基于模糊算法的繼電保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東電力試驗(yàn)研究院 夏明圣

現(xiàn)代電力系統(tǒng)運(yùn)行以智能化、新技術(shù)、大容量、高電壓為特點(diǎn)，隨著工業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，運(yùn)行效率不斷提高。其主要表現(xiàn)為電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)組成以及地域分布的情況變化呈現(xiàn)出復(fù)雜多樣化特征，在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)多種運(yùn)行狀態(tài)與故障狀態(tài)差異性與相似性。而電力市場(chǎng)的發(fā)展，在極大限度拓展市場(chǎng)交易的同時(shí)縮小了電力系統(tǒng)安全裕度，近年來大量新能源涌入市場(chǎng)同樣加劇了隨機(jī)性因素對(duì)電力系統(tǒng)的影響。鑒于繼電保護(hù)對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要性，提出基于模糊算法的繼電保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。繼電保護(hù)設(shè)備情況直接影響了電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性，繼電保護(hù)失誤經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致失電區(qū)域增加，也是導(dǎo)致電力系統(tǒng)發(fā)生故障的主要原因之一。繼電保護(hù)狀態(tài)評(píng)估主要通過采集繼電保護(hù)設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、家族性數(shù)據(jù)及巡視檢修數(shù)據(jù)等，通過各項(xiàng)相關(guān)數(shù)據(jù)來判斷繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，將其評(píng)估結(jié)果作為檢修依據(jù)。

1 基于模糊算法的繼電保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

1.1 繼電模糊信息?；幚?/h3>

考慮到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可能發(fā)生的不穩(wěn)定因素，應(yīng)將繼電保護(hù)相關(guān)信息進(jìn)行離散化處理，使處理后的數(shù)據(jù)形成多個(gè)信息粒[1]。依據(jù)信息粒的連續(xù)程度可分為離散信息粒和連續(xù)信息粒，以繼電保護(hù)歷史運(yùn)行信息為基礎(chǔ)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。根據(jù)繼電保護(hù)運(yùn)行不同數(shù)據(jù)來源，設(shè)定誤差范圍為(e1～e2)，根據(jù)誤差范圍確定模糊信息粒擴(kuò)散范圍。將e1作為模糊數(shù)據(jù)量確定區(qū)域長(zhǎng)度，將e1與e2之間的差作為模糊信息粒子擴(kuò)散范圍長(zhǎng)度。

對(duì)整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)估時(shí)需選取量化參數(shù)，為此選取系統(tǒng)故障最為主要的外在表現(xiàn)嚴(yán)重度作為量化參數(shù)，同時(shí)確定整個(gè)繼電保護(hù)參數(shù)[2]。結(jié)合具體針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度提出一個(gè)較為合理的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說，保護(hù)誤動(dòng)及保護(hù)拒動(dòng)都是故障風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中較為容易產(chǎn)生的。在實(shí)際運(yùn)行過程中變壓裝置或電路功率超過一定額定功率時(shí)，設(shè)其潮流越限嚴(yán)重度為RP，一般情況下RP<0.9，在RP=1時(shí)則其潮流越限嚴(yán)重度為1，從而建立起相關(guān)計(jì)算模式為式（1）。

在潮流越限嚴(yán)重度約束下，位于母線節(jié)點(diǎn)電壓一旦超出限制，電壓越限將會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。計(jì)算過程中選取節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的額定電壓作為參考值，將其比值作為量化考察指標(biāo)[3]。根據(jù)相關(guān)規(guī)定限制，額定電壓值查表不能超過電壓表值的5%，因此設(shè)嚴(yán)重度零點(diǎn)為電壓比值，其數(shù)值范圍在0.95～1.05。對(duì)電壓越限嚴(yán)重度做量化處理，由于電壓越限值與選定偏差絕對(duì)值成正比例關(guān)系，得到電壓越限嚴(yán)重度為式（2）。通過兩公式計(jì)算結(jié)果得到電壓越限嚴(yán)重度與潮流越限嚴(yán)重度，將其結(jié)果相加后得到整個(gè)系統(tǒng)嚴(yán)重度。

1.2 繼電運(yùn)行損失負(fù)荷

在風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)中，負(fù)荷損失作為衡量繼電保護(hù)事故嚴(yán)重程度的重要一環(huán)[4]。在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程中考慮到可能會(huì)出現(xiàn)由于動(dòng)作保護(hù)使進(jìn)線開斷導(dǎo)致孤立負(fù)荷、所有出線開斷導(dǎo)致孤立電源、系統(tǒng)解列為電氣島有功平衡而切除負(fù)荷以及潮流計(jì)算不收斂時(shí)調(diào)整系統(tǒng)有功率和無功率來尋找新的運(yùn)行點(diǎn)，因此需要切除負(fù)荷。根據(jù)最優(yōu)潮流方法求解，將其目標(biāo)函數(shù)設(shè)為負(fù)荷最小，得到min ∑(P1-P2)，等式約束條件為P=Bθ，不等約束條件為0≤PR≤PRman、0≤QR≤QRman、0≤P1≤P1man、F1≤FR1≤F1man。其中，R1為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)調(diào)整前輸送功率值；R2為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)調(diào)整后輸送功率值；P 為節(jié)點(diǎn)有功注入向量；B 為電納矩陣；θ 為母線電壓相角向量；F1為線路調(diào)整后輸送功率值。在繼電保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程中，實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)狀態(tài)，按照系統(tǒng)狀態(tài)計(jì)算相應(yīng)負(fù)荷損失[5]。

1.3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)排序

根據(jù)繼電運(yùn)行損失負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)多風(fēng)險(xiǎn)源作出排序，以確定繼電保護(hù)設(shè)備差異化運(yùn)維依據(jù)[6]。在不確定條件下對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源作出排序，確定最優(yōu)運(yùn)行維護(hù)計(jì)劃。以模糊極大集和模糊極小集為參照基準(zhǔn)，以海明距離作為測(cè)量工具，定義模糊效用函數(shù)，取其函數(shù)結(jié)果均值作為模糊排序依據(jù)，解決多個(gè)模糊信息粒排序問題。設(shè)實(shí)數(shù)域有n 個(gè)模糊信息粒A1,A2,…,An，其模糊極大信息粒記為μmax，模糊極小信息粒為μmin，對(duì)于任意模糊集Ai,i=1,…,n，模糊效用函數(shù)為f1(Ai)與f2(Ai)，分別定義為式(3)和式(4)，據(jù)此模糊信息粒排序指標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為式(5)，根據(jù)公式對(duì)繼電保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)作出等級(jí)排序。

1.4 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定

從風(fēng)險(xiǎn)定義出發(fā)，考慮到影響繼電保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)因素、事故發(fā)生概率與損失等問題，采用模糊信息粒化方法量化風(fēng)險(xiǎn)事件，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)排序計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)并制定差異化運(yùn)維策略[7]。僅考慮繼電保護(hù)故障給電網(wǎng)系統(tǒng)帶來的風(fēng)險(xiǎn)，使設(shè)備失效率等于事故概率：p=ke-fs，其中，k 為比例參數(shù)；f 為曲率參數(shù)；s 為設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)評(píng)分。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，f 取值0.1958、s 取值8640。參考《中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力事故事件調(diào)查規(guī)程》相關(guān)劃分標(biāo)準(zhǔn)，其判斷事故類型標(biāo)準(zhǔn)中事故類型與減供負(fù)荷量分別為：一般事故1000～2000、較大事故2000～2600、重大事故2600～6000、特大事故>6000、一級(jí)事件500～1000、二級(jí)事件300～500、三級(jí)事件100～300。據(jù)此計(jì)算事故分值：E=(P1+P2)/100，其中P1、P2為減供負(fù)荷區(qū)間臨界值，E 為事故分值。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到事故賦分結(jié)果為：一般事故15、較大事故23、重大事故43、特大事故80、一級(jí)事件7、二級(jí)事件4。將其與風(fēng)險(xiǎn)管控等級(jí)相聯(lián)系，對(duì)其進(jìn)行時(shí)間賦分結(jié)果劃分：較大及以上事故31，一般事故15，一級(jí)事件7，二級(jí)、三級(jí)事件3，據(jù)此判斷繼電保護(hù)分值，從而判斷其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[8]。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證基于模糊算法的繼電保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的實(shí)際應(yīng)用有效性。實(shí)驗(yàn)通過對(duì)比基于模糊算法的繼電保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法與傳統(tǒng)繼電保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法在同一實(shí)驗(yàn)條件下的評(píng)估可靠性，分析兩組方法區(qū)別。實(shí)驗(yàn)考慮到繼電保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估測(cè)試中信息孤島問題、診斷數(shù)據(jù)利用率低以及故障測(cè)試與監(jiān)控管理功能等相關(guān)問題，采用SJ9000狀態(tài)檢測(cè)及故障診斷系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)以某一企業(yè)電場(chǎng)與電網(wǎng)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，母線保護(hù)時(shí)主要采用差動(dòng)保護(hù)裝置單母線接線。線路保護(hù)裝置、母線差動(dòng)保護(hù)以及變壓器保護(hù)裝置共同構(gòu)成了電網(wǎng)，在保護(hù)系統(tǒng)中共包含母線差動(dòng)保護(hù)裝置14套、線路保護(hù)裝置17套、變壓器保護(hù)裝置3套。實(shí)驗(yàn)過程中，兩組方法對(duì)各項(xiàng)設(shè)備運(yùn)行過程中風(fēng)險(xiǎn)作出評(píng)估，為確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，每組隨機(jī)選取10組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將其平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，對(duì)兩組方法評(píng)估結(jié)果可靠性。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，使用基于模糊算法的繼電保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法與傳統(tǒng)繼電保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法分別對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)作出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，傳統(tǒng)方法與模糊算法評(píng)估成功概率分別為：變壓器保護(hù)4-7：0.896、0.963；變壓器保護(hù)4-9：0.915、0.972；變壓器保護(hù)5-6：0.864、0.921；線路保護(hù)1-2：0.903、0.983；線路保護(hù)1-5：0.883、0.976；線路保護(hù)2-3：0.964、0.983；線路保護(hù)2-4：0.915、0.991；線路保護(hù)3-4：0.972、0.989；母線保護(hù)1：0.934、0.983；母線保護(hù)2：0.998、0.997；母線保護(hù)3：0.897、0.993；母線保護(hù)4：0.907、0.912；母線保護(hù)5：0.943、0.998；母線保護(hù)6：0.942、0.984，根據(jù)上述結(jié)果對(duì)比兩種方法風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)估。

根據(jù)上述結(jié)果，對(duì)比兩種方法風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)估成果概率，在繼電保護(hù)中最主要的變壓保護(hù)、線路保護(hù)及母線保護(hù)三部分風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果對(duì)比可看出，與傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法相比，基于模糊算法的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法相對(duì)評(píng)估成功概率較高，能夠更加準(zhǔn)確對(duì)繼電風(fēng)險(xiǎn)各項(xiàng)作出評(píng)估，提高繼電保護(hù)安全性。

3 結(jié)語

繼電保護(hù)可利用資源需要根據(jù)通訊技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，找到適應(yīng)于電網(wǎng)規(guī)模與新興技術(shù)發(fā)展的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)評(píng)估方法，因此提出基于模糊算法的繼電保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法?？紤]到繼電保護(hù)設(shè)計(jì)的不確定因素，其拒動(dòng)或誤動(dòng)會(huì)帶來較大安全影響。因此利用模糊算法評(píng)估繼電保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)從可靠性觀點(diǎn)入手，分析、處理技術(shù)數(shù)據(jù)形成一個(gè)有機(jī)整體后，提出一種具有較強(qiáng)普適性的模糊結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)處理方式，并提出繼電保護(hù)原理失效雙層概率，定量反映繼電保護(hù)定值、保護(hù)特性及特定故障隨機(jī)性，忽略在短期運(yùn)行條件、保護(hù)率及等因素下對(duì)可靠性影響的不足，使各種失效模式對(duì)可靠性影響擁有統(tǒng)一定量表達(dá)形式，建立具備較強(qiáng)時(shí)效性的繼電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，為電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估提供參考。