特殊故障或复杂场景保护方案研究

一、引言

在电力系统运行中，除短路、过载等典型故障外，电弧故障、电缆绝缘老化等隐蔽性故障因其特殊性成为威胁电网安全的 “隐形杀手”。电弧故障由空气电离形成，故障电流小且波形畸变严重，传统过流保护难以识别；电缆绝缘老化是一个渐进过程，初期仅表现为局部介损增大，常规绝缘测试难以发现，最终可能引发接地或短路故障。

据国家电网公司统计，2023 年因隐蔽性故障导致的停电事故占总数的 23% ，其中电弧故障引发的配电线路火灾占比 18% ，电缆绝缘老化导致的变电站事故占比 27% 。这些故障的检测与保护已成为继电保护行业的重要研究方向。

多目标优化技术可在保证检测灵敏度的同时，兼顾保护可靠性与经济性，为解决隐蔽性故障的保护难题提供新思路。本文立足电力行业实践，探索基于多目标优化的特殊故障保护方案，为提升电力系统安全运行水平提供支撑。

二、隐蔽性故障的特征与保护难点

2.1 电弧故障的特征与难点

电弧故障分为串联电弧与并联电弧，在低压配电系统中尤为常见。其特征包括：

• 电流特征复杂：故障电流幅值通常为额定电流的 0.5-1.5 倍，波形包含大量高频谐波（2-10kHz），且具有随机性、间歇性。

• 易受干扰：荧光灯启动、电机换向等正常操作会产生类似电弧的电流畸变，导致保护误动。

保护难点主要体现在：传统过流保护定值难以覆盖小电流电弧，而单纯依赖谐波检测易受干扰，灵敏度与选择性难以平衡。某住宅小区因电弧故障未被及时检测，引发线路烧毁，造成 3 小时停电。

2.2 电缆绝缘老化的特征与难点

电缆绝缘老化是长期电应力、热应力、机械应力作用的结果，特征表现为：

• 渐进性：绝缘电阻从数百兆欧逐步降至数兆欧，局部放电量从 10pC 以下增至 100pC 以上，过程可持续数年。

• 隐蔽性：初期无明显外部特征，仅在潮湿环境或过电压下表现为泄漏电流增大，常规预防性试验（如摇表测试）难以发现早期老化。

保护难点在于：缺乏实时监测手段，传统保护仅能在绝缘击穿后动作，无法实现早期预警，某工业园区因电缆绝缘老化未及时处理，导致突发接地故障，影响 2 条生产线供电。

三、基于多目标优化的保护方案设计

3.1 多目标函数构建

针对隐蔽性故障的保护需求，构建包含以下目标的多目标函数：

3.1.1 检测精度目标

以故障识别准确率最大化为目标，考虑特征量提取的完整性，函数表达式为：max f₁=(TP+TN) / (T ΔP_Δ+ΔTN+ΔFP+ΔFN) )

其中，TP 为真阳性（正确检测故障），TN 为真阴性（正确识别正常状态），FP 为假阳性（误判正常为故障），FN 为假阴性（漏判故障）。

3.1.2 响应速度目标

以故障检测与动作时间最小化为目标，表达式为：

min

其中，t_d 为故障检测时间（要求 ⩽100ms ），t_a 为保护动作时间（要求⩽50ms ）。

3.1.3 经济性目标

以保护系统的全生命周期成本最小化为目标，考虑设备投资、运维费用，表达式为：

min

其中，C_eq 为保护设备购置成本，C_op 为年度运维费用。

3.2 特殊故障检测技术

3.2.1 电弧故障检测

采用 “高频谐波 + 波形畸变率” 双重特征识别：

• 提取故障电流中的 2-10kHz 高频分量，通过小波变换分解得到特征频段能量占比，当占比超过 15% 时触发初步判断。

• 计算电流波形畸变率 THD，当 THD>8% 且伴随高频分量超标时，确认电弧故障。

• 结合多目标优化算法动态调整特征阈值，在工业干扰场景下提高阈值（如THD >12% ），在居民配电场景下降低阈值（如 THD>6% ）。

3.2.2 电缆绝缘老化检测

采用 “介损监测 + 局部放电” 联合监测：

• 在线监测电缆绝缘的介损角正切值（tanδ），当 tanδ 从初始值增大 20% 时发出预警。

• 通过内置传感器采集局部放电信号，采用超声波与特高频联合检测，当放电量超过 50pC 且持续增长时，启动保护措施。

• 基于多目标优化算法，根据电缆运行年限、负荷率动态调整预警阈值，如运行 10 年以上的电缆将预警阈值降低 10% 。

3.3 保护参数优化方法

采用改进粒子群优化算法（PSO）求解多目标函数，步骤如下：

1.初始化粒子群（保护参数组合），粒子维度包括电弧检测阈值、绝缘预警阈值、动作时限等。

2.计算各粒子的适应度值（f₁、f₂、f₃），引入拥挤距离排序筛选非劣解。

3.迭代更新粒子位置与速度，将全局最优解与局部最优解结合，避免陷入局部最优。

4.从优化结果中选取兼顾检测精度与经济性的方案，如某方案使电弧故障检测准确率达 96% ，设备投资增加控制在 15% 以内。

四、案例应用

某工业园区 10kV 配电系统包含电缆线路 15km ，连接车间配电房 8 座，存在电弧故障频发、部分电缆绝缘老化的问题。应用本文保护方案后：

• 电弧故障检测方面：采用双重特征识别与参数优化，检测准确率从传统方案的 82% 提升至 95% ，误动率从 8% 降至 2% ，成功避免 3 次因电机启动干扰导致的误跳闸。

• 电缆绝缘老化方面：通过在线监测与动态预警，提前 6 个月发现 2 条电缆的绝缘老化趋势，及时安排更换，避免突发故障，减少停电损失约 50 万元。

• 经济性方面：保护系统年度运维费用控制在 8 万元以内，较传统定期检测方案节省成本 30% 。

案例表明，基于多目标优化的保护方案能有效解决特殊故障及复杂场景下的保护难题，兼顾灵敏度、可靠性与经济性。

五、结论

电力系统中的隐蔽性故障因具有潜伏性强、特征微弱等特点，传统基于固定定值的保护策略难以精准捕捉。因此，需突破传统保护的定值思维，构建多目标优化模型，通过粒子群算法、遗传算法等智能优化算法，在检测精度、响应速度与经济性之间寻求最佳平衡点。以电弧故障为例，其产生的非正弦电流波形包含丰富的高次谐波与间谐波成分，电缆绝缘老化则呈现局部放电量逐渐增大、介质损耗角正切值缓慢上升的渐进性特征。采用特征融合检测技术，将时域波形、频域频谱、时频域图谱等多维度数据进行深度融合，结合参数动态优化技术，利用自适应卡尔曼滤波、神经网络在线学习算法实时更新保护参数，可有效提升保护装置对隐蔽性故障的识别能力与响应速度。

未来，随着光纤传感技术在电力系统中的深入应用，分布式光纤测温、测应变等技术能够实现对电缆、变压器等设备状态的实时、长距离监测，获取设备运行的精细化物理参数。同时，人工智能技术的发展为特殊故障保护注入新动能，基于深度学习的故障诊断模型，通过海量历史数据训练，能够快速识别复杂故障模式。特殊故障保护将向 “分布式监测 + 智能决策” 方向发展，构建全域感知、边缘计算、云端决策的协同防护体系，进一步提升电力系统在复杂场景下的安全运行水平。

参考文献：

[1] 贺家李，宋从矩。电力系统继电保护原理（第 5 版）[M]. 北京：中国电力出版社，2019.

[2] 杨奇逊，黄少锋。微型机继电保护基础（第 4 版）[M]. 北京：中国电力出版社，2020.

[3] 李忠诚，王增平。电弧故障检测技术研究综述 [J]. 电力系统保护与控制，2022, 50 (7): 183-192.

[4] 张保会，尹项根。电力系统继电保护 [M]. 北京：清华大学出版社，2021.

[5] 国家能源局。电力电缆线路运行规程 [Z]. 2020.