基于三維數(shù)字動(dòng)態(tài)模型的繼電保護(hù)定值仿真校驗(yàn)方法

羅 胤，常玉紅，趙 穎

（1.河南天池抽水蓄能有限公司，河南南陽 474650；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100000）

三維數(shù)字動(dòng)態(tài)模型的應(yīng)用模式與二維數(shù)字模型類似，在空間環(huán)境中，都具備基本的數(shù)據(jù)處理能力，例如數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)表現(xiàn)、數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)操縱等。三維數(shù)字動(dòng)態(tài)模型能夠更為客觀地展示數(shù)據(jù)信息的應(yīng)用價(jià)值，且在應(yīng)用過程中不同于常見的二維數(shù)字模型，更注重展示數(shù)據(jù)的運(yùn)算過程，既不要求信息參量間保持完全相同的傳輸關(guān)系，也不會對數(shù)據(jù)的表達(dá)形式作出明確要求[1]。在電網(wǎng)環(huán)境中，應(yīng)用三維數(shù)字動(dòng)態(tài)模型對電量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，不僅能夠按需排查繼電波信號在單位時(shí)間內(nèi)的傳輸能力，也可實(shí)現(xiàn)對電信號定值應(yīng)用能力的準(zhǔn)確計(jì)算。

輸電網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行始終是電力行業(yè)的關(guān)注重點(diǎn)，繼電波作為一種關(guān)鍵的輸電信號，既能保障電網(wǎng)動(dòng)作的可靠執(zhí)行，也能在一定程度上抑制故障行為的持續(xù)惡化狀態(tài)。近年來，隨著電信號輸出頻率逐漸趨于穩(wěn)定，如何將繼電波長保持為定值應(yīng)用狀態(tài)，已經(jīng)成為了相關(guān)領(lǐng)域的主要研究方向。將風(fēng)險(xiǎn)決策型校驗(yàn)機(jī)制應(yīng)用于診斷電網(wǎng)故障中，從海量繼電數(shù)據(jù)中剔除大部分的冗余特征值，再根據(jù)隨機(jī)決策算法，確定定值步長向量的空間維數(shù)水平[2-3]。然而該方法對于繼電波定值傳輸能力的提高效果有限，并不能為輸電網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用安全性提供絕對有力的保障。為解決該問題，提出基于三維數(shù)字動(dòng)態(tài)模型的繼電保護(hù)定值仿真校驗(yàn)方法。

1 基于三維數(shù)字動(dòng)態(tài)模型的繼電診斷

為保證繼電波定值校驗(yàn)的準(zhǔn)確性，首先需要對繼電波長進(jìn)行診斷，在三維數(shù)字動(dòng)態(tài)模型支持下，具體診斷處理流程如下。

1.1 配電網(wǎng)信息數(shù)據(jù)來源

在配電網(wǎng)環(huán)境中，繼電波校驗(yàn)空間由兩部分組成，每一部分結(jié)構(gòu)體系都可在配電網(wǎng)平臺的作用下，對區(qū)域繼電波進(jìn)行多次調(diào)試，直至實(shí)際輸出信號能夠完全滿足定值校驗(yàn)的標(biāo)度條件[4-5]。在三維數(shù)字動(dòng)態(tài)模型的影響下，定值繼電波只能由一個(gè)固定配電節(jié)點(diǎn)傳輸至另一個(gè)固定配電節(jié)點(diǎn)，且在整個(gè)傳輸過程中，原始波長的定值能力不會受到任何影響，即接收方所獲取的繼電波長與輸出方始終保持一致。由于繼電波的輸出數(shù)量有限，因此電量數(shù)據(jù)在配電網(wǎng)環(huán)境中有且僅有唯一的存儲空間，具體配電網(wǎng)信息查詢原理如圖1 所示。

圖1 配電網(wǎng)數(shù)據(jù)查詢原理

因?yàn)榕潆娋W(wǎng)信息數(shù)據(jù)的來源相對統(tǒng)一，所以平臺主機(jī)在實(shí)施繼電波定值處理的過程中，并不需要承擔(dān)較大的執(zhí)行任務(wù)量。

1.2 繼電故障特征選擇

為實(shí)現(xiàn)對繼電故障特征的選擇，需要對已知的波長數(shù)值進(jìn)行精簡處理，再以定值驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)一步處理，使得最終檢驗(yàn)結(jié)果能夠符合實(shí)際應(yīng)用需求。利用三維數(shù)字動(dòng)態(tài)模型對繼電故障特征進(jìn)行選擇，首先需要確定已知特征值中是否包含后續(xù)校驗(yàn)所需的數(shù)據(jù)信息參量[6-7]。在初始繼電故障特征序列中，定義z表示既定波長數(shù)值，ω、δ代表兩個(gè)不同的定值驅(qū)動(dòng)系數(shù)，聯(lián)立上述物理量，可將繼電故障特征的初級篩選原則定義為：

式中，H(ω)、L(δ)分別表示兩個(gè)不同的繼電波長序列項(xiàng)。定義c、w代表兩個(gè)不同的波長校驗(yàn)特征值，pc表示特征值為c時(shí)的繼電波定值驅(qū)動(dòng)條件，pw表示特征值為w時(shí)的繼電波定值驅(qū)動(dòng)條件。聯(lián)立式（1），可將三維數(shù)字動(dòng)態(tài)模型影響下的繼電故障特征選擇表達(dá)式定義為：

其中，規(guī)定配電網(wǎng)繼電波長值必須完全滿足三維數(shù)字動(dòng)態(tài)模型的篩查與校驗(yàn)需求。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控

數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控是完成繼電診斷的重要處理環(huán)節(jié)，需要在已知三維數(shù)字動(dòng)態(tài)模型作用強(qiáng)度的前提下，確定繼電波輸出節(jié)點(diǎn)與輸入節(jié)點(diǎn)之間的物理距離，從而使得定值波長的延續(xù)能力得到較好保證，一方面能夠?qū)⒗^電數(shù)據(jù)傳輸速率控制在既定數(shù)值范圍內(nèi)，另一方面也可較好監(jiān)控信息參量的實(shí)時(shí)傳輸位置[8-9]。在應(yīng)用過程中，定值繼電波數(shù)據(jù)的傳輸和監(jiān)控流程大體上由如下兩部分組成。

1）根據(jù)已知的三維數(shù)字動(dòng)態(tài)模型作用強(qiáng)度數(shù)值，確定繼電故障特征選擇結(jié)果的實(shí)用性，對所選取的故障信息參量進(jìn)行重新排列，從而使繼電波的跳動(dòng)傳輸行為得到有效抑制[10]。

2）為突出繼電保護(hù)定值校驗(yàn)方法的實(shí)效性，應(yīng)將三維數(shù)字動(dòng)態(tài)模型作為核心約束條件，在協(xié)調(diào)繼電波定值輸出數(shù)值的同時(shí)，規(guī)劃繼電波在配網(wǎng)環(huán)境中的實(shí)時(shí)傳輸路徑[11]。

2 繼電保護(hù)定值的校驗(yàn)與處理

遵循實(shí)時(shí)繼電診斷原則，按照定值整定安全評價(jià)指標(biāo)計(jì)算、約束條件風(fēng)險(xiǎn)建模、定值優(yōu)化風(fēng)險(xiǎn)分析的操作流程，完成繼電保護(hù)定值的校驗(yàn)與處理。

2.1 定值整定安全評價(jià)指標(biāo)計(jì)算

定值整定安全評價(jià)指標(biāo)也叫準(zhǔn)參量點(diǎn)精度因子，對于繼電傳輸波而言，強(qiáng)度因子及可能因子決定了定值波長的損壞風(fēng)險(xiǎn)，而在配電網(wǎng)環(huán)境中，波長數(shù)據(jù)所表現(xiàn)出的損壞風(fēng)險(xiǎn)越大，整定校驗(yàn)處理的安全性水平也就越高[12-13]。設(shè)i代表繼電波第一次達(dá)到定值狀態(tài)時(shí)的動(dòng)態(tài)校驗(yàn)系數(shù)，j代表繼電波第二次達(dá)到定值狀態(tài)時(shí)的動(dòng)態(tài)校驗(yàn)系數(shù)。由于繼電波在配網(wǎng)環(huán)境中始終保持順向傳輸狀態(tài)，所以i＜j的不等式條件在整個(gè)校驗(yàn)處理過程中恒成立。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（2），可將基于三維數(shù)字動(dòng)態(tài)模型的繼電波定值整定安全評價(jià)指標(biāo)表示為：

式中，qi、qj代表兩個(gè)不同的繼電波順向傳輸系數(shù)，Ei、Ej代表兩個(gè)不同的定值繼電波帶電量數(shù)值，t代表定值繼電波的單位校驗(yàn)時(shí)長，ΔR代表繼電設(shè)備接入阻值的單位變化量。

2.2 約束條件風(fēng)險(xiǎn)建模

保護(hù)定值校驗(yàn)是一個(gè)多目標(biāo)處理過程，而約束條件風(fēng)險(xiǎn)建模則是該過程中的關(guān)鍵性全局優(yōu)化問題，同時(shí)考慮到多種不同的繼電波定值條件，對于波長數(shù)值的復(fù)雜性與不確定性進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定[14-15]。一般來說，為降低繼電保護(hù)定值的校驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)將輸入繼電波長數(shù)值控制在一個(gè)相對較低的定值區(qū)域之內(nèi)，并按照定值整定安全評價(jià)指標(biāo)選取原則，對相關(guān)指標(biāo)參量進(jìn)行細(xì)致篩選。設(shè)Zmax代表繼電保護(hù)定值的最大風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)系數(shù)，Zmin代表繼電保護(hù)定值的最小風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)系數(shù)，dˉ代表繼電波長的平均數(shù)值，聯(lián)立式（3），可將繼電保護(hù)定值的約束條件風(fēng)險(xiǎn)定義為：

令三維數(shù)字動(dòng)態(tài)模型的作用強(qiáng)度數(shù)值k無限趨近于自然數(shù)e，聯(lián)立式（4），可將繼電保護(hù)定值的約束條件風(fēng)險(xiǎn)建模表達(dá)式定義為：

式中，g表示繼電保護(hù)定值的三維調(diào)試系數(shù)。三維數(shù)值動(dòng)態(tài)模型對于繼電保護(hù)定值的校驗(yàn)維護(hù)作用僅停留在固定數(shù)值區(qū)間之內(nèi)，因此為得到更為準(zhǔn)確的校驗(yàn)取證結(jié)果，在運(yùn)算過程中，應(yīng)不斷更改繼電保護(hù)定值的原始取值區(qū)間。

2.3 定值優(yōu)化風(fēng)險(xiǎn)分析

定值優(yōu)化風(fēng)險(xiǎn)能夠決定繼電保護(hù)定值校驗(yàn)方法的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，在已知約束風(fēng)險(xiǎn)建模條件的基礎(chǔ)上，可認(rèn)為繼電波的固定波長值越大，所得校驗(yàn)結(jié)果的可參考價(jià)值也就越強(qiáng)[16]。設(shè)β代表繼電保護(hù)定值的實(shí)時(shí)校驗(yàn)強(qiáng)度，M^ 代表隨機(jī)選取的繼電波長特征值，v1、v2分別代表兩個(gè)不同的繼電波定值基向量，f代表繼電保護(hù)定值的動(dòng)態(tài)匹配系數(shù)，聯(lián)立式（5），可將繼電保護(hù)定值仿真校驗(yàn)的優(yōu)化風(fēng)險(xiǎn)分析行為定義為：

至此，實(shí)現(xiàn)相關(guān)指標(biāo)參量的計(jì)算與處理，在三維數(shù)字動(dòng)態(tài)模型的支持下，完成繼電保護(hù)定值仿真校驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

3 實(shí)例分析

在配網(wǎng)環(huán)境中，選取輸出行為相對穩(wěn)定的繼電波生成裝置作為實(shí)驗(yàn)對象，在實(shí)驗(yàn)過程中，分別采用該文方法和風(fēng)險(xiǎn)決策型校驗(yàn)機(jī)制對繼電波輸出行為進(jìn)行控制，將所得波段數(shù)據(jù)分別作為實(shí)驗(yàn)組和對照組進(jìn)行對比。

傳輸波形能夠反映繼電波的實(shí)時(shí)傳輸能力，繼電波的波峰與波谷數(shù)值差越大，則代表繼電波的定值傳輸能力越差；若繼電波的波峰與波谷數(shù)值差越小，則代表繼電波的定值傳輸能力越強(qiáng)。不同方法的繼電波的實(shí)際波形如圖2 和圖3 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)組繼電波傳輸波形

圖3 對照組繼電波傳輸波形

對比圖2、圖3 可知，對照組繼電波形的傳輸波動(dòng)性相對較強(qiáng)，在每一傳輸周期內(nèi)，其波長極大值遠(yuǎn)高于理想數(shù)值，而極限值卻遠(yuǎn)小于理想數(shù)值。實(shí)驗(yàn)組繼電波形的傳輸波動(dòng)性則相對較弱，在第一個(gè)傳輸周期結(jié)束時(shí)，其波長達(dá)到最大值，雖高于理想數(shù)值，但依然不及對照組波長數(shù)值，在第二、第三個(gè)傳輸周期中間，實(shí)驗(yàn)組波長達(dá)到了最小值，與理想數(shù)值相比并無明顯出入。

提取實(shí)驗(yàn)組、對照組在每一傳輸周期內(nèi)的波長極值，再分別將所得數(shù)值與理想波長值對比，詳情如表1 所示。

表1 繼電波長極值對比

分析表1 可知，理想波長在第四個(gè)傳輸周期內(nèi)的數(shù)值最大，在第五個(gè)傳輸周期內(nèi)的數(shù)值最小，二者之間的差值0.71 μm；實(shí)驗(yàn)組波長在第二個(gè)傳輸周期內(nèi)的數(shù)值最大，在第一個(gè)傳輸周期內(nèi)的數(shù)值最小，二者之間的差值為0.91 μm；對照組波長在第三個(gè)傳輸周期內(nèi)的數(shù)值最大，在第一個(gè)傳輸周期內(nèi)的數(shù)值最小，二者之間的差值為4.06 μm，遠(yuǎn)高于理想差值水平。

綜上可知，在三維數(shù)字動(dòng)態(tài)模型的作用下，繼電波輸出波形的波動(dòng)變化能力得到有效抑制，且隨著傳輸周期數(shù)值的增大，其波動(dòng)行為逐漸與理想波動(dòng)狀態(tài)靠近，在維持繼電波定值傳輸能力方面，具有較強(qiáng)的應(yīng)用性價(jià)值。

4 結(jié)束語

在已知配電網(wǎng)信息數(shù)據(jù)來源的情況下，三維數(shù)字動(dòng)態(tài)模型可對繼電故障特征進(jìn)行選擇，并可根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控原理，完成約束條件的風(fēng)險(xiǎn)建模，一般來說，所選取定值整定安全評價(jià)指標(biāo)的精度水平越高，最終所得定值優(yōu)化風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果也就越符合實(shí)際應(yīng)用需求。與風(fēng)險(xiǎn)決策型校驗(yàn)機(jī)制相比，這種新型校驗(yàn)方法可在控制繼電波傳輸波形的同時(shí)，縮小表現(xiàn)實(shí)值與理想數(shù)值之間的差值水平，從而有效保護(hù)了繼電波在電網(wǎng)環(huán)境中的定值傳輸能力。