多元信息流下的繼電保護裝置誤動作識別系統設計

劉依心，趙若琳

（1.國家能源集團科學技術研究院有限公司，江蘇南京 210023；2.上海梓騰機電設備有限公司，上海 200000）

繼電保護裝置是電力系統中用于保護電力系統安全運行的自動化繼電保護裝置，其控制斷路器產生跳閘動作或發送故障預警。該繼電保護裝置為配套設備，主要運用在線路保護、主變差動保護以及勵磁控制等方面[1]。在電網覆蓋規模日漸增加且復雜的情況下，繼電保護裝置也受到極大影響，繼電保護裝置誤動作時常發生，電力系統的安全及用戶的用電安全存在極大隱患[2]。繼電保護裝置誤動作是引起電力系統擾動的主要因素，因此，識別故障是防止電力系統擾動、避免電力系統故障的主要手段。其中，文獻[3]分析了繼電保護嵌入式軟件程序，得出繼電保護嵌入式軟件實現的功能，并判斷、測試嵌入式軟件的功能是否達到要求，但是判斷其是否執行保護動作的準確性較低；文獻[4]設計可輸出變頻故障電流的逆變器電源和變頻式過電流繼電保護裝置，采用新故障特征的變頻式繼電保護方案，獲得虛擬短路電壓，用于過電流保護和低電壓保護等，但是其對多元信息流的掌握與應用效果較差。

針對上述問題，該文設計了多元信息流下的繼電保護裝置誤動作識別系統，對繼電保護裝置的動作情況進行實時預測，準確判斷是否需要開啟保護動作，保證繼電保護裝置的正確動作。

1 多元信息流下的繼電保護裝置誤動作識別系統

1.1 系統結構

多元信息流下的繼電保護裝置誤動作識別系統主要包含四個模塊，分別為故障波形管理模塊、電力系統故障分析模塊、繼電保護裝置動作管理模塊以及數據存儲管理模塊，其架構如圖1 所示。

圖1 系統架構

數據存儲管理模塊：該模塊主要用于繼電保護裝置數據的存儲、管理以及格式轉換，以多元信息流數據庫實現整個模塊功能。前者可高效完成數據信息的采集、分析、決策和控制等；后者則可輔助相關信息的分析和理解、處理程序的形成、格式的轉換以及其他信息的創建。

故障波形管理模塊：該模塊以數字信號處理技術為主，對繼電保護裝置故障引起的波形現象進行分析，并將分析結果提供給有關負責人。

電力系統故障分析模塊：根據波形分析結果，判斷故障類型，自動識別故障位置，為整個電網的故障分析提供依據[5]。

繼電保護裝置動作管理模塊：該模塊主要通過繼電保護裝置，根據故障分析結果預測線路、變壓器等是否動作，避免繼電保護裝置誤動作的發生。

數據存儲管理模塊將經過存儲以及格式轉換后的信息存儲至多元信息流數據庫后，故障波形管理模塊對存儲的信息進行波形分析[6]，并將分析結果傳送至電力系統故障分析模塊，以此為依據展開故障類型分析，將分析結果傳送至繼電保護裝置動作管理模塊，該模塊利用繼電保護裝置動作行為預測模型對其進行動作預測，判斷繼電保護裝置是否發生動作，避免誤動作的產生。

1.2 多元信息流數據庫構建

1.2.1 數據庫結構

在繼電保護裝置中，處理多元信息流時，具備4個明顯特征，分別是信息多元化、集成化、實時性以及同時兼顧在線和離線的信息。因此，高效、實時地完成數據庫信息處理，是數據庫構建的核心標準[7]。多元信息流數據庫的構建目的是實現繼電保護數據的獨立性和統一性，該數據庫的框架結構如圖2所示。

圖2 數據庫結構

在繼電保護裝置數據處理的多信息數據庫中，以實時數據管理系統為核心，定義相關信息屬性，保證系統運行的實時規范，準確描述信息流中包含的各種信息狀態。

1.2.2 數據庫實現

將電網數據庫語言與信息處理技術相結合，完成繼電保護裝置信息數據的存儲及狀態分析。對于整個系統來說，該數據庫的實現是以電網數據語言分塊為基礎，以保護對象群為依據，結合現代技術完成的[8-9]。信息控制流向的實現過程如圖3 所示。

圖3 信息控制流向的實現過程

盡管該數據庫存儲的多元信息流信息量巨大，但其在構建過程中引用了電網數據庫語言和信息處理技術，可最大程度保證系統功能的實現[10]。

1.3 繼電保護裝置動作行為預測模型

設{X(t),y≥0}、I={in,n≥0} 分別表示繼電保護裝置的隨機轉換概率和狀態空間，以繼電保護裝置在運行過程中，發生的狀態轉換的特點為依據，任意0 ≤t1≤t2,…,tn和i1,i2,…,in,in+1∈I需符合齊次馬爾科夫過程：

式中，pij(Δt)表示時變概率，Δt表示時間差，t表示時間，in+1為狀態轉換系數，pij(Δt)和Δt存在直接且較大關聯。i和j分別表示繼電保護裝置的不同工作狀態，其在Δt最小取值時，從i轉變成j時的最小轉移概率函數為：

式中，X(t+Δt)表示連續狀態空間概率。X(t)為隨機轉移概率，隨機狀態與連續狀態的時變概率計算公式分別為：

繼電保護裝置在運行過程中，n表示會出現的狀態種類，組成的時變概率矩陣pij(Δt+1)為：

式（6）矩陣中的元素均為正數，依據式（5）的標準可知，式（6）中每一行元素的和為1。

如果存在最小轉移概率，則式（1）由轉移密度函數轉換為轉移密度矩陣，表示為：

式中，I表示單位矩陣；式（7）中每一行元素的和為零；對角線元素都為負數，其他元素Aij≥0。

式（7）中，變電站保護信息子站是繼電保護裝置獲取歷史數據的依據，獲取的信息為周期性數據和時間驅動數據兩種。為預測繼電保護裝置工作狀態，需補充信息流數據庫中的繼電保護裝置運行信息，且進行周期性補償[11]。因此，繼電保護裝置參數在歷史數據增加的情況下動態變化。

在隨機i、j情況下，運行時間t≥0，存在下述關系：

式中，qik為重要性等級。經過上述過程，若滿足所有時間間隔的時變概率，則：

實際應用過程中，如果j是最后轉移狀態，為了計算pij(t)，引入柯爾莫哥洛夫前向方程，為：

式中,In表示初始時刻的密度矩陣。通過式（10）可得到繼電保護裝置在初始運行狀態下的時變概率矩陣P(t)，其以A和初始狀態為依據，通過數值積分法實現求解。

通過以上步驟，可以預測繼電保護裝置在各種運行狀態下的行為，根據預測模型中繼電保護裝置的狀態和動作行為，系統可以判斷繼電保護裝置是否動作，從而達到保護的目的[12]。在保護過程中，系統可以實施應急行動策略，其詳情如圖4所示。

圖4 中，tm對應的時變概率pi1(tm)=pm，繼電保護裝置應急投運概率設定值和最大容忍時間分別為pm和tf，通過配電系統的保護配置策略，基于線路電壓等級、重要性等級和歷史故障概率[13-16]實現繼電保護裝置誤動作識別。

圖4 應急動作流程

2 實例分析

為測試該文系統的應用效果和性能，選取某500 kV 母線中的繼電保護裝置作為測試對象，該線路為三相式接線，該線路連接的全部元件上均裝有電流互感器。線路連接情況如圖5 所示。

圖5 測試線路連接情況

繼電保護裝置數據是多元化的[17-18]，因此，多元信息流數據采集性能決定了系統的識別性能，在不同噪聲下，不同采集時刻范圍內，該文系統對于實驗對象的多元信息采集情況結果如表1 所示。

如表1 所示，在不同噪聲干擾下，該文系統依舊可以完成多元信息數據的采集，且每時刻范圍內采集的多元數據信息流量均高于0.14 Mbps，表明該文系統可有效完成繼電保護裝置多元信息流數據的采集。

表1 多元信息采集流量測試結果

繼電保護裝置的差動保護整定電流值為2 A（TA 二次側值），系統運行過程中，繼電保護裝置和線路的修復率分別為μp和μ1，檢修人員抵達現場的平均時間和檢修間隔時間的倒數分別為μpo1和Q，故障率為λ1，拒動和誤動概率分別為λ′j和λ′w，自動識別成功概率為s，8 個參數均需實行采集并輸入至系統預測模型中，參數設置情況如表2 所示。

表2 參數情況

如表2 所示，將上述參數輸入至系統后，獲取繼電保護裝置初始狀態1 時的時變概率曲線，此時狀態沒有發生轉變，如圖6 所示；獲取從初始狀態轉移至不同狀態時的時變概率曲線，如圖7 所示。

圖6 初始狀態1時的時變概率曲線

圖7 轉移至不同狀態時的時變概率曲線

根據圖6、圖7 可知，繼電保護裝置在初始狀態時為正常狀態，隨著時間的延長，繼電保護裝置的時變概率逐漸減小；當采集時間超過32 h 以后，時變概率幾乎穩定，保持在99.15%。當狀態發生轉變后，結合時變概率和為1 的標準，從初始運行轉變成狀態9 的時變概率最大，轉變成狀態2 的時變概率次之。實際應用時，可根據該狀態變化分析故障類型，并且繼電保護裝置能夠自動完成故障檢測，保證繼電保護裝置在運行中的準確動作。

為測試該文系統的誤動識別效果，針對測試線路進行誤動識別測試，統計系統的識別效果，如表3所示。

表3 保護繼電保護裝置誤動識別測試結果

根據表3 測試結果可知,該系統能在不同情況下根據繼電保護裝置的動作情況，準確分析是否發生誤動作，符合實際使用需要。

3 結論

為了極大程度地降低電網在誤動作影響下造成的風險和經濟損失，針對存在的問題，文中設計了多元信息流下的繼電保護裝置誤動作識別系統，該系統通過對繼電保護裝置運行狀態下行為發生的概率進行分析和求解，判斷繼電保護裝置是否動作，以此降低繼電保護裝置誤動作的發生，用于預測繼電保護裝置的保護動作，進而識別繼電保護裝置的誤動作。