基于改進免疫算法的分層次廣域保護系統

何佳佶 呂飛鵬 王玉財 陳星欣

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基于改進免疫算法的分層次廣域保護系統

何佳佶 呂飛鵬 王玉財 陳星欣

（四川大學電氣信息學院，成都 610065）

本文在分層次保護結構的基礎上，提出一種基于免疫算法的分層次廣域保護系統。根據功能和范圍不同，將系統分為測量與監控層、區域決策層和系統監控層3個層面。文章對免疫算法進行了改進，實現了系統監控層面疑似故障點的快速定位，并提出了基于免疫算法的分層次系統決策方案。最后通過大量仿真算例對比傳統結構的保護算法，該系統在系統監控層上保證了故障識別的準確性，同時有更高的計算效率和更加合理的算法流程。

廣域保護；免疫算法；分層次；誤動；拒動；故障元件識別

隨著電網的不斷發展，傳統后備保護的整定配合也愈發復雜，特別是當發生潮流轉移時保護整定值無法及時調整，存在連鎖跳閘的風險[1-2]。另一方面，廣域保護故障識別算法的日趨完善[3-6]為建立更完善的廣域后備保護系統提供了有力保障。

廣域保護系統根據所基于的結構不同，可分為分布式、集中式和分層式3類[7]。分布式結構由分布式智能電子設備（intelligent electronic device, IED）互相協助完成整個保護功能，但獲取的信息有限，區域邊界問題明顯；集中式結構通過收集大量信息分析并做決策，更能體現廣域保護的優勢；分層式結構結合兩者的優點，是廣域保護結構的發展方向。

文獻[8]闡述了三層式結構的可行性與優勢，但具體通信與保護算法并未說明。文獻[9]將系統結構分為本地測量層、區域決策層和系統監控層三層。該方式具備一定的容錯能力，但對于復雜網絡的區域劃定不易實現，且信息采集并不夠充分。文獻[10]提出一種基于免疫算法的廣域保護識別算法，該算法具備很高的容錯性，但算法計算量較大，無法直接運用到分層結構系統中。

結合分層式結構與免疫算法故障識別的優點，本文提出一種基于免疫算法的分層次廣域保護系統。系統分為測量與執行層、區域決策層和系統監控層3個層面。通過改進免疫算法實現系統監控層面疑似故障點的快速定位，區域決策層依然采用傳統算法保證足夠的容錯率。系統在基于SDH光網絡的通信網下[11]，實現系統內信息互聯。

1 分層次廣域保護系統結構

1.1 系統結構

分層次廣域保護結構如圖1所示。最低層由安裝在各個變電站內的IED組成。智能變電站的IED通過加載不同保護算法實現所在元件的故障識別。各IED實時測量元件的電氣信息，同時收到上層動作信號后迅速跳開斷路器。中間層是區域決策層，由系統內各變電站子站組成。子站實時收集站內IED信息，若該子站收到IED跳閘信號，則上傳該站所有IED信息。同時，子站接受到上層疑似故障點信號后起動算法精確定位故障點，并做相應后備操作。選擇區域內調度通信中心作為中心站構成頂層系統監控層。中心站快速識別疑似故障點并排除拒動等擾動，同時協調區域負荷與電網穩定控制。

圖1 分層次廣域保護系統結構

1.2 故障區域自適應識別

目前大多數廣域保護算法都是以某一故障為目標進行計算，所謂某一故障就是以一個具體電氣節點為目標進行模擬故障計算，未考慮故障點的隨機性。因此，區域內發生故障時，為保障結果的可靠性，系統需要收集大量信息。通過故障區域自適應識別方法，可以有效解決邊界問題，減小系統的通信量[12]。

本文采用層次化系統結構，區域劃分所需時間要盡量的少，因此，區域自適應識別算法需要做一定簡化。傳統區域的廣域保護識別算法有大量無效計算數據，計算區域故障點時僅需包含疑似故障點相鄰近、遠后備保護范圍內的線路。因此，中心站搜集廣域信息并識別出疑似故障點后，以該疑似故障點為中心，將故障點相鄰線路及其近、遠后備范圍內的線路劃定為疑似故障區域。以該疑似故障區域進行后備保護算法，實現故障區域的自適應識別。

以圖2的IEEE-30節點系統為例，將該30節點系統作為廣域保護系統的一個集中結構。假設L20點發生短路故障，若中心站能識別到L20為疑似故障點，則以L20為中心，選擇相鄰母線B16、B17以及其他近、遠后備范圍內的母線與連接線路構成疑似故障區域，見圖中虛線所示區域。

圖2 IEEE-30節點系統圖

2 基于免疫算法的故障識別與決策算法

本文采用具有高容錯性的免疫算法作為故障識別算法。考慮到重要元件保護的可靠性較高，在信息采集時收集發電機、變壓器等信息，有利于提高故障判斷的準確性，同時有利于中心站潮流轉移算法的識別。

2.1 采集信息編碼

故障元件的識別主要依靠不同算法的IED采集到的信息，主要有3大類：①基于傳統繼電保護的就地主保護元件，如基于雙端信息的主保護元件、基于單端信息的距離保護等；②基于廣域后備保護算法的故障識別元件，如基于電流比較原理的故障識別元件、基于故障電壓比較的故障識別元件、基于故障電流分布的故障識別元件等；③基于方向判別算法的故障方向判別元件。

本文將收集的信息規范為3類，主保護動作信息、廣域后備保護算法信息和方向元件信息。考慮到決策信息的獨立性，保護范圍內不同的信息采用不同信道的IED收集。根據免疫算法的要求對信息進行編碼，原則如下：

1）主保護動作IED輸出1，未動作輸出0。

2）廣域保護算法識別到該元件故障輸出1，未識別輸出0。

3）方向元件識別故障時的故障電流方向，電流流出母線為1，流入母線為-1，無故障電流輸出0。

4）系統接收數據以母線為單位，按照發電機、變壓器、線路、輸出端的順序組成抗原矩陣，根據線路重要程度安裝不同數量、不同算法的主保護與后備保護元件，經過決策輸出IED動作值，數據畸變或接收失敗以數值2代替。

編碼時，母線上第元件的IED輸出記為：

母線上各元件按發電機、變壓器、線路、輸出端的順序排序，對于任意一個參數發生變化整個站點信息都傳入數據中心，生成抗原矩陣，即

式中，B表示以母線為單位生成的抗原矩陣。發生故障時，中心站接收到不同子站的抗原矩陣的集合作為抗原。

2.2 故障識別原理

基于免疫算法的故障定位主要由建立抗體庫、免疫操作和譯碼等部分組成。

首先要建立相應容量的抗體庫，即理想情況下所屬區域內的所有元件出現故障時各IED應該接收到的狀態矩陣。同時，實時監視各IED的情況，當有故障信息出現時立即讀取含有故障信息的狀態矩陣生成疑似故障抗原。通過免疫操作計算抗體的親和度，最后決策機構譯碼并向相應的斷路器發出動作跳閘命令或者閉鎖命令。

（3）

式中，為抗體N對位的位數。

中心站在識別故障時需要保證一定程度的準確性，同時更應滿足時效性，而子站的故障識別首要滿足準確性。因此，決策算法分別如下：

1）識別疑似故障點

對于區域中心站應實時更新網內拓撲結構，根據拓撲結構生成該區域的抗體庫。中心站一旦收到故障信號，系統立即做出結論并將信息傳回子站。為了保證時效性，同時快速判斷疑似故障點，識別算法應盡量簡單。

定義抗體N與抗原的沖突因子N：

沖突因子N反映了不同元件對采集信息的沖突強度，N越小，N對應的元件故障可能性越高。

在決策時，為保證系統能正確識別誤動以及故障點判斷的準確性，需要設置一定的閾值。決策結果N為

式中，N為1時，系統判定元件N疑似故障，閾值N與元件N性質和相鄰拓撲結構有關。

閾值N取值過大或過小都會導致決策易發生誤判。若被保護元件的相關主保護IED全部失效，即發生變電站全站掉電的極端情況，該算法已失去意義。因此，N取值在保證盡量小的情況下，不應小于對應元件N相關主保護數。如圖2中，20的故障閾值L20為3，B16的故障閾值B16為4。

2）疑似故障區域內故障點識別

系統根據疑似故障點生成疑似故障區域，為了保證準確性，在區域內要使用完整的免疫算法計 算[13]。通過免疫算法計算得到區域內不同元件的親和度，決策元件根據免疫算法結果做出相應動作。

2.3 廣域保護跳閘策略

廣域保護主要實現電網近后備、遠后備等后備保護功能，在跳閘策略上要區別于主保護功能。本文從結構上把廣域保護系統分為3個層面，因此算法流程分為中心站和子站流程。

1）中心站流程

作為區域監控層面，中心站收集的數據量極大，系統面臨較大的數據失真考驗。同時，由保護整定不協調、區域潮流變化等原因易引起元件誤動。考慮以上兩方面，系統加入防誤動模塊。

中心站運行時，實時加載電網拓撲結構并生成抗體。斷路器動作或信號丟失后，中心站接收到抗原信號。系統立即執行疑似故障點識別算法，得到識別結果N。若N=0，則判斷元件誤動，系統返回不動作指令，同時加載潮流轉移算法并在線調整保護整定值。若N=1，則排除元件誤動，立即向子站發送故障元件信息。中心站流程圖如圖3所示。

2）子站流程

廣域保護作為后備保護，主保護正確動作時應及時閉鎖避免擴大停電范圍，主保護未能正確動作時加速臨近后備保護以減小停電造成的影響。因此，系統加入防拒動模塊增強后備保護功能。

圖3 廣域保護中心站流程圖

子站運行時，實時加載附近區域的拓撲結構并生成抗體庫。收到中心站的疑似故障信號后，根據疑似故障點生成疑似故障區域并起動免疫算法。根據算法結果可以得到具體故障元件，若故障元件兩側有主保護IED顯示未動作，則判定該IED所控制的斷路器拒動，命令相鄰后備保護加速動作并將信息傳遞給中心站；若保護正常動作，閉鎖相鄰后備保護，調整跳閘后的保護整定值并將信息返回給中心站。子站流程圖如圖4所示。

圖4 廣域保護子站流程圖

3 算例分析

中心站作為系統監控層，是分層次廣域保護系統的核心，需要保證其能正確識別故障，而子站在排除誤動干擾后可以有效判斷元件情況，即使判斷失效也能快速動作減小停電范圍。因此在這里通過常規后備保護和容錯性分析中心站識別故障能力。

3.1 中心站常規后備保護算例分析

本文仍以圖1所示的IEEE-30節點為例。分別在線路L20、母線B30上發生故障時，考慮誤動、拒動。通過快速識別算法分析分別可以得到故障抗原與相關抗體的沖突因子，表1至表3分別為L20故障時線路正常情況和拒動情況的沖突因子表。

表1 L20故障正常情況下沖突強度表

表2 L20故障單側斷路器拒動時各抗體與故障抗原沖突強度

表3 L20故障兩側斷路器拒動時各抗體與故障抗原沖突強度

從表中可以得知，在兩側斷路器都拒動的情況下L20的疑似故障判斷依然有很大的裕量。同理可以得到B30故障時最嚴峻的情況發生在母線側斷路器全部拒動，此時中心站快速判斷的準確性依然有一定裕量，結果見表4。

表4 B30故障斷路器全部拒動時各抗體與故障抗原沖突強度

若某元件誤動，以抗體庫中L20附近抗體為例，各抗體與抗原沖突因子如下，不滿足閾值條件，中心站判定為元件誤動，計算結果見表5。此時中心站只需將信息傳遞給誤動子站，不需要進一步的計算，同時避免了極端條件下傳統算法誤判造成的停電范圍擴大等情況。

表5 某元件誤動時各抗體與故障抗原沖突強度

文獻[13]提及一種超過傳統免疫算法容錯能力的情況，通常會得到兩個相鄰元件故障的結論。若只是由于某一斷路器拒動引起此現象，則勢必導致判定結果嚴重錯誤。通過子站的算法流程可以有效區分此情況。

與傳統免疫算法相比，中心站在一般故障拒動、誤動識別功能的準確性方面一致。

3.2 中心站容錯性與計算性能分析

以母線故障為例，通過對IEEE-30節點系統內各節點的模擬故障分析，記錄每個節點受數據失真影響所允許的最高沖突因子與傳統結構的免疫算法對比，如圖5所示。對30個節點加權平均計算可以得到，最嚴重情況下，中心站改進免疫算法的容錯性能相較于傳統結構免疫算法減少了35.12%。

圖5 30節點故障的沖突因子對比圖

同時分析了使用兩種算法對B1～B10節點的計算時間，對比如圖6所示。對10個節點加權平均計算可以得到，中心站改進免疫算法的計算時間相較于傳統結構免疫算法減少了81.47%。

圖6 10節點故障的計算時間對比圖

通過算例分析可知，該改進算法在保證有足夠容錯率的情況下，大幅提高了后備保護的速動性。

4 結論

廣域保護的根本目的在于防止連鎖跳閘事故、改善后備保護性能。對此，本文提出基于免疫算法的分層次廣域保護系統。系統采用改進的免疫算法，調和了通信量與數據容錯性的矛盾。IEEE-30節點系統的多組案例計算表明，該系統在各類極端工況下均能有效判斷故障位置，排除擾動影響，與傳統分層次系統相比，保證了算法的容錯性和準確性；與傳統免疫算法對比，該系統顯著提高了計算效率，算法流程更為完善。為防范大規模潮流轉移引起的連鎖跳閘事故以及后備保護的在線整定提供了結構基礎。

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Hierarchically Wide-area Protection System based on Improved Immune Algorithm

He Jiaji Lv Feipeng Wang Yucai Chen Xingxin

(School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065)

On the basis of immune algorithm based wide-area protection fault identification, a hierarchically wide-area backup protective system is proposed. According to different functions and scope of the wide-area protection, the system is divided into measurement and monitoring layer, regional decision-making layer and system monitoring layer. In this paper, improved immune algorithm is used to achieve the fast fault location of the suspected fault point in the system monitoring level, and proposed a hierarchical system decision-making scheme based on immune algorithm. Compared with the conventional structure protection algorithm, case study demonstrates the efficiency and consistency of hierarchically wide-area protective system.

wide-area protection; immune algorithm; multi-level; malfunction; miss operation; identification of faulty components

何佳佶（1992-），男，碩士研究生，研究方向為電力系統微機保護及控制。