摘要：本文通过对继电保护的隐藏故障进行分析，继电保护系统有正确动作和不正确动作两种，不正确动作致使电力系统运行出现故障，而隐藏故障的存在是发生不正确动作的主要因素；根据隐藏故障的产生原因将其分为元件功能故障和定值不合理故障；初步探讨了隐藏故障风险与现有监测措施进行分析和评估，说明了建立完善在线监测方法减少保护装置隐藏故障发生概率的必要性。
关键词：继电保护；隐藏故障；风险监测；风险
1 继电保护隐藏故障分析
1.1 继电保护系统
继电保护系统必须在不利的运行环境和发生故障时按输入信号的要求动作正确可靠地将故障区域隔离，避免影响正常区域工作性能。继电保护系统的动作表现有两种，正确的和不正确的。继电保护系统的不正确的动作往往会导致电力系统整体性能下降。甚至导致大停电的发生。比如，2012 年印度停电事故，2017 年湖北荆州停电事故、台湾大规模大停电事故。根据国家电网公司对机电保护装置运行情况资料可知，2013 年保护装置正常运行情况如表 1 所示。
表 1 2013 年保护装置运行情况
由表 1 可知，我国继电保护装置正确动作率大，但其仍然存在故障。2013 年继电保护装置正确动作率（除 750 kV）均大于 99%，“500 kV”不正确次数达到 7 次，高于其他交流系统。其中显性故障可以通过人为观察和软件程序检查并防止，而隐藏故障不易发现，说明继电保护隐藏故障的存在是发生不正确动作的主要因素之一，继电器、电缆、电压互感器等元件往往产生隐藏故障。
1.2 继电保护隐藏故障分类
通过对现有继电保护隐藏故障研究分析可知，隐藏故障产生原因主要有装置设计或使用错误、元件破损功能下降、检修不当、定值不合理等，将隐藏故障主要分为以下两类。
（1）元件功能故障。继电保护装置内部具有多个元件，每个元件的完整性才能保证机电系统的正确动作。若方向继电器、电压互感器等元件由于环境和检测不合理的原因出现磨损、失灵等问题，造成整体功能性下降，这类隐藏故障可以通过定期检修减少发生概率，但很难从根本上解决这类故障；另外不同的元件具有的隐藏故障特点不同，其故障与线路元件的位置相关，可以通过分块的判断故障，见图 1 所示的分块示意法。
图 1 方向过电流保护原理分块分析
图 1 中，保护装置内部元件故障自左向右分为三类，分别是电压、电流互感器故障，功率方向元件及启动元件故障，时间计时器故障。其中，TV是电压互感器，TA 是电流互感器 Kwd 和 KA 分别是功率方向元件和定值电流启动元件，KT 是时间继电器。
（2）定值不合理故障。目前，常采用离线整定的手段确定继电保护定值主，具有一定的局限性。在确定定值过程中 TA 变化跟实际情况不吻合，缺少参数，出现计算错误，造成整定不满足电网运行的变化形式，而定整值没有根据实际做出调整，即使继电保护装置可以正常运行，但整定值计算的不合理性会导致隐藏故障的产生。
1.3 继电保护隐藏故障的动作机理
继电保护隐藏故障具有一定的隐蔽性，当电力系统运行时受到压力故障才会显现，比如电力系统处于负荷转移状态。且继电保护系统中的元件都有可能存在隐藏故障。
以三段线路距离保护为例，简要分析隐藏故障的动作机理。如图 2 所示，开关 ZⅠ发生异常闭合，是该保护装置的误动；时间元件Ⅱ因缺陷闭合属于隐藏故障，该缺陷只有在相邻线路保护装置Ⅰ段发生故障而导致保护装置Ⅱ段时才会显现。可见继电保护隐藏故障具有很大的隐蔽性。
图 2 隐藏故障电路分析图
2 继电保护隐藏故障的监测与风险
不同原因导致的隐藏故障具有不同的故障特性和隐蔽性，为了防止连锁故障的产生需要对隐藏故障做好风险分析与监测控制。
2.1 继电保护隐藏故障风险分析
隐藏故障对电力系统的危害性一般和其发生故障的位置和作用范围有关，在该范围内可能导致一系列连锁反应，对电力系统造成不同程度的危害。可以用脆弱性区域和隐藏故障严重性来描述故障的危害程度，并根据脆弱性区域和脆弱性指数对隐藏故障进行排序。对于影响范围大、脆弱性指数高的隐藏故障进行重点监测。
目前，采用风险理论定量地分析继电保护隐藏故障造成线路元件错误切除的概率与后果，评估电力系统连锁故障的危害程度。风险理论是一种考虑系统不确定性因素和其导致的危险概率和危害程度相结合起来的理论，核心是以分析评价隐藏故障的非正确动作概率和其对电力系统的危害程度为主要内容，通过相应计算全面地区分隐藏故障对电力系统的危害程度，通常用风险指标衡量风险大小。下式为电力系统的风险和隐藏故障发生概率与其对电力系统的危害程度关系式。
R = P 故障×I 危害 （1）
式中，R 是电力系统风险；P 故障是隐藏故障的发生概率；I 危害是隐藏故障对电力系统的危害程度。
另外，采用仿真算法（Monte-Carlo 法和重点抽样法）对继电保护隐藏故障进行风险评估，仿真算法能较详细地模拟连锁故障的产生过程，但在分析和计算中产生无用样本，增大了计算工作量，存在资源浪费现象，其中重点抽样法在转换概率时没有统一的标准保证故障的方差，这在一定程度上限制了仿真算法的应用。
2.2 继电保护隐藏故障监测控制
不同的继电保护装置的隐藏故障不同，其产生的危害程度也不同，且和显性故障监测相比，继电保护隐藏故障只有在系统出现变化时显现出来，难以通过传统的离线式监测措施进行控制，将危害控制到最低。图 5 所示为隐藏故障监测与控制系统的框架，该系统通过与高脆弱性指数输出结果进行比较，经过逻辑判断，实现对保护装置的在线监测；但该方案不够成熟。
图 5 隐藏故障监测和控制系统
当前没有专门的监测系统来监测继电保护系统是否存在隐藏故障，仅仅是借助微机保护中自检功能来保证系统运行，或采用对装置及设备采用定期抽样检验的方式来排除故障，这与电力系统数字化的发展背道而驰。我国数字化变电站技术的应用取得了突破，可利用电子智能设备充分数字化的特点，实现保护装置内部信息的共享，并对继电保护装置进行在线监测。
3 结语
随着电力系统运行方式的优化发展，电网故障更具有隐蔽性。对此，对继电保护系统隐藏故障进行分析，建立完善的风险监测手段，进一步提高电力系统运作的安全性和可靠性尤为重要。
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论文作者:郑跃,王海洋
论文发表刊物:《电力设备》2019年第10期
论文发表时间:2019/10/21
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