基于模糊算法的繼電保護風險評估方法

中國大唐集團科學技術研究院有限公司華東電力試驗研究院 夏明圣

現代電力系統運行以智能化、新技術、大容量、高電壓為特點，隨著工業發展和經濟增長，運行效率不斷提高。其主要表現為電網系統運行隨著電網結構、電網組成以及地域分布的情況變化呈現出復雜多樣化特征，在運行過程中可能出現多種運行狀態與故障狀態差異性與相似性。而電力市場的發展，在極大限度拓展市場交易的同時縮小了電力系統安全裕度，近年來大量新能源涌入市場同樣加劇了隨機性因素對電力系統的影響。鑒于繼電保護對電網安全運行的重要性，提出基于模糊算法的繼電保護風險評估方法。繼電保護設備情況直接影響了電力系統運行的安全性與穩定性，繼電保護失誤經常會導致失電區域增加，也是導致電力系統發生故障的主要原因之一。繼電保護狀態評估主要通過采集繼電保護設備實時數據、歷史數據、家族性數據及巡視檢修數據等，通過各項相關數據來判斷繼電保護設備運行狀態，將其評估結果作為檢修依據。

1 基于模糊算法的繼電保護風險評估方法

1.1 繼電模糊信息粒化處理

考慮到風險評估可能發生的不穩定因素，應將繼電保護相關信息進行離散化處理，使處理后的數據形成多個信息粒[1]。依據信息粒的連續程度可分為離散信息粒和連續信息粒，以繼電保護歷史運行信息為基礎進行風險評估。根據繼電保護運行不同數據來源，設定誤差范圍為(e1～e2)，根據誤差范圍確定模糊信息粒擴散范圍。將e1作為模糊數據量確定區域長度，將e1與e2之間的差作為模糊信息粒子擴散范圍長度。

對整個設備系統風險量化評估時需選取量化參數，為此選取系統故障最為主要的外在表現嚴重度作為量化參數，同時確定整個繼電保護參數[2]。結合具體針對風險嚴重程度提出一個較為合理的風險評估方法。對整個系統來說，保護誤動及保護拒動都是故障風險評估中較為容易產生的。在實際運行過程中變壓裝置或電路功率超過一定額定功率時，設其潮流越限嚴重度為RP，一般情況下RP<0.9，在RP=1時則其潮流越限嚴重度為1，從而建立起相關計算模式為式（1）。

在潮流越限嚴重度約束下，位于母線節點電壓一旦超出限制，電壓越限將會對系統產生嚴重影響。計算過程中選取節點當前的額定電壓作為參考值，將其比值作為量化考察指標[3]。根據相關規定限制，額定電壓值查表不能超過電壓表值的5%，因此設嚴重度零點為電壓比值，其數值范圍在0.95～1.05。對電壓越限嚴重度做量化處理，由于電壓越限值與選定偏差絕對值成正比例關系，得到電壓越限嚴重度為式（2）。通過兩公式計算結果得到電壓越限嚴重度與潮流越限嚴重度，將其結果相加后得到整個系統嚴重度。

1.2 繼電運行損失負荷

在風險指標中，負荷損失作為衡量繼電保護事故嚴重程度的重要一環[4]。在風險評估過程中考慮到可能會出現由于動作保護使進線開斷導致孤立負荷、所有出線開斷導致孤立電源、系統解列為電氣島有功平衡而切除負荷以及潮流計算不收斂時調整系統有功率和無功率來尋找新的運行點，因此需要切除負荷。根據最優潮流方法求解，將其目標函數設為負荷最小，得到min ∑(P1-P2)，等式約束條件為P=Bθ，不等約束條件為0≤PR≤PRman、0≤QR≤QRman、0≤P1≤P1man、F1≤FR1≤F1man。其中，R1為負荷節點調整前輸送功率值；R2為負荷節點調整后輸送功率值；P 為節點有功注入向量；B 為電納矩陣；θ 為母線電壓相角向量；F1為線路調整后輸送功率值。在繼電保護風險評估過程中，實時分析系統狀態，按照系統狀態計算相應負荷損失[5]。

1.3 風險等級排序

根據繼電運行損失負荷對電力系統多風險源作出排序，以確定繼電保護設備差異化運維依據[6]。在不確定條件下對風險源作出排序，確定最優運行維護計劃。以模糊極大集和模糊極小集為參照基準，以海明距離作為測量工具，定義模糊效用函數，取其函數結果均值作為模糊排序依據，解決多個模糊信息粒排序問題。設實數域有n 個模糊信息粒A1,A2,…,An，其模糊極大信息粒記為μmax，模糊極小信息粒為μmin，對于任意模糊集Ai,i=1,…,n，模糊效用函數為f1(Ai)與f2(Ai)，分別定義為式(3)和式(4)，據此模糊信息粒排序指標函數表達式為式(5)，根據公式對繼電保護風險作出等級排序。

1.4 風險等級確定

從風險定義出發，考慮到影響繼電保護風險因素、事故發生概率與損失等問題，采用模糊信息粒化方法量化風險事件，根據風險等級排序計算風險并制定差異化運維策略[7]。僅考慮繼電保護故障給電網系統帶來的風險，使設備失效率等于事故概率：p=ke-fs，其中，k 為比例參數；f 為曲率參數；s 為設備當前狀態評分。根據相關標準，f 取值0.1958、s 取值8640。參考《中國南方電網有限責任公司電力事故事件調查規程》相關劃分標準，其判斷事故類型標準中事故類型與減供負荷量分別為：一般事故1000～2000、較大事故2000～2600、重大事故2600～6000、特大事故>6000、一級事件500～1000、二級事件300～500、三級事件100～300。據此計算事故分值：E=(P1+P2)/100，其中P1、P2為減供負荷區間臨界值，E 為事故分值。

根據計算結果得到事故賦分結果為：一般事故15、較大事故23、重大事故43、特大事故80、一級事件7、二級事件4。將其與風險管控等級相聯系，對其進行時間賦分結果劃分：較大及以上事故31，一般事故15，一級事件7，二級、三級事件3，據此判斷繼電保護分值，從而判斷其風險等級[8]。

2 對比實驗

2.1 實驗準備

設計仿真實驗，驗證基于模糊算法的繼電保護風險評估方法的實際應用有效性。實驗通過對比基于模糊算法的繼電保護風險評估方法與傳統繼電保護風險評估方法在同一實驗條件下的評估可靠性，分析兩組方法區別。實驗考慮到繼電保護風險評估測試中信息孤島問題、診斷數據利用率低以及故障測試與監控管理功能等相關問題，采用SJ9000狀態檢測及故障診斷系統。實驗以某一企業電場與電網為實驗對象，母線保護時主要采用差動保護裝置單母線接線。線路保護裝置、母線差動保護以及變壓器保護裝置共同構成了電網，在保護系統中共包含母線差動保護裝置14套、線路保護裝置17套、變壓器保護裝置3套。實驗過程中，兩組方法對各項設備運行過程中風險作出評估，為確保實驗數據準確，每組隨機選取10組實驗數據，將其平均值作為實驗結果數據，對兩組方法評估結果可靠性。

2.2 實驗結果分析

在實驗環境下，使用基于模糊算法的繼電保護風險評估方法與傳統繼電保護風險評估方法分別對實驗對象運行狀態作出風險評估，傳統方法與模糊算法評估成功概率分別為：變壓器保護4-7：0.896、0.963；變壓器保護4-9：0.915、0.972；變壓器保護5-6：0.864、0.921；線路保護1-2：0.903、0.983；線路保護1-5：0.883、0.976；線路保護2-3：0.964、0.983；線路保護2-4：0.915、0.991；線路保護3-4：0.972、0.989；母線保護1：0.934、0.983；母線保護2：0.998、0.997；母線保護3：0.897、0.993；母線保護4：0.907、0.912；母線保護5：0.943、0.998；母線保護6：0.942、0.984，根據上述結果對比兩種方法風險因素評估。

根據上述結果，對比兩種方法風險因素評估成果概率，在繼電保護中最主要的變壓保護、線路保護及母線保護三部分風險評估結果對比可看出，與傳統風險評估方法相比，基于模糊算法的風險評估方法相對評估成功概率較高，能夠更加準確對繼電風險各項作出評估，提高繼電保護安全性。

3 結語

繼電保護可利用資源需要根據通訊技術的發展與應用，找到適應于電網規模與新興技術發展的風險狀態評估方法，因此提出基于模糊算法的繼電保護風險評估方法。考慮到繼電保護設計的不確定因素，其拒動或誤動會帶來較大安全影響。因此利用模糊算法評估繼電保護風險從可靠性觀點入手，分析、處理技術數據形成一個有機整體后，提出一種具有較強普適性的模糊結構數據處理方式，并提出繼電保護原理失效雙層概率，定量反映繼電保護定值、保護特性及特定故障隨機性，忽略在短期運行條件、保護率及等因素下對可靠性影響的不足，使各種失效模式對可靠性影響擁有統一定量表達形式，建立具備較強時效性的繼電風險評估方法，為電力系統可靠性評估提供參考。