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详细的系统变电站

2、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， 保护系统的隐性故障降低了系统可靠性水

3、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

4、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

5、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。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

6、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

7、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

8、（ CB1 CB6）和四个输入 / 输出传输线 （L1 L4）。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 （ CB1 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

9、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 ）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

10、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

11、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。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隐藏故障的概率模型。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隐性故障模型，其具体描述如下。CBTM的独立隐性故障每个 CBTM都可以在正常状态和故障

12、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，x 和 x 分别代表每个 CBTM的故障率和修复率。每个 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px（ t）和 qx（ t），此外，每个CBTM 的正常和故障状态的概率满足以下条件：并且， Ax 是一个关于CBTM x 的传递强度的矩阵，即：CBTM 的正常状态初始值设为1，隐性故障状态初始

13、值设为0。总结以上的各微分方程，得出了关于每个CBTMx 的正常状态概率和隐性故障状态概率的推导公式：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：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（26 ）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）。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：变电站的状态概率总

14、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：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：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

15、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

16、 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，

17、 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。F、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

18、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。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，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选择。如系统负载损失。 应用 17 来实现临界事故影响分析是最重要，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

19、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。III 、案例研究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24 变电站可靠性测试系统如

20、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。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

21、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。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10-5，即，我们只考虑隐性故障条件概率大于10-5 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

22、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。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 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，

23、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

24、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。V、参考文献1 R. Billintonand W. Li, ReliabilityAssessment ofElectric PowerSystems Using Monte CarloMethods, Plenum Press, 1994.2 D. C. Elizondo and J. De La Ree, A

25、nalysis of Hidden Failures of Protection Schemes in Large Interconnected Power Systems, IEEE Power Engineering Society General Meeting, 2004.3 A. G. Phadke and J. S. Thorp, Expose Hidden Failures to Prevent Cascading Outages, IEEE Computer Application in Power, Vol. 9, No.3, pp.20-23, 1996.4 D. C. E

26、lizondo, J. De La Ree, A. G. Phadke, and S. Horowitz, Hidden Failures in Protection Systems and Their Impact on Wide-Area Disturbance, Power Engineering Society Winter Meeting, Vol. 2, pp.710-714, 2001.5 J. De La Ree, Y. Liu, L. Mili, A. G. Phadke, and L. Dasilva, Catastrophic Failures in Power Syst

27、ems:Causes, Analyses, and Countermeasures, IEEE Proceedings, olV. 93, No. 5, pp.956-964, 2005.6 S. H. Horowitz and A. G. Phadke, Power System Relaying, John Wiley&Sons Inc. 1992.7 S. Tamronglak, Analysis of Power System Disturbance due to Relay Hidden Failures, Ph.D. Dissertation, Virginal Polytechn

28、ic Institute State University, Blacksburg, 1994.8 D. C. Elizondon, Hidden Failures in Protection Systems and its Impact on Wide-Area Disturbances, M.S.E.E. Thesis, Virginal Polytechnic Institute State University, Blacksburg, 2000.9 J. Beaupre, M. Lehoux, P. A. Berger, Advanced MonitoringTechnologies

29、 for Substations, IEEE Conference on Transmission and Distribution Construction, Operation and Live-in Maintenance, pp.287-292, 2000.10 D. Xu, R. He, P. Wang, and T. Xu, Comparison of Several PMU Placement Algorithms for State Estimation, IEE Conference on Developments in Power System Protection, Vo

30、l. 1, pp. 32-35, 2004.11 J. Bertsch, M. Zima, A. Suranyi, C. Carnal, C. Rehtanz, and M. Larsson, Experiences with and Perspectives of the System for Wide Area Monitoring of Power Systems, Quality and Security of Electric Power Delivery Systems Symposium, pp. 5-9, 2003.12F. Yang, A. P. Meliopoulos, G. Cokkinides, G. Stefopoulo