智能變電站繼電保護裝置智能運維自動化控制方法

趙志勇，卞振華，王雁冰

（國網(wǎng)鹽城供電公司，鹽城 224000）

電網(wǎng)是國家的重點建設(shè)項目，其安全穩(wěn)定運行是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵[1]，目前存在的繼電保護裝置的運維方法不足以支撐現(xiàn)有變電站的需求[2]，因此需要對繼電保護裝置的動作進行控制，從而保證變電站的正常運行[3]。

文獻[4]首先對變電站的換流站進行分析，得出電力系統(tǒng)中繼電保護動作對故障的影響，從而對繼電保護的適應(yīng)性進行評判，得出不同狀態(tài)下變電站繼電保護運維的控制方法，實現(xiàn)繼電保護裝置智能運維自動化控制。但是當(dāng)電力系統(tǒng)受到故障等不良影響時，該控制方法的階躍響應(yīng)能力較差，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)對故障的反應(yīng)延遲，從而無法及時采取措施進行保護；文獻[5]通過鯨魚算法計算出三參數(shù)Weibull 分布函數(shù)，建立繼電保護運行狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型，并根據(jù)變電站檢修計劃計算出狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率結(jié)果，基于該結(jié)果對繼電保護進行修正，實現(xiàn)繼電保護裝置智能運維自動化控制。但是經(jīng)過控制后，電力系統(tǒng)頻率和電壓的波動依舊較大，同時也增加了變電站功角震蕩幅度，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性造成一定的影響。

為了解決以上存在的問題，提出智能變電站繼電保護裝置智能運維自動化控制方法。

1 繼電保護裝置控制區(qū)間動作決策

1.1 中和評判值計算

由于繼電保護需要控制的動作是一小部分[6]，為了加強控制效率，需要對繼電保護裝置控制區(qū)間動作進行決策[7]。

在保證電網(wǎng)安全性的基礎(chǔ)上設(shè)置出繼電保護控制所需的參數(shù)，也為了進一步加強繼電保護動作的正確性[8]，依據(jù)繼電保護的運行和智能變電站的運維模式得出繼電保護裝置控制的評判集，其表達式為

式中：S 代表運維控制評判集合；s1代表電網(wǎng)需要立即進行運維控制的位置；s2代表可以優(yōu)先運維控制的位置；s3代表需要定期運維控制的位置；s4代表可以延遲時間運維控制的位置。

設(shè)立運維因素值為ζ＝｛ζ1，ζ2，…，ζn｝和評判集之間的灰色模糊聯(lián)系視為運維控制評判矩陣，依據(jù)電力系統(tǒng)的運維因素得出評判集對應(yīng)的模糊區(qū)間，在電網(wǎng)運維信息的幫助下得出對應(yīng)的灰度區(qū)間，其表達式為

式中：C代表信息完整度的灰色模糊關(guān)系矩陣；和均代表信息完整度；均代表灰度區(qū)間；n 代表評判因素個數(shù)；m 代表信息數(shù)量[9]。

因為智能變電站的運維因素權(quán)重均是通過定量描述得出的[10]，且權(quán)重因素也表示決策在運維控制中所占的比重，計算出有序加權(quán)平均算子函數(shù)的加權(quán)向量，以此得出繼電保護運維決策結(jié)果，有序加權(quán)平均算子函數(shù)OWA 的加權(quán)向量表達式為

式中：OWAω表示有序加權(quán)平均算子函數(shù)的加權(quán)向量；ωj代表數(shù)據(jù)集（a1，a2，…，an）的第j 個元素的加權(quán)向量；bj代表數(shù)據(jù)集（a1，a2，…，an）的第j 個元素。其中，加權(quán)向量ω的計算公式為

式中：α 代表區(qū)間［0，1］的任意數(shù)。

通過有序加權(quán)平均算子函數(shù)的加權(quán)向量對繼電保護策略sj的因素實施集結(jié)處理，得出sj的中和評判值Zj，其表達式為

1.2 獲取控制區(qū)間動作決策結(jié)果

因為繼電保護策略的中和評判值Zj屬于區(qū)間數(shù)，決策出繼電保護策略需要將區(qū)間數(shù)轉(zhuǎn)換成實數(shù)并對其排序，得出轉(zhuǎn)化后中和評判值Zj中的灰部tj，轉(zhuǎn)化后的tj標(biāo)記為，獲取繼電保護裝置控制區(qū)間動作決策結(jié)果，其表達式為

式中：Fθ表示繼電保護裝置控制區(qū)間動作決策結(jié)果；θ＝｛θ1，θ2，…，θn｝代表不同繼電保護控制策略的風(fēng)險。

通過上式得出各個繼電保護策略的綜合評判結(jié)果，將不同繼電保護策略進行對比，獲取繼電保護裝置控制區(qū)間動作決策。

2 繼電保護裝置智能運維控制

繼電保護的智能運維控制的本質(zhì)是保證電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性[11]，根據(jù)以上得出的繼電保護決策計算出繼電保護的整定值，計算故障點轉(zhuǎn)子差異，實現(xiàn)對繼電保護裝置智能運維的自動化控制。

2.1 整定值計算

根據(jù)以上分析可知，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生非正常運行時，接地電阻最大能到達300 V，根據(jù)繼電保護動作靈敏度的規(guī)定，繼電保護動作的靈敏度K 必須大于等于1.5，由此得出繼電保護動作的實時值為

式中：Up代表繼電保護動作的實時值；U0代表零序電壓。

Ⅱ類電網(wǎng)是指電壓等級在110 kV 及以上、220 kV及以下的輸電網(wǎng)。對于Ⅱ類電網(wǎng)而言，其故障后恢復(fù)供電的時間要求比較高，其負載較大，一旦發(fā)生故障，將會對用戶造成較大的損失。因此要求Ⅱ類電網(wǎng)的故障恢復(fù)時間不超過2 s，即Ⅱ時限必須小于2 s，且Ⅰ時限中需要帶有固定的延時Δt，Δt 必須與Ⅰ時限配合，進而得出Ⅱ時限的整定值計算公式為

在進行繼電保護正常運維控制過程中必須符合式（8）的整定值。

2.2 故障點轉(zhuǎn)子差異計算

在以上要求和決策排序的基礎(chǔ)上對變電站的運維進行控制。運維控制過程中變電站使用暫態(tài)電抗，因此變電站的電勢以及機械功率均固定不變，則電力發(fā)電系統(tǒng)的狀態(tài)表達式為

式中：δ 代表變電站的轉(zhuǎn)子角度；ψ 代表變電站的轉(zhuǎn)子角速度；Pm代表變電站的機械功率；Pe代表變電站的電磁功率；Tj代表指標(biāo)泛涵增量。

電磁功率Pe的計算公式為

式中：Vs代表變電站無限大的母線電壓；R 代表變電站到最大母線之間的總阻抗；E′代表恒定電勢。

則總阻抗R 的計算公式為

式中：r1代表延遲電抗；r2代表暫態(tài)電抗；r3代表串聯(lián)阻抗對應(yīng)的電抗，即繼電保護動作的運維結(jié)果；r4代表電感對應(yīng)的電抗。

假設(shè)變電站的機械功率始終固定，則電力系統(tǒng)變電站的狀態(tài)在將故障排除前，則原始轉(zhuǎn)子角度和故障運行點轉(zhuǎn)子角度之間的差異與原始轉(zhuǎn)子角速度和故障點轉(zhuǎn)子角速度之間的差異的計算公式為

式中：Δδ 代表原始轉(zhuǎn)子角度和故障運行點轉(zhuǎn)子角度之間的差異；Δψ 代表原始轉(zhuǎn)子角速度和故障點轉(zhuǎn)子角速度之間的差異；Δpe代表原始電磁功率故障運行點電磁功率之間的差異。

2.3 繼電動作最優(yōu)控制結(jié)果求解

將Δpe視為控制變量，即可生成變電站繼電動作的線性狀態(tài)公式：

為了確保運維控制過程中能確保二次性能指標(biāo)泛涵是極小值，將以上要求添加到雷文-歐薩斯方程中，進而生成指標(biāo)泛涵為最小的運維控制結(jié)果u，其表達式為

式中：κ 代表輸出量的最優(yōu)反饋增益。

結(jié)合變電站到最大母線之間的總阻抗R 和電磁功率Pe的計算公式，可以整理得出變電站繼電動作的最優(yōu)控制結(jié)果為

通過上述內(nèi)容，可以實現(xiàn)對繼電保護裝置智能運維的自動化控制方法的設(shè)計。

3 實驗結(jié)果與分析

為了驗證智能變電站繼電保護裝置智能運維自動化控制方法的整體有效性，現(xiàn)針對所提方法進行一系列相關(guān)測試，并與繼電保護設(shè)備動作預(yù)測方法和電網(wǎng)故障耦合特性分析與繼電保護研究方法進行比較。

3.1 實驗設(shè)置

選擇某智能變電站繼電保護裝置作為測試對象，該裝置為上海揚測電氣有限公司生產(chǎn)的YCJB-3600C 型號繼電保護裝置，測試環(huán)境如圖1 所示，裝置參數(shù)如表1 所示。

表1 智能變電站繼電保護裝置參數(shù)Tab.1 Parameters of intelligent substation relay protection device

圖1 智能變電站繼電保護裝置Fig.1 Intelligent substation relay protection device

實驗主要從2 個方面入手，分別是階躍響應(yīng)以及變電站功角震蕩，在2 種指標(biāo)下對比3 種方法的最終實驗結(jié)果，根據(jù)實驗結(jié)果詳細證明所提方法的運維控制能力強。

3.2 階躍響應(yīng)

電力系統(tǒng)因各個時間段用電量的不同，其負載程度也不盡相同，波動太大會造成電力系統(tǒng)故障，為了保證變電站的正常運維，繼電保護動作控制尤為重要。在不同負載程度下，繼電動作要及時做出響應(yīng)，以便應(yīng)對相應(yīng)情況，分別在變電站負載為0.1～1.0 Ω 下計算出3 種方法對應(yīng)的相位上升所需時間、變電站超調(diào)量以及繼電動作穩(wěn)定時間，實驗結(jié)果如表2 所示。

表2 不同負載程度下三種方法的階躍響應(yīng)Tab.2 Step response of three methods under different load levels

根據(jù)實驗可知，當(dāng)負載值越大，相位上升所需時間越多，其中所提方法在不同負載程度下的用時均為最短。并且所提方法的超調(diào)量均在10%以下，在允許范圍內(nèi)，其余兩種方法均超過10%，說明所提方法的穩(wěn)定性較好。并且繼電動作的穩(wěn)定時間始終不超過15 s，相對較短，說明所提方法的階躍響應(yīng)能力較好，運維控制能力較好。

3.3 變電站功角震蕩

變電站因各種外部因素會導(dǎo)致其功角出現(xiàn)較大波動，這十分不利于變電站的穩(wěn)定輸出，因此分析3 種方法控制后的變電站功角變化曲線。未進行繼電保護運維控制時變電站功角的震蕩頻率如圖2中的曲線1 所示，3 種方法的控制結(jié)果如圖2 所示。

圖2 三種方法控制后的變電站功角變化曲線Fig.2 Power angle variation curve of substation after three methods of control

根據(jù)實驗結(jié)果可知，經(jīng)過運維控制后的功角搖擺曲線的波動幅度明顯變小，說明運維控制是十分有必要的，且對繼電動作的幫助較大。通過對比3種控制方法的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所提方法控制下的曲線波動最小，說明變電站輸出變得更加穩(wěn)定。

4 結(jié)語

變電站的穩(wěn)定輸出是電力系統(tǒng)的重中之重，無論是繼電保護或是故障檢測均是為了確保變電站的穩(wěn)定運行，為此提出智能變電站繼電保護裝置智能運維自動化控制方法，首先構(gòu)建繼電保護裝置控制區(qū)間灰色模糊關(guān)系矩陣，其次根據(jù)得出的繼電保護動作得出繼電保護整定值，最終根據(jù)使用輸出量反饋最優(yōu)控制實現(xiàn)繼電保護裝置智能運維自動化控制，解決了階躍響應(yīng)能力差以及變電站功角震蕩幅度大的問題，進一步加強變電站的運行穩(wěn)定性。