考慮系統運行方式的繼電保護在線智能校核

鄧豐強，呂飛鵬，廖小君，張新峰，張向亮

（1.四川大學電氣信息學院，成都 610065；2.四川電力職業技術學院，成都 610072）

考慮系統運行方式的繼電保護在線智能校核

鄧豐強1，呂飛鵬1，廖小君2，張新峰1，張向亮1

（1.四川大學電氣信息學院，成都 610065；2.四川電力職業技術學院，成都 610072）

運行方式靈活多變的現代互聯電網對繼電保護的要求越來越高。根據電網繼電保護定值整定和校核相似的特點，結合保護整定思路，提出了考慮系統運行方式的繼電保護在線智能校核。首先，結合風險理論和連鎖故障理論評估保護重要度，根據重要度由高到低的順序在線校核保護定值；其次，對于不滿足“4性”要求的保護定值，根據其運行方式集進行修訂，而滿足“4性”要求的保護定值則無需修訂。實現了保護定值的在線智能校核，對提高電力系統的安全穩定運行有著重要的理論和現實意義。

在線智能校核；運行方式集；保護重要度；影響域；繼電保護

繼電保護裝置是電力系統安全運行的保障。隨著電力建設的快速發展，我國電網規模不斷擴大，電網結構日益復雜，運行方式靈活多變。這些因素給傳統的繼電保護離線整定和校核帶來巨大壓力和挑戰，同時也給電力系統的安全運行帶來了很多問題[1]。文獻[2，3]提出了繼電保護在線校核的概念和核驗方法，并探討了在線校核的基本結構等；文獻[4]開發了針對地區電網特點的保護定值智能校驗系統；文獻[5]提出了在線保護智能預警系統及校核原則，分析了自動校核的推理機制；文獻[6，7]開發了適用于大電網的在線校核系統，并闡述了系統的組成和結構設計。

電力系統的運行方式是包括發電、輸電和配電等在內的總體運行方案，是實現電力系統安全優質和經濟運行的基本保障。隨著電網規模的擴大和電網結構的日趨復雜，電力系統運行方式的選擇變得越來越復雜。為獲得合理的運行方式，文獻[8]提出了以環網耦合指標為判據的運行方式組合方法，在一定程度上縮短了確定極端運行方式的時間；文獻[9]根據復雜網絡理論，用帶權網絡模型描述大型電力系統，提出了基于最短電氣距離的運行方式組合方法。

本文提出了考慮系統運行方式的繼電保護在線智能校核方法，將定值整定思想運用于定值校核，并按保護重要度由高到低的順序進行在線校核，實現“該校核則校核，不必校核則不校核”的在線智能校核。

1 在線校核思想

在線校核，即利用能量管理系統EMS（energy management system）/數據采集與監制系統SCADA（supervisory controland data acquisition）采集的電力系統實時數據，判別在實時運行方式下的系統性能，包括保護的保護范圍和選擇性。一旦存在保護拒動或誤動隱患，校核系統就會給出報警信息，提高系統運行的安全性。

1.1 保護重要度的提出

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保護，從而有針對性地提高系統可靠性。

現有的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。在實際電網中，各繼電保護的重要度有所不同，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的安全穩定運行產生較大影響。

根據各保護的重要程度從高到低進行選取，重要度高的保護優先進行校核，重要度低的保護次之，使校核更為合理。

1.2 保護重要度的評估

文獻[10，11]通過建立相應的元件模型和物理過程模型，將風險理論應用于系統故障分析，進而評估系統重要保護。風險理論是在考慮系統不確定因素的基礎上，將導致災害的可能性及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。

本文從電源、電網、負荷、功角和綜合等方面描述系統風險，即用電源孤立風險（RBI）、電網解列風險（RNB）、負荷孤立風險（RLI）和綜合風險（RINT）來衡量系統風險指標。

（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拒動時，發生發電機脫離系統的現象即為電源孤立。其概率為

式中：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，進行標么化處理后，得

式中：PG（i）為第i次實驗造成電源孤立的功率損失；PS為系統總功率。

由上可知，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。發生連鎖故障時，線路的連鎖跳閘可能引發電網解列。其概率為

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，進行標么化處理后為

式中，PN（i）為第i次實驗發生電網解列的系統容量損失。

同理，對于含有M條線路支路的系統，第k處保護裝置誤動或拒動造成電網解列的風險為

（3）負荷孤立風險。某條線路發生短路故障觸發保護裝置的誤動或發生拒動時，引發負荷脫離系統的現象即為負荷孤立。其概率為

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，進行標么化處理后為

式中，PL（i）為第i次實驗發生負荷孤立的負荷損失。

同理，對于含有M條線路支路的系統，第k處保護裝置誤動或拒動造成負荷孤立的風險為

（4）綜合風險。綜合風險反映連鎖故障對整個電力系統的影響，本文綜合以上3種風險，定義其加權和為系統的綜合風險，即

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

（5）保護重要度指標。把保護k不正確動作造成的各風險的加權和作為衡量該保護k重要與否的指標，即

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。

1.3 評估方法仿真驗證

本文采用蒙特卡羅方法來模擬電力系統連鎖故障，并以IEEE39節點測試系統為例對所提出的評估算法進行仿真驗證，測試系統如圖1所示。

圖1 IEEE39節點測試系統Fig.1 IEEE 39-bus testsystem

仿真中假設線路發生短路的概率與各線路長度成正比來求取第i條線路發生故障的概率p（i）。

每條支路進行15 000次仿真，并假設系統中電源孤立、電網解列以及負荷孤立的權重系數分別取為0.5、0.3、0.2[15]。仿真得到各保護重要度指標，如表1所示。

由表1可以看出，保護43的重要度指標最大，處于同一條線路對端的保護42次之，這是因為保護43和42誤動均會造成33和34號機脫離系統，因而影響相當，但二者拒動將造成不同后果，保護43拒動將切除33號機，保護42拒動將孤立母線16上的負荷，33號機的容量大于母線16上的負荷容量，即保護43拒動的后果較嚴重，所以其重要度指標較大。

表1 保護重要度指標Tab.1 Protection importance indicators ×10-4

2 運行方式集思想的提出

在電力系統的實際運行中，運行方式是不斷變化的。傳統的運行方式選擇方法只計及少數有代表性的運行方式，過于簡單，得到的定值往往過于保守，而考慮全網所有可能的運行方式又過于復雜，因為所有可能的運行方式過多，即使借助計算機的高速性能計算，在時間上也無法接受，這樣便難以保證繼電保護裝置充分發揮其性能。因此，為了充分發揮繼電保護的作用，改善保護裝置的性能，必須合理地選擇電力系統運行方式。

2.1 運行方式集定義

電力系統的運行方式是指在選取了合理的元件或元件組合的基礎上，持續不間斷地使系統完成發電、輸配電和供電的過程，并且盡量使系統運行經濟效益最大。實際上，運行方式的選擇就是選出與保護所在線路關系密切的元件。

保護的運行方式集就是一個元件集合，集合里單個或多個元件組合發生運行方式的變化時，將形成對該保護最不利的運行方式。

2.2 運行方式集原理

根據實踐經驗，有些元件運行方式的改變對其他元件的影響很小，在整定和校核中可以不考慮，也就是說，電力系統運行方式的變化，只對繼電保護系統中某個區域內的定值有較大影響，將受影響的區域稱為影響域。因此，在運行方式變化時僅需對影響域內的元件或裝置進行校核即可。

對于系統中的重要線路，本文通過確定影響域來校驗其運行方式的變化對系統的性能和影響，提高校核的準確性并避免繼電保護裝置發生拒動或誤動。

隨著電網規模和結構的變化，在實際電力系統運行中，拓撲結構和參數變化方式多樣化。元件的開斷或廠站的投停等運行方式的變化均可以通過節點阻抗矩陣的變化來反映和表征。因為節點阻抗矩陣作為電力系統數學模型，可以完全表征整個電力網絡及其屬性。

通過運行方式改變時，短路點處阻抗矩陣自阻抗的變化量來判斷元件影響程度，判據[13]為

式中：Zii為正常運行方式下短路點處的自阻抗；ΔZii為自阻抗變化量；α為閾值。

判別方法為：當k＞α時，表示該元件參與運行方式的組合，即投入或斷開運行；當k＜α時，表示該元件運行方式的改變對其他元件影響并不大，不需要參與運行方式的組合。

2.3 運行方式集的建立

為了提高計算速度，必須適當選擇計算網絡的數學模型。本文提出采用節點阻抗矩陣模型，分析時可直接取有關節點進行運算，多次重復使用時計算速度快。

在電路理論中，節點方程為

顯然，節點阻抗矩陣是一個n×n階對稱矩陣，其對角元Zii（i=1，2，…，n）稱為自阻抗，在數值上等于節點i注入單位電流，其他節點都不注入電流時節點i的電壓，即

節點阻抗矩陣的非對角元Zji（j=1，2，…，n；j≠i）稱為互阻抗，在數值上等于節點i注入單位電流，其他節點都不注入電流時節點j的電壓，即

雖然原則上可運用矩陣求逆的方法通過節點導納矩陣得到節點阻抗矩陣，但實際上通常采用支路追加法形成節點阻抗矩陣。支路追加法的實質就是根據自阻抗和互阻抗的定義直接求節點阻抗矩陣。

電流變化由阻抗變化引起，阻抗矩陣中各相關元素對于電流變化的影響是不同的。因此，設法找到可以完全代表電流變化的元素，則電流變化程度的求取就變成阻抗變化的求取，而阻抗的變化過程可以直接從阻抗矩陣得知，過程較簡單。

自阻抗是系統網絡中一個很重要的量[14]?；诖?，提出耦合關系用以描述保護所在元件與其他元件的關聯程度，并用耦合度來衡量這種耦合關系的程度，即

式中，k表示耦合度，其值在0與1之間，值越大則耦合關系越強。其他元件的運行方式改變對保護所在線路或元件的影響也表示為

耦合度強的影響大，耦合度弱的影響小。

在選擇運行方式時，先確定耦合度的限值，大于限值的則考慮其對應的運行方式；或者設定要考慮的運行方式總數，將運行方式按耦合度大小排列，依次選擇運行方式。如此確定參與運行方式組合的元件其實是一元件集合A，集合內的元件對保護定值影響較大，需要考慮其運行方式的變化。此外，運行方式的組合需要遵循一定的原則，譬如整定保護所在端母線的相鄰節點，無論所得耦合度大小如何，它必須進入集合A；某些元件是不允許停運的，所以即使其在集合A中，也不考慮其運行方式的變化，等等。

具體來說，形成運行方式集步驟如下：

步驟1分析并計算各元件與被保護元件耦合度的大小；

步驟2根據系統規模和網絡情況，確定閥值α或數目限值N，得到運行方式集即元件集合A；

步驟3根據系統運行的要求修正元件集合A，確定最終合理的運行方式（集）。

需要注意的是，對于不同的系統，網絡規模和結構有很大不同，其能允許的元件集合A的大小也就不同，所以閥值和限值的確定，要根據具體情況由專職人員確定。

3 在線智能校核實現

對保護的重要性進行評估，按重要度由高到低的順序對保護進行在線預警和校核，對于提高保護的安全性和電力系統的運行可靠性等有著十分重要的意義。隨著信息技術和網絡技術的發展以及電力系統的日益數字化，在線校核早已具備外部條件。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和依據，進一步提高電力系統的安全穩定運行。

3.1 實現構想

考慮到電網中，各保護的重要度有所不同，如果某保護在系統中處于重要位置，那么該保護誤動或者拒動將對系統的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，隨機或者順序地對保護進行選取和校核，直至所有保護校核完畢。同時，鑒于整定和校核相似的思想，將運行方式集方法運用于保護定值的在線校核，即在確定好每個保護的元件集合后，將其集中組成運行方式組合庫。因此，當系統中某個元件的運行狀態發生變化或者某保護的定值不符合“4性”要求時，通過運行方式組合庫便可以搜索到受其影響的保護（本文稱為影響域），對這些保護的定值進行在線校驗和修訂，以適應當前新的運行方式，只需校驗影響域內的保護定值，而不必校驗所有保護定值，并且通過逐條原則校核后直接下載到保護裝置，無需人工審核，使校核更加智能化。

3.2 在線智能校核實現流程

實現在線校核，就是要盡可能少地調整網絡的原定值，同時修訂新定值來滿足定值的選擇性和靈敏性等。即使不滿足，也要盡可能少地修改原定值。

實現考慮系統運行方式的保護定值在線智能校核的流程如圖2所示。

3.3 在線智能校核實現結構

根據以上所述，本文提出的考慮系統運行方式的繼電保護在線智能校核實現結構如圖3所示。

統一數據平臺是系統的核心，集中處理所有數據，數據庫設計的優劣將直接影響系統各項功能的實現和性能，圖形系統和各分析應用程序中的數據調用和存儲等均在其支持下完成。

在線智能校核系統與EMS/SCADA連接，負責讀取實時運行數據，與系統中電網結構數據對應，形成相應的運行方式數據；在線保護定值校核時，為了給有關人員提供保護運行信息以便實時決策，校核結果也將發布到EMS/SCADA系統中。

圖2 在線智能校核流程Fig.2 Flow chartofonline intelligentverification

圖3 在線校核結構示意Fig.3 Sketchmap of online verification structure

4 結論

（1）在已有整定和校核的研究基礎上，提出了考慮系統運行方式的繼電保護在線智能校核，根據各保護的重要程度從高到低，重要度高的保護優先進行校核，重要度低的保護次位，同時，對于校核不符合“4性”要求的保護，根據其運行方式集進行修訂影響域內保護定值，使校核更為合理，更加具有理論和現實意義。

（2）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帶來的弊端；運用節點阻抗矩陣來確定運行方式集的方法既避免了傳統運行方式選擇的簡單化，又避免了電流等計算的復雜化，實用而且操作簡單。對電力系統的安全穩定運行和可靠性的提高有著十分重要的意義。

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Online Intelligent Verification of Relay Protection Considering System Operation M ode

DENGFeng-qiang1，LU¨Fei-peng1，LIAOXiao-jun2，ZHANGXin-feng1，ZHANGXiang-liang1
（1.Schoolof Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.Sichuan Electric Vocationaland TechnicalCollege，Chengdu 610072，China）

Modern interconnected power system with flexible operation modes has attracted high demands on relay protection.According to the similar characteristics of setting and checking of relay protection and combined with protection setting ideas，a study on online intelligent verification of relay protection considering operation mode is proposed.First，evaluate protection importance combined with risk theory and cascading failure theory，and check protection settings according to protection importance from high to low order online.Then，revise the protection settings notsatisfying the“fournatures”according to theiroperationmode sets，and do not revise the onesmeeting the requirementsof“fournatures”.Implementonline intelligentchecking isofgreatsignificance to improve the security and stability ofpower system.

online intelligent verification；set of operation mode；protection importance；influence domain；relay protection

TM77

A

1003-8930（2013）05-0071-06

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

2011-11-21；

2011-12-19

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

廖小君（1974—），男，碩士，副教授，研究方向為電力系統繼電保護。Email：liaoxj_px@sina.com