电力系统继电保护及自动化故障风险分析

刘保平

（国网丽水供电公司，浙江 丽水 323000）

保持电力设备的良好使用状态是至关重要的研究课题，它决定着电力系统的功能状态，进而决定着现代社会人们的生活［1-2］。继电保护与自动化（RPA）作为事故状态演变的预防系统，保证了电气设备的安全。本文提出了考虑电路运行参数的RPA设备故障潜在风险的计算方法。

传统的逻辑和概率方法用于解决前人研究中的RPA可靠性问题，现有方法允许针对特定网络元件的短路判断稳定性。在现有方法的基础上，对连锁故障情况下的RPA 操作理论进行了研究，RPA的失效概率是基于失效树计算的［3-4］。

本文运用现代数学方法，如蒙特卡罗方法和神经网络方法，分析了一次和二次电路拓扑复杂关系的建模问题。

1 故障风险分析

电力系统继电保护及自动化是电力系统重要的安全保障措施。然而，由于各种原因，系统中的继电保护及自动化装置可能存在故障，这些故障将会带来安全隐患和经济损失。

故障风险分析是一种有效的方式，用于确定电力系统继电保护及自动化存在故障的可能性和影响。该分析可以通过以下几个步骤进行：故障识别，对系统中的继电保护及自动化装置进行检测和测试，以确定装置的工作状态和性能。同时，还需要研究设备的可靠度和维护保养情况。故障分析，当发现继电保护及自动化存在故障时，需要进行故障分析，确定故障原因和影响。此外，还需要对故障的可能性进行评估，以判断未来可能发生的故障。风险评估，根据故障分析的结果，评估继电保护及自动化的故障可能带来的风险和影响。同时，还需要确定故障发生的概率和可能的后果。风险治理，如果在风险评估中发现故障风险较高，需要实施针对性的治理措施，以减少故障发生的概率或减轻故障的影响。这些治理措施可以包括更换设备、改进维护保养、增加备用装置等。

2 算法分析

基于图概率模型的方法是判断RPA设备失效风险的基础方法，所研究的方法允许分析客观影响，例如，对一个特定设备的系统风险或对另一个特定因素之间的关系［5］。

2.1 假设条件

在本文的框架内，认为两个事故同时发生的可能性较大，而三个或三个以上事故同时发生的可能性较小，例如元件保护失效和短路（SC）发生时的远程后备保护失效。考虑到公认的假设，RPA操作可以用四种情况来描述，如图1所示:

图1 RPA四种情况

（a）保护的正确启动：（1）（1-qpu）在SC（λsc）的情况下，保护系统启动，并对被保护元件按照给定的操作逻辑关闭，换句话说，具有Psb容量的传输线被切断。

（b）保护不工作：保护在不可操作条件下（qpu），在SC（λsc）情况下没有关闭被保护元件，远程后备保护启动，额外负载Pb1容量断开；

（c）保护误动：（λfa）在不需要启动的情况下，保护启动，并关闭保护元件Psb；

（d）不正确的保护操作: 保护在不可操作的条件下（qpu），不必要地切断了受保护元件的负载（Psb）。

案例a描述了RPA设备的正确操作，因此在故障风险计算中不予考虑。因此，为了计算RPA操作引起的网络元件故障风险，将考虑三种情况b、c、d。

由于接受的基本模型元件不是保护装置，而是主电路设备，有必要为每个初级电路元件分配属性，以评估不同的保护对网络中当前元件的影响。为此，就主电路设备而言，所有RPA设备分为以下等级：

1）在被保护元件上安装的保护装置误动的情况下导致元件断开的保护装置，对应于情况c。

2）在元件损坏的情况下可以运行的保护，相邻元件保护是当前保护中的一种，对应于情况d。

3）在不断开受保护元件负载的情况下，允许不必要负载断开的可能性保护。相邻元件保护也在当前保护中，对应于情况b。

只要来自2和3级的元件对于每个特定的初级电路元件是相同的，它们在下文中将被称为2级。

2.2 模型图分析

任何网络都可以表示为一个图，其节点属于主电路器件子集和RPA器件子集如图2所示。网络主元件的图是复杂连接的，RPA图元件彼此之间没有直接影响，仅与主电路元件连接。

图2 一次和中继网络设备图

属于初级电路元件集的图节点是需要保护的扩展元件。图连接是能量系统表示中的节点。在RPA设备子集中，节点直接即为RPA设备，跳闸电路是连接两个子集的边缘。

总结A部分的结果，针对第一级和第二级保护下的每个节点对保护进行了分类。使用图论术语，对来自主电路元件集合的每个节点，第一程序保护是来自RPA子集的一组节点，其路由长度等于1，而第二程序保护是RPA子集合的一组结点，其路由长度等于2。

2.3 模型去中心化

图2（a）中的图表没有考虑次级电路的以下显著特征：1）信息渠道；2）节点保护；3）绝对选择性元素。

在此图中，信息通道被隐含地考虑，其故障的概率被包括在两端保护故障的概率中。例如，保护装置13和7通过通信信道连接，通信信道没有明确建模，但保护装置的操作相同，两个保护装置完全断开B1-T1元件的连接，这反过来又是通信信道的隐含替代。

目前模型中没有实现节点保护，但原则上存在这种可能性。节点保护，例如差动母线保护（DBP），可以被视为同时影响所有初级元件的保护，如图2（b）所示。第三个特征可以用其他方式表述。由于添加了DBP这样的绝对选择性元件，出现了一个问题，即如何考虑DBP不备份相邻输电线路保护的事实，但同时它可能在发生外部故障时不必要地启动。换言之，在风险计算期间，根据规则b，应将绝对选择性元素排除在考虑之外。为此，当前类型的节点应具有附加属性，将这些节点排除在计算算法之外。

3 IEEE 14节点模型的计算

本文的问题设置如下：每个保护节点在IEEE14模型的随机不可操作性值设置在0.04到0.1的范围内，然后进行计算，并确定每个保护节点的更换如何影响相邻设备的故障风险。假设在用新的保护替换的情况下，不可操作性等于0.01。为了简单起见，接受错误致动概率是恒定的并且等于0.01。

图3中给出了可接受的一次电路元件和RPA设备枚举的网络图。对所考虑的电路进行了风险计算。然后，基于所获得的按降序排列的风险，制定了允许确定高优先级网络设备更换向量的列表。

图3 IEEE 14测试方案

根据图4中获得结果的图形解释，可以得出结论，故障和节点故障具有相似的qpu依赖性类型，在这种情况下，当前的依赖性是线性的。

图4 节点4和7故障qpu

可以观察到，在受保护线路和相邻线路保护参数变化的情况下，风险变化不同。所有相邻元素的当前风险之和就是节点风险。每个特定的风险特征都会根据其自身的线性定律发生变化，实际上，由模型的数学装置决定依赖性是线性的。

然而，在更多参数变化的情况下，可以获得二次相关性。例如，在保护不可操作性参数和输电线路故障概率发生变化的情况下，获得了图5所示的具有二次特征的相关性。为了进一步分析所获得的结果，分析了可靠性额定值和风险与电压等级、传输功率和总线路保护pPU等输入值的相关性。在这种情况下，对以下三种方法进行了比较：

图5 节点4和节点6故障值

1）功率计算。根据本文所述原理运行的算法。

2）当前计算。其中额定值是基于电流建立的。

3）系数转换。通过将获得的风险除以元件电压类别。

从图6中可以看出，在其他条件相同的情况下，功率越大的物体将获得越高的不可靠性评级。为了更好地阐明所获得的趋势，通过普通最小二乘法（OLS）绘制了互补依赖关系。需要注意的是，由于依赖关系的线性特性，将线性回归作为近似方法，如图7所示。

图7 qpu额定相关性

本文在对所提出的三种方法进行比较的基础上，可以得出结论，在明确考虑任何操作参数时，具有较高功率的元件由于其较高的传递能力而更具重要性。此外，在所有考虑的方法中，结果与元件功率和电压等级的相关系数大致相同。

另一方面，在断开馈线（例如110kV）的情况下，与断开两条负载500kV输电线路中的一条相比，可能会发生更高的损坏。需要使用根据操作参数单独计算的实际损伤值作为输入模型数据。

4 结论

所获得的方法允许计算独立RPA装置对电路故障风险的影响程度。该算法在IEEE14模型上进行了验证，得到了理想的结果，该方法可用于评估某些元件对其他元件的可靠性影响，并根据与设备健康相关的潜在风险降低对所有RPA设备进行排序。该算法可用于网状能量网络条件下的RPA修复规划。该算法的引入将减少财务费用，提高系统可靠性，从而产生额外的经济效益。