基于信息融合的广域后备保护算法

华亮亮，金雨薇，单凤军，郭见红，岳 颖

(1.国网 蒙东电力通辽供电公司，内蒙古 通辽 028000；2.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012)

基于信息融合的广域后备保护算法

华亮亮1，金雨薇2，单凤军2，郭见红1，岳 颖1

(1.国网 蒙东电力通辽供电公司，内蒙古 通辽 028000；2.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012)

为了提高广域后备保护的准确性和容错性，本文提出了一种广域后备保护故障母线判别算法。该算法利用保护范围内所有线路两侧IED采集的方向信息、距离Ⅱ段信息进行融合得到保护综合值。将保护综合值之间进行比较即可实现故障母线元件判断，在理论上分析了广域后备保护算法容错的位数。以IEEE14节点系统为例，取多组子系统的案例进行验证分析，结果表明该算法对保护拒动和误动有较高容错性，方法简单可靠。

广域后备保护；容错性；保护综合值；信息融合

近年，我国南方发生了严重的冰雪灾害[1]，致使电力设备损坏，通讯系统的瘫痪，造成了大停电事故。这种恶劣环境对电力系统的影响是多方面的，在极端环境下，电网运行工况的非预设性变化会导致降低电力系统的保护性能[2]。随着电力系统网络复杂性的提高，使大停电事故成为可能，这对现有的继电保护提出了更高的要求。

随着广域测量技术的发展以及通讯技术的普及化，为应对日益复杂的电网大停电带来后备保护困难和应对复杂运行工况能力差等特殊问题[3]，一种基于故障元件识别的广域后备保护算法受到了越来越多学者的关注[4-13]。

国内外学者对广域后备保护算法进行了大量的理论研究，把广域后备保护算法分为两种类型，一种基于电压电流的电气信息量进行故障元件识别[5-7]的算法，另一种是基于保护信息和断路器状态信息量进行故障元件识别[8-9]的算法。后者对设备改造少，容易实现。然而保护信息在传输采集过程中可能造成信息的丢失或采集错误，因此，这还要求广域后备保护算法有一定的容错能力。

文献[10-11]从信息融合的角度，提出了遗传算法并运用到广域后备保护中，首先建立适应度函数进行求解得到最优解，然后根据元件状态和保护信息的动作情况识别出故障元件，且提高了系统的容错能力。由于基于人工智能的信息融合算法难以保证其可靠性[12]，因此在实际工程中没有大量应用。

文献[13]利用保护范围内的信息进行融合，通过简单逻辑运算，利用线路关联系数推导出线路的保护关联矩阵，对线路故障进行识别。本文在此基础上，对保护范围内母线进行故障识别，采用较少的保护信息经过逻辑推理运算实现的信息融合算法，具有一定的容错能力。首先对保护区域进行划分，通过线路两侧IED采集的方向信息和距离Ⅱ段信息进行融合，根据母线保护综合值的判据对保护范围内故障母线进行快速的识别。在IEEE5机14节点系统中根据保护区域的划分，选择1个典型的子系统进行算例分析并验证其容错能力。结果分析得出该算法简单可靠，容错能力高，具有一定的实用性。

1 故障母线判别算法

1.1 算法的基本思路

本文首先利用智能电子装置IED采集的距离Ⅱ段保护信息和方向信息，将这两种信息进行融合在保护范围内，根据保护综合值能够对母线进行故障识别。而保护范围内母线故障是将距离Ⅱ段保护信息和方向信息进行融合，根据保护综合值即可进行故障识别。即使在信息丢失或者传输错误的情况下，由于这两种保护信息的融合，能够快速识别母线故障，提高了算法的准确性和容错性。

1.2 保护区域范围的划分

在每个IED中建立广域保护决策单元。每个IED采集的保护信息是距离Ⅱ段信息和方向信息。以图1所示为例说明保护范围的划分。图1中是以IED7为研究对象，其保护范围包括：IED7所在的线路L4和与L4相连的所有线路。如图1曲线概括的范围就是以IED7为研究对象的保护范围。

图1 简单系统图

1.3 母线保护综合值的确立

母线保护综合值用LB表示。综合值LB包括两个方面的内容：一是保护范围内所有线路两侧IED所采集方向信息确立的综合值F，另一个是与母线相连的线路远端IED所采集距离Ⅱ段保护信息确立的综合值J。

1.3.1 母线保护综合值F的确立

保护范围内所有线路两侧IED采集方向信息集合f之和构成了F值。

首先对线路方向信息集合f进行赋值如下：

(1)

式中：(1 -1)表示保护范围内线路两侧IED采集的方向信息的集合。当母线指向线路时，IED采集的方向信息为1，反之为-1，采集方向信息丢失为0。括号内前后数字分别表示远端和近端IED采集的方向信息。考虑到当母线发生故障，相连线路两侧IED采集方向信息集合为(1 -1)。即采集信息均正确时赋予f=1，即对母线的故障确定程度高。f=0.5则表示：母线故障时远端或者近端IED有一个采集方向信息丢失而另一个采集正确的情况下所赋的值，对母线故障的确认程度低。其他情况下有(-1 -1)、(1 1)、(-1 1)、(-1 0)、(0 1)、(0 0)这6种情况并赋予f为0。则母线保护综合值F：

(2)

式中：n为保护范围内线路的条数。这样的赋值方式即能够体现出母线故障对保护范围内线路两侧IED采集方向信息的影响，也能够体现出在不同的信息传输错误丢失对母线故障识别的确认程度。

1.3.2 母线保护综合值J的确立

保护范围内所有与母线相连线路远端IED采集的距离Ⅱ段信息j之和构成了J值。首先对距离Ⅱ段保护信息j进行赋值如下：

(3)

则母线保护综合值J为：

(4)

式中：m为与母线相连线路的个数。从而，保护范围内母线保护综合值LB为：

(5)

式(5)体现了母线综合值由方向信息和距离Ⅱ段信息的融合。

1.4 识别母线故障的判据

在保护范围内分别求出各个母线的保护综合值，若保护范围内母线Bi满足以下判据，则认为该母线发生故障。

LBi>LBk，i≠k ，

(6)

式中，LBk为保护范围内任意母线Bk的保护综合值。由图1的系统，可得一般的通式并分析判据的正确性。在保护范围内，假设B5母线故障可得如下通式：

(7)

式中：p为与母线B5相连线路的条数，q为与母线B4相连线路的条数。根据式(6)则母线B5发生故障，与假设一致。

1.5 母线故障容错性判别

在广域系统中，保护的采集信息量较大，在保护信息传输丢失和错误时，判据式(6)可识别出故障母线，且容错的位数是p，即在保护范围内在信息传输丢失或者错误为p个的情况下，仍能快速准确的识别故障母线。因此，容错的位数与故障母线相连线路的条数有关，与故障母线相连线路越多，系统内对保护信息的容错性越高，该算法简单可靠。

理论分析：式(1) 和式(3)对方向信息和距离Ⅱ段保护信息的赋值最高为1。当有1位保护信息丢失或错误时，保护范围内两条母线的保护综合值之差的绝对值可能缩小的值至多为1。当有p位保护信息丢失或错误时，保护范围内两条母线的保护综合值之差的绝对值可能缩小的值至多为p。在式(7)中，有p位保护信息丢失或错误时，在两条母线的保护综合值之差的绝对值缩小值为p，仍有LB5-LB4=1>0，因此保护范围内，该算法对母线的故障识别的容错位数为p位。

2 算例验证分析

取一组算例验证最不利的情况进行分析，最不利的情况包括有相连线路远端IED采集距离Ⅱ段保护信息发生错误或缺失，保护范围内与两条母线相连的线路两侧IED采集正反方向信息错误这两种情况。

图2 IEEE5机14节点系统图

图2是IEEE5机14节点系统图中IED33为研究对象的保护范围为例。假设母线B9发生故障。取最不利的信息f33、f34信息错误，j39、j33、j34、j29、j32、j17信息错误或丢失

1)取f33、f34信息错误和j39、j33信息错误，则：

LB9=(f39 f40)+(f29 f30)+(f32 f31)+(f17 f18) +j34+j29+j32+j17+(f34 f33)=1+1 +1+1 +1 +1+1+1+0=8

LB14=(f39 f40)+(f29 f30)+(f32 f31)+(f17 f18)+j39+j33+(f34 f33)=1+1+1+1+1+1+1=7

LB9- LB14=8-7=1>0，满足判据

2)取信息f33错误，信息j34、j29错误，信息j17丢失，则：

LB9=(f39 f40)+(f29 f30)+(f32 f31)+(f17 f18) +j34+j29+j32+j17+(f34 f33)=1+1+ 1+ 1+0 +0+1+0+0=5

LB14=(f39f40)+(f29 f30)+(f32 f31)+(f17 f18)+j39+j33+(f34 f33)=1+1+1+1+0+0+0=4

LB9-LB14=5-4=1>0，满足判据

3)信息j39、j33、j34、j29、j32丢失

LB9=(f39 f40)+(f29 f30)+(f32 f31)+(f17 f18) +j34+j29+j32+j17+(f34 f33)=1+1+1+ 1+ 0 +0+0+1+1=6

LB14=(f39 f40)+(f29 f30)+(f32 f31)+(f17 f18)+j39+j33+(f34 f33)=1+1+1+1+0+0+0=4

LB9-LB14=6-4=2>0，满足判据

图2中在最不利的情况下能允许保护范围的保护信息容错4位，其他情况更能满足容错4位。

3 结 语

本文提出一种基于多信息融合识别母线故障的广域后备保护算法。通过对保护范围内线路两侧IED采集的方向信息和距离Ⅱ段保护信息进行融合。融合的结果可得出母线的保护综合值，根据判据做故障识别。本文通过算例验证出在保护范围内出现任意p个保护信息错误时，仍旧能够正确识别故障母线。算法简单可靠，具有可行性。

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Wide Area Backup Protection Fault Bus Discrimination Algorithm

HUA Liang-liang1，JIN Yu-wei2，SHAN Feng-jun2，GUO Jian-hong1，YUE Ying1

(1.State Grid Tongliao Power Supply Company，Tongliao Inner Mohgolia 028000；2.Electrical Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

In order to improve the accuracy of wide area backup protection and fault tolerance.This paper proposes Wide area backup protection fault bus discrimination algorithm，IED is within the scope of protection of intelligent electronic devices，the protection of the collected information fusion can identify busbar faults.Within the scope of the algorithm is used to protect all the lines on both sides of the IED in the direction of the information collected，distance protection II period of information fusion are protected comprehensive value.The fault bus element can be judged by comparing the comprehensive value of protection，and the fault tolerance of the wide area backup protection algorithm is analyzed theoretically.IEEE14 node system，for example，take the case of multiple sets of subsystem validation analysis，the results show that the algorithm is to have high fault tolerance，refusing action and error action method is simple and reliable.

Wide area backup protection；Fault tolerance；Comprehensive value of protection；Information fusion

2016-07-22

华亮亮(1980-)，女，内蒙古通辽市人，国网蒙东电力通辽供电公司，高级工程师，主要研究方向：继电保护.

1005-2992(2016)06-0014-04

TM76

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