基于残差决策的主网继电保护隐性故障检测
余光海
（广东电网有限责任公司湛江供电局，广东湛江 524002）
残差是指数理统计中拟合值参量与实际观察值之间的物理系数差，蕴含了大量与数学模型相关的假设信息条件，可用于判断模型样本的实际应用价值。在回归模型保持正确的情况下，可将残差常量等同于误差系数的实际观测值[1-2]。从应用角度来看，残差系数的存在必须符合参量假设条件，且随着物理计算量的增大，残差数值始终保持着原有的参量误差性质。根据残差系数所提供的信息，来考察数学模型应用合理性的方法，被称为残差决策。将该方法应用于电力系统的主网继电保护中，对其中隐藏的故障进行检测，具有较好的效果。
对于主网继电保护结构来说，由于电网规模的持续扩张，各级应用设备的层次体系也会逐渐变得更加复杂。在此情况下，主网继电保护结构极易出现较为严重的隐性故障问题。为避免上述情况的发生，传统叠加分析型检测方法通过正序、逆序同步执行的方式，计算突变电子向量的实际操作能力，再根据灵敏性电阻的阻值接入水平，确定隐形故障实时所处位置。然而此方法的检测速率过慢，很难完全适应电网规模的扩张需求。
为解决此问题，提出基于残差决策的主网继电保护隐性故障检测方法。利用主观决策条件，分析小电流接地的稳态形式，再借助DSP 检测主板，确定检测差动量数值的真实性与有效性。实验结果表明，采用所提方法可有效提升隐性故障检测的效果，具有一定的可行性。
主网继电隐性故障分析以故障数据采集作为起始环节，通过生成继电残差值的方式，建立实际主观决策条件，进而实现主网继电隐性故障的检测。
1.1 主网继电隐性故障数据采集
主网继电隐性故障数据包含故障发生时间、故障所处位置、故障类型等多项信息条件，能够为电网继电主机提供检测意见，并根据意见制定维护标准。一方面，实现对电网传输环境的合理构建，另一方面也可避免隐形故障因子的不当传输导致主网继电保护设备出现故障。在残差决策理论支持下，主网继电结构具备极高的复杂度等级，且随着电子传输量的不断增大，待采集的故障数据总量也会逐渐增多，最终甚至会完全超过继电主机所具备的数据承载条件[3-4]。在此情况下，为获得更为准确的主网继电隐性故障数据采集结果，应同时预设隐形故障行为的检测类型，并根据该行为在既定检测节点处的传输速率水平，确定已采集数据信息的实际应用价值。
设β代表隐形故障的检测类型系数，λ代表既定检测节点处的故障数据传输速率，联立上述物理量，可将主网继电保护隐性故障数据采集结果表示为：
其中，U代表电网继电装置两端的负载电压数值，I代表电网环境中的传输电流值，代表既定的电子量特征。
1.2 继电残差值生成
继电残差值描述了供电网隐形故障行为的实际发生几率，由于主网继电隐性故障数据采集结果的不确定性，继电残差值的存在形式也并不能保持完全稳定的状态。因此，为得到有效的隐性故障检测结果，应在现有传输电子量条件的基础上，分别计算电压差降、电流差量的具体数值水平，再根据数值参量所属的数值区间，对最终检测处理所使用的执行手段进行妥善安排[5-6]。在电网传输环境中，继电残差并不能完全代替稳定的电压差数值，在计算处理方面也会受到较多的限制。一方面，需要准确记录电网环境中的电量传输情况，另一方面，也需要根据电量指标所处传输位置对其应用能力进行重新检测[7]。
设q0代表最小的电子量差系数，qn代表最大的电子量差系数，n代表传输电子量的位置信息，在上述物理量的支持下，联立式（1），可将继电残差值生成表达式定义为：
式中，h1代表第一个主网电子量故障特征系数，hn代表第n个主网电子量故障特征系数，代表h1与hn的平均值。
1.3 主观决策条件
主观决策能够影响电子量在主网环境中的传输能力，受到继电行为的影响，主网继电隐性故障行为的发生几率也会随之增大。在此情况下，若不能对已发生故障行为进行有效检测，不但会导致继电主网陷入绝对混乱的应用环境，也会在一定程度上导致电量击穿等现象出现。不同于传统的残差决策思想，主观决策更注重对主网继电能力的保护，在维护电量主机所具备故障检测能力的同时，提升检测节点处的电量传输能力，从而使得各类型的隐形故障信息得到准确剔除[8-9]。
设代表主网环境中的电子量参数系数，代表隐形故障信息的下限检测条件，代表隐形故障信息的上限检测条件，联立上述物理量，可将主网继电保护的主观决策条件定义为：
其中，μ代表继电主网中的电量混乱系数，代表隐形故障信息在单位时间内的检测均值量。
在上述分析基础上，根据残差决策思想，按照DSP 检测主板连接、小电流接地稳态分析、检测差动量计算的处理流程，实现基于残差决策的主网继电保护隐性故障检测。
2.1 DSP检测主板
DSP 检测主板左侧包含多个连接串口，可将核心DSP 元件中的主网继电隐性故障数据传输至其他检测应用设备中，并可借助AD、MMI、HST31A 三个完全不同的芯片，对主电网环境中传输电子量进行平均处理，从而使主网继电隐性故障数据得到充分处理，实现对主网继电能力的有效保护[10-11]。
AD 芯片负责记录隐性故障数据的实际传输需求，并可将已生成的信息记录反馈至下级应用元件，以供电网主机的直接调取与应用。MMI 芯片则负责与核心DSP元件建立连接，在向上反馈隐性故障数据的同时，向下疏导已存储的故障信息[12-13]。HST31A芯片则可提供较强的继电保障能力，在整个主网环境中，可时刻维护正常电子量的稳定传输行为。
2.2 小电流接地稳态分析
小电流接地稳态是一种阶段性的稳态关系，能够说明主网继电能力在阶段性时间内的变化特点，但并不能深入描述主网继电隐性故障信息的传输能力。基于残差决策思想，主网继电能力受到DSP 检测主板等多个电量结构体的直接保护，且出于应用安全性考虑，这些元件的工作能力必须具备长时间维持稳态的能力，这也是主网继电功能并不会受到隐形故障行为强烈影响的主要原因[14]。在不考虑其他干扰条件的情况下，小电流接地稳态分析结果受到电量残差边界系数、差异化故障行为指标两项物理量的直接影响。
规定由cmin、cmax限定的数字空间能够将所有电子量数据囊括在内，设电量残差边界系数为，差异化故障行为指标为f，联立式（3），可将小电流接地稳态分析条件表示为：
其中，ε表示特征稳态权限量，表示特定情况下的隐形故障行为量化均值。
2.3 差动量检测
检测差动量描述了主网继电隐性故障行为在主网继电环境中的电子保护能力，随着小电流接地形态逐渐趋于稳定，差动量的数值水平也会开始呈现缓慢波动的状态，从而使残差决策制度能够对主网继电设备的运行能力进行提升。在不考虑其他干扰条件的情况下，检测差动量指标同时受到残差系数项、隐形故障检测指标两项物理量的影响[15-16]。
残差系数项可表示为ω，隐形故障检测指标可表示为?，在主网供应环境中，继电量指标所具备的传输能力越强，主网继电隐性故障行为的表现能力也就越强。在此情况下，为获得更为准确的故障检测结果，应注重对电子量系数的提取，并需要以此为基础，实现对继电行为的保障与维护。在上述物理量的支持下，联立式（4），可将检测差动量计算结果表示为：
式中，B1代表第一个继电行为故障指标，Bn代表第n个继电行为故障指标。
至此，实现各项物理系数指标的计算与处理，在残差决策思想的支持下，完成主网继电保护隐性故障检测方法的设计。
3.1 实验环境
为验证所提方法的有效性，进行实验分析。分别将实验组设备主机、对照组设备主机与图1 所示的主网继电装置相连。其中，实验组设备主机搭载基于残差决策的主网继电保护隐性故障检测算法，对照组设备主机搭载传统叠加分析型检测方法。当各项实验数值完全趋于稳定后，记录相关指标参量的具体变化情况。
图1 主网继电装置
3.2 实验结果分析
EDM 指标反映了继电主机对于隐性故障行为的实际检测速率，通常情况下，EDM 指标数值越大，继电主机对于隐性故障行为的实际检测速率也就越快。实验结果如表1 所示。
表1 EDM指标数值
分析表1 中的实验数据可知，实验组EDM 指标保持先上升、再稳定、最后下降的数值变化趋势，且实验前期的数值上升幅度明显大于实验后期的数值下降幅度。对照组EDM 指标则在一段时间的数值上升状态后，开始逐渐趋于稳定。从极限值角度来看，实验组最大值75.9%，与对照组最大值36.0%相比，上升了39.9%。综上可知，应用基于残差决策的主网继电保护隐性故障检测方法后，EDM 指标数值水平得到了有效促进，可实现继电主机对于隐性故障行为的快速检测。
RBS 系数描述了隐性故障行为对于继电主机的攻击影响强度，在主网供电能力保持稳定的情况下，RBS 系数值越大，隐性故障行为对于继电主机的攻击影响强度越高，得到的实验结果如表2 所示。
表2 RBS指标数值
分析表2 可知，实验组RBS 指标在一段时间的数值稳定状态后，开始呈现下降、上升交替出现的数值变化趋势。对照组RBS 指标在数值连续上升后，开始呈现小幅稳定状态，最后又进入相对稳定的数值波动状态。从极限值角度来看，实验组最大值为44.2%，与对照组最大值68.7%相比，下降了24.5%。综上可知，应用基于残差决策的主网继电保护隐性故障检测方法后，RBS 指标数值水平得到有效控制，可避免隐性故障行为对继电主机进行高强度攻击。
在残差决策的影响下，主网继电保护隐性故障检测方法中，通过采集故障数据的方式，生成大量继电残差值，再借助主观决策条件，分析小电流接地的稳态形式，由于DSP 主板的存在，检测差动量数值结果也更加符合实际应用需求。从实用性角度来看，EDM 指标数值的增大、RBS 指标数值的减小，可提升隐性故障实际检测速率，避免隐性故障对继电主机的影响。
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