[科普中國]-地區(qū)電網(wǎng)故障診斷基本分析模式

背景

一直以來，采用智能決策支持系統(tǒng)輔助或替代調(diào)度員處理電網(wǎng)中發(fā)生的故障，快速確定故障設(shè)備以提高故障處理的效率，是電網(wǎng)故障診斷研究的方向。

自20 世紀(jì)80 年代專家系統(tǒng)開始用于電網(wǎng)故障診斷之后，電網(wǎng)故障診斷的研究逐步深入，發(fā)展至今除了方法層面積累了豐富的成果外，還在復(fù)雜問題處理、信息融合、規(guī)則挖掘、在線電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)的信息獲取等諸多方面展開研究，并在實踐運行中積累了一定的經(jīng)驗。

當(dāng)前電網(wǎng)故障診斷的研究成果日趨豐碩，但專門研究地區(qū)級電網(wǎng)并不多見。而作為電網(wǎng)基礎(chǔ)調(diào)管單位的地區(qū)級電網(wǎng)，擔(dān)負(fù)著大電網(wǎng)運行的基礎(chǔ)職能，其管轄范圍從10 kV 至220 kV 甚至更高，電氣設(shè)備和保護(hù)裝置相對多樣，電網(wǎng)調(diào)度對于故障診斷的需求更為強烈。1

地區(qū)電網(wǎng)故障時電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化模式相對于正常操作，地區(qū)電網(wǎng)發(fā)生故障時電氣設(shè)備失電過程有所不同，在一個短時間間隔內(nèi)1 臺或多臺斷路器動作導(dǎo)致局部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，并影響到網(wǎng)架上的潮流分布。因此，通過確定斷路器分閘導(dǎo)致的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化模式可以發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)內(nèi)故障的發(fā)生。

故障時電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的異常變化其實是繼電保護(hù)跳閘邏輯的間接體現(xiàn)，其基本變化模式可以分為以下幾類：

1）模式1，故障電氣設(shè)備的完全隔離。即設(shè)備所連的斷路器在故障過程中全部分閘，見圖1 模式1 中的T1。這一模式包括以下設(shè)備故障形式：主變、電抗器、母線、裝設(shè)全線速動保護(hù)裝置的線路、為帶有備自投裝置的110 kV 終端變電站供電的線路。

2）模式2，帶有備自投裝置的變電站母線故障模式。此時除了原有供電線路已經(jīng)被完全斷開，備用電源線路的電源側(cè)開關(guān)也會跳閘，形成多個失電區(qū)域，見圖1 模式2，當(dāng)故障設(shè)備為B1 或B2 時，會形成L1 以及由L2、B1、B2 和下級變壓器構(gòu)成的2 個失電區(qū)域。

3）模式3，220 kV 及以上電壓等級母線保護(hù)動作模式。此時不僅故障母線所連斷路器需要跳閘，而且需要母線所連線路的對側(cè)斷路器速動跳閘，形成了多個設(shè)備所連的斷路器被全部斷開的情況，如圖1 模式3 中B1 故障所導(dǎo)致的L1 和B1 所連斷路器全部分閘。這一模式主要包含非一臺半斷路器接線的220 kV 及以上電壓等級母線故障及其母線保護(hù)死區(qū)故障。

4）模式4，負(fù)荷線路故障模式。在地區(qū)級電網(wǎng)調(diào)度模型上35 kV 及以下線路以單端元件顯示，被定義為負(fù)荷。這類單端元件的故障依靠單個斷路器的分閘無法直接判定是故障還是正常的倒閘操作，因此必須依賴于潮流分析。

在考慮正常操作前的負(fù)荷轉(zhuǎn)移前提下，如果此時由斷路器斷開的功率大于0.6 倍的正常負(fù)荷即判斷為故障。正常負(fù)荷可以根據(jù)本線路的負(fù)荷曲線進(jìn)行計算，如果斷路器分閘前本線路所帶負(fù)荷大小低于其負(fù)荷相似日內(nèi)同時刻負(fù)荷大小的0.6 倍，則可認(rèn)為此時在負(fù)荷對側(cè)的用電設(shè)備已經(jīng)進(jìn)行電源切換等相關(guān)操作，斷路器跳閘為正常操作。

5）模式5，充電設(shè)備故障模式。電氣設(shè)備充電過程中充電保護(hù)動作將導(dǎo)致1 臺斷路器分閘和1 個電氣設(shè)備失電，對電網(wǎng)影響最??；但僅憑斷路器分閘信息無法區(qū)分其與正常倒閘操作的區(qū)別，需要依賴充電保護(hù)動作信息才能確定這種故障模式。

6）模式6，區(qū)域失電模式，被斷路器分割的不是單個電氣設(shè)備，而是一個停電區(qū)域。造成這種模式的原因如下：110 kV 母線未采用雙母線接線方式時無需裝設(shè)母線保護(hù)，由上級線路近后備保護(hù)；電網(wǎng)內(nèi)110 kV 以下母線無需裝設(shè)母線保護(hù)，故障時依靠變壓器后備保護(hù)切除；保護(hù)或斷路器拒動所導(dǎo)致的區(qū)域性停電。前2 類是由于保護(hù)配置原則所造成，而保護(hù)和斷路器拒動則是一種復(fù)雜故障模式，必須依賴保護(hù)信息才能確定。

根據(jù)以上電網(wǎng)故障變化模式，利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼敖Y(jié)線分析，可以得到斷路器分閘引起的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化模式類型，快速識別出系統(tǒng)中是否發(fā)生故障，定位故障區(qū)域或初步確定故障設(shè)備。

采用基于網(wǎng)架變化模式匹配的方法缺乏對故障過程的分析，不能重構(gòu)故障過程并判斷故障中保護(hù)和斷路器的動作行為是否正確，無法完全滿足電網(wǎng)故障診斷的要求。要實現(xiàn)對于故障過程的分析，還需要對二次系統(tǒng)的動作行為進(jìn)行詳細(xì)的分析。1

采用動態(tài)故障樹的電氣二次系統(tǒng)模型在電網(wǎng)故障時，繼電保護(hù)的動作邏輯實現(xiàn)由二次回路來完成，只有構(gòu)建完整的二次系統(tǒng)模型才能對電網(wǎng)故障時繼電保護(hù)的動作邏輯進(jìn)行詳細(xì)的描述。在電網(wǎng)中，二次回路的設(shè)計圍繞保護(hù)裝置展開，因此以保護(hù)裝置為單位構(gòu)建診斷所需的二次系統(tǒng)模型成為電網(wǎng)故障診斷模型的基礎(chǔ)。

動態(tài)故障樹采用門電路描述邏輯模塊，其形式如圖2 所示。動態(tài)故障樹常和事件樹相結(jié)合進(jìn)行過程分析和故障診斷，適用于時序邏輯關(guān)系的表示，其不同于事件樹的地方在于分析推理采用反向邏輯推理，并采用歸納的方法確定導(dǎo)致故障發(fā)生的所有可能情況。

采用動態(tài)故障樹構(gòu)建電網(wǎng)故障診斷二次系統(tǒng)模型，可以描述保護(hù)裝置和斷路器動作行為的邏輯框架。

為結(jié)合調(diào)度端采集的故障信息，故障樹中門定義部分修改為調(diào)度中心的數(shù)據(jù)采集點標(biāo)示，如遙信代碼或故障信息代碼，用YX0xx 表示，xx 為數(shù)字；若沒有信息對應(yīng)則門定義為空，表示這一部分不可觀。圖3 為采用動態(tài)故障樹構(gòu)建的我國110 kV 線路常用的RCS-941 型繼電保護(hù)裝置的動作邏輯模型。

圖3 中保護(hù)跳閘邏輯部分表示了由裝置當(dāng)前運行定值所確定的保護(hù)動作邏輯，二次回路部分描述的主要是斷路器控制回路；其中的“有流”是RCS941 保護(hù)裝置的一個基本判別邏輯，由于沒有信息可以反映這一邏輯，屬于不可觀事件。

圖4 為采用“備用門”所表征的斷路器拒動邏輯，備用門同時對距離保護(hù)各段的動作進(jìn)行了順序約束，用SPARE 來表示；對于每個備用門中關(guān)聯(lián)的邏輯模塊，其動作順序為從左至右，如圖4 表示左側(cè)備用門表示當(dāng)距離I 段的邏輯未能執(zhí)行時，距離II 段將作為其備用邏輯，距離II 段不能執(zhí)行時距離III 段為其備用邏輯，它表述的是一種本裝置內(nèi)保護(hù)之間的備用邏輯。

采用動態(tài)故障樹搭建二次系統(tǒng)模型為分析電網(wǎng)故障時繼電保護(hù)的基本動作模式提供了基礎(chǔ)。故障診斷時可以通過遍歷不同裝置動態(tài)故障樹來生成保護(hù)動作的基本模式，并據(jù)此完成電網(wǎng)診斷。1

繼電保護(hù)的動作模式電網(wǎng)故障診斷問題求解的一般條件1）電網(wǎng)內(nèi)的每一套繼電保護(hù)裝置的正常動作順序都由整定值限定，裝置間的動作順序則由其對應(yīng)一次設(shè)備的拓?fù)潢P(guān)系所限定，故障過程中的保護(hù)和斷路器動作行為屬于強約束限定，形成分析的基本模式。

2）當(dāng)電網(wǎng)故障時，繼電保護(hù)和斷路器是為應(yīng)對故障而配置的順序控制元件，順序由整定計算原則所限定，因此由保護(hù)和斷路器動作所構(gòu)成的故障事件是可以逐步分析的。如果故障事件中存在保護(hù)或斷路器不滿足預(yù)選設(shè)定的順序，則認(rèn)為其動作錯誤。

3）由于電網(wǎng)故障區(qū)域內(nèi)配置的保護(hù)數(shù)量有限，同時每套保護(hù)裝置內(nèi)配置的保護(hù)類型也有限，因此由整定原則所約束的不同繼電保護(hù)動作配合所構(gòu)成的事件序列組合是一個有限的集合。

4）故障事件中可能存在因保護(hù)拒動等不確定因素造成的持續(xù)過程較長的故障，但由于繼電保護(hù)裝置之間的相互獨立性以及各廠站二次系統(tǒng)工作不相關(guān)，故障終將被切除，因此故障事件有時限約束，即由保護(hù)和斷路器構(gòu)建的事件序列是有限事件序列。

5）在同一故障事件中，保護(hù)動作的目的是通過斷路器動作將故障切除，若同一個保護(hù)重復(fù)動作則意味著故障事件中存在異常動作行為，如：斷路器重合于故障線路后加速未動作而導(dǎo)致的重合復(fù)掉。

以上的限定表明采用繼電保護(hù)信息和斷路器動作信息分析故障過程的本質(zhì)是校驗人工預(yù)先設(shè)定的固定順序控制邏輯在故障過程中是否正確執(zhí)行，是故障時可觀故障信息和預(yù)設(shè)控制邏輯順序的匹配分析。

假設(shè)在某一故障情況下，故障區(qū)域相關(guān)電氣設(shè)備所對應(yīng)的繼電保護(hù)及斷路器全部可能動作的行為(包含錯誤動作)將構(gòu)成一個有序事件序列，用F{F1,F2, ..., Fi, ..., Fn}表示，F(xiàn)i 表示為應(yīng)對某一設(shè)備故障而預(yù)先設(shè)定的保護(hù)及斷路器動作邏輯。

這一序列基于保護(hù)配置原則并由整定原則所約束；此時調(diào)度端所接受到的繼電保護(hù)和斷路器的實際動作行為事件序列以S{s1, s2,... , sj, ... , sm}表示，sj 表示單條保護(hù)或斷路器動作信息；則F中必然存在一個Fk=S。為了構(gòu)建集合F，需對故障時繼電保護(hù)裝置的基本動作模式進(jìn)行分析。1

繼電保護(hù)裝置動作模式劃分繼電保護(hù)的配置及整定是面向元件，因此對于安裝在各變電站內(nèi)的繼電保護(hù)裝置，只能區(qū)分區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障。區(qū)內(nèi)即其所配屬的電氣設(shè)備，區(qū)外即為除去配屬設(shè)備的外部設(shè)備。所以其動作模式可以劃分為保護(hù)配屬對象故障模式和外部設(shè)備故障模式。再考慮斷路器和保護(hù)裝置自身異常動作的可能性，將保護(hù)裝置的動作模式劃分如下5 種。

1）保護(hù)配屬對象故障模式。

由于單套裝置內(nèi)配置有多種類型的保護(hù)，這一模式不唯一，由一個保護(hù)動作事件序列集合構(gòu)成，斷路器動作信息是保護(hù)動作的結(jié)果。定義集合FI{Fi1, Fi2,... ,Fin}為一個保護(hù)和斷路器動作序列，以圖3 中的RCS-941 裝置為例，則動作序列為：

Fi1{距離I 段，斷路器跳閘}；

Fi2{距離I 段· 零序I 段，斷路器跳閘}；

Fi3{距離II 段，斷路器跳閘}；

Fi4{距離II 段· 零序II 段，斷路器跳閘}。

其中“·”表示并行事件，“，”表示順序關(guān)系。

圖5 描述了一個典型的地區(qū)局部電網(wǎng)110kV 終端線路的接線，接線方式簡單。其中包括等值系統(tǒng)S1，變壓器T1，線路L1、L2，斷路器QF1, …, QF5。

由于變電站中母線接線常采用橋形接線或單母線分段接線，因此不配置母差保護(hù)和斷路器失靈保護(hù)，這就導(dǎo)致當(dāng)110 kV 線路故障時，如果發(fā)生斷路器拒動，故障需要由上一級線路后備保護(hù)進(jìn)行切除。

圖5 中的線路L2 發(fā)生故障，若采集的故障信息形成動作序列S{L2 距離I 段保護(hù)動作，QF2 斷路器跳閘}，和事先設(shè)定的Fi1 匹配，由此可以判斷出故障設(shè)備為L2。

2）外部設(shè)備故障模式。

這一模式下，保護(hù)裝置動作指向外部系統(tǒng)，同樣這一模式也不唯一。定義集合FO{Fo1, Fo2,... ,Fon}

為外部設(shè)備故障時一個保護(hù)和斷路器的動作序列，以圖3 中的RCS-941 裝置為例：

Fo1{距離II 段，斷路器跳閘}；

Fo2{距離II 段· 零序II 段，斷路器跳閘}；

Fo3{距離III 段，斷路器跳閘}；

Fo4{距離III 段· 零序III 段，斷路器跳閘}；

Fo5{零序IV 段，斷路器跳閘}。

當(dāng)保護(hù)裝置的動作模式確定為外部設(shè)備故障模式時，依據(jù)本裝置的動作信息無法判定故障設(shè)備，需要結(jié)合其他裝置的動作信息加以判定；同時需結(jié)合結(jié)線分析對不同保護(hù)裝置對應(yīng)的電氣設(shè)備之間的連接關(guān)系進(jìn)行分析，以確定保護(hù)之間的配合關(guān)系。1

3）斷路器拒動模式。

這個模式中，保護(hù)裝置動作的保護(hù)指向某設(shè)備，當(dāng)該設(shè)備的故障信息中保護(hù)動作信息可以匹配于保護(hù)配屬對象故障模式或外部設(shè)備故障模式的保護(hù)信息，但故障事件序列中未有該設(shè)備的斷路器動作信息時，可以認(rèn)為發(fā)生了斷路器拒動。

定義集合BR{BR1, BR2,... , BRn}為斷路器拒動時保護(hù)的動作序列，以圖4 中的RCS-941 裝置為例：

BR1{距離I 段保護(hù)，距離II 段保護(hù)，距離III段保護(hù)}；

BR2{距離II 段保護(hù)，距離III 段保護(hù)}；

BR3{距離I 段保護(hù)，距離II 段保護(hù)}；

BR4{距離I 段保護(hù)}；

BR5{距離II 段保護(hù)}。

4）保護(hù)拒動模式。

保護(hù)拒動是一個不可觀事件，只能進(jìn)行近似估計，即由可疑故障設(shè)備上級動作保護(hù)的外部動作模式來確定。

定義集合PR 為保護(hù)拒動時保護(hù)和斷路器的動作序列，集合內(nèi)元素為其上級保護(hù)的外部系統(tǒng)故障模式，如圖5 中調(diào)度端接收事件系列為S{L2 距離III 段保護(hù)動作，斷路器QF2 跳閘}時，可以確定其下級L1 或變壓器T1 保護(hù)拒動。

5）異常動作模式。

這一模式主要指保護(hù)動作中存在有不滿足保護(hù)動作時限約束、故障類型約束的情況，主要用于辨識繼電保護(hù)的錯誤動作行為。

定義集合M 為異常動作時保護(hù)和斷路器的動作序列，以圖4 中的RCS-941 裝置為例：

M1{距離I 段, 距離II 段}；

M2{相間距離I 段，零序I 段}；…。

斷路器拒動模式和保護(hù)異常動作模式可以重疊。

上述5 種模式對應(yīng)于單套保護(hù)裝置或斷路器，在故障時由于可能在區(qū)域內(nèi)動作多套保護(hù)裝置，需要將多套裝置的動作模式進(jìn)行處理，以生成可以匹配故障信息的事件序列。1

多重化保護(hù)配置下的保護(hù)動作模式疊加由于220 kV 及以上繼電保護(hù)裝置雙重化配置，變壓器保護(hù)的配置多重化，這些保護(hù)動作的模式需要按照其動作時限進(jìn)行序列重排，將獨立工作的保護(hù)裝置的動作模式進(jìn)行重疊，以反映故障時的多個保護(hù)裝置同時動作的情況。

如對于某220 kV 線路保護(hù)，由于其配置有RCS-931A 型保護(hù)及PSL602G 型保護(hù)，其基本動作模式之一為： Fi1{RCS-931A 差動保護(hù)動作·RCS-931A 距離保護(hù)I 段動作· PSL602G 縱聯(lián)距離動作· PSL602G 距離保護(hù)I 段動作}。1

失電區(qū)域多裝置動作模式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浏B加在斷路器或保護(hù)拒動時，事故范圍擴大，故障分析將涉及到多個電氣設(shè)備所配置的繼電保護(hù)裝置，此時依靠單套裝置的動作模式無法完成對電網(wǎng)故障的過程分析。

為完成和調(diào)度端所收到的故障信息的順序事件匹配，不同保護(hù)裝置的動作模式需要基于整定原則根據(jù)其對應(yīng)電氣設(shè)備的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行疊加。拓?fù)浏B加時，首先通過結(jié)線分析程序，將2 個電氣設(shè)備之間距離電源較遠(yuǎn)的電氣設(shè)備設(shè)定為下級設(shè)備；然后依據(jù)保護(hù)動作級差時限對2 個電氣設(shè)備的保護(hù)動作模式進(jìn)行序列重排：即下級設(shè)備的保護(hù)被假定為故障設(shè)備，采用保護(hù)配屬對象故障模式或斷路器拒動模式，上級設(shè)備的保護(hù)動作模式為外部設(shè)備故障模式，形成新的事件序列，將之與故障信息進(jìn)行匹配。

圖5 所示電網(wǎng)中的調(diào)度端收到故障信息，構(gòu)成事件序列S{L1 線距離保護(hù)I 段動作· 零序保護(hù)I段動作，L1 線距離保護(hù)II 段動作· 零序保護(hù)II 段動作，L2 線距離保護(hù)II 段動作· 零序保護(hù)II 段動作，斷路器QF2 動作}，此時，L1 和L2 的繼電保護(hù)動作模式進(jìn)行疊加，以匹配于S。通過結(jié)線分析可以得到：L2 距離等值電源S1 更近，而L1 通過母線和L2 相連接，其下級設(shè)備中沒有連接電源設(shè)備，因此L2 為L1 的上級設(shè)備，兩者之間存在保護(hù)配合關(guān)系，可以進(jìn)行保護(hù)模式的疊加。L1 未有斷路器動作信息，符合斷路器拒動模式和異常動作模式；而L2 符合外部設(shè)備故障模式中的Fo2 序列，因此可確定L1 線故障，斷路器拒動，L2 線延時切除故障。1

繼電保護(hù)動作的模式不相容現(xiàn)象采用保護(hù)信息進(jìn)行故障診斷是一種間接形式的事件分析，并未能直接觀察到故障，而是由保護(hù)裝置的動作行為來確定故障，即假設(shè)某一保護(hù)動作和斷路器動作事件的發(fā)生是由對應(yīng)的電氣設(shè)備故障導(dǎo)致的。

這就帶來一個問題，因為繼電保護(hù)裝置存在錯誤動作的可能。若在某故障事件中有2 個電氣設(shè)備的主保護(hù)同時動作，則2 個保護(hù)裝置的動作模式出現(xiàn)了不相容現(xiàn)象，此時確定2 個設(shè)備同時發(fā)生故障還是其中有一個保護(hù)裝置錯誤動作，就成為值得探討的問題。

如圖5 所示電網(wǎng)中的調(diào)度端接收到故障信息，構(gòu)成事件序列S{L1 線距離保護(hù)I 段動作· 零序保護(hù)I 段動作，L2 線距離保護(hù)I 段動作、零序保護(hù)I段動作，斷路器QF2 動作}。

進(jìn)行模式匹配將得出：L2 線保護(hù)對象配屬故障模式，L1 線為斷路器拒動模式，僅僅采用單裝置模式及拓?fù)浏B加將不能形成完整的邏輯鏈，而依賴于保護(hù)和斷路器動作信息將無法得出確定性的結(jié)論，無法確定此時是L1 故障、斷路器拒動，還是L2 主保護(hù)錯誤動作。1

這就需要有新的假設(shè)條件進(jìn)行約束，考慮到電氣設(shè)備故障時，在故障路徑中受持續(xù)短路電流作用的非故障設(shè)備可能出現(xiàn)絕緣破壞的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于故障時非故障設(shè)備保護(hù)裝置誤動作的概率，可以在出現(xiàn)保護(hù)動作模式不相容的情況時進(jìn)一步分析故障路徑。當(dāng)動作保護(hù)所配屬的不同電氣設(shè)備存在于同一故障路徑中時，可以認(rèn)為是2 個設(shè)備先后發(fā)生了故障，通過結(jié)線分析進(jìn)行判斷，距離電源較遠(yuǎn)的電氣設(shè)備為最早發(fā)生故障的電氣設(shè)備。

如上例，通過結(jié)線分析得到L2 和L1 拓?fù)湎噙B并且L2 距離故障后的帶電設(shè)備更近。則可以確定故障由L1 開始，由于斷路器拒動故障未及時切除導(dǎo)致L2 故障。2