廣域繼電保護(hù)及其故障元件判別問(wèn)題的探討

鹽城供電公司 丁靜嫻

繼電保護(hù)是保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的第一道防線。近年來(lái)，隨著電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式的日益復(fù)雜化和多樣化，在復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境下，廣域繼電保護(hù)面臨新的調(diào)整，傳統(tǒng)繼電保護(hù)存在著許多的問(wèn)題。研究能夠快速識(shí)別與隔離故障，簡(jiǎn)化保護(hù)整定計(jì)算的廣域保護(hù)原理和配置方案，是保障電網(wǎng)安穩(wěn)運(yùn)行的重要內(nèi)容。

一、現(xiàn)代電網(wǎng)中傳統(tǒng)繼電保護(hù)中存在的問(wèn)題

(一)定值整定與配合困難

對(duì)于結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式復(fù)雜多變的現(xiàn)代電網(wǎng)，各相關(guān)后備保護(hù)之間動(dòng)作值的配合非常復(fù)雜，并且通過(guò)就地檢測(cè)量和延時(shí)實(shí)現(xiàn)配合的方式在很多情況下難以確保選擇性。人們?cè)诶^電保護(hù)中常采用“加強(qiáng)主保護(hù)，簡(jiǎn)化后備保護(hù)”措施，形成簡(jiǎn)化甚至放棄某些后備保護(hù)配置的趨向。在大電網(wǎng)發(fā)生高阻故障時(shí)，即使采用雙套主保護(hù)并不能完全杜絕其拒動(dòng)發(fā)生。

(二)遠(yuǎn)后備保護(hù)延時(shí)過(guò)長(zhǎng)

多級(jí)階梯延時(shí)配合導(dǎo)致遠(yuǎn)后備保護(hù)延時(shí)可能很長(zhǎng)，于系統(tǒng)安全不利。

(三)缺乏自適應(yīng)應(yīng)變能力

傳統(tǒng)后備保護(hù)的整定配合基于有限的運(yùn)行方式，當(dāng)電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及

運(yùn)行方式因故發(fā)生頻繁和大幅改變時(shí)，易導(dǎo)致后備保護(hù)動(dòng)作特性失配，可能造成誤動(dòng)或擴(kuò)大事故

(四)存在潛在誤動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)

當(dāng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)或運(yùn)行工況突發(fā)非預(yù)設(shè)性改變而伴隨出現(xiàn)大范圍的大負(fù)荷潮流轉(zhuǎn)移時(shí)，可能造成距離保護(hù)Ⅲ段非預(yù)期連鎖跳閘，甚至最終導(dǎo)致系統(tǒng)解列或大停電事故。產(chǎn)生這些問(wèn)題的重要原因在于目前繼電保護(hù)的動(dòng)作依據(jù)僅僅是保護(hù)安裝處設(shè)備本身的信息。如果可以得到當(dāng)前系統(tǒng)更為全面的信息，可以產(chǎn)生更有效的故障判斷和動(dòng)作，這意味著基于廣域信息有可能解決傳統(tǒng)繼電保護(hù)的某些難題。

二、廣域繼電保護(hù)的基本途徑

目前，實(shí)現(xiàn)廣域繼電保護(hù)的基本功能主要有基于在線自適應(yīng)整定原理(On-line Adaptive Setting，OAS)及基于故障元件判別原理(Fault Element Identification，F(xiàn)EI)兩種不同途徑。

(一)基于OAS的廣域繼電保護(hù)

在線自適應(yīng)整定的研究始于上世紀(jì)80年代，國(guó)內(nèi)則有學(xué)者將其表述為采用，防止保護(hù)失配并提高其靈敏度。在線自適應(yīng)整定方法近20年來(lái)的研究工作主要圍繞故障后擾動(dòng)域識(shí)別、最小斷點(diǎn)集搜索和快速短路計(jì)算等方面內(nèi)容展開。

基于OAS的廣域繼電保護(hù)，研究時(shí)間較長(zhǎng)，取得了很多成果，但實(shí)用化卻受到一定的限制，其原因可能在于該方法雖可通過(guò)在線調(diào)整定值來(lái)對(duì)保護(hù)的靈敏性、選擇性加以改善，但未從根本上克服傳統(tǒng)后備保護(hù)整定配合復(fù)雜困難、階梯延時(shí)動(dòng)作緩慢等劣化保護(hù)性能的缺陷，這正是使后備保護(hù)存在隱性故障，易引發(fā)連鎖跳閘、威脅系統(tǒng)安全的重要原因。

(二)基于FEI的廣域繼電保護(hù)

基于FEI的廣域繼電保護(hù)的研究是按后備保護(hù)區(qū)域來(lái)形成差動(dòng)保護(hù)范圍，可以準(zhǔn)確的判定故障元件和確定后備保護(hù)動(dòng)作區(qū)域。其優(yōu)越性在于其無(wú)需整定計(jì)算，只需通過(guò)簡(jiǎn)單的時(shí)序和邏輯配合就能保證后備保護(hù)的選擇性；可以有效地縮短后備保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。同時(shí)，它沒(méi)有大負(fù)荷潮流轉(zhuǎn)移引起后備保護(hù)連鎖動(dòng)作的缺陷。

基于FEI的廣域繼電保護(hù)并不要求全電網(wǎng)的實(shí)時(shí)變化信息，即使遠(yuǎn)后備保護(hù)，最遠(yuǎn)僅需要周邊相鄰變電站群外延設(shè)備的故障相關(guān)信息，因此，這是一種有限廣域保護(hù)，比較有利于其工程實(shí)現(xiàn)。針對(duì)大負(fù)荷潮流轉(zhuǎn)移可能引發(fā)后備保護(hù)非預(yù)期連鎖動(dòng)作這一潛在風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，也可利用廣域信息對(duì)電網(wǎng)潮流轉(zhuǎn)移狀況進(jìn)行分析和判別，并及時(shí)對(duì)相關(guān)后備保護(hù)采取閉鎖或改變動(dòng)作特性等措施，從而避免后備保護(hù)的連鎖跳閘，保障系統(tǒng)安全。

三、新型故障元件判別原理

(一)基于故障電壓分布的故障元件判別原理

作為單一元件的故障判別原理有多種，譬如：電流差動(dòng)、縱聯(lián)方向、縱聯(lián)距離等。顯然，前者對(duì)同步采樣要求嚴(yán)格而當(dāng)應(yīng)用于廣域保護(hù)時(shí)存在困難，而后兩者在復(fù)雜故障條件下性能尚不夠完善。

基于線路故障電壓分布的故障元件判別原理則能同時(shí)解決上述兩方面的問(wèn)題。該原理利用線路一側(cè)電壓、電流故障分量的測(cè)量值估算另一側(cè)的電壓故障分量。這樣，廣域后備保護(hù)可同時(shí)獲得電壓故障分量的測(cè)量值和估算值。外部故障時(shí)線路任意一側(cè)電壓故障分量的測(cè)量值和估算值是一致的，而內(nèi)部故障時(shí)至少有一側(cè)電壓故障分量的測(cè)量值和估算值存在較大的差異，以此構(gòu)成故障元件識(shí)別判據(jù)，且僅需要根據(jù)故障時(shí)線路兩端的啟動(dòng)特征實(shí)現(xiàn)同步校正即可。該原理均能正確識(shí)別高阻接地、轉(zhuǎn)換性故障及振蕩中再故障等復(fù)雜情況下的故障線路，并且不受潮流轉(zhuǎn)移的影響。

(二)基于廣域綜合阻抗的故障元件判別原理

廣域電流差動(dòng)保護(hù)較普通電流差動(dòng)更易受線路分布電容的影響而降低靈敏度，這是因?yàn)閰^(qū)域差動(dòng)范圍內(nèi)在不同運(yùn)行方式下包含的線路數(shù)量可能不一樣，分布電容以及電容電流可能呈現(xiàn)較大范圍的變化，同時(shí)在廣域條件下估計(jì)和補(bǔ)償電容電流也有較大難度?；诰C合阻抗的縱聯(lián)保護(hù)能克服分布電容的影響，靈敏度較高。將綜合阻抗概念引入廣域繼電保護(hù)，可形成基于廣域綜合阻抗的故障元件判別原理，克服廣域電流差動(dòng)保護(hù)的缺陷。該原理利用區(qū)域多端電壓和電流構(gòu)造綜合阻抗，廣域綜合阻抗定義為：

其中，M-流入廣域繼電保護(hù)區(qū)域的線路數(shù)目；N-廣域繼電保護(hù)區(qū)域邊界母線數(shù)目。

(三)基于遺傳信息融合技術(shù)的故障元件判別方法

為提高廣域保護(hù)信息的可靠性，提出一種基于遺傳(GA)信息融合技術(shù)的故障元件判別方法，它以故障方向作為遺傳算法的處理對(duì)象，結(jié)合其他狀態(tài)和多種保護(hù)判據(jù)信息進(jìn)行信息融合，由線路兩端故障方向的容錯(cuò)判定確定故障元件，以克服數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中信息缺失或信息錯(cuò)誤的影響。

該方法從基于故障方向的廣域繼電保護(hù)原理出發(fā)建立基于遺傳算法的信息融合數(shù)學(xué)模型。然后根據(jù)當(dāng)前保護(hù)狀態(tài)值與保護(hù)的狀態(tài)期望值之間的差異構(gòu)造求極大值的適應(yīng)度函數(shù)。采用遺傳算法的種群建立，快速搜索和收斂判定的運(yùn)算來(lái)尋找最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)基于最優(yōu)解的故障方向決策和故障元件判別。

(四)基于概率識(shí)別的信息融合技術(shù)

為降低基于遺傳算法的廣域繼電保護(hù)的計(jì)算量，避免過(guò)早收斂導(dǎo)致保護(hù)判斷錯(cuò)誤，提高信息容錯(cuò)能力，提出基于概率識(shí)別的信息融合技術(shù)，簡(jiǎn)化和改進(jìn)基于遺傳算法的故障元件判別原理。該算法基于有限廣域范圍同時(shí)發(fā)生多處故障的可能性很小的假設(shè)，僅對(duì)區(qū)域內(nèi)單個(gè)元件故障建立故障識(shí)別編碼，大大減小了搜索范圍，避免遺傳算法中復(fù)雜的搜索過(guò)程和收斂判斷。算法依據(jù)保護(hù)原理的選擇性與靈敏度設(shè)置加權(quán)系數(shù)，然后根據(jù)各類保護(hù)的實(shí)際狀態(tài)和基于故障識(shí)別編碼的期望狀態(tài)之間的差異，結(jié)合加權(quán)系數(shù)，構(gòu)造求極小值的適應(yīng)度函數(shù)，并引入故障識(shí)別概率Ki為：

式中，Esi—正常運(yùn)行時(shí)各組識(shí)別編碼適應(yīng)度；Ei—識(shí)別編碼適應(yīng)度。Ki越大說(shuō)明對(duì)應(yīng)故障元件發(fā)生故障的概率越大。通過(guò)適當(dāng)?shù)拈T檻和處理規(guī)則，就可以實(shí)現(xiàn)高可靠、高容錯(cuò)的故障元件判別。

四、結(jié)束語(yǔ)

廣域繼電保護(hù)是目前我國(guó)電力系統(tǒng)建設(shè)及保護(hù)研究的重點(diǎn)課題，為實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)廣域繼電保護(hù)的高效性、可靠性、靈敏性以及數(shù)據(jù)的傳輸、控制和信號(hào)的發(fā)送、交換等的安全可靠性，應(yīng)從系統(tǒng)全局角度出發(fā)，加強(qiáng)對(duì)電力系統(tǒng)的檢測(cè)、維護(hù)和規(guī)劃，提高廣域繼電保護(hù)及故障原件的判斷能力，從而促進(jìn)大電網(wǎng)的發(fā)展。

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