利用有限相量测量单元的故障识别与广域后备保护策略

徐兵，张岩，田方媛，文福拴,2，朱炳铨，徐立中

(1.浙江大学电气工程学院，杭州市310027；2.文莱科技大学电机与电子工程系，文莱斯里巴加湾 BE1410；3.国网浙江省电力公司，杭州市 310007)

利用有限相量测量单元的故障识别与广域后备保护策略

徐兵1，张岩1，田方媛1，文福拴1,2，朱炳铨3，徐立中3

(1.浙江大学电气工程学院，杭州市310027；2.文莱科技大学电机与电子工程系，文莱斯里巴加湾 BE1410；3.国网浙江省电力公司，杭州市 310007)

针对传统后备保护整定困难、动作延时长、配合关系复杂等问题，提出了一种利用有限相量测量单元的故障识别与广域后备保护策略。首先，根据相量测量单元的安装位置划分后备保护区域；在发生故障时，利用电气量信息确定故障设备所在的后备保护区域，以期快速缩小可疑故障设备范围。其次，提出一种基于解析模型的故障识别方法和广域后备保护策略。当主保护未能成功切除故障时，这种解析模型可综合利用主保护动作警报、断路器动作警报、后备保护启动信息和功率方向继电器指向信息，利用禁忌算法(tabu search，TS)求解最优故障假说，并通过解析保护和断路器的动作逻辑判断拒动装置。之后，根据不同的拒动情况提出相应的后备保护策略以防止故障扩大。最后，以IEEE 39节点系统为例，对所提出的方法做了验证。仿真结果表明，所提出的方法是可行的，具有较强的容错能力。

故障诊断；后备保护策略；相量测量单元(PMU)；后备保护区域(BPZ)；解析模型

0 引 言

现代电力系统规模不断扩大，网架结构趋于复杂，后备保护的配置与整定更加困难。大量电力系统运行实践表明，后备保护的不合理动作是导致事故发展和扩大的主要原因之一。传统的电力系统后备保护仅利用本地信息，信息来源比较单一[1-3]，存在配合关系复杂、动作延时较长、整定困难等问题。在过去的10多年间，随着广域测量系统(wide area measurement system，WAMS)的发展和应用，可以对处于电力系统各个位置的设备进行同步信息采集，为解决后备保护的上述问题提供了新的途径。

相量测量单元(phasor measurement unit，PMU)是WAMS的基本组成单元，可利用GPS时钟信号对其测量的节点电压、线路电流、功角和频率等状态量实现同步授时，并通过通信系统上传至调度中心。PMU具有更新频率快(可达几十ms)、量测信息丰富等优点，为改善电力系统动态监测[4-5]与状态估计[6-8]，实现基于广域信息的后备保护[9-11]等提供了新的思路和技术。近年来，在基于WAMS的后备保护方面已有相当多的研究工作报道。文献[12]利用输电线路两端电压故障分量的测量值与估算值的比值，提出了一种基于电压分布的广域后备保护算法。文献[13]利用分层、分阶段的广域信息，提出了一种基于序分量的集中式广域后备保护算法。不过，文献[12]所提出的方法要求全系统母线电压实时可测；文献[13]的方法则要求在系统的每条母线上必须配置PMU装置，且其通信同步性受线路两端相位差的影响较大。由于目前PMU设备的造价与维护成本较高，短期内无法实现全系统所有母线均配置PMU设备。因此，从实际情况出发，研究基于有限PMU布点的广域后备保护算法[14-15]具有非常重要的理论意义和应用价值。

在上述背景下，本文提出一种基于有限PMU的故障识别与广域后备保护策略。首先，根据PMU的安装位置将全系统分成若干个后备保护区域(backup protection zone，BPZ)。当系统发生故障时，利用基于电气量信息的故障区域识别判据确定故障所在的BPZ。若主保护将故障成功切除，则无须启动后备保护策略；反之，则说明存在主保护或者断路器拒动的情况，需要执行后备保护策略。将故障BPZ内部的所有设备列为可疑故障设备，基于主保护动作信息、后备保护启动信息、断路器跳闸信息和功率方向继电器指向信息建立故障诊断解析模型，利用禁忌算法 (tabu search，TS)[16]寻求最优故障假说，确定拒动的主保护和/或断路器。最后，根据主保护和/或断路器拒动的具体情况，启动相应的后备保护策略，以期快速切除故障，减小故障影响范围。最后，采用IEEE新英格兰10机39节点系统对所提出的方法进行验证。

1 后备保护策略整体设计

本文提出的基于有限PMU的故障识别与广域后备保护策略包括3部分，其整体架构如图1所示。

图1 基于有限PMU的故障识别与广域后备 保护策略整体架构Fig.1 Overall architecture of fault identification and wide-area backup protection strategy based on limited PMUs

第1部分：搜索故障所在BPZ。系统发生故障后，立即收集各个PMU设备所采集的支路电流信息，并利用故障区域识别判据判断各个BPZ的运行状况(详见2.2节)，确定故障所在的BPZ，缩小故障设备的查找范围。等待足够延时使主保护及其出口断路器完全能够完成相应动作后，再次利用该故障BPZ边界的PMU上传的电气量信息，判断故障是否成功切除。若该故障已经成功切除，则复归到起始状态；否则该BPZ内部必然存在拒动的主保护和/或断路器，继续执行后续策略。

第2部分：识别拒动的保护和/或断路器。根据所识别的故障BPZ生成可疑故障设备集，形成故障假说向量，基于相关的主保护动作警报、后备保护启动信号、断路器跳闸警报以及功率方向继电器指向信号，建立故障诊断解析模型，并用TS求解并确定故障设备、拒动的保护或断路器。

第3部分：出口后备保护指令。根据保护和/或

断路器拒动的具体情况，采用所发展的广域后备保护策略对相应的断路器发出跳闸指令，以快速隔离故障，最小化停电范围。

2 后备保护区域

现代电力系统的结构和互联趋于复杂，仅利用本地信息的传统后备保护逐渐无法满足安全性和速动性要求。本文所提出的基于有限PMU的分区故障识别与广域后备保护策略按照PMU在系统中的安装位置，将整个系统分成若干个后备保护区域。在故障发生时刻，能够利用所建立的故障区域识别判据将可疑故障设备的范围快速限定在有限的后备保护区域之内。当有保护和/或断路器拒动时，该判据还能快速确定发生拒动的后备保护区域。

2.1 后备保护区域的划分

(1)PMU的配置要求。PMU的发展为广域后备保护提供了硬件支持，可以实时测量所在布点的母线电压和支路电流。考虑到目前尚难以在全系统实现PMU全布点的实际情况，本文假设每条线路至少有一侧母线配置了PMU，且发电机出口母线节点必须配置PMU。若发电机出口母线节点上不配置PMU，则会造成个别BPZ内部包含1个或多个发电机，这会影响对故障BPZ的定位。

(2)BPZ的定义。BPZ[14]是根据系统中PMU的安装位置和网络结构来划分的，并以配置PMU的母线作为边界，由线路和母线构成的有限区域。用集合B={b1,b2,…,bnp}来表示局部电力系统中划分的BPZ，np为该局部系统分成的BPZ数量。将系统分成若干后备保护区域能够简化所需分析系统的结构，缩小可疑故障设备范围，提高故障设备及拒动保护和/或断路器的定位速度。

以图2所示IEEE 3机9节点测试系统为例，其中配置PMU的母线为B1、B2、B3、B5、B6和B8。该网络结构可用后备保护区域集合B={b1,b2,b3}表示。

图2 IEEE 3机9节点测试系统Fig.2 IEEE 3-unit 9-bus test system

2.2 故障区域识别判据

PMU可以实时监测测量点的节点电压、线路电流和功率等电气量，并通过其成熟的通讯功能，改善电力系统动态监测和状态估计，实现基于广域信息的后备保护等。所有BPZ都以配置PMU设备的母线作为边界，这样流入任意BPZ的线路电流及其边界母线电压均可实时量测，并作为判断该BPZ运行状况的数据来源。当某一BPZ内发生故障时，连接在该BPZ的线路上流入该区域的正序电流之和会比故障之前明显增加。据此可以在故障发生时快速确定故障设备所在的BPZ。规定电流的正方向为边界母线指向内部线路，如图3所示。

图3 发生故障的BPZFig.3 A faulted BPZ

(1)

(2)

根据上述原理，建立基于正序电流分量的故障区域识别判据，如式(3)所示：

(3)

采用该故障区域识别判据可以判断各个BPZ的运行情况。当后备保护区域bk内发生故障时，v应为1，否则应为0。

3 故障诊断解析模型

当确认某故障BPZ内存在保护和/或断路器拒动情况后，可针对此故障BPZ，生成可疑故障设备集D和故障假说向量H。基于收集到的主保护动作信息、后备保护启动信息、断路器跳闸信息以及功率方向继电器指向信息建立故障诊断解析模型(优化模型)。在解析模型中，利用目标函数E(H)来反映由故障假说推理计算得到的各种信息的期望状态与实际状态之间的差异程度，并用TS求解[16]；E(H)的值越小，故障假说H越可信。采用TS对解析模型进行求解，在目标函数达到最优值时，确定故障设备及发生拒动的保护和/或断路器。

3.1 故障假说

根据搜索得到的故障BPZ，获取该区域内部包含的设备及其配置的保护和断路器，并将相关集合表示为如下形式：

(1){s1，s2，…，sns}是位于该故障BPZ内的设备集合；

(2){r1，r2，…，rnr}是与该故障BPZ有关的主保护动作以及近后备和远后备保护启动信号的集合，其中主保护和近后备保护包括位于该BPZ内部的相应保护，而远后备保护则包括该BPZ及其相邻设备范围内的相应保护；

(3){c1，c2，…，cnc}是位于该故障BPZ内的断路器集合；

(4){d1，d2，…，dnd}是与该故障BPZ相关的功率方向继电器集合。

故障假说H描述如下：

H=[S，R，C，D]

(4)

其中：

S=[s1，s2，…，sns]，si=1或0分别表示该故障BPZ内第i个设备处于故障或正常状态；

R=[r1，r2，…，rnr]，ri=1表示第i个主保护动作或后备保护启动，ri=0则相反；

C=[c1，c2，…，cnc]，ci=1表示该故障BPZ内第i个断路器处于分闸状态，ci=0则表示其处于合闸状态；

D=[d1，d2，…，dnd]，di=1或0分别表示故障发生在第i个功率方向继电器的正方向或反方向。

故障假说H包含以下信息：(1)故障BPZ内设备的状态；(2)相关主保护和后备保护的状态；(3)断路器的状态；(4)相关功率方向继电器的状态。

3.2 目标函数

故障诊断解析模型的目标函数可用式(5)—(7)描述：

MinimizeE(H)=E1+E2

(5)

(6)

(7)

式(5)包括差异度指标E1和最小化指标E22部分，下面对这2部分做详细论述。

(1)差异度指标E1。E1反映保护、断路器、功率方向继电器的期望状态与实际状态之间、实际状态与警报状态之间的差异程度。包含以下4类信息。

1)拒动：主保护应动作但未动作以及后备保护应启动但未启动，或者断路器收到跳闸指令但未跳闸；

2)误动：主保护不应动作但动作以及后备保护不应启动但启动，或者断路器未收到跳闸指令但跳闸；

3)漏报：主保护动作、后备保护启动或者断路器跳闸之后，但未收到其相应的警报信息；

4)误报：主保护未动作、后备保护未启动或者断路器未跳闸，但收到其相应的警报信息。

αri、βri、γri和δri均为1依次表示主保护ri拒动、误动、漏报和误报，或者后备保护ri拒启动、误启动、漏报和误报；αri、βri、γri和δri均为0时则相反；类似地，用αcj、βcj、γcj和δcj以及αdk、βdk、γdk和δdk分别表示断路器cj和功率方向继电器dk的各类差异度。

αri、βri、γri和δri的逻辑计算表达式如式(8)，其中ri。、ri和ri*分别表示保护的警报状态、实际状态和期望状态，⊕表示逻辑加，⊗表示逻辑乘，-表示逻辑取反。

(8)

同理，αcj、βcj、γcj和δcj以及αdk、βdk、γdk和δdk也可采用类似方法计算。

因此，对于给定的故障假说H，可以通过上述逻辑计算来对主保护、断路器和功率方向继电器的动作特性以及后备保护的启动特性进行评价。

(2)最小化指标E2。电力系统的可靠性一般相当高，这样单个设备故障的概率要大于2个甚至多个设备同时故障的概率。因此，故障设备最小化指标E2在目标函数中的作用是：在警报差异度指标一样的情况下，故障设备总数越少，故障假说H的可信度越高。

3.3 期望状态的定义

本文所提出的基于有限PMU的故障识别与广域后备保护策略，产生效用的时间位于主保护及其出口断路器动作完成之后，在后备保护延时动作之前。因此，与现有的故障诊断解析模型[17-18]不同，这里所构造的模型不需要考虑动作延时较长的后备保护的动作信息，而是采用后备保护的启动信息。针对前述的故障假说H和目标函数E(H)，下面讨论保护、断路器和功率方向继电器的期望状态。

(1)主保护的期望状态。主保护动作逻辑为：如果主保护ri所保护的设备sk故障，则该主保护应动作。主保护ri的期望状态可表示为

(9)

(2)后备保护启动信号的期望状态。后备保护的主要作用是为主保护提供备用，在主保护没能成功跳开断路器的情况下，动作跳开断路器以切除故障。其启动信号的逻辑为：当后备保护ri保护范围内的设备sk故障时，则该后备保护应启动。用Z(ri)表示位于后备保护ri保护范围内的设备集合，sk∈Z(ri)。后备保护启动信号的期望状态可以表示为

(10)

(3)断路器的期望状态。断路器cj的保护ri动作并向该断路器发出跳闸命令时，cj应该动作。用D(cj)表示出口断路器cj的保护集合，ri∈D(cj)。断路器的期望状态可以表示为

(11)

(4)功率方向继电器的期望状态。当功率方向继电器di所在位置的反方向发生故障，且其指向该故障时，其期望状态为0；否则，在di的正方向发生故障时，di的期望状态为1。定义短路功率从母线指向线路为正方向。di的期望状态可以表示为

(12)

式中：SForward(di)和SBackward(di)分别为di所在位置正方向和反方向的故障设备集。

3.4 模型求解

在建立故障诊断解析模型(优化模型)之后，可采用TS算法求解。TS算法是一种限制性的局部搜索技术，适合于解决组合优化问题。TS算法的基本概念和流程参见文献[18]，这里不再赘述。采用TS算法求得最优时，即可得到最优故障假说，进而确定故障设备以及拒动的保护和/或断路器。

4 后备保护策略

前已述及，传统的电力系统后备保护仅利用本地信息，信息来源比较单一，且存在配合关系复杂、动作延时较长、整定比较困难等问题。本文所发展的基于有限PMU的故障识别与广域后备保护策略可以在主保护未能成功切除故障的情况下，利用基于电气量信息的故障区域识别判据快速定位故障所在的BPZ，并用TS算法求解基于所采集的状态量警报信息构建的故障诊断解析模型(优化模型)，识别故障设备与拒动的保护和/或断路器。根据保护和断路器拒动的具体情况，发出相应的后备保护指令。对于其中因保护拒动而未能触发断路器跳闸的情形，只需对相应的断路器发出跳闸指令即可；而对于因断路器自身因素而引起的拒动，则需对位于该拒动断路器周边的断路器发出跳闸指令。

基于前述每条线路至少有一端母线配置PMU的假设，所发展的广域后备保护策略可分为3种情况：(1)只含1条线路的BPZ；(2)含单母线的BPZ；(3)含双母线的BPZ。

4.1 只含1条线路的BPZ

如果某条线路两侧母线均配置了PMU，该线路和其两侧的母线便组成了一个最简单的BPZ，如图4所示。当线路L1发生故障时，与该线路相关的主保护、断路器和功率方向继电器将动作，相关的后备保护将启动。此时如果出现了主保护未能成功切除该故障的情况，则可以利用这些状态量信息建立故障诊断解析模型，并采用TS求解以识别故障设备和确定拒动的保护和/或断路器。例如，若线路L1主保护拒动引起其出口断路器未跳闸，则只需对该出口断路器发出跳闸指令即可切除故障；若断路器C1或C2拒动，则需对与该拒动断路器直接相邻的断路器发出跳闸指令以防止故障范围扩大。

图4 只含1条线路的BPZFig.4 A BPZ containing a single line

4.2 含单母线的BPZ

BPZ内部含有单母线的情况如图5所示，其中母线B3、B5和B6均安装了PMU。以故障分别发生在线路L2和母线B4上为例，2种故障将触发和启动不同的主保护和后备保护，并导致不同的断路器动作。此外，线路L2上母线B4侧功率方向继电器的指向也会不同。对比这2种故障情况下调度中心收到的状态量警报，可以发现有较大差别。这样，对于故障发生后主保护未成功切除故障的情形，可用TS求解所建立的故障诊断解析模型来确定故障设备，同时通过逻辑推理或计算识别拒动的保护和/或断路器。

图5 含单母线的BPZFig.5 A BPZ containing a single bus

对于母线B4主保护拒动引起的所有出口断路器未跳闸情形，只需对所有与母线B4主保护相关联的断路器发出跳闸指令即可切除故障；对于线路一侧主保护拒动而引起的其出口断路器未跳闸的情形，只需对拒动主保护的出口断路器发出跳闸指令即可切除故障；对于主保护正确动作而其出口断路器拒动的情形，则需对与该拒动断路器直接相邻的断路器发出跳闸指令来防止故障范围扩大。

4.3 含双母线的BPZ

BPZ内部含有双母线的情况如图6所示，其中母线B7、B8、B11和B12均安装了PMU。当这种含双母线的BPZ内部发生故障且主保护未能成功切除该故障时，可用TS求解所建立的故障诊断解析模型来确定故障设备，并立即跳开双母线B9和B10之间的母联断路器C10。进而可通过逻辑推理或计算来确定拒动的保护和/或断路器，并根据实际拒动情况发出相应的后备保护指令以切除故障。

图6 含双母线的BPZFig.6 A BPZ containing double buses

当这种BPZ内部发生保护和/或断路器拒动情况时，直接跳开母联断路器并不会扩大停电区域。相反，该策略可将含双母线的BPZ分解为2个含单母线的BPZ，在确定拒动的保护和/或断路器之前，减小无故障单母线BPZ中的故障电流，保护其中的设备。

5 算例分析

采用IEEE新英格兰10机39节点测试系统来说明所提出的基于有限PMU的故障识别与广域后备保护策略的基本特征。设置图7所示的故障场景，即线路L4-14、L26-29和母线B14同时发生三相金属性接地短路故障，且其中2个故障发生在一个较小区域，即1个BPZ之内，同时还存在保护误动和拒动、断路器拒动以及警报信息丢失等问题。依据前述的PMU配置要求，给定配置PMU的母线为图7所示虚线部分。

图7 IEEE新英格兰10机39节点测试系统Fig.7 IEEE New England 10-unit 39-bus test system

所安装的PMU将系统划分为23个BPZs。一旦接收到主保护的动作警报，就启动所发展的广域后备保护策略。利用基于电气量信息的故障区域识别判据遍历这23个BPZs的运行状况，初步确定故障位于图8所示的2个后备保护区域b1和b2内。等待足够使所有主保护及其出口断路器均完成动作并延时100 ms后，再次利用故障区域识别判据检验b1和b2的运行状况。此时，b2已成功排除故障，但b1内故障仍未解除，需要继续执行所发展的广域后备保护策略。b1由L4-14、B14、L13-14和L14-15这4个设备组成，因此可建立故障可疑设备集S={s1,s2,s3,s4}。相关保护、断路器和功率方向继电器的编码分别如表1、表2和表3所示，警报信息和诊断结果见表4。

表1 相关保护编码

Table 1 Encoding of related protective relays

注：L(4)-14表示位于线路L4-14上母线B4侧的保护；其余相同。

图8 候选的故障BPZsFig.8 Candidate faulted BPZs表2 相关断路器编码Table 2 Encoding of related circuit breakers

表3 相关功率方向继电器编码Table 3 Encoding of related power direction relays

诊断结果为线路L4-14、L26-29以及母线B14同时故障。与该诊断结果对应的各保护、断路器和功率方向继电器的状态也列于表4。详细诊断结果为：线路L4-14上母线B4侧主保护拒动，未能跳开断路器C(4)-14；线路L13-14上母线B13侧主保护误动导致断路器C(4)-14跳闸；母线B14主保护动作警报漏报；线路L3-4上母线B3侧的远后备保护未启动。故障诊断结果与所设置的故障场景相符。

表4 故障诊断结果

Table 4 Fault diagnosis results

注：X1/X2/X3表示实际状态、期望状态、警报状态分别为X1、X2、X3；“-”表示“不存在”或“不适用”。

诊断结果表明，后备保护区域b1内故障未被切除是由于线路L4-14上母线B4侧主保护拒动，导致断路器 C(4)-14未跳闸，因此解决方案为向断路器C(4)-14发出跳闸指令以切除故障。

6 结 论

针对传统后备保护存在的配合关系相当复杂、动作延时较长、整定比较困难，且可能导致事故扩大等问题，本文在故障诊断解析模型的基础上，利用有限PMU的信息构建后备保护策略。具体地，通过系统利用相关的主保护动作信息、后备保护启动信息、断路器变位信息和功率方向继电器指向信息，发展了一种基于有限PMU的故障识别与广域后备保护策略，能够在主保护或相应断路器未能正确动作切除故障的情况下，快速诊断故障设备，确定拒动的主保护和/或断路器，并发出相应的后备保护指令跳开相关断路器以切除故障。提出的广域后备保护策略所利用的信息具有较高的冗余度，动作延时较传统后备保护明显减小，并能够针对具体保护和/或断路器拒动情况发出相应动作指令。算例结果表明，所提出的方法能够处理多重故障、存在保护/断路器拒动或误动、警报信息畸变/丢失的复杂故障情况，且具有较高的容错性。

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徐立中 (1983)，男，博士，工程师，主要从事电力系统调度运行控制工作。

(编辑 张媛媛)

Fault Identification and Wide-Area Backup Protection Strategy Based on Limited Phasor Measurement Units

XU Bing1，ZHANG Yan1，TIAN Fangyuan1，WEN Fushuan1,2，ZHU Bingquan3，XU Lizhong3

(1. School of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;2. Department of Electrical and Electronic Engineering, Institut Teknologi Brunei, Bandar Seri Begawan BE1410, Brunei;3. State Grid Zhejiang Electric Power Corporation, Hangzhou 310007, China)

The traditional backup protection has some drawbacks, including difficult protection setting, long time delay and complicated coordination. Given this background, this paper proposes a fault identification and wide-area backup protection strategy based on limited phasor measurement units (PMUs). Firstly, the whole power network is divided into several backup protection zones (BPZs) based on the placement of PMUs. Once a fault occurs, the electrical quantities are utilized to identify the faulted BPZ, so as to quickly narrow down the scope of suspected fault sections. Then, we present fault identification method and wide-area backup protection strategy based on the analytical model. When the main protection fails to clear the fault, this analytical model can comprehensively use the alarm information of main protection, circuit breaker action alarm, backup protection startup information and power direction relays to point to the information, adopt tabu search (TS) algorithm to seek the optimal fault hypothesis, and determine the malfunction devices through analyzing the action logics of protection and circuit breaker. Based on the identified malfunctions, the corresponding backup protection strategy is initiated to prevent the fault from spreading. The simulation results show that the proposed method is feasible and has strong fault tolerance ability.

fault diagnosis; backup protection strategy; phasor measurement unit (PMU); backup protection zone (BPZ); analytical model

国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2015AA050202)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20120101110112)；国网浙江省电力公司科研项目(5211ZD13000R)；国家电网公司科技项目(52110115009Q)

TM 774

A

1000-7229(2016)02-0025-09

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.02.004

2015-12-29

徐兵(1992)，男，硕士研究生，从事电力系统故障诊断和系统恢复方面的研究工作；

张岩(1990)，男，博士研究生，从事电力系统故障诊断和系统恢复方面的研究工作；

田方媛(1992)，女，硕士研究生，主要从事电力系统故障诊断和系统恢复方面的研究工作；

文福拴(1965)，男，教授，博士生导师，本文通信作者，主要从事电力系统故障诊断与系统恢复、电力经济与电力市场、智能电网与电动汽车等方面的研究工作；

朱炳铨(1967)，男，高级工程师，主要从事电网调度运行管理工作；

Project supported by National High Technology Research and Development Program (863 Program) (2015AA050202)；Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (20120101110112)