基于信息冗余的站域保護(hù)優(yōu)化方案

李 倍，和敬涵，劉 琳

（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100080）

0 引言

數(shù)字化變電站多采用基于本地信息的保護(hù)方案，限制了不同保護(hù)間的信息共享，導(dǎo)致了不同保護(hù)間難以協(xié)同工作。后備保護(hù)采用傳統(tǒng)的整定配合方式，通過整定值配合和時(shí)間延時(shí)來切除故障，由于變電站內(nèi)接線復(fù)雜，運(yùn)行方式多變，使得定值整定異常復(fù)雜，同時(shí)主動(dòng)延時(shí)也延長(zhǎng)了后備保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間［1－2］。智能變電站［3］和現(xiàn)代通信技術(shù)［4］的快速發(fā)展，為便捷、可靠地獲取站域冗余信息奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，有效利用站內(nèi)保護(hù)動(dòng)作信息實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、可靠、快速的保護(hù)將是未來的發(fā)展趨勢(shì)［5－6］。

近年來出現(xiàn)了多種利用冗余信息實(shí)現(xiàn)站域范圍保護(hù)的算法。文獻(xiàn)［1］提出基于本地信息的站域后備保護(hù)，依據(jù)某設(shè)備故障的條件是下一級(jí)過流保護(hù)未動(dòng)作，上一級(jí)過流保護(hù)動(dòng)作，并且所有下級(jí)設(shè)備未故障，得到動(dòng)作方程。文獻(xiàn)［7］提出了基于專家系統(tǒng)的后備保護(hù)算法，通過對(duì)線路兩端各種傳統(tǒng)保護(hù)元件賦予動(dòng)作系數(shù)，在故障后將各動(dòng)作元件的系數(shù)相加得出被保護(hù)線路的動(dòng)作系數(shù)。文獻(xiàn)［8］利用全局范圍負(fù)序功率方向信息實(shí)現(xiàn)后備保護(hù)。文獻(xiàn)［9-10］利用圖論知識(shí)構(gòu)建后備保護(hù)的自適應(yīng)分區(qū)。文獻(xiàn)［11-12］利用遺傳算法做信息融合實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的識(shí)別，在信息出現(xiàn)錯(cuò)誤、丟失的情況下依然能夠正確識(shí)別出故障。基于站域冗余信息共享，提出了信息冗余的站域保護(hù)優(yōu)化方案，本文通過獲取的站域冗余信息，并利用矩陣構(gòu)建動(dòng)作方程，實(shí)現(xiàn)站域內(nèi)的快速后備保護(hù)、冗余保護(hù)等，達(dá)到了提高站域保護(hù)的性能目的。

1 站域保護(hù)概述

1.1 站域保護(hù)的范圍

一個(gè)典型的站域結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，包括變電站及其進(jìn)出線。站域保護(hù)通過獲取站域內(nèi)的多節(jié)點(diǎn)冗余信息實(shí)現(xiàn)保護(hù)邏輯，與傳統(tǒng)保護(hù)相比優(yōu)勢(shì)明顯，而且比廣域保護(hù)工程應(yīng)用更易實(shí)現(xiàn)［13］。

圖1 一個(gè)典型的站域保護(hù)結(jié)構(gòu)圖

1.2 站域保護(hù)的功能

站域保護(hù)的功能主要包括如下幾方面：保護(hù)站域內(nèi)的電力設(shè)備；實(shí)現(xiàn)變電站層的系統(tǒng)保護(hù)；利用站域內(nèi)保護(hù)狀態(tài)信息、中間計(jì)算量信息采用智能算法實(shí)現(xiàn)智能保護(hù)。

1）電力設(shè)備保護(hù)是對(duì)變電站內(nèi)所有電力設(shè)備的保護(hù)，包括傳輸線、母線、變壓器和饋線。電力設(shè)備主保護(hù)將配置差動(dòng)保護(hù)。利用站域冗余信息構(gòu)建加速后備保護(hù)，由于多點(diǎn)信息的利用，與傳統(tǒng)后備保護(hù)相比，勿需延時(shí)配合。

2）變電站層面的系統(tǒng)保護(hù)是匯集站域內(nèi)的監(jiān)測(cè)信息以及相鄰多個(gè)站域的信息來實(shí)現(xiàn)綜合的保護(hù)功能。例如，一旦重要線路在過負(fù)荷斷開后可能導(dǎo)致潮流轉(zhuǎn)移從而引起連鎖跳閘，利用站域冗余信息來確定功率缺額的多少，在變電站層面切負(fù)荷可以避免出現(xiàn)連鎖跳閘；而當(dāng)本站的切負(fù)荷未能減輕系統(tǒng)的惡化情況時(shí)，可以向相鄰變電站發(fā)請(qǐng)求信號(hào)，允許其切負(fù)荷。

3）智能保護(hù)功能通過獲取變電站域內(nèi)的保護(hù)狀態(tài)以及開關(guān)狀態(tài)位信息，并利用智能算法來實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別，或者離線演算站域后備保護(hù)方案。例如，為了克服信息丟失的缺點(diǎn)，利用遺傳算法、支持向量機(jī)（SVM）算法實(shí)現(xiàn)故障區(qū)域識(shí)別；某一或某些保護(hù)拒動(dòng)的情況下，制定后備跳閘方案使停電范圍最小，而系統(tǒng)又不會(huì)被破壞。

1.3 站域保護(hù)的結(jié)構(gòu)

站域保護(hù)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。多個(gè)變電站的站域保護(hù)智能電子設(shè)備（IED）通過光纖自愈環(huán)網(wǎng)進(jìn)行信息交換，同時(shí)本區(qū)域的區(qū)域保護(hù)設(shè)備將獲取站域保護(hù)的信息實(shí)現(xiàn)區(qū)域保護(hù)功能。

圖2 站域保護(hù)結(jié)構(gòu)

變電站的站域保護(hù)將從多個(gè)保護(hù)IED設(shè)備中獲取保護(hù)狀態(tài)信息，站域保護(hù)的信息流如圖3所示。從圖1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上來看，母線保護(hù)1（簡(jiǎn)稱BP1）與母線保護(hù)2（簡(jiǎn)稱BP2）能夠在一定的功能上替代線路保護(hù)1（簡(jiǎn)稱LP1）。例如，當(dāng)線路1出現(xiàn)故障時(shí)，LP1將產(chǎn)生故障方向信息；而BP1與BP2也能夠產(chǎn)生故障方向信息，因此在LP1失靈的情況下，可以由BP1與BP2兩者的信息交換聯(lián)合來替代LP1實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。BP2，BP3，BP4和BP5通過各自的方向信息并進(jìn)行交換，在一定的功能上能夠聯(lián)合替代變壓器保護(hù)（TP）。當(dāng)TP出現(xiàn)失靈時(shí)，4個(gè)BP聯(lián)合切除與變壓器的開關(guān)。

圖3 站域保護(hù)信息流

2 站域保護(hù)的冗余信息獲取

站域保護(hù)IED設(shè)備除了從MU獲取少量重要的信息外，其余的數(shù)據(jù)獲取來自于其他IED設(shè)備，包括本站域內(nèi)的所有線路保護(hù)IED設(shè)備、母線保護(hù)IED設(shè)備、變壓器保護(hù)IED設(shè)備、監(jiān)測(cè)IED設(shè)備，獲取的信息包括方向信息、差動(dòng)保護(hù)信息、距離保護(hù)信息、后備保護(hù)信息、開關(guān)狀態(tài)位等。

2.1 方向信息的冗余性

通過線路保護(hù)IED設(shè)備，可以獲取各個(gè)線路兩端的故障方向信號(hào)，而母線保護(hù)IED設(shè)備也可以獲取與母線相連的線路一端的故障方向信號(hào)，這樣就可獲取雙份的故障信號(hào)。一旦某些故障導(dǎo)致通信失敗或者數(shù)據(jù)丟包時(shí)，可以通過獲取的冗余信息進(jìn)行補(bǔ)充，使系統(tǒng)的可靠性增強(qiáng)。

LP將會(huì)獲得線路兩端的方向信息，而BP也將獲得與之相連的所有線路的方向信息。兩者信息是有交叉的，如果母線上的方向信息取背離母線為正，指向母線為負(fù)，那么線路出現(xiàn)故障時(shí)，線路方向信息的冗余性如圖4所示。LP與BP設(shè)備會(huì)產(chǎn)生同一個(gè)開關(guān)處的相同方向信息，從而實(shí)現(xiàn)信息獲取的冗余性。

圖4 方向信息的冗余性

2.2 方向信息與距離保護(hù)的冗余性

由故障方向信息與距離保護(hù)的關(guān)聯(lián)性可以看到，距離保護(hù)動(dòng)作信號(hào)可以表示雙端故障方向的方向性相同；而距離保護(hù)不動(dòng)作信號(hào)，可以表示雙端故障方向的方向性不相同。這樣在丟失某些方向信息或者距離保護(hù)動(dòng)作信息時(shí)，兩者可以互相補(bǔ)充實(shí)現(xiàn)信息的冗余。

方向信息與距離保護(hù)的冗余性如圖5所示。當(dāng)線路出現(xiàn)故障時(shí)，兩端的距離I段保護(hù)（假設(shè)85%全長(zhǎng)）將會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作信號(hào)，而此時(shí)兩端的方向信息都是正；當(dāng)故障在某一距離保護(hù)的I段之外時(shí)，只會(huì)有一個(gè)距離保護(hù)產(chǎn)生動(dòng)作信號(hào)。但經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，故障還是在區(qū)內(nèi)，這時(shí)方向信息也都將是正向，這樣獲取二者信息就可以實(shí)現(xiàn)一種間接的冗余性。但是故障出現(xiàn)在區(qū)外時(shí)，這時(shí)距離保護(hù)是不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作信息的，此時(shí)兩端的方向信息將不會(huì)是相同的，這樣可以實(shí)現(xiàn)一種糾錯(cuò)性能。

圖5 方向信息與距離保護(hù)的冗余性

2.3 多信息的冗余性

監(jiān)測(cè)IED設(shè)備將獲取本變電站域的所有開關(guān)開合狀態(tài)信息，而距離保護(hù)動(dòng)作信息直接反映了開關(guān)開合的狀態(tài)（在沒有拒動(dòng)情況），同樣差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作信息也直接反映了與之相連的開關(guān)開合情況，這樣三者間就實(shí)現(xiàn)了信息的冗余獲取。

在開關(guān)不出現(xiàn)拒動(dòng)的情況下，保護(hù)動(dòng)作信號(hào)的發(fā)出必將導(dǎo)致開關(guān)動(dòng)作，這樣保護(hù)動(dòng)作信號(hào)就可以作為一種冗余信息，如圖6所示。通過監(jiān)測(cè)保護(hù)IED設(shè)備，獲取本站內(nèi)的所有開關(guān)狀態(tài)，可以形成一個(gè)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)拓?fù)涞拈_關(guān)狀態(tài)矩陣；而母線保護(hù)如果發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，那么與之相連接的線路開關(guān)將斷開，這樣開關(guān)狀態(tài)位置就必然與母線動(dòng)作信號(hào)有關(guān)系；距離保護(hù)如果發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，其所保護(hù)的線路開關(guān)將斷開，這樣開關(guān)狀態(tài)位置將必然與距離保護(hù)信號(hào)有關(guān)系。從而母線保護(hù)信號(hào)、距離保護(hù)信號(hào)、開關(guān)狀態(tài)位置三者在邏輯上就形成了一種必然關(guān)系，這樣不僅信息實(shí)現(xiàn)了冗余，還具有糾錯(cuò)功能。

圖6 多信息的冗余性

2.4 IED設(shè)備間的互相冗余

當(dāng)線路保護(hù)IED設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，線路兩端的母線保護(hù)IED設(shè)備可以聯(lián)合代替失靈IED的一部分功能；而當(dāng)變壓器保護(hù)IED失靈時(shí)，同樣的與之相連接的母線保護(hù)IED設(shè)備可以聯(lián)合替代其切除故障；而線路保護(hù)IED設(shè)備還可以與母線保護(hù)IED設(shè)備交換信息，來實(shí)現(xiàn)信息在各IED保護(hù)中的冗余性。

3 站域保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)

通過對(duì)獲取的保護(hù)狀態(tài)信息進(jìn)行整合，再利用信息的冗余以及相互之間的邏輯關(guān)系進(jìn)行糾錯(cuò)，從而實(shí)現(xiàn)站域保護(hù)功能。站域保護(hù)處理中心將獲取以下信息：線路保護(hù)IED、母線保護(hù)IED的故障啟動(dòng)信號(hào)；距離保護(hù)的動(dòng)作信息；母線保護(hù)的動(dòng)作信息；方向元件的方向信息；智能終端（IT）上傳開關(guān)的狀態(tài)位置。下面將通過算例來分析不同保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)。

1）后備加速保護(hù)功能 構(gòu)建關(guān)聯(lián)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)矩陣S（行表示不同的電力元件，列表示不同的開關(guān)），構(gòu)建原始的開關(guān)狀態(tài)矩陣P（列表示不同的開關(guān)狀態(tài)，開或者合）。當(dāng)線路L4出現(xiàn)故障f1時(shí)，根據(jù)距離保護(hù)動(dòng)作信息，將更新開關(guān)狀態(tài)矩陣得到P1。計(jì)算出新的開關(guān)矩陣為S′＝S×P。而另一方面，根據(jù)智能終端上傳的開關(guān)狀態(tài)位置，可以得到故障后的開關(guān)矩陣S1。通過比較矩陣S′和S1即可判斷開關(guān)是否出現(xiàn)拒動(dòng)，如果出現(xiàn)拒動(dòng)，立即切除相關(guān)的開關(guān)。

2）冗余保護(hù)功能 通過線路保護(hù)IED的距離保護(hù)信息、方向保護(hù)信息以及母線保護(hù)IED的方向信息，實(shí)現(xiàn)信息的冗余。正常情況下可得到信息矩陣I（行表示不同電力元件的不同保護(hù)信息，列表示不同的開關(guān)）。故障發(fā)生后，更新矩陣I得到I1。通過分析I1可以判斷出故障元件。

3）后備冗余保護(hù)功能 設(shè)線路保護(hù)LP1出現(xiàn)異常，將會(huì)返回一個(gè)異常信號(hào)，此時(shí)LP1的信息都將丟失。此時(shí)利用與之相連的母線BP1與BP2進(jìn)行信息交流，就可以替代線路保護(hù)LP1的功能。通過融合上述矩陣I中的母線方向信息，可以判斷線路是否出現(xiàn)故障，從而替代LP1實(shí)現(xiàn)故障切除的功能。設(shè)BP1出現(xiàn)異常，將會(huì)返回一個(gè)異常信號(hào)，此時(shí)BP1的信息都將丟失；與之相連的線路保護(hù)LP進(jìn)行信息交流，可以替代其保護(hù)母線的功能。通過融合上述矩陣I中的線路方向信息，可以判斷母線BP1是否出現(xiàn)故障。

4）當(dāng)互感器出現(xiàn)故障造成信息丟失的時(shí)候，將用其他信息進(jìn)行替代 例如，當(dāng)CB09的電流互感器信息丟失時(shí)，對(duì)于BP1保護(hù)IED而言，將獲取CB10的信號(hào)替代之。對(duì)于LP1保護(hù)IED而言，將CBG5、CB79的信號(hào)替代之（設(shè)電流指向母線為正向，則I09＋I(xiàn)G5＋I(xiàn)79＝0）。

根據(jù)從互感器檢測(cè)IED設(shè)備獲得信息，形成一個(gè)矩陣，用以表示互感器的故障情況（0表示出現(xiàn)故障，1表示正常），根據(jù)開關(guān)矩陣S，可以得到互感器矩陣HG表述的信息如表1所示。

表1 互感矩陣HG表述的信息

當(dāng)CB07的電流互感器信息丟失時(shí)，對(duì)于BP1保護(hù)IED而言，根據(jù)09列，可以分析到L5線路是獲取CB09電流信息的，從而根據(jù)L5行得到CB10的電流信息可以替代之；當(dāng)CB09的電流互感器信息丟失時(shí)，對(duì)于LP1保護(hù)IED而言，根據(jù)09列可以分析到BP1也獲取CB09信息，從而根據(jù)BP1行，用I09＋I(xiàn)G5＋I(xiàn)79＝0信息代替之。

5）系統(tǒng)保護(hù)功能 本地線路非故障過負(fù)荷，需要切除本地變電站的站內(nèi)負(fù)荷以及發(fā)送允許信號(hào)去切相鄰變電站負(fù)荷。通過開關(guān)矩陣S判斷系統(tǒng)開關(guān)狀態(tài)（開關(guān)的開合），從而得到系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過從線路保護(hù)IED及母線保護(hù)IED獲得線路的電流以及母線電壓的分布情況，判斷變電站過負(fù)荷情況，進(jìn)而做出決策，需要減多少負(fù)荷，發(fā)出跳閘信號(hào)到饋線開關(guān)。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)分析了站域保護(hù)的功能、結(jié)構(gòu)以及信息的冗余性。站域保護(hù)通過獲取站內(nèi)的冗余信息實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，提出了利用站域內(nèi)冗余的保護(hù)狀態(tài)信息構(gòu)建動(dòng)作矩陣實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。由于信息來源之間存在邏輯關(guān)系以及必然聯(lián)系，信息間就形成了一種冗余關(guān)系，這就保證了信息來源的可靠性。如果某些信息丟失了，可以通過其他的信息進(jìn)行彌補(bǔ)，由于信息間具有邏輯性，又能互相驗(yàn)證信息的正確性。通過利用上述冗余信息，可以有效地構(gòu)建站域保護(hù)優(yōu)化方案，提高保護(hù)的性能。

［1］ 王媛，焦彥軍.基于多Agent技術(shù)的站域保護(hù)系統(tǒng)的研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41（3）：80-85.

［2］ 陳磊，張侃君，夏勇軍.智能變電站站域保護(hù)研究綜述［J］.華東電力，2013，41（5）：47-52.

［3］ Singh A.Smart grid wide area monitoring，protection and control［J］.International Journal of Engineering Research and Applications（IJERA），2012.

［4］ Miller H，Burger J，F(xiàn)ischer N，et al.Modern line current differential protection solutions［C］／／Protective Relay Engineers，201063rd Annual Conference for.IEEE，2010：1-25.

［5］ 丁偉，何奔騰，王慧芳.廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)研究綜述［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（1）：145-155.

［6］ 薛禹勝，雷興，薛峰.關(guān)于電力系統(tǒng)廣域保護(hù)的評(píng)述［J］.高電壓技術(shù)，2012，38（3）：513-520.

［7］ Tan J C，Crossley P A，Kirschen D，et al.An Expert System for The Backup Protection of a Transmission Network［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2000，15（2）：508- 514.

［8］ 金恩淑，汪有成，王紅艷，等.基于負(fù)序功率方向比較原理的廣域繼電保護(hù)算法［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013（22）：1-6.

［9］ 田聰聰，文明浩.具有高信息冗余的廣域后備保護(hù)系統(tǒng)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（10）：214-219.

［10］鄢陽，文明浩，呂祥晰.基于圖論的集中式保護(hù)主后備保護(hù)區(qū)域劃分［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（5）：21-26.

［11］汪旸，尹項(xiàng)根.基于遺傳信息融合技術(shù)的廣域繼電保護(hù)［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25（8）：174-179.

［12］汪旸.高壓電網(wǎng)有限廣域智能保護(hù)研究［D］.華中科技大學(xué)，2009.

［13］王增平，姜憲國(guó)，張執(zhí)超，等.智能電網(wǎng)環(huán)境下的繼電保護(hù)［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41（2）：13-18.