基于模糊算法的继电保护风险评估方法

中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东电力试验研究院 夏明圣

现代电力系统运行以智能化、新技术、大容量、高电压为特点，随着工业发展和经济增长，运行效率不断提高。其主要表现为电网系统运行随着电网结构、电网组成以及地域分布的情况变化呈现出复杂多样化特征，在运行过程中可能出现多种运行状态与故障状态差异性与相似性。而电力市场的发展，在极大限度拓展市场交易的同时缩小了电力系统安全裕度，近年来大量新能源涌入市场同样加剧了随机性因素对电力系统的影响。鉴于继电保护对电网安全运行的重要性，提出基于模糊算法的继电保护风险评估方法。继电保护设备情况直接影响了电力系统运行的安全性与稳定性，继电保护失误经常会导致失电区域增加，也是导致电力系统发生故障的主要原因之一。继电保护状态评估主要通过采集继电保护设备实时数据、历史数据、家族性数据及巡视检修数据等，通过各项相关数据来判断继电保护设备运行状态，将其评估结果作为检修依据。

1 基于模糊算法的继电保护风险评估方法

1.1 继电模糊信息粒化处理

考虑到风险评估可能发生的不稳定因素，应将继电保护相关信息进行离散化处理，使处理后的数据形成多个信息粒[1]。依据信息粒的连续程度可分为离散信息粒和连续信息粒，以继电保护历史运行信息为基础进行风险评估。根据继电保护运行不同数据来源，设定误差范围为(e1～e2)，根据误差范围确定模糊信息粒扩散范围。将e1作为模糊数据量确定区域长度，将e1与e2之间的差作为模糊信息粒子扩散范围长度。

对整个设备系统风险量化评估时需选取量化参数，为此选取系统故障最为主要的外在表现严重度作为量化参数，同时确定整个继电保护参数[2]。结合具体针对风险严重程度提出一个较为合理的风险评估方法。对整个系统来说，保护误动及保护拒动都是故障风险评估中较为容易产生的。在实际运行过程中变压装置或电路功率超过一定额定功率时，设其潮流越限严重度为RP，一般情况下RP<0.9，在RP=1时则其潮流越限严重度为1，从而建立起相关计算模式为式（1）。

在潮流越限严重度约束下，位于母线节点电压一旦超出限制，电压越限将会对系统产生严重影响。计算过程中选取节点当前的额定电压作为参考值，将其比值作为量化考察指标[3]。根据相关规定限制，额定电压值查表不能超过电压表值的5%，因此设严重度零点为电压比值，其数值范围在0.95～1.05。对电压越限严重度做量化处理，由于电压越限值与选定偏差绝对值成正比例关系，得到电压越限严重度为式（2）。通过两公式计算结果得到电压越限严重度与潮流越限严重度，将其结果相加后得到整个系统严重度。

1.2 继电运行损失负荷

在风险指标中，负荷损失作为衡量继电保护事故严重程度的重要一环[4]。在风险评估过程中考虑到可能会出现由于动作保护使进线开断导致孤立负荷、所有出线开断导致孤立电源、系统解列为电气岛有功平衡而切除负荷以及潮流计算不收敛时调整系统有功率和无功率来寻找新的运行点，因此需要切除负荷。根据最优潮流方法求解，将其目标函数设为负荷最小，得到min ∑(P1-P2)，等式约束条件为P=Bθ，不等约束条件为0≤PR≤PRman、0≤QR≤QRman、0≤P1≤P1man、F1≤FR1≤F1man。其中，R1为负荷节点调整前输送功率值；R2为负荷节点调整后输送功率值；P 为节点有功注入向量；B 为电纳矩阵；θ 为母线电压相角向量；F1为线路调整后输送功率值。在继电保护风险评估过程中，实时分析系统状态，按照系统状态计算相应负荷损失[5]。

1.3 风险等级排序

根据继电运行损失负荷对电力系统多风险源作出排序，以确定继电保护设备差异化运维依据[6]。在不确定条件下对风险源作出排序，确定最优运行维护计划。以模糊极大集和模糊极小集为参照基准，以海明距离作为测量工具，定义模糊效用函数，取其函数结果均值作为模糊排序依据，解决多个模糊信息粒排序问题。设实数域有n 个模糊信息粒A1,A2,…,An，其模糊极大信息粒记为μmax，模糊极小信息粒为μmin，对于任意模糊集Ai,i=1,…,n，模糊效用函数为f1(Ai)与f2(Ai)，分别定义为式(3)和式(4)，据此模糊信息粒排序指标函数表达式为式(5)，根据公式对继电保护风险作出等级排序。

1.4 风险等级确定

从风险定义出发，考虑到影响继电保护风险因素、事故发生概率与损失等问题，采用模糊信息粒化方法量化风险事件，根据风险等级排序计算风险并制定差异化运维策略[7]。仅考虑继电保护故障给电网系统带来的风险，使设备失效率等于事故概率：p=ke-fs，其中，k 为比例参数；f 为曲率参数；s 为设备当前状态评分。根据相关标准，f 取值0.1958、s 取值8640。参考《中国南方电网有限责任公司电力事故事件调查规程》相关划分标准，其判断事故类型标准中事故类型与减供负荷量分别为：一般事故1000～2000、较大事故2000～2600、重大事故2600～6000、特大事故>6000、一级事件500～1000、二级事件300～500、三级事件100～300。据此计算事故分值：E=(P1+P2)/100，其中P1、P2为减供负荷区间临界值，E 为事故分值。

根据计算结果得到事故赋分结果为：一般事故15、较大事故23、重大事故43、特大事故80、一级事件7、二级事件4。将其与风险管控等级相联系，对其进行时间赋分结果划分：较大及以上事故31，一般事故15，一级事件7，二级、三级事件3，据此判断继电保护分值，从而判断其风险等级[8]。

2 对比实验

2.1 实验准备

设计仿真实验，验证基于模糊算法的继电保护风险评估方法的实际应用有效性。实验通过对比基于模糊算法的继电保护风险评估方法与传统继电保护风险评估方法在同一实验条件下的评估可靠性，分析两组方法区别。实验考虑到继电保护风险评估测试中信息孤岛问题、诊断数据利用率低以及故障测试与监控管理功能等相关问题，采用SJ9000状态检测及故障诊断系统。实验以某一企业电场与电网为实验对象，母线保护时主要采用差动保护装置单母线接线。线路保护装置、母线差动保护以及变压器保护装置共同构成了电网，在保护系统中共包含母线差动保护装置14套、线路保护装置17套、变压器保护装置3套。实验过程中，两组方法对各项设备运行过程中风险作出评估，为确保实验数据准确，每组随机选取10组实验数据，将其平均值作为实验结果数据，对两组方法评估结果可靠性。

2.2 实验结果分析

在实验环境下，使用基于模糊算法的继电保护风险评估方法与传统继电保护风险评估方法分别对实验对象运行状态作出风险评估，传统方法与模糊算法评估成功概率分别为：变压器保护4-7：0.896、0.963；变压器保护4-9：0.915、0.972；变压器保护5-6：0.864、0.921；线路保护1-2：0.903、0.983；线路保护1-5：0.883、0.976；线路保护2-3：0.964、0.983；线路保护2-4：0.915、0.991；线路保护3-4：0.972、0.989；母线保护1：0.934、0.983；母线保护2：0.998、0.997；母线保护3：0.897、0.993；母线保护4：0.907、0.912；母线保护5：0.943、0.998；母线保护6：0.942、0.984，根据上述结果对比两种方法风险因素评估。

根据上述结果，对比两种方法风险因素评估成果概率，在继电保护中最主要的变压保护、线路保护及母线保护三部分风险评估结果对比可看出，与传统风险评估方法相比，基于模糊算法的风险评估方法相对评估成功概率较高，能够更加准确对继电风险各项作出评估，提高继电保护安全性。

3 结语

继电保护可利用资源需要根据通讯技术的发展与应用，找到适应于电网规模与新兴技术发展的风险状态评估方法，因此提出基于模糊算法的继电保护风险评估方法。考虑到继电保护设计的不确定因素，其拒动或误动会带来较大安全影响。因此利用模糊算法评估继电保护风险从可靠性观点入手，分析、处理技术数据形成一个有机整体后，提出一种具有较强普适性的模糊结构数据处理方式，并提出继电保护原理失效双层概率，定量反映继电保护定值、保护特性及特定故障随机性，忽略在短期运行条件、保护率及等因素下对可靠性影响的不足，使各种失效模式对可靠性影响拥有统一定量表达形式，建立具备较强时效性的继电风险评估方法，为电力系统可靠性评估提供参考。