基于VS-IRL 的繼電保護(hù)裝置測試研究

張 強(qiáng)，李宇節(jié)，祝 爽，王雅男，鄭 磊

(國網(wǎng)四川雅安電力(集團(tuán))公司，四川 雅安 625000)

收稿日期:2022－11－01 修改日期:2022－12－28

現(xiàn)如今，由于復(fù)雜的智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的形成以及日益增長的需求，電力系統(tǒng)運(yùn)行接近其額定容量。如果沒有迅速發(fā)現(xiàn)且隔離故障，就可能導(dǎo)致這種高度互連的網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)跳閘[1]。使用距離繼電保護(hù)裝置是傳輸線全站保護(hù)的常用做法，當(dāng)阻抗軌跡觸碰到其第三區(qū)工作邊界時，它就會觸發(fā)[2]。然而，嚴(yán)重的突發(fā)事件，如線路中斷、網(wǎng)絡(luò)隔離等都可能導(dǎo)致第三區(qū)中繼誤操作的應(yīng)力場景。在這里，術(shù)語“應(yīng)力場景”指的是無故障的情況。近期有關(guān)停電的研究表明，在這些動態(tài)應(yīng)力的情況下，距離繼電保護(hù)裝置第三區(qū)誤動作是導(dǎo)致電力系統(tǒng)級聯(lián)故障的主要原因。在這種突發(fā)情況下，功率擺動和負(fù)荷侵占是設(shè)計備用保護(hù)方案時需要考慮的主要問題[3－4]。

上述方案利用局部中繼信息在應(yīng)力條件下識別故障。目前在廣域測試、控制和保護(hù)方面的進(jìn)展是在廣域測量系統(tǒng)(Wide Area Measurement System，WAMS)中使用時間同步相量測量單元(Phasor Measurement Units，PMUs)。提出了可以實現(xiàn)一對分類器的自適應(yīng)技術(shù)來區(qū)分故障和應(yīng)力場景[5－7]。

在本文提出的方法中，利用實時脆弱性研究(Vulnerability Studies，VS) 和智能中繼邏輯(Intelligent Relay Logic，IRL)來識別應(yīng)力情況下的故障，設(shè)計了一種增強(qiáng)的廣域距離繼電保護(hù)算法，用于測試常規(guī)的第三區(qū)備份中繼。在遠(yuǎn)距離繼電保護(hù)裝置發(fā)生不希望發(fā)生的跳閘之前，應(yīng)計算一個適當(dāng)?shù)睦^電保護(hù)裝置脆弱性指數(shù)，并利用其對任何運(yùn)行狀態(tài)下的關(guān)鍵繼電保護(hù)裝置進(jìn)行排序，來估計脆弱性的強(qiáng)度。WAMS 數(shù)據(jù)從放置在關(guān)鍵位置的PMU中檢索，以提取輸入特征并計算繼電保護(hù)裝置的運(yùn)行裕度以及對負(fù)載功率的敏感性。VS 檢測傳統(tǒng)的第三區(qū)中繼阻塞的脆弱繼電保護(hù)裝置，IRL 激活，以區(qū)分故障和應(yīng)力情況。

本文通過實時仿真研究，搭建了基于DDRTS 的虛擬化、數(shù)字化仿真模型系統(tǒng)，實現(xiàn)了對繼電保護(hù)裝置的精確仿真。通過仿真結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)的建立能夠滿足全站繼電保護(hù)自動測試的需求，能夠簡化現(xiàn)場調(diào)試工作、提升工作效率、減少停電時間、降低“三誤”事故概率，為推動繼電保護(hù)技術(shù)變革及管理創(chuàng)新提供技術(shù)支撐。

1 第三區(qū)測試算法

在繼電保護(hù)系統(tǒng)中，對容易受到攻擊的繼電保護(hù)設(shè)備進(jìn)行識別是非常重要的。這是因為如果這些設(shè)備受到攻擊，可能會導(dǎo)致繼電保護(hù)系統(tǒng)失效，從而導(dǎo)致電網(wǎng)發(fā)生故障或事故。因此，對于容易受到攻擊的繼電保護(hù)設(shè)備進(jìn)行識別，可以采取相應(yīng)的安全措施來保護(hù)這些設(shè)備，例如設(shè)置物理障礙、使用電磁屏蔽材料、加密網(wǎng)絡(luò)通信等，從而保證繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性和安全性。

在本文中，主要根據(jù)應(yīng)力條件，使用脆弱性研究方法來對繼電保護(hù)裝置進(jìn)行檢測。嚴(yán)重的應(yīng)力條件顯著影響為傳輸系統(tǒng)提供全站保護(hù)的距離繼電保護(hù)裝置的第二區(qū)和第三區(qū)操作。由于大部分的繼電保護(hù)裝置誤操作都與距離繼電保護(hù)裝置的第三區(qū)有關(guān)，因此本文的研究工作是為第三區(qū)監(jiān)管服務(wù)的。但是，為了使其更具有一般性，還應(yīng)制訂第二區(qū)測試計劃，這可能需要改變框架和分析方法，并將作為今后工作的一部分加以考慮。

本文提出了利用常規(guī)的第三區(qū)協(xié)同運(yùn)行，結(jié)合脆弱性研究和智能中繼邏輯，在有應(yīng)力的條件下，距離中繼會發(fā)出第三區(qū)運(yùn)行的跳閘/阻塞信號指令。圖1給出了第三區(qū)中繼測試算法的結(jié)構(gòu)。

圖1 WABP 方案示意圖

IRL 對從廣域信息中提取的特征進(jìn)行處理，給出實時安全決策，并將數(shù)據(jù)集分類為“無故障/應(yīng)力狀態(tài)”或“故障狀態(tài)”。IRL 為任何故障情況和距離繼電保護(hù)裝置跳閘產(chǎn)生的輸出“1”。當(dāng)IRL 顯示輸出為“0”時，這是一個“無故障”的情況，距離繼電保護(hù)裝置不操作。因此，VS、傳統(tǒng)的第三區(qū)和IRL 的共同作用決定了最終的繼電運(yùn)行。

該方案利用擴(kuò)展卡爾曼濾波(Extended Kalman Filter，EKF)技術(shù)開發(fā)的PMU 來估計相量和隨后的特征檢索，因為這些PMU 估計基本相量的效率比現(xiàn)有PMU 更好。其中系統(tǒng)中的每條線路都應(yīng)連接到帶有PMU(busp)的總線，或保持在至少兩個busp的第三區(qū)覆蓋范圍內(nèi)。在稱為busN的其他總線上無法訪問度量值。在任意busN的情況下，使用傳輸線的長線模型估計電壓。線路參數(shù)的計算使用本文所提出的技術(shù)完成。系統(tǒng)中busN的電壓相量按下列方法估計:

式中:Vp和Ip分別為busp處的正序電壓和電流相量，l和γ分別為線的長度和傳播常數(shù)，ZC為特征阻抗。

2 脆弱性研究

2.1 繼電保護(hù)裝置工作裕量(ROM)的概念

對于任何電力系統(tǒng)事件，ROM 決定了哪些VR已經(jīng)跳閘或即將跳閘。任何擾動的后效，如級聯(lián)故障、發(fā)電/負(fù)載切換和網(wǎng)絡(luò)分離，都可以利用ROM值可視化[8]。

對于第三區(qū)距離繼電保護(hù)裝置，對于任意線路i－j，繼電保護(hù)裝置ij的繼電保護(hù)裝置工作裕量(ROMij)計算為:

式中:Zijc是關(guān)于第三區(qū)中心的視阻抗，ρij是第三區(qū)半徑。如Zij為從原點測量到的繼電保護(hù)裝置所見阻抗，Rijc和Xijc為3 區(qū)邊界中心的x－y坐標(biāo)，則ROMij可由:

如果阻抗侵入工作邊界，ROMij為負(fù)，距離繼電保護(hù)裝置命令跳閘決策。設(shè)Vi、Vj為幅值，θij為線兩端電壓相位差，則i－j中的復(fù)潮流Sij為:

2.2 相關(guān)操作裕度對母線電壓的敏感性

靈敏度研究可以確定操作裕度軌跡的變化率，即ROM 相對于母線電壓或負(fù)載功率注入的變化。因此，它可以作為判斷距離繼電保護(hù)裝置在任何突發(fā)事件下的脆弱性的指標(biāo)。

在某一工作點，繼電保護(hù)裝置操作裕度對負(fù)載功率的靈敏度由以下公式進(jìn)行表示:

式中:ΔP和ΔQ分別為有功功率和無功功率的變化量。SRP、SRQ分別為繼電保護(hù)裝置操作裕度對有功功率和無功功率的靈敏度。

這些可以用雅可比矩陣M表示為母線電壓的變化(角度和幅度):

2.3 中繼的脆弱性指數(shù)

如前所述，在任何動態(tài)應(yīng)力條件下，如功率擺動和負(fù)荷侵占，繼電保護(hù)裝置操作裕度減小，且繼電保護(hù)裝置操作裕度對母線電壓的敏感性增加。結(jié)合這兩個參數(shù)，計算出一個因子繼電保護(hù)裝置脆弱性指數(shù)(Relay Vulnerability Index，RVI)，根據(jù)脆弱區(qū)第三區(qū)的嚴(yán)重程度對繼電保護(hù)裝置進(jìn)行排序，確定高度脆弱繼電保護(hù)裝置集合。可計算為繼電保護(hù)裝置操作裕度(如式(4)所示)，其表達(dá)式為:

3 智能中繼邏輯(IRL)的制定

為了提高遠(yuǎn)程中繼的運(yùn)行效率，設(shè)計了一種基于決策樹(Decision-making Tree，DT)的決策邏輯，以區(qū)分故障和應(yīng)力情況。

3.1 理論背景

DT 基本上由一些簡單而準(zhǔn)確的規(guī)則組成，這些規(guī)則應(yīng)用if－then 語句對數(shù)據(jù)集進(jìn)行分類。DT 模型必須使用足夠數(shù)量的相關(guān)數(shù)據(jù)集，并為每個數(shù)據(jù)集預(yù)定義類[9]。

3.2 輸入屬性的選擇

僅僅使用正序電壓相量信息不足以將應(yīng)力情況與對稱故障區(qū)分開，因為它們的特征往往相似。因此，一些額外的特性，即有功功率和無功功率及其導(dǎo)數(shù)作為輸入，以提高精度水平。

從圖2 所示的變量重要度圖和DT 結(jié)構(gòu)可以看出，x7(即dQ/dt)和x3(即ΔI)是最重要的輸入特征。因此，線路中的ΔI是區(qū)分故障與無故障的主要特征，而dP/dt和dQ/dt特征進(jìn)一步提高了從功率波動、電壓不穩(wěn)定和負(fù)荷侵占這些場景中分類故障的分辨率。

圖2 IEEE 39 總線系統(tǒng)(R29－28)故障識別的DT 模型

3.3 智能中繼邏輯示意圖

算法流程圖如圖3 所示。

圖3 算法流程圖

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

采用MATLAB/Simulink 平臺，在圖4 所示的IEEE 39 總線系統(tǒng)上對所提出的WABP 方案進(jìn)行了測試。

圖4 IEEE 39 總線系統(tǒng)單圖

4.1 脆弱性測試

考慮一個在線路29－26 上產(chǎn)生的三相故障持續(xù)了一定的時間，然后通過打開斷路器清除。HVR集的RVI 值為負(fù)值或非常小的正值。可能遇到功率波動的繼電器根據(jù)RVI 值進(jìn)行排名，見表1。

表1 RVI 指數(shù):功率擺動場景

在特定條件下，距離繼電保護(hù)裝置所看到的表觀阻抗可以侵犯其第三區(qū)域邊界，可能導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置R29－28 和R25－26 的過失跳閘。具有負(fù)RVI 值或非常小的正RVI 值的繼電保護(hù)裝置可稱為高度脆弱。表2 顯示了根據(jù)RVI 值或本例的漏洞嚴(yán)重程度排序的中繼排名。

表2 RVI 索引:負(fù)載侵占場景

4.2 IRL 邏輯的性能測試

為了檢驗該算法對測量噪聲(PMU 測量中的誤差)的魯棒性，噪聲會添加到幅度和相位角測量中。將信噪比為20 dB 的高斯白噪聲添加到測試數(shù)據(jù)中，通過輸入該噪聲對訓(xùn)練好的DT 模型進(jìn)行測試。IRL 邏輯在測試系統(tǒng)不同繼電保護(hù)裝置測量噪聲下的故障檢測精度如表3 所示。測試精度表明本文的模型不受噪聲影響。對于不同的故障位置、不同的故障電阻、不同的故障類型、不同的故障線路以及不同的功率擺動的故障清除時間，可以合理地預(yù)測故障和無故障情況。

表3 預(yù)測不同繼電保護(hù)裝置的IRL 邏輯精度

4.3 不同運(yùn)行場景下的性能

在穩(wěn)定功率擺動的情況下，經(jīng)過一定的時間后，線路中的功率流趨于穩(wěn)定。然而，在嚴(yán)重的角度不穩(wěn)定期間，繼電保護(hù)裝置可能面臨電流和電壓的大振蕩。如果故障清除時間過長，可能會出現(xiàn)不穩(wěn)定振蕩，發(fā)電機(jī)可能會出現(xiàn)失步。

5 實時數(shù)字模擬器平臺的硬件實現(xiàn)

實時數(shù)字模擬器(Real-time Digital Simulators，DDRTS)這種基于微機(jī)的實時數(shù)字仿真系統(tǒng) 具有建模方便、成本低、升級容易、良好的可擴(kuò)展性和兼容性等優(yōu)點，是進(jìn)行電力系統(tǒng)實時數(shù)字仿真的一個重要工具[10]。

5.1 DDRTS 系統(tǒng)的組成

DDRTS 系統(tǒng)主要由兩部分組成，分別為硬件部分和軟件部分。

DDRTS 系統(tǒng)的硬件部分主要包括:①微機(jī):對所模擬的系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)實時仿真；②高速信號通信系統(tǒng):主要用于微機(jī)和信號轉(zhuǎn)換及輸入輸出系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信；③信號轉(zhuǎn)換及輸入輸出系統(tǒng):主要進(jìn)行信號模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量、數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量以及開關(guān)量的輸入和輸出，包括A/D、D/A、I/O、O/I 四個單元；④功率放大器:進(jìn)行電壓或電流的幅值、相位、頻率的調(diào)節(jié)。

DDRTS 系統(tǒng)的軟件部分包括:①電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真程序:是電網(wǎng)數(shù)字動態(tài)實時仿真系統(tǒng)的重要組成程序。②圖形化電力系統(tǒng)仿真建模系統(tǒng):全中文圖形界面，可以方便快速地搭建數(shù)字仿真系統(tǒng)模型，進(jìn)行系統(tǒng)的仿真計算，分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)和動態(tài)行為。③實時仿真進(jìn)程控制系統(tǒng):進(jìn)行實時通信、同步控制、信號轉(zhuǎn)換和輸入輸出量的處理等。④DDRTS 系統(tǒng)輔助功能模塊:繼電器測試程序、數(shù)字動態(tài)諧波測試程序、數(shù)字動態(tài)實時回放測試程序等。

5.2 DDRTS 系統(tǒng)仿真及分析

為了驗證算法的有效性，本文在DDRTS 平臺上實現(xiàn)該方案，作為控制器硬件在環(huán)(Controller Hardware In Loop，CHIL)測試的一部分。為了實現(xiàn)基于底層接口的CHIL 測試，實現(xiàn)了浮點數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)。在CHIL 測試中，通過Code Composer Studio 將本文的算法集成到DSP板上，該基于DSP 的控制器作為測試硬件。由于接口是在電壓＋/－10 V 同時電流范圍<50 mA 之間的低電平信號下完成的，因此在CHIL 測試中不需要額外的接口工具。

DDRTS 的千兆收發(fā)模擬輸出(GTAO)/數(shù)字輸入(GTDI)卡用于外部控制器、硬件PMU 和RSCAD中的系統(tǒng)模型之間的接口。從DDRTS 的模擬輸出通道中采集7、9 和4 總線的三相瞬時電壓和電流信號，并送至PMU。

控制器發(fā)出的trip 命令發(fā)送到測試系統(tǒng)的相關(guān)斷路器。表4 給出了具有故障檢測響應(yīng)時間的CHIL 測試下該方案的性能。考慮到處理、相量信息復(fù)用、PDC 數(shù)據(jù)提取的總時延為100 ms～110 ms，控制器對命令脫扣信號的響應(yīng)時間為10 ms～15 ms，最脆弱繼電器的平均故障檢測時間在115 ms～125 ms 之間，如表7 所示。結(jié)果表明，本文的方案能夠準(zhǔn)確區(qū)分應(yīng)力情況和故障情況，響應(yīng)時間較短。

表4 DDRTS 平臺C-HIL 測試結(jié)果

6 結(jié)論

由于常規(guī)的第三區(qū)算法在功率擺動、負(fù)荷侵占和電壓不穩(wěn)定等應(yīng)力條件下容易出現(xiàn)誤操作，因此有必要對第三區(qū)進(jìn)行監(jiān)管和測試，以提高保護(hù)運(yùn)行的安全性。

本文提出的方案定義了一個因子，繼電保護(hù)裝置脆弱性指數(shù)，用于在任何干擾期間對高度脆弱的繼電保護(hù)裝置進(jìn)行排名。這種脆弱性研究邏輯為高脆弱性繼電保護(hù)裝置的第三區(qū)發(fā)出阻斷信號。此外，它將操作從傳統(tǒng)的第三區(qū)中繼切換到智能中繼邏輯，使用廣域信息進(jìn)行實時安全決策。進(jìn)行相關(guān)仿真，提取輸入差分屬性，用于訓(xùn)練區(qū)分故障和應(yīng)力情況的決策樹模型。

對IEEE 39 總線系統(tǒng)的結(jié)果分析表明，在不同的操作條件下，傳統(tǒng)的第三區(qū)故障跳閘都具有優(yōu)異的性能。在DDRTS 平臺上的CHIL 測試表明，該算法在實時場景下具有較高的有效性。因此，本文提出的方案可以有效測試?yán)^電保護(hù)裝置的運(yùn)行狀態(tài)，避免可能引發(fā)級聯(lián)故障的中繼錯誤操作，并增強(qiáng)第三區(qū)保護(hù)的安全性。