高壓電力系統抗干擾繼電保護方案研究

南京南瑞繼保電氣有限公司 彭飛 夏玉坤 夏冰

1 引言

電力系統平穩運行是當代社會人民生活與工作的基礎。想要保證生活安全穩定，就必須保證電力系統的良好運行，繼電保護裝置就是電網安全的一道重要的防線，想要保證電力系統的安全性，就需要首先保證繼電保護裝置的可靠性。精確地提取收集采樣信息，是保證繼電保護功能的重要步驟，互感器正是一種可以采集電力系統信息的傳感器。但是如果采樣信號出現異常，就會直接導致繼電保護方案失效，出現保護裝置誤動或者裝置拒動的情況。在現有的繼電保護裝置中，將電磁感應原理作為電流轉換的主要方法，但是這種方法在故障電流過大或者二次負載過大等情況下，十分容易出現飽和情況，電流采樣數據會出現異常，進而導致繼電保護裝置在被干擾的情況下出現不正確動作[1]。因此，想要保證繼電保護裝置在電力系統中的安全運行，就需要首先確保其不會被干擾。為合理避免此類問題的出現，本文在高壓電力系統中，以抗干擾為主要目標，設計了一種新的繼電保護方案。

2 建立繼電保護數據關聯性模型

在對繼電保護裝置進行抗干擾的保護時，需要首先建立相關數據的關聯性模型。在關聯規則數據庫樣本中建立子集，將特征項集合分為三類，分別為設備屬性、缺陷屬性和缺陷等級。由此可以得到數據挖掘對象的特征屬性：

式中，Dp表示數據挖掘對象的表達式；Wf表示數據挖掘的特征屬性；La表示電力系統設備缺陷部位類別；Qb表示電力系統設備缺陷原因；Jc表示缺陷等級；Bd表示嚴重缺陷部位；Ce表示抽象元組結構[2]。通過上述樣本關聯子集，建立繼電保護文本詞典。

為方便日后針對電力系統的保護，需要將原本的缺陷數據進行清洗，使用分詞結構建立文檔，對文檔中出現的關鍵詞進行改正與識別。依據現有的分詞結構，提取有用分詞與無用分詞，更改并重建分詞詞典。在數據的預處理過程中，則可以使用正則化表達的方式，建立詞典的處理引擎。綜合預先設定的文字信息，結合其他成員的協助，對照不同的表達對象建立數據文檔，并將原始的數據文檔與剔除對象一一匹配[3]。當某一個單詞的頻率反復出現后，可以計算其使用頻率。

式中，Pm表示單詞表中第m個詞匯的出現頻率；K表示語料常量；fr表示單詞在整個排名中出現的次數。

在上述文本信息的傳遞過程中，存在一個信息熵的概念，可以獲取信息量化程度[4]。計算信息量化程度的數學期望：

式中，E(x)表示信息熵量化程度的數學期望；Pk表示繼電保護文本缺陷的語料信息熵；Pi表示詞庫中第i個詞匯出現的頻率。分別建立各語料庫中詞匯的重要性，并統計其重要程度，建立關聯性模型。

式中，IDf表示任意兩個繼電保護數據的關聯性；Nm表示語料庫中的文檔數量；Hf表示詞匯的有效信息。IDf一般大于0 且小于1。當IDf接近1 時，證明該數據具備較大的關聯性；當IDf接近0時，證明其關聯性較弱。

結合繼電保護專業詞典，構建詞匯表空間，生成繼電保護數據的關聯性數據庫，并在賦值生成向量模型的基礎上，設計算法分類器，建立所有數據的關聯性保護模型。

3 設計繼電保護抗干擾算法

綜合上述方法，設計一個高壓電力系統抗干擾繼電保護算法。

繼電保護抗干擾算法流程如圖1所示。

如圖1所示，在互感器斷線自檢過程中，若檢測到互感器沒有斷線，則繼續檢測下一個互感器的安全性。若檢測到確實斷線，則需要分別測試CT斷線情況與PT斷線情況。分別保留電壓判據和電流判據，計算繼電保護裝置的信息熵，判斷是否存在區內故障[5]。若區內故障存在，則繼電保護裝置正常工作，若區內故障不存在，則繼電保護裝置不動作。由此可以得到一個高壓電力系統下的繼電保護裝置抗干擾方案。

4 試驗分析

4.1 高壓電力系統仿真模型

為測試上文中設計的高壓電力系統抗干擾繼電保護方案的有效性，建立仿真模型，對其進行分析與總結。仿真模型如圖2所示。

圖2 電力系統仿真模型

如圖2所示，該高壓電力線路中存在兩個電阻，分別為R1 和R2，在電阻兩側有兩個母線A 和B，母線的旁邊和兩個母線的中間點存在三個故障點，分別將其標記為F1、F2、F3。設置輸電線路的采樣頻率為4000Hz，周期內的采樣點數量為100，電壓整定值為0.54，電流整定值為0.22，數據窗口的保護時間為10ms。

4.2 故障制動測試

通過仿真模型，分別獲取A 區母線和B 區母線在不同故障點下的保護判斷結果，A 區母線保護判斷結果見表1。

表1 A區母線保護判斷結果

B區母線保護判斷結果見表2。

表2 B區母線保護判斷結果

由表1和表2可知，當F1點、F2點、F3點分別發生故障時，A 區母線與B 區母線在故障發生后10ms時的保護判斷結果。在不同的故障場景下，線路保護判據均能夠可靠制動，沒有發生誤動情況。

4.3 不同過渡電阻保護靈敏度測試

在仿真模型的首尾兩端以及中點部位分別設置接地故障，逐漸增大過渡電阻值，使其分別為100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000Ω，以此記錄線路保護判據是否會發生改動。線路兩端故障時過渡電阻能力測試見表3。線路中段故障時過渡電阻能力測試見表4。

表3 線路兩端故障時過渡電阻能力測試

由表3 可知，當線路兩端故障時，電壓判據在過渡電阻小于500Ω 時均具備動作能力，電流判據則只有當過渡電阻小于700Ω 時才具備靈敏性。在表4 中，當線路中段故障時，電壓判據在過渡電阻小于200Ω 時正常工作，電流判據則在過渡電阻小于700Ω 時工作。綜上所述，線路兩端故障時的繼電保護能力優于線路中段故障。

表4 線路中段故障時過渡電阻能力測試

5 結語

本文設計了一種針對高壓電力系統繼電保護裝置的抗干擾方法。在無法判斷數據是否正確的基礎上，通過挖掘技術，對現有的繼電保護數據進行關聯性分析，同時設計算法，研究繼電保護方案的抗干擾方法。試驗結果顯示，該方法可以在存在干擾的情況下繼續工作，在任意一個故障模式下，該保護方案均能夠正常工作。在未來的相關研究中，可以繼續處理非規范型的數據類型，建立更可靠的數據挖掘模型，并輸出文本處理結果，得到精度更高的分類器。