基于改进灰狼算法的智能变电站继电保护定值优化

南京五采智电电力科技有限公司 杨晓渝 国网天津市电力公司 马红祥

国网江苏省电力有限公司连云港供电分公司 高鹏飞 国网天津市电力公司城西供电分公司 沈 妍

基于“中继/备用站间故障信息智能传输”的特点，“中继/备用站间故障信息智能传输”更符合变电站的“故障信息智能传输”，智能变电站的新特点将全过程风险点带到继电保护中[1]。智能变电站发展是代表我国电网未来发展技术的一个趋势走向和技术方向，而建设智能变电站无疑是代表未来智能化电网走向重要科技组成部分。与目前传统智能变电站发展相比，智能变电站更具有计算机自动运行完成信息实时采集存储，与系统安全保护处理等多种基本的功能，以及实现自动监测控制、在线数据分析、决策自动化等各种先进应用功能系统的优点。

但是，为促使其稳定发展，其设备运行及可靠性水平，不应完全低于国内传统高压变电站，其维护运行和维护作业效率度，以及服务便利性都应明显高于中国传统变电站[2]。为显著提高继电保护设施运行管理的运行可靠性能，以及实现智能变电站设备运行与维护监控的综合有效性能运行方便性，一些专家学者深入研究论证了各种智能变电站设备继电性保护故障整定新方法，研究剖析了各类继电性能保护故障的内在故障机理问题和主要薄弱环节，提出了亟待突破解决研究的问题重点，希望可以利用现有智能变电站新技术优势和研究开发更灵活经济、方便实用的现场运行监控检查的方法，可以较大提高现场继电式保护运行的安全可靠性，与继电系统保护的运行性、操作维护管理的操作有效性以及管理方便性，但目前的方法并不完善[3]。

因此，将一种改进灰狼算法模型引入应用到智能变电站数据中心继电系统保护的设置及计算研究中，讨论出了一种改进后的灰狼算法模式，在智能变电站数据中心系统的设计应用，提出设计了一套基于一种改进灰狼算法模型的保护设置与计算优化平台架构，研究得出了在改进灰狼算法模式指导下，可行的一种继电系保护的设置及其优化研究方法，建立完善了一套继电保护的设置计算优化研究模型，基于并行遗传算法模型进行优化[4]。最后，通过分析实例表明，该算法能够有效满足保护设置中的灵敏度控制和选择性要求，进一步充分证明出了应用该方法时的技术优越性点和合理性。

1 基于改进的灰狼算法的智能变电站继电保护设置优化方法

1.1 智能变电站中继电保护信息的状态分类

智能变电站中的一些新技术内涵和结构特点，以及其对系统继电保护工作的直接影响，主要都体现在电气信息传输交互控制作用中[5]。信息的交互性失效也已开始成为可能导致继电保护性能失效恶化的另外一个更重要影响因素。为了系统描述各个影响继时电抗保护和信息交互保护故障，出现的各种原因事件之间错综复杂的数学逻辑关系，分析由各造成信息交互保护故障过程的各基本原因，所导致形成的一系列信息的交互保护故障过程，最终导致一系列继电保护的故障，基于故障树的分析研究方法，把生成信息的交互式保护失效程序中最根本的起因事件作为底层事件，将形成信息的交互护故障过程的其他直接起因，以及各间接的原因事件作为中间因事件，以继电保护故障中的顶因事件来建立继电保护故障模型。

继电器保护故障通常包括下述两种保护故障类型：信息交互保护不成功而导致失效的继电控制保护故障（T1）、因意外触发信息的交互失败导致损坏的继电控制器保护故障（T2）。前者包括至少两种主要故障类型：信息的交互关系通道故障（A1）和信息通道异常故障（A2），而后者则包括另外两种基本故障类型：不符合的信息的交互关系错误（A3）和异常的消息的处理错误（A4）。AI的失效原因为：b-b3，A2为C1，A3为b2b3，A4为b4b5，以 此类推。

由于继电保护装置存在隐藏故障，当电网故障时，可能触发保护装置隐藏故障，导致误操作或拒绝保护，导致停电面积扩大，严重时甚至电网断开。在这种多个电网部件同时发生故障的复杂故障情况下，很难在短时间内根据各种报警和故障信号进行分析和决策。特别是当报警或故障信号为错误或遗漏时，仅通过手动来分析和检测故障情况是极其困难的。

针对上述问题，本文首先提出了一种基于分析模型的隐藏故障检测方法，根据故障发生后收集到的信息，检测出可能存在隐藏故障的保护装置。在此基础上，提出了一种基于改进的灰狼算法的继电保护系统仿真方法，以检测故障前子系统运行模式剧烈变化条件下，保护设置和配置参数的适应性。确保保护始终能适应运行模式的变化，以免在意外运行模式时扩大故障范围，造成级联故障。

通过变电站在线状态监控装置的智能化实现，能够方便及时准确获取各变电站中，继配电安全保护控制装置运行的异常变化动态信息。但是，由于变电站继电器和保护控制装置数量过多，每个变电站保护控制装置信息异常多样，在电网可靠性监测分析处理过程中要面临处理的复杂数据量较大。通过对大量示例消息的分析整理归纳和研究的总结，当发现使用Markov方法进行计算可靠性时，较少的状态空间，提高了运算的可靠性。

1.2 智能变电站继电保护设定值的识别算法

设置计算云数据中心，基于模型数据拼接的先进技术，将全球电网内各级复杂分散的复杂电网模型数据，拼接成较为全面完整且清晰准确的全球电网数据模型，用于设置各级电网的计算。本文重点以距离保护的设置问题为范例，探讨了多变量、多目标、多约束条件中的全局优化问题。对于线路保护中的每隔一段，都会使用适合度公式来对进行判断。若适配度大，则解更优化以最大适应度为最优化设计目标，求解最优目标函数：

在ai,k，βi，εi，δi式中，F是适配值：用于可判定的时间保护的次数；恒定值：用于时间保护的I级防护所处的线路距离的限制权值：线路距离的间隙限制权、线路距离II时段保护的敏感限制权、线路距离II时段保护的选取约束权。这三个数值中的任何一个的数值都可以确定一个适合度公式的主要方向，其是一种临时称为f（1）的处罚功能。如果满足相应的处罚时间限制，则f（t）=1，否则，处罚的时间为t。第一个保护，与下属合作，有以下的限制：

为了较方便、准确快速地进行计算结构重要性，本文首先采用概率重要性性质法计算确定了结构的重要度为L。结构重要性系数的具体计算形式见下式：

其结构重要性系数、出现概率重要性系数、出现首次底事件的可能性、失效树下出现顶点事件的可能性，以及分别可以被用来指示出现顶点事件的可能性，或者表示不会出现的可能性。

若两个最小概率的切集间不存在绝对的排斥，则可以采用布尔代数的方法，通过不完全相交的布尔和进行运算，得到一个失败事件图的失败概率，并将两个最小的错误切集的总和转化为不一定完全的布尔和。如果在一个系统中，总存在一个最小的截断集，则这个系统中的最大截断集的总发生概率也可以表示为：

从以上的结果可以看出，对继电器失效的影响最小的是基本失效，一般都可以通过脱机比较（如离线比对虚拟连接关系），或利用在线过程和在线控制技术（诸如设备时间函数）实现修正或减少失效，因此，其对基本继电器设备失效的可能性几乎没有。直接导致继电器失效的一个基本因素就是没有对有关的线路进行及时的离线和在线的控制。

若测试方案不够完善，或实际使用情况与实际测试环境相差太大，则会导致系统间的信息交流与故障，进而导致继电器系统故障、故障、故障。为了更精确地描述系统的结构特征，建立了一个区间描述模型，并在此基础上，建立了一个由主系统组成的区间描述模型。如下式所示：

其中，D表示“总线”的数量（包括导电设备之间的“总线”，总线部分也是一个结点），M表示除了总线部分之外的空隙（包括变压器部分），并且各个部分可以从高到低编号。特别是在L模式中，正负元素只与限定的区间有关。在馈线间隔中，仅有一端可以与一次系统的其他部件直接相连，在模型图中，馈线间距中对应的一列中仅包含一个非O单位，而在每一列中，各列中至少包含两个非O单位，即在轴方向图上存在不对称的完整相关矩阵，用于描述当前基尔霍夫定律公式。假设存在一个与相邻交换机的总线节距ID设备端口之间的距离为M的相邻交换机端口，可以构成相应的矩阵来代表两个不同交换机端口的物理拓扑连接。

综上所述，假设电网中存在n个保护措施，则整个电网中的染色体编码基因数量为：

在方程中， S为被保护的输出线的数量，即输出数量一致的二进制比特。这样，从1号开始，就有一条完整的基因序列，直到 n被保护。本系统能够诊断出各防护系统之间的合作状况，并能检测出环形结构。在没有回路结构的情况下，根据设置原则，逐渐设置保护直到整个网络的设置。通过对离线继电保护实时状态信息的综合描述，可以实时、动态地分析、自动跟踪和实时监测离线保护的状态信息。通过这种方法，可以更好地实现对系统的在线运行和故障的实时跟踪和监控，从而使系统能够实时、实时地进行故障诊断、跟踪和故障隔离。

1.3 智能变电站继电保护的实现

在通过对变电站各继电器等保护检测装置的系统可靠性指标，进行了实时在线计算模拟后，采用最新改进设计的灰狼算法，对智能变电站里某一个继电器系统的工作可靠性指数进行分析计算。操作人员用于表示特定的组件或逻辑关系，而信号连接操作员用于表示特定的逻辑过程。截至目前，在继电保护可靠性的研究方面已经取得了一定成果。可靠性评价的主要方法有：故障树分析、蒙特卡罗仿真、最小路径集、可靠度块图、变量权矩阵、神经网络相关性、马尔可夫分析等。利用马尔可夫模型，利用状态转移概率，构造了一种新的保护装置状态概率模型。该技术与传统继电器保护的一个基本概念相吻合，因此在当前的继电器保护中，其应用越来越广泛，越来越多地被用于对继电器的可靠性进行分析和评价。以某变电站线路保护cscl01b装置故障为例，介绍了故障信号采集、通信系统故障、软件故障、功能硬件故障、电压测量故障、电压采集故障等故障。

2 结论

为切实提高智能变电站继电保护控制系统的现场运行安全可靠性，以及设备运行检查维护过程的操作有效性和维修方便性，建立了基于在线设备运行故障检查维护的在线继电保护系统故障模型，与现场继电保护故障描述模型，并着重对其他一系列的关键测控技术方法进行分析了研究。研究发展了一系列基于继电式保护失效模型的强弱链分析技术方法，给出了智能变电站的继电保护功能的几个关键点，有利于新型智能变电站设备的研发快速落地推广。

在此基础上，分析改进的灰狼算法在智能变电站数据计算中的应用特点，提出了一种基于改进的灰狼算法的设置计算平台架构。首先，分析了将改进后的灰狼算法与继电保护相结合的必要性。利用高精度遗传算法模型，以及强大高效的分布式数据处理系统效率优化，与高速并行的计算推理能力，将灰狼算法直接应用于继线电器保护整定及优化，建立出了一整套基于云模式计算的分布式继电系统保护整定及其优化数学模型，实例分析表明，所提出的云模式下继电保护整定优化算法，在继电保护整定计算中具有快速和优越性。