電力自動(dòng)化繼電保護(hù)在線整定方法研究

摘 要：為了解決傳統(tǒng)繼電保護(hù)整定方法中信號(hào)幅值波動(dòng)大、故障反時(shí)限動(dòng)作定值超出范圍的問(wèn)題，本文提出了一種電力自動(dòng)化繼電保護(hù)在線整定方法。該方法通過(guò)設(shè)置徑向總線配網(wǎng)和布置2個(gè)繼電器來(lái)構(gòu)建電網(wǎng)，并設(shè)定繼電器工作時(shí)間限制的協(xié)調(diào)條件。利用蟻群算法在線整定信息素發(fā)揮系數(shù)，結(jié)合負(fù)反饋條件快速找到最優(yōu)解，構(gòu)建自動(dòng)整定模型，以獲取最佳整定方案。試驗(yàn)結(jié)果顯示，整定后的信號(hào)幅值穩(wěn)定在0Hz附近，繼電器兩端電壓保持在預(yù)期范圍內(nèi)，故障發(fā)生時(shí)反時(shí)限動(dòng)作定值為0.80～0.83，符合預(yù)期。表明該方法可以有效切除故障，防止故障范圍擴(kuò)大。

關(guān)鍵詞：電力自動(dòng)化；繼電保護(hù)；整定方法；蟻群算法

中圖分類號(hào)：TM 761 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，繼電保護(hù)作為保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要技術(shù)手段，其性能的優(yōu)化和整定方法的創(chuàng)新較為重要。

目前，已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)電力自動(dòng)化繼電保護(hù)在線整定方法進(jìn)行了研究。例如，許昊等[1]建立電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)特征軌跡計(jì)算系統(tǒng)的頻域穩(wěn)定高度。對(duì)頻域穩(wěn)定高度進(jìn)行深入度分析，以量化電力系統(tǒng)穩(wěn)定器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。如果初始參數(shù)值選擇不當(dāng)，可能導(dǎo)致整定結(jié)果不穩(wěn)定或無(wú)法收斂。李生虎等[2]建立DFIG并網(wǎng)系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣，推導(dǎo)目標(biāo)TOL模式對(duì)相應(yīng)抑制通道傳遞函數(shù)深入度的解析表達(dá)。根據(jù)推導(dǎo)的傳遞函數(shù)的深入度，對(duì)MDSER的控制參數(shù)進(jìn)行整定，以提高對(duì)多TOL模式的抑制效果。該方法主要針對(duì)SER并網(wǎng)電力系統(tǒng)中多低頻振蕩的抑制問(wèn)題，可能不適用于其他類型的電力系統(tǒng)或控制問(wèn)題。

為了解決上述方法中存在的問(wèn)題，以電力自動(dòng)化繼電保護(hù)在線整定方法為研究對(duì)象，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行研究與分析。

1 在線整定方法

1.1 數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

在電力自動(dòng)化繼電保護(hù)在線整定方法研究中，數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理是確保繼電保護(hù)系統(tǒng)準(zhǔn)確響應(yīng)電力系統(tǒng)狀態(tài)變化的關(guān)鍵步驟。其中，數(shù)據(jù)采集是從電力系統(tǒng)中實(shí)時(shí)收集運(yùn)行數(shù)據(jù)的過(guò)程，這些數(shù)據(jù)包括電流、電壓、頻率、功率等參數(shù)[3]。數(shù)據(jù)采集通常通過(guò)安裝在變電站的傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。

數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的是對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)換和規(guī)范化，以便于后續(xù)的分析和處理[4]。數(shù)據(jù)預(yù)處理通常包括以下2個(gè)方面。

數(shù)據(jù)清洗：數(shù)據(jù)清洗的目的是糾正或刪除錯(cuò)誤、不完整或不相關(guān)的數(shù)據(jù)，如公式（1）所示。

（1）

使用統(tǒng)計(jì)方法檢測(cè)并處理異常值，如公式（2）所示。

（2）

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的目的是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為更適合分析的形式。將數(shù)據(jù)縮放到一個(gè)特定的范圍，例如0～1。具體如公式（3）所示。

（3）

基于上述步驟，完成電力自動(dòng)化繼電保護(hù)的數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理。

1.2 構(gòu)建電力自動(dòng)化繼電保護(hù)在線整定模型

在設(shè)計(jì)電力自動(dòng)化繼電保護(hù)在線整定方法中，將繼電保護(hù)的整定視作一個(gè)最優(yōu)化問(wèn)題。因此，構(gòu)建電力自動(dòng)化繼電保護(hù)自動(dòng)整定模型來(lái)獲取最佳的整定方案，以有效地解決復(fù)雜的優(yōu)化問(wèn)題。由于蟻群算法在解決離散型組合優(yōu)化問(wèn)題時(shí)表現(xiàn)較差。因此，引入改進(jìn)蟻群算法來(lái)優(yōu)化電力自動(dòng)化繼電保護(hù)自動(dòng)整定模型[5]。通過(guò)蟻群算法使用負(fù)反饋條件能夠更快速地找到最優(yōu)解。改進(jìn)蟻群算法通過(guò)引入啟發(fā)式信息、動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù)、精英策略、局部搜索機(jī)制、多樣性保持策略以及與其他優(yōu)化算法結(jié)合等手段，顯著提高了算法的收斂速度和全局搜索能力，有效避免了陷入局部最優(yōu)的問(wèn)題。這些改進(jìn)不僅增強(qiáng)了算法的魯棒性和適應(yīng)性，提高了找到解的質(zhì)量，還擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍，并降低了計(jì)算復(fù)雜度，從而使蟻群算法在解決復(fù)雜優(yōu)化問(wèn)題時(shí)更高效、穩(wěn)定和可靠。通過(guò)這些策略的整合與優(yōu)化，改進(jìn)后的蟻群算法能夠更好地應(yīng)對(duì)各種挑戰(zhàn)，為實(shí)際問(wèn)題的解決提供了強(qiáng)有力的工具。

當(dāng)計(jì)算電力自動(dòng)化繼電保護(hù)自動(dòng)整定模型時(shí)，為防止因過(guò)早收斂而陷入局部最優(yōu)解（無(wú)法獲得預(yù)期整定結(jié)果），引入自適應(yīng)目標(biāo)的最大最小蟻群算法，提高電力自動(dòng)化繼電保護(hù)在線整定模型的全局搜索能力。首先，需要對(duì)算法中的螞蟻數(shù)量參數(shù)進(jìn)行初始化，這些螞蟻將負(fù)責(zé)遍歷并訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)所有螞蟻都完成了1次完整的節(jié)點(diǎn)遍歷，即1次循環(huán)結(jié)束后，每只螞蟻?zhàn)哌^(guò)的路徑將構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜電網(wǎng)繼電保護(hù)自動(dòng)整定模型的解。此時(shí)，需要根據(jù)螞蟻們的表現(xiàn)來(lái)更新它們的循環(huán)軌跡，如公式（4）所示。

?（t+1）=（1-α）?（t） （4）

式中：?（t）為在相應(yīng)時(shí)刻內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)路徑上所有的信息數(shù)量；α為信息素發(fā)揮系數(shù)。

在整定模型求解過(guò)程中，為了有效避免搜索停滯問(wèn)題，為路徑上的信息素設(shè)置了取值區(qū)間[?min，?max]，這個(gè)區(qū)間限制確保了任何路徑上的信息素值都不會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其他路徑，從而提高了模型求解的魯棒性[6]。為了提高蟻群算法的全局搜索能力，需要對(duì)α值進(jìn)行在線調(diào)整。根據(jù)實(shí)際問(wèn)題的特性和需求來(lái)設(shè)定在線整定公式，以實(shí)現(xiàn)更高效的全局搜索，如公式（5）所示。

（5）

式中：αmin為信息素發(fā)揮系數(shù)最小值。

根據(jù)對(duì)原始蟻群算法中的α值進(jìn)行在線調(diào)整，可以在每次循環(huán)結(jié)束后獲得全局最優(yōu)解，從而避免算法陷入局部最優(yōu)。不斷更新螞蟻的尋優(yōu)結(jié)果，直至滿足提前設(shè)定的結(jié)束條件，停止運(yùn)行，并輸出此時(shí)的全局最優(yōu)解。這樣，就完成了繼電保護(hù)自動(dòng)整定模型的求解。

1.3 實(shí)現(xiàn)電力自動(dòng)化繼電保護(hù)在線整定

在電力自動(dòng)化的精密流程中，備用繼電器的跳閘機(jī)制被設(shè)計(jì)為一道堅(jiān)實(shí)的防線，它僅在主繼電器遭遇不可預(yù)見(jiàn)的故障時(shí)才會(huì)被激活。這種激活機(jī)制的觸發(fā)，確保電力系統(tǒng)的連續(xù)性和穩(wěn)定性不受影響。為了進(jìn)一步增強(qiáng)這一過(guò)程的可靠性，設(shè)定精確的協(xié)調(diào)時(shí)間間隔，確保備用繼電器的介入既不早也不晚，恰到好處。在電力系統(tǒng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，定向過(guò)流繼電器確保了并聯(lián)或級(jí)聯(lián)饋線的徑向饋電安全，防止了電流的泛濫。在配電過(guò)程中，這些繼電器被賦予了雙重身份：作為一級(jí)保護(hù)裝置，它們時(shí)刻警惕著潛在的威脅；而根據(jù)分輸級(jí)別，化身為二級(jí)保護(hù)裝置，為系統(tǒng)的安全提供多重保障。為了構(gòu)建一個(gè)堅(jiān)固的電網(wǎng)，設(shè)置了徑向總線配網(wǎng)，并巧妙地布置了2個(gè)繼電器，確保了電力系統(tǒng)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都能得到妥善保護(hù)，徑向分布圖如圖1所示。

設(shè)置在P階段饋線發(fā)生了故障并且該故障超出了母線K的范圍。根據(jù)徑向饋線的設(shè)計(jì)特性要求，當(dāng)遠(yuǎn)端發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)具備在故障點(diǎn)附近自主清除故障的能力。由于繼電器B2地理上接近故障點(diǎn)，因此作為第一反應(yīng)者啟動(dòng)并嘗試清除故障。如果B2因故失效，系統(tǒng)就將備份繼電器B1作為后備保障。為了確保B1在B2之后動(dòng)作，需要對(duì)B1的觸發(fā)時(shí)間進(jìn)行合理配置。B2被設(shè)定為在故障發(fā)生后0.1s內(nèi)響應(yīng)，而B(niǎo)1的啟動(dòng)時(shí)間則需要在B2的基礎(chǔ)上增加一定的延遲。設(shè)置0.2s的時(shí)間緩沖，以確保B1在B2之后安全、有效地介入。此外，為了避免過(guò)流繼電器之間的誤動(dòng)作，需要對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)中的繼電器動(dòng)作進(jìn)行協(xié)調(diào)。通過(guò)尋找一種最優(yōu)的配合方式，使在任意故障發(fā)生時(shí)刻，所有參與的繼電器運(yùn)行時(shí)間總和最小，最小化所有繼電器在故障瞬間的總運(yùn)行時(shí)間，如公式（6）所示。

（6）

式中：Xi為權(quán)重因子；T為繼電器運(yùn)行時(shí)間。

在故障位置P，需要對(duì)繼電器的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化。在配電系統(tǒng)中，由于線路長(zhǎng)度相對(duì)較短且沿線負(fù)載分布較為均勻，故障可能發(fā)生在任何位置。因此，在權(quán)重因子計(jì)算中，不考慮特定位置[7]。系統(tǒng)中存在無(wú)條件變化的負(fù)載，這可能導(dǎo)致小干擾頻繁出現(xiàn)，從而引發(fā)繼電器在沒(méi)有實(shí)際故障的情況下動(dòng)作。為了解決這個(gè)問(wèn)題，繼電器必須在主繼電器預(yù)規(guī)定的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)等待，以準(zhǔn)確獲取故障狀態(tài)。當(dāng)考慮瞬態(tài)條件時(shí)，繼電器的工作時(shí)間限制的協(xié)調(diào)條件需要滿足公式（7）。

Ti-TP≥CI （7）

式中：CI為操作時(shí)間；Ti、TP為位置P處的繼電器可供操作邊界。

在電力自動(dòng)化過(guò)程中，為了確保備用繼電器的跳閘機(jī)制在主繼電器發(fā)生故障后適當(dāng)時(shí)間啟動(dòng)，需要設(shè)置協(xié)調(diào)時(shí)間間隔[8]。這個(gè)時(shí)間間隔應(yīng)確保主繼電器有足夠的時(shí)間進(jìn)行故障檢測(cè)和動(dòng)作，同時(shí)防止備用繼電器過(guò)早或過(guò)晚動(dòng)作導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定或設(shè)備損壞。

2 試驗(yàn)測(cè)試與分析

2.1 搭建試驗(yàn)環(huán)境

以某架空配電網(wǎng)為例，應(yīng)用本文提出的保護(hù)整定計(jì)算方案，通過(guò)試驗(yàn)分析各保護(hù)動(dòng)作的整定情況?，F(xiàn)以發(fā)生在保護(hù)段內(nèi)的故障為例，對(duì)其保護(hù)動(dòng)作特性進(jìn)行詳細(xì)分析。規(guī)定保護(hù)范圍主要覆蓋從配電線路母線起點(diǎn)開(kāi)始的1.3km的區(qū)間內(nèi)。在對(duì)電力自動(dòng)化繼電保護(hù)裝置進(jìn)行自動(dòng)整定過(guò)程中，選取了線路L1為母線，針對(duì)繼電保護(hù)裝置，如果電流定值被整定得較低，那么為了保持其性能，穩(wěn)定電阻的阻值需要相應(yīng)提高。然而，這種調(diào)整在內(nèi)部故障發(fā)生時(shí)會(huì)導(dǎo)致電壓升高。因此設(shè)置內(nèi)部故障。由于差動(dòng)電路兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)峰值電壓，因此在整定過(guò)程中需要綜合考慮電流定值及可能發(fā)生的內(nèi)部故障情況，通過(guò)本文方法進(jìn)行整定，并統(tǒng)計(jì)整理了對(duì)母線保護(hù)反時(shí)限動(dòng)作值具體數(shù)據(jù)。

2.2 結(jié)果與分析

通過(guò)本文方法進(jìn)行整定，以此來(lái)輸出整定后的信號(hào)，判斷本文整定方法是否有效。其整定前后的信號(hào)幅值變化如圖2所示。

由圖2中的結(jié)果可知，整定后的信號(hào)幅值穩(wěn)定地維持在0Hz的基準(zhǔn)線上下輕微波動(dòng)，這一結(jié)果不僅表明了整定方法的精確性，而且反映了其在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性。在整定前，母線保護(hù)系統(tǒng)面臨電流互感器飽和可能導(dǎo)致差動(dòng)繼電器誤動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)。然而，通過(guò)本文提出的整定方法，有效地限制了流入差動(dòng)繼電器的電流，防止了電流互感器在極端情況下的飽和現(xiàn)象，從而避免了因誤動(dòng)作而引發(fā)的系統(tǒng)不穩(wěn)定。該整定方法還能夠可靠地避開(kāi)由外部故障引起的最大不平衡電流，確保了繼電器兩端的最大電壓始終保持在預(yù)期的安全范圍內(nèi)。這種對(duì)電壓的精確控制，不僅提高了繼電器的響應(yīng)速度，也增強(qiáng)了其對(duì)故障的識(shí)別和處理能力。

在電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，由于系統(tǒng)運(yùn)行的特殊性，電力母線保護(hù)動(dòng)作受到嚴(yán)格的時(shí)間限制。在主變跳閘后，在整定母線保護(hù)過(guò)程中，需要計(jì)算反時(shí)限動(dòng)作定值，以判斷整定效果。設(shè)置合適的反時(shí)限動(dòng)作值為0.80～0.85，能夠使保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)快速跳閘，捕捉故障電流并隔離。設(shè)置6個(gè)小組，分析母線保護(hù)效果，具體見(jiàn)表1。

根據(jù)表1的試驗(yàn)結(jié)果分析可以清晰地觀察到，在考慮母線保護(hù)反時(shí)限動(dòng)作的獨(dú)特特性后，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的在線整定方法在實(shí)際應(yīng)用中展現(xiàn)出了顯著的效果。具體來(lái)說(shuō)，在模擬的故障場(chǎng)景中，6個(gè)測(cè)試小組的反時(shí)限動(dòng)作定值均穩(wěn)定地維持在0.80～0.83，這一結(jié)果不僅與預(yù)期目標(biāo)高度吻合，而且證明了該整定方法在實(shí)際操作中的精確性和可靠性。說(shuō)明本文提出的整定方法能夠精確地捕捉母線保護(hù)動(dòng)作的臨界點(diǎn)，確保了在故障發(fā)生的瞬間，保護(hù)裝置能夠在最短的時(shí)間內(nèi)作出反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)快速且可靠的動(dòng)作。這種迅速的響應(yīng)機(jī)制不僅有效地切除了故障源，防止了故障的進(jìn)一步蔓延，而且提高了電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性。并且該整定方法的實(shí)施還意味電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)者能夠在面對(duì)復(fù)雜多變的電力系統(tǒng)環(huán)境時(shí)，更從容不迫地進(jìn)行故障處理和系統(tǒng)恢復(fù)，從而最大限度地減少了故障對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行和用戶供電的影響。

綜上所述，通過(guò)運(yùn)用本文整定方法能夠進(jìn)一步提高母線保護(hù)動(dòng)作的可靠性，對(duì)定值啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行合理設(shè)置，形成對(duì)母線保護(hù)的距離保護(hù)。通過(guò)優(yōu)化這些保護(hù)參數(shù)的配置，提高其對(duì)不同類型保護(hù)動(dòng)作的處理能力，從而簡(jiǎn)化整定過(guò)程，滿足自動(dòng)化繼電保護(hù)在線整定方法的良好應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從整定方法入手，通過(guò)研究電力自動(dòng)化繼電保護(hù)相關(guān)問(wèn)題，探究了電力自動(dòng)化繼電保護(hù)在線整定方法。根據(jù)收集的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和保護(hù)配置，確定需要進(jìn)行整定的保護(hù)項(xiàng)。根據(jù)仿真校驗(yàn)的結(jié)果，判別繼電保護(hù)定值的正確性。在具體實(shí)施過(guò)程中，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)定值進(jìn)行調(diào)整，以滿足電力系統(tǒng)的運(yùn)行要求。但是方法中還存在不足，例如保護(hù)配置定值問(wèn)題。今后應(yīng)更完善計(jì)算，對(duì)電網(wǎng)中設(shè)備的繼電保護(hù)裝置進(jìn)行整定計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)需要修改的定值保護(hù)設(shè)備進(jìn)行掃描和自動(dòng)調(diào)整。

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