變電站繼電保護裝置容錯控制方法研究

摘要：針對變電站繼電保護裝置故障頻發問題，提出容錯控制方法。采用溫貯備冗余設計，增強系統的可靠性和容錯力；集成先進傳感器與智能監測算法，實時監測狀態，預警潛在故障。基于冗余與實時檢測，制訂容錯策略，包括殘差分析、小擾動調節、復雜容錯框架及開關穩態調節，以確保故障時系統快速恢復穩定。實驗證明，該方法顯著提升了修復率，保障了變電站繼電保護系統的高效、穩定運行，有效應對了復雜多變的運行環境的挑戰。

關鍵詞：變電站 繼電保護裝置 容錯控制 冗余設計 實時狀態監測

中圖分類號：TM73文獻標識碼：A

Research on Fault-Tolerant Control Method of Relay Protection Device in Substation

FENG Jingxuan

Power Guarantee Department of AVIC Dong'an Operation and Maintenance Company， Harbin， Heilongjiang Province， 150066 China

Abstract： A fault-tolerant control method is proposed to address the frequent failures of relay protection devices in substations. It adopts a temperature reserve redundancy design to enhance system reliability and fault tolerance and integrates advanced sensors and intelligent monitoring algorithms to monitor status in real-time and warn potential faults. Based on redundancy and real-time detection， it develops fault-tolerant strategies， including residual analysis， small disturbance adjustment， complex fault-tolerant framework， and switch steady-state adjustment， to ensure rapid system recovery and stability in case of faults. Experimental results have shown that this method significantly improves the repair rate， ensures the efficient and stable operation of the substation relay protection system， and effectively addresses the challenges of complex and changing operating environments.

Key Words： Substation; Relay protection device; Fault-tolerant control; Redundancy design; Real-time status monitoring

變電站繼電保護裝置的可靠性與容錯性對電網安全至關重要。學術界與工業界積極研究提升容錯控制策略，以確保電網穩定。基于證據理論的數字化變電站方法[1]，通過多源信息融合評估裝置狀態，智能調整保護策略，及時隔離故障；同時，針對存儲異常變位，設計了冗余存儲與校驗機制的容錯方案[2]，實時監測并快速恢復異常，強化電網的整體安全性和穩定性。盡管上述方法在變電站繼電保護裝置容錯控制方面取得了顯著進展，但二者在應對復雜多變的故障場景時，其容錯策略的靈活性與適應性有待加強。因此，本文提出一種變電站繼電保護裝置容錯控制方法的研究。

1 變電站繼電保護裝置冗余設計

為了應對單一繼電保護裝置故障可能導致的電網局部或全局停電事故，進而嚴重影響電力系統的穩定性和可靠性，本文針對變電站繼電保護裝置中的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）芯片模塊，特別采用溫貯備冗余設計策略。本文配置L個相同的元器件，其中：第1個被選定為工作元器件，負責實時執行保護任務；剩余的元器件則處于溫貯備狀態，保持待命，以接替失效的工作元器件。定義和分別代表工作狀態下和貯備狀態下的失效率[3]，關鍵隨機變量代表第1個元器件從啟動至失效的工作時間，其失效概率密度函數如下。

式（1）中：表示元器件開始工作到當前時刻所經過的時間；表示常數。

對處于溫貯備狀態的第2至第L個元器件，在溫貯備狀態下的貯備時間（即等待被激活接替的時間）的失效概率密度函數如下。

在溫貯備冗余設計中，一旦檢測到變電站繼電保護裝置工作元器件失效，系統將迅速啟動切換機制，依據各貯備元器件的狀態評估結果，選擇最為合適的元器件進行無縫接替，確保保護功能的連續性不受影響[4]。隨著冗余元器件數量的增加，系統整體的可靠性和容錯能力能夠得到顯著提升。即使面臨多個元器件相繼失效的極端情況，系統依然能夠依托剩余的貯備元器件維持保護功能的正常運行，從而大幅度降低電網停電事故的風險。

2 實時檢測繼電保護裝置運行狀態

本文引入大數據分析與機器學習算法，對傳感器實時采集的海量數據進行深度處理與分析。通過設定嚴格的閾值與報警規則，系統能夠在數據異常時迅速觸發預警機制，有效預防潛在故障的發生。圖1展示了變電站繼電保護故障狀態檢測的一般結構[5]。

建立多維度狀態量評估體系，綜合考慮設備的運行環境、運行時間、故障歷史、狀態信息、通信狀況等多個維度。通過加權計算各維度的得分，得出設備的綜合得分：

式（3）中：表示評估維度的數量，表示第個維度的權重，表示第個維度的得分。

3 制定容錯控制策略

為了在變電站繼電保護裝置出現故障時能夠有序、高效地應對，本文制訂詳細的容錯控制策略。這些策略通過明確在不同故障場景下的應對措施和恢復流程，確保系統能夠在最短時間內恢復正常運行，最大限度地減少故障對電網的影響。

通過殘差分析來識別和變電站繼電保護裝置的測量數據，與預期值進行比較，識別數據偏差。利用式（4）計算每個數據點的殘差，以揭示潛在的數據異常或設備故障。

為了進一步標準化殘差大小，通過公式（5）計算正則化殘差，使不同數據點的殘差具有可比性。

式（5）中，表示數據點的總數。

通過設定合理的閾值，自動識別和剔除錯誤數據，提高數據質量，為后續控制決策提供堅實的數據基礎。針對變電站電網中的小擾動，本文設計反饋調節模型以調整繼電保護裝置的參數。這一模型可以通過式（6）進行表示：

式（6）中：表示負荷波動量，表示功率回降量，表示電網頻率，、、表示對應的反饋增益系數。根據式（6），通過調整反饋增益系數、和，可以實現對不同擾動因素的快速響應和精確調節。這種小擾動反饋調節機制有助于在故障初期即采取有效措施，防止故障擴大，保障電網的穩定運行。

為了應對系統模型的不確定性和復雜性，本文根據“三型兩網”的理念，構建復雜容錯控制框架，通過非線性反饋調節方程和輸出方程描述系統狀態變量與控制輸入之間的關系，如式（7）所示：

式（7）中：表示系統狀態隨時間的變化率，表示系統輸出，表示非線性反饋調節方程，表示輸出方程。

引入模糊控制理論，利用模糊集和模糊規則近似表示系統模型中的和未知函數。通過式（8）計算控制輸出，結合模糊集的隸屬度函數，實現對系統狀態變化的靈活適應和精確控制。

式（8）中：表示模糊集的隸屬度函數，表示基于模糊規則的控制輸出。

為了進一步提升系統的容錯能力和穩定性，本文結合開關穩態容錯調節機制，通過優化保護裝置響應速度和動態調整瞬時調節電壓，進一步提升系統的容錯能力和穩定性。這一過程可以表示為：

式（9）中：表示時滯耦合項，表示加權函數，和分別表示調整前后的瞬時調節電壓。

通過式（9），優化調整前后的瞬時調節電壓，同時考慮時滯耦合項和加權函數的影響，確保在故障發生時能夠迅速且準確地調整系統狀態，減少故障對電網的沖擊。

4 實驗

實驗采用了支持線路保護與變壓器保護等多種保護類型的繼電保護裝置（采樣頻率高達8kHz，兼容以太網、RS-485等通信接口），基于B/S架構的數據采集與監控系統，能夠模擬短路、斷路、過載、接地等多種故障類型且精度不超過0.5%的故障模擬裝置，以及交換容量不少于100 Gbps、轉發能力至少75 Mpps并兼容IEEE 802.3系列協議的通訊設備。設定修復率作為核心評價指標，將本文方法記作方法1，與基于證據理論的數字化變電站繼電保護容錯方法（方法2）和繼電保護裝置存儲異常變位的容錯設計與應用（方法3）進行對比測試，具體如圖2所示。

圖2 不同實驗場景下3種方法的修復率對比結果

本文方法在復雜故障場景下表現卓越，尤其在極端過載、瞬時接地故障中修復率顯著優于對比方法，展現了高穩定性和高效性；在高溫短路測試中也表現優異，能夠適應惡劣環境；在多重故障及電磁兼容測試中，綜合性能良好，證明其在實際應用中可靠、穩定。本文方法有效提升了變電站繼電保護系統的性能，在應對復雜環境時具有顯著優勢。

5 結語

本文圍繞變電站繼電保護裝置的容錯控制方法進行了深入研究，通過綜合分析保護裝置在復雜電網環境中的多種故障模式和容錯需求，提出了一套全面的容錯控制策略。通過仿真實驗的驗證，證明了所提方法在提高保護裝置容錯性能方面的有效性和可靠性。

參考文獻

[1] 謝健，陳昕.基于證據理論的數字化變電站繼電保護容錯方法[J].光源與照明，2022（5）：140-142.

[2]李友軍，周華良，鄭玉平，等.繼電保護裝置存儲異常變位的容錯設計與應用[J].電力系統自動化，2021，45（7）：155-162.

[3]于洋，王同文，汪偉，等.數字化變電站繼電保護裝置故障智能檢測識別方法研究[J].電子設計工程，2024，32（5）：113-117.

[4]趙志勇，卞振華，王雁冰.智能變電站繼電保護裝置智能運維自動化控制方法[J].自動化與儀表，2023，38（12）：60-64.

[5] 仇硯秋，徐成.基于變電站監控系統的繼電保護自動檢驗方法研究[J].電氣技術與經濟，2023（9）：225-227.