基于狀態(tài)信息關(guān)聯(lián)性的變電站繼電保護實時檢測方法研究

薛晨

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司揚州供電分公司，江蘇 揚州 225001）

隨著國家大力推進智能電網(wǎng)的建設(shè)，智能變電站的數(shù)量逐年遞增，智能變電站的運營維護工作也越來越重要。智能變電站的技術(shù)架構(gòu)與傳統(tǒng)變電站相比都發(fā)生了革命性的變化，但是在運營維護方面，智能變電站仍然采用了傳統(tǒng)的定期檢修模式[1-2]。一方面，定期檢修需要將被檢驗的設(shè)備停電，再根據(jù)檢驗規(guī)程要求逐項對被檢驗設(shè)備進行功能與狀態(tài)的檢查，工作量巨大，耗費時間長，目的性差、有效性差；另一方面，智能變電站運行數(shù)據(jù)豐富，具備高度共享的屬性，能夠通過智能化設(shè)備對智能變電站的運行數(shù)據(jù)以及繼電保護數(shù)據(jù)進行連續(xù)性檢測，并能通過通信的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高度共享，這就為智能變電站繼電保護的運用維護新方法的出現(xiàn)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也為基于狀態(tài)信息的智能變電站運營維護技術(shù)提供了研究方向[3-4]。本文充分利用了智能變電站運行數(shù)據(jù)高度共享的屬性，對能夠描述變電站繼電保護狀態(tài)的數(shù)據(jù)進行了細致梳理，并從中提取出數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，由此提出了基于狀態(tài)信息關(guān)聯(lián)新的變電站繼電保護實時檢測方法。經(jīng)過算例驗證，本文所提出的方法能夠有效檢測出繼電保護的異常狀態(tài)[5-6]。

1 變電站繼電保護狀態(tài)信息

智能變電站繼電保護系統(tǒng)主要由繼電保護設(shè)備、智能終端、合并單元、過程層網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成[7]。繼電保護是通過采集模擬量和數(shù)字量，再經(jīng)過繼電保護裝置中的多個環(huán)節(jié)的運算后得到最終的動作數(shù)據(jù)和提示數(shù)據(jù)而實現(xiàn)的[8-9]。數(shù)據(jù)在繼電保護系統(tǒng)的各個組成部分之間傳輸，每一項功能的實現(xiàn)都需要繼電保護系統(tǒng)各個組成部分之間的相互配合，所以說繼電保護系統(tǒng)各個組成部分的狀態(tài)信息都可能會與整個繼電保護系統(tǒng)的狀態(tài)具有關(guān)聯(lián)性。以繼電保護系統(tǒng)的各個組成部分為基本單元進行研究，得到繼電保護系統(tǒng)的狀態(tài)信息如表1所示[10-11]。

表1 繼電保護系統(tǒng)狀態(tài)信息

2 變電站繼電保護狀態(tài)信息關(guān)聯(lián)屬性

每執(zhí)行一次繼電保護動作，都需要繼電保護系統(tǒng)的各個組成部分進行數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析和相互配合。繼電保護狀態(tài)信息伴隨著整個繼電保護的動作過程，完成繼電保護動作的各個環(huán)節(jié)的狀態(tài)信息具有關(guān)聯(lián)屬性[12]，例如前一個環(huán)節(jié)的狀態(tài)信息會影響后一個環(huán)節(jié)的狀態(tài)信息，相同環(huán)節(jié)的狀態(tài)信息一樣等。如圖1所示為繼電保護系統(tǒng)狀態(tài)信息之間的關(guān)聯(lián)屬性。梳理圖中的關(guān)聯(lián)屬性，可以將這些關(guān)聯(lián)屬性劃分為連鎖屬性、互斥屬性、冗余屬性、物理屬性等四大類。

圖1 繼電保護系統(tǒng)狀態(tài)信息之間的關(guān)聯(lián)屬性

連鎖屬性是指兩個狀態(tài)信息中的其中一個為A，另一個也對應(yīng)為A。連鎖屬性的狀態(tài)信息存在于實現(xiàn)繼電保護動作必然引起的環(huán)節(jié)或同類型環(huán)節(jié)。連鎖屬性專門針對于數(shù)字量的狀態(tài)信息，取值為“0”和“1”，主要是指繼電器的通斷和壓板的投退。

互斥屬性是指兩個狀態(tài)信息中的其中一個為A，另一個對應(yīng)為～A，互斥屬性專門針對于數(shù)字量的狀態(tài)信息，取值為“0”和“1”，對于具有互斥關(guān)系的兩個狀態(tài)信息，其中一個為“1”，與其對應(yīng)的必然為“0”。互斥關(guān)系在繼電保護中主要是指斷路器狀態(tài)只能是“通”或“斷”，不存在第三種狀態(tài)；合閘繼電器處于“合位”，分閘繼電器必然處于“分位”。

冗余屬性是指兩個狀態(tài)信息完全保持一致，冗余屬性適用于數(shù)字量和模擬量，其中數(shù)字量的取值存在“0”和“1”之外的第三種狀態(tài)，涉及到冗余屬性的變量有電壓、電流、溫度、網(wǎng)絡(luò)延時等，具有冗余屬性的狀態(tài)信息通常存在于二重化配置的繼電保護系統(tǒng)或同信息源的模擬量和數(shù)字量中。

物理屬性主要針對于模擬量，必須要滿足基爾霍夫定律的約束，換而言之就是一次側(cè)系統(tǒng)的模擬量必須滿足跟電路結(jié)構(gòu)相關(guān)的物理定律的約束關(guān)系。

3 基于狀態(tài)信息關(guān)聯(lián)性的繼電保護檢測策略

本文選取連鎖屬性和互斥屬性對基于狀態(tài)信息關(guān)聯(lián)性的繼電保護檢測策略進行研究。

根據(jù)連鎖屬性的特點，如果兩個具有連鎖屬性的狀態(tài)信息出現(xiàn)了數(shù)據(jù)偏差，則可以得到結(jié)論，其中的一個狀態(tài)信息出現(xiàn)了異常，具體的檢測方式是通過構(gòu)造異或邏輯來實現(xiàn)的，如果兩個具有關(guān)聯(lián)屬性的狀態(tài)信息經(jīng)過異或運算后，其輸出結(jié)果位1，則認定存在異常。

假設(shè)存在α 個數(shù)字量的狀態(tài)信息m1（t），m（2t），L，m（αt）分別與β 個數(shù)字量的狀態(tài)信息n（1t），n（2t），L，n（β）t存在關(guān)聯(lián)屬性關(guān)系。設(shè)定基準向量和比較向量為：

定義“異或”運算，當兩個數(shù)字量不同時，異或運算結(jié)果為1，則存在：

如果矩陣ω（t）的第i行的全部元素都為1，則認定m（it）狀態(tài)信息出現(xiàn)了異常；如果矩陣ω（t）的第j列的全部元素都為1，則認定n（jt）狀態(tài)信息出現(xiàn)了異常；特別情況下，如果m（it）狀態(tài)信息和n（jt）狀態(tài)信息都出現(xiàn)異常如果矩陣ω（t）的第i行和第j列的全部元素除了ω（ijt）外全部為1。當出現(xiàn)多個狀態(tài)信息異常時，通過查找矩陣中的非零元素就能夠判定出是哪個狀態(tài)信息出現(xiàn)了異常。

根據(jù)互斥屬性的特點，如果兩個具有互斥屬性的狀態(tài)信息不呈現(xiàn)互補，則可以得到結(jié)論，其中的一個狀態(tài)信息出現(xiàn)了異常，具體的檢測方式是通過構(gòu)造同或邏輯來實現(xiàn)的，如果兩個具有關(guān)聯(lián)屬性的狀態(tài)信息經(jīng)過異或運算后，其輸出結(jié)果位1，則認定存在異常。

假設(shè)存在α個數(shù)字量的狀態(tài)信息m1（t），m（2）t，L，m（α）t分別與β個數(shù)字量的狀態(tài)信息n（1t），n（2）t，L，n（β）t存在互斥屬性關(guān)系。設(shè)定基準向量和比較向量為：

定義“同或”運算，當兩個數(shù)字量相同時，同或運算結(jié)果為1，則存在：

如果矩陣ω（t）的第i行的全部元素都為1，則認定m（it）狀態(tài)信息出現(xiàn)了異常；如果矩陣ω（t）的第j列的全部元素都為1，則認定n（jt）狀態(tài)信息出現(xiàn)了異常；特別情況下，如果m（it）狀態(tài)信息和n（jt）狀態(tài)信息都出現(xiàn)異常，則認定矩陣ω（t）的第i行和第j列的全部元素除了ω（ijt）外全部為1。當出現(xiàn)多個狀態(tài)信息異常時，通過查找矩陣中的非零元素就能夠判定出是哪個狀態(tài)信息出現(xiàn)了異常。

4 算例分析

為了驗證本文所提出方法的有效性，以智能變電站最小系統(tǒng)為研究對象進行分析，該系統(tǒng)包含了一個母聯(lián)斷路器間隔、一個變壓器間隔、五個線路間隔以及智能終端、合并單元、繼電保護設(shè)備等，其具體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 智能變電站最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當k點發(fā)生接地故障時，保護1、保護2為內(nèi)部故障，正常情況下，t1時刻保護1、保護2、保護5、保護6起動，t2時刻保護1、保護2動作，保護5、保護6返回。如果保護1、保護2不動作，則由保護5、保護6作為后備保護動作。

本文以保護6的起動異常為例，以保護6、保護2的狀態(tài)信息為基準，得到t1時刻的基準狀態(tài)向量，向量中各元素分別表示保護1和保護2的起動情況，起動為1，不起動為0；得到t1時刻的比較狀態(tài)向量，向量中各元素分別表示保護5、保護6的起動情況，運算得到的矩陣第二行不為0，因此可以判斷保護6的起動異常。

5 結(jié)論

為了充分利用智能變電站運行數(shù)據(jù)高度開放的特點，本文從繼電保護系統(tǒng)基本組成出發(fā)對繼電保護狀態(tài)信息進行了深入研究，對各個狀態(tài)信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進行了深入分析，將繼電保護裝置采集到的實時數(shù)據(jù)進行邏輯運算，實現(xiàn)變電站繼電保護的實時檢測。算例分析表明，本文所提出的方法運算簡單、結(jié)果可靠，在變電站一次側(cè)設(shè)備處于運行狀態(tài)下也能夠?qū)崿F(xiàn)繼電保護檢測，有效提高了繼電保護的可靠性，減少了運營維護的工作量，大大提升了變電站的檢修效率。