考虑系统运行方式的继电保护在线智能校核

邓丰强，吕飞鹏，廖小君，张新峰，张向亮

（1.四川大学电气信息学院，成都 610065；2.四川电力职业技术学院，成都 610072）

考虑系统运行方式的继电保护在线智能校核

邓丰强1，吕飞鹏1，廖小君2，张新峰1，张向亮1

（1.四川大学电气信息学院，成都 610065；2.四川电力职业技术学院，成都 610072）

运行方式灵活多变的现代互联电网对继电保护的要求越来越高。根据电网继电保护定值整定和校核相似的特点，结合保护整定思路，提出了考虑系统运行方式的继电保护在线智能校核。首先，结合风险理论和连锁故障理论评估保护重要度，根据重要度由高到低的顺序在线校核保护定值；其次，对于不满足“4性”要求的保护定值，根据其运行方式集进行修订，而满足“4性”要求的保护定值则无需修订。实现了保护定值的在线智能校核，对提高电力系统的安全稳定运行有着重要的理论和现实意义。

在线智能校核；运行方式集；保护重要度；影响域；继电保护

继电保护装置是电力系统安全运行的保障。随着电力建设的快速发展，我国电网规模不断扩大，电网结构日益复杂，运行方式灵活多变。这些因素给传统的继电保护离线整定和校核带来巨大压力和挑战，同时也给电力系统的安全运行带来了很多问题[1]。文献[2，3]提出了继电保护在线校核的概念和核验方法，并探讨了在线校核的基本结构等；文献[4]开发了针对地区电网特点的保护定值智能校验系统；文献[5]提出了在线保护智能预警系统及校核原则，分析了自动校核的推理机制；文献[6，7]开发了适用于大电网的在线校核系统，并阐述了系统的组成和结构设计。

电力系统的运行方式是包括发电、输电和配电等在内的总体运行方案，是实现电力系统安全优质和经济运行的基本保障。随着电网规模的扩大和电网结构的日趋复杂，电力系统运行方式的选择变得越来越复杂。为获得合理的运行方式，文献[8]提出了以环网耦合指标为判据的运行方式组合方法，在一定程度上缩短了确定极端运行方式的时间；文献[9]根据复杂网络理论，用带权网络模型描述大型电力系统，提出了基于最短电气距离的运行方式组合方法。

本文提出了考虑系统运行方式的继电保护在线智能校核方法，将定值整定思想运用于定值校核，并按保护重要度由高到低的顺序进行在线校核，实现“该校核则校核，不必校核则不校核”的在线智能校核。

1 在线校核思想

在线校核，即利用能量管理系统EMS（energy management system）/数据采集与监制系统SCADA（supervisory controland data acquisition）采集的电力系统实时数据，判别在实时运行方式下的系统性能，包括保护的保护范围和选择性。一旦存在保护拒动或误动隐患，校核系统就会给出报警信息，提高系统运行的安全性。

1.1 保护重要度的提出

保护重要度在系统可靠性分析中尤为重要，其目的是辨识出对系统可靠运行有着重要影响的保护，从而有针对性地提高系统可靠性。

现有的校核方法平等地对待系统中的所有保护，随机或者顺序对保护进行选取和校核，直至所有保护校核完毕。在实际电网中，各继电保护的重要度有所不同，如果某保护在系统中处于重要位置，则该保护误动或者拒动会对系统的安全稳定运行产生较大影响。

根据各保护的重要程度从高到低进行选取，重要度高的保护优先进行校核，重要度低的保护次之，使校核更为合理。

1.2 保护重要度的评估

文献[10，11]通过建立相应的元件模型和物理过程模型，将风险理论应用于系统故障分析，进而评估系统重要保护。风险理论是在考虑系统不确定因素的基础上，将导致灾害的可能性及其严重度相结合的理论。风险指标计算公式为

式中：R为风险值；p为事件的发生概率；I为事件的产生后果。

本文从电源、电网、负荷、功角和综合等方面描述系统风险，即用电源孤立风险（RBI）、电网解列风险（RNB）、负荷孤立风险（RLI）和综合风险（RINT）来衡量系统风险指标。

（1）电源孤立风险。当某条线路发生短路故障触发保护装置误动或拒动时，发生发电机脱离系统的现象即为电源孤立。其概率为

式中：i为试验序号，i=1，…，N，N为故障数。若发生电源孤立则B（i）为1，否则为0。

电源孤立将造成系统相应的功率损失，进行标么化处理后，得

式中：PG（i）为第i次实验造成电源孤立的功率损失；PS为系统总功率。

由上可知，对于含有M条线路支路的系统，由第k处保护装置误动或拒动造成电源孤立的风险为

式中，p（i）为第i条线路发生故障的概率，可以通过历年的统计数据求得。

（2）电网解列风险。发生连锁故障时，线路的连锁跳闸可能引发电网解列。其概率为

若发生电网解列则S（i）为1，否则为0。

系统解列会造成整个系统容量的减小，进行标么化处理后为

式中，PN（i）为第i次实验发生电网解列的系统容量损失。

同理，对于含有M条线路支路的系统，第k处保护装置误动或拒动造成电网解列的风险为

（3）负荷孤立风险。某条线路发生短路故障触发保护装置的误动或发生拒动时，引发负荷脱离系统的现象即为负荷孤立。其概率为

若发生负荷孤立则L（i）为1，否则为0。

负荷孤立将造成系统相应的负荷损失，进行标么化处理后为

式中，PL（i）为第i次实验发生负荷孤立的负荷损失。

同理，对于含有M条线路支路的系统，第k处保护装置误动或拒动造成负荷孤立的风险为

（4）综合风险。综合风险反映连锁故障对整个电力系统的影响，本文综合以上3种风险，定义其加权和为系统的综合风险，即

式中，ωB、ωN和ωL分别为电源孤立风险、电网解列风险和负荷孤立风险的权重系数，且ωB+ωN+ωL＝1。

（5）保护重要度指标。把保护k不正确动作造成的各风险的加权和作为衡量该保护k重要与否的指标，即

保护k不正确动作对系统造成的风险越大，保护k的重要度指标越大，说明保护k越重要。

1.3 评估方法仿真验证

本文采用蒙特卡罗方法来模拟电力系统连锁故障，并以IEEE39节点测试系统为例对所提出的评估算法进行仿真验证，测试系统如图1所示。

图1 IEEE39节点测试系统Fig.1 IEEE 39-bus testsystem

仿真中假设线路发生短路的概率与各线路长度成正比来求取第i条线路发生故障的概率p（i）。

每条支路进行15 000次仿真，并假设系统中电源孤立、电网解列以及负荷孤立的权重系数分别取为0.5、0.3、0.2[15]。仿真得到各保护重要度指标，如表1所示。

由表1可以看出，保护43的重要度指标最大，处于同一条线路对端的保护42次之，这是因为保护43和42误动均会造成33和34号机脱离系统，因而影响相当，但二者拒动将造成不同后果，保护43拒动将切除33号机，保护42拒动将孤立母线16上的负荷，33号机的容量大于母线16上的负荷容量，即保护43拒动的后果较严重，所以其重要度指标较大。

表1 保护重要度指标Tab.1 Protection importance indicators ×10-4

2 运行方式集思想的提出

在电力系统的实际运行中，运行方式是不断变化的。传统的运行方式选择方法只计及少数有代表性的运行方式，过于简单，得到的定值往往过于保守，而考虑全网所有可能的运行方式又过于复杂，因为所有可能的运行方式过多，即使借助计算机的高速性能计算，在时间上也无法接受，这样便难以保证继电保护装置充分发挥其性能。因此，为了充分发挥继电保护的作用，改善保护装置的性能，必须合理地选择电力系统运行方式。

2.1 运行方式集定义

电力系统的运行方式是指在选取了合理的元件或元件组合的基础上，持续不间断地使系统完成发电、输配电和供电的过程，并且尽量使系统运行经济效益最大。实际上，运行方式的选择就是选出与保护所在线路关系密切的元件。

保护的运行方式集就是一个元件集合，集合里单个或多个元件组合发生运行方式的变化时，将形成对该保护最不利的运行方式。

2.2 运行方式集原理

根据实践经验，有些元件运行方式的改变对其他元件的影响很小，在整定和校核中可以不考虑，也就是说，电力系统运行方式的变化，只对继电保护系统中某个区域内的定值有较大影响，将受影响的区域称为影响域。因此，在运行方式变化时仅需对影响域内的元件或装置进行校核即可。

对于系统中的重要线路，本文通过确定影响域来校验其运行方式的变化对系统的性能和影响，提高校核的准确性并避免继电保护装置发生拒动或误动。

随着电网规模和结构的变化，在实际电力系统运行中，拓扑结构和参数变化方式多样化。元件的开断或厂站的投停等运行方式的变化均可以通过节点阻抗矩阵的变化来反映和表征。因为节点阻抗矩阵作为电力系统数学模型，可以完全表征整个电力网络及其属性。

通过运行方式改变时，短路点处阻抗矩阵自阻抗的变化量来判断元件影响程度，判据[13]为

式中：Zii为正常运行方式下短路点处的自阻抗；ΔZii为自阻抗变化量；α为阈值。

判别方法为：当k＞α时，表示该元件参与运行方式的组合，即投入或断开运行；当k＜α时，表示该元件运行方式的改变对其他元件影响并不大，不需要参与运行方式的组合。

2.3 运行方式集的建立

为了提高计算速度，必须适当选择计算网络的数学模型。本文提出采用节点阻抗矩阵模型，分析时可直接取有关节点进行运算，多次重复使用时计算速度快。

在电路理论中，节点方程为

显然，节点阻抗矩阵是一个n×n阶对称矩阵，其对角元Zii（i=1，2，…，n）称为自阻抗，在数值上等于节点i注入单位电流，其他节点都不注入电流时节点i的电压，即

节点阻抗矩阵的非对角元Zji（j=1，2，…，n；j≠i）称为互阻抗，在数值上等于节点i注入单位电流，其他节点都不注入电流时节点j的电压，即

虽然原则上可运用矩阵求逆的方法通过节点导纳矩阵得到节点阻抗矩阵，但实际上通常采用支路追加法形成节点阻抗矩阵。支路追加法的实质就是根据自阻抗和互阻抗的定义直接求节点阻抗矩阵。

电流变化由阻抗变化引起，阻抗矩阵中各相关元素对于电流变化的影响是不同的。因此，设法找到可以完全代表电流变化的元素，则电流变化程度的求取就变成阻抗变化的求取，而阻抗的变化过程可以直接从阻抗矩阵得知，过程较简单。

自阻抗是系统网络中一个很重要的量[14]。基于此，提出耦合关系用以描述保护所在元件与其他元件的关联程度，并用耦合度来衡量这种耦合关系的程度，即

式中，k表示耦合度，其值在0与1之间，值越大则耦合关系越强。其他元件的运行方式改变对保护所在线路或元件的影响也表示为

耦合度强的影响大，耦合度弱的影响小。

在选择运行方式时，先确定耦合度的限值，大于限值的则考虑其对应的运行方式；或者设定要考虑的运行方式总数，将运行方式按耦合度大小排列，依次选择运行方式。如此确定参与运行方式组合的元件其实是一元件集合A，集合内的元件对保护定值影响较大，需要考虑其运行方式的变化。此外，运行方式的组合需要遵循一定的原则，譬如整定保护所在端母线的相邻节点，无论所得耦合度大小如何，它必须进入集合A；某些元件是不允许停运的，所以即使其在集合A中，也不考虑其运行方式的变化，等等。

具体来说，形成运行方式集步骤如下：

步骤1分析并计算各元件与被保护元件耦合度的大小；

步骤2根据系统规模和网络情况，确定阀值α或数目限值N，得到运行方式集即元件集合A；

步骤3根据系统运行的要求修正元件集合A，确定最终合理的运行方式（集）。

需要注意的是，对于不同的系统，网络规模和结构有很大不同，其能允许的元件集合A的大小也就不同，所以阀值和限值的确定，要根据具体情况由专职人员确定。

3 在线智能校核实现

对保护的重要性进行评估，按重要度由高到低的顺序对保护进行在线预警和校核，对于提高保护的安全性和电力系统的运行可靠性等有着十分重要的意义。随着信息技术和网络技术的发展以及电力系统的日益数字化，在线校核早已具备外部条件。在线校核系统将实时校验电力系统中的保护定值，为运行人员或整定人员提供参考和依据，进一步提高电力系统的安全稳定运行。

3.1 实现构想

考虑到电网中，各保护的重要度有所不同，如果某保护在系统中处于重要位置，那么该保护误动或者拒动将对系统的安全稳定运行产生较大影响，而现有的校核方法平等地对待系统中的所有保护，随机或者顺序地对保护进行选取和校核，直至所有保护校核完毕。同时，鉴于整定和校核相似的思想，将运行方式集方法运用于保护定值的在线校核，即在确定好每个保护的元件集合后，将其集中组成运行方式组合库。因此，当系统中某个元件的运行状态发生变化或者某保护的定值不符合“4性”要求时，通过运行方式组合库便可以搜索到受其影响的保护（本文称为影响域），对这些保护的定值进行在线校验和修订，以适应当前新的运行方式，只需校验影响域内的保护定值，而不必校验所有保护定值，并且通过逐条原则校核后直接下载到保护装置，无需人工审核，使校核更加智能化。

3.2 在线智能校核实现流程

实现在线校核，就是要尽可能少地调整网络的原定值，同时修订新定值来满足定值的选择性和灵敏性等。即使不满足，也要尽可能少地修改原定值。

实现考虑系统运行方式的保护定值在线智能校核的流程如图2所示。

3.3 在线智能校核实现结构

根据以上所述，本文提出的考虑系统运行方式的继电保护在线智能校核实现结构如图3所示。

统一数据平台是系统的核心，集中处理所有数据，数据库设计的优劣将直接影响系统各项功能的实现和性能，图形系统和各分析应用程序中的数据调用和存储等均在其支持下完成。

在线智能校核系统与EMS/SCADA连接，负责读取实时运行数据，与系统中电网结构数据对应，形成相应的运行方式数据；在线保护定值校核时，为了给有关人员提供保护运行信息以便实时决策，校核结果也将发布到EMS/SCADA系统中。

图2 在线智能校核流程Fig.2 Flow chartofonline intelligentverification

图3 在线校核结构示意Fig.3 Sketchmap of online verification structure

4 结论

（1）在已有整定和校核的研究基础上，提出了考虑系统运行方式的继电保护在线智能校核，根据各保护的重要程度从高到低，重要度高的保护优先进行校核，重要度低的保护次位，同时，对于校核不符合“4性”要求的保护，根据其运行方式集进行修订影响域内保护定值，使校核更为合理，更加具有理论和现实意义。

（2）实现按保护重要度由高到低的顺序依次对各保护进行在线校核，避免了传统的随机或从前到后顺序校核带来的弊端；运用节点阻抗矩阵来确定运行方式集的方法既避免了传统运行方式选择的简单化，又避免了电流等计算的复杂化，实用而且操作简单。对电力系统的安全稳定运行和可靠性的提高有着十分重要的意义。

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Online Intelligent Verification of Relay Protection Considering System Operation M ode

DENGFeng-qiang1，LU¨Fei-peng1，LIAOXiao-jun2，ZHANGXin-feng1，ZHANGXiang-liang1
（1.Schoolof Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.Sichuan Electric Vocationaland TechnicalCollege，Chengdu 610072，China）

Modern interconnected power system with flexible operation modes has attracted high demands on relay protection.According to the similar characteristics of setting and checking of relay protection and combined with protection setting ideas，a study on online intelligent verification of relay protection considering operation mode is proposed.First，evaluate protection importance combined with risk theory and cascading failure theory，and check protection settings according to protection importance from high to low order online.Then，revise the protection settings notsatisfying the“fournatures”according to theiroperationmode sets，and do not revise the onesmeeting the requirementsof“fournatures”.Implementonline intelligentchecking isofgreatsignificance to improve the security and stability ofpower system.

online intelligent verification；set of operation mode；protection importance；influence domain；relay protection

TM77

A

1003-8930（2013）05-0071-06

邓丰强（1986—），男，硕士研究生，研究方向为电力系统继电保护。Email：cbdhxk1986@126.com

2011-11-21；

2011-12-19

吕飞鹏（1968—），男，博士，教授，研究方向为电力系统继电保护和故障信息处理智能系统。Email：fp.lu@tom.com

廖小君（1974—），男，硕士，副教授，研究方向为电力系统继电保护。Email：liaoxj_px@sina.com