多元信息流下的繼電保護(hù)裝置誤動作識別系統(tǒng)設(shè)計

劉依心，趙若琳

（1.國家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，江蘇南京 210023；2.上海梓騰機(jī)電設(shè)備有限公司，上海 200000）

繼電保護(hù)裝置是電力系統(tǒng)中用于保護(hù)電力系統(tǒng)安全運行的自動化繼電保護(hù)裝置，其控制斷路器產(chǎn)生跳閘動作或發(fā)送故障預(yù)警。該繼電保護(hù)裝置為配套設(shè)備，主要運用在線路保護(hù)、主變差動保護(hù)以及勵磁控制等方面[1]。在電網(wǎng)覆蓋規(guī)模日漸增加且復(fù)雜的情況下，繼電保護(hù)裝置也受到極大影響，繼電保護(hù)裝置誤動作時常發(fā)生，電力系統(tǒng)的安全及用戶的用電安全存在極大隱患[2]。繼電保護(hù)裝置誤動作是引起電力系統(tǒng)擾動的主要因素，因此，識別故障是防止電力系統(tǒng)擾動、避免電力系統(tǒng)故障的主要手段。其中，文獻(xiàn)[3]分析了繼電保護(hù)嵌入式軟件程序，得出繼電保護(hù)嵌入式軟件實現(xiàn)的功能，并判斷、測試嵌入式軟件的功能是否達(dá)到要求，但是判斷其是否執(zhí)行保護(hù)動作的準(zhǔn)確性較低；文獻(xiàn)[4]設(shè)計可輸出變頻故障電流的逆變器電源和變頻式過電流繼電保護(hù)裝置，采用新故障特征的變頻式繼電保護(hù)方案，獲得虛擬短路電壓，用于過電流保護(hù)和低電壓保護(hù)等，但是其對多元信息流的掌握與應(yīng)用效果較差。

針對上述問題，該文設(shè)計了多元信息流下的繼電保護(hù)裝置誤動作識別系統(tǒng)，對繼電保護(hù)裝置的動作情況進(jìn)行實時預(yù)測，準(zhǔn)確判斷是否需要開啟保護(hù)動作，保證繼電保護(hù)裝置的正確動作。

1 多元信息流下的繼電保護(hù)裝置誤動作識別系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多元信息流下的繼電保護(hù)裝置誤動作識別系統(tǒng)主要包含四個模塊，分別為故障波形管理模塊、電力系統(tǒng)故障分析模塊、繼電保護(hù)裝置動作管理模塊以及數(shù)據(jù)存儲管理模塊，其架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)存儲管理模塊：該模塊主要用于繼電保護(hù)裝置數(shù)據(jù)的存儲、管理以及格式轉(zhuǎn)換，以多元信息流數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)整個模塊功能。前者可高效完成數(shù)據(jù)信息的采集、分析、決策和控制等；后者則可輔助相關(guān)信息的分析和理解、處理程序的形成、格式的轉(zhuǎn)換以及其他信息的創(chuàng)建。

故障波形管理模塊：該模塊以數(shù)字信號處理技術(shù)為主，對繼電保護(hù)裝置故障引起的波形現(xiàn)象進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果提供給有關(guān)負(fù)責(zé)人。

電力系統(tǒng)故障分析模塊：根據(jù)波形分析結(jié)果，判斷故障類型，自動識別故障位置，為整個電網(wǎng)的故障分析提供依據(jù)[5]。

繼電保護(hù)裝置動作管理模塊：該模塊主要通過繼電保護(hù)裝置，根據(jù)故障分析結(jié)果預(yù)測線路、變壓器等是否動作，避免繼電保護(hù)裝置誤動作的發(fā)生。

數(shù)據(jù)存儲管理模塊將經(jīng)過存儲以及格式轉(zhuǎn)換后的信息存儲至多元信息流數(shù)據(jù)庫后，故障波形管理模塊對存儲的信息進(jìn)行波形分析[6]，并將分析結(jié)果傳送至電力系統(tǒng)故障分析模塊，以此為依據(jù)展開故障類型分析，將分析結(jié)果傳送至繼電保護(hù)裝置動作管理模塊，該模塊利用繼電保護(hù)裝置動作行為預(yù)測模型對其進(jìn)行動作預(yù)測，判斷繼電保護(hù)裝置是否發(fā)生動作，避免誤動作的產(chǎn)生。

1.2 多元信息流數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

1.2.1 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

在繼電保護(hù)裝置中，處理多元信息流時，具備4個明顯特征，分別是信息多元化、集成化、實時性以及同時兼顧在線和離線的信息。因此，高效、實時地完成數(shù)據(jù)庫信息處理，是數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的核心標(biāo)準(zhǔn)[7]。多元信息流數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建目的是實現(xiàn)繼電保護(hù)數(shù)據(jù)的獨立性和統(tǒng)一性，該數(shù)據(jù)庫的框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

在繼電保護(hù)裝置數(shù)據(jù)處理的多信息數(shù)據(jù)庫中，以實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)為核心，定義相關(guān)信息屬性，保證系統(tǒng)運行的實時規(guī)范，準(zhǔn)確描述信息流中包含的各種信息狀態(tài)。

1.2.2 數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)

將電網(wǎng)數(shù)據(jù)庫語言與信息處理技術(shù)相結(jié)合，完成繼電保護(hù)裝置信息數(shù)據(jù)的存儲及狀態(tài)分析。對于整個系統(tǒng)來說，該數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)是以電網(wǎng)數(shù)據(jù)語言分塊為基礎(chǔ)，以保護(hù)對象群為依據(jù)，結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)完成的[8-9]。信息控制流向的實現(xiàn)過程如圖3 所示。

圖3 信息控制流向的實現(xiàn)過程

盡管該數(shù)據(jù)庫存儲的多元信息流信息量巨大，但其在構(gòu)建過程中引用了電網(wǎng)數(shù)據(jù)庫語言和信息處理技術(shù)，可最大程度保證系統(tǒng)功能的實現(xiàn)[10]。

1.3 繼電保護(hù)裝置動作行為預(yù)測模型

設(shè){X(t),y≥0}、I={in,n≥0} 分別表示繼電保護(hù)裝置的隨機(jī)轉(zhuǎn)換概率和狀態(tài)空間，以繼電保護(hù)裝置在運行過程中，發(fā)生的狀態(tài)轉(zhuǎn)換的特點為依據(jù)，任意0 ≤t1≤t2,…,tn和i1,i2,…,in,in+1∈I需符合齊次馬爾科夫過程：

式中，pij(Δt)表示時變概率，Δt表示時間差，t表示時間，in+1為狀態(tài)轉(zhuǎn)換系數(shù)，pij(Δt)和Δt存在直接且較大關(guān)聯(lián)。i和j分別表示繼電保護(hù)裝置的不同工作狀態(tài)，其在Δt最小取值時，從i轉(zhuǎn)變成j時的最小轉(zhuǎn)移概率函數(shù)為：

式中，X(t+Δt)表示連續(xù)狀態(tài)空間概率。X(t)為隨機(jī)轉(zhuǎn)移概率，隨機(jī)狀態(tài)與連續(xù)狀態(tài)的時變概率計算公式分別為：

繼電保護(hù)裝置在運行過程中，n表示會出現(xiàn)的狀態(tài)種類，組成的時變概率矩陣pij(Δt+1)為：

式（6）矩陣中的元素均為正數(shù)，依據(jù)式（5）的標(biāo)準(zhǔn)可知，式（6）中每一行元素的和為1。

如果存在最小轉(zhuǎn)移概率，則式（1）由轉(zhuǎn)移密度函數(shù)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)移密度矩陣，表示為：

式中，I表示單位矩陣；式（7）中每一行元素的和為零；對角線元素都為負(fù)數(shù)，其他元素Aij≥0。

式（7）中，變電站保護(hù)信息子站是繼電保護(hù)裝置獲取歷史數(shù)據(jù)的依據(jù)，獲取的信息為周期性數(shù)據(jù)和時間驅(qū)動數(shù)據(jù)兩種。為預(yù)測繼電保護(hù)裝置工作狀態(tài)，需補(bǔ)充信息流數(shù)據(jù)庫中的繼電保護(hù)裝置運行信息，且進(jìn)行周期性補(bǔ)償[11]。因此，繼電保護(hù)裝置參數(shù)在歷史數(shù)據(jù)增加的情況下動態(tài)變化。

在隨機(jī)i、j情況下，運行時間t≥0，存在下述關(guān)系：

式中，qik為重要性等級。經(jīng)過上述過程，若滿足所有時間間隔的時變概率，則：

實際應(yīng)用過程中，如果j是最后轉(zhuǎn)移狀態(tài)，為了計算pij(t)，引入柯爾莫哥洛夫前向方程，為：

式中,In表示初始時刻的密度矩陣。通過式（10）可得到繼電保護(hù)裝置在初始運行狀態(tài)下的時變概率矩陣P(t)，其以A和初始狀態(tài)為依據(jù)，通過數(shù)值積分法實現(xiàn)求解。

通過以上步驟，可以預(yù)測繼電保護(hù)裝置在各種運行狀態(tài)下的行為，根據(jù)預(yù)測模型中繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)和動作行為，系統(tǒng)可以判斷繼電保護(hù)裝置是否動作，從而達(dá)到保護(hù)的目的[12]。在保護(hù)過程中，系統(tǒng)可以實施應(yīng)急行動策略，其詳情如圖4所示。

圖4 中，tm對應(yīng)的時變概率pi1(tm)=pm，繼電保護(hù)裝置應(yīng)急投運概率設(shè)定值和最大容忍時間分別為pm和tf，通過配電系統(tǒng)的保護(hù)配置策略，基于線路電壓等級、重要性等級和歷史故障概率[13-16]實現(xiàn)繼電保護(hù)裝置誤動作識別。

圖4 應(yīng)急動作流程

2 實例分析

為測試該文系統(tǒng)的應(yīng)用效果和性能，選取某500 kV 母線中的繼電保護(hù)裝置作為測試對象，該線路為三相式接線，該線路連接的全部元件上均裝有電流互感器。線路連接情況如圖5 所示。

圖5 測試線路連接情況

繼電保護(hù)裝置數(shù)據(jù)是多元化的[17-18]，因此，多元信息流數(shù)據(jù)采集性能決定了系統(tǒng)的識別性能，在不同噪聲下，不同采集時刻范圍內(nèi)，該文系統(tǒng)對于實驗對象的多元信息采集情況結(jié)果如表1 所示。

如表1 所示，在不同噪聲干擾下，該文系統(tǒng)依舊可以完成多元信息數(shù)據(jù)的采集，且每時刻范圍內(nèi)采集的多元數(shù)據(jù)信息流量均高于0.14 Mbps，表明該文系統(tǒng)可有效完成繼電保護(hù)裝置多元信息流數(shù)據(jù)的采集。

表1 多元信息采集流量測試結(jié)果

繼電保護(hù)裝置的差動保護(hù)整定電流值為2 A（TA 二次側(cè)值），系統(tǒng)運行過程中，繼電保護(hù)裝置和線路的修復(fù)率分別為μp和μ1，檢修人員抵達(dá)現(xiàn)場的平均時間和檢修間隔時間的倒數(shù)分別為μpo1和Q，故障率為λ1，拒動和誤動概率分別為λ′j和λ′w，自動識別成功概率為s，8 個參數(shù)均需實行采集并輸入至系統(tǒng)預(yù)測模型中，參數(shù)設(shè)置情況如表2 所示。

表2 參數(shù)情況

如表2 所示，將上述參數(shù)輸入至系統(tǒng)后，獲取繼電保護(hù)裝置初始狀態(tài)1 時的時變概率曲線，此時狀態(tài)沒有發(fā)生轉(zhuǎn)變，如圖6 所示；獲取從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)移至不同狀態(tài)時的時變概率曲線，如圖7 所示。

圖6 初始狀態(tài)1時的時變概率曲線

圖7 轉(zhuǎn)移至不同狀態(tài)時的時變概率曲線

根據(jù)圖6、圖7 可知，繼電保護(hù)裝置在初始狀態(tài)時為正常狀態(tài)，隨著時間的延長，繼電保護(hù)裝置的時變概率逐漸減?。划?dāng)采集時間超過32 h 以后，時變概率幾乎穩(wěn)定，保持在99.15%。當(dāng)狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變后，結(jié)合時變概率和為1 的標(biāo)準(zhǔn)，從初始運行轉(zhuǎn)變成狀態(tài)9 的時變概率最大，轉(zhuǎn)變成狀態(tài)2 的時變概率次之。實際應(yīng)用時，可根據(jù)該狀態(tài)變化分析故障類型，并且繼電保護(hù)裝置能夠自動完成故障檢測，保證繼電保護(hù)裝置在運行中的準(zhǔn)確動作。

為測試該文系統(tǒng)的誤動識別效果，針對測試線路進(jìn)行誤動識別測試，統(tǒng)計系統(tǒng)的識別效果，如表3所示。

表3 保護(hù)繼電保護(hù)裝置誤動識別測試結(jié)果

根據(jù)表3 測試結(jié)果可知,該系統(tǒng)能在不同情況下根據(jù)繼電保護(hù)裝置的動作情況，準(zhǔn)確分析是否發(fā)生誤動作，符合實際使用需要。

3 結(jié)論

為了極大程度地降低電網(wǎng)在誤動作影響下造成的風(fēng)險和經(jīng)濟(jì)損失，針對存在的問題，文中設(shè)計了多元信息流下的繼電保護(hù)裝置誤動作識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對繼電保護(hù)裝置運行狀態(tài)下行為發(fā)生的概率進(jìn)行分析和求解，判斷繼電保護(hù)裝置是否動作，以此降低繼電保護(hù)裝置誤動作的發(fā)生，用于預(yù)測繼電保護(hù)裝置的保護(hù)動作，進(jìn)而識別繼電保護(hù)裝置的誤動作。