基于改進灰狼算法的智能變電站繼電保護定值優化

南京五采智電電力科技有限公司 楊曉渝 國網天津市電力公司 馬紅祥

國網江蘇省電力有限公司連云港供電分公司 高鵬飛 國網天津市電力公司城西供電分公司 沈 妍

基于“中繼/備用站間故障信息智能傳輸”的特點，“中繼/備用站間故障信息智能傳輸”更符合變電站的“故障信息智能傳輸”，智能變電站的新特點將全過程風險點帶到繼電保護中[1]。智能變電站發展是代表我國電網未來發展技術的一個趨勢走向和技術方向，而建設智能變電站無疑是代表未來智能化電網走向重要科技組成部分。與目前傳統智能變電站發展相比，智能變電站更具有計算機自動運行完成信息實時采集存儲，與系統安全保護處理等多種基本的功能，以及實現自動監測控制、在線數據分析、決策自動化等各種先進應用功能系統的優點。

但是，為促使其穩定發展，其設備運行及可靠性水平，不應完全低于國內傳統高壓變電站，其維護運行和維護作業效率度，以及服務便利性都應明顯高于中國傳統變電站[2]。為顯著提高繼電保護設施運行管理的運行可靠性能，以及實現智能變電站設備運行與維護監控的綜合有效性能運行方便性，一些專家學者深入研究論證了各種智能變電站設備繼電性保護故障整定新方法，研究剖析了各類繼電性能保護故障的內在故障機理問題和主要薄弱環節，提出了亟待突破解決研究的問題重點，希望可以利用現有智能變電站新技術優勢和研究開發更靈活經濟、方便實用的現場運行監控檢查的方法，可以較大提高現場繼電式保護運行的安全可靠性，與繼電系統保護的運行性、操作維護管理的操作有效性以及管理方便性，但目前的方法并不完善[3]。

因此，將一種改進灰狼算法模型引入應用到智能變電站數據中心繼電系統保護的設置及計算研究中，討論出了一種改進后的灰狼算法模式，在智能變電站數據中心系統的設計應用，提出設計了一套基于一種改進灰狼算法模型的保護設置與計算優化平臺架構，研究得出了在改進灰狼算法模式指導下，可行的一種繼電系保護的設置及其優化研究方法，建立完善了一套繼電保護的設置計算優化研究模型，基于并行遺傳算法模型進行優化[4]。最后，通過分析實例表明，該算法能夠有效滿足保護設置中的靈敏度控制和選擇性要求，進一步充分證明出了應用該方法時的技術優越性點和合理性。

1 基于改進的灰狼算法的智能變電站繼電保護設置優化方法

1.1 智能變電站中繼電保護信息的狀態分類

智能變電站中的一些新技術內涵和結構特點，以及其對系統繼電保護工作的直接影響，主要都體現在電氣信息傳輸交互控制作用中[5]。信息的交互性失效也已開始成為可能導致繼電保護性能失效惡化的另外一個更重要影響因素。為了系統描述各個影響繼時電抗保護和信息交互保護故障，出現的各種原因事件之間錯綜復雜的數學邏輯關系，分析由各造成信息交互保護故障過程的各基本原因，所導致形成的一系列信息的交互保護故障過程，最終導致一系列繼電保護的故障，基于故障樹的分析研究方法，把生成信息的交互式保護失效程序中最根本的起因事件作為底層事件，將形成信息的交互護故障過程的其他直接起因，以及各間接的原因事件作為中間因事件，以繼電保護故障中的頂因事件來建立繼電保護故障模型。

繼電器保護故障通常包括下述兩種保護故障類型：信息交互保護不成功而導致失效的繼電控制保護故障（T1）、因意外觸發信息的交互失敗導致損壞的繼電控制器保護故障（T2）。前者包括至少兩種主要故障類型：信息的交互關系通道故障（A1）和信息通道異常故障（A2），而后者則包括另外兩種基本故障類型：不符合的信息的交互關系錯誤（A3）和異常的消息的處理錯誤（A4）。AI的失效原因為：b-b3，A2為C1，A3為b2b3，A4為b4b5，以 此類推。

由于繼電保護裝置存在隱藏故障，當電網故障時，可能觸發保護裝置隱藏故障，導致誤操作或拒絕保護，導致停電面積擴大，嚴重時甚至電網斷開。在這種多個電網部件同時發生故障的復雜故障情況下，很難在短時間內根據各種報警和故障信號進行分析和決策。特別是當報警或故障信號為錯誤或遺漏時，僅通過手動來分析和檢測故障情況是極其困難的。

針對上述問題，本文首先提出了一種基于分析模型的隱藏故障檢測方法，根據故障發生后收集到的信息，檢測出可能存在隱藏故障的保護裝置。在此基礎上，提出了一種基于改進的灰狼算法的繼電保護系統仿真方法，以檢測故障前子系統運行模式劇烈變化條件下，保護設置和配置參數的適應性。確保保護始終能適應運行模式的變化，以免在意外運行模式時擴大故障范圍，造成級聯故障。

通過變電站在線狀態監控裝置的智能化實現，能夠方便及時準確獲取各變電站中，繼配電安全保護控制裝置運行的異常變化動態信息。但是，由于變電站繼電器和保護控制裝置數量過多，每個變電站保護控制裝置信息異常多樣，在電網可靠性監測分析處理過程中要面臨處理的復雜數據量較大。通過對大量示例消息的分析整理歸納和研究的總結，當發現使用Markov方法進行計算可靠性時，較少的狀態空間，提高了運算的可靠性。

1.2 智能變電站繼電保護設定值的識別算法

設置計算云數據中心，基于模型數據拼接的先進技術，將全球電網內各級復雜分散的復雜電網模型數據，拼接成較為全面完整且清晰準確的全球電網數據模型，用于設置各級電網的計算。本文重點以距離保護的設置問題為范例，探討了多變量、多目標、多約束條件中的全局優化問題。對于線路保護中的每隔一段，都會使用適合度公式來對進行判斷。若適配度大，則解更優化以最大適應度為最優化設計目標，求解最優目標函數：

在ai,k，βi，εi，δi式中，F是適配值：用于可判定的時間保護的次數；恒定值：用于時間保護的I級防護所處的線路距離的限制權值：線路距離的間隙限制權、線路距離II時段保護的敏感限制權、線路距離II時段保護的選取約束權。這三個數值中的任何一個的數值都可以確定一個適合度公式的主要方向，其是一種臨時稱為f（1）的處罰功能。如果滿足相應的處罰時間限制，則f（t）=1，否則，處罰的時間為t。第一個保護，與下屬合作，有以下的限制：

為了較方便、準確快速地進行計算結構重要性，本文首先采用概率重要性性質法計算確定了結構的重要度為L。結構重要性系數的具體計算形式見下式：

其結構重要性系數、出現概率重要性系數、出現首次底事件的可能性、失效樹下出現頂點事件的可能性，以及分別可以被用來指示出現頂點事件的可能性，或者表示不會出現的可能性。

若兩個最小概率的切集間不存在絕對的排斥，則可以采用布爾代數的方法，通過不完全相交的布爾和進行運算，得到一個失敗事件圖的失敗概率，并將兩個最小的錯誤切集的總和轉化為不一定完全的布爾和。如果在一個系統中，總存在一個最小的截斷集，則這個系統中的最大截斷集的總發生概率也可以表示為：

從以上的結果可以看出，對繼電器失效的影響最小的是基本失效，一般都可以通過脫機比較（如離線比對虛擬連接關系），或利用在線過程和在線控制技術（諸如設備時間函數）實現修正或減少失效，因此，其對基本繼電器設備失效的可能性幾乎沒有。直接導致繼電器失效的一個基本因素就是沒有對有關的線路進行及時的離線和在線的控制。

若測試方案不夠完善，或實際使用情況與實際測試環境相差太大，則會導致系統間的信息交流與故障，進而導致繼電器系統故障、故障、故障。為了更精確地描述系統的結構特征，建立了一個區間描述模型，并在此基礎上，建立了一個由主系統組成的區間描述模型。如下式所示：

其中，D表示“總線”的數量（包括導電設備之間的“總線”，總線部分也是一個結點），M表示除了總線部分之外的空隙（包括變壓器部分），并且各個部分可以從高到低編號。特別是在L模式中，正負元素只與限定的區間有關。在饋線間隔中，僅有一端可以與一次系統的其他部件直接相連，在模型圖中，饋線間距中對應的一列中僅包含一個非O單位，而在每一列中，各列中至少包含兩個非O單位，即在軸方向圖上存在不對稱的完整相關矩陣，用于描述當前基爾霍夫定律公式。假設存在一個與相鄰交換機的總線節距ID設備端口之間的距離為M的相鄰交換機端口，可以構成相應的矩陣來代表兩個不同交換機端口的物理拓撲連接。

綜上所述，假設電網中存在n個保護措施，則整個電網中的染色體編碼基因數量為：

在方程中， S為被保護的輸出線的數量，即輸出數量一致的二進制比特。這樣，從1號開始，就有一條完整的基因序列，直到 n被保護。本系統能夠診斷出各防護系統之間的合作狀況，并能檢測出環形結構。在沒有回路結構的情況下，根據設置原則，逐漸設置保護直到整個網絡的設置。通過對離線繼電保護實時狀態信息的綜合描述，可以實時、動態地分析、自動跟蹤和實時監測離線保護的狀態信息。通過這種方法，可以更好地實現對系統的在線運行和故障的實時跟蹤和監控，從而使系統能夠實時、實時地進行故障診斷、跟蹤和故障隔離。

1.3 智能變電站繼電保護的實現

在通過對變電站各繼電器等保護檢測裝置的系統可靠性指標，進行了實時在線計算模擬后，采用最新改進設計的灰狼算法，對智能變電站里某一個繼電器系統的工作可靠性指數進行分析計算。操作人員用于表示特定的組件或邏輯關系，而信號連接操作員用于表示特定的邏輯過程。截至目前，在繼電保護可靠性的研究方面已經取得了一定成果。可靠性評價的主要方法有：故障樹分析、蒙特卡羅仿真、最小路徑集、可靠度塊圖、變量權矩陣、神經網絡相關性、馬爾可夫分析等。利用馬爾可夫模型，利用狀態轉移概率，構造了一種新的保護裝置狀態概率模型。該技術與傳統繼電器保護的一個基本概念相吻合，因此在當前的繼電器保護中，其應用越來越廣泛，越來越多地被用于對繼電器的可靠性進行分析和評價。以某變電站線路保護cscl01b裝置故障為例，介紹了故障信號采集、通信系統故障、軟件故障、功能硬件故障、電壓測量故障、電壓采集故障等故障。

2 結論

為切實提高智能變電站繼電保護控制系統的現場運行安全可靠性，以及設備運行檢查維護過程的操作有效性和維修方便性，建立了基于在線設備運行故障檢查維護的在線繼電保護系統故障模型，與現場繼電保護故障描述模型，并著重對其他一系列的關鍵測控技術方法進行分析了研究。研究發展了一系列基于繼電式保護失效模型的強弱鏈分析技術方法，給出了智能變電站的繼電保護功能的幾個關鍵點，有利于新型智能變電站設備的研發快速落地推廣。

在此基礎上，分析改進的灰狼算法在智能變電站數據計算中的應用特點，提出了一種基于改進的灰狼算法的設置計算平臺架構。首先，分析了將改進后的灰狼算法與繼電保護相結合的必要性。利用高精度遺傳算法模型，以及強大高效的分布式數據處理系統效率優化，與高速并行的計算推理能力，將灰狼算法直接應用于繼線電器保護整定及優化，建立出了一整套基于云模式計算的分布式繼電系統保護整定及其優化數學模型，實例分析表明，所提出的云模式下繼電保護整定優化算法，在繼電保護整定計算中具有快速和優越性。