利用有限相量測量單元的故障識別與廣域后備保護策略

徐兵，張巖，田方媛，文福拴,2，朱炳銓，徐立中

(1.浙江大學電氣工程學院，杭州市310027；2.文萊科技大學電機與電子工程系，文萊斯里巴加灣 BE1410；3.國網(wǎng)浙江省電力公司，杭州市 310007)

利用有限相量測量單元的故障識別與廣域后備保護策略

徐兵1，張巖1，田方媛1，文福拴1,2，朱炳銓3，徐立中3

(1.浙江大學電氣工程學院，杭州市310027；2.文萊科技大學電機與電子工程系，文萊斯里巴加灣 BE1410；3.國網(wǎng)浙江省電力公司，杭州市 310007)

針對傳統(tǒng)后備保護整定困難、動作延時長、配合關(guān)系復雜等問題，提出了一種利用有限相量測量單元的故障識別與廣域后備保護策略。首先，根據(jù)相量測量單元的安裝位置劃分后備保護區(qū)域；在發(fā)生故障時，利用電氣量信息確定故障設(shè)備所在的后備保護區(qū)域，以期快速縮小可疑故障設(shè)備范圍。其次，提出一種基于解析模型的故障識別方法和廣域后備保護策略。當主保護未能成功切除故障時，這種解析模型可綜合利用主保護動作警報、斷路器動作警報、后備保護啟動信息和功率方向繼電器指向信息，利用禁忌算法(tabu search，TS)求解最優(yōu)故障假說，并通過解析保護和斷路器的動作邏輯判斷拒動裝置。之后，根據(jù)不同的拒動情況提出相應(yīng)的后備保護策略以防止故障擴大。最后，以IEEE 39節(jié)點系統(tǒng)為例，對所提出的方法做了驗證。仿真結(jié)果表明，所提出的方法是可行的，具有較強的容錯能力。

故障診斷；后備保護策略；相量測量單元(PMU)；后備保護區(qū)域(BPZ)；解析模型

0 引 言

現(xiàn)代電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)趨于復雜，后備保護的配置與整定更加困難。大量電力系統(tǒng)運行實踐表明，后備保護的不合理動作是導致事故發(fā)展和擴大的主要原因之一。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)后備保護僅利用本地信息，信息來源比較單一[1-3]，存在配合關(guān)系復雜、動作延時較長、整定困難等問題。在過去的10多年間，隨著廣域測量系統(tǒng)(wide area measurement system，WAMS)的發(fā)展和應(yīng)用，可以對處于電力系統(tǒng)各個位置的設(shè)備進行同步信息采集，為解決后備保護的上述問題提供了新的途徑。

相量測量單元(phasor measurement unit，PMU)是WAMS的基本組成單元，可利用GPS時鐘信號對其測量的節(jié)點電壓、線路電流、功角和頻率等狀態(tài)量實現(xiàn)同步授時，并通過通信系統(tǒng)上傳至調(diào)度中心。PMU具有更新頻率快(可達幾十ms)、量測信息豐富等優(yōu)點，為改善電力系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測[4-5]與狀態(tài)估計[6-8]，實現(xiàn)基于廣域信息的后備保護[9-11]等提供了新的思路和技術(shù)。近年來，在基于WAMS的后備保護方面已有相當多的研究工作報道。文獻[12]利用輸電線路兩端電壓故障分量的測量值與估算值的比值，提出了一種基于電壓分布的廣域后備保護算法。文獻[13]利用分層、分階段的廣域信息，提出了一種基于序分量的集中式廣域后備保護算法。不過，文獻[12]所提出的方法要求全系統(tǒng)母線電壓實時可測；文獻[13]的方法則要求在系統(tǒng)的每條母線上必須配置PMU裝置，且其通信同步性受線路兩端相位差的影響較大。由于目前PMU設(shè)備的造價與維護成本較高，短期內(nèi)無法實現(xiàn)全系統(tǒng)所有母線均配置PMU設(shè)備。因此，從實際情況出發(fā)，研究基于有限PMU布點的廣域后備保護算法[14-15]具有非常重要的理論意義和應(yīng)用價值。

在上述背景下，本文提出一種基于有限PMU的故障識別與廣域后備保護策略。首先，根據(jù)PMU的安裝位置將全系統(tǒng)分成若干個后備保護區(qū)域(backup protection zone，BPZ)。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，利用基于電氣量信息的故障區(qū)域識別判據(jù)確定故障所在的BPZ。若主保護將故障成功切除，則無須啟動后備保護策略；反之，則說明存在主保護或者斷路器拒動的情況，需要執(zhí)行后備保護策略。將故障BPZ內(nèi)部的所有設(shè)備列為可疑故障設(shè)備，基于主保護動作信息、后備保護啟動信息、斷路器跳閘信息和功率方向繼電器指向信息建立故障診斷解析模型，利用禁忌算法 (tabu search，TS)[16]尋求最優(yōu)故障假說，確定拒動的主保護和/或斷路器。最后，根據(jù)主保護和/或斷路器拒動的具體情況，啟動相應(yīng)的后備保護策略，以期快速切除故障，減小故障影響范圍。最后，采用IEEE新英格蘭10機39節(jié)點系統(tǒng)對所提出的方法進行驗證。

1 后備保護策略整體設(shè)計

本文提出的基于有限PMU的故障識別與廣域后備保護策略包括3部分，其整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于有限PMU的故障識別與廣域后備 保護策略整體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of fault identification and wide-area backup protection strategy based on limited PMUs

第1部分：搜索故障所在BPZ。系統(tǒng)發(fā)生故障后，立即收集各個PMU設(shè)備所采集的支路電流信息，并利用故障區(qū)域識別判據(jù)判斷各個BPZ的運行狀況(詳見2.2節(jié))，確定故障所在的BPZ，縮小故障設(shè)備的查找范圍。等待足夠延時使主保護及其出口斷路器完全能夠完成相應(yīng)動作后，再次利用該故障BPZ邊界的PMU上傳的電氣量信息，判斷故障是否成功切除。若該故障已經(jīng)成功切除，則復歸到起始狀態(tài)；否則該BPZ內(nèi)部必然存在拒動的主保護和/或斷路器，繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)策略。

第2部分：識別拒動的保護和/或斷路器。根據(jù)所識別的故障BPZ生成可疑故障設(shè)備集，形成故障假說向量，基于相關(guān)的主保護動作警報、后備保護啟動信號、斷路器跳閘警報以及功率方向繼電器指向信號，建立故障診斷解析模型，并用TS求解并確定故障設(shè)備、拒動的保護或斷路器。

第3部分：出口后備保護指令。根據(jù)保護和/或

斷路器拒動的具體情況，采用所發(fā)展的廣域后備保護策略對相應(yīng)的斷路器發(fā)出跳閘指令，以快速隔離故障，最小化停電范圍。

2 后備保護區(qū)域

現(xiàn)代電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和互聯(lián)趨于復雜，僅利用本地信息的傳統(tǒng)后備保護逐漸無法滿足安全性和速動性要求。本文所提出的基于有限PMU的分區(qū)故障識別與廣域后備保護策略按照PMU在系統(tǒng)中的安裝位置，將整個系統(tǒng)分成若干個后備保護區(qū)域。在故障發(fā)生時刻，能夠利用所建立的故障區(qū)域識別判據(jù)將可疑故障設(shè)備的范圍快速限定在有限的后備保護區(qū)域之內(nèi)。當有保護和/或斷路器拒動時，該判據(jù)還能快速確定發(fā)生拒動的后備保護區(qū)域。

2.1 后備保護區(qū)域的劃分

(1)PMU的配置要求。PMU的發(fā)展為廣域后備保護提供了硬件支持，可以實時測量所在布點的母線電壓和支路電流。考慮到目前尚難以在全系統(tǒng)實現(xiàn)PMU全布點的實際情況，本文假設(shè)每條線路至少有一側(cè)母線配置了PMU，且發(fā)電機出口母線節(jié)點必須配置PMU。若發(fā)電機出口母線節(jié)點上不配置PMU，則會造成個別BPZ內(nèi)部包含1個或多個發(fā)電機，這會影響對故障BPZ的定位。

(2)BPZ的定義。BPZ[14]是根據(jù)系統(tǒng)中PMU的安裝位置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來劃分的，并以配置PMU的母線作為邊界，由線路和母線構(gòu)成的有限區(qū)域。用集合B={b1,b2,…,bnp}來表示局部電力系統(tǒng)中劃分的BPZ，np為該局部系統(tǒng)分成的BPZ數(shù)量。將系統(tǒng)分成若干后備保護區(qū)域能夠簡化所需分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，縮小可疑故障設(shè)備范圍，提高故障設(shè)備及拒動保護和/或斷路器的定位速度。

以圖2所示IEEE 3機9節(jié)點測試系統(tǒng)為例，其中配置PMU的母線為B1、B2、B3、B5、B6和B8。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可用后備保護區(qū)域集合B={b1,b2,b3}表示。

圖2 IEEE 3機9節(jié)點測試系統(tǒng)Fig.2 IEEE 3-unit 9-bus test system

2.2 故障區(qū)域識別判據(jù)

PMU可以實時監(jiān)測測量點的節(jié)點電壓、線路電流和功率等電氣量，并通過其成熟的通訊功能，改善電力系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測和狀態(tài)估計，實現(xiàn)基于廣域信息的后備保護等。所有BPZ都以配置PMU設(shè)備的母線作為邊界，這樣流入任意BPZ的線路電流及其邊界母線電壓均可實時量測，并作為判斷該BPZ運行狀況的數(shù)據(jù)來源。當某一BPZ內(nèi)發(fā)生故障時，連接在該BPZ的線路上流入該區(qū)域的正序電流之和會比故障之前明顯增加。據(jù)此可以在故障發(fā)生時快速確定故障設(shè)備所在的BPZ。規(guī)定電流的正方向為邊界母線指向內(nèi)部線路，如圖3所示。

圖3 發(fā)生故障的BPZFig.3 A faulted BPZ

(1)

(2)

根據(jù)上述原理，建立基于正序電流分量的故障區(qū)域識別判據(jù)，如式(3)所示：

(3)

采用該故障區(qū)域識別判據(jù)可以判斷各個BPZ的運行情況。當后備保護區(qū)域bk內(nèi)發(fā)生故障時，v應(yīng)為1，否則應(yīng)為0。

3 故障診斷解析模型

當確認某故障BPZ內(nèi)存在保護和/或斷路器拒動情況后，可針對此故障BPZ，生成可疑故障設(shè)備集D和故障假說向量H?；谑占降闹鞅Ｗo動作信息、后備保護啟動信息、斷路器跳閘信息以及功率方向繼電器指向信息建立故障診斷解析模型(優(yōu)化模型)。在解析模型中，利用目標函數(shù)E(H)來反映由故障假說推理計算得到的各種信息的期望狀態(tài)與實際狀態(tài)之間的差異程度，并用TS求解[16]；E(H)的值越小，故障假說H越可信。采用TS對解析模型進行求解，在目標函數(shù)達到最優(yōu)值時，確定故障設(shè)備及發(fā)生拒動的保護和/或斷路器。

3.1 故障假說

根據(jù)搜索得到的故障BPZ，獲取該區(qū)域內(nèi)部包含的設(shè)備及其配置的保護和斷路器，并將相關(guān)集合表示為如下形式：

(1){s1，s2，…，sns}是位于該故障BPZ內(nèi)的設(shè)備集合；

(2){r1，r2，…，rnr}是與該故障BPZ有關(guān)的主保護動作以及近后備和遠后備保護啟動信號的集合，其中主保護和近后備保護包括位于該BPZ內(nèi)部的相應(yīng)保護，而遠后備保護則包括該BPZ及其相鄰設(shè)備范圍內(nèi)的相應(yīng)保護；

(3){c1，c2，…，cnc}是位于該故障BPZ內(nèi)的斷路器集合；

(4){d1，d2，…，dnd}是與該故障BPZ相關(guān)的功率方向繼電器集合。

故障假說H描述如下：

H=[S，R，C，D]

(4)

其中：

S=[s1，s2，…，sns]，si=1或0分別表示該故障BPZ內(nèi)第i個設(shè)備處于故障或正常狀態(tài)；

R=[r1，r2，…，rnr]，ri=1表示第i個主保護動作或后備保護啟動，ri=0則相反；

C=[c1，c2，…，cnc]，ci=1表示該故障BPZ內(nèi)第i個斷路器處于分閘狀態(tài)，ci=0則表示其處于合閘狀態(tài)；

D=[d1，d2，…，dnd]，di=1或0分別表示故障發(fā)生在第i個功率方向繼電器的正方向或反方向。

故障假說H包含以下信息：(1)故障BPZ內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)；(2)相關(guān)主保護和后備保護的狀態(tài)；(3)斷路器的狀態(tài)；(4)相關(guān)功率方向繼電器的狀態(tài)。

3.2 目標函數(shù)

故障診斷解析模型的目標函數(shù)可用式(5)—(7)描述：

MinimizeE(H)=E1+E2

(5)

(6)

(7)

式(5)包括差異度指標E1和最小化指標E22部分，下面對這2部分做詳細論述。

(1)差異度指標E1。E1反映保護、斷路器、功率方向繼電器的期望狀態(tài)與實際狀態(tài)之間、實際狀態(tài)與警報狀態(tài)之間的差異程度。包含以下4類信息。

1)拒動：主保護應(yīng)動作但未動作以及后備保護應(yīng)啟動但未啟動，或者斷路器收到跳閘指令但未跳閘；

2)誤動：主保護不應(yīng)動作但動作以及后備保護不應(yīng)啟動但啟動，或者斷路器未收到跳閘指令但跳閘；

3)漏報：主保護動作、后備保護啟動或者斷路器跳閘之后，但未收到其相應(yīng)的警報信息；

4)誤報：主保護未動作、后備保護未啟動或者斷路器未跳閘，但收到其相應(yīng)的警報信息。

αri、βri、γri和δri均為1依次表示主保護ri拒動、誤動、漏報和誤報，或者后備保護ri拒啟動、誤啟動、漏報和誤報；αri、βri、γri和δri均為0時則相反；類似地，用αcj、βcj、γcj和δcj以及αdk、βdk、γdk和δdk分別表示斷路器cj和功率方向繼電器dk的各類差異度。

αri、βri、γri和δri的邏輯計算表達式如式(8)，其中ri。、ri和ri*分別表示保護的警報狀態(tài)、實際狀態(tài)和期望狀態(tài)，⊕表示邏輯加，?表示邏輯乘，-表示邏輯取反。

(8)

同理，αcj、βcj、γcj和δcj以及αdk、βdk、γdk和δdk也可采用類似方法計算。

因此，對于給定的故障假說H，可以通過上述邏輯計算來對主保護、斷路器和功率方向繼電器的動作特性以及后備保護的啟動特性進行評價。

(2)最小化指標E2。電力系統(tǒng)的可靠性一般相當高，這樣單個設(shè)備故障的概率要大于2個甚至多個設(shè)備同時故障的概率。因此，故障設(shè)備最小化指標E2在目標函數(shù)中的作用是：在警報差異度指標一樣的情況下，故障設(shè)備總數(shù)越少，故障假說H的可信度越高。

3.3 期望狀態(tài)的定義

本文所提出的基于有限PMU的故障識別與廣域后備保護策略，產(chǎn)生效用的時間位于主保護及其出口斷路器動作完成之后，在后備保護延時動作之前。因此，與現(xiàn)有的故障診斷解析模型[17-18]不同，這里所構(gòu)造的模型不需要考慮動作延時較長的后備保護的動作信息，而是采用后備保護的啟動信息。針對前述的故障假說H和目標函數(shù)E(H)，下面討論保護、斷路器和功率方向繼電器的期望狀態(tài)。

(1)主保護的期望狀態(tài)。主保護動作邏輯為：如果主保護ri所保護的設(shè)備sk故障，則該主保護應(yīng)動作。主保護ri的期望狀態(tài)可表示為

(9)

(2)后備保護啟動信號的期望狀態(tài)。后備保護的主要作用是為主保護提供備用，在主保護沒能成功跳開斷路器的情況下，動作跳開斷路器以切除故障。其啟動信號的邏輯為：當后備保護ri保護范圍內(nèi)的設(shè)備sk故障時，則該后備保護應(yīng)啟動。用Z(ri)表示位于后備保護ri保護范圍內(nèi)的設(shè)備集合，sk∈Z(ri)。后備保護啟動信號的期望狀態(tài)可以表示為

(10)

(3)斷路器的期望狀態(tài)。斷路器cj的保護ri動作并向該斷路器發(fā)出跳閘命令時，cj應(yīng)該動作。用D(cj)表示出口斷路器cj的保護集合，ri∈D(cj)。斷路器的期望狀態(tài)可以表示為

(11)

(4)功率方向繼電器的期望狀態(tài)。當功率方向繼電器di所在位置的反方向發(fā)生故障，且其指向該故障時，其期望狀態(tài)為0；否則，在di的正方向發(fā)生故障時，di的期望狀態(tài)為1。定義短路功率從母線指向線路為正方向。di的期望狀態(tài)可以表示為

(12)

式中：SForward(di)和SBackward(di)分別為di所在位置正方向和反方向的故障設(shè)備集。

3.4 模型求解

在建立故障診斷解析模型(優(yōu)化模型)之后，可采用TS算法求解。TS算法是一種限制性的局部搜索技術(shù)，適合于解決組合優(yōu)化問題。TS算法的基本概念和流程參見文獻[18]，這里不再贅述。采用TS算法求得最優(yōu)時，即可得到最優(yōu)故障假說，進而確定故障設(shè)備以及拒動的保護和/或斷路器。

4 后備保護策略

前已述及，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)后備保護僅利用本地信息，信息來源比較單一，且存在配合關(guān)系復雜、動作延時較長、整定比較困難等問題。本文所發(fā)展的基于有限PMU的故障識別與廣域后備保護策略可以在主保護未能成功切除故障的情況下，利用基于電氣量信息的故障區(qū)域識別判據(jù)快速定位故障所在的BPZ，并用TS算法求解基于所采集的狀態(tài)量警報信息構(gòu)建的故障診斷解析模型(優(yōu)化模型)，識別故障設(shè)備與拒動的保護和/或斷路器。根據(jù)保護和斷路器拒動的具體情況，發(fā)出相應(yīng)的后備保護指令。對于其中因保護拒動而未能觸發(fā)斷路器跳閘的情形，只需對相應(yīng)的斷路器發(fā)出跳閘指令即可；而對于因斷路器自身因素而引起的拒動，則需對位于該拒動斷路器周邊的斷路器發(fā)出跳閘指令。

基于前述每條線路至少有一端母線配置PMU的假設(shè)，所發(fā)展的廣域后備保護策略可分為3種情況：(1)只含1條線路的BPZ；(2)含單母線的BPZ；(3)含雙母線的BPZ。

4.1 只含1條線路的BPZ

如果某條線路兩側(cè)母線均配置了PMU，該線路和其兩側(cè)的母線便組成了一個最簡單的BPZ，如圖4所示。當線路L1發(fā)生故障時，與該線路相關(guān)的主保護、斷路器和功率方向繼電器將動作，相關(guān)的后備保護將啟動。此時如果出現(xiàn)了主保護未能成功切除該故障的情況，則可以利用這些狀態(tài)量信息建立故障診斷解析模型，并采用TS求解以識別故障設(shè)備和確定拒動的保護和/或斷路器。例如，若線路L1主保護拒動引起其出口斷路器未跳閘，則只需對該出口斷路器發(fā)出跳閘指令即可切除故障；若斷路器C1或C2拒動，則需對與該拒動斷路器直接相鄰的斷路器發(fā)出跳閘指令以防止故障范圍擴大。

圖4 只含1條線路的BPZFig.4 A BPZ containing a single line

4.2 含單母線的BPZ

BPZ內(nèi)部含有單母線的情況如圖5所示，其中母線B3、B5和B6均安裝了PMU。以故障分別發(fā)生在線路L2和母線B4上為例，2種故障將觸發(fā)和啟動不同的主保護和后備保護，并導致不同的斷路器動作。此外，線路L2上母線B4側(cè)功率方向繼電器的指向也會不同。對比這2種故障情況下調(diào)度中心收到的狀態(tài)量警報，可以發(fā)現(xiàn)有較大差別。這樣，對于故障發(fā)生后主保護未成功切除故障的情形，可用TS求解所建立的故障診斷解析模型來確定故障設(shè)備，同時通過邏輯推理或計算識別拒動的保護和/或斷路器。

圖5 含單母線的BPZFig.5 A BPZ containing a single bus

對于母線B4主保護拒動引起的所有出口斷路器未跳閘情形，只需對所有與母線B4主保護相關(guān)聯(lián)的斷路器發(fā)出跳閘指令即可切除故障；對于線路一側(cè)主保護拒動而引起的其出口斷路器未跳閘的情形，只需對拒動主保護的出口斷路器發(fā)出跳閘指令即可切除故障；對于主保護正確動作而其出口斷路器拒動的情形，則需對與該拒動斷路器直接相鄰的斷路器發(fā)出跳閘指令來防止故障范圍擴大。

4.3 含雙母線的BPZ

BPZ內(nèi)部含有雙母線的情況如圖6所示，其中母線B7、B8、B11和B12均安裝了PMU。當這種含雙母線的BPZ內(nèi)部發(fā)生故障且主保護未能成功切除該故障時，可用TS求解所建立的故障診斷解析模型來確定故障設(shè)備，并立即跳開雙母線B9和B10之間的母聯(lián)斷路器C10。進而可通過邏輯推理或計算來確定拒動的保護和/或斷路器，并根據(jù)實際拒動情況發(fā)出相應(yīng)的后備保護指令以切除故障。

圖6 含雙母線的BPZFig.6 A BPZ containing double buses

當這種BPZ內(nèi)部發(fā)生保護和/或斷路器拒動情況時，直接跳開母聯(lián)斷路器并不會擴大停電區(qū)域。相反，該策略可將含雙母線的BPZ分解為2個含單母線的BPZ，在確定拒動的保護和/或斷路器之前，減小無故障單母線BPZ中的故障電流，保護其中的設(shè)備。

5 算例分析

采用IEEE新英格蘭10機39節(jié)點測試系統(tǒng)來說明所提出的基于有限PMU的故障識別與廣域后備保護策略的基本特征。設(shè)置圖7所示的故障場景，即線路L4-14、L26-29和母線B14同時發(fā)生三相金屬性接地短路故障，且其中2個故障發(fā)生在一個較小區(qū)域，即1個BPZ之內(nèi)，同時還存在保護誤動和拒動、斷路器拒動以及警報信息丟失等問題。依據(jù)前述的PMU配置要求，給定配置PMU的母線為圖7所示虛線部分。

圖7 IEEE新英格蘭10機39節(jié)點測試系統(tǒng)Fig.7 IEEE New England 10-unit 39-bus test system

所安裝的PMU將系統(tǒng)劃分為23個BPZs。一旦接收到主保護的動作警報，就啟動所發(fā)展的廣域后備保護策略。利用基于電氣量信息的故障區(qū)域識別判據(jù)遍歷這23個BPZs的運行狀況，初步確定故障位于圖8所示的2個后備保護區(qū)域b1和b2內(nèi)。等待足夠使所有主保護及其出口斷路器均完成動作并延時100 ms后，再次利用故障區(qū)域識別判據(jù)檢驗b1和b2的運行狀況。此時，b2已成功排除故障，但b1內(nèi)故障仍未解除，需要繼續(xù)執(zhí)行所發(fā)展的廣域后備保護策略。b1由L4-14、B14、L13-14和L14-15這4個設(shè)備組成，因此可建立故障可疑設(shè)備集S={s1,s2,s3,s4}。相關(guān)保護、斷路器和功率方向繼電器的編碼分別如表1、表2和表3所示，警報信息和診斷結(jié)果見表4。

表1 相關(guān)保護編碼

Table 1 Encoding of related protective relays

注：L(4)-14表示位于線路L4-14上母線B4側(cè)的保護；其余相同。

圖8 候選的故障BPZsFig.8 Candidate faulted BPZs表2 相關(guān)斷路器編碼Table 2 Encoding of related circuit breakers

表3 相關(guān)功率方向繼電器編碼Table 3 Encoding of related power direction relays

診斷結(jié)果為線路L4-14、L26-29以及母線B14同時故障。與該診斷結(jié)果對應(yīng)的各保護、斷路器和功率方向繼電器的狀態(tài)也列于表4。詳細診斷結(jié)果為：線路L4-14上母線B4側(cè)主保護拒動，未能跳開斷路器C(4)-14；線路L13-14上母線B13側(cè)主保護誤動導致斷路器C(4)-14跳閘；母線B14主保護動作警報漏報；線路L3-4上母線B3側(cè)的遠后備保護未啟動。故障診斷結(jié)果與所設(shè)置的故障場景相符。

表4 故障診斷結(jié)果

Table 4 Fault diagnosis results

注：X1/X2/X3表示實際狀態(tài)、期望狀態(tài)、警報狀態(tài)分別為X1、X2、X3；“-”表示“不存在”或“不適用”。

診斷結(jié)果表明，后備保護區(qū)域b1內(nèi)故障未被切除是由于線路L4-14上母線B4側(cè)主保護拒動，導致斷路器 C(4)-14未跳閘，因此解決方案為向斷路器C(4)-14發(fā)出跳閘指令以切除故障。

6 結(jié) 論

針對傳統(tǒng)后備保護存在的配合關(guān)系相當復雜、動作延時較長、整定比較困難，且可能導致事故擴大等問題，本文在故障診斷解析模型的基礎(chǔ)上，利用有限PMU的信息構(gòu)建后備保護策略。具體地，通過系統(tǒng)利用相關(guān)的主保護動作信息、后備保護啟動信息、斷路器變位信息和功率方向繼電器指向信息，發(fā)展了一種基于有限PMU的故障識別與廣域后備保護策略，能夠在主保護或相應(yīng)斷路器未能正確動作切除故障的情況下，快速診斷故障設(shè)備，確定拒動的主保護和/或斷路器，并發(fā)出相應(yīng)的后備保護指令跳開相關(guān)斷路器以切除故障。提出的廣域后備保護策略所利用的信息具有較高的冗余度，動作延時較傳統(tǒng)后備保護明顯減小，并能夠針對具體保護和/或斷路器拒動情況發(fā)出相應(yīng)動作指令。算例結(jié)果表明，所提出的方法能夠處理多重故障、存在保護/斷路器拒動或誤動、警報信息畸變/丟失的復雜故障情況，且具有較高的容錯性。

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徐立中 (1983)，男，博士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)調(diào)度運行控制工作。

(編輯 張媛媛)

Fault Identification and Wide-Area Backup Protection Strategy Based on Limited Phasor Measurement Units

XU Bing1，ZHANG Yan1，TIAN Fangyuan1，WEN Fushuan1,2，ZHU Bingquan3，XU Lizhong3

(1. School of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;2. Department of Electrical and Electronic Engineering, Institut Teknologi Brunei, Bandar Seri Begawan BE1410, Brunei;3. State Grid Zhejiang Electric Power Corporation, Hangzhou 310007, China)

The traditional backup protection has some drawbacks, including difficult protection setting, long time delay and complicated coordination. Given this background, this paper proposes a fault identification and wide-area backup protection strategy based on limited phasor measurement units (PMUs). Firstly, the whole power network is divided into several backup protection zones (BPZs) based on the placement of PMUs. Once a fault occurs, the electrical quantities are utilized to identify the faulted BPZ, so as to quickly narrow down the scope of suspected fault sections. Then, we present fault identification method and wide-area backup protection strategy based on the analytical model. When the main protection fails to clear the fault, this analytical model can comprehensively use the alarm information of main protection, circuit breaker action alarm, backup protection startup information and power direction relays to point to the information, adopt tabu search (TS) algorithm to seek the optimal fault hypothesis, and determine the malfunction devices through analyzing the action logics of protection and circuit breaker. Based on the identified malfunctions, the corresponding backup protection strategy is initiated to prevent the fault from spreading. The simulation results show that the proposed method is feasible and has strong fault tolerance ability.

fault diagnosis; backup protection strategy; phasor measurement unit (PMU); backup protection zone (BPZ); analytical model

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(863計劃)(2015AA050202)；高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20120101110112)；國網(wǎng)浙江省電力公司科研項目(5211ZD13000R)；國家電網(wǎng)公司科技項目(52110115009Q)

TM 774

A

1000-7229(2016)02-0025-09

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.02.004

2015-12-29

徐兵(1992)，男，碩士研究生，從事電力系統(tǒng)故障診斷和系統(tǒng)恢復方面的研究工作；

張巖(1990)，男，博士研究生，從事電力系統(tǒng)故障診斷和系統(tǒng)恢復方面的研究工作；

田方媛(1992)，女，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)故障診斷和系統(tǒng)恢復方面的研究工作；

文福拴(1965)，男，教授，博士生導師，本文通信作者，主要從事電力系統(tǒng)故障診斷與系統(tǒng)恢復、電力經(jīng)濟與電力市場、智能電網(wǎng)與電動汽車等方面的研究工作；

朱炳銓(1967)，男，高級工程師，主要從事電網(wǎng)調(diào)度運行管理工作；

Project supported by National High Technology Research and Development Program (863 Program) (2015AA050202)；Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (20120101110112)