基于狀態信息關聯性的變電站繼電保護實時檢測方法研究

薛晨

（國網江蘇省電力有限公司揚州供電分公司，江蘇 揚州 225001）

隨著國家大力推進智能電網的建設，智能變電站的數量逐年遞增，智能變電站的運營維護工作也越來越重要。智能變電站的技術架構與傳統變電站相比都發生了革命性的變化，但是在運營維護方面，智能變電站仍然采用了傳統的定期檢修模式[1-2]。一方面，定期檢修需要將被檢驗的設備停電，再根據檢驗規程要求逐項對被檢驗設備進行功能與狀態的檢查，工作量巨大，耗費時間長，目的性差、有效性差；另一方面，智能變電站運行數據豐富，具備高度共享的屬性，能夠通過智能化設備對智能變電站的運行數據以及繼電保護數據進行連續性檢測，并能通過通信的方式實現數據的高度共享，這就為智能變電站繼電保護的運用維護新方法的出現提供了數據基礎，也為基于狀態信息的智能變電站運營維護技術提供了研究方向[3-4]。本文充分利用了智能變電站運行數據高度共享的屬性，對能夠描述變電站繼電保護狀態的數據進行了細致梳理，并從中提取出數據之間的關聯關系，由此提出了基于狀態信息關聯新的變電站繼電保護實時檢測方法。經過算例驗證，本文所提出的方法能夠有效檢測出繼電保護的異常狀態[5-6]。

1 變電站繼電保護狀態信息

智能變電站繼電保護系統主要由繼電保護設備、智能終端、合并單元、過程層網絡等構成[7]。繼電保護是通過采集模擬量和數字量，再經過繼電保護裝置中的多個環節的運算后得到最終的動作數據和提示數據而實現的[8-9]。數據在繼電保護系統的各個組成部分之間傳輸，每一項功能的實現都需要繼電保護系統各個組成部分之間的相互配合，所以說繼電保護系統各個組成部分的狀態信息都可能會與整個繼電保護系統的狀態具有關聯性。以繼電保護系統的各個組成部分為基本單元進行研究，得到繼電保護系統的狀態信息如表1所示[10-11]。

表1 繼電保護系統狀態信息

2 變電站繼電保護狀態信息關聯屬性

每執行一次繼電保護動作，都需要繼電保護系統的各個組成部分進行數據傳輸、數據分析和相互配合。繼電保護狀態信息伴隨著整個繼電保護的動作過程，完成繼電保護動作的各個環節的狀態信息具有關聯屬性[12]，例如前一個環節的狀態信息會影響后一個環節的狀態信息，相同環節的狀態信息一樣等。如圖1所示為繼電保護系統狀態信息之間的關聯屬性。梳理圖中的關聯屬性，可以將這些關聯屬性劃分為連鎖屬性、互斥屬性、冗余屬性、物理屬性等四大類。

圖1 繼電保護系統狀態信息之間的關聯屬性

連鎖屬性是指兩個狀態信息中的其中一個為A，另一個也對應為A。連鎖屬性的狀態信息存在于實現繼電保護動作必然引起的環節或同類型環節。連鎖屬性專門針對于數字量的狀態信息，取值為“0”和“1”，主要是指繼電器的通斷和壓板的投退。

互斥屬性是指兩個狀態信息中的其中一個為A，另一個對應為～A，互斥屬性專門針對于數字量的狀態信息，取值為“0”和“1”，對于具有互斥關系的兩個狀態信息，其中一個為“1”，與其對應的必然為“0”。互斥關系在繼電保護中主要是指斷路器狀態只能是“通”或“斷”，不存在第三種狀態；合閘繼電器處于“合位”，分閘繼電器必然處于“分位”。

冗余屬性是指兩個狀態信息完全保持一致，冗余屬性適用于數字量和模擬量，其中數字量的取值存在“0”和“1”之外的第三種狀態，涉及到冗余屬性的變量有電壓、電流、溫度、網絡延時等，具有冗余屬性的狀態信息通常存在于二重化配置的繼電保護系統或同信息源的模擬量和數字量中。

物理屬性主要針對于模擬量，必須要滿足基爾霍夫定律的約束，換而言之就是一次側系統的模擬量必須滿足跟電路結構相關的物理定律的約束關系。

3 基于狀態信息關聯性的繼電保護檢測策略

本文選取連鎖屬性和互斥屬性對基于狀態信息關聯性的繼電保護檢測策略進行研究。

根據連鎖屬性的特點，如果兩個具有連鎖屬性的狀態信息出現了數據偏差，則可以得到結論，其中的一個狀態信息出現了異常，具體的檢測方式是通過構造異或邏輯來實現的，如果兩個具有關聯屬性的狀態信息經過異或運算后，其輸出結果位1，則認定存在異常。

假設存在α 個數字量的狀態信息m1（t），m（2t），L，m（αt）分別與β 個數字量的狀態信息n（1t），n（2t），L，n（β）t存在關聯屬性關系。設定基準向量和比較向量為：

定義“異或”運算，當兩個數字量不同時，異或運算結果為1，則存在：

如果矩陣ω（t）的第i行的全部元素都為1，則認定m（it）狀態信息出現了異常；如果矩陣ω（t）的第j列的全部元素都為1，則認定n（jt）狀態信息出現了異常；特別情況下，如果m（it）狀態信息和n（jt）狀態信息都出現異常如果矩陣ω（t）的第i行和第j列的全部元素除了ω（ijt）外全部為1。當出現多個狀態信息異常時，通過查找矩陣中的非零元素就能夠判定出是哪個狀態信息出現了異常。

根據互斥屬性的特點，如果兩個具有互斥屬性的狀態信息不呈現互補，則可以得到結論，其中的一個狀態信息出現了異常，具體的檢測方式是通過構造同或邏輯來實現的，如果兩個具有關聯屬性的狀態信息經過異或運算后，其輸出結果位1，則認定存在異常。

假設存在α個數字量的狀態信息m1（t），m（2）t，L，m（α）t分別與β個數字量的狀態信息n（1t），n（2）t，L，n（β）t存在互斥屬性關系。設定基準向量和比較向量為：

定義“同或”運算，當兩個數字量相同時，同或運算結果為1，則存在：

如果矩陣ω（t）的第i行的全部元素都為1，則認定m（it）狀態信息出現了異常；如果矩陣ω（t）的第j列的全部元素都為1，則認定n（jt）狀態信息出現了異常；特別情況下，如果m（it）狀態信息和n（jt）狀態信息都出現異常，則認定矩陣ω（t）的第i行和第j列的全部元素除了ω（ijt）外全部為1。當出現多個狀態信息異常時，通過查找矩陣中的非零元素就能夠判定出是哪個狀態信息出現了異常。

4 算例分析

為了驗證本文所提出方法的有效性，以智能變電站最小系統為研究對象進行分析，該系統包含了一個母聯斷路器間隔、一個變壓器間隔、五個線路間隔以及智能終端、合并單元、繼電保護設備等，其具體結構圖如圖2所示。

圖2 智能變電站最小系統結構圖

當k點發生接地故障時，保護1、保護2為內部故障，正常情況下，t1時刻保護1、保護2、保護5、保護6起動，t2時刻保護1、保護2動作，保護5、保護6返回。如果保護1、保護2不動作，則由保護5、保護6作為后備保護動作。

本文以保護6的起動異常為例，以保護6、保護2的狀態信息為基準，得到t1時刻的基準狀態向量，向量中各元素分別表示保護1和保護2的起動情況，起動為1，不起動為0；得到t1時刻的比較狀態向量，向量中各元素分別表示保護5、保護6的起動情況，運算得到的矩陣第二行不為0，因此可以判斷保護6的起動異常。

5 結論

為了充分利用智能變電站運行數據高度開放的特點，本文從繼電保護系統基本組成出發對繼電保護狀態信息進行了深入研究，對各個狀態信息之間的關聯關系進行了深入分析，將繼電保護裝置采集到的實時數據進行邏輯運算，實現變電站繼電保護的實時檢測。算例分析表明，本文所提出的方法運算簡單、結果可靠，在變電站一次側設備處于運行狀態下也能夠實現繼電保護檢測，有效提高了繼電保護的可靠性，減少了運營維護的工作量，大大提升了變電站的檢修效率。