基于状态信息关联性的变电站继电保护实时检测方法研究

薛晨

（国网江苏省电力有限公司扬州供电分公司，江苏 扬州 225001）

随着国家大力推进智能电网的建设，智能变电站的数量逐年递增，智能变电站的运营维护工作也越来越重要。智能变电站的技术架构与传统变电站相比都发生了革命性的变化，但是在运营维护方面，智能变电站仍然采用了传统的定期检修模式[1-2]。一方面，定期检修需要将被检验的设备停电，再根据检验规程要求逐项对被检验设备进行功能与状态的检查，工作量巨大，耗费时间长，目的性差、有效性差；另一方面，智能变电站运行数据丰富，具备高度共享的属性，能够通过智能化设备对智能变电站的运行数据以及继电保护数据进行连续性检测，并能通过通信的方式实现数据的高度共享，这就为智能变电站继电保护的运用维护新方法的出现提供了数据基础，也为基于状态信息的智能变电站运营维护技术提供了研究方向[3-4]。本文充分利用了智能变电站运行数据高度共享的属性，对能够描述变电站继电保护状态的数据进行了细致梳理，并从中提取出数据之间的关联关系，由此提出了基于状态信息关联新的变电站继电保护实时检测方法。经过算例验证，本文所提出的方法能够有效检测出继电保护的异常状态[5-6]。

1 变电站继电保护状态信息

智能变电站继电保护系统主要由继电保护设备、智能终端、合并单元、过程层网络等构成[7]。继电保护是通过采集模拟量和数字量，再经过继电保护装置中的多个环节的运算后得到最终的动作数据和提示数据而实现的[8-9]。数据在继电保护系统的各个组成部分之间传输，每一项功能的实现都需要继电保护系统各个组成部分之间的相互配合，所以说继电保护系统各个组成部分的状态信息都可能会与整个继电保护系统的状态具有关联性。以继电保护系统的各个组成部分为基本单元进行研究，得到继电保护系统的状态信息如表1所示[10-11]。

表1 继电保护系统状态信息

2 变电站继电保护状态信息关联属性

每执行一次继电保护动作，都需要继电保护系统的各个组成部分进行数据传输、数据分析和相互配合。继电保护状态信息伴随着整个继电保护的动作过程，完成继电保护动作的各个环节的状态信息具有关联属性[12]，例如前一个环节的状态信息会影响后一个环节的状态信息，相同环节的状态信息一样等。如图1所示为继电保护系统状态信息之间的关联属性。梳理图中的关联属性，可以将这些关联属性划分为连锁属性、互斥属性、冗余属性、物理属性等四大类。

图1 继电保护系统状态信息之间的关联属性

连锁属性是指两个状态信息中的其中一个为A，另一个也对应为A。连锁属性的状态信息存在于实现继电保护动作必然引起的环节或同类型环节。连锁属性专门针对于数字量的状态信息，取值为“0”和“1”，主要是指继电器的通断和压板的投退。

互斥属性是指两个状态信息中的其中一个为A，另一个对应为～A，互斥属性专门针对于数字量的状态信息，取值为“0”和“1”，对于具有互斥关系的两个状态信息，其中一个为“1”，与其对应的必然为“0”。互斥关系在继电保护中主要是指断路器状态只能是“通”或“断”，不存在第三种状态；合闸继电器处于“合位”，分闸继电器必然处于“分位”。

冗余属性是指两个状态信息完全保持一致，冗余属性适用于数字量和模拟量，其中数字量的取值存在“0”和“1”之外的第三种状态，涉及到冗余属性的变量有电压、电流、温度、网络延时等，具有冗余属性的状态信息通常存在于二重化配置的继电保护系统或同信息源的模拟量和数字量中。

物理属性主要针对于模拟量，必须要满足基尔霍夫定律的约束，换而言之就是一次侧系统的模拟量必须满足跟电路结构相关的物理定律的约束关系。

3 基于状态信息关联性的继电保护检测策略

本文选取连锁属性和互斥属性对基于状态信息关联性的继电保护检测策略进行研究。

根据连锁属性的特点，如果两个具有连锁属性的状态信息出现了数据偏差，则可以得到结论，其中的一个状态信息出现了异常，具体的检测方式是通过构造异或逻辑来实现的，如果两个具有关联属性的状态信息经过异或运算后，其输出结果位1，则认定存在异常。

假设存在α 个数字量的状态信息m1（t），m（2t），L，m（αt）分别与β 个数字量的状态信息n（1t），n（2t），L，n（β）t存在关联属性关系。设定基准向量和比较向量为：

定义“异或”运算，当两个数字量不同时，异或运算结果为1，则存在：

如果矩阵ω（t）的第i行的全部元素都为1，则认定m（it）状态信息出现了异常；如果矩阵ω（t）的第j列的全部元素都为1，则认定n（jt）状态信息出现了异常；特别情况下，如果m（it）状态信息和n（jt）状态信息都出现异常如果矩阵ω（t）的第i行和第j列的全部元素除了ω（ijt）外全部为1。当出现多个状态信息异常时，通过查找矩阵中的非零元素就能够判定出是哪个状态信息出现了异常。

根据互斥属性的特点，如果两个具有互斥属性的状态信息不呈现互补，则可以得到结论，其中的一个状态信息出现了异常，具体的检测方式是通过构造同或逻辑来实现的，如果两个具有关联属性的状态信息经过异或运算后，其输出结果位1，则认定存在异常。

假设存在α个数字量的状态信息m1（t），m（2）t，L，m（α）t分别与β个数字量的状态信息n（1t），n（2）t，L，n（β）t存在互斥属性关系。设定基准向量和比较向量为：

定义“同或”运算，当两个数字量相同时，同或运算结果为1，则存在：

如果矩阵ω（t）的第i行的全部元素都为1，则认定m（it）状态信息出现了异常；如果矩阵ω（t）的第j列的全部元素都为1，则认定n（jt）状态信息出现了异常；特别情况下，如果m（it）状态信息和n（jt）状态信息都出现异常，则认定矩阵ω（t）的第i行和第j列的全部元素除了ω（ijt）外全部为1。当出现多个状态信息异常时，通过查找矩阵中的非零元素就能够判定出是哪个状态信息出现了异常。

4 算例分析

为了验证本文所提出方法的有效性，以智能变电站最小系统为研究对象进行分析，该系统包含了一个母联断路器间隔、一个变压器间隔、五个线路间隔以及智能终端、合并单元、继电保护设备等，其具体结构图如图2所示。

图2 智能变电站最小系统结构图

当k点发生接地故障时，保护1、保护2为内部故障，正常情况下，t1时刻保护1、保护2、保护5、保护6起动，t2时刻保护1、保护2动作，保护5、保护6返回。如果保护1、保护2不动作，则由保护5、保护6作为后备保护动作。

本文以保护6的起动异常为例，以保护6、保护2的状态信息为基准，得到t1时刻的基准状态向量，向量中各元素分别表示保护1和保护2的起动情况，起动为1，不起动为0；得到t1时刻的比较状态向量，向量中各元素分别表示保护5、保护6的起动情况，运算得到的矩阵第二行不为0，因此可以判断保护6的起动异常。

5 结论

为了充分利用智能变电站运行数据高度开放的特点，本文从继电保护系统基本组成出发对继电保护状态信息进行了深入研究，对各个状态信息之间的关联关系进行了深入分析，将继电保护装置采集到的实时数据进行逻辑运算，实现变电站继电保护的实时检测。算例分析表明，本文所提出的方法运算简单、结果可靠，在变电站一次侧设备处于运行状态下也能够实现继电保护检测，有效提高了继电保护的可靠性，减少了运营维护的工作量，大大提升了变电站的检修效率。