考虑保护重要度的继电保护定值在线校核

邓丰强，吕飞鹏

（四川大学电气信息学院，成都 610065）

考虑保护重要度的继电保护定值在线校核

邓丰强，吕飞鹏

（四川大学电气信息学院，成都 610065）

现代互联电网运行方式灵活多变，对继电保护的要求越来越高。为了使继电保护定值校核和管理更加科学有效，提出了考虑保护重要度的继电保护定值在线校核。首先将风险评估理论和电网连锁故障风险相结合，得出系统综合风险并将其用于衡量各保护的重要度；然后根据重要度从高到低的顺序对所有保护定值进行在线校核。通过IEEE39节点系统的仿真和算法复杂度的分析，验证了该方法的可行性和正确性，避免了传统随机校核各保护定值带来的不足，对提高电力系统的安全稳定运行有着重要意义。

在线校核；保护重要度；继电保护；蒙特卡罗法；算法复杂度

继电保护装置是电力系统最重要的二次设备之一，同时也是电力系统安全运行的保障。国内外多次实例证明，停电范围较广的大型电力系统事故，大多直接或间接地与继电保护装置的不正确动作有关[1-2]。因此，为及时发现并校正不合理的继电保护定值，提高继电保护运行管理水平，众多学者对其做了研究。文献[3]提出了继电保护在线校核的概念和核验方法，并初步探讨了在线校核的基本结构等问题；文献[4]开发了针对地区电网特点并适用于地区电网的保护定值智能校验系统；文献[5]提出并开发了基于能量管理系统EMS（energy management system）/调度员培训模拟器DTS （dispatcher training simulator）在线保护智能预警系统，并已在线应用于某省级电网；文献[6-8]提出了基于地区电网的继电保护整定值校核与风险评估系统，同时明确了校核“四性”概念；文献[9-11]从不同角度阐述了在线校核系统的组成和结构设计。

考虑电网中各继电保护的重要度有所不同，即如果某保护在系统中处于重要位置，则该保护误动或者拒动会对系统安全稳定运行产生较大影响，而现有校核方法平等地对待系统中的所有保护，随机或者顺序对保护进行选取和校核，直至所有保护校核完毕。因此，本文在诸多学者已有的整定和校核研究基础上，提出了考虑保护重要度的继电保护定值在线校核，该方法根据各保护的重要程度从高到低进行选取，重要度高的保护先进行校核，重要度低的保护稍后校核，这样使得校核更为合理，更加具有理论和实际意义。

1 在线校核概述

在线校核就是根据能量管理系统EMS/数据采集与监控系统SCADA（supervisory control and data acquisition）对电力系统采集的实时数据（包括系统拓扑结构、运行方式、保护配置定值等），实时判别系统所有保护的性能，校核当前运行方式下的各保护性能，为系统电能调度的实现和系统运行方式的制定提供支持，提高系统运行的安全性。

和整定围绕继电保护“四性”类似，在线校核也围绕可靠性、速动性、灵敏性和选择性展开。其中，可靠性校核侧重于校验保护的配置健全与否；速动性校核侧重于当前方式下继电保护速动段的保护范围达到规程要求与否；灵敏性校验主要校验当前方式下保护范围内部故障时保护能够可靠动作与否；选择性校核主要对当前方式下保护范围外部故障时保护范围可靠不动作进行校验。随着信息技术和网络技术的不断发展和电力系统的数字化，在线校核系统的研制早已具备外部条件，在线校核系统将实时校验电力系统中的保护定值，为运行人员或整定人员提供参考依据，进一步提高电力系统的安全稳定运行。

目前，继电保护装置定值和各项性能指标在系统运行中是保持不变的，是在离线状态下根据系统最大和最小运行方式获得和确定。但在实际运行中，运行方式是不断变化的，当系统处于某些特殊状态时，系统中部分保护的定值可能不符合灵敏度和选择性要求，有保护误动隐患，若不能及时发现并调整，可能造成大范围停电事故。为了电力系统安全保障体系可靠性进一步提高，有必要对继电保护定值依重要度顺序实行在线校核。

2 保护重要度的评估与验证

考虑到在电网中，各继电保护的重要度有所不同。若某保护在系统中处于重要位置，则该保护误动会对系统安全稳定运行产生较大影响，而现有的校核方法平等地对待系统中的所有保护，随机或顺序地选取保护进行校核，直至所有保护校核完毕，在校核过程中并未考虑各保护重要度的差异，这样会影响保护的校核效果。例如，在随机或顺序选取保护进行校核的过程中，重要度较低的保护可能较重要度较高的保护先进行校核，若这两个保护都不满足当前运行方式下的“四性”要求，而重要度较低的保护先发出安全警告、先调整定值，在这短暂的时间内，重要度较高的保护误动对系统安全稳定运行产生的影响相对较大。因此，本文提出保护重要度方法。

2.1 保护重要度概述

保护重要度在系统可靠性分析中尤为重要，其目的是辨识出对系统可靠运行有着重要影响的重要保护，从而针对性地、以较低代价提高系统可靠性。对保护重要性评估，以便从重要性由高到低的顺序对保护进行在线预警和校核，这对提高保护的安全性和电力系统的可靠性以及降低大规模停电事故的发生概率有着十分重要的意义。

2.2 连锁故障风险

连锁故障是一种概率较低但后果严重的事故，它是由系统中某一元件故障引起一系列其它元件停运的连锁反应。风险理论是在考虑系统不确定因素基础上，将导致灾害的可能性和其严重度相结合的理论。风险指标计算公式为

式中：R为风险值；P为事件的发生概率；I为事件的产生后果。

2.3 电网连锁故障风险指标

连锁故障是一个逐步发展的慢过程，电力系统发生连锁故障，最终将产生电源脱离、电网解列、功角失稳、负荷切除等严重后果，导致大规模停电事故。可见，电源、电网、功角、负荷4个方面反映了电力系统连锁故障造成的相应风险。以下以线路短路故障为系统不确定因素，结合线路故障引起连锁故障的可能性和严重度后果，分别从电源、电网、功角和负荷4个方面定义和建立电网连锁故障风险指标[12-13]，综合这4个方面的指标得到保护装置不正确动作引起的系统综合风险。

（1）电源孤立风险。当某条线路发生短路故障触发保护装置误动或发生拒动时，可能发生发电机脱离系统的严重后果，称为电源孤立。其概率为

式中：PBI为电源孤立的概率；i为试验序号，i＝1，…，N，N为故障数；若发生电源孤立则B（i）为1，否则为0。

电源孤立将造成系统相应的功率损失，为进行比较，对该功率损失进行标么化处理，得电源孤立的后果为

式中：IBI为电源孤立的后果；PG（i）为第i次试验造成电源孤立的功率损失；PS为系统总功率。

根据风险的定义，电源孤立的风险为

对于含有M条线路支路的系统，由第k处保护装置误动或拒动造成电源孤立的风险为

式中：P（i）为第i条线路发生故障的概率，可以通过历年的统计数据求得。

（2）电网解列风险。电力系统发生连锁故障时，线路的连锁跳闸可能发生电网解列，称为电网解列。其概率为

式中：PNB为电网解列的概率；i为试验序号，i=1，…，N，N为故障数；若发生电网解列则S（i）为1，否则为0。

系统解列会造成整个系统容量的减小，进行标么化处理后，电网解列的后果INB为

式中：INB为电网解列的后果；PN（i）为第i次试验发生电网解列的系统容量损失；PS为系统总容量。

根据风险的定义，发生电网解列的风险为

对于含有M条线路支路的系统，由第k处保护装置误动或拒动造成电网解列的风险为

（3）功角失稳风险。当某条线路发生短路故障触发保护装置误动或拒动时，可能发生系统暂态功角失去稳定的后果，称功角失稳。其概率为

式中：PUS为功角失稳的概率；i为试验序号，i=1，…，N，N为故障数；若发生负荷孤立则U（i）为1，否则为0。

功角失稳将造成系统相应的功率损失，为便于比较，进行标么化处理，功角失稳的后果为

式中：IUS为功角失稳的后果；PU（i）为第i次试验发生功角失稳的功率损失；PS为系统总容量。

根据风险的定义，功角失稳的风险为

对于含有M条线路支路的系统，由第k处保护装置误动或拒动造成功角失稳的风险为

（4）负荷孤立风险。当某条线路发生短路故障触发保护装置的误动或拒动时，可能发生负荷脱离系统的严重后果，称为负荷孤立。其概率为

式中：PLI为负荷孤立的概率；i为试验序号，i=1，…，N，N为故障数；若发生负荷孤立则L（i）为1，否则为0。

负荷孤立将造成系统相应的负荷损失，为便于比较，进行标么化处理，负荷孤立的后果为

式中：ILI为负荷孤立的后果；PL（i）为第i次试验发生负荷孤立的负荷损失；PS为系统总容量。

根据风险的定义，负荷孤立的风险为

对于含有M条线路支路的系统，由第k处保护装置误动或拒动造成负荷孤立的风险为

（5）综合风险。综合风险反映连锁故障对整个电力系统的影响，本文综合考虑以上4种风险，定义其加权和即为系统的综合风险，即

式中：ωB、ωN、ωU和ωL分别为电源孤立风险、电网解列风险、功角失稳风险和负荷孤立风险的权重系数，且ωB+ωN+ωU+ωL＝1。

2.4 保护重要度指标

把保护k不正确动作造成的电源孤立风险、电网解列风险、功角失稳风险以及负荷孤立风险的加权和作为衡量一个保护k重要与否的指标，即保护k的重要度指标定义为

保护k不正确动作对系统造成的风险越大，保护k的重要度指标越大，说明保护k越重要。

3 算法实现与分析

3.1 仿真流程

本文采用蒙特卡罗方法来模拟电力系统连锁故障[14]。首先随机选取触发事件，形成准误动集，通过潮流计算确定其误动概率，根据对误动概率的分析确定误动的保护装置并将其触发；若该误动导致电源孤立、电网解列、功角失稳及负荷孤立等故障，则记录故障路径并重新开始新一次的模拟仿真，否则继续仿真直至算法收敛或达到设置的最大次数。整个仿真过程结束后，可计算电源孤立、电网解列、功角失稳及负荷孤立的概率，进而得到系统综合风险及保护重要度。蒙特卡罗法仿真的基本流程如图1所示。

图1 蒙特卡罗方法流程图Fig.1Flowchart of Monte Carlo method

3.2 算例分析

为了验证上述方法的正确性及可行性，本文应用MATLAB语言，并以IEEE39节点测试系统为例对所提出的算法进行仿真验证。

IEEE39节点系统共有39个节点，其中包括10个发电机节点和19个负荷节点，其节点测试系统如图2所示。

图2 IEEE39节点测试系统图Fig.2Test diagram of IEEE 39-bus system

在仿真中假设线路发生短路的概率与各条线路的长度成正比，由此求取得到第i条线路发生故障的概率P（i）。

每条支路进行15 000次仿真验证，假设在系统中电源孤立、电网解列、功角失稳及负荷孤立处于同等重要的地位，即令ωB=ωN=ωU=ωL=1/4。

采用文献[15]方法仿真得到各支路风险指标和各保护重要度指标结果分别如表1和表2所示（由于篇幅限制，本文均只列举排在前面的10处；表2中加粗数字为线路保护近端母线编号）。

表1 支路风险指标Tab.1Branch risk indicators

表2 保护重要度指标Tab.2Protection importance indicators

从表1可以看出，因为与第21支路相邻的有支路19-20、支路15-16和支路16-17，如图2所示，故其故障造成的综合风险最大。从表2可以看出，重要度指标最大的是保护43，而处在同一条线路对端的保护42次之，这是由于保护43和保护42误动均会造成33号机和34号机脱离系统；但保护43拒动会切除33号机，而保护42拒动会孤立16母线上的负荷，即保护43拒动和保护42拒动造成的后果不同，而33号机的容量大于16母线上的负荷容量。

3.3 算法综合分析

同一个问题可以用不同的算法去实现和解决，然而一个算法的优劣将直接影响到算法乃至整个系统的效率。算法分析的目的就是要选择合适的算法。由以上算法仿真和算例分析可知本文算法的可行性，鉴于研究和应用人员对继电保护定值在线校核算法的计算量和运算时间十分关心，因此有必要对其做相应分析。

一般用算法复杂度来衡量一个算法的合理性，而对算法复杂度的评价主要考虑时间复杂度和空间复杂度两个方面。

（1）时间复杂度。一个算法所花费的时间正比于算法中语句的执行次数，语句执行次数越多，花费的时间就越多。算法中语句执行次数称为时间频度，记为T（n）。算法中基本操作的重复执行次数一般是问题规模n的某个函数，用T（n）表示，设辅助函数f（n）在n趋于无穷大时，T（n）/f（n）趋于非零常数，则f（n）与T（n）为同数量级函数，记T（n）= O（f（n）），称O（f（n））为算法的渐进时间复杂度，简称时间复杂度。

（2）空间复杂度。算法执行时所需计算机存储空间的度量称为空间复杂度。

由各风险指标和保护重要度指标以及算例分析过程显知本算法递归和嵌套循环极少，因而时间复杂度不高；本文所考虑的故障风险均是基于损失的有功功率所占比率来评估的，与其它同类算法相比，原理更为简单，易于实现，加之现今计算机硬件的日益廉价，因而空间复杂度不足为虑。

4 在线校核实现

4.1 在线校核实现结构

根据以上所述，本文考虑保护重要度的继电保护定值在线校核实现结构示意如图3所示。

在线定值校核时，数据来自EMS/SCADA系统，为给调度人员提供保护运行信息以便实时决策，校核结果将发布到EMS/SCADA系统中。

图3 在线校核结构示意图Fig.3Diagram of on-line verification

4.2 在线定值校核流程

实现在线校核，就是要尽可能少调整网络原定值，同时修订新定值来满足定值选择性、灵敏性等；即使不能满足，也要尽可能少地修改原定值。

定值在线校核过程中，先选定校核范围，随即根据算法所得重要度顺序对各保护进行依次校核。校核流程如图4所示。

图4 在线定值校核流程Fig.4Flowchart of on-line setting verification

5 结语

针对具体保护，将保护不正确动作造成的风险作为保护重要度的评估指标，反映保护不正确动作对系统综合风险的参与或贡献程度，由此本文提出了基于保护重要度的继电保护在线校核，其定义的风险指标有电源孤立风险、电网解列风险、功角失稳风险和负荷孤立风险，意义明确清晰，使用蒙特卡罗方法仿真，原理简单，便于理解，易于在现实中推广运用。

此外，通过对仿真结果的比较，可以方便地找出系统综合风险最大，即重要度最大的继电保护装置，进而确定系统薄弱环节、实现按保护重要度由高到低的顺序依次对各保护进行在线校核，避免了传统的随机或从前到后顺序校核各保护带来的弊端，对提高电力系统的安全稳定运行和可靠性有着十分重要的意义。

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On-line Verification of Relay Protection Setting Considering Protection Importance

DENG Feng-qiang，LÜ Fei-peng
（College of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

The operation mode of modern interconnected power grid is very flexible，which requires high level of relay protection.To make the verification and management of relay protection setting more scientific and effective，an online verification of relay protection setting considering protection importance is presented.First，obtain system comprehensive risk（combining risk assessment theory with grid cascading failure risks）and use it to measure the importance of all protections.Then，verify protection settings online in order of protection importance from high to low.The simulation of IEEE39-bus system and the analysis of the algorithm complexity prove the method feasible and correct，which not only avoids the shortage of traditionally random setting check，but also has great significance to improve the security and stability of power system.

on-line verification；protection importance；relay protection；Monte Carlo method；algorithm complexity

TM77

A

1003-8930（2013）04-0085-06

邓丰强（1986—），男，硕士研究生，研究方向为电力系统继电保护。Email：cbdhxk1986@126.com

2011-10-17；

2011-11-23

吕飞鹏（1968—），男，博士，教授，研究方向为电力系统继电保护和故障信息处理智能系统。Email：fp.lu@tom.com