CN104993464A - 一种电力系统继电保护故障分析方法 - Google Patents

Abstract

对于线路风险区域发生的故障概率的分析，从而明确线路中通常情况下的发生概率的可能性，并进一步地分析隐藏故障发生的概率，以及通过风险指标来整体性地考虑系统发生故障的可能性以及带来的故障影响，从而明确系统中具体的故障产生变量，以通过对故障产生变量的发生概率的分析，从而针对性的调整故障发生概率较高的故障类型，保护系统的稳定性运行，减小系统的故障发生率。

Description

一种电力系统继电保护故障分析方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统的继电保护的技术领域，具体的来说，是一种电力系统继电保护故障分析方法。

背景技术

电能需求的日益增长，促使发电设备的容量不断增大，同时也扩大了供电的范围。随着互联系统网络容量的增大和电压等级的提高，发生大面积停电的可能性已愈见突出。而造成这些大规模停电事故的罪魁祸首之一是继电保护系统的隐藏故障。继电保护的隐藏故障是指保护装置中存在的一种永久缺陷，这种缺陷只有在系统发生故障等不正常运行状态时才会表现出来，其直接后果是导致被保护元件的错误断开，这类事故一旦发生必将引起电网的连锁反应，并迅速蔓延最终导致电网崩溃，给电网带来灾难性的后果，因此，需要针对继电保护系统进行故障分析，从而避免电网不可预知的发生大规模故障。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种电力系统继电保护故障分析方法，其包括分析风险区域发生故障的概率，隐藏故障发生的概率以及风险评估。

对于继电保护故障，是指继电保护不确定动作，继电保护不正确动作(意味着保护失效)的概率表现为保护拒动或者误动的可能程度，其影响因素可分为以下四类：

(1)保护装置硬件与软件的可靠性。硬件失效和软件失效可以分为拒动失效和误动失效两种模式

(2)继电保护原理。任何保护原理都有其理想的工作环境，包括空气湿度、温度、污秽等，若与实际工况差别较大，则保护可能不正确动作。

(3)保护彼此之间以及保护与其他安全自动装置之间的关系。后备保护的动作特性主要是靠各保护的整定定值与整定时间的配合来保证，一旦整定得不合理就可能导致保护不正确动作。

(4)实时系统运行方式。保护定值是在某一方式下得到的，而实时方式的不断变化会不同程度地影响保护装置的实际性能，一旦超出整定所考虑的范围，则易导致保护不正确动作。

在线校核中的概率模型，在线校核包括灵敏度校核和选择性校核，灵敏度校核校验当前方式下保护范围内部故障时保护能否可靠动作；选择性校核校验当前方式下保护范围外部故障时保护能否可靠不动作。故若灵敏度不满足校核要求，则意味着当保护范围内部发生故障时保护可能拒动，对应一个保护拒动范围；若选择性不满足校核要求，则说明当保护范围外部故障时保护可能误动，对应一个保护误动范围。这两个范围属于风险区域。

保护不正确动作的概率取决于线路风险区域内发生故障的概率。风险区域内发生故障的概率为：

P_e＝P(n)P(m)

式中，P(m)为线路发生故障的概率；P(n)为故障落入风险区域的概率。

线路发生故障的概率P(m)为

$\begin{array}{cc}P\left(m\right)={\mathrm{\λ}}_i\×e^{-{\mathrm{\λ}}_i}& ({\mathrm{\λ}}_i>O)\end{array}$

式中，λ_i为线路i发生故障的概率

故障在线路上呈统一离散分布，故障在线路i上出现的密度分布函数为

f(l)＝1/L_i 0＜l＜L_i

L_i为线路i的长度，l为线路的长度变量

故障出现在线路i的风险区域A_i的概率为

$P\left(A_i\right)=\underset{A_i}{\∫}f\left(l\right)dl=l_{A_i}/L_i$

式中，P(A_i)为线路i的故障落在风险区域的概率，l_Ai为线路i上风险区域的长度

从而可以得出，线路i的风险区域故障的概率 $P\left(f_{Ai}\right)=P\left(m\right)P\left(A_i\right)={\mathrm{\λ}}_i\×e^{-{\mathrm{\λ}}_i}\×l_{A_i}/L_i$

多条线路的多个风险区域故障的概率P(n)为

$P\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}P\left(f_{Ai}\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}({\mathrm{\λ}}_i\×e^{-{\mathrm{\λ}}_i}\×l_{A_i}/L_i)$

式中P(n)为故障落入风险区域的概率，M为风险区域的数量

继电保护的隐藏故障时造成继电系统崩溃的主要原因，隐藏故障概率可分为保护装置隐藏故障发生概率、线路距离保护隐藏故障发生概率、过电流保护隐藏故障发生概率、失效隐藏故障发生概率、老化隐藏故障发生概率和环境隐藏故障发生概率。

保护装置隐藏故障发生概率即保护装置非选择性误动的概率，当线路i发生故障的次数为N_i时，风险区域发生故障的次数n_i为

$n_i=N_i\×P\left(A_i\right)=\frac{N_i{l}_{A_i}}{L_i}$

保护装置j非选择性误动的次数为q_j，则保护装置j隐藏故障发生的概率为

$P\left(f_i\right)=\frac{q_j}{\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{n}_i}$

式中，P(f_i)为保护装置j的隐藏故障发生概率。

线路距离保护隐藏故障与保护装置的测量阻抗相关，当测量阻抗小于三倍距离保护的整定值时，线路距离保护隐藏故障概率为常数，当测量阻抗大于三倍距离保护的整定值时，线路距离保护隐藏故障概率按指数变化：即

$P_{HF}=\left\{\begin{array}{cc}{P}_L& Z<3Z_0\\ P_L\exp (-\frac{Z}{3Z_0})& Z\&GreaterEqual;3Z_0\end{array}\right.$

式中，P_HF为线路距离保护隐藏故障的发生概率，Z为保护装置的测量阻抗，P_L为常数，Z₀为线路距离保护整定值。

过电流保护的隐藏故障发生概率与线路电流的大小有关。线路电流大于过电流保护的整定值时隐藏故障概率为常数，而线路电流，在0.1倍整定值至整定值的范围内时隐藏故障概率线性变化，在线路电流小于0.1倍整定值时隐藏故障概率为0，即：

$P_{HI}=\left\{\begin{array}{cc}{P}_I& I>I_0\\ P_I\frac{I-0.1I_0}{0.9I_0}& 0.1I_0\&le;I\&le;I_0\\ 0& I<0.1I_0\end{array}\right.$

式中，P_HI为过电流保护的隐藏故障发生概率，P_I为常数，I₀为过电流保护的整定值。

失效隐藏故障发生概率包括由于继电保护定值设定不合理从而导致的故障，具体的为

$P_r=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&lambda;}+\mathrm{\&mu;}}$

式中，P_r为失效隐藏故障发生概率，λ为失效率，μ为修复率。

老化隐藏故障发生概率是由于器件的长期使用产生的损耗，从而可能发生老化故障，具体的为

$P_f=\frac{{\&Integral;}_T^{T+t}f\left(t\right)dt}{{\&Integral;}_T^{\mathrm{\&infin;}}f\left(t\right)dt}$

式中，P_f为老化隐藏故障发生的概率，T为器件已使用的年限，f(t)为故障的概率密度函数，通过历史数据的统计分析获得。

环境隐藏故障发生概率是指由于环境因素引发的故障的发生的概率，如风、水、雷电、覆冰、污秽等，具体的为

P_X＝Ae^Bx+C

式中，A、B、C为常数，x为天气条件综合函数

$x=\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&alpha;}}_i{\mathrm{\&epsiv;}}_i/\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&alpha;}}_i$

式中，α_i为严重性系数，ε_i为在第i类灾害下的故障发生概率，通过历史数据的统计分析获得。

${\mathrm{\&alpha;}}_i=\frac{F_i}{P_i}$

式中，F_i为第i类灾害环境下出现故障占总故障次数的比例，P_i为第i类灾害环境出现的概率。

对于多种故障发生的情况，通过风险指标来表征故障的风险程度与系统的可靠性程度

系统的风险指标为事故发生的概率与事故产生的后果即严重度的乘积，表达式如下：

R＝P_event×I_event

式中：R为风险，P_event为事故的概率，I_event为事故的后果。

通过对于线路风险区域发生的故障概率的分析，从而明确线路中通常情况下的发生概率的可能性，并进一步地分析隐藏故障发生的概率，以及通过风险指标来整体性地考虑系统发生故障的可能性以及带来的故障影响，从而明确系统中具体的故障产生变量，以通过对故障产生变量的发生概率的分析，从而针对性的调整故障发生概率较高的故障类型，保护系统的稳定性运行，减小系统的故障发生率。

附图说明

图1是本发明一种电力系统继电保护故障分析方法的分析流程图

具体实施方式

一种电力系统继电保护故障分析方法，如图1所示，其包括分析风险区域发生故障的概率，隐藏故障发生的概率以及风险评估。

对于继电保护故障，是指继电保护不确定动作，继电保护不正确动作(意味着保护失效)的概率表现为保护拒动或者误动的可能程度，其影响因素可分为以下四类：

(1)保护装置硬件与软件的可靠性。硬件失效和软件失效可以分为拒动失效和误动失效两种模式

(2)继电保护原理。任何保护原理都有其理想的工作环境，包括空气湿度、温度、污秽等，若与实际工况差别较大，则保护可能不正确动作。

(3)保护彼此之间以及保护与其他安全自动装置之间的关系。后备保护的动作特性主要是靠各保护的整定定值与整定时间的配合来保证，一旦整定得不合理就可能导致保护不正确动作。

(4)实时系统运行方式。保护定值是在某一方式下得到的，而实时方式的不断变化会不同程度地影响保护装置的实际性能，一旦超出整定所考虑的范围，则易导致保护不正确动作。

在线校核中的概率模型，在线校核包括灵敏度校核和选择性校核，灵敏度校核校验当前方式下保护范围内部故障时保护能否可靠动作；选择性校核校验当前方式下保护范围外部故障时保护能否可靠不动作。故若灵敏度不满足校核要求，则意味着当保护范围内部发生故障时保护可能拒动，对应一个保护拒动范围；若选择性不满足校核要求，则说明当保护范围外部故障时保护可能误动，对应一个保护误动范围。这两个范围属于风险区域。

保护不正确动作的概率取决于线路风险区域内发生故障的概率。风险区域内发生故障的概率为：

P_e＝P(n)P(m)

式中，P(m)为线路发生故障的概率；P(n)为故障落入风险区域的概率。

线路发生故障的概率P(m)为

$\begin{array}{cc}P\left(m\right)={\mathrm{\&lambda;}}_i\&times;e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_i}& ({\mathrm{\&lambda;}}_i>O)\end{array}$

式中，λ_i为线路i发生故障的概率

故障在线路上呈统一离散分布，故障在线路i上出现的密度分布函数为

f(l)＝1/L_i 0＜l＜L_i

L_i为线路i的长度，l为线路的长度变量

故障出现在线路i的风险区域A_i的概率为

$P\left(A_i\right)=\underset{A_i}{\&Integral;}f\left(l\right)dl=l_{A_i}/L_i$

式中，P(A_i)为线路i的故障落在风险区域的概率，为线路i上风险区域的长度

从而可以得出，线路i的风险区域故障的概率 $P\left(f_{Ai}\right)=P\left(m\right)P\left(A_i\right)={\mathrm{\&lambda;}}_i\&times;e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_i}\&times;l_{A_i}/L_i$

多条线路的多个风险区域故障的概率P(n)为

$P\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}P\left(f_{Ai}\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}({\mathrm{\&lambda;}}_i\&times;e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_i}\&times;l_{A_i}/L_i)$

式中P(n)为故障落入风险区域的概率，M为风险区域的数量

继电保护的隐藏故障时造成继电系统崩溃的主要原因，隐藏故障概率可分为保护装置隐藏故障发生概率、线路距离保护隐藏故障发生概率、过电流保护隐藏故障发生概率、失效隐藏故障发生概率、老化隐藏故障发生概率和环境隐藏故障发生概率。

保护装置隐藏故障发生概率即保护装置非选择性误动的概率，当线路i发生故障的次数为N_i时，风险区域发生故障的次数n_i为

$n_i=N_i\&times;P\left(A_i\right)=\frac{N_i{l}_{A_i}}{L_i}$

保护装置j非选择性误动的次数为q_j，则保护装置j隐藏故障发生的概率为

$P\left(f_i\right)=\frac{q_j}{\underset{i=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}{n}_i}$

式中，P(f_i)为保护装置j的隐藏故障发生概率。

线路距离保护隐藏故障与保护装置的测量阻抗相关，当测量阻抗小于三倍距离保护的整定值时，线路距离保护隐藏故障概率为常数，当测量阻抗大于三倍距离保护的整定值时，线路距离保护隐藏故障概率按指数变化：即

$P_{HF}=\left\{\begin{array}{cc}{P}_L& Z<3Z_0\\ P_L\exp (-\frac{Z}{3Z_0})& Z\&GreaterEqual;3Z_0\end{array}\right.$

式中，P_HF为线路距离保护隐藏故障的发生概率，Z为保护装置的测量阻抗，P_L为常数，Z₀为线路距离保护整定值。

过电流保护的隐藏故障发生概率与线路电流的大小有关。线路电流大于过电流保护的整定值时隐藏故障概率为常数，而线路电流，在0.1倍整定值至整定值的范围内时隐藏故障概率线性变化，在线路电流小于0.1倍整定值时隐藏故障概率为0，即：

$P_{HI}=\left\{\begin{array}{cc}{P}_I& I>I_0\\ P_I\frac{i-0.1I_0}{0.9I_0}& 0.1I_0\&le;I\&le;I_0\\ 0& I<0.1I_0\end{array}\right.$

式中，P_HI为过电流保护的隐藏故障发生概率，P_I为常数，I₀为过电流保护的整定值。

失效隐藏故障发生概率包括由于继电保护定值设定不合理从而导致的故障，具体的为

$P_r=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&lambda;}+\mathrm{\&mu;}}$

式中，P_r为失效隐藏故障发生概率，λ为失效率，μ为修复率。

老化隐藏故障发生概率是由于器件的长期使用产生的损耗，从而可能发生老化故障，具体的为

$P_f=\frac{{\&Integral;}_T^{T+t}f\left(t\right)dt}{{\&Integral;}_T^{\mathrm{\&infin;}}f\left(t\right)dt}$

式中，P_f为老化隐藏故障发生的概率，T为器件已使用的年限，f(t)为故障的概率密度函数，通过历史数据的统计分析获得。

环境隐藏故障发生概率是指由于环境因素引发的故障的发生的概率，如风、水、雷电、覆冰、污秽等，具体的为

P_X＝Ae^Bx+C

式中，A、B、C为常数，x为天气条件综合函数

$x=\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&alpha;}}_i{\mathrm{\&epsiv;}}_i/\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&alpha;}}_i$

式中，α_i为严重性系数，ε_i为在第i类灾害下的故障发生概率，通过历史数据的统计分析获得。

${\mathrm{\&alpha;}}_i=\frac{F_i}{P_i}$

式中，F_i为第i类灾害环境下出现故障占总故障次数的比例，P_i为第i类灾害环境出现的概率。

对于多种故障发生的情况，通过风险指标来表征故障的风险程度与系统的可靠性程度

系统的风险指标为事故发生的概率与事故产生的后果即严重度的乘积，表达式如下：

R＝P_event×I_event

式中：R为风险，P_event为事故的概率，I_event为事故的后果。

通过对于线路风险区域发生的故障概率的分析，从而明确线路中通常情况下的发生概率的可能性，并进一步地分析隐藏故障发生的概率，以及通过风险指标来整体性地考虑系统发生故障的可能性以及带来的故障影响，从而明确系统中具体的故障产生变量，以通过对故障产生变量的发生概率的分析，从而针对性的调整故障发生概率较高的故障类型，保护系统的稳定性运行，减小系统的故障发生率。

以上所述仅为本发明的优选并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种电力系统继电保护故障分析方法，其特征在于，所述分析方法包括分析风险区域发生故障的概率，隐藏故障发生的概率以及风险评估。

2.如权利要求1所述的电力系统继电保护故障分析方法，其特征在于，风险区域内发生故障的概率为：

P_e＝P(n)P(m)

式中，P(m)为线路发生故障的概率；P(n)为故障落入风险区域的概率。

3.如权利要求2所述的电力系统继电保护故障分析方法，其特征在于，线路发生故障的概率P(m)为

$\begin{array}{cc}P\left(m\right)={\mathrm{\&lambda;}}_i\&times;e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_i}& ({\mathrm{\&lambda;}}_i>O)\end{array}$

式中，λ_i为线路i发生故障的概率。

4.如权利要求3所述的电力系统继电保护故障分析方法，其特征在于，故障在线路i上出现的密度分布函数为

f(l)＝1/L_i 0＜l＜L_i

L_i为线路i的长度，l为线路的长度变量

故障出现在线路i的风险区域A_i的概率为

$P\left(A_i\right)=\underset{A_i}{\&Integral;}f\left(l\right)dl=l_{A_i}/L_i$

式中，P(A_i)为线路i的故障落在风险区域的概率，为线路i上风险区域的长度

得出线路i的风险区域故障的概率

$P\left(f_{Ai}\right)=P\left(m\right)P\left(A_i\right)={\mathrm{\&lambda;}}_i\&times;e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_i}\&times;l_{A_i}/L_i$

多条线路的多个风险区域故障的概率P(n)为

$P\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}P\left(f_{Ai}\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}({\mathrm{\&lambda;}}_i\&times;e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_i}\&times;l_{A_i}/L_i)$

式中P(n)为故障落入风险区域的概率，M为风险区域的数量。

5.如权利要求4所述的电力系统继电保护故障分析方法，其特征在于，隐藏故障概率分为保护装置隐藏故障发生概率、线路距离保护隐藏故障发生概率、过电流保护隐藏故障发生概率、失效隐藏故障发生概率、老化隐藏故障发生概率和环境隐藏故障发生概率，

保护装置隐藏故障发生概率为：

当线路i发生故障的次数为N_i时，风险区域发生故障的次数n_i为

$n_i=N_i\&times;P\left(A_i\right)=\frac{N_i{l}_{A_i}}{L_i}$

保护装置j非选择性误动的次数为q_j，则保护装置j隐藏故障发生的概率为

$P\left(f_i\right)=\frac{q_j}{\underset{i=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}{n}_i}$

式中，P(f_i)为保护装置j的隐藏故障发生概率，

线路距离保护隐藏故障与保护装置的测量阻抗相关，当测量阻抗小于三倍距离保护的整定值时，线路距离保护隐藏故障概率为常数，当测量阻抗大于三倍距离保护的整定值时，线路距离保护隐藏故障概率按指数变化：即

$P_{HF}=\left\{\begin{array}{cc}{P}_L& Z<3Z_0\\ P_L\exp (-\frac{Z}{3Z_0})& Z\&GreaterEqual;3Z_0\end{array}\right.$

式中，P_HF为线路距离保护隐藏故障的发生概率，Z为保护装置的测量阻抗，P_L为常数，Z₀为线路距离保护整定值，

过电流保护的隐藏故障发生概率为线路电流大于过电流保护的整定值时隐藏故障概率为常数，而线路电流在0.1倍整定值至整定值的范围内时隐藏故障概率线性变化，在线路电流小于0.1倍整定值时隐藏故障概率为0，即：

$P_{HI}=\left\{\begin{array}{cc}{P}_I& I>I_0\\ P_I\frac{I-0.1I_0}{0.9I_0}& 0.1I_0\&le;I\&le;I_0\\ 0& I<0.1I_0\end{array}\right.$

式中，P_HI为过电流保护的隐藏故障发生概率，P_I为常数，I₀为过电流保护的整定值，

失效隐藏故障发生概率为

$P_r=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&lambda;}+\mathrm{\&mu;}}$

式中，P_r为失效隐藏故障发生概率，λ为失效率，μ为修复率，

老化隐藏故障发生概率为

$P_f=\frac{{\&Integral;}_T^{T+t}f\left(t\right)dt}{{\&Integral;}_T^{\mathrm{\&infin;}}f\left(t\right)dt}$

式中，P_f为老化隐藏故障发生的概率，T为器件已使用的年限，f(t)为故障的概率密度函数，通过历史数据的统计分析获得，

环境隐藏故障发生概率为

P_X＝Ae^Bx+C

式中，A、B、C为常数，x为天气条件综合函数

$x=\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&alpha;}}_i{\mathrm{\&epsiv;}}_i/\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&alpha;}}_i$

式中，α_i为严重性系数，ε_i为在第i类灾害下的故障发生概率，通过历史数据的统计分析获得，

${\mathrm{\&alpha;}}_i=\frac{F_i}{P_i}$

式中，F_i为第i类灾害环境下出现故障占总故障次数的比例，P_i为第i类灾害环境出现的概率。

6.如权利要求5所述的电力系统继电保护故障分析方法，其特征在于，系统的风险指标为事故发生的概率与事故产生的后果即严重度的乘积，表达式如下：

R＝P_event×I_event

式中：R为风险，P_event为事故的概率，I_event为事故的后果。