考慮保護重要度的繼電保護定值在線校核

鄧豐強，呂飛鵬

（四川大學電氣信息學院，成都 610065）

考慮保護重要度的繼電保護定值在線校核

鄧豐強，呂飛鵬

（四川大學電氣信息學院，成都 610065）

現代互聯電網運行方式靈活多變，對繼電保護的要求越來越高。為了使繼電保護定值校核和管理更加科學有效，提出了考慮保護重要度的繼電保護定值在線校核。首先將風險評估理論和電網連鎖故障風險相結合，得出系統綜合風險并將其用于衡量各保護的重要度；然后根據重要度從高到低的順序對所有保護定值進行在線校核。通過IEEE39節點系統的仿真和算法復雜度的分析，驗證了該方法的可行性和正確性，避免了傳統隨機校核各保護定值帶來的不足，對提高電力系統的安全穩定運行有著重要意義。

在線校核；保護重要度；繼電保護；蒙特卡羅法；算法復雜度

繼電保護裝置是電力系統最重要的二次設備之一，同時也是電力系統安全運行的保障。國內外多次實例證明，停電范圍較廣的大型電力系統事故，大多直接或間接地與繼電保護裝置的不正確動作有關[1-2]。因此，為及時發現并校正不合理的繼電保護定值，提高繼電保護運行管理水平，眾多學者對其做了研究。文獻[3]提出了繼電保護在線校核的概念和核驗方法，并初步探討了在線校核的基本結構等問題；文獻[4]開發了針對地區電網特點并適用于地區電網的保護定值智能校驗系統；文獻[5]提出并開發了基于能量管理系統EMS（energy management system）/調度員培訓模擬器DTS （dispatcher training simulator）在線保護智能預警系統，并已在線應用于某省級電網；文獻[6-8]提出了基于地區電網的繼電保護整定值校核與風險評估系統，同時明確了校核“四性”概念；文獻[9-11]從不同角度闡述了在線校核系統的組成和結構設計。

考慮電網中各繼電保護的重要度有所不同，即如果某保護在系統中處于重要位置，則該保護誤動或者拒動會對系統安全穩定運行產生較大影響，而現有校核方法平等地對待系統中的所有保護，隨機或者順序對保護進行選取和校核，直至所有保護校核完畢。因此，本文在諸多學者已有的整定和校核研究基礎上，提出了考慮保護重要度的繼電保護定值在線校核，該方法根據各保護的重要程度從高到低進行選取，重要度高的保護先進行校核，重要度低的保護稍后校核，這樣使得校核更為合理，更加具有理論和實際意義。

1 在線校核概述

在線校核就是根據能量管理系統EMS/數據采集與監控系統SCADA（supervisory control and data acquisition）對電力系統采集的實時數據（包括系統拓撲結構、運行方式、保護配置定值等），實時判別系統所有保護的性能，校核當前運行方式下的各保護性能，為系統電能調度的實現和系統運行方式的制定提供支持，提高系統運行的安全性。

和整定圍繞繼電保護“四性”類似，在線校核也圍繞可靠性、速動性、靈敏性和選擇性展開。其中，可靠性校核側重于校驗保護的配置健全與否；速動性校核側重于當前方式下繼電保護速動段的保護范圍達到規程要求與否；靈敏性校驗主要校驗當前方式下保護范圍內部故障時保護能夠可靠動作與否；選擇性校核主要對當前方式下保護范圍外部故障時保護范圍可靠不動作進行校驗。隨著信息技術和網絡技術的不斷發展和電力系統的數字化，在線校核系統的研制早已具備外部條件，在線校核系統將實時校驗電力系統中的保護定值，為運行人員或整定人員提供參考依據，進一步提高電力系統的安全穩定運行。

目前，繼電保護裝置定值和各項性能指標在系統運行中是保持不變的，是在離線狀態下根據系統最大和最小運行方式獲得和確定。但在實際運行中，運行方式是不斷變化的，當系統處于某些特殊狀態時，系統中部分保護的定值可能不符合靈敏度和選擇性要求，有保護誤動隱患，若不能及時發現并調整，可能造成大范圍停電事故。為了電力系統安全保障體系可靠性進一步提高，有必要對繼電保護定值依重要度順序實行在線校核。

2 保護重要度的評估與驗證

考慮到在電網中，各繼電保護的重要度有所不同。若某保護在系統中處于重要位置，則該保護誤動會對系統安全穩定運行產生較大影響，而現有的校核方法平等地對待系統中的所有保護，隨機或順序地選取保護進行校核，直至所有保護校核完畢，在校核過程中并未考慮各保護重要度的差異，這樣會影響保護的校核效果。例如，在隨機或順序選取保護進行校核的過程中，重要度較低的保護可能較重要度較高的保護先進行校核，若這兩個保護都不滿足當前運行方式下的“四性”要求，而重要度較低的保護先發出安全警告、先調整定值，在這短暫的時間內，重要度較高的保護誤動對系統安全穩定運行產生的影響相對較大。因此，本文提出保護重要度方法。

2.1 保護重要度概述

保護重要度在系統可靠性分析中尤為重要，其目的是辨識出對系統可靠運行有著重要影響的重要保護，從而針對性地、以較低代價提高系統可靠性。對保護重要性評估，以便從重要性由高到低的順序對保護進行在線預警和校核，這對提高保護的安全性和電力系統的可靠性以及降低大規模停電事故的發生概率有著十分重要的意義。

2.2 連鎖故障風險

連鎖故障是一種概率較低但后果嚴重的事故，它是由系統中某一元件故障引起一系列其它元件停運的連鎖反應。風險理論是在考慮系統不確定因素基礎上，將導致災害的可能性和其嚴重度相結合的理論。風險指標計算公式為

式中：R為風險值；P為事件的發生概率；I為事件的產生后果。

2.3 電網連鎖故障風險指標

連鎖故障是一個逐步發展的慢過程，電力系統發生連鎖故障，最終將產生電源脫離、電網解列、功角失穩、負荷切除等嚴重后果，導致大規模停電事故。可見，電源、電網、功角、負荷4個方面反映了電力系統連鎖故障造成的相應風險。以下以線路短路故障為系統不確定因素，結合線路故障引起連鎖故障的可能性和嚴重度后果，分別從電源、電網、功角和負荷4個方面定義和建立電網連鎖故障風險指標[12-13]，綜合這4個方面的指標得到保護裝置不正確動作引起的系統綜合風險。

（1）電源孤立風險。當某條線路發生短路故障觸發保護裝置誤動或發生拒動時，可能發生發電機脫離系統的嚴重后果，稱為電源孤立。其概率為

式中：PBI為電源孤立的概率；i為試驗序號，i＝1，…，N，N為故障數；若發生電源孤立則B（i）為1，否則為0。

電源孤立將造成系統相應的功率損失，為進行比較，對該功率損失進行標么化處理，得電源孤立的后果為

式中：IBI為電源孤立的后果；PG（i）為第i次試驗造成電源孤立的功率損失；PS為系統總功率。

根據風險的定義，電源孤立的風險為

對于含有M條線路支路的系統，由第k處保護裝置誤動或拒動造成電源孤立的風險為

式中：P（i）為第i條線路發生故障的概率，可以通過歷年的統計數據求得。

（2）電網解列風險。電力系統發生連鎖故障時，線路的連鎖跳閘可能發生電網解列，稱為電網解列。其概率為

式中：PNB為電網解列的概率；i為試驗序號，i=1，…，N，N為故障數；若發生電網解列則S（i）為1，否則為0。

系統解列會造成整個系統容量的減小，進行標么化處理后，電網解列的后果INB為

式中：INB為電網解列的后果；PN（i）為第i次試驗發生電網解列的系統容量損失；PS為系統總容量。

根據風險的定義，發生電網解列的風險為

對于含有M條線路支路的系統，由第k處保護裝置誤動或拒動造成電網解列的風險為

（3）功角失穩風險。當某條線路發生短路故障觸發保護裝置誤動或拒動時，可能發生系統暫態功角失去穩定的后果，稱功角失穩。其概率為

式中：PUS為功角失穩的概率；i為試驗序號，i=1，…，N，N為故障數；若發生負荷孤立則U（i）為1，否則為0。

功角失穩將造成系統相應的功率損失，為便于比較，進行標么化處理，功角失穩的后果為

式中：IUS為功角失穩的后果；PU（i）為第i次試驗發生功角失穩的功率損失；PS為系統總容量。

根據風險的定義，功角失穩的風險為

對于含有M條線路支路的系統，由第k處保護裝置誤動或拒動造成功角失穩的風險為

（4）負荷孤立風險。當某條線路發生短路故障觸發保護裝置的誤動或拒動時，可能發生負荷脫離系統的嚴重后果，稱為負荷孤立。其概率為

式中：PLI為負荷孤立的概率；i為試驗序號，i=1，…，N，N為故障數；若發生負荷孤立則L（i）為1，否則為0。

負荷孤立將造成系統相應的負荷損失，為便于比較，進行標么化處理，負荷孤立的后果為

式中：ILI為負荷孤立的后果；PL（i）為第i次試驗發生負荷孤立的負荷損失；PS為系統總容量。

根據風險的定義，負荷孤立的風險為

對于含有M條線路支路的系統，由第k處保護裝置誤動或拒動造成負荷孤立的風險為

（5）綜合風險。綜合風險反映連鎖故障對整個電力系統的影響，本文綜合考慮以上4種風險，定義其加權和即為系統的綜合風險，即

式中：ωB、ωN、ωU和ωL分別為電源孤立風險、電網解列風險、功角失穩風險和負荷孤立風險的權重系數，且ωB+ωN+ωU+ωL＝1。

2.4 保護重要度指標

把保護k不正確動作造成的電源孤立風險、電網解列風險、功角失穩風險以及負荷孤立風險的加權和作為衡量一個保護k重要與否的指標，即保護k的重要度指標定義為

保護k不正確動作對系統造成的風險越大，保護k的重要度指標越大，說明保護k越重要。

3 算法實現與分析

3.1 仿真流程

本文采用蒙特卡羅方法來模擬電力系統連鎖故障[14]。首先隨機選取觸發事件，形成準誤動集，通過潮流計算確定其誤動概率，根據對誤動概率的分析確定誤動的保護裝置并將其觸發；若該誤動導致電源孤立、電網解列、功角失穩及負荷孤立等故障，則記錄故障路徑并重新開始新一次的模擬仿真，否則繼續仿真直至算法收斂或達到設置的最大次數。整個仿真過程結束后，可計算電源孤立、電網解列、功角失穩及負荷孤立的概率，進而得到系統綜合風險及保護重要度。蒙特卡羅法仿真的基本流程如圖1所示。

圖1 蒙特卡羅方法流程圖Fig.1Flowchart of Monte Carlo method

3.2 算例分析

為了驗證上述方法的正確性及可行性，本文應用MATLAB語言，并以IEEE39節點測試系統為例對所提出的算法進行仿真驗證。

IEEE39節點系統共有39個節點，其中包括10個發電機節點和19個負荷節點，其節點測試系統如圖2所示。

圖2 IEEE39節點測試系統圖Fig.2Test diagram of IEEE 39-bus system

在仿真中假設線路發生短路的概率與各條線路的長度成正比，由此求取得到第i條線路發生故障的概率P（i）。

每條支路進行15 000次仿真驗證，假設在系統中電源孤立、電網解列、功角失穩及負荷孤立處于同等重要的地位，即令ωB=ωN=ωU=ωL=1/4。

采用文獻[15]方法仿真得到各支路風險指標和各保護重要度指標結果分別如表1和表2所示（由于篇幅限制，本文均只列舉排在前面的10處；表2中加粗數字為線路保護近端母線編號）。

表1 支路風險指標Tab.1Branch risk indicators

表2 保護重要度指標Tab.2Protection importance indicators

從表1可以看出，因為與第21支路相鄰的有支路19-20、支路15-16和支路16-17，如圖2所示，故其故障造成的綜合風險最大。從表2可以看出，重要度指標最大的是保護43，而處在同一條線路對端的保護42次之，這是由于保護43和保護42誤動均會造成33號機和34號機脫離系統；但保護43拒動會切除33號機，而保護42拒動會孤立16母線上的負荷，即保護43拒動和保護42拒動造成的后果不同，而33號機的容量大于16母線上的負荷容量。

3.3 算法綜合分析

同一個問題可以用不同的算法去實現和解決，然而一個算法的優劣將直接影響到算法乃至整個系統的效率。算法分析的目的就是要選擇合適的算法。由以上算法仿真和算例分析可知本文算法的可行性，鑒于研究和應用人員對繼電保護定值在線校核算法的計算量和運算時間十分關心，因此有必要對其做相應分析。

一般用算法復雜度來衡量一個算法的合理性，而對算法復雜度的評價主要考慮時間復雜度和空間復雜度兩個方面。

（1）時間復雜度。一個算法所花費的時間正比于算法中語句的執行次數，語句執行次數越多，花費的時間就越多。算法中語句執行次數稱為時間頻度，記為T（n）。算法中基本操作的重復執行次數一般是問題規模n的某個函數，用T（n）表示，設輔助函數f（n）在n趨于無窮大時，T（n）/f（n）趨于非零常數，則f（n）與T（n）為同數量級函數，記T（n）= O（f（n）），稱O（f（n））為算法的漸進時間復雜度，簡稱時間復雜度。

（2）空間復雜度。算法執行時所需計算機存儲空間的度量稱為空間復雜度。

由各風險指標和保護重要度指標以及算例分析過程顯知本算法遞歸和嵌套循環極少，因而時間復雜度不高；本文所考慮的故障風險均是基于損失的有功功率所占比率來評估的，與其它同類算法相比，原理更為簡單，易于實現，加之現今計算機硬件的日益廉價，因而空間復雜度不足為慮。

4 在線校核實現

4.1 在線校核實現結構

根據以上所述，本文考慮保護重要度的繼電保護定值在線校核實現結構示意如圖3所示。

在線定值校核時，數據來自EMS/SCADA系統，為給調度人員提供保護運行信息以便實時決策，校核結果將發布到EMS/SCADA系統中。

圖3 在線校核結構示意圖Fig.3Diagram of on-line verification

4.2 在線定值校核流程

實現在線校核，就是要盡可能少調整網絡原定值，同時修訂新定值來滿足定值選擇性、靈敏性等；即使不能滿足，也要盡可能少地修改原定值。

定值在線校核過程中，先選定校核范圍，隨即根據算法所得重要度順序對各保護進行依次校核。校核流程如圖4所示。

圖4 在線定值校核流程Fig.4Flowchart of on-line setting verification

5 結語

針對具體保護，將保護不正確動作造成的風險作為保護重要度的評估指標，反映保護不正確動作對系統綜合風險的參與或貢獻程度，由此本文提出了基于保護重要度的繼電保護在線校核，其定義的風險指標有電源孤立風險、電網解列風險、功角失穩風險和負荷孤立風險，意義明確清晰，使用蒙特卡羅方法仿真，原理簡單，便于理解，易于在現實中推廣運用。

此外，通過對仿真結果的比較，可以方便地找出系統綜合風險最大，即重要度最大的繼電保護裝置，進而確定系統薄弱環節、實現按保護重要度由高到低的順序依次對各保護進行在線校核，避免了傳統的隨機或從前到后順序校核各保護帶來的弊端，對提高電力系統的安全穩定運行和可靠性有著十分重要的意義。

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On-line Verification of Relay Protection Setting Considering Protection Importance

DENG Feng-qiang，Lü Fei-peng
（College of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

The operation mode of modern interconnected power grid is very flexible，which requires high level of relay protection.To make the verification and management of relay protection setting more scientific and effective，an online verification of relay protection setting considering protection importance is presented.First，obtain system comprehensive risk（combining risk assessment theory with grid cascading failure risks）and use it to measure the importance of all protections.Then，verify protection settings online in order of protection importance from high to low.The simulation of IEEE39-bus system and the analysis of the algorithm complexity prove the method feasible and correct，which not only avoids the shortage of traditionally random setting check，but also has great significance to improve the security and stability of power system.

on-line verification；protection importance；relay protection；Monte Carlo method；algorithm complexity

TM77

A

1003-8930（2013）04-0085-06

鄧豐強（1986—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統繼電保護。Email：cbdhxk1986@126.com

2011-10-17；

2011-11-23

呂飛鵬（1968—），男，博士，教授，研究方向為電力系統繼電保護和故障信息處理智能系統。Email：fp.lu@tom.com