基于整定計算系統(tǒng)的保護動作評價分析

張樹森，王敬軍，孟偉，李雪冬

（1.河南電力調(diào)度控制中心，河南鄭州450000；2.北京中恒博瑞數(shù)字電力科技有限公司，北京市海淀區(qū)100085）

電網(wǎng)技術(shù)

基于整定計算系統(tǒng)的保護動作評價分析

張樹森1，王敬軍1，孟偉2，李雪冬2

（1.河南電力調(diào)度控制中心，河南鄭州450000；2.北京中恒博瑞數(shù)字電力科技有限公司，北京市海淀區(qū)100085）

針對傳統(tǒng)的基于設(shè)備定位故障的處理方法在準確度上存在的局限性，基于故障信息系統(tǒng)及整定計算系統(tǒng)，提出結(jié)合仿真算法及專家系統(tǒng)的保護動作評價分析方法，并通過與整定計算系統(tǒng)接口獲取電網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，采用故障測距實現(xiàn)故障定位，提高故障定位的準確性，為正確評價保護動作奠定基礎(chǔ)。研究結(jié)果表明：該方法獲得的保護動作評價分析結(jié)果準確，可推廣至其他電網(wǎng)應(yīng)用。

故障信息系統(tǒng)；仿真算法；保護動作；故障測距；故障定位

繼電保護裝置是電力系統(tǒng)二次系統(tǒng)的重要組成部分，隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，其快速信息發(fā)送及準確切除故障在保障電網(wǎng)的安全可靠運行中發(fā)揮著重要作用。而保護動作準確性評價一直困擾著業(yè)內(nèi)工作人員，因此，準確的評價和分析保護裝置的動作信息成為了調(diào)度及保護專業(yè)長期研究的重點問題之一。

1 研究現(xiàn)狀及需要解決的問題

1.1 研究現(xiàn)狀

目前常用的保護動作評價分析方法有專家系統(tǒng)和遺傳算法，其中專家系統(tǒng)主要是根據(jù)專家知識庫對保護動作進行推理分析；遺傳算法通過優(yōu)化故障信息，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合專家系統(tǒng)實現(xiàn)保護動作評價分析。文獻［1-2］介紹了繼電保護智能支撐平臺的結(jié)構(gòu)和功能，基于繼電保護故障信息系統(tǒng)，采用正向推理實現(xiàn)了保護動作的評價；文獻［3］采用遺傳算法對故障信息進行優(yōu)化，準確定位故障，建立了專家系統(tǒng)和評價流程。文獻［4］采用錄波軟件及故障錄波數(shù)據(jù)對220 kV線路單相瞬間接地故障下差動保護及縱向零序保護的動作進行評價及分析。文獻［5］以電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，完成了對電網(wǎng)斷路器及保護動作性能的評估，并基于此，采用遺傳算法實現(xiàn)了保護動作性能分析。

1.2 需要解決的問題

由于遺傳算法只能在局部尋優(yōu)，不能很好地對全局信息進行評價分析，本文提出一種新方法，在故障定位的精確性及保護評價的全面性上具有一定的優(yōu)勢。需要解決如下問題：

（1）電網(wǎng)數(shù)學(xué)模型是故障定位的基礎(chǔ)，新方法需提升電網(wǎng)模型獲取的來源，保證電網(wǎng)模型的正確性；

（2）故障元件定位正確是保護動作正確評價的基礎(chǔ)，新方法需提高故障元件定位的精確性；

（3）為避免遺傳算法給出的保護動作評價信息的片面性，新方法需考慮從全局尋優(yōu)，對保護動作全面評價。

2 解決方案

為完成上述研究目標，本文提出結(jié)合故障仿真算法及專家系統(tǒng)實現(xiàn)保護動作評價分析。首先從整定計算軟件中獲取電網(wǎng)模型、定值等信息，再依據(jù)故障信息系統(tǒng)提供的保護動作信息及故障錄波信息，獲取故障范圍，并進一步定位故障位置，最后基于故障仿真模擬故障及專家系統(tǒng)正向推理，實現(xiàn)保護動作分析，并采用C編程語言形成一套實用的系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本分析系統(tǒng)基于繼電保護整定計算系統(tǒng)［6-8］與故障信息系統(tǒng)實現(xiàn)的保護動作分析，總體設(shè)計思路如圖1。圖1中，首先獲取數(shù)學(xué)模型及故障信息，然后通過仿真進行故障定位，最后采用專家系統(tǒng)對保護動作進行評價。

圖1 總體設(shè)計流程

2.1.1 數(shù)據(jù)模型的獲取

通過與整定計算系統(tǒng)接口，獲取電網(wǎng)模型，包括設(shè)備拓撲連接關(guān)系、運行方式、保護定值、一次設(shè)備與保護裝置的關(guān)聯(lián)等信息，并可自動獲取實時方式。

2.1.2 故障信息獲取

保護動作信息和故障錄波信息取自故障信息系統(tǒng)，其中保護動作信息包括保護動作開關(guān)、保護類型、保護段數(shù)及動作時間等信息，故障錄波信息是指當系統(tǒng)發(fā)生故障時，故障錄波器記錄的故障前、后的各種電氣量信息，包括相電壓、相電流、3倍零序電壓、3倍零序電流等信息。

2.1.3 保護動作行為評價

首先基于數(shù)學(xué)模型和故障信息，定位故障位置；然后根據(jù)保護與被保護設(shè)備范圍，形成專家系統(tǒng)正向推理規(guī)則，評價保護動作行為。

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)方法

2.2.1 故障定位

故障定位［9-15］是保護動作評價分析的前提，根據(jù)錄入的保護動作信息和故障錄波信息實現(xiàn)故障設(shè)備和故障類型的定位，實現(xiàn)步驟如下：

（1）數(shù)據(jù)準備。獲取數(shù)學(xué)模型和故障信息。

（2）故障類型的確定。根據(jù)錄波信息判斷故障類型，若故障設(shè)備為線路，還需定位故障點距離線路首端的百分比。故障類型判斷采用故障邊界條件分析，如：

首先判斷是否存在零序電流，存在，則為接地故障，然后按照單相接地故障或兩相接地故障邊界條件判別；若不存在，按照兩相相間和三相相間條件判別。

（3）可疑元件庫的形成。根據(jù)保護動作信息及各動作保護的保護范圍來確定可疑的故障元件。若主保護動作且無拒動開關(guān)時，其可疑故障元件為主保護所關(guān)聯(lián)的設(shè)備；若設(shè)備類型為線路，需采用雙端測距或單端測距［16-18］方法定位線路位置；若后備保護動作或有拒動開關(guān)，將所有動作設(shè)備加入可疑故障元件中，計算各個動作保護的保護范圍，并求取交集，將結(jié)果與可疑故障元件再次求取交集得到故障范圍。

（4）故障元件定位。若存在故障范圍且故障范圍中只有一個設(shè)備，則該設(shè)備為故障元件；若存在多個設(shè)備，則在故障范圍內(nèi)設(shè)置故障，比較電壓電流關(guān)系，確定故障點；若不存在故障范圍，則按保護動作正方向進行搜索，獲得一個閉合區(qū)域，進而獲取故障元件。

2.2.2 保護動作評價

保護動作評價是根據(jù)保護動作信息、定值信息及故障定位信息綜合實現(xiàn)的，其實現(xiàn)原理如圖2所示。圖2中主要對主保護及后備保護信息進行分析，對故障定位信息進行仿真，獲取故障位置，對保護動作評價進行分析，給出保護動作的正確度。

圖2 保護動作評價分析原理

為了更直觀地判斷保護動作，在保護動作評價分析中采用了正向推理規(guī)則［19-20］及對應(yīng)的保護正確度計算方法。

（1）若為主保護動作，且各差動支路電氣量滿足動作條件，則保護正確動作，記保護正確度為100分；若僅時間定值滿足，則記保護正確度為50分；

（2）若為后備保護動作，且為失靈保護動作，若跳閘開關(guān)及時間都正確，記保護正確度為100分；若僅動作時間定值正確，則記保護正確度為20分；

（3）若為后備保護動作，且不是失靈保護動作，則需根據(jù)故障定位信息及對應(yīng)的設(shè)備保護定值，啟動計算機仿真，獲得仿真對應(yīng)的保護動作信息及動作開關(guān)，最后通過比較仿真結(jié)果及從故障信息系統(tǒng)獲取的保護動作信息，設(shè)正確度總分為100分，仿真需動作的保護數(shù)為N，則每少動作或多動作一個保護（或設(shè)備），扣除100/N分，即每個保護（設(shè)備）計M=100/N（分）；每個保護或設(shè)備的分值M中，段數(shù)錯誤扣除1/3的分數(shù)，動作開關(guān)錯誤扣除1/3的分數(shù)，最終得到保護動作正確度。

2.3 評價指標

本文提出采用保護正確度作為標準進行評價，評價規(guī)則如下：

（1）若正確度在0～20分之間，則表示保護不正確動作；

（2）若正確度在20～60分之間，則表示保護動作存在問題，即僅動作時間滿足；

（3）若正確度在60～80分之間，則表示保護基本正確動作；

（4）若正確度在80～100之間，則表示保護正確動作。

2.4 仿真驗證

以某電網(wǎng)的部分電網(wǎng)模型為仿真對象，電網(wǎng)模型如圖3所示。圖3中包含變電站A—E共5個變電站，L1—L7共7條線路，10個變壓器等，本文以相間距離保護為例，且所有線路上都裝設(shè)了相間距離保護。

當發(fā)生某一故障時，變電站A、B、C的故障錄波數(shù)據(jù)如表1和表2。表1中記錄了斷路器的裝設(shè)位置、保護動作類型、保護動作段及保護動作時間；表2中記錄了斷路器23、斷路器10及斷路器28的三相電壓、電流信息及3倍零序電壓、電流信息。

圖3 仿真實例

（1）本文采用的基于正向推理的繼電保護動作評價體系具有堅實的理論基礎(chǔ)，具有良好的科學(xué)性。

（2）基于整定計算系統(tǒng)的保護動作評價體系將專家系統(tǒng)算法與故障仿真算法結(jié)合，并基于整定計算系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)故障定位，具有一定的創(chuàng)新性。

（3）關(guān)鍵技術(shù)：根據(jù)保護故障錄波信息中故障后的電氣量信息判斷故障類型，并結(jié)合保護動作信息形成可疑元件庫，進而獲取精準的故障定位信息，再基于故障定位信息采用正向推理的專家系統(tǒng)進行保護動作評價分析；

（4）通過實際電網(wǎng)驗證及保護正確度評價，基于整定計算系統(tǒng)的保護動作評價體系獲得的保護動作評價分析結(jié)果準確，具有重大的實用意義，可推廣至其他電網(wǎng)應(yīng)用。

由表1中的保護動作信息可知，斷路器23、斷路器10、斷路器28動作，又根據(jù)表2錄波信息中無零序電壓、電流，可知故障類型為相間故障，又故障后A相電流為0，進而可得故障類型為兩相相間故障，通過仿真結(jié)果判斷故障位置為在L5距離變電站B 57.00%處發(fā)生BC相兩相相間故障。

表1 保護動作信息

表2 故障錄波信息

保護動作推理：根據(jù)專家系統(tǒng)知識庫可知，當在L5距離變電站B 57.00%處發(fā)生BC相兩相相間故障時，則線路L5兩端的保護應(yīng)動作，即斷路器23、斷路器34應(yīng)動作，此時故障應(yīng)被切除，但保護動作信息中作為相鄰線路L5后備保護對應(yīng)的斷路器10和斷路器28動作，進而推理出斷路器34拒動。

通過仿真結(jié)果得保護動作評價：

（1）變電站B_斷路器23動作正確；

（2）變電站A_斷路器10正確動作；

（3）變電站C_斷路器28正確動作；

（4）變電站D_斷路器34拒動。

根據(jù)保護動作推理，可知仿真結(jié)果得到的保護動作評價完全正確，驗證了該方法的準確性。

3 效果評價

（1）在仿真實驗驗證中，通過與整定計算系統(tǒng)接口，獲取了部分實際電網(wǎng)模型，保證了故障定位數(shù)學(xué)模型的正確性，相對于文獻［1］、文獻［5］采用的IEEE電網(wǎng)模型更具有說服力及實用價值；

（2）由于整定計算系統(tǒng)中的定值仿真算法可真實模擬電力系統(tǒng)故障時保護定值的動作情況，并已在國家電網(wǎng)各級調(diào)度單位得到很好的應(yīng)用，本文中的故障定位方法是基于該仿真算法實現(xiàn)的故障定位，相對于文獻［2］《220～500 kV電力系統(tǒng)故障動態(tài)記錄技術(shù)準則》中采用的故障分析方法及文獻［3］中采用的遺傳算法實現(xiàn)的故障定位，該仿真算法對線路的故障位置的定位更準確且保證了故障定位的精確度，克服了遺傳算法在定位故障時局部尋優(yōu)的缺陷。

（3）專家系統(tǒng)中的知識庫是基于歷史經(jīng)驗根據(jù)故障信息推理出保護與斷路器的動作情況，知識庫中包含的信息非常全面，克服了文獻［5］采用遺傳算法在保護動作評價上的片面性。

4 結(jié)論

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The analysis of protection action evaluation based on setting calculation system

ZHANG Shusen1,WANG Jingjun1,MENG Wei2,LI Xuedong2
(1.Henan Electric Power Dispatching Control Center,Zhengzhou Henan 450000,China;2.Beijing Join Bright Digital Power Technology Co.,Ltd.,Beijing 100085,China)

Aiming at the limitation of the accuracy existing in the traditional treatment method based on the equipment fault location,on the basis of the fault information system and setting calculation system,puts forward the evaluation and analysis method which combining with simulation algorithm and expert system to achieve protection action,acquires power grid mathematical model through the interface with setting calculation system,adopts fault distance detection to realize fault location,improves the accuracy of fault localization,and lays the foundation for the accurate evaluation of the protection action.The research result shows that the evaluation result of protection action by this method acquired is accurate,and can apply to other power grids.

fault information system；simulation algorithm；protection action；fault distance detection；fault location

TM 744.4

A

1672-3643（2017）04-0001-05

有效訪問地址：http∶//dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.04.001

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.04.001

2017-05-05

張樹森（1982），男，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域為電力系統(tǒng)自動化。