基于多信息融合的广域继电保护新算法1

第３５卷第９期２０１１年５月１０日

电力系统自动化

ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃ

ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ

Ｖ０１．３５Ｎｏ．９

Ｍａｙ１０，２０１１

基于多信息融合的广域继电保护新算法

李振兴，尹项根，张

哲，何志勤，冯灿成

（华中科技大学电力安全与高效湖北省重点实验室，湖北省武汉市４３００７４）

摘要：广域继电保护需融合电网多点信息实现故障元件识别，因此，保护算法的高容错性是保证其正确动作的关键。文中提出一种基于多信息融合的广域继电保护新算法，该算法根据电网结构形成故障识别编码，并利用基于常规主／后备保护原理的保护动作信息和断路器位置信息，构建适应度函数和状态期望函数。最后，利用故障前后的适应度分析故障概率，以实现高容错性的故障元件识别算法。基于ＩＥＥＥ１０机３９节点系统的仿真表明：所提出的广域继电保护算法动作正确，且能较好地克服信息缺失或信息错误带来的影响，具有很好的实用性。关键词：广域继电保护；信息融合；适应度函数；期望函数；故障识别

０

引言

随着广域测量系统和数字化变电站技术的不断

保护故障识别新算法。

１

基于广域多信息融合的基本原理

充分利用广域范围内的冗余测量信息进行故障

发展和应用，为提高继电保护系统的性能，提出了广域保护的概念并进行了初步的研究［１嵋］，但利用广域信息改善继电保护的性能研究主要集中在后备保护方面［４巧］。目前，广域或区域继电保护原理研究主要有基于方向比较原理的广域继电保护和基于电流差动原理的广域继电保护等¨。］。这些保护原理都是在假定数据采集正确的前提下，能准确、快速地进行故障判断。尽管随着广域测量系统的完善和光纤通信的普及，广域通信的实时性和低误码率得到了保证，但广域信息的采集区域较大，并且很难能做到类似传统保护装置那样精密的抗干扰措施和在原理上对坏数据的抗干扰处理，仍可能出现部分信息丢失或有错误信息上传到决策中心。信息采集的广域性决定了广域继电保护故障识别原理必须具有极强的容错性能，而这不同于以往常规保护理论的基础研究。文献［８—９］为提高保护的容错性能，提出了基于遗传算法、禁忌搜索、模糊控制等原理的广域保护算法，但基于智能技术的继电保护原理在实际工程中并没有得到广泛应用，其可靠性很难得到保证。

广域继电保护实现的后备保护功能在故障切除时肩负着重要的责任，一方面可以实现较为快速的故障切除，另一方面则可能因大范围切断输电断面造成严重后果。因此，如何利用广域冗余信息实现故障元件的可靠识别，并快速切除故障是目前广域继电保护研究的重点。本文在基于常规继电保护原理的基础上，提出一种基于多信息融合的广域继电

识别是实现广域继电保护的基本出发点。考虑到广域信息在测量、判断和传输过程中可能出现的信息缺失或信息错误，本文提出建立多信息融合的适应度函数模型，利用信息的冗余性和相互间的逻辑关系，反映区域内输电系统各元件的故障概率。１．１广域故障识别编码

故障识别的目的是在输电系统发生故障时识别出故障元件以实现快速切除故障，软件实现就是将输电系统元件作为故障识别的对象进行０—１状态编码（ｏ表示正常状态，１表示故障状态），通过对广域范围内所有保护对象元件的状态编码组成的数字串（即故障识别编码，下文同）进行故障识别计算，求得最优识别编码表示广域继电保护故障识别的决策解，解的“１”状态位对应系统的故障元件。理论上，输电系统各元件均可能发生故障，Ｎ个元件可组成２Ｎ组故障识别编码。如图１所示广域电网系统，输电系统元件含母线Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ和线路Ｌ。，Ｌ：，Ｌ。，Ｌｔ，可形成５１２组故障识别编码，如果所有故障识别编码都进行故障识别计算，则广域继电保护的快速性较难实现。

ＣＢ：断路器

收稿日期：２０１０－１０－２５；修回日期：２０１０—１２—３１。国家自然科学基金资助项目（５０８７７０３１，５０８３７００２）。

Ｆｉｇ．１

图１广域电网结构图

Ｆｒａｍｅｗｏｒｋｏｆｗｉｄｅ－ａｒｅａｐｏｗｅｒｎｅｔｗｏｒｋ

万方数据

?运行可靠性与广域安全防御?李振兴，等基于多信息融合的广域继电保护新算法

实际上，系统同时发生多处故障的可能性很小。如表１所示，广域继电保护在实现上仅需分别对输电系统单个元件故障编码，形成Ｎ组故障识别编码，每组编码仅１位“ｌ”状态位对应故障元件，简称该故障元件编码，这样可大大减小广域继电保护系统的计算量。

表１故障识别编码

Ｔａｂ．１

Ｆａｕｌｔｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｏｄｅｓ

编号

故障识别编码Ｘ

ＤＥＬ

Ｌ２ＬｓＬ４Ａ—ｌ

Ｂ—ＯＣ一０００ＯＯＯＯｌＯＯ００００ＯＯ１ＯＯＯ０ＯＯＯＯ１Ｏ０００ＯＯＯＯ１ＯＯ０ＯＯＯＯＯＯＯ０ＯＯ００Ｏ１００ＯＯＯＯＯ０１０Ｏ

Ｏ

０

Ｏ

０

Ｏ

ｌ

１．２适应度函数数学模型

建立基于信息融合的适应度函数数学模型的目的是利用广域故障信息对每组编码的性能进行评价。适应度函数的好坏直接影响最终的判断结果，且具有不同的容错能力。针对广域继电保护实现广域范围的后备保护，一方面是广域保护在常规主保护失效时能够快速切除故障，另一方面是广域保护在系统发生非预设的运行工况变化、潮流转移或发生区外故障时能够不误动作。因此，适应度函数的建立应考虑以下几个方面。

１）基于广域故障信息的选取。建立多信息融合的适应度函数必须充分利用判断快速、高灵敏度和高可靠性的保护信息。考虑到广域继电保护动作速度较常规主保护慢，但较常规后备保护特别是远后备保护快Ｌ６－７ｊ，且基于纵联或就地信息的常规保护原理较为成熟可靠，本文研究广域继电保护采集智能电子设备（１ＥＤ）稳态启动后，基于常规保护原理的主保护动作信息和后备保护启动信息以快速实现故障识别。

２）引入保护动作系数。考虑系统故障时基于不同保护原理的保护动作信息和动作灵敏度均不同，如果同等看待则无法体现主要保护信息的重要性。本文研究引入保护动作系数［１…，不仅区分主保护、后备保护动作信息，同时考虑了主保护与后备保护之间的逻辑关系及保护范围。

３）容错能力。基于广域信息的故障识别，必须考虑信息缺失或信息错误给保护判断带来的影响。在构造适应度函数时，采用包括主保护、近后备快速

万方数据

保护、灵敏度较高的距离Ⅱ段、Ⅲ段保护及负序、零序方向保护等多信息或双重化保护配置的保护信息进行融合计算，利用众多信息对故障识别的支持及对错误信息的排斥，在有限信息错误或信息缺失时利用故障元件编码适应度变化特性，实现故障元件识别的高容错性。

本文构造系统故障时的适应度函数如下式所示，它反映了最优编码对应的适应度最小：

。

ＮＡＮＢ

Ｅ（ｘ）＝Ｏ．ＩＡ∑ＩＡ—Ａ，ｌ十（ＤＢ∑１Ｂ』一Ｂ广Ｉ＋

』＝ｌ

Ｊ一１

Ｎｃ

Ｎｏ

ｆ－Ｏｃ∑ｊＧ一口Ｊ＋础。∑Ｊｑ一研Ｊ＋

Ｊ＝ｌ

』＝１

ＮＥ

ＮＦ

∞Ｅ∑ＩＥ—Ｅｌ＋ｃｔ，Ｆ∑ｌＥ—ＦＩ

（１）

Ｊ穹１

ｊ＝ｌ

式中：Ｅ（Ｘ）为故障识别编码所对应的适应度；Ａｉ和和期望状态（０表示正常，１表示故障状态）；Ｂ，和Ｂ？分别为各变电站ＩＥＤ配置的距离Ｉ段、突变量距离等不能保护线路全长但可直接判断保护对象故障的保护的实际状态和期望状态；Ｃｉ和Ｃ，分别为各变电站ＩＥＤ配置的距离Ⅱ段等能保护线路全长但不能直接判断保护对象故障的保护的实际状态和期望状态；Ｄｊ和Ｄ？分别为各变电站ＩＥＤ配置的零序、负序等具有正反方向判断的保护的实际状态和期望状态；Ｅｊ和Ｅ？分别为各变电站ｌＥＤ配置的距离Ⅲ段等远后备保护的实际状态和期望状态；ｅｊ和Ｆ？分别为各变电站ＩＥＤ配置的失灵保护的实际状态和期望状态；ＮＡ，ＮＢ，Ｎ。，ＮＤ，Ｎ￡，ＮＦ分别为保护总数目；（ｃ，Ａ，（１，。，山ｃ，∞Ｄ，∞Ｅ，ｃ￡’Ｆ分别为保护动作系数（即ＡＦ值，其原理见文献［１０１），其值分别取６，

６，３，２，２，６。

１．３期望函数数学模型

适应度函数中保护测量信息的实际状态均由决策中心通过系统通信实时获得，对于缺失信息以正常状态（即０值）填补。适应度函数中保护动作信息的期望状态由期望函数模型计算得到。期望函数建立的好坏直接影响到适应度函数建立的成功与否，本文研究的期望函数模型是基于广域故障识别编码（如表１中编码Ｘ）所体现的电网系统故障发生的元件（即编码解对应的元件），结合系统结构和常规主／后备保护原理的动作逻辑和保护范围共同构建，体现了保护元件的可靠动作性能。其通用表达式为：

Ａ，＝Ｘｔ（２）

Ｂ，ＵＢ矗１Ｉ—Ｘｚ

（３）

Ｃ，＝Ｘ，ＵＸｌｔｂ（４９

Ａ？分别为各变电站ＩＥＤ配置的主保护的实际状态

它

力

暴统自

动化

１

＞：（一１）”ｘ。＞０

Ｄ，＝＿｛一１’∑（一１）ｎｘ。＜０