數字化變電站繼電保護系統運行狀態實時跟蹤研究

赫嘉楠，栗磊，牛健，梁亞波，徐麗娟

(國網寧夏電力有限公司電力科學研究院， 寧夏， 銀川 750001)

0 引言

數字化變電站繼電保護系統是指當電網發生故障時能精準監測故障，并第一時間將故障報告發送給相關工作人員，使故障得以及時維修和切除，從而保證了電網工作的正常運行，減少損失[1]。由于目前電網發生故障的頻率越來越高，故障程度越來越嚴重，所以確保數字化變電站的繼電保護系統能夠安全運行具有非常重要的作用。陳飛建等[2]研究了基于信息融合的智能變電站繼電保護設備自動測試系統；徐長寶等[3]提出了基于信息趨勢預測和組合賦權的智能變電站繼電保護系統狀態模糊綜合評價方法。上述研究均可在一定程度上確保繼電保護的安全性，為了進一步規避傳統數字化變電站繼電保護系統監測過程中出現的各種問題，使變電站繼電保護系統運行更平穩、監測結果更準確、報告故障更及時，本文提出數字化變電站繼電保護系統運行狀態實時跟蹤方法。

1 數字化變電站繼電保護系統運行狀態實時跟蹤

1.1 基于運行狀態關聯關系的繼電保護系統跟蹤

1.1.1 基于連鎖關系的繼電保護系統運行狀態跟蹤

如果2個連鎖關系的運行狀態信息存在很大的偏差，就可以發現某一個狀態信息出現了異常[4]，可采用建立異或邏輯的方式達到在線檢測效果，如果連鎖關系的狀態信息不同，那么輸出狀態異常，即輸出是1。

如果存在n個布爾量類型和m個布爾量類型的狀態信息有連鎖關系，那么具體表現為x1(t),x2(t),…,xn(t)和y1(t),y2(t),…,ym(t)，將y(t)=[y1(t),y2(t),…,ym(t)]和x(t)=[x1(t),x2(t),…,xn(t)]T分別定義成是基準和比較狀態向量[5]。用⊕表示異或運算，如果布爾量a和b存在差異，則a⊕b=1成立，需要通過異或運算⊕實現，如式(1)：

x(t)⊕y(t)=[x1(t)x2(t) …xn(t)]T⊕[y1(t)y2(t) …ym(t)]=z1(t)

(1)

如果所得矩陣z1(t)的第i行和第j行列都是1，說明xi(t)和yj(t)的狀態信息存在差異；若矩陣z1(t)的第i行和第j列除了zij(t)以外都是1，說明xi(t)和yj(t)都顯示差異。矩陣z1(t)中非零出現的位置就可以判斷哪個狀態信息出現差異。

1.1.2 基于冗余關系的繼電保護系統運行狀態跟蹤

(1) 布爾量類型冗余狀態信息的在線跟蹤

如果繼電保護組成部分的n維狀態向量用Xn×1(t)表示，那么n個布爾量類的狀態信息x1(t),x2(t),…,xn(t)就是Xn×1(t)的各分量，同時也是繼電保護的組成部分。Xn×1(t)的表達式為

Xn×1(t)=[x1(t)x2(t) …xn(t)]T

(2)

如果相同電力系統中X1,n×1和X2,n×1的各元素條件在理論上一致，說明X1,n×1和X2,n×1存在冗余關系，為了找出繼電保護存在的差異，需要比較兩個狀態向量。

搜索Hn×1矩陣的非零元素可以相減兩個狀態向量，該過程需要在對比布爾量類型狀態信息的條件下完成。判斷哪個狀態信息出現差異，需要搜索Hn×1中的非零元素來實現[6]。正常情況下非零元素個數顯示0，反之不顯示0；當X1,n×1或X2,n×1的第i個狀態信息存在差異時，矩陣Hn×1的第i行元素就不顯示0。

(2) 非布爾量類型冗余狀態信息的在線跟蹤

通過各狀態信息的差別獲取狀態信息出現的差異可以通過式(3)表示：

(3)

式中，Δx(t)表示相對誤差值，x3(t)和x4(t)表示存在冗余關系的兩個非布爾量類型狀態信息。計算各個狀態信息的相對誤差值，并且設置告警閾值[7]，如果收到告警信息，說明相對誤差值達到了異常閾值。

1.2 基于故障錄波信息的繼電保護系統內部運行狀態跟蹤

當故障信息處理裝置收到并存儲繼電保護系統和故障錄波設備的信息時，說明繼電保護系統的裝置Q1、Q2出現問題。Q1、Q2是故障預警信息的來源[8]，根據故障信息編號，判定繼電保護系統的裝置是否存在問題。繼電保護系統內部故障跟蹤結構圖如圖1所示。

圖1 內部故障跟蹤結構

詳細研究跟蹤繼電保護系統內部故障需要在故障錄波裝置平穩運行的前提下完成。圖2為線性保護模型，其中用Q1、Q2、Q3描述繼電保護系統線路中的保護裝置。

圖2 線性保護裝置

假設Q點出現短路，且存在不同裝置運行均正常，則故障錄波裝置的測量值的表達式為

j∈(1,2,3)

(4)

其中，方向函數H(f)通過系統故障點和待分析保護的相對位置獲得，函數D(Qi,Qj)是通過待分析保護的測量信息間相對關系獲得。故障錄波裝置在電路同一位置采集的電參數值和保護系統中的電參數值相同時，會確保保護系統正常工作。因此，故障錄波裝置的測量值就用Qi(if,uf)顯示，保護系統繼電保護裝置的測量值和故障錄波裝置測量值具有差異性，會使測量元件存在誤差，具體用Δ?R表示，如式(5)：

|Qr(if,uf)-Qi(if,uf)|=Δ?Ri∈(1,2,3)

(5)

式中，Qr(if,uf)表示繼電保護系統裝置的測量值。

由于式(4)、式(5)表述的關系未產生，說明繼電保護系統出現問題，因此利用式(5)提出的方法獲取故障裝置的編號。

通過分析繼電保護系統的Q1、Q2測量電流數值P(if,uf)可知，H(f)的取值是1 ，D(Qi,Qj)的取值是0，說明Q1、Q2的電流方向一樣。通過式(4)可以得到式(6)：

P1(if,uf)=P2(if,uf)

(6)

通過分析繼電保護系統的Q2、Q3測量電流數值P(if,uf)可知，H(f)的取值是-1，D(Qi,Qj)的取值是Q2、Q3的阻抗差值OON。用式(4)可以得到式(7)：

P3(if,uf)=-P2(if,uf)+OON

(7)

通過跟蹤數字化變電站繼電保護系統信息傳輸環節以及核心保護環節中的繼電保證裝置運行狀態可以發現數字化變電站繼電保護系統繼電保護裝置是否有問題。

2 仿真實驗分析

為了驗證本文提出的數字化變電站繼電保護系統運行狀態實時跟蹤方法在實際應用中的性能，本文以某地區的一個220 kV的數字化變電站繼電保護系統為例，對數字化變電站繼電保護系統運行狀態跟蹤效果進行測定。繼電保護系統如圖3所示。

圖3 智能變電站繼電保護系統

2.1 跟蹤結果分析

由圖3可知，當k點出現故障情況，繼電保護系統中保護1、2產生內部故障；未產生故障情況下，t1、t2時間點分別開啟保護1、2、5、6和1、2，同時在t2時間點保護5、6返回，保護5、6作為后備保護動作的前提是保護1、2拒動。

不同狀態信息的關聯關系見表1。

表1 不同狀態信息的關聯關系

通過分析保護2第一套智能終端采集的開關量異常狀態，驗證本文方法的跟蹤優勢。當k點出現故障時，非異常狀況下保護2的狀態為開啟(t2)，斷路器處在分位(t2+)。

通過以上內容可知，采用本文方法可有效跟蹤到保護2第一套智能終端采集的開關量異常狀態，可實現繼電保護系統故障診斷。

2.2 有效性分析

為驗證本文方法的優勢，選取文獻[2]提出的基于信息融合的跟蹤方法和文獻[3]提出的基于信息趨勢預測和組合賦權的跟蹤方法為對比方法。統計3種方法在不同時間段內跟蹤到的繼電保護系統的故障情況，結果如表2 所示。

表2 3種方法跟蹤到的系統故障

由表2可知，本文方法可準確跟蹤出全部故障次數。基于信息融合的跟蹤方法，只有3次跟蹤到的故障次數與實際故障發生次數相同，基于信息趨勢預測和組合賦權的跟蹤方法，只有在故障低頻率發生時可以被跟蹤到。由此可見，本文方法可以準確地跟蹤到運行狀態變化發生。

2.3 跟蹤誤差分析

統計上述實驗的10次故障跟蹤過程，3種方法的跟蹤誤差率與漏診率結果如圖4、圖5所示。

圖4 3種方法跟蹤誤差率對比

由圖4可知，使用本文方法跟蹤繼電保護系統運行故障信息的誤差率最小，2種對比方法的誤差率均較大。

由圖5可知，本文方法運行狀態跟蹤過程中漏診率最低，且漏診率變化較為平穩，證明本文方法對于變電站繼電保護系統運行狀態跟蹤的漏診狀況少，精準率高。

圖5 3種方法漏診率對比

3 總結

以數字化變電站信息的開放與共享為基礎研究數字化變電站繼電保護系統運行狀態跟蹤方法，利用狀態信息之間的關聯關系和系統內部故障錄波信息監測繼電保護系統異常運行狀態信息的同時，實現系統內部故障的有效診斷。實驗分析某地區220 kV的數字化變電站繼電保護系統的保護2第一套智能終端采集的開關量異常狀態，驗證了本文方法可有效跟蹤到系統的異常，且跟蹤性能較好，可在一定程度上確保數字化變電站安全、穩定運行。