基于信息融合的廣域后備保護(hù)算法

華亮亮，金雨薇，單鳳軍，郭見(jiàn)紅，岳 穎

(1.國(guó)網(wǎng) 蒙東電力通遼供電公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000；2.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

基于信息融合的廣域后備保護(hù)算法

華亮亮1，金雨薇2，單鳳軍2，郭見(jiàn)紅1，岳 穎1

(1.國(guó)網(wǎng) 蒙東電力通遼供電公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000；2.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

為了提高廣域后備保護(hù)的準(zhǔn)確性和容錯(cuò)性，本文提出了一種廣域后備保護(hù)故障母線判別算法。該算法利用保護(hù)范圍內(nèi)所有線路兩側(cè)IED采集的方向信息、距離Ⅱ段信息進(jìn)行融合得到保護(hù)綜合值。將保護(hù)綜合值之間進(jìn)行比較即可實(shí)現(xiàn)故障母線元件判斷，在理論上分析了廣域后備保護(hù)算法容錯(cuò)的位數(shù)。以IEEE14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例，取多組子系統(tǒng)的案例進(jìn)行驗(yàn)證分析，結(jié)果表明該算法對(duì)保護(hù)拒動(dòng)和誤動(dòng)有較高容錯(cuò)性，方法簡(jiǎn)單可靠。

廣域后備保護(hù)；容錯(cuò)性；保護(hù)綜合值；信息融合

近年，我國(guó)南方發(fā)生了嚴(yán)重的冰雪災(zāi)害[1]，致使電力設(shè)備損壞，通訊系統(tǒng)的癱瘓，造成了大停電事故。這種惡劣環(huán)境對(duì)電力系統(tǒng)的影響是多方面的，在極端環(huán)境下，電網(wǎng)運(yùn)行工況的非預(yù)設(shè)性變化會(huì)導(dǎo)致降低電力系統(tǒng)的保護(hù)性能[2]。隨著電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的提高，使大停電事故成為可能，這對(duì)現(xiàn)有的繼電保護(hù)提出了更高的要求。

隨著廣域測(cè)量技術(shù)的發(fā)展以及通訊技術(shù)的普及化，為應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的電網(wǎng)大停電帶來(lái)后備保護(hù)困難和應(yīng)對(duì)復(fù)雜運(yùn)行工況能力差等特殊問(wèn)題[3]，一種基于故障元件識(shí)別的廣域后備保護(hù)算法受到了越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注[4-13]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)廣域后備保護(hù)算法進(jìn)行了大量的理論研究，把廣域后備保護(hù)算法分為兩種類型，一種基于電壓電流的電氣信息量進(jìn)行故障元件識(shí)別[5-7]的算法，另一種是基于保護(hù)信息和斷路器狀態(tài)信息量進(jìn)行故障元件識(shí)別[8-9]的算法。后者對(duì)設(shè)備改造少，容易實(shí)現(xiàn)。然而保護(hù)信息在傳輸采集過(guò)程中可能造成信息的丟失或采集錯(cuò)誤，因此，這還要求廣域后備保護(hù)算法有一定的容錯(cuò)能力。

文獻(xiàn)[10-11]從信息融合的角度，提出了遺傳算法并運(yùn)用到廣域后備保護(hù)中，首先建立適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行求解得到最優(yōu)解，然后根據(jù)元件狀態(tài)和保護(hù)信息的動(dòng)作情況識(shí)別出故障元件，且提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。由于基于人工智能的信息融合算法難以保證其可靠性[12]，因此在實(shí)際工程中沒(méi)有大量應(yīng)用。

文獻(xiàn)[13]利用保護(hù)范圍內(nèi)的信息進(jìn)行融合，通過(guò)簡(jiǎn)單邏輯運(yùn)算，利用線路關(guān)聯(lián)系數(shù)推導(dǎo)出線路的保護(hù)關(guān)聯(lián)矩陣，對(duì)線路故障進(jìn)行識(shí)別。本文在此基礎(chǔ)上，對(duì)保護(hù)范圍內(nèi)母線進(jìn)行故障識(shí)別，采用較少的保護(hù)信息經(jīng)過(guò)邏輯推理運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的信息融合算法，具有一定的容錯(cuò)能力。首先對(duì)保護(hù)區(qū)域進(jìn)行劃分，通過(guò)線路兩側(cè)IED采集的方向信息和距離Ⅱ段信息進(jìn)行融合，根據(jù)母線保護(hù)綜合值的判據(jù)對(duì)保護(hù)范圍內(nèi)故障母線進(jìn)行快速的識(shí)別。在IEEE5機(jī)14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中根據(jù)保護(hù)區(qū)域的劃分，選擇1個(gè)典型的子系統(tǒng)進(jìn)行算例分析并驗(yàn)證其容錯(cuò)能力。結(jié)果分析得出該算法簡(jiǎn)單可靠，容錯(cuò)能力高，具有一定的實(shí)用性。

1 故障母線判別算法

1.1 算法的基本思路

本文首先利用智能電子裝置IED采集的距離Ⅱ段保護(hù)信息和方向信息，將這兩種信息進(jìn)行融合在保護(hù)范圍內(nèi)，根據(jù)保護(hù)綜合值能夠?qū)δ妇€進(jìn)行故障識(shí)別。而保護(hù)范圍內(nèi)母線故障是將距離Ⅱ段保護(hù)信息和方向信息進(jìn)行融合，根據(jù)保護(hù)綜合值即可進(jìn)行故障識(shí)別。即使在信息丟失或者傳輸錯(cuò)誤的情況下，由于這兩種保護(hù)信息的融合，能夠快速識(shí)別母線故障，提高了算法的準(zhǔn)確性和容錯(cuò)性。

1.2 保護(hù)區(qū)域范圍的劃分

在每個(gè)IED中建立廣域保護(hù)決策單元。每個(gè)IED采集的保護(hù)信息是距離Ⅱ段信息和方向信息。以圖1所示為例說(shuō)明保護(hù)范圍的劃分。圖1中是以IED7為研究對(duì)象，其保護(hù)范圍包括：IED7所在的線路L4和與L4相連的所有線路。如圖1曲線概括的范圍就是以IED7為研究對(duì)象的保護(hù)范圍。

圖1 簡(jiǎn)單系統(tǒng)圖

1.3 母線保護(hù)綜合值的確立

母線保護(hù)綜合值用LB表示。綜合值LB包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：一是保護(hù)范圍內(nèi)所有線路兩側(cè)IED所采集方向信息確立的綜合值F，另一個(gè)是與母線相連的線路遠(yuǎn)端IED所采集距離Ⅱ段保護(hù)信息確立的綜合值J。

1.3.1 母線保護(hù)綜合值F的確立

保護(hù)范圍內(nèi)所有線路兩側(cè)IED采集方向信息集合f之和構(gòu)成了F值。

首先對(duì)線路方向信息集合f進(jìn)行賦值如下：

(1)

式中：(1 -1)表示保護(hù)范圍內(nèi)線路兩側(cè)IED采集的方向信息的集合。當(dāng)母線指向線路時(shí)，IED采集的方向信息為1，反之為-1，采集方向信息丟失為0。括號(hào)內(nèi)前后數(shù)字分別表示遠(yuǎn)端和近端IED采集的方向信息?？紤]到當(dāng)母線發(fā)生故障，相連線路兩側(cè)IED采集方向信息集合為(1 -1)。即采集信息均正確時(shí)賦予f=1，即對(duì)母線的故障確定程度高。f=0.5則表示：母線故障時(shí)遠(yuǎn)端或者近端IED有一個(gè)采集方向信息丟失而另一個(gè)采集正確的情況下所賦的值，對(duì)母線故障的確認(rèn)程度低。其他情況下有(-1 -1)、(1 1)、(-1 1)、(-1 0)、(0 1)、(0 0)這6種情況并賦予f為0。則母線保護(hù)綜合值F：

(2)

式中：n為保護(hù)范圍內(nèi)線路的條數(shù)。這樣的賦值方式即能夠體現(xiàn)出母線故障對(duì)保護(hù)范圍內(nèi)線路兩側(cè)IED采集方向信息的影響，也能夠體現(xiàn)出在不同的信息傳輸錯(cuò)誤丟失對(duì)母線故障識(shí)別的確認(rèn)程度。

1.3.2 母線保護(hù)綜合值J的確立

保護(hù)范圍內(nèi)所有與母線相連線路遠(yuǎn)端IED采集的距離Ⅱ段信息j之和構(gòu)成了J值。首先對(duì)距離Ⅱ段保護(hù)信息j進(jìn)行賦值如下：

(3)

則母線保護(hù)綜合值J為：

(4)

式中：m為與母線相連線路的個(gè)數(shù)。從而，保護(hù)范圍內(nèi)母線保護(hù)綜合值LB為：

(5)

式(5)體現(xiàn)了母線綜合值由方向信息和距離Ⅱ段信息的融合。

1.4 識(shí)別母線故障的判據(jù)

在保護(hù)范圍內(nèi)分別求出各個(gè)母線的保護(hù)綜合值，若保護(hù)范圍內(nèi)母線Bi滿足以下判據(jù)，則認(rèn)為該母線發(fā)生故障。

LBi>LBk，i≠k ，

(6)

式中，LBk為保護(hù)范圍內(nèi)任意母線Bk的保護(hù)綜合值。由圖1的系統(tǒng)，可得一般的通式并分析判據(jù)的正確性。在保護(hù)范圍內(nèi)，假設(shè)B5母線故障可得如下通式：

(7)

式中：p為與母線B5相連線路的條數(shù)，q為與母線B4相連線路的條數(shù)。根據(jù)式(6)則母線B5發(fā)生故障，與假設(shè)一致。

1.5 母線故障容錯(cuò)性判別

在廣域系統(tǒng)中，保護(hù)的采集信息量較大，在保護(hù)信息傳輸丟失和錯(cuò)誤時(shí)，判據(jù)式(6)可識(shí)別出故障母線，且容錯(cuò)的位數(shù)是p，即在保護(hù)范圍內(nèi)在信息傳輸丟失或者錯(cuò)誤為p個(gè)的情況下，仍能快速準(zhǔn)確的識(shí)別故障母線。因此，容錯(cuò)的位數(shù)與故障母線相連線路的條數(shù)有關(guān)，與故障母線相連線路越多，系統(tǒng)內(nèi)對(duì)保護(hù)信息的容錯(cuò)性越高，該算法簡(jiǎn)單可靠。

理論分析：式(1) 和式(3)對(duì)方向信息和距離Ⅱ段保護(hù)信息的賦值最高為1。當(dāng)有1位保護(hù)信息丟失或錯(cuò)誤時(shí)，保護(hù)范圍內(nèi)兩條母線的保護(hù)綜合值之差的絕對(duì)值可能縮小的值至多為1。當(dāng)有p位保護(hù)信息丟失或錯(cuò)誤時(shí)，保護(hù)范圍內(nèi)兩條母線的保護(hù)綜合值之差的絕對(duì)值可能縮小的值至多為p。在式(7)中，有p位保護(hù)信息丟失或錯(cuò)誤時(shí)，在兩條母線的保護(hù)綜合值之差的絕對(duì)值縮小值為p，仍有LB5-LB4=1>0，因此保護(hù)范圍內(nèi)，該算法對(duì)母線的故障識(shí)別的容錯(cuò)位數(shù)為p位。

2 算例驗(yàn)證分析

取一組算例驗(yàn)證最不利的情況進(jìn)行分析，最不利的情況包括有相連線路遠(yuǎn)端IED采集距離Ⅱ段保護(hù)信息發(fā)生錯(cuò)誤或缺失，保護(hù)范圍內(nèi)與兩條母線相連的線路兩側(cè)IED采集正反方向信息錯(cuò)誤這兩種情況。

圖2 IEEE5機(jī)14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)圖

圖2是IEEE5機(jī)14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)圖中IED33為研究對(duì)象的保護(hù)范圍為例。假設(shè)母線B9發(fā)生故障。取最不利的信息f33、f34信息錯(cuò)誤，j39、j33、j34、j29、j32、j17信息錯(cuò)誤或丟失

1)取f33、f34信息錯(cuò)誤和j39、j33信息錯(cuò)誤，則：

LB9=(f39 f40)+(f29 f30)+(f32 f31)+(f17 f18) +j34+j29+j32+j17+(f34 f33)=1+1 +1+1 +1 +1+1+1+0=8

LB14=(f39 f40)+(f29 f30)+(f32 f31)+(f17 f18)+j39+j33+(f34 f33)=1+1+1+1+1+1+1=7

LB9- LB14=8-7=1>0，滿足判據(jù)

2)取信息f33錯(cuò)誤，信息j34、j29錯(cuò)誤，信息j17丟失，則：

LB9=(f39 f40)+(f29 f30)+(f32 f31)+(f17 f18) +j34+j29+j32+j17+(f34 f33)=1+1+ 1+ 1+0 +0+1+0+0=5

LB14=(f39f40)+(f29 f30)+(f32 f31)+(f17 f18)+j39+j33+(f34 f33)=1+1+1+1+0+0+0=4

LB9-LB14=5-4=1>0，滿足判據(jù)

3)信息j39、j33、j34、j29、j32丟失

LB9=(f39 f40)+(f29 f30)+(f32 f31)+(f17 f18) +j34+j29+j32+j17+(f34 f33)=1+1+1+ 1+ 0 +0+0+1+1=6

LB14=(f39 f40)+(f29 f30)+(f32 f31)+(f17 f18)+j39+j33+(f34 f33)=1+1+1+1+0+0+0=4

LB9-LB14=6-4=2>0，滿足判據(jù)

圖2中在最不利的情況下能允許保護(hù)范圍的保護(hù)信息容錯(cuò)4位，其他情況更能滿足容錯(cuò)4位。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種基于多信息融合識(shí)別母線故障的廣域后備保護(hù)算法。通過(guò)對(duì)保護(hù)范圍內(nèi)線路兩側(cè)IED采集的方向信息和距離Ⅱ段保護(hù)信息進(jìn)行融合。融合的結(jié)果可得出母線的保護(hù)綜合值，根據(jù)判據(jù)做故障識(shí)別。本文通過(guò)算例驗(yàn)證出在保護(hù)范圍內(nèi)出現(xiàn)任意p個(gè)保護(hù)信息錯(cuò)誤時(shí)，仍舊能夠正確識(shí)別故障母線。算法簡(jiǎn)單可靠，具有可行性。

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Wide Area Backup Protection Fault Bus Discrimination Algorithm

HUA Liang-liang1，JIN Yu-wei2，SHAN Feng-jun2，GUO Jian-hong1，YUE Ying1

(1.State Grid Tongliao Power Supply Company，Tongliao Inner Mohgolia 028000；2.Electrical Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

In order to improve the accuracy of wide area backup protection and fault tolerance.This paper proposes Wide area backup protection fault bus discrimination algorithm，IED is within the scope of protection of intelligent electronic devices，the protection of the collected information fusion can identify busbar faults.Within the scope of the algorithm is used to protect all the lines on both sides of the IED in the direction of the information collected，distance protection II period of information fusion are protected comprehensive value.The fault bus element can be judged by comparing the comprehensive value of protection，and the fault tolerance of the wide area backup protection algorithm is analyzed theoretically.IEEE14 node system，for example，take the case of multiple sets of subsystem validation analysis，the results show that the algorithm is to have high fault tolerance，refusing action and error action method is simple and reliable.

Wide area backup protection；Fault tolerance；Comprehensive value of protection；Information fusion

2016-07-22

華亮亮(1980-)，女，內(nèi)蒙古通遼市人，國(guó)網(wǎng)蒙東電力通遼供電公司，高級(jí)工程師，主要研究方向：繼電保護(hù).

1005-2992(2016)06-0014-04

TM76

A