基于圖論的智能變電站站域后備保護跳閘策略

蔣紅亮 呂飛鵬

（四川大學電氣信息學院，成都 610065）

基于圖論的智能變電站站域后備保護跳閘策略

蔣紅亮 呂飛鵬

（四川大學電氣信息學院，成都 610065）

目前對站域后備保護算法研究已有一定的進展，但對相應跳閘策略研究還比較缺乏。針對這一空白，本文提出了一種基于圖論知識的站域后備保護跳閘策略。根據智能變電站拓撲結構、站間連接關系及斷路器狀態信息，形成實時站內元件-開關關聯矩陣和站間元件-開關關聯矩陣，然后結合故障元件和失靈斷路器的具體情況建立站域元件-開關關聯向量，并通過關聯向量識別出站域后備保護在實現近后備保護功能和斷路器失靈保護功能時所關聯的斷路器。算例分析表明，所提方法可適用于主接線形式復雜和運行方式變化的智能變電站，能實現自適應最小范圍快速切除故障。

智能變電站；繼電保護；站域后備保護；圖論；跳閘策略

傳統繼電保護通常按間隔分布式配置，僅能利用有限的本地信息，使得其后備保護性能的改善受到制約。而智能變電站具有站內信息高度共享的優勢，綜合利用站內多間隔電氣量信息以及相鄰變電站信息來判斷故障的站域后備保護可有效地提高后備保護性能[1-3]。

目前，對于站域后備保護的研究已有一定進展，其中重點研究集中在站域后備保護算法[4-7]方面，即側重于故障元件的識別，而對判別故障元件后的跳閘策略卻討論較少。文獻[8]提出了滿足站域后備保護要求的跳閘方式，但沒有給出具體情況跳閘斷路器序列搜索方法。

由于故障元件不同，站域后備保護在實現近后備保護和斷路器失靈保護時所關聯的斷路器也不同，而且智能變電站的主接線形式復雜，站內運行方式也會發生變化，如何準確識別出適應當前運行方式的最小范圍隔離故障的跳閘序列值得深入研究。本文借鑒廣域后備保護跳閘策略研究思路[9-10]，在站域電流差動后備保護算法[11]已經識別出故障元件的基礎上，提出一種自適應最小范圍隔離故障的站域后備保護跳閘策略。所提基于圖論的跳閘算法能夠準確識別出站域后備保護在實現近后備保護功能和斷路器失靈保護功能時所需跳開的斷路器。由于不存在與其他后備保護時限配合問題，所以可實現最小范圍快速隔離故障。

1 站域后備保護系統結構

目前智能變電站采用三層兩網結構，“三層”即過程層、間隔層和站控層，“兩網”即采用面向通用對象的變電站事件 GOOSE（generic object oriented substation event）報文通信和SV（sampled value）報文通信的過程層與間隔層之間的過程層網絡和采用MMS（manufacture message specification）報文通信的間隔層與站控層之間的站控層網絡，實現了信息采樣數字化、通信平臺網絡化和信息共享標準化，為提高和改善后備保護性能提供了良好條件[12]。站域后備保護裝置配置于智能變電站間隔層，通過過程層 SV網獲取全站電氣量采樣值，通過過程層 GOOSE網獲取全站斷路器狀態信息以及向由站域后備保護跳閘策略確定的相應斷路器發送跳閘信息，通過站控層MMS網與站控層進行信息交互。此外，還需通過數據通道獲取相鄰變電站的部分信息。根據各層設備對時間同步精度的要求，站控層設備采用NTP網絡對時方式，間隔層和過程層設備采用IRIG-B對時方式。為了提高保護系統的可靠性和穩定性，站域后備保護裝置應采用雙重化配置方式，兩套互為備用工作，其系統結構如圖1所示。

圖1 站域后備保護系統結構圖

2 基于圖論的跳閘策略算法

2.1 圖論知識概要

圖論作為分析復雜工程的有力工具已在電力系統等領域獲得廣泛應用[13-14]。圖G=(V, E)是一個二元組(V, E)使得E?[V]2，E的元素是V的2元子集。集合V的元素稱為圖G的頂點，集合E的元素稱為圖的邊，圖即由頂點集合和邊集合組成的結構。圖的階由它的節點個數表示，根據階的不同，可分 3種有限圖，無限圖和可數圖。電網節點有限，屬于有限圖范疇，將電網中母線、變壓器和線路抽象為圖的節點，斷路器和隔離開關抽象為圖的邊，即可用圖論的知識很好地描述電網的拓撲結構。

2.2 基于圖論的實時元件-開關關聯矩陣

由圖論的知識可知，智能變電站的主接線形式可抽象成拓撲圖G=(V, E)，其中集合V的元素稱為圖G的頂點，代表智能變電站中最小保護單元，如母線、變壓器和線路；集合E的元素稱為圖的邊，代表斷路器和隔離開關，反映頂點之間的拓撲連接關系。

因此，智能變電站的拓撲結構可由元件-開關關聯矩陣D來表示，元素Dij為以圖4所示典型500kV智能變電站Ⅰ及其相鄰電網為例，智能變電站Ⅰ的站域保護范圍如圖4虛線所示，站內斷路器為虛線范圍內的斷路器。分別用B、T、L和DL來表示母線、變壓器、線路和斷路器，則反映智能變電站Ⅰ拓撲連接關系的站內元件-開關關聯矩陣Dsub為式中，矩陣的階數為18×20，行分別對應站內保護元件依次為母線B1—B8，變壓器T1、T2，出線L1—L8；列分別對應斷路器 DL1—DL20。該矩陣反映站內元件與斷路器的連接關系，取決于該站的一次主接線形式。

站域后備保護裝置根據其 t時刻收到的各間隔GOOSE報文信息，形成t時刻站內斷路器狀態向量I為

向量I中，從左到右依次對應為斷路器DL1—DL20，1表示該斷路器處于閉合狀態；0表示該斷路器處于斷開狀態。

將斷路器狀態向量 I表示為對角矩陣形式，則有ID=diag(1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1,1, 1, 1)，則智能變電站Ⅰ的實時站內元件-開關關聯矩陣Dsub(t)為

在Dsub(t)中，1表示該站內元件與對應的斷路器有電氣聯系，0表示該站內元件與對應的斷路器無電氣聯系。

在圖4所示的系統中，以智能變電站Ⅰ為中心的站間元件-開關關聯矩陣Dnet為

式中，矩陣的階數為12×19，行分別對應變電站Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和線路L1—L8；列分別對應斷路器DL1、DL3、DL4、DL6、DL15—DL29。該矩陣反映智能變電站Ⅰ與其他變電站拓撲連接關系。

2.3 站域后備保護跳閘策略算法

站域后備保護的功能要求是與主保護動作相配合，在主保護拒動或斷路器失靈時，能實現快速最小范圍隔離故障。以圖4所示系統為例，當智能變電站Ⅰ出線 L8故障時，近后備保護需要跳開出線L8本側斷路器 DL20，對側斷路器 DL26的跳閘命令由相鄰變電站對應的保護負責提供；當母線B4故障時，近后備保護需要跳開的斷路器為與其有電氣聯系的斷路器 DL10、DL12、DL17、DL18、DL19和 DL20；當出線 L8故障且斷路器 DL20失靈時，則需跳開與L8背側母線有電氣聯系的斷路器DL10、DL12、DL17、DL18和DL19；若母線B4故障線路本側斷路器DL20失靈時，斷路器失靈保護需要跳開智能變電站Ⅰ出線L8對側斷路器DL26，由于斷路器DL26時屬于相鄰變電站Ⅳ站域保護范圍，則需利用以智能變電站Ⅰ為中心的站間關聯矩陣 Dnet搜索出需跳開的斷路器，通過電網調度中心轉發跳閘命令。由前面分析可知，元件近后備保護需要跳開故障元件相連的站內斷路器，而斷路器失靈保護需要跳開該失靈斷路器相連非故障元件近后備保護關聯的非失靈斷路器。因此，需要實現的保護功能不一樣，故障元件和斷路器失靈具體情況不一樣，需要構建不一樣的跳閘策略。

1）站域近后備保護跳閘策略

在站域保護范圍內發生故障時，站域后備保護裝置根據保護原理得到故障元件位置，構造故障元件列向量F1，F1中的元素為站域保護范圍內的保護元件，包括母線、變壓器和出線，排列順序跟站內元件-開關關聯矩陣 Dsub中一樣，其元素 Fi定義如下：

定義近后備站域元件-開關關聯向量Mc如下：

式中，所得列向量Mc元素由0和1組成，1元素表示故障元件與對應的斷路器有電氣聯系；0元素表示故障元件與對應的斷路器無電氣聯系。

因此，近后備保護跳閘序列向量即為Mc，其中當 Mci=1時對應的斷路器DLi即為近后備保護關聯的斷路器。

站域近后備保護與元件主保護相配合，檢測主保護拒動時，啟動近后備保護跳閘策略向其關聯斷路器發出跳閘命令。近后備保護跳閘策略流程如圖2所示。

圖2 近后備保護跳閘策略流程圖

2）站域斷路器失靈跳閘策略

斷路器失靈保護跳閘涉及兩種情況：①斷路器失靈保護需要跳開的斷路器為站內斷路器，對應的故障元件和失靈斷路器的組合情況為：母線故障時母聯/分段斷路器失靈、母線故障時變壓器側斷路器失靈、變壓器故障時其某側斷路器失靈和線路故障時線路本側斷路器失靈；②斷路器失靈保護需要跳開的斷路器為相鄰站斷路器，對應的故障元件和失靈斷路器的組合情況為母線故障時線路側斷路器失靈。因此，按以上兩種情況對斷路器失靈跳閘策略進行分析。

在站域保護范圍內發生故障后，站域后備保護裝置根據2.3中1）節的算法得到近后備保護需要跳開的斷路器，并向相應的斷路器發送跳閘信息，同時監視反映斷路器狀態信息相應的 GOOSE報文，若解析對應 GOOSE報文顯示需要跳開的斷路器仍處于閉合狀態，則判定該斷路器失靈。然后啟動斷路器失靈跳閘策略，動作延時超過斷路器失靈保護動作整定時間后向其關聯的斷路器發出跳閘命令。

（1）斷路器失靈保護關聯斷路器為站內斷路器情況的跳閘策略

站域后備保護裝置根據斷路器失靈信息形成斷路器失靈列向量G1，G1中的元素為站域后備保護范圍內的斷路器，排列順序跟站內元件-開關關聯矩陣Dsub中的斷路器一樣，其元素Gi定義如下：

定義失靈站域元件-開關關聯向量Tc如下：

式中，列向量DsubG1由0和1組成，1表示元件與失靈斷路器直接相連，0表示元件與失靈斷路器非直接相連；Tc為實現該失靈斷路器兩端相連元件近后備保護跳閘策略得到的近后備站域元件-開關關聯向量。

定義運算：X=[Y]，其中X和Y均為列向量，元素Xi為

由于斷路器失靈保護需要跳開的斷路器為該失靈斷路器相連非故障元件近后備保護所關聯的非失靈斷路器，因此斷路器失靈保護跳閘序列向量T可以表示為

式中，當Ti=1時對應的斷路器DLi即為斷路器失靈保護關聯的斷路器。

（2）斷路器失靈保護關聯斷路器為相鄰站斷路器情況的跳閘策略

站域后備保護裝置根據保護原理得到故障元件位置，構造故障元件列向量F2，F2中的元素為變電站Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和線路L1—L8，其元素Fi定義由式（6）給出；根據斷路器失靈信息形成斷路器失靈列向量 G2，G2中的元素為站間元件-開關關聯矩陣Dnet里對應的斷路器，排列順序與其一致，其元素Gi定義由式（9）給出。

則失靈斷路器所連非故障元件向量N為

式中，列向量DnetG2由0和1組成，1表示元件與失靈斷路器直接相連，0表示元件與失靈斷路器非直接相連；F2為故障元件列向量 F2取反；兩者作點乘運算，所得列向量N中的非零元素即為失靈斷路器所連非故障元件。

定義失靈站域元件-開關關聯向量Tc如下：

因此，斷路器失靈保護跳閘序列向量T=Tc，其中當Ti=1時對應的斷路器DLi即為斷路器失靈保護關聯的斷路器。斷路器失靈跳閘策略流程圖如圖 3所示。

3 算例分析

以如圖4所示電網進行分析，該系統包括智能變電站Ⅰ的全部拓撲結構（其主接線形式比較復雜，包括 3/2接線、雙母雙分段接線和單母線接線）以及與其直接相連的變電站Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的部分拓撲結構，其中站Ⅱ含 3/2接線，站Ⅲ含雙母線接線，站Ⅳ含雙母線接線單分段接線。在智能變電站Ⅰ站域后備保護中，保護元件為母線 B1—B8，變壓器 T1和T2以及出線L1—L8；站內斷路器為DL1—DL20。以智能變電站Ⅰ的站域后備保護跳閘策略為例進行分析，以驗證本文方法的可行性和有效性。

圖3 斷路器失靈跳閘策略流程圖

圖4 電網詳細接線圖

在故障發生前，站域后備保護裝置要對本站站內拓撲結構以及本站與相鄰站的連接關系進行實時搜索，形成站內站內元件-開關關聯矩陣Dsub和站間元件-開關關聯矩陣Dnet。

由式（2）至式（4）可得，智能變電站Ⅰ的實時站內元件-開關關聯矩陣Dsub(t)為

3.1 元件近后備保護跳閘策略

如果智能變電站Ⅰ出線L8故障，站域后備保護裝置根據保護原理得到的故障元件列向量F1=(0, 0,0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1)T，通過對反映斷路器狀態的GOOSE報文解析形成故障時刻t時的斷路器狀態向量I=(1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1,1, 1, 1, 1, 1, 1)，構建斷路器狀態對角矩陣ID，將數據代入式（4）和（7）中，可得Mc=(0, 0, 0, 0, 0, 0,0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1)T，站域后備保護裝置向斷路器DL20發出跳閘命令。

同樣，若智能變電站Ⅰ母線B6故障，站域后備保護裝置根據保護原理得到的故障元件列向量F1=(0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0)T和斷路器狀態對角矩陣ID，按照式（4）和（7）計算，可得Mc=(0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1,1, 1)T，站域后備保護裝置向斷路器DL10、DL12DL17、DL18、DL19和DL20發出跳閘命令。

3.2 斷路器失靈保護跳閘策略

1）斷路器失靈保護需要跳開的斷路器為站內斷路器的情況

如果智能變電站Ⅰ出線L8故障同時線路本側斷路器DL20失靈時，站域后備保護裝置根據斷路器失靈信息得到的斷路器失靈列向量G1= (0, 0, 0, 0, 0, 0,0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1)T，通過對反映斷路器狀態的GOOSE報文解析形成故障時刻t時的斷路器狀態向量I=(1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1,1, 1, 1, 1, 1)，構建斷路器狀態對角矩陣ID，將數據依次代入式（4）、（9）、（10）和（11），可得 T=(0, 0,0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0)T，站域后備保護裝置向斷路器DL10、DL12DL17、DL18和DL19發出跳閘命令。

2）斷路器失靈保護需要跳開的斷路器為相鄰站斷路器的情況

若智能變電站Ⅰ母線 B6故障同時線路 L8本側斷路器DL20失靈時，站域后備保護裝置根據保護原理得到的故障元件列向量F2=(1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,0, 0, 0)T，根據斷路器失靈信息得到的斷路器失靈列向量G2=(0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,0)T，站間元件-開關關聯矩陣Dnet如式（5）所示，將數據依次代入式（12）和式（13），可得T=(0, 0, 0,0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0)T，即需要跳開的斷路器為線路L8對側斷路器DL26，站域后備保護裝置上傳跳閘信息并由電網調度中心向變電站Ⅳ轉發跳閘命令。

4 結論

為了改善智能變電站后備保護性能，智能變電站站域后備保護系統研究備受關注，本文著重研究了基于圖論的站域后備保護跳閘策略。所提算法不僅能正確識別出站域后備保護實現近后備保護和斷路器失靈保護功能時所關聯的斷路器，而且能在最小范圍內快速隔離故障，同時對智能變電站復雜的主接線形式和變化的運行方式具有較好的適應性。

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Tripping Strategy for Substation-area Backup Protection in Smart Substation based on Graph Theory

Jiang Hongliang Lv Feipeng
(School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065)

At present, there is a certain progress in the research of substation-area back up protection algorithm, but it lacks research on corresponding tripping strategy. This paper proposes a tripping strategy for substation-area back up protection based on graph theory. According to the topology structure of smart substation, the inter-substation connection relation and the breaker status information,the real-time substation component-switch correlation matrix and the inter-substation component-switch correlation matrix are formed, and then the substation component-switch relevance vector is established combined with the specific situation of the faulty component and the failure breaker. The breakers that need to be tripped in local backup protection, breaker failure protection can be accurately recognized by the relevance vector. The example analysis shows that the proposed method can be applied to the smart substation with complex main connections and changing operation modes, and can cut off the fault quickly with the minimum blackout zone.

smart substation; relay protection; substation-area backup protection; graph theory;tripping strategy

蔣紅亮（1992-），男，碩士研究生，研究方向為電力系統繼電保護。