基于廣度優(yōu)先搜索的繼電保護(hù)定值聯(lián)系校核研究

張立,閻彬

(河北建投能源科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河北 石家莊 050051)

1 引言

電力系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大，高壓設(shè)備或者大型機(jī)組裝置不斷投入使用，繼電保護(hù)定值聯(lián)系校核要求越來(lái)越重要，確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障即為繼電保護(hù)裝置，同時(shí)它也是十分重要的二次裝備[1]。繼電保護(hù)功能配置需要更加完善，且繼電保護(hù)動(dòng)作需要更加標(biāo)準(zhǔn)，但在繼電保護(hù)定值聯(lián)系校核過(guò)程中，繼電保護(hù)裝置的不正確動(dòng)作依然存在，其原因是大規(guī)模停電或者電力系統(tǒng)故障的發(fā)生，存在回路絕緣的損壞、接線錯(cuò)誤或者電流、電壓互感器二次回路的故障問(wèn)題，均會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置的不正確動(dòng)作。繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)事故會(huì)出現(xiàn)斷路、短路以及開(kāi)路問(wèn)題，存在安全隱患，所以針對(duì)在線校核保護(hù)展開(kāi)研究具有十分重要的意義。

在線校核理念一被提出就引起了學(xué)術(shù)界廣泛的重視。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已經(jīng)取得了一些較為顯著的研究成果，例如文獻(xiàn)[2]提出基于過(guò)電流保護(hù)的閉環(huán)配網(wǎng)繼電保護(hù)定值在線校核。結(jié)合繼電保護(hù)值的基本理論，針對(duì)繼電保護(hù)定值聯(lián)系校核進(jìn)行了初步的研究，主要使用能量管理的方式針對(duì)電力系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，同時(shí)針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的全部保護(hù)方式進(jìn)行判定，重點(diǎn)包含保護(hù)的區(qū)域以及選擇概率等，假設(shè)電力系統(tǒng)存在保護(hù)拒動(dòng)或者是誤動(dòng)等安全隱患，校核系統(tǒng)會(huì)及時(shí)發(fā)出警報(bào)。雖然該研究建立繼電保護(hù)運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)運(yùn)行評(píng)價(jià)，但繼電保護(hù)運(yùn)行指標(biāo)數(shù)量少，且分布較為分散，很難有效構(gòu)成全方面的繼電保護(hù)定值聯(lián)系校核評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[3]提出基于過(guò)電流保護(hù)的閉環(huán)配網(wǎng)繼電保護(hù)定值在線校核，本文首先在分布式電源接入配網(wǎng)的大背景下，分析了閉環(huán)和開(kāi)環(huán)條件下配電網(wǎng)繼電保護(hù)的負(fù)荷電流、故障電流及主保護(hù)和備用保護(hù)的情況，分析了分布式電源對(duì)配網(wǎng)繼電保護(hù)的影響。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于過(guò)電流保護(hù)的繼電保護(hù)定值在線校核方法，該方法通過(guò)繼電保護(hù)定值路徑分析，負(fù)荷電流和故障電流的計(jì)算，繼電保護(hù)定值的配合等實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)IEEE33 節(jié)電系統(tǒng)的仿真，給出了在線校核保護(hù)定值的結(jié)果。雖然該方法能夠得到滿足約束條件的最佳整定值，確保了電網(wǎng)在閉環(huán)下的最佳配合，但是閉環(huán)配網(wǎng)繼電保護(hù)定值在線校核過(guò)程中，所校核指標(biāo)考慮不全面，且不具有代表性，無(wú)法達(dá)到系統(tǒng)性的定值聯(lián)系校核的要求。我國(guó)電力建設(shè)的迅猛發(fā)展，促使電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，針對(duì)于規(guī)模龐大以及運(yùn)行方式多變的區(qū)域級(jí)電網(wǎng)，如果遵守傳統(tǒng)的順序或者隨機(jī)保護(hù)校核方法[4]，用戶無(wú)法短時(shí)間內(nèi)校核完全部的保護(hù)。針對(duì)上述問(wèn)題，在基于廣度優(yōu)先搜索，提出一種繼電保護(hù)定值聯(lián)系校核方法，通過(guò)具體的仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有效驗(yàn)證了所提方法的有效性以及合理性。

2 方法

2.1 保護(hù)重要度計(jì)算

在整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)中，各個(gè)繼電保護(hù)之間存在明顯的差異。假設(shè)系統(tǒng)中的繼電保護(hù)裝置在系統(tǒng)中占據(jù)十分重要的地位，一旦該保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。

在電網(wǎng)系統(tǒng)中，保護(hù)重要度占據(jù)舉足輕重的地位，通過(guò)保護(hù)重要度能夠有效辨識(shí)出對(duì)系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置[5]，確保電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為了有效實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)定值聯(lián)系校核，基于廣度優(yōu)先搜索需要針對(duì)不同的保護(hù)重要度進(jìn)行評(píng)估，以確保系統(tǒng)的安全性以及穩(wěn)定性得到提升。

基于廣度優(yōu)先搜索電力系統(tǒng)線路的負(fù)載率越高，則傳輸功率波動(dòng)也就越大，同時(shí)十分容易發(fā)生故障。

設(shè)定電力網(wǎng)絡(luò)中含有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，q個(gè)電源，l條支路以及f個(gè)負(fù)荷。通過(guò)直流潮流的分析系數(shù)對(duì)線路的有功潮流進(jìn)行計(jì)算，能夠有效降低計(jì)算誤差[6-7]。通過(guò)潮流轉(zhuǎn)移分布系數(shù)的相關(guān)定義可知，在線路a斷開(kāi)之后，則線路b的有功潮流增量占線路a上原潮流量的計(jì)算公式為：

式中，支路a、b所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)分別為m、n和i、j；△Pb代表線路斷開(kāi)之后，由于潮流轉(zhuǎn)移所引發(fā)線路b的有功潮流增量；Pa代表線路a 的原始潮流量；xa代表線路a 的電抗；xb代表線路b的電抗；xin、xjn、xim、xjm、xnn、xmm、xnm代表電力系統(tǒng)不同電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電抗矩陣中的對(duì)應(yīng)元素。

基于廣度優(yōu)先搜索，通過(guò)直流潮流模型，能夠得到節(jié)點(diǎn)i在支路a上的潮流分布因子Aa，i：

式中，△Pa代表支路a 的有功變化量；△Pi代表節(jié)點(diǎn)i的有功變化量；xni代表導(dǎo)納矩陣中第n行第i列中的元素；xmi代表第m行第i列中的元素。

當(dāng)系統(tǒng)支路a 斷開(kāi)之后，明確其余l(xiāng)-1 個(gè)支路的潮流轉(zhuǎn)移分布系數(shù)db，a時(shí)，由于其分母部分一致，所以為了加快計(jì)算速度，只需要計(jì)算對(duì)應(yīng)公式中的分子部分即可。其中潮流轉(zhuǎn)移度指標(biāo)的計(jì)算公式為：

式中，Ab，n表示潮流轉(zhuǎn)移度基本指標(biāo)值，Ab，m表示潮流轉(zhuǎn)移度評(píng)估指標(biāo)值。電力網(wǎng)的潮流傳播需要遵守基爾霍夫定律，它主要特點(diǎn)就是功率從不僅沿著母線之間的阻抗最小的路徑傳播，同時(shí)還要沿著全部可能的路徑進(jìn)行傳播，且不同路徑分?jǐn)偟墓β屎妥杩怪g成反比[8]。

通過(guò)電流分布理論，在不計(jì)算潮流的前提下，能夠通過(guò)電流的分布情況，得到發(fā)電機(jī)和負(fù)荷之間的功率傳輸關(guān)系。

通過(guò)電路的基本理論能夠得到網(wǎng)絡(luò)中第k個(gè)電源的功率，即：

綜合上述分析可知，電網(wǎng)系統(tǒng)含有q 個(gè)電源以及f 個(gè)負(fù)荷，則系統(tǒng)中含有q×f 個(gè)發(fā)電—負(fù)荷對(duì)，設(shè)定發(fā)電負(fù)荷對(duì)(Gk，Ld)在支路ij上的發(fā)電--負(fù)荷對(duì)功率分布因子，則支路ij的功率中通過(guò)電源Gk提供的且最終列入負(fù)荷Ld的功率占支路ij總傳輸功率的比值為：

基于廣度優(yōu)先搜索，電網(wǎng)中不同支路承擔(dān)的不同發(fā)電—負(fù)荷對(duì)之間功率傳輸任務(wù)越大，所以能夠認(rèn)為其在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中占據(jù)十分重要的地位。另外，電力系統(tǒng)也能夠利用傳輸容量由全網(wǎng)傳輸容量裕度最小的線路決定，其中傳輸容量裕度越小的線路，它的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)重要度也就越大。

2.2 基于廣度優(yōu)先搜索的繼電保護(hù)定值聯(lián)系校核

連鎖故障的發(fā)生概率較低，但是其產(chǎn)生的后果是無(wú)法估量的?；趶V度優(yōu)先搜索，風(fēng)險(xiǎn)理論則是在不考慮確定因素的條件下，將可能導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性以及指標(biāo)相結(jié)合，其中風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)計(jì)算公式為：

連鎖故障是一個(gè)發(fā)展速度較慢的過(guò)程，如果電力系統(tǒng)發(fā)生連鎖故障，最終將會(huì)導(dǎo)致一系列十分嚴(yán)重的事故發(fā)生。以下選取較為常見(jiàn)的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行研究：

(1) 電源孤立風(fēng)險(xiǎn)：

假設(shè)系統(tǒng)中某一條支路線路發(fā)生故障促使系統(tǒng)內(nèi)部的保護(hù)裝置形成誤動(dòng)或者擾動(dòng)，此時(shí)則會(huì)出現(xiàn)發(fā)電機(jī)脫離的情況，該風(fēng)險(xiǎn)的概率為：

基于廣度優(yōu)先搜索，如果電力系統(tǒng)出現(xiàn)電源孤立的情況，整個(gè)電力系統(tǒng)將會(huì)形成對(duì)應(yīng)的功率損耗[9]，為了方便將其進(jìn)行比較，需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即：

通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)的定義可知電源孤立的風(fēng)險(xiǎn)概率為：

針對(duì)含有M條線路支路的系統(tǒng)，由第k處保護(hù)裝置發(fā)生誤動(dòng)或者拒動(dòng)產(chǎn)生的電源孤立的風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算公式為：

(2) 電網(wǎng)解列風(fēng)險(xiǎn)：

如果電力系統(tǒng)產(chǎn)生連鎖故障，系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)電網(wǎng)解列的情況，其中電網(wǎng)解列發(fā)生的概率為：

如果電力系統(tǒng)出現(xiàn)了電網(wǎng)解列，系統(tǒng)的總體容量會(huì)降低，此時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，則有：

其中電力系統(tǒng)發(fā)生電網(wǎng)解列的風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算公式為：

以下給出第k處保護(hù)裝置誤動(dòng)或者拒動(dòng)導(dǎo)致電網(wǎng)解列的風(fēng)險(xiǎn)概率為：

(3) 功角失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)：

當(dāng)電力系統(tǒng)的任意一條線路發(fā)生短路故障觸發(fā)保護(hù)裝置誤動(dòng)或者拒動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)功角失穩(wěn)的情況，則該種風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率為：

功角失穩(wěn)將會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)形成對(duì)應(yīng)的功率損失，為了方便進(jìn)行對(duì)比，需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，則功角失穩(wěn)產(chǎn)生的后果為：

結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)定義獲取功角失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算公式為：

針對(duì)于含有M條支路的系統(tǒng)，則第k處保護(hù)裝置誤動(dòng)或者拒動(dòng)能夠?qū)е鹿鞘Х€(wěn)。

(4) 負(fù)荷孤立風(fēng)險(xiǎn)：

如果電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障觸發(fā)保護(hù)裝置的誤動(dòng)或者拒動(dòng)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生負(fù)荷脫離系統(tǒng)的情況，整個(gè)過(guò)程被稱為負(fù)荷孤立，其概率計(jì)算公式為：

負(fù)荷孤立會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)形成對(duì)應(yīng)的負(fù)荷損失，為了方便進(jìn)行對(duì)比，需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，則負(fù)荷孤立產(chǎn)生的后果為：

結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)的定義，能夠獲取負(fù)荷孤立的風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算公式：

針對(duì)于含有M條線路支路的系統(tǒng)，由第k處保護(hù)裝置誤動(dòng)或者拒動(dòng)導(dǎo)致負(fù)荷孤立的風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算公式為：

將上述風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行加權(quán)求和，則能夠獲取電力系統(tǒng)的綜合風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)合上述分析，得到電力系統(tǒng)的綜合風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)其衡量不同保護(hù)的重要度；同時(shí)將重要度按照從高到低的順序進(jìn)行排序，以達(dá)到對(duì)全部的保護(hù)值進(jìn)行繼電保護(hù)定值聯(lián)系校核研究的目的。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)基于廣度優(yōu)先搜索的繼電保護(hù)定值聯(lián)系校核方法的綜合有效性，需要進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試，具體的實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：4G 內(nèi)存，2．93GHz 雙核CPU，Windows7 操作系統(tǒng)，Javal．6開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，MyEclipse8．5集成環(huán)境，MySQL5．5數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)所提繼電保護(hù)定值聯(lián)系校核方法、文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)分別是校核效率和校核誤差，具體結(jié)果如下所示。

(1) 校核效率/%：

以下分別對(duì)比三種不同方法在不同測(cè)試樣本數(shù)量下，各種方法的校核效率對(duì)比結(jié)果，如表1所示。

表1 所提方法的校核效率變化情況

分析上述表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，所提方法的校核效率在三種方法中為最高；文獻(xiàn)[2]方法的校核效率次之；文獻(xiàn)[3]方法的校核效率最低。

(2) 校核誤差/%：

為了更加全面驗(yàn)證所提方法的精確性，以下將校核誤差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其中校核誤差越低則說(shuō)明校核精度越高，具體的實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同方法的校核誤差對(duì)比結(jié)果

分析圖1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，相比文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法，所提方法明顯具有更低的校核誤差，且能夠獲取較為理想的校核效果。一部分校核誤差偏離實(shí)際情況比較嚴(yán)重，不僅難以反映設(shè)備運(yùn)行狀況，而且還會(huì)丟失一定量的信息。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文繼電保護(hù)定值聯(lián)系校核方法校核結(jié)果比較精確。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)繼電保護(hù)定值聯(lián)系校核方法存在校核效率較低以及校核誤差較高等問(wèn)題，提出了一種基于廣度優(yōu)先搜索的繼電保護(hù)定值聯(lián)系校核方法。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法能夠獲取較為理想的校核效果，同時(shí)所提方法也為后續(xù)研究提供了對(duì)應(yīng)的理論依據(jù)。但基于廣度優(yōu)先搜索校核方法的理想順序選擇還有待于與工程實(shí)際相結(jié)合，選擇標(biāo)準(zhǔn)還比較模糊，不利于后續(xù)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，對(duì)包括繼電保護(hù)系統(tǒng)和保護(hù)裝置在內(nèi)的整個(gè)繼電保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)評(píng)價(jià)方向還有待于進(jìn)一步深入研究完善。