數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)運行狀態(tài)實時跟蹤研究

赫嘉楠，栗磊，牛健，梁亞波，徐麗娟

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院， 寧夏， 銀川 750001)

0 引言

數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)是指當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時能精準(zhǔn)監(jiān)測故障，并第一時間將故障報告發(fā)送給相關(guān)工作人員，使故障得以及時維修和切除，從而保證了電網(wǎng)工作的正常運行，減少損失[1]。由于目前電網(wǎng)發(fā)生故障的頻率越來越高，故障程度越來越嚴(yán)重，所以確保數(shù)字化變電站的繼電保護系統(tǒng)能夠安全運行具有非常重要的作用。陳飛建等[2]研究了基于信息融合的智能變電站繼電保護設(shè)備自動測試系統(tǒng)；徐長寶等[3]提出了基于信息趨勢預(yù)測和組合賦權(quán)的智能變電站繼電保護系統(tǒng)狀態(tài)模糊綜合評價方法。上述研究均可在一定程度上確保繼電保護的安全性，為了進一步規(guī)避傳統(tǒng)數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)監(jiān)測過程中出現(xiàn)的各種問題，使變電站繼電保護系統(tǒng)運行更平穩(wěn)、監(jiān)測結(jié)果更準(zhǔn)確、報告故障更及時，本文提出數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)運行狀態(tài)實時跟蹤方法。

1 數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)運行狀態(tài)實時跟蹤

1.1 基于運行狀態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系的繼電保護系統(tǒng)跟蹤

1.1.1 基于連鎖關(guān)系的繼電保護系統(tǒng)運行狀態(tài)跟蹤

如果2個連鎖關(guān)系的運行狀態(tài)信息存在很大的偏差，就可以發(fā)現(xiàn)某一個狀態(tài)信息出現(xiàn)了異常[4]，可采用建立異或邏輯的方式達到在線檢測效果，如果連鎖關(guān)系的狀態(tài)信息不同，那么輸出狀態(tài)異常，即輸出是1。

如果存在n個布爾量類型和m個布爾量類型的狀態(tài)信息有連鎖關(guān)系，那么具體表現(xiàn)為x1(t),x2(t),…,xn(t)和y1(t),y2(t),…,ym(t)，將y(t)=[y1(t),y2(t),…,ym(t)]和x(t)=[x1(t),x2(t),…,xn(t)]T分別定義成是基準(zhǔn)和比較狀態(tài)向量[5]。用⊕表示異或運算，如果布爾量a和b存在差異，則a⊕b=1成立，需要通過異或運算⊕實現(xiàn)，如式(1)：

x(t)⊕y(t)=[x1(t)x2(t) …xn(t)]T⊕[y1(t)y2(t) …ym(t)]=z1(t)

(1)

如果所得矩陣z1(t)的第i行和第j行列都是1，說明xi(t)和yj(t)的狀態(tài)信息存在差異；若矩陣z1(t)的第i行和第j列除了zij(t)以外都是1，說明xi(t)和yj(t)都顯示差異。矩陣z1(t)中非零出現(xiàn)的位置就可以判斷哪個狀態(tài)信息出現(xiàn)差異。

1.1.2 基于冗余關(guān)系的繼電保護系統(tǒng)運行狀態(tài)跟蹤

(1) 布爾量類型冗余狀態(tài)信息的在線跟蹤

如果繼電保護組成部分的n維狀態(tài)向量用Xn×1(t)表示，那么n個布爾量類的狀態(tài)信息x1(t),x2(t),…,xn(t)就是Xn×1(t)的各分量，同時也是繼電保護的組成部分。Xn×1(t)的表達式為

Xn×1(t)=[x1(t)x2(t) …xn(t)]T

(2)

如果相同電力系統(tǒng)中X1,n×1和X2,n×1的各元素條件在理論上一致，說明X1,n×1和X2,n×1存在冗余關(guān)系，為了找出繼電保護存在的差異，需要比較兩個狀態(tài)向量。

搜索Hn×1矩陣的非零元素可以相減兩個狀態(tài)向量，該過程需要在對比布爾量類型狀態(tài)信息的條件下完成。判斷哪個狀態(tài)信息出現(xiàn)差異，需要搜索Hn×1中的非零元素來實現(xiàn)[6]。正常情況下非零元素個數(shù)顯示0，反之不顯示0；當(dāng)X1,n×1或X2,n×1的第i個狀態(tài)信息存在差異時，矩陣Hn×1的第i行元素就不顯示0。

(2) 非布爾量類型冗余狀態(tài)信息的在線跟蹤

通過各狀態(tài)信息的差別獲取狀態(tài)信息出現(xiàn)的差異可以通過式(3)表示：

(3)

式中，Δx(t)表示相對誤差值，x3(t)和x4(t)表示存在冗余關(guān)系的兩個非布爾量類型狀態(tài)信息。計算各個狀態(tài)信息的相對誤差值，并且設(shè)置告警閾值[7]，如果收到告警信息，說明相對誤差值達到了異常閾值。

1.2 基于故障錄波信息的繼電保護系統(tǒng)內(nèi)部運行狀態(tài)跟蹤

當(dāng)故障信息處理裝置收到并存儲繼電保護系統(tǒng)和故障錄波設(shè)備的信息時，說明繼電保護系統(tǒng)的裝置Q1、Q2出現(xiàn)問題。Q1、Q2是故障預(yù)警信息的來源[8]，根據(jù)故障信息編號，判定繼電保護系統(tǒng)的裝置是否存在問題。繼電保護系統(tǒng)內(nèi)部故障跟蹤結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 內(nèi)部故障跟蹤結(jié)構(gòu)

詳細研究跟蹤繼電保護系統(tǒng)內(nèi)部故障需要在故障錄波裝置平穩(wěn)運行的前提下完成。圖2為線性保護模型，其中用Q1、Q2、Q3描述繼電保護系統(tǒng)線路中的保護裝置。

圖2 線性保護裝置

假設(shè)Q點出現(xiàn)短路，且存在不同裝置運行均正常，則故障錄波裝置的測量值的表達式為

j∈(1,2,3)

(4)

其中，方向函數(shù)H(f)通過系統(tǒng)故障點和待分析保護的相對位置獲得，函數(shù)D(Qi,Qj)是通過待分析保護的測量信息間相對關(guān)系獲得。故障錄波裝置在電路同一位置采集的電參數(shù)值和保護系統(tǒng)中的電參數(shù)值相同時，會確保保護系統(tǒng)正常工作。因此，故障錄波裝置的測量值就用Qi(if,uf)顯示，保護系統(tǒng)繼電保護裝置的測量值和故障錄波裝置測量值具有差異性，會使測量元件存在誤差，具體用Δ?R表示，如式(5)：

|Qr(if,uf)-Qi(if,uf)|=Δ?Ri∈(1,2,3)

(5)

式中，Qr(if,uf)表示繼電保護系統(tǒng)裝置的測量值。

由于式(4)、式(5)表述的關(guān)系未產(chǎn)生，說明繼電保護系統(tǒng)出現(xiàn)問題，因此利用式(5)提出的方法獲取故障裝置的編號。

通過分析繼電保護系統(tǒng)的Q1、Q2測量電流數(shù)值P(if,uf)可知，H(f)的取值是1 ，D(Qi,Qj)的取值是0，說明Q1、Q2的電流方向一樣。通過式(4)可以得到式(6)：

P1(if,uf)=P2(if,uf)

(6)

通過分析繼電保護系統(tǒng)的Q2、Q3測量電流數(shù)值P(if,uf)可知，H(f)的取值是-1，D(Qi,Qj)的取值是Q2、Q3的阻抗差值OON。用式(4)可以得到式(7)：

P3(if,uf)=-P2(if,uf)+OON

(7)

通過跟蹤數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)信息傳輸環(huán)節(jié)以及核心保護環(huán)節(jié)中的繼電保證裝置運行狀態(tài)可以發(fā)現(xiàn)數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)繼電保護裝置是否有問題。

2 仿真實驗分析

為了驗證本文提出的數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)運行狀態(tài)實時跟蹤方法在實際應(yīng)用中的性能，本文以某地區(qū)的一個220 kV的數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)為例，對數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)運行狀態(tài)跟蹤效果進行測定。繼電保護系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 智能變電站繼電保護系統(tǒng)

2.1 跟蹤結(jié)果分析

由圖3可知，當(dāng)k點出現(xiàn)故障情況，繼電保護系統(tǒng)中保護1、2產(chǎn)生內(nèi)部故障；未產(chǎn)生故障情況下，t1、t2時間點分別開啟保護1、2、5、6和1、2，同時在t2時間點保護5、6返回，保護5、6作為后備保護動作的前提是保護1、2拒動。

不同狀態(tài)信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系見表1。

表1 不同狀態(tài)信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系

通過分析保護2第一套智能終端采集的開關(guān)量異常狀態(tài)，驗證本文方法的跟蹤優(yōu)勢。當(dāng)k點出現(xiàn)故障時，非異常狀況下保護2的狀態(tài)為開啟(t2)，斷路器處在分位(t2+)。

通過以上內(nèi)容可知，采用本文方法可有效跟蹤到保護2第一套智能終端采集的開關(guān)量異常狀態(tài)，可實現(xiàn)繼電保護系統(tǒng)故障診斷。

2.2 有效性分析

為驗證本文方法的優(yōu)勢，選取文獻[2]提出的基于信息融合的跟蹤方法和文獻[3]提出的基于信息趨勢預(yù)測和組合賦權(quán)的跟蹤方法為對比方法。統(tǒng)計3種方法在不同時間段內(nèi)跟蹤到的繼電保護系統(tǒng)的故障情況，結(jié)果如表2 所示。

表2 3種方法跟蹤到的系統(tǒng)故障

由表2可知，本文方法可準(zhǔn)確跟蹤出全部故障次數(shù)?；谛畔⑷诤系母櫡椒?，只有3次跟蹤到的故障次數(shù)與實際故障發(fā)生次數(shù)相同，基于信息趨勢預(yù)測和組合賦權(quán)的跟蹤方法，只有在故障低頻率發(fā)生時可以被跟蹤到。由此可見，本文方法可以準(zhǔn)確地跟蹤到運行狀態(tài)變化發(fā)生。

2.3 跟蹤誤差分析

統(tǒng)計上述實驗的10次故障跟蹤過程，3種方法的跟蹤誤差率與漏診率結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 3種方法跟蹤誤差率對比

由圖4可知，使用本文方法跟蹤繼電保護系統(tǒng)運行故障信息的誤差率最小，2種對比方法的誤差率均較大。

由圖5可知，本文方法運行狀態(tài)跟蹤過程中漏診率最低，且漏診率變化較為平穩(wěn)，證明本文方法對于變電站繼電保護系統(tǒng)運行狀態(tài)跟蹤的漏診狀況少，精準(zhǔn)率高。

圖5 3種方法漏診率對比

3 總結(jié)

以數(shù)字化變電站信息的開放與共享為基礎(chǔ)研究數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)運行狀態(tài)跟蹤方法，利用狀態(tài)信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和系統(tǒng)內(nèi)部故障錄波信息監(jiān)測繼電保護系統(tǒng)異常運行狀態(tài)信息的同時，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部故障的有效診斷。實驗分析某地區(qū)220 kV的數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)的保護2第一套智能終端采集的開關(guān)量異常狀態(tài)，驗證了本文方法可有效跟蹤到系統(tǒng)的異常，且跟蹤性能較好，可在一定程度上確保數(shù)字化變電站安全、穩(wěn)定運行。