大电力系统可靠性中保护系统隐性故障的影响

1、大电力系统可靠性中保护系统隐性故障的影响Fang Yang, StudentMember, IEEE, A. P. Sakis Meliopoulos, Fellow, IEEE, George J.Cokkinides, Member, IEEE, and Q. Binh Dam, StudentMember;IEEE摘要 隐性故障保护系统已作为一个促进电力系统连锁中断的因素。 然而， 在当前的 大电力系统可靠性评估的做法中， 保护系统一般都假定是完美的， 隐型故障保护系统潜在的 影响不考虑。 在本文中， 将对隐性故障保护系统对电力系统可靠性的潜在影响调查。 一个断 路器电力系统网络模型包括

2、详细的系统变电站配置和相关的系统保护方案。保护系统成分， 如传感器、 继电器、 断路器，可能患有隐性故障。 传感器和继电器的隐藏故障可以被高级系 统实时监测和分析技术侦测到。 因此， 这项工作的重点是分析隐性故障断路器。 隐性故障影 响分析表明， 因为完整的电力系统设备有断路器跳闸机制， 所以一些系统初始扰动会导致不 必要的中断。 隐性故障停电造成的突发事件正在进一步评估安全约束的方法， 以获得他们对 系统可靠性的影响。建议的分析过程，展示了24导向断路变电站的可靠性试验系统，这是以 IEEE 24 节点可靠性测试系统为基础开发的，并且，集成到网络模型中指定变电站和保 护系统中。 评价结果表明

3、， 保护系统的隐性故障降低了系统可靠性水平， 因为他们会导致完 好的设备停电，接着干扰原来的系统。关键词 隐性故障、保护系统、 断路器面向变电站模型、 大电力系统可靠性评价、 先 进电力系统的实时监测和分析、安全约束的充分评估。I、介绍在大电力系统的规划和运行中，一个重要的程序是可靠性评估的基础 1 。可靠性评估 在目前的做法中主要包括 N-1 独立的分析和共模设备偶然中断分析， 以及在一些可信情况下 进行的 N - 2 安全分析。 大多数突发事件， 涉及多个组件故障被认为是由系统中的几个独 立成功事件造成的结果， 通常不是可靠性评估程序中产生的。 然而，最近的研究 2 - 4 表明，保护隐藏

4、故障可能导致多个组件系统中断时相互依存， 即最初的组件终端可能会导致 级联跳闸保护系统因为其他组件失灵。 因此， 保护系统故障隐患已确认为电力系统扰动传播 甚至导致系统停电的因素。自保护系统当考虑电力系统可靠性，保护系统隐藏故障的影响， 不考虑大电力系统可靠性评估时的。隐藏故障保护系统的定义为 5 “永久的缺陷，将导致继电器或继电器系统错误 和不适当的删除电路元件（S）作为另一个开关事件直接后果。”换句话说，故障隐患仍然 隐藏在系统正常的情况下， 当系统被干扰时， 如发生故障或过载， 隐性故障暴露将引起不必 要的中断。 存在隐患的防护系统使得预应力系统的情况更加恶化， 并降低了系统的可靠性水

5、平。保护系统由许多部件，如传感器（电流和电压互感器），继电器，断路器，等，有助于 检测和排除故障 6 。这些成分可能存在隐性故障。目前的研究大多数侧重于研究隐性故障 继电器。 比如说， 一些隐性故障模式的机制和后果可能在各种继电器用于传输系统保护发生 7， 8 。另一方面，分析潜在故障，其他保护系统部件，如传感器和电路断路器，并没有得到太多的重视。在电力系统变电站应用各种智能电子设备 （简易爆炸装置）， 如相量测量单元，数字保 护继电器等等，可以实现先进的实时系统监控和分析技术 9 ，可以验证传感器输出和继电 器设置的上线。 然而，这种技术可能不检查断路器的跳闸， 尽管跳闸线圈电路可能会被监控

6、。 隐藏故障的电路断路器跳闸机制可能导致断路器无法打开。因此， 这项工作集中于分析大电力系统可靠性隐性故障断路器跳闸机制的影响。在本文中，大电力系统可靠性评估的框架，即电网安全充分性评估（SCAE方法，是扩大到包括大电力系统可靠性保护系统的潜在故障影响。详细SCAE方法可以在参考文献中发现12-14。它的现实方式包括操作实践和模拟突发事件。在SCAE扩展框架，隐性故障影响分析对每一个电力系统变电站获得隐性故障停机可能出现的突发以及系统初始扰动发生的 条件概率。隐性故障意外事件和其他系统应急的三个主题SCAE方法步骤：（a）应急选择排序，（b）影响分析，及（c）可靠性指标计算。大电力保护系统可靠

7、性的隐性故障对面向 24变电站断路器可靠性测试系统 （RTS）的影响.II、方法本节介绍了一种将在大电力系统可靠性中保护系统隐藏故障的影响考虑在内的假设方 案。A、导向断路变电站自保护系统被认为是在当前的大电力系统可靠性评估程序中最完善的，变电站系统一般简化为总线，不同的传输线路简单地通过总线连接到发电机或服务负载。考虑到保护系统中的隐性故障，我们在这项研究中开发了导向变电站模型15。这种模型通过转换电力系统中的每一个总线给安装有特殊总线（半断路器、环、等等）的变电站提供变电站配置。总线 安排的选择有如下几种常用的程序设计和做法。变电站模型是大电力系统网络模型的一个组成部分，反映了现实生活中存

8、在的变电站配置。图1显示了一个带有半断路器总线安排的导向断路变电站的例子， 其中包括六个断路器（CB CB6和四个输入/输出传输线（L1 L4）。BISAC66CT2 VTL1L4L412iiL3L3CS3RcrecbcnRcrecbcnI tqj1亠丨f cmcr4c -1cBus吕Figure L A breaker-anil-a-half bus arraiigemenl substation model导向断路变电站模型增加了一个新的细节层次的网络模型，在此基础上的保护系统方 案，为各种电源系统组件可以引入网络模型。 例如，图 1 所示的两个保护系统设计实例。保 护系统1和2,分别保护

9、传输线 L1和总线B。这两个保护系统中的主要成分包括电流互感器 (CT1 CT4)电压互感器(VT)，继电器(RI和R2)，断路器(CB CB4和跳闸线圈(TC1 TC4 )。详细的变电站和保护系统模型，使对保护系统对电力系统性能的影响的研究成为可能。 具体来说， 在这项工作中， 对保护系统隐性故障对大电力系统可靠性的影响进行了研 究。B、保护系统隐性故障每一个保护系统可能遭受的隐性故障取决于其内在机制。 一些在保护系统中可能的主要 组成部分的隐性故障，简要分析如下。电流互感器( CT)系统发生故障后， 故障电流会引起电流互感器饱和， 在二次电流互感器电流不再代表初 级电流。电压互感器( IT

10、 )对于一些电压互感器，如耦合电容式电压互感器(CCVT，故障后变压器的输出值可能与实际的初级电压有明显的差别。继电器当系统运行状态发生变化时， 如发生系统过载时， 因为继电器内的落后设置， 可能导致 无法正确的检测系统的状态和跳闸完整的系统组件。断路器在断路器的跳闸机构中的任何故障， 如跳闸线圈的开路或断路器的电路板因为焊接失误 无法分开，将导致断路器的跳闸故障。C、先进的系统监测和分析技术的影响现在，除了传统的 RTU各种智能电子设备(IED)在电力系统变电站中都是可行的， 包括相量测量单元，数字保护继电器，等等。相比之下，传统的SCADA数据太局限，不够准确，延迟较大；从这些IED中获得

11、的实时系统数据拥有更多的余量和准确性。根据IED测量，变电站系统的信息提取功能， 如变电站状态估计和报警处理， 可以显著改善系统性能实时监 测与分析。先进的系统监测和分析功能， 使实施实时验证、 传感器输出与继电器设置的验证成为可能。如果有任何导致输出结果不能反映实际的主系统状态的隐性故障存在于CT或VT中，以IED 测量为基础的变电站状态评估系统可以快速可靠的查出坏数据。此外，根据对系统状态 实时同步测量， 可以建立实时系统模型和验证继电器设置， 避免继电器内的过时设置导致误 操作。因此， IED 应用所带来的先进的系统监测和分析能力可以更精确的检测到存在传感器 和继电器保护系统中的隐性故障

12、。 因此， 在这项工作中， 保护系统隐性故障的考虑被规划到 断路器跳闸机构的隐性故障中。D断路器跳闸机制隐性故障的概率模型(CBTM本节介绍CBTM急藏故障的概率模型。例如，如图1所示的变电站模型，它有六个断路器，与相对应的独立和共模 CBTM急性故障模型，其具体描述如下。CBTM勺独立隐性故障每个CBTM都可以在正常状态和故障状态之间循环。这个过程可以模拟两个状态间的不 断转型的 Markov 过程的概率。我们认为，发生隐性故障的故障率和修复率是独立的。两个 状态的Markov模型的6个CBTM( CBTM1到CBTM6如图2所示，其中，卩x和入x分别代表 每个CBTM勺故障率和修复率。每个

13、CBTM在故障和正常状态间转换的微分方程：其中，Px（t）中含有每个 CBTM x的正常状态和隐性故障的概率（即（t）.(Dpx ( t)禾口 qxCBTM1CBTM2CDCEDCBTM3 CBTM4 CBTM5Figure 2. luo-state Markov models of CBTMsCBTM6此外，每个CBTM的正常和故障状态的概率满足以下条件：Px + q 藍（Z） = 1（？）where 0 px（/） 1 and （） qx （/） h并且，Ax是一个关于CBTM x的传递强度的矩阵，即：(4)0。CBTM的正常状态初始值设为 1隐性故障状态初始值设为总结以上的各微分方程，得

14、出了关于每个CBTM x的正常状态概率和隐性故障状态概率的推导公式：Px(0 = +-exp(-(Ay + 冷必Ar + Ar + PkXA奴 T 一刀龙二 EXP(-(血 +“x)0心+冷 A 1 A.r如果考虑长期的效益，正常状态和隐性故障状态的概率可表示为:Av图1所示的变电站中，6个CBTM间的每种组合的运行状态构成该变电站的每种不同 状态。CBTM状态的组合一共可以有 64（2A6）种不同的状态空间。表 1中显示了一部分状 态空间（状态1到16）。Tabb 1 PaHiM StatB Emuneraticm for th亡 Examplg Eub&tation (States 1 6

15、)#123456791011213141516CBTM1XXXXXXCBTM2XXXXXCBTM3XXX 1CBTM4XXXCBTM5XXXCBTM6XXXX indicates a hidden failure status of the CBTM因为我们认为CBTM的隐性故障时独立的， 每个变电站状态的概率是等于各CBTM状态概率的乘积。例如，表 1中的变电站状态 3，其中CBTM2是隐藏在故障状态，其他都是 在正常状态，这一状态的概率变电站计算如下：卩內）=Pcbtm64)H PcBTMi 仃)归3变电站的状态概率总和是 1,因为全部64种状态时互相排斥的，它们组成了一个必然 事件，即：

16、t阳二12】共模CBTM隐性故障CBTM预防已知的共模故障的独立隐性故障模型，涉及有两个或两个以上的CBTM同时发生隐性故障作为一个单一停运事件的结果。例如，两个或两个以上的跳闸线圈的电源缺失，可以导致多种断路器同时进入隐性故障状态。当考虑如图1所示变电站的CBTM的共模隐性故障时，变电站之间的过渡状态的微分方程，初始条件，及其概率和如下：P.（0） = l 0 0 0t=l其中Ps（ t）是变电站状态概率的行向量，As是变电站过渡强度矩阵。 非对角线矩阵（I，J） As表示从状态i到状态j的故障/修复率，对角线项是所有从当前状态转换到相邻状态的 故障率和修复率的负数和（过渡率在同一行）。过渡

17、矩阵的每一行中的所有元素的总和是零。初始状态假设为表1中的状态1,每一个部件工作在正常状态。微分方程的解即是每个变电 站状态的瞬时概率。E、故障效应分析CBTM中的隐性故障会导致完整设备的跳闸，进而对系统干扰，降低了系统的可靠性。 在本节中，提出一种对隐性故障对每个变电站系统的影响的分析方法，以获取可能的隐性故障来中断任何初始故障。假设的隐藏故障影响分析过程以图1所示的变电站为例子进行说明。我们假设，变电站状态在表1所示的状态3下。在状态3中，断路器跳闸机制2（ CB2） 含有隐性故障，可能导致 CB2打开失败。如图1所示，如果初始故障 F1发生在输电线路 L1上，断路器1和2应该打开来隔离相

18、应的故障线路L1。但是CB2由于其隐蔽故障打开失败，CB2相邻的断路器3（ CB3）将打开，导致完整组件传输线 L2以下的输电线路 L1的 初始故障的中断。L2发生隐性故障中断的条件概率，基于L1线上的初始故障的发生率，因此变电站状态3的计算如公式（7）所示。这种影响分析程序可以使用于其他有可能的初始 故障。如表2所示的结果，包括了初始电路故障，相关的隐藏故障中断，以及相应的条件概率。我们可以看到，在 L1、L2、总线1或总线2的初始故障会导致在变电站状态3下完整的设备的中断，而对其他组件上的初始故障不会造成任何隐性故障中断。对于所列举的变电站，共64种状态，截止概率可以通过隐藏故性影响分析预

19、定义来减少在状态空间中的状态。状态概率小于临界概率将不被认为是由于他们小的发生率导致的。此外，隐藏的故障影响分析程序可以在系统的每一个变电站的状态和所有变电站进行。Table 2 EtTccts Analysis lor Substation Stale 3Initial FaultHidden FailureOutageConditional ProbabilityFault on Bus AN/AN/AFault on LI or Bus 1L2 and Bus 2PmFault on L2 or Bus 2L2 and Bus 1Fault on Bus BN/AN/AFault on

20、L3 or Bus 4N/AN/AFault oil L4 or Bus 5N/AN/AF、对大电力系统可靠性的安全制约的充分评估为了评估安全制约的方法应用于大容量电源系统的可靠性，需要充足评估（SCAE ）由于独立中断、共同模式中断和隐性故障中断造成系统应急情况。本节简要介绍SCAE的方法，有关这种方法的详细信息可以在 12-14找到。SCAE的方法，这是实施的基础上的分析技术，包括三个主要步骤：（a）临界应变选择、（b）影响分析和（c）可靠性指标计算。为了提高在偶然事故中的选择精度和效率及其影响 分析，建立了一个先进的功率流模型，应用了SCAE的方法，即，单相二次潮流（SPQPF）模型16

21、。临界事故选择是用来确定的突发事件可能导致系统的不可靠性，如系统负载损失。应用一种以先进的性能指标为基础的应急排序方法和改进的应急计数方案17 来实现临界事故选择。影响分析是最重要，并且计算苛刻的程序。在SCAE的方法中，对影响分析提出了不同的最佳二次潮流算法（NDOQPF）12，其中一些约束优化问题结合了操作实践，安全约 束，并采取补救措施，制定切实模拟突发情况。 非发散功率流是通过引入虚拟总线驱动设为 零作为解决方案的进展。如果有解，它保证收敛；如果无解，它提供了一个理想的解决方案， 包括切负荷。NDOQPF算法也能够有效地解决 RTO/ ISO的运作模式。这样的 RTO/ ISO运 作程

22、序是制定一个带有投标成本函数的功能和拥塞约束的优化问题。该SCAE框架还包括可靠性指标的计算。可靠性指标计算，确定了一套状态满足特定 的故障准则和转型期概率的基础上从内到外状态的任何状态的过渡率。三种不同类别的可靠性指标，即，概率、频率和持续时间指标，可以计算14。1003城肛822Q CEB90.I IK160 &1/2If :p I4JB1110SWCKBUS240 re90B1U3Q&1/240. m50 F 120 : Fao： RB100.&V260 RB110 B览2O&1/270 : COBFigure 3. Brcaker-onenlcd lliree phiise 24-su

23、bstation reliability tcsi system川、案例研究24变电站可靠性测大电力系统可靠性潜在故障的保障制度影响，表明断路器面向三相试系统如图3所示。面向断路器的三相系统大多是从原来的IEEE24总线的可靠性测试系统（RTS）所制定并在1979年公布18。最初的IEEE24总线转运是单相总线导向系统，已被 用来发展断路器三相模型如下：（a）每个电源线已更换为三相物理模型，约等于原系统的正序参数（b）原系统的每个节点（总线）已取代特定的总线安排（断路器，环和半，等变电 站正序参数上）。总线安排在每个节点和每个断路器的位置，成为网络模型明确的一部分。l igiirc 丄 Hrc

24、akcr-orieiitcd model of substation 10作为一个例子，取代原来的IEEE24总线转运，连接到一个单元和四个电路，180总线与变电站180的半断路器，双断路器混合计划， 如图4所示。整体转换过程从原来的面向总 线系统的断路器系统以取代原来的IEEE24巴士转运站每一个变电站的总线。使整体模型有趣和更逼真，我们选择了不同的安排，如一个半断路器，双断路器，环形总线等。因此，建 议面向断路器可靠性试验系统包括变电站断路器安排和不同的可靠性水平。变电站拓扑总结于表3。Fable 3 Sununars of Substation topologiesBus Anangem

25、entSubstation No,Double-breaker (DDB)70,13(), 220Breaker-ajid-Ei-lvilf (B-l/2)10.2030,9(),100,11(),160.21()Mixed dotiblc-brciiker iind breiikcr-iuid-a-lKill (B-I/2+DDB)140,150,170,180,230Ring*biis (RB)40,50,60.80,120,190,20040基于导向断路器三相系统模型，隐性故障的影响分析在各个变电站的CBTM上得以进行。三种不同的情况下，CBTM故障概率的假设，如表 4所示。请注意，对于

26、每个 CBTM的故障概率在目前的研究中被假设为是相同的。截止条件概率为10A-5，即，我们只考虑隐性故障条件概率大于 10A-5的突发事件，不考虑那些较低条件概率的事件。此外，只有独立 的隐性故障中断关系到影响分析。从变电站180获得的隐性故障影响分析列于表 5。取得的结果，包括初始故障的电路和相应的隐性故障中断。Table 4 Reliability Data for Hidden Failures in CBTM一 - - 一- -， 一 一 - - - _ - - - 一CBTMCase 1Case 2Case 3Failure Probability4,48e-54,48e-44.48

27、e-3rI able 5 SuininarT of effects:nmlysis for Siib*tation 1X0Initial Faulty circuitHidden Failure OutageFault on BUS180-UCl 70-180Fault on C170480 or BUS 180-1UNIT180Fault on Cl8-210A or BUS 180-2Cl 80-210BFault on Cl8-21 OB or BUS 180-3C180-210AFault on BUS180-NUNTT180C180-210ALOAD 180Fault on BUS1

28、80-SCl 70-180Cl80-210BLOAD 180Fault on UNIT 180N/AFault on LOAD180 or BUS180-ZN/ACommon Mode outage of C180- 210AandC180-210BN/A隐性故障中断后，所有变电站得到巩固， 制约条件下电网安全的充分评价方法是适用于评价由独立、共模和隐性故障中断造成的突发事件。如果任何意外事件导致系统失载，其定义是系统故障，这种情况对系统不可靠会有非零贡献。评价结果表明，共有七个意外由独立中断造成，一个偶然事件由共同模式中断造成，七十九事件隐性故障中断造成，导致了系统的不可靠。这些情况列于表6

29、中，但隐性故障造成的中断只列出了一部分。可以看出，系统故障中的大多数意外，因为完整的系统组件的中断后，最初的系统故障， 使预应力系统的情况恶化。系统负荷丢失事件的概率， 频率，和持续时间的可靠性指标的计算情况与隐性故障中断 造成的突发事件无关。 结果显示在表7中。可以看出，隐藏故障保护系统可以降低系统的可 靠性，并且随CBTM的故障概率增加而增加。IV、结论这项工作保护系统隐性故障的大电力系统可靠性的影响进行调查。明确变电站模型集成网络模型，以考虑保护系统的影响。先进的系统监测和分析技术，可以检测到保护系统中传 感器和继电器中的隐性故障， 断路器跳闸机制中的隐性故障导致断路器跳闸故障是在这项工

30、 作中的关键。完整的电源系统的组成部分中断，由于断路器中的隐性故障导致的跳闸，是主要变电站在所有可能的初始系统干扰通过隐藏故障影响分析。由独立的，共模和隐性故障中断造成的突发事件是受安全制约的充足评估，以评估大电力系统可靠性。 所提出的电力系统可靠性评估框架为三相导向断路24变电站系统提供了证明。评价结果表明，对于一个具有系统初始扰动的完整的设备中断来说，保护系统中的隐性故障可以降低系统的可靠性。Table 6 SCAE olTirst Level Contingencies lor 24-Substation System (C: Circuit G: Genwalor)Contingenc

31、yTypeContingency Xo.Outage ComponentIndependent Cotitingencies1C60-1002C150-2403C3O-24O4C160-1705C 20-6()6C2107C 70-80Common ModeContingenciesgCl50-210A, Cl50-210BPart of Hidden FailureConlingcticics8C150-210A, C150-210B9030-9(), C30-24010C20-40.C40-9011050400,010-5012C60-100.C20-6013C 80-100.C 80-9

32、014C60-100,C50-10015C110-14(kC140-16016C160-190?C 160-170170180,0170-18028C30-240,C 150-240Table 7 Comparison of reliability indices w ith and witliout hiddenRciiabiLitvJIndexw/o contingency from HFwith contmgcncics ironi HFCase 1Case 2Case 3ProbabilityL1322c-3L113e-3K138e-31.188e-3Fiequency(/yr)044

33、250.44270.444420.4586Duration (hrs yr)22,4122.4222.4422.68V、参考文献1 R. Billinton and W. Li, Reliability Assessment ofElectric PowerSystems Usi ng Monte CarloMethods, Ple num Press, 1994.2 D. C. Elizondo and J. De La Ree, Analysis of Hidden Failures of Protection Schemes in Large Interconnected Power S

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