基于VS-IRL 的繼電保護(hù)裝置測(cè)試研究

張 強(qiáng)，李宇節(jié)，祝 爽，王雅男，鄭 磊

(國(guó)網(wǎng)四川雅安電力(集團(tuán))公司，四川 雅安 625000)

收稿日期:2022－11－01 修改日期:2022－12－28

現(xiàn)如今，由于復(fù)雜的智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的形成以及日益增長(zhǎng)的需求，電力系統(tǒng)運(yùn)行接近其額定容量。如果沒(méi)有迅速發(fā)現(xiàn)且隔離故障，就可能導(dǎo)致這種高度互連的網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)跳閘[1]。使用距離繼電保護(hù)裝置是傳輸線全站保護(hù)的常用做法，當(dāng)阻抗軌跡觸碰到其第三區(qū)工作邊界時(shí)，它就會(huì)觸發(fā)[2]。然而，嚴(yán)重的突發(fā)事件，如線路中斷、網(wǎng)絡(luò)隔離等都可能導(dǎo)致第三區(qū)中繼誤操作的應(yīng)力場(chǎng)景。在這里，術(shù)語(yǔ)“應(yīng)力場(chǎng)景”指的是無(wú)故障的情況。近期有關(guān)停電的研究表明，在這些動(dòng)態(tài)應(yīng)力的情況下，距離繼電保護(hù)裝置第三區(qū)誤動(dòng)作是導(dǎo)致電力系統(tǒng)級(jí)聯(lián)故障的主要原因。在這種突發(fā)情況下，功率擺動(dòng)和負(fù)荷侵占是設(shè)計(jì)備用保護(hù)方案時(shí)需要考慮的主要問(wèn)題[3－4]。

上述方案利用局部中繼信息在應(yīng)力條件下識(shí)別故障。目前在廣域測(cè)試、控制和保護(hù)方面的進(jìn)展是在廣域測(cè)量系統(tǒng)(Wide Area Measurement System，WAMS)中使用時(shí)間同步相量測(cè)量單元(Phasor Measurement Units，PMUs)。提出了可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)分類器的自適應(yīng)技術(shù)來(lái)區(qū)分故障和應(yīng)力場(chǎng)景[5－7]。

在本文提出的方法中，利用實(shí)時(shí)脆弱性研究(Vulnerability Studies，VS) 和智能中繼邏輯(Intelligent Relay Logic，IRL)來(lái)識(shí)別應(yīng)力情況下的故障，設(shè)計(jì)了一種增強(qiáng)的廣域距離繼電保護(hù)算法，用于測(cè)試常規(guī)的第三區(qū)備份中繼。在遠(yuǎn)距離繼電保護(hù)裝置發(fā)生不希望發(fā)生的跳閘之前，應(yīng)計(jì)算一個(gè)適當(dāng)?shù)睦^電保護(hù)裝置脆弱性指數(shù)，并利用其對(duì)任何運(yùn)行狀態(tài)下的關(guān)鍵繼電保護(hù)裝置進(jìn)行排序，來(lái)估計(jì)脆弱性的強(qiáng)度。WAMS 數(shù)據(jù)從放置在關(guān)鍵位置的PMU中檢索，以提取輸入特征并計(jì)算繼電保護(hù)裝置的運(yùn)行裕度以及對(duì)負(fù)載功率的敏感性。VS 檢測(cè)傳統(tǒng)的第三區(qū)中繼阻塞的脆弱繼電保護(hù)裝置，IRL 激活，以區(qū)分故障和應(yīng)力情況。

本文通過(guò)實(shí)時(shí)仿真研究，搭建了基于DDRTS 的虛擬化、數(shù)字化仿真模型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)繼電保護(hù)裝置的精確仿真。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)的建立能夠滿足全站繼電保護(hù)自動(dòng)測(cè)試的需求，能夠簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作、提升工作效率、減少停電時(shí)間、降低“三誤”事故概率，為推動(dòng)繼電保護(hù)技術(shù)變革及管理創(chuàng)新提供技術(shù)支撐。

1 第三區(qū)測(cè)試算法

在繼電保護(hù)系統(tǒng)中，對(duì)容易受到攻擊的繼電保護(hù)設(shè)備進(jìn)行識(shí)別是非常重要的。這是因?yàn)槿绻@些設(shè)備受到攻擊，可能會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)系統(tǒng)失效，從而導(dǎo)致電網(wǎng)發(fā)生故障或事故。因此，對(duì)于容易受到攻擊的繼電保護(hù)設(shè)備進(jìn)行識(shí)別，可以采取相應(yīng)的安全措施來(lái)保護(hù)這些設(shè)備，例如設(shè)置物理障礙、使用電磁屏蔽材料、加密網(wǎng)絡(luò)通信等，從而保證繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性和安全性。

在本文中，主要根據(jù)應(yīng)力條件，使用脆弱性研究方法來(lái)對(duì)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行檢測(cè)。嚴(yán)重的應(yīng)力條件顯著影響為傳輸系統(tǒng)提供全站保護(hù)的距離繼電保護(hù)裝置的第二區(qū)和第三區(qū)操作。由于大部分的繼電保護(hù)裝置誤操作都與距離繼電保護(hù)裝置的第三區(qū)有關(guān)，因此本文的研究工作是為第三區(qū)監(jiān)管服務(wù)的。但是，為了使其更具有一般性，還應(yīng)制訂第二區(qū)測(cè)試計(jì)劃，這可能需要改變框架和分析方法，并將作為今后工作的一部分加以考慮。

本文提出了利用常規(guī)的第三區(qū)協(xié)同運(yùn)行，結(jié)合脆弱性研究和智能中繼邏輯，在有應(yīng)力的條件下，距離中繼會(huì)發(fā)出第三區(qū)運(yùn)行的跳閘/阻塞信號(hào)指令。圖1給出了第三區(qū)中繼測(cè)試算法的結(jié)構(gòu)。

圖1 WABP 方案示意圖

IRL 對(duì)從廣域信息中提取的特征進(jìn)行處理，給出實(shí)時(shí)安全決策，并將數(shù)據(jù)集分類為“無(wú)故障/應(yīng)力狀態(tài)”或“故障狀態(tài)”。IRL 為任何故障情況和距離繼電保護(hù)裝置跳閘產(chǎn)生的輸出“1”。當(dāng)IRL 顯示輸出為“0”時(shí)，這是一個(gè)“無(wú)故障”的情況，距離繼電保護(hù)裝置不操作。因此，VS、傳統(tǒng)的第三區(qū)和IRL 的共同作用決定了最終的繼電運(yùn)行。

該方案利用擴(kuò)展卡爾曼濾波(Extended Kalman Filter，EKF)技術(shù)開(kāi)發(fā)的PMU 來(lái)估計(jì)相量和隨后的特征檢索，因?yàn)檫@些PMU 估計(jì)基本相量的效率比現(xiàn)有PMU 更好。其中系統(tǒng)中的每條線路都應(yīng)連接到帶有PMU(busp)的總線，或保持在至少兩個(gè)busp的第三區(qū)覆蓋范圍內(nèi)。在稱為busN的其他總線上無(wú)法訪問(wèn)度量值。在任意busN的情況下，使用傳輸線的長(zhǎng)線模型估計(jì)電壓。線路參數(shù)的計(jì)算使用本文所提出的技術(shù)完成。系統(tǒng)中busN的電壓相量按下列方法估計(jì):

式中:Vp和Ip分別為busp處的正序電壓和電流相量，l和γ分別為線的長(zhǎng)度和傳播常數(shù)，ZC為特征阻抗。

2 脆弱性研究

2.1 繼電保護(hù)裝置工作裕量(ROM)的概念

對(duì)于任何電力系統(tǒng)事件，ROM 決定了哪些VR已經(jīng)跳閘或即將跳閘。任何擾動(dòng)的后效，如級(jí)聯(lián)故障、發(fā)電/負(fù)載切換和網(wǎng)絡(luò)分離，都可以利用ROM值可視化[8]。

對(duì)于第三區(qū)距離繼電保護(hù)裝置，對(duì)于任意線路i－j，繼電保護(hù)裝置ij的繼電保護(hù)裝置工作裕量(ROMij)計(jì)算為:

式中:Zijc是關(guān)于第三區(qū)中心的視阻抗，ρij是第三區(qū)半徑。如Zij為從原點(diǎn)測(cè)量到的繼電保護(hù)裝置所見(jiàn)阻抗，Rijc和Xijc為3 區(qū)邊界中心的x－y坐標(biāo)，則ROMij可由:

如果阻抗侵入工作邊界，ROMij為負(fù)，距離繼電保護(hù)裝置命令跳閘決策。設(shè)Vi、Vj為幅值，θij為線兩端電壓相位差，則i－j中的復(fù)潮流Sij為:

2.2 相關(guān)操作裕度對(duì)母線電壓的敏感性

靈敏度研究可以確定操作裕度軌跡的變化率，即ROM 相對(duì)于母線電壓或負(fù)載功率注入的變化。因此，它可以作為判斷距離繼電保護(hù)裝置在任何突發(fā)事件下的脆弱性的指標(biāo)。

在某一工作點(diǎn)，繼電保護(hù)裝置操作裕度對(duì)負(fù)載功率的靈敏度由以下公式進(jìn)行表示:

式中:ΔP和ΔQ分別為有功功率和無(wú)功功率的變化量。SRP、SRQ分別為繼電保護(hù)裝置操作裕度對(duì)有功功率和無(wú)功功率的靈敏度。

這些可以用雅可比矩陣M表示為母線電壓的變化(角度和幅度):

2.3 中繼的脆弱性指數(shù)

如前所述，在任何動(dòng)態(tài)應(yīng)力條件下，如功率擺動(dòng)和負(fù)荷侵占，繼電保護(hù)裝置操作裕度減小，且繼電保護(hù)裝置操作裕度對(duì)母線電壓的敏感性增加。結(jié)合這兩個(gè)參數(shù)，計(jì)算出一個(gè)因子繼電保護(hù)裝置脆弱性指數(shù)(Relay Vulnerability Index，RVI)，根據(jù)脆弱區(qū)第三區(qū)的嚴(yán)重程度對(duì)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行排序，確定高度脆弱繼電保護(hù)裝置集合。可計(jì)算為繼電保護(hù)裝置操作裕度(如式(4)所示)，其表達(dá)式為:

3 智能中繼邏輯(IRL)的制定

為了提高遠(yuǎn)程中繼的運(yùn)行效率，設(shè)計(jì)了一種基于決策樹(shù)(Decision-making Tree，DT)的決策邏輯，以區(qū)分故障和應(yīng)力情況。

3.1 理論背景

DT 基本上由一些簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確的規(guī)則組成，這些規(guī)則應(yīng)用if－then 語(yǔ)句對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行分類。DT 模型必須使用足夠數(shù)量的相關(guān)數(shù)據(jù)集，并為每個(gè)數(shù)據(jù)集預(yù)定義類[9]。

3.2 輸入屬性的選擇

僅僅使用正序電壓相量信息不足以將應(yīng)力情況與對(duì)稱故障區(qū)分開(kāi)，因?yàn)樗鼈兊奶卣魍嗨?。因此，一些額外的特性，即有功功率和無(wú)功功率及其導(dǎo)數(shù)作為輸入，以提高精度水平。

從圖2 所示的變量重要度圖和DT 結(jié)構(gòu)可以看出，x7(即dQ/dt)和x3(即ΔI)是最重要的輸入特征。因此，線路中的ΔI是區(qū)分故障與無(wú)故障的主要特征，而dP/dt和dQ/dt特征進(jìn)一步提高了從功率波動(dòng)、電壓不穩(wěn)定和負(fù)荷侵占這些場(chǎng)景中分類故障的分辨率。

圖2 IEEE 39 總線系統(tǒng)(R29－28)故障識(shí)別的DT 模型

3.3 智能中繼邏輯示意圖

算法流程圖如圖3 所示。

圖3 算法流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

采用MATLAB/Simulink 平臺(tái)，在圖4 所示的IEEE 39 總線系統(tǒng)上對(duì)所提出的WABP 方案進(jìn)行了測(cè)試。

圖4 IEEE 39 總線系統(tǒng)單圖

4.1 脆弱性測(cè)試

考慮一個(gè)在線路29－26 上產(chǎn)生的三相故障持續(xù)了一定的時(shí)間，然后通過(guò)打開(kāi)斷路器清除。HVR集的RVI 值為負(fù)值或非常小的正值?？赡苡龅焦β什▌?dòng)的繼電器根據(jù)RVI 值進(jìn)行排名，見(jiàn)表1。

表1 RVI 指數(shù):功率擺動(dòng)場(chǎng)景

在特定條件下，距離繼電保護(hù)裝置所看到的表觀阻抗可以侵犯其第三區(qū)域邊界，可能導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置R29－28 和R25－26 的過(guò)失跳閘。具有負(fù)RVI 值或非常小的正RVI 值的繼電保護(hù)裝置可稱為高度脆弱。表2 顯示了根據(jù)RVI 值或本例的漏洞嚴(yán)重程度排序的中繼排名。

表2 RVI 索引:負(fù)載侵占場(chǎng)景

4.2 IRL 邏輯的性能測(cè)試

為了檢驗(yàn)該算法對(duì)測(cè)量噪聲(PMU 測(cè)量中的誤差)的魯棒性，噪聲會(huì)添加到幅度和相位角測(cè)量中。將信噪比為20 dB 的高斯白噪聲添加到測(cè)試數(shù)據(jù)中，通過(guò)輸入該噪聲對(duì)訓(xùn)練好的DT 模型進(jìn)行測(cè)試。IRL 邏輯在測(cè)試系統(tǒng)不同繼電保護(hù)裝置測(cè)量噪聲下的故障檢測(cè)精度如表3 所示。測(cè)試精度表明本文的模型不受噪聲影響。對(duì)于不同的故障位置、不同的故障電阻、不同的故障類型、不同的故障線路以及不同的功率擺動(dòng)的故障清除時(shí)間，可以合理地預(yù)測(cè)故障和無(wú)故障情況。

表3 預(yù)測(cè)不同繼電保護(hù)裝置的IRL 邏輯精度

4.3 不同運(yùn)行場(chǎng)景下的性能

在穩(wěn)定功率擺動(dòng)的情況下，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后，線路中的功率流趨于穩(wěn)定。然而，在嚴(yán)重的角度不穩(wěn)定期間，繼電保護(hù)裝置可能面臨電流和電壓的大振蕩。如果故障清除時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定振蕩，發(fā)電機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)失步。

5 實(shí)時(shí)數(shù)字模擬器平臺(tái)的硬件實(shí)現(xiàn)

實(shí)時(shí)數(shù)字模擬器(Real-time Digital Simulators，DDRTS)這種基于微機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng) 具有建模方便、成本低、升級(jí)容易、良好的可擴(kuò)展性和兼容性等優(yōu)點(diǎn)，是進(jìn)行電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真的一個(gè)重要工具[10]。

5.1 DDRTS 系統(tǒng)的組成

DDRTS 系統(tǒng)主要由兩部分組成，分別為硬件部分和軟件部分。

DDRTS 系統(tǒng)的硬件部分主要包括:①微機(jī):對(duì)所模擬的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真；②高速信號(hào)通信系統(tǒng):主要用于微機(jī)和信號(hào)轉(zhuǎn)換及輸入輸出系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信；③信號(hào)轉(zhuǎn)換及輸入輸出系統(tǒng):主要進(jìn)行信號(hào)模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量、數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量以及開(kāi)關(guān)量的輸入和輸出，包括A/D、D/A、I/O、O/I 四個(gè)單元；④功率放大器:進(jìn)行電壓或電流的幅值、相位、頻率的調(diào)節(jié)。

DDRTS 系統(tǒng)的軟件部分包括:①電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真程序:是電網(wǎng)數(shù)字動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的重要組成程序。②圖形化電力系統(tǒng)仿真建模系統(tǒng):全中文圖形界面，可以方便快速地搭建數(shù)字仿真系統(tǒng)模型，進(jìn)行系統(tǒng)的仿真計(jì)算，分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)和動(dòng)態(tài)行為。③實(shí)時(shí)仿真進(jìn)程控制系統(tǒng):進(jìn)行實(shí)時(shí)通信、同步控制、信號(hào)轉(zhuǎn)換和輸入輸出量的處理等。④DDRTS 系統(tǒng)輔助功能模塊:繼電器測(cè)試程序、數(shù)字動(dòng)態(tài)諧波測(cè)試程序、數(shù)字動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)回放測(cè)試程序等。

5.2 DDRTS 系統(tǒng)仿真及分析

為了驗(yàn)證算法的有效性，本文在DDRTS 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)該方案，作為控制器硬件在環(huán)(Controller Hardware In Loop，CHIL)測(cè)試的一部分。為了實(shí)現(xiàn)基于底層接口的CHIL 測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor，DSP)。在CHIL 測(cè)試中，通過(guò)Code Composer Studio 將本文的算法集成到DSP板上，該基于DSP 的控制器作為測(cè)試硬件。由于接口是在電壓＋/－10 V 同時(shí)電流范圍<50 mA 之間的低電平信號(hào)下完成的，因此在CHIL 測(cè)試中不需要額外的接口工具。

DDRTS 的千兆收發(fā)模擬輸出(GTAO)/數(shù)字輸入(GTDI)卡用于外部控制器、硬件PMU 和RSCAD中的系統(tǒng)模型之間的接口。從DDRTS 的模擬輸出通道中采集7、9 和4 總線的三相瞬時(shí)電壓和電流信號(hào)，并送至PMU。

控制器發(fā)出的trip 命令發(fā)送到測(cè)試系統(tǒng)的相關(guān)斷路器。表4 給出了具有故障檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間的CHIL 測(cè)試下該方案的性能?？紤]到處理、相量信息復(fù)用、PDC 數(shù)據(jù)提取的總時(shí)延為100 ms～110 ms，控制器對(duì)命令脫扣信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間為10 ms～15 ms，最脆弱繼電器的平均故障檢測(cè)時(shí)間在115 ms～125 ms 之間，如表7 所示。結(jié)果表明，本文的方案能夠準(zhǔn)確區(qū)分應(yīng)力情況和故障情況，響應(yīng)時(shí)間較短。

表4 DDRTS 平臺(tái)C-HIL 測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)論

由于常規(guī)的第三區(qū)算法在功率擺動(dòng)、負(fù)荷侵占和電壓不穩(wěn)定等應(yīng)力條件下容易出現(xiàn)誤操作，因此有必要對(duì)第三區(qū)進(jìn)行監(jiān)管和測(cè)試，以提高保護(hù)運(yùn)行的安全性。

本文提出的方案定義了一個(gè)因子，繼電保護(hù)裝置脆弱性指數(shù)，用于在任何干擾期間對(duì)高度脆弱的繼電保護(hù)裝置進(jìn)行排名。這種脆弱性研究邏輯為高脆弱性繼電保護(hù)裝置的第三區(qū)發(fā)出阻斷信號(hào)。此外，它將操作從傳統(tǒng)的第三區(qū)中繼切換到智能中繼邏輯，使用廣域信息進(jìn)行實(shí)時(shí)安全決策。進(jìn)行相關(guān)仿真，提取輸入差分屬性，用于訓(xùn)練區(qū)分故障和應(yīng)力情況的決策樹(shù)模型。

對(duì)IEEE 39 總線系統(tǒng)的結(jié)果分析表明，在不同的操作條件下，傳統(tǒng)的第三區(qū)故障跳閘都具有優(yōu)異的性能。在DDRTS 平臺(tái)上的CHIL 測(cè)試表明，該算法在實(shí)時(shí)場(chǎng)景下具有較高的有效性。因此，本文提出的方案可以有效測(cè)試?yán)^電保護(hù)裝置的運(yùn)行狀態(tài)，避免可能引發(fā)級(jí)聯(lián)故障的中繼錯(cuò)誤操作，并增強(qiáng)第三區(qū)保護(hù)的安全性。