一種改進(jìn)的保護(hù)協(xié)調(diào)配合方法及其仿真研究

張 燃

(四川電力科學(xué)研究院，四川成都 610072)

0 引言

為滿足電網(wǎng)對繼電保護(hù)提出的可靠性、選擇性、靈敏性和速動性要求，需要科學(xué)整定保護(hù)裝置的定值，保證保護(hù)間的協(xié)調(diào)配合。然而隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，接線和運(yùn)行方式日趨復(fù)雜，特別是大小環(huán)網(wǎng)相互重疊、長短線交錯(cuò)連接的狀況，使后備保護(hù)定值相互依賴，構(gòu)成配合關(guān)系環(huán)，難以合理配置;另外，近年來分布式發(fā)電逐漸興起，其投退的不確定性也使保護(hù)配合十分復(fù)雜。因此，研究保護(hù)協(xié)調(diào)配合的計(jì)算和校驗(yàn)方法已成為一個(gè)亟待解決的問題。

國內(nèi)外學(xué)者針對該問題已進(jìn)行了大量研究［1－4］，特別是香港科技大學(xué)的So C.W.在其博士論文中提出一種保護(hù)配合TCM(time coordination method)方法［5］，并對其進(jìn)行了細(xì)致的分析和計(jì)算。這里在TCM方法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，探討了一種時(shí)間靈敏度優(yōu)化配合(time sensitivity optimal coordination，TSOC)方法及其優(yōu)化算法，并以一個(gè)配電網(wǎng)反時(shí)限過流保護(hù)配合為算例進(jìn)行了仿真和分析，仿真結(jié)果表明該方法可根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)和整定需要方便、量化地對保護(hù)性能選擇進(jìn)行適當(dāng)折衷，具有很好的實(shí)用性和有效性。

1 時(shí)間靈敏度優(yōu)化配合方法

保護(hù)協(xié)調(diào)配合研究從系統(tǒng)整體角度出發(fā)，建立數(shù)學(xué)模型，將全系統(tǒng)保護(hù)的協(xié)調(diào)配合問題轉(zhuǎn)化為一組優(yōu)化公式和約束條件來處理［6－11］。

1.1 TSOC 方法

選取繼電保護(hù)時(shí)間級差約束違背數(shù)、故障持續(xù)時(shí)間、靈敏度約束違背數(shù)和配合對動作時(shí)間差與時(shí)間級差之差作為優(yōu)化目標(biāo)，以繼電保護(hù)設(shè)備特性參數(shù)設(shè)置值作為TSOC方法的決策變量。

1.1.1 時(shí)間級差約束違背數(shù)

為使故障發(fā)生時(shí)保護(hù)動作具有選擇性，停電范圍盡量縮小，應(yīng)滿足保護(hù)配合對上游繼電器與下游繼電器動作時(shí)間之差大于給定的時(shí)間級差。故障時(shí)所有配合對時(shí)間級差違背數(shù)總和越小，則繼電保護(hù)協(xié)調(diào)配合的綜合性能越好。對于系統(tǒng)故障i，配合保護(hù)對j的上、下游保護(hù)裝置動作時(shí)間之差定義為

其中，T_upi，j、T_downi，j為故障 i時(shí)配合對 j上、下游繼電器的動作時(shí)間，定義時(shí)間級差約束違背數(shù)為

其中，grading_margin指時(shí)間級差，即保護(hù)配合對各自動作時(shí)間之差的最小值，考慮繼電器操作、斷路器動作、安全級差等，則選取固定的0.4 s。

考慮系統(tǒng)所有故障中全體保護(hù)協(xié)調(diào)配合，可得到時(shí)間級差約束違背總數(shù)為

其中，R表示繼電保護(hù)特性參數(shù)設(shè)置值，即優(yōu)化的決策變量。

1.1.2 故障持續(xù)時(shí)間

從系統(tǒng)發(fā)生故障到保護(hù)設(shè)備完全切斷故障需要一定的時(shí)間，而短路電流持續(xù)時(shí)間越長，造成的后果越嚴(yán)重。以故障持續(xù)時(shí)間作為系統(tǒng)快速性指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到使故障對系統(tǒng)的破壞最小的目的。

設(shè)故障i的故障時(shí)間為Fault_timei，該故障發(fā)生危害率為Pi，然后把所有故障情況相加得到一個(gè)故障時(shí)間的數(shù)學(xué)期望值。

1.1.3 靈敏度約束違背數(shù)

在后備保護(hù)之間，只有當(dāng)動作時(shí)限和靈敏系數(shù)都相互配合時(shí)，才能切實(shí)地保證動作的選擇性。靈敏度相互配合的要求是:對同一故障點(diǎn)而言，要求越靠近故障點(diǎn)的保護(hù)應(yīng)具有越高的靈敏度，即在故障i發(fā)生時(shí)，對于保護(hù)配合對j，需滿足

其中，Klm_upi，j和 Klm_downi，j分別為故障 i情況配合對j的上游和下游繼電器的動作靈敏度;Klm_lim為靈敏度最小值，一般取1.2。與時(shí)間級差約束違背數(shù)類似，可定義靈敏度約束違背數(shù)及其總數(shù)為

1.1.4 保護(hù)配合對動作時(shí)間差與時(shí)間級差的差

在保證大于時(shí)間級差的情況下，為了保證保護(hù)設(shè)備的速動性，配合對動作時(shí)間差應(yīng)盡可能的小，因此將各種故障情況下保護(hù)配合對的動作時(shí)間差與時(shí)間配合級差的差值總和最小作為一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)。對所有故障和所有的保護(hù)配合對，該總和為

將以上4個(gè)指標(biāo)的加權(quán)平均作為目標(biāo)函數(shù)，可得到一個(gè)無條件單目標(biāo)優(yōu)化模型。

G(R)=min{αG1(R)μ+ βG2(R)+ γG3(R)θ+ λG4(R)}(9)其中，α、β、γ、λ稱為權(quán)重系數(shù)，在0到1之間取值，分別代表了協(xié)調(diào)配合計(jì)算過程中對4個(gè)指標(biāo)的偏好程度，滿足α+β+γ+λ=1，可以根據(jù)不同對象、不同情況對其進(jìn)行設(shè)定，從而能夠方便、量化地根據(jù)不同特性系統(tǒng)特點(diǎn)和整定要求以及繼保工程師的經(jīng)驗(yàn)，對繼電保護(hù)性能選擇進(jìn)行適當(dāng)折衷。

1.2 優(yōu)化方法

繼電保護(hù)協(xié)調(diào)配合是典型動態(tài)環(huán)境下的復(fù)雜優(yōu)化問題，選用文獻(xiàn)［12］中所提出的速度跟蹤粒子群優(yōu)化算法求取式(9)的最優(yōu)解，可克服傳統(tǒng)算法收斂速度慢和易陷入局部最小的缺陷。

2 仿真算例及分析

2.1 仿真算例

文獻(xiàn)［13］介紹了一種基于混雜Petri網(wǎng)的保護(hù)建模與仿真方法，利用該方法建立如圖1所示的簡單配電網(wǎng)絡(luò)作為算例進(jìn)行研究，各母線電壓等級在圖中標(biāo)出，系統(tǒng)參數(shù)見文獻(xiàn)［5］。

圖1 保護(hù)協(xié)調(diào)配合算例模型

為了更明顯地體現(xiàn)優(yōu)化算法的效果，算例中采用時(shí)間整定為連續(xù)函數(shù)的反時(shí)限過流保護(hù)(inverse definite minimum time lag overcurrent relay，IDMTL OC)作為保護(hù)設(shè)備。根據(jù)IEEE C37.112－1996和 IEC 255－3標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)故障電流恒定不變時(shí)，IDMTL OC的動作時(shí)間計(jì)算公式為

其中，A=0.14;p=0.02;TM 為時(shí)間整定系數(shù);I為故障電流I_fault與保護(hù)啟動電流定值的比，即

其中，CSM×CT_ratio×Relay_rating為啟動電流值。

如果故障電流在保護(hù)裝置啟動后、動作前發(fā)生了改變，其動作時(shí)間滿足

其中，T0為繼電器實(shí)際動作時(shí)間。

2.2 計(jì)算結(jié)果

給定兩組權(quán)重系數(shù):如整定時(shí)要求盡可能保證保護(hù)準(zhǔn)確配合，選擇 α =0.4，β =0.1，γ =0.4，λ =0.1，稱為權(quán)重(1);如果要求保護(hù)設(shè)備快速動作，選擇α=0.1，β =0.3，γ =0.1，λ =0.5，稱為權(quán)重(2)。

計(jì)算過程考慮母線 BUS01、BUS02、BUS03及BUS04發(fā)生三相短路故障情況，根據(jù)各母線電壓等級，確定其故障危害率分別為1/3、1/3、1/6和1/6。短路故障發(fā)生時(shí)，僅考慮故障電流，不計(jì)負(fù)載電流。根據(jù)反時(shí)限保護(hù)的特性和短路計(jì)算結(jié)果具體化目標(biāo)函數(shù)，并對速度跟蹤粒子群優(yōu)化算法參數(shù)進(jìn)行初始化，設(shè)置粒子群規(guī)模為20，最大迭代次數(shù)為500，加速和慣性因子分別設(shè)置為c1=c2=2，wmax=0.8，wmin=0.2，其他參數(shù)按默認(rèn)設(shè)置，分別對權(quán)重(1)和權(quán)重(2)兩種情況進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1到表4所示。

2.3 結(jié)果分析

由表1到表4所示的整定結(jié)果，可以得到:①設(shè)置權(quán)重為 α =0.4，β =0.1，γ =0.4，λ =0.1，主要是以保護(hù)設(shè)備時(shí)間和靈敏度的準(zhǔn)確配合為目標(biāo)，通過優(yōu)化可得表1所示的定值，并計(jì)算得到表2所示各故障下保護(hù)設(shè)備的動作時(shí)間和靈敏度，可以看出時(shí)間約束違背系數(shù)和靈敏度約束違背系數(shù)均為0，即保證了各條母線發(fā)生三相短路故障時(shí)IDMTL OC都能正確動作;②而設(shè)置權(quán)重為 α =0.1，β =0.3，γ =0.1，λ =0.5，主要是考慮縮短保護(hù)動作時(shí)間和配合時(shí)間差，以盡快切除故障，由表4所示，保護(hù)動作時(shí)間和配合時(shí)間差均較權(quán)重(1)情況有一定縮短，且保證了靈敏度的正確配合，但在BUS03和BUS04故障時(shí)，某些配合對的動作時(shí)間差達(dá)不到0.4 s的要求。

表1 計(jì)算結(jié)果(α =0.4，β =0.1，γ =0.4，λ =0.1)

表2 動作時(shí)間(Top，單位:s)和靈敏度(Klm)(α =0.4，β =0.1，γ =0.4，λ =0.1)

表3 計(jì)算結(jié)果 (α =0.1，β =0.3，γ =0.1，λ =0.5)

表4 動作時(shí)間(Top，單位:s)和靈敏度(Klm)(α =0.1，β =0.3，γ =0.1，λ =0.5)

表5 過渡運(yùn)行方式下各保護(hù)的動作時(shí)間(單位:s)和靈敏度

表6 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改變情況下的各保動作時(shí)間

2.4 定值校驗(yàn)

在圖1所示算例系統(tǒng)的各保護(hù)模型中設(shè)置表1所示的整定值，并設(shè)置母線BUS03三相永久性短路故障進(jìn)行定值校驗(yàn)，故障開始時(shí)間為0.2 s，可得到如圖2所示各保護(hù)流過的電流波形。

圖2 各保護(hù)處的電流波形

從圖2可以看出，故障發(fā)生后，流過各保護(hù)的電流均突然增大，保護(hù)R01－03Ⅱ延時(shí)最短(如表2所示)，經(jīng)斷路器延時(shí)后于0.272 ms切斷線路LINE01－03Ⅱ，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演變?yōu)閳D3所示的過渡運(yùn)行方式。與LINE01－03Ⅱ平行的LINE01－03Ⅰ電流增大，而系統(tǒng)中其他線路電流均有所減小，從而使保護(hù)R01－03Ⅰ加速動作，切斷故障母線BUS03，此后各線路電流恢復(fù)正常，其IDMTL OC保護(hù)由于未達(dá)到延時(shí)時(shí)間返回。

由仿真過程中可以看出，各保護(hù)中流過的電流由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改變而重新分配，在定值校驗(yàn)中應(yīng)予以考慮。設(shè)保護(hù)裝置在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改變前流過的故障電流和延時(shí)時(shí)間分別為I－和T－(I－)，動作后故障電流和延時(shí)時(shí)間分別為I+和T+(I+)，忽略暫態(tài)過程，根據(jù)式(12)可得

其中，Tc和Ta表示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改變時(shí)間和保護(hù)實(shí)際延時(shí)時(shí)間，變換式(13)得

式(14)即為在IDMTL OC保護(hù)中故障電流改變時(shí)的延時(shí)時(shí)間計(jì)算公式。表5為在圖3所示過渡運(yùn)行方式下各保護(hù)的動作時(shí)間和靈敏度及其約束違背數(shù)，表6為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí)各保護(hù)動作時(shí)間及其約束違背數(shù)，可見，在兩種情況下時(shí)間級差和靈敏度都可準(zhǔn)確配合，滿足選擇、靈敏、可靠和快速性要求，協(xié)調(diào)配合的目標(biāo)函數(shù)值可作為整定值評價(jià)的指標(biāo)。

圖3 過渡運(yùn)行方式

3 結(jié)語

(1)提出了一種用于繼電保護(hù)協(xié)調(diào)配合計(jì)算的時(shí)間靈敏度優(yōu)化配合方法，該方法以時(shí)間級差約束違背數(shù)、故障持續(xù)時(shí)間、靈敏度約束違背數(shù)和配合對動作時(shí)間差與時(shí)間級差之差的加權(quán)和作為保護(hù)系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合的優(yōu)化目標(biāo)，并采用速度跟蹤粒子群算法對其進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

(2)以一個(gè)配電網(wǎng)反時(shí)限過流保護(hù)配合為算例進(jìn)行了計(jì)算和分析，其結(jié)果表明TSOC方法可根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)和整定需要方便、量化地對繼電保護(hù)性能選擇進(jìn)行適當(dāng)折衷，具有很好的實(shí)用性和有效性;其目標(biāo)函數(shù)值也可作為整定值評價(jià)的指標(biāo)。

［1］IEEE PSRC Workin Group.Computer Aided Coordination of Line Protection Schemes［J］.IEEE Trans.on Power Delivery，1991，6(2):575 －583.

［2］Lee S J，Yoon S H，Yoon M C，et al.An Expert System for Protective Relay Setting of Transmission Systems［J］.IEEE Trans.on Power Delivery，1990，15(2):1202－1208.

［3］Bijoy C.An On－line Relay Coordination Algorithm for A-daptive Protection Using Linear Programming Technique［J］.IEEE Trans.On PWRD，1996，11(1):165 －171.

［4］Urdaneta A J，et al.Coordination of Directional Overcurrent Relay Timing Using Linear Programming［J］.IEEE Trans.On PWRD，1996，11(1):122－129.

［5］So C W.Intelligent Protection Coordination System［D］.The Hong Kong Polytechnic University，2001.

［6］So C W，Li K K，Li K T，et al.Application of Genetic Algorithm for Overcuurent Relay Coordination［C］.IEE 6th International Conference on Developments in Power System Protection，UK，Nottingham，1997.

［7］So C W，Li K K.Time Coordination Method for Power System Protection by Evolutionary Algorithm［C］.IEEE Industry Application Society Annual Meeting，Arizona，Phoenix，1999.

［8］So C W，Li K K.Overcurrent Relay Coordination by Evolutionary Programming［J］.International Journal of Electric Power System Research，2000，53(2):83－90.

［9］So C W，Li K K.Protection Relay Coordination on Ringfed Distribution Network with Distributed Generations［C］.Proceedings of IEEE TENCON’02，Beijing，China，2002.

［10］So C W，Li K K.Intelligent Method for Protection Coordination［C］.2004 IEEE International Conference on E-lectric Utility Deregulation，Restructuring and Power Technologies(DRPT2004)，Hong Kong，2004.

［11］So C W，Li K K.The Influence of Time Coordination Me－thod on Supply Reliability［C］.Conference Record of Industry Applications Conference，2000.

［12］杜新偉，劉滌塵，李媛.基于新型小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力故障回放技術(shù)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2007，31(15):84－88.

［13］杜新偉，劉滌塵，袁榮湘，等.虛擬繼電保護(hù)柔性建模仿真系統(tǒng)的研究［J］.電力系統(tǒng)自動化，2008，32(17):55－60.