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【摘要】由继电保护隐性故障引发的电力系统连锁故障会对电力系统产生极大的危害。通过对继电保护隐性故障发生的影响因素进行分析，评价隐性故障的重要性，并讨论隐性故障下的电力系统连锁故障，对其进行风险评估，找出系统薄弱环节，有助于对隐性故障采取相应的预防措施，降低隐性故障发生的概率，达到防止电力系统连锁故障发生或降低连锁故障发生概率的目的。
【关键词】继电保护；隐性故障；电力系统；连锁故障
近年来，电力系统的现代化发展使电力系统的复杂程度增加，而同时电力系统发生严重的连锁故障的次数也随之有增多的趋势。电力系统的连锁故障是指，由电力系统中某一故障导致一系列故障的发生，故障发生连锁式地蔓延，导致大规模的事故。这种连锁故障有些是由于继电保护隐性故障引起的，危害极大，因此研究继电保护下的电力系统连锁故障，对预防连锁故障的发生具有重要的意义。
1.继电保护的隐性故障
继电保护的隐性故障在继电保护系统正常运行时没有影响，但当系统发生某些变化时，会触发这种故障，而且会引发一系列的故障。由此可见继电保护的隐性故障在正常运行状态下是不会被发现的，因此故障一旦发生时，继电保护将故障切除后，可能会导致隐性故障的继电保护系统误动。由继电保护的隐性故障引起的误动可能会造成连锁故障，引起大范围的事故。
1.1 继电保护隐性故障概率模型
常用的继电保护隐性故障概率模型有三种：输电线路三段距离保护隐性故障概率模型、阶段式电流保护的隐性故障概率模型、线路潮流越限的隐性故障概率模型。
对于考虑输电线路三段距离保护隐性故障概率模型，隐性故障的概率与继电保护的测量阻抗有关。当测量阻抗小于三倍距离保护中第三段的整定值时，隐性故障存在的概率为一个常数，而当测量阻抗大于三倍距离保护中第三段的整定值时，隐性故障存在的概率会以指数规律迅速降低。考虑输电线路三短距离保护隐性故障特征及概率模型如图1所示。
对于考虑阶段式电流保护的隐性故障概率模型，隐性故障概率与线路电流的大小有关。当线路电流大于保护第三段的整定值时，隐性故障存在的概率为一个常数 ，而当线路电流在大于0.1倍的第三段保护整定值小于第三段保护整定值时，隐性故障存在的概率以直线规律迅速下降直至概率为零，当线路电流小于0.1倍的第三段保护整定值时，隐性故障概率为零。阶段式电流保护的隐性故障特征与概率模型如图2所示。
对于考虑线路潮流越限的隐性故障概率模型，当有功潮流小于潮流限值时，隐性故障的概率可以按不同因素分为几个方面，即可修复的隐性故障、老化隐性故障、恶劣气候条件造成的隐性故障等。首先，可修复隐性故障是由继电保护定值不合理等原因造成的，这些原因是可修复的，因此这些隐性故障是可修复的。其次，老化隐性故障是当设备元件耗损到一定程度时，可能会突然发生因老化引起的故障，这些隐性故障是不可修复的。再次，对电力系统来说，恶劣环境是指大风、大雨、大雪天气或者暴风雪、洪水等灾害发生的情况，对于这类隐性故障的概率很难给出模型，恶劣环境因素一般会导致其它隐性故障发生的概率增加。而且，在以上因素的基础上，操作或维护不当也有可能导致继电保护发生误动，因此这类因素也可以归结为继电保护的隐性故障。综合以上因素，可以得出考虑潮流越限的隐性故障特征及模型如图3所示。
1.2 继电保护隐性故障重要性评价
不同的隐性故障危害性不同，对继电保护及整个电力系统来说，重要性也有所不同。因此一般用脆弱性区域和隐性故障的严重性来描述隐性故障的重要性。继电保护隐性故障对电力系统的危害程度与隐性故障的位置有密切的关联，这种故障所处的区域即为隐性故障的脆弱性区域。脆弱性区域考虑的是概率问题，因而还需要考虑隐性故障的严重性，然后对这些隐性故障进行优先等级分析，并且用脆弱性指数来表示隐性故障的严重性。将脆弱性区域与脆弱性指数综合起来进行分析，可以得出对继电保护隐性故障的重要性评价，对不同重要性的隐性故障采取不同的措施。进而分析在继电保护隐性故障下的整个电力系统的连锁故障。
2.在隐性故障下的连锁故障及风险评估
OPA模型及CASCADE模型是重要的连锁故障模型，OPA模型采用标准线性规划，对发电机功率的调度问题进行求解，达到使价值函数最小化的目标。OPA模型要求系统运行应满足的约束条件是：以实现功率平衡与负荷节点不注入功率为基础，确保发电机输出功率小于极限值，同时线路潮流也应小于极限值。在这种情况下，系统会以一定的概率，产生连锁故障。
在对继电保护隐性故障下的电力系统连锁故障进行分析时，我们着重讨论隐性故障下的连锁故障模型。考虑隐性故障的连锁故障模型采用的是直流潮流法，并同时对隐性故障模型进行改进，考虑继电保护在初次不受保护后误动概率为零的情况下重合闸不启动来寻找系统中的薄弱环节。目前，风险指标可以通过仿真获得，首先指定初始故障线路，然后对连锁故障进行仿真，从而得到与初始故障相对应的风险指标，再比较仿真结果，从中找出导致最大风险的装置，即系统的薄弱环节。连锁故障的仿真模拟可以参照如下的Monte Carlo仿真流程图（图4）。
应用以上方法进行仿真时应注意以下几点：首先，应假设所有故障都为三相短路故障，这样计算虽然结果可能比较保守，但更容易触发相邻路段的隐性故障，便于较快速地找到薄弱环节。其次，因为使线路发生故障的目的在于触发隐性故障，所以可以不必考虑本线路发生保护拒动的情况。最后，可以用重要性抽样对仿真结果进行计算，加快计算速度。
根据对隐性故障下的连锁故障进行风险评估的结果，工作人员可以确定系统的脆弱程度，及时采取相应的措施预防故障发生。其中，通过将继电保护装置更换为更为高性能的高安全性的装置，是降低连锁故障风险的有效方法，但这种方法需要一定的投资，不一定适用于所有的电网系统，因此在资金不充足的情况下，可以通过以上方法找到系统中最薄弱的、风险最大的装置进行更换。
3.总结
以上对继电保护隐性故障及隐性故障引发的电力系统连锁故障的分析，旨在增强继电保护的保护可靠性，增强电力系统运行的安全性。而在今后的实际工作中，应将电力系统的发展考虑在内，电力系统的数字化、智能化发展，势必对继电保护提出更高的要求，继电保护的隐性故障也必然会具有新特点。例如，电力系统数字化发展使得继电保护系统增加相应的电子装置和网络设备，这些设备和技术有助于实时监测系统异常，减少常规的隐性故障发生，但同时在数字系统和软件的使用过程中，也会存在隐性故障，值得引起重视。另外，随着电力系统向着智能化的方向发展，电力系统的运行方式处于不断变化之中。但我们知道继电保护定值是预先设定的，不具备对变化的运行状态进行自适应的能力，这也是保护定值引起的隐性故障增加的原因。在采用智能技术在保护系统中增加对保护定值监测的元件时，会使系统进一步复杂化，也会使继电保护隐性故障具备新的特点。因此，应结合实际情况对继电保护隐性故障及电力系统连锁故障进行更深入的分析，从而保证电力系统安全运行。
【关键词】继电保护；隐性故障；电力系统；连锁故障
近年来，电力系统的现代化发展使电力系统的复杂程度增加，而同时电力系统发生严重的连锁故障的次数也随之有增多的趋势。电力系统的连锁故障是指，由电力系统中某一故障导致一系列故障的发生，故障发生连锁式地蔓延，导致大规模的事故。这种连锁故障有些是由于继电保护隐性故障引起的，危害极大，因此研究继电保护下的电力系统连锁故障，对预防连锁故障的发生具有重要的意义。
1.继电保护的隐性故障
继电保护的隐性故障在继电保护系统正常运行时没有影响，但当系统发生某些变化时，会触发这种故障，而且会引发一系列的故障。由此可见继电保护的隐性故障在正常运行状态下是不会被发现的，因此故障一旦发生时，继电保护将故障切除后，可能会导致隐性故障的继电保护系统误动。由继电保护的隐性故障引起的误动可能会造成连锁故障，引起大范围的事故。
1.1 继电保护隐性故障概率模型
常用的继电保护隐性故障概率模型有三种：输电线路三段距离保护隐性故障概率模型、阶段式电流保护的隐性故障概率模型、线路潮流越限的隐性故障概率模型。
对于考虑输电线路三段距离保护隐性故障概率模型，隐性故障的概率与继电保护的测量阻抗有关。当测量阻抗小于三倍距离保护中第三段的整定值时，隐性故障存在的概率为一个常数，而当测量阻抗大于三倍距离保护中第三段的整定值时，隐性故障存在的概率会以指数规律迅速降低。考虑输电线路三短距离保护隐性故障特征及概率模型如图1所示。
对于考虑阶段式电流保护的隐性故障概率模型，隐性故障概率与线路电流的大小有关。当线路电流大于保护第三段的整定值时，隐性故障存在的概率为一个常数 ，而当线路电流在大于0.1倍的第三段保护整定值小于第三段保护整定值时，隐性故障存在的概率以直线规律迅速下降直至概率为零，当线路电流小于0.1倍的第三段保护整定值时，隐性故障概率为零。阶段式电流保护的隐性故障特征与概率模型如图2所示。
对于考虑线路潮流越限的隐性故障概率模型，当有功潮流小于潮流限值时，隐性故障的概率可以按不同因素分为几个方面，即可修复的隐性故障、老化隐性故障、恶劣气候条件造成的隐性故障等。首先，可修复隐性故障是由继电保护定值不合理等原因造成的，这些原因是可修复的，因此这些隐性故障是可修复的。其次，老化隐性故障是当设备元件耗损到一定程度时，可能会突然发生因老化引起的故障，这些隐性故障是不可修复的。再次，对电力系统来说，恶劣环境是指大风、大雨、大雪天气或者暴风雪、洪水等灾害发生的情况，对于这类隐性故障的概率很难给出模型，恶劣环境因素一般会导致其它隐性故障发生的概率增加。而且，在以上因素的基础上，操作或维护不当也有可能导致继电保护发生误动，因此这类因素也可以归结为继电保护的隐性故障。综合以上因素，可以得出考虑潮流越限的隐性故障特征及模型如图3所示。
1.2 继电保护隐性故障重要性评价
不同的隐性故障危害性不同，对继电保护及整个电力系统来说，重要性也有所不同。因此一般用脆弱性区域和隐性故障的严重性来描述隐性故障的重要性。继电保护隐性故障对电力系统的危害程度与隐性故障的位置有密切的关联，这种故障所处的区域即为隐性故障的脆弱性区域。脆弱性区域考虑的是概率问题，因而还需要考虑隐性故障的严重性，然后对这些隐性故障进行优先等级分析，并且用脆弱性指数来表示隐性故障的严重性。将脆弱性区域与脆弱性指数综合起来进行分析，可以得出对继电保护隐性故障的重要性评价，对不同重要性的隐性故障采取不同的措施。进而分析在继电保护隐性故障下的整个电力系统的连锁故障。
2.在隐性故障下的连锁故障及风险评估
OPA模型及CASCADE模型是重要的连锁故障模型，OPA模型采用标准线性规划，对发电机功率的调度问题进行求解，达到使价值函数最小化的目标。OPA模型要求系统运行应满足的约束条件是：以实现功率平衡与负荷节点不注入功率为基础，确保发电机输出功率小于极限值，同时线路潮流也应小于极限值。在这种情况下，系统会以一定的概率，产生连锁故障。
在对继电保护隐性故障下的电力系统连锁故障进行分析时，我们着重讨论隐性故障下的连锁故障模型。考虑隐性故障的连锁故障模型采用的是直流潮流法，并同时对隐性故障模型进行改进，考虑继电保护在初次不受保护后误动概率为零的情况下重合闸不启动来寻找系统中的薄弱环节。目前，风险指标可以通过仿真获得，首先指定初始故障线路，然后对连锁故障进行仿真，从而得到与初始故障相对应的风险指标，再比较仿真结果，从中找出导致最大风险的装置，即系统的薄弱环节。连锁故障的仿真模拟可以参照如下的Monte Carlo仿真流程图（图4）。
应用以上方法进行仿真时应注意以下几点：首先，应假设所有故障都为三相短路故障，这样计算虽然结果可能比较保守，但更容易触发相邻路段的隐性故障，便于较快速地找到薄弱环节。其次，因为使线路发生故障的目的在于触发隐性故障，所以可以不必考虑本线路发生保护拒动的情况。最后，可以用重要性抽样对仿真结果进行计算，加快计算速度。
根据对隐性故障下的连锁故障进行风险评估的结果，工作人员可以确定系统的脆弱程度，及时采取相应的措施预防故障发生。其中，通过将继电保护装置更换为更为高性能的高安全性的装置，是降低连锁故障风险的有效方法，但这种方法需要一定的投资，不一定适用于所有的电网系统，因此在资金不充足的情况下，可以通过以上方法找到系统中最薄弱的、风险最大的装置进行更换。
3.总结
以上对继电保护隐性故障及隐性故障引发的电力系统连锁故障的分析，旨在增强继电保护的保护可靠性，增强电力系统运行的安全性。而在今后的实际工作中，应将电力系统的发展考虑在内，电力系统的数字化、智能化发展，势必对继电保护提出更高的要求，继电保护的隐性故障也必然会具有新特点。例如，电力系统数字化发展使得继电保护系统增加相应的电子装置和网络设备，这些设备和技术有助于实时监测系统异常，减少常规的隐性故障发生，但同时在数字系统和软件的使用过程中，也会存在隐性故障，值得引起重视。另外，随着电力系统向着智能化的方向发展，电力系统的运行方式处于不断变化之中。但我们知道继电保护定值是预先设定的，不具备对变化的运行状态进行自适应的能力，这也是保护定值引起的隐性故障增加的原因。在采用智能技术在保护系统中增加对保护定值监测的元件时，会使系统进一步复杂化，也会使继电保护隐性故障具备新的特点。因此，应结合实际情况对继电保护隐性故障及电力系统连锁故障进行更深入的分析，从而保证电力系统安全运行。