，方便传输与保存。

5 算例验证与分析

5.1 数据预处理

以某发生雷击事故的变电站为例，图4 为局部电网拓扑。正常运行时母联开关212 与312 断开。雷击时，雷击点在B 变电站35 kV 侧F 线上，断路器375 过流II 段动作，375 跳闸；两分钟后，断路器150 距离III 段动作，150 跳闸，母联112 断路器A 变电站1 号主变压器复压方向I 段I 时限保护动作，112 跳闸导致多处变电站全站失压。

图4 局部电网拓扑图Fig.4 Partial grid topology

按编码规则将事故拓扑图中母线编号（母联开关212 和312 均处于断开位，无需考虑）预处理，并命名为f 站（即组别为f）；将拓扑信息录入系统并存入图5 所示案例模板库。

图5 案例模板库Fig.5 Case template library

当更改跳闸断路器或启动、动作信号再次分析本拓扑时，无需再次进行数据预处理，提高了分析效率。案例模板库可在历史数据查询界面查询、修改并导出，操作灵活简便。软件主界面如图6。

图6 主界面Fig.6 Main interface

5.2 疑似故障区域识别

根据事故结果，跳闸的断路器应为母联开关12、断路器23。输入跳闸断路器编号12，23，系统会根据拓扑信息、断路器所在支线类型和识别方法得到疑似故障区域：支线12，23，34。则目标函数输入为H={D12，D23，D32，D43，B34，P231，P232，P233，S1，S2，S3，S4}，根据断路器跳闸情况可得到C集合。

5.3 实际启动/动作信号录入

识别出疑似故障区域后，系统根据疑似故障区域内支线的类型以及元件的情况自动构建出存在的保护，并生成表格。将事故发生时各保护的实际启动/动作信号通过界面表格录入软件，数字0，1，2分别代表不启动/不动作、启动/动作、未输入数据。实际保护动作信号R={0，0，0，0，0，0，1，0，2，2，1，2，2，0，0，0}，实际保护启动信号A={0，0，0，0，0，0，1，0，2，2，1，2，2，1，1，1}。

5.4 保护逻辑配置和目标函数优化计算

H每变化一次，软件根据保护逻辑、跳闸断路器D12、D23以及此时的H构建出A*，R*，C*集合并对目标函数进行计算。得到最优解9，对应的H={0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1}，根据配置的保护逻辑，此时对应的保护的动作信号期望R*={0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，0，0}，保护启动信号期望A*={0，0，0，0，0，0，1，0，0，0，1，1，1，1，1，1}。根据集合H可识别出在母线4 上发生了1 次故障；对比A，R与A*，R*之间的差异可知断路器12（即断路器112）上复压过流I 段、断路器23（即断路器150）上距离保护III段和断路器43（即断路器302）上复压过流保护存在隐性故障。

该次事故的分析报告显示，375 断路器跳闸后，雷击过电压造成375 近母线侧（母线4）静触头座三相闪烙放电。由于保护越级动作，A 变电站1 号主变压器110 kV 侧复压过流保护和150 断路器线路保护距离保护与B 变电站2 号主变压器35 kV 侧复压过流II 段保护同时启动[26]。A 变电站1 号主变压器110 kV 侧复压过流保护I 段I 时限与110 kV临北II 回150 线路接地距离保护III 段动作时限均为2.0 s；B 变电站2 号主变压器35 kV 复压过流III段动作时限为2.1 s，110 kV 复压过流保护I 段动作时限为2.4 s。故A 变电站150 断路器、母联112 断路器先跳闸并将故障点切除，引起线路多处失压。实际情况与软件识别结果相同。

与现有方案相比，本文将线路拓扑通过编码转化为数字的形式便于计算机识别，还可存储在案例模板库中，增强了软件的普适性；其次，根据断路器跳闸情况，制定了疑似故障区域识别方法，有效地缩小了故障划分范围，减少了后续计算量；然后，不仅考虑了断路器跳闸情况，还充分利用了各种保护信号。在考虑纵联保护、距离保护、复压过流保护、断路器失灵保护等多种保护配合的情况下，构建了保护解析模型，更符合实际电网运行情况；最后，基于预期情况与实际情况最大吻合原则，构建了目标函数，将故障诊断问题转化为0-1 规划问题，提高了运算速度。经目标函数优化计算后，软件即可自动识别保护系统中存在的隐性故障和一次系统故障点，减少了人员工作量，具有较强的实用性和可操作性。

6 结论

研究了继电保护软件型隐性故障的识别方法，制订了适用于隐性故障识别的编码规则，设计了包含纵联保护、复压过流保护、距离保护、断路器失灵保护的保护逻辑库，并根据隐性故障识别方法设计了继电保护隐性故障识别软件。

1）通用的拓扑编码方法以编码形式将拓扑图储存在案例模板库中，无需重复对拓扑进行预处理，提高了使用效率。基于编码的关联性提出考虑断路器跳闸情况和支线类型的疑似故障区域识别方法，缩小了隐性故障识别范围。

2）在疑似故障区域内基于编码方法配置了考虑后备保护和两端保护的多重保护逻辑，提高了保护逻辑库的准确性和普适性。由于保护之间的配置规则以及根据保护原理所搭建的逻辑关系式具有通用性，即使系统运行方式改变，隐性故障仍可识别。根据保护逻辑构建了期望信号集合并与实际信号集合对比，识别出保护系统中存在隐性故障的保护，达到了精准识别隐性故障的目的。

3）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，并通过实际案例验证了软件的实用性与准确性。