数字化变电站继电保护系统运行状态实时跟踪研究

赫嘉楠，栗磊，牛健，梁亚波，徐丽娟

(国网宁夏电力有限公司电力科学研究院， 宁夏， 银川 750001)

0 引言

数字化变电站继电保护系统是指当电网发生故障时能精准监测故障，并第一时间将故障报告发送给相关工作人员，使故障得以及时维修和切除，从而保证了电网工作的正常运行，减少损失[1]。由于目前电网发生故障的频率越来越高，故障程度越来越严重，所以确保数字化变电站的继电保护系统能够安全运行具有非常重要的作用。陈飞建等[2]研究了基于信息融合的智能变电站继电保护设备自动测试系统；徐长宝等[3]提出了基于信息趋势预测和组合赋权的智能变电站继电保护系统状态模糊综合评价方法。上述研究均可在一定程度上确保继电保护的安全性，为了进一步规避传统数字化变电站继电保护系统监测过程中出现的各种问题，使变电站继电保护系统运行更平稳、监测结果更准确、报告故障更及时，本文提出数字化变电站继电保护系统运行状态实时跟踪方法。

1 数字化变电站继电保护系统运行状态实时跟踪

1.1 基于运行状态关联关系的继电保护系统跟踪

1.1.1 基于连锁关系的继电保护系统运行状态跟踪

如果2个连锁关系的运行状态信息存在很大的偏差，就可以发现某一个状态信息出现了异常[4]，可采用建立异或逻辑的方式达到在线检测效果，如果连锁关系的状态信息不同，那么输出状态异常，即输出是1。

如果存在n个布尔量类型和m个布尔量类型的状态信息有连锁关系，那么具体表现为x1(t),x2(t),…,xn(t)和y1(t),y2(t),…,ym(t)，将y(t)=[y1(t),y2(t),…,ym(t)]和x(t)=[x1(t),x2(t),…,xn(t)]T分别定义成是基准和比较状态向量[5]。用⊕表示异或运算，如果布尔量a和b存在差异，则a⊕b=1成立，需要通过异或运算⊕实现，如式(1)：

x(t)⊕y(t)=[x1(t)x2(t) …xn(t)]T⊕[y1(t)y2(t) …ym(t)]=z1(t)

(1)

如果所得矩阵z1(t)的第i行和第j行列都是1，说明xi(t)和yj(t)的状态信息存在差异；若矩阵z1(t)的第i行和第j列除了zij(t)以外都是1，说明xi(t)和yj(t)都显示差异。矩阵z1(t)中非零出现的位置就可以判断哪个状态信息出现差异。

1.1.2 基于冗余关系的继电保护系统运行状态跟踪

(1) 布尔量类型冗余状态信息的在线跟踪

如果继电保护组成部分的n维状态向量用Xn×1(t)表示，那么n个布尔量类的状态信息x1(t),x2(t),…,xn(t)就是Xn×1(t)的各分量，同时也是继电保护的组成部分。Xn×1(t)的表达式为

Xn×1(t)=[x1(t)x2(t) …xn(t)]T

(2)

如果相同电力系统中X1,n×1和X2,n×1的各元素条件在理论上一致，说明X1,n×1和X2,n×1存在冗余关系，为了找出继电保护存在的差异，需要比较两个状态向量。

搜索Hn×1矩阵的非零元素可以相减两个状态向量，该过程需要在对比布尔量类型状态信息的条件下完成。判断哪个状态信息出现差异，需要搜索Hn×1中的非零元素来实现[6]。正常情况下非零元素个数显示0，反之不显示0；当X1,n×1或X2,n×1的第i个状态信息存在差异时，矩阵Hn×1的第i行元素就不显示0。

(2) 非布尔量类型冗余状态信息的在线跟踪

通过各状态信息的差别获取状态信息出现的差异可以通过式(3)表示：

(3)

式中，Δx(t)表示相对误差值，x3(t)和x4(t)表示存在冗余关系的两个非布尔量类型状态信息。计算各个状态信息的相对误差值，并且设置告警阈值[7]，如果收到告警信息，说明相对误差值达到了异常阈值。

1.2 基于故障录波信息的继电保护系统内部运行状态跟踪

当故障信息处理装置收到并存储继电保护系统和故障录波设备的信息时，说明继电保护系统的装置Q1、Q2出现问题。Q1、Q2是故障预警信息的来源[8]，根据故障信息编号，判定继电保护系统的装置是否存在问题。继电保护系统内部故障跟踪结构图如图1所示。

图1 内部故障跟踪结构

详细研究跟踪继电保护系统内部故障需要在故障录波装置平稳运行的前提下完成。图2为线性保护模型，其中用Q1、Q2、Q3描述继电保护系统线路中的保护装置。

图2 线性保护装置

假设Q点出现短路，且存在不同装置运行均正常，则故障录波装置的测量值的表达式为

j∈(1,2,3)

(4)

其中，方向函数H(f)通过系统故障点和待分析保护的相对位置获得，函数D(Qi,Qj)是通过待分析保护的测量信息间相对关系获得。故障录波装置在电路同一位置采集的电参数值和保护系统中的电参数值相同时，会确保保护系统正常工作。因此，故障录波装置的测量值就用Qi(if,uf)显示，保护系统继电保护装置的测量值和故障录波装置测量值具有差异性，会使测量元件存在误差，具体用ΔØR表示，如式(5)：

|Qr(if,uf)-Qi(if,uf)|=ΔØRi∈(1,2,3)

(5)

式中，Qr(if,uf)表示继电保护系统装置的测量值。

由于式(4)、式(5)表述的关系未产生，说明继电保护系统出现问题，因此利用式(5)提出的方法获取故障装置的编号。

通过分析继电保护系统的Q1、Q2测量电流数值P(if,uf)可知，H(f)的取值是1 ，D(Qi,Qj)的取值是0，说明Q1、Q2的电流方向一样。通过式(4)可以得到式(6)：

P1(if,uf)=P2(if,uf)

(6)

通过分析继电保护系统的Q2、Q3测量电流数值P(if,uf)可知，H(f)的取值是-1，D(Qi,Qj)的取值是Q2、Q3的阻抗差值OON。用式(4)可以得到式(7)：

P3(if,uf)=-P2(if,uf)+OON

(7)

通过跟踪数字化变电站继电保护系统信息传输环节以及核心保护环节中的继电保证装置运行状态可以发现数字化变电站继电保护系统继电保护装置是否有问题。

2 仿真实验分析

为了验证本文提出的数字化变电站继电保护系统运行状态实时跟踪方法在实际应用中的性能，本文以某地区的一个220 kV的数字化变电站继电保护系统为例，对数字化变电站继电保护系统运行状态跟踪效果进行测定。继电保护系统如图3所示。

图3 智能变电站继电保护系统

2.1 跟踪结果分析

由图3可知，当k点出现故障情况，继电保护系统中保护1、2产生内部故障；未产生故障情况下，t1、t2时间点分别开启保护1、2、5、6和1、2，同时在t2时间点保护5、6返回，保护5、6作为后备保护动作的前提是保护1、2拒动。

不同状态信息的关联关系见表1。

表1 不同状态信息的关联关系

通过分析保护2第一套智能终端采集的开关量异常状态，验证本文方法的跟踪优势。当k点出现故障时，非异常状况下保护2的状态为开启(t2)，断路器处在分位(t2+)。

通过以上内容可知，采用本文方法可有效跟踪到保护2第一套智能终端采集的开关量异常状态，可实现继电保护系统故障诊断。

2.2 有效性分析

为验证本文方法的优势，选取文献[2]提出的基于信息融合的跟踪方法和文献[3]提出的基于信息趋势预测和组合赋权的跟踪方法为对比方法。统计3种方法在不同时间段内跟踪到的继电保护系统的故障情况，结果如表2 所示。

表2 3种方法跟踪到的系统故障

由表2可知，本文方法可准确跟踪出全部故障次数。基于信息融合的跟踪方法，只有3次跟踪到的故障次数与实际故障发生次数相同，基于信息趋势预测和组合赋权的跟踪方法，只有在故障低频率发生时可以被跟踪到。由此可见，本文方法可以准确地跟踪到运行状态变化发生。

2.3 跟踪误差分析

统计上述实验的10次故障跟踪过程，3种方法的跟踪误差率与漏诊率结果如图4、图5所示。

图4 3种方法跟踪误差率对比

由图4可知，使用本文方法跟踪继电保护系统运行故障信息的误差率最小，2种对比方法的误差率均较大。

由图5可知，本文方法运行状态跟踪过程中漏诊率最低，且漏诊率变化较为平稳，证明本文方法对于变电站继电保护系统运行状态跟踪的漏诊状况少，精准率高。

图5 3种方法漏诊率对比

3 总结

以数字化变电站信息的开放与共享为基础研究数字化变电站继电保护系统运行状态跟踪方法，利用状态信息之间的关联关系和系统内部故障录波信息监测继电保护系统异常运行状态信息的同时，实现系统内部故障的有效诊断。实验分析某地区220 kV的数字化变电站继电保护系统的保护2第一套智能终端采集的开关量异常状态，验证了本文方法可有效跟踪到系统的异常，且跟踪性能较好，可在一定程度上确保数字化变电站安全、稳定运行。