（电力系统及其自动化专业论文）多信息继电保护研究.pdf

l 1 ；p 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文多信息继电保护研究，是本人在 华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据 本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 学位论文作者签名： 马 日期：至竺盘! ! 至! 皇! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：丝k 日期：塑i ；口 导师签名： 日期：丝丛：! ! 丕! h畛l 华北电力大! 学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 继电保护装置是电力系统的重要组成部分，其作用是在电气元件发生故障时， 将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于遭受更大破坏，并保证电力系统尽 快恢复f 常运行。数十年来，在电力生产的需求，以及相邻学科新技术、新设备的 支持下，继电保护的装备和应用水平日益提高。传统的继电保护专业性很强，以“事 先整定，定时动作，定期检验”为特征，很少能充分利用数字通信的优势，实现数 据共享和信息共享。当代继电保护技术的发展，f 从传统的模拟式发展为数字式， 并由数字式迈向信息技术的领域，因而有必要充分利用继电保护的信息特征，提高 保护的可靠性，实现新的保护功能。 1 2多信息继电保护的提出 传统的继电保护常常是按功能划分，每一个电气设备都要安装各种不同功能的 保护装置，而且各种装置在电路上往往是相互独立的，都有自己的回路，每一种功 能的保护装置都单独装设在一个箱体内。微机保护的发展已经实现了保护的按设备 划分，对于同一设备的各种保护功能，可以有机的组成一个整体，从而避免了回路 的重复利用，简化了接线的复杂程度，且非常便于维护和运行。但不容忽视的是， 现有保护装置中尽管能提供一些去往其他保护的端口，限于相互通信联系的实际难 度，各个设备的保护装置之间的联系非常少。 在继电保护的实际应用中，从原理上来说，除了差动保护与纵联保护外，所有 保护装置都只能反应保护安装处的电气量，继电保护的作用也只局限于切除故障元 件，缩小故障范围，这主要是由于缺乏有力的数据通信手段，缺少必要的信息交流。 如果将保护装置联网，继电保护装置就可以得到更多的系统故障信息，保护装置对 故障的性质，故障的位置以及故障的距离的检测就更加准确，保护装置的性能就能 得到相应的提高。这也于继电保护理论的发展逻辑是一致的。 多信息继电保护正是在以上思路的指导下提出来的。其含义是继电保护的动作 行为不仅仅依靠保护原理所反应的电气量( 如距离保护只反应本保护安装处的u 、i ) 外，还可以通过网络互联反应或参考更多的信息。就一个具体的变电站而言，网络 可以指站内的数据通信网络。其应用的现实性得宜于计算机局域网络技术和光纤通 信技术在变电站综合自动化系统中得到普遍应用。 网络多信息继电保护的信息来源有两个方面。一方面为通过各种传感器( t a 、 t v ) 获得的一次系统的信息，如一次系统的各回路电压、电流值，又可称为直接信 1 鼋 华北电力火学硕士学位论文 息。另一方面为变换、处理和传输一次信息的二次设备其本身的工作状态信息，如 电流电压二次回路的完好性，继电保护与自动装置的工作状态等，这些又可称为间 接信息。 1 3继电保护中多信息的利用的背景与现状 继电保护中多信息的利用归根结底是多信息融合的技术。从信息论的角度，采 集的信息越多，利用信息的冗余性，系统的容错性就越强。由于继电保护实时性强， 要求故障后瞬时动作，且继电保护动作对电力系统运行关系重大，电力系统运行对 继电保护可靠性要求很高，因此在计算机技术没有高度发展的条件下，在故障瞬间 对各种故障信息进行融合处理有很大的难度。目前随着继电保护装置硬件水平的提 高( 高性能c p u 及d s p 在继电保护中的应用) 、优良特性的传感器的推广及通信能 力的增强，多信息的应用，深层次的信息融合在继电保护装置中的实现成为了可能。 文 1 从宏观上介绍了继电保护在计算机、通信和数字信号处理技术带动下走向信息 化的发展过程，将继电保护中的信息技术特征进行了细化。文 2 】回顾了我国电力系 统继电保护技术发展的过程，概述了微机继电保护技术的成就，提出了未来继电保 护技术发展的趋势是：计算机化，网络化，保护、控制、测量、数据通信一体化和 人工智能化。文 3 】、 4 以多信息融合技术为基础，结合电力系统的实际，探讨其在 电力系统中的应用。文章详细地介绍了多信息融合技术的基本方法和基本特点，对 电力系统中的信息处理技术现状做出分析，指出不足，并通过具体应用事例指出多 信息融合技术在电力系统控制领域的应用前景，同时列举了该技术应用上存在的技 术难题。 二 继电保护多信息的利用涉及面较广，其多信息的融合技术可以分为： ( 1 ) 综合多种保护检测结果的信息融合： ( 2 ) 综合多种故障检测方法的模糊信息融合； ( 3 ) 综合处理各种故障信息的人工智能信息融合； ( 4 ) 适应系统参数变化调整的自适应信息融合。 在以上几个方面，针对元件保护和线路保护，很多学者做了大量的工作。在多 种保护检测结果的信息融合方面：文 5 、 6 基于变压器的保护动作信号，用b a y e s 方法和关系矩阵的方法对多个信号进行综合，实验表明，两种方法的结合可以快速 有效的鉴别变压器故障。文 7 】提出一种故障测度概念，定量评价故障线路的疑似程 度，应用d s 证据理论对多故障信息进行融合，将多判据选线问题转化为证据推理 问题。文 8 针对变压器差动保护的不足，提出了多判据综合的变压器差动保护方案。 由采样值差动判据、虚拟三次谐波制动及二次谐波制动相量差动判掘、故障分量虚 拟三次谐波制动相量差动和故障分量采样值差动等判据综合构成的变压器差动保 华北电力人学硕士学位论文 护，使变压器差动保护的性能得到较大提高。综合多故障检测方法的模糊信息融合 的应用文章较多，其中文 9 卜 1 2 】将模糊理论引入变压器保护领域，将各种故障检测 的结果模糊化，经归一化后，综合出检测结果。多种检测方法的应用，克服了传统 变压器保护中的不足，改善了保护的性能。文【13 1 0 用短路电压、短路电流、线路 长度和线路阻抗等参数在不同故障情况下的变化，基于模糊理论和模糊隶属度的概 念实现了线路故障的辩识。在多故障信息的人工智能信息融合方面：文 1 4 】对人工 智能及模糊控制在电力系统继电保护中应用的国内外研究现状进行了综述，指出了 需要进一步研究的方向和主要内容。文【15 介绍了一种用神经网络实现高速继电保 护的故障分类方法，其网络采用4 层前馈神经网络，训练采用b p 算法。文章提出 两种故障分类方法，各采用不同的神经网络。在适应系统参数变化调整的自适应信 息融合，大量学者做了很多工作，也取得了很多成果。文 16 很早的展示了这种信 息融合的思想，给出白适应继电保护的概念，并从11 个方面对其进行阐述，为后续 工作奠定了坚实的基础。文 1 7 针对系统运行方式变化对保护的影响，给出自适应 保护的大框架和网络结构，实现了距离保护和过电流保护的自适应调整和配合。其 核心部分是一个专家系统。文 18 针对一个具体的电力系统，通过建立其阻抗模型， 故障实时分析后，调整距离保护三段的整定值，提高后备保护的性能。文 1 9 则提 出利用本地量实现电流、电压自适应保护的原理、算法和实现方法。其能够根据系 统运行方式的变化和不同的故障类型自动改变保护的动作原理、性能和整定值，确 保保护处于最佳的工作状态。其产品已经通过了相关鉴定。 1 4 本课题研究的主要内容 本文在介绍多信息融合技术的原理与定义，多信息融合技术的层次、功能模型 与方法的基础上，以电力系统继电保护领域为应用背景，研究了多信息融合技术在 保护中的应用的几种方式。 ( 1 ) 针对一个中小型变电站，在现在微机技术及网络技术的基础上，提出多信 息保护的结构。并结合一个典型的变电站模型，选取有用的信息量快速识别故障位 置，并实现变电站内的快速后备保护。其研究内容还包括方案的信息元件选择、仿 真测试、容错方法的设计及运行方式变化对保护的影响分析。 ( 2 ) 根据距离保护第三段整定的实际方法，分析了分支系数对后备保护的影响。 利用网络及多信息共享的优势，提出了“反向距离i i i 段”保护方法，并分析了它 的整定方法与特性，从而克服了分支系数的对后备保护的影响，提高了距离保护第 三段的灵敏度，体现距离保护中多信息利用的优势。 ( 3 ) 就常规变电站保护的特点，讨论了现实条件下多信息融合利用的条件。根 据变电站保护的配置方式，探讨了保护多信息融合可以实现的几种功能。 华北电力火学硕十学位论文 第二章多信息融合技术在电力系统继电保护中的应用 2 1 引言 随着科学技术的发展，各类传感器的应用越来越广泛，性能也大大提高，在多 传感器系统中，信息的表现形式的多样性、信息容量及信息处理速度都远远超过了 传统的信息处理方法的能力。为了减轻人工处理信息的工作量，提高系统的容错性 和健全性，多信息融合技术应运而生。多信息融合是针对一个系统中使用多个传感 器，即有多个信息源而进行的新的信息处理方法。 大型发电机组、大型变压器及电力线路等各类输、变电设备中往往装设了各种 各样的传感器，利用各种物理的化学的方法可以实现电气设备的故障检测与继电保 护。受故障特性及传感器性能的限制，单一故障信息与故障之间的关系并不是一一 对应的，不同的故障可能产生同一故障信息，且各类不同的故障信息可能出白同一 故障。采用单一故障信息：单一故障检测方法往往不能满足继电保护的要求，为了 提高继电保护的“四性”，有必要引入多信息融合技术，实现多种故障信息的利用 与优化，提高继电保护的性肩邑。 2 2 多信息融合技术的基本概念 2 2 j1 基本定义与原理 多信息融合技术是针对一个系统中使用多个传感器一类问题而展开的一种信息 处理的新方向。由于融合的概念被大量的领域引用，使多信息利用成为一个广域的 概念，由于其研究内容的广泛性和多样性，很难给出一个统一的定义。根据其在工 业领域中的应用，这里可以定义为：利用计算机技术，对按时序获得的若干传感器 的观测信息，在一定准则下加以自动分析、综合，以完成所需的决策和估计任务而 进行的信息处理过程【川】。 多信息融合的基本原理与人脑综合处理信息一样，充分利用多个传感器资源， 通过传感器及其观测信息的合理分配和使用，把多个传感器在空间和时间上的冗余 或互补信息依据某种准则来进行组合，以获得被测对象的一致性解释或描述。其基 本目标是通过数据组合而不是出现在输入信息中的任何个别元素，推导出更多的信 息，是最佳协同作用的结果。即利用多个传感器共同或联合的优势，提高传感器系 统判决结果的正确性，消除单个或少量传感器的局限性。 2 2 2 多信息融合的层次 华北电力大学硕士学位论文 按照数据抽象的三个层次，多信息融合也可以分为三个层次：数据层信息融合、 特征层信息融合和决策层信息融合。 ( 1 ) 数据层信息融合 数据层信息融合是在采集到的原始数据层上进行的融合，在各种传感器的原始 观测信息未经预处理之前就进行数据综合分析，是最底层次的融合。其优点是能保 持尽可能多的现场数据，提供其他层次所不能提供的细微信息。缺点是要处理的数 据量大，数据传递的同步性、实时性差，因而当原始信息的不精确、不完整和不稳 定时，要求数据处理有较强的纠错能力。在继电保护的原理与应用中，数据层信息 融合对应于a d 数据采集和各类滤波算法。 ( 2 ) 特征层信息融合 特征层属于中间层踟，先对来自传感器的原始信息进行特征提取，然后对特征 信息进行综合分析和处理。特征层信息融合的优点是实现了可观的信息压缩，便于 实时处理，并且由于所提出的特征直接与决策分析有关，因而融合结果最大限度地 给出决策分析所需要的特征信息。在继电保护的原理与应用中，特征层信息融合对 应于故障启动处理，包括：正序、负序、零序、阻抗、导纳等故障特征量提取及分 别进行的单个继电器的判断( 如电流继电器、阻抗继电器、方向继电器等的计算与 判断) 。 ( 3 ) 决策层信息的融合 决策层融合是一种高层次融合，其结果为检测、控制、指挥、决策提供依据。 决策层融合从具体决策问题出发，充分利用特征层融合的结果，直接针对具体决策 目标，融合结果直接影响决策水平。决策层融合的主要优点有：数据量小，对系统 信息传输带宽要求大大降低；可以有效地反映对象各个侧面的不同信息；另外，对 传感器的依赖性小，当一个或几个传感器出现错误时，通过适当融合处理，可以消 除其影响，得到f 确的结果，从而使系统具备容错性。但决策层信息融合要对原传 感器信启、进行预处理以获得各自的判定结果，所以预处理的代价高。在继电保护的 原理与应用中，决策层信息融合对应于故障启动、继电器动作信号、闭锁信号、 重合闸信号、系统参数及基于继电保护信息网络的其它控制信息进行联合处理，以 决定采用何种方式对故障点进行隔离。 2 2 3 多信息融合的功能模型 为了简单说明多信息融合过程的概貌，说明多信息融合过程中的基本信息处理 流和基本功能模块，图2 1 给出多信息融合系统的功能模型。 华北电力人学硕十学位论文 图2 1 多信息融合系统的功能模型 向量 属性 ( 1 ) 测量 以传感器为采集信息的手段，采集受控系统的各种信息量( 如模拟量、开关量 等) ，被采集的对象不限于与同一物体，可以是被控系统的各个组成部分，如变电 站系统中的各个电气设备。每个传感器进行独立的测量和判断，并将测量参数报告 给信息融合系统。 ( 2 ) 数据校准 数据校准单元是为了统一各传感器的时间和空间参考点，若各传感器在时间和 空间上是对立异步工作的，则必须事先进行时间和空间上的校准，即进行时间搬移 和坐标变换，以形成融合所需要的统一时间和空间参考点。 数据相关 数据相关单元的作用是判别不同时f b - 、空间的数据是否来自统一目标。相关单 元在收集到某个传感器的新测量值后，与其他传感器的新测量值以及该传感器过去 的测量值进行相关处理，以判断属于同一目标的数据。 ( 3 ) 状态估计 状态估计是将每次采集到的新数据与原有数据进行融合，根据传感器的观测值 估计对象参数( 如电压量、电流量等) ，并利用这些估计预测下一次对象的状态， 预测值被反馈给随后的采集量，以便进行相关处理。 ( 4 ) 模式识别 模式识别根据不同传感器测得的对象特征形成一个n 维特征向量，其中每一维 代表对象的一个独立特征。若预先知道对象的n 3 个类型，以及每个类型的特征，即 可将实测特征向量与已知类别的特征进行比较，从而确定目标的类别。 ( 5 ) 控制决策 在得到被控对象的状态估计与确定出所属的模式类型后，便将这些结果进行决 6 华北电力火学硕士学位论文 策层融合，得出相应的控制策略。 2 3 多信息融合技术的基本方法 ( 1 ) 用于多传感器信息融合的证据理论方法 d s 证据理论方法是由贝叶斯( b a y e s ) 理论扩充而来的，其基于对某一假设之 上的各个片段的证据进行组合来估计假设的真实性，已在多传感器信息融合中已得 到广泛应用。 证据理论的基本策略就是将证据集合划分成多个不相关的部分，利用它们对识 别框架独立进行判断，然后用证据合成规则，将多个这个证据的判断结果组合起 来。经过d s 证据结合，多个具体证据组合成一个抽象证据，该抽象证据综合了具 体证据的信息，聚焦了具体证据的共同支持点，但形式上抽象证据与具体证据具有 相同的表达，这使得证据理论具有融合的开放性和处理的兼容性等优点。 ( 2 ) 基于信息论的多传感器信息融合方法 在某些场合，多传感器信息融合并不需要用统计的方法直接模拟观测数据的随 机形式，而是依赖于观测参数与目标身份之间的映射关系来进行目标识别。这类方 法称为基于信息论的融合方法，如模板法、聚类分析法、自适应神经网络法、表决 法和信息熵法等。上述方法在电力系统都有了相关应用，鉴于后续章节的应用重点， 这里简要介绍一下聚类分析法。 聚类分析法是一种启发式算法，在模式类数目不是精确知道的标志性应用中， 这类方法很有效。它是按某种聚类准则将数据分类，并把每个数据组解释为相应的 目标类。当一个或多个传感器观测到一个对象时，就选择传感器数据，通过一个聚 类分析算法将这些数据按类分组( 模式识别) ，从而把这些数据组解释为表示目标 类的隶属关系。已经提出的分类算法有分层聚类法、迭代分割法、分层设计法、因 素分析法和图论法等。 为了聚类必须有一个聚类准则，如把各种各样的相似性或距离度量作为数据样 本的聚类准则。常用的聚类准则有以下几种： 点积：x ，x ，= i x 小x c o s ( x ，x ，) 鳓刚蚍h s ( x i , x j 卜瓦再等高 加权的欧氏距离：a ( x x ，) = 哌( x 腈一x j k ) 2 不加权的欧氏距离：d ( x ，x j ) = ( x 膻- x 止) 2 k = l 华北电力大学硕十学位论文 布尔“与”运算：s ( x ，x j ) = x 聃nx 肚 k = l y y 规范化的相似系数：d e p ( x ，x ，) = _ 了兰兰一 。 ( x ，x 从x ，x ，) ( 3 ) 基于认识模型的多传感器信息融合方法 基于认识模型的多传感器信息融合方法是模仿人类从其多传感器( 耳、眼、鼻、 手等) 数掘辨识实体的识别过程模型，其中有模糊集合理论，逻辑模板法以及基于 知识的专家系统。其中模糊集合理论和专家系统在电力系统中得到了大量的应用。 逻辑模板法实质上是一中匹配识别的方法，它将系统的一个预先确定的模式与观测 数据进行匹配，确定条件是否满足，从而进行推理。预先确定的模式中可以包含逻 辑事件、模糊概念、观测数据以及用来定义一个模式的逻辑关系中的不确定性等。 因此模板实质上是一种表示与逻辑关系进行匹配的综合参数模式方法。 ( 4 ) 智能信息融合 a i 技术的使用是目前智能信息融合的重要方向，它的应用可以融入到信息融合 的各个层次，如自适应的方法就是a i 技术在工程领域的最简单应用，比较高层次 的应用还包括：提供对象状态识别、模型解释、辅助决策等各项功能，提高这些判 别环节的智能化程度和对系统多变运行方式的适应性；使用多个相互协作的e s 系 统：使用学习系统，以便自动适应系统运行状态的变化；使用先进的立体数据库管 理技术为推理过程提供服务。 2 4 多信息融合技术在鹿力系统继电保护中的应用探讨 回顾电力系统继电保护技术发展的历史可以看出，信息的发掘、提取与利用以 满足电力系统发展的要求一直是继电保护技术发展的重要课题1 2 。多信启、融合利用 可以有效的提高继电保护的性能，如距离继电器采用了电流电压信息，其受系统的 影响明显小于仅利用电流信息的过流保护；差动继电器由于使用了两端的电流量， 其在灵敏度上的性能明显优于过流保护；又如引入电压信息，方向过流继电器与传 统的过流继电器相比可以区分正、反向故障。 可见利用的信息数量的多少与保护性能的优劣直接相关，根据不同电气元件保 护的需求和不同继电保护的特点，有针对性的对不同层次的信息进行融合可以有效 提高保护的性能。但由于继电保护实时性强，7 要求故障发生后能立即动作，其动作 对电力系统运行关系重大，因而电力系统对继电保护的可靠性要求很高，且在目前 多信息处理技术没有发展成熟的条件下，保护装置没有能力在故障瞬间实现所有层 次信息的融合处理，所以多信息融合技术在继电保护领域的应用还不广泛。其主要 的困难在于：在信息采集方式上，传统保护仍采用点对点的配制方式，即一个传感 r 华北电力大学硕士学位论文 器( t a 、t v 等) 对应一个( 或很少几个) 保护装置，虽然有效的降低了二次负载， 但造成了传感器数目繁多，信息采集重复和二次接线复杂，各保护装置信息的可得 性得不到保证：在多信息的传递共享方面，因为需要传递的信息层次多样，且数据 量很大( 尤其是数据层信息) ，对于时间要求苛刻的继电保护装置来说，信息处理 的实时性要求往往不容易满足。 目前相邻工程技术学科的发展和电力系统装备水平的提高，为解决上述问题， 实现继电保护更全面的多信息融合提供了良好的硬件条件。微机技术的迅速普及与 应用。目前的继电保护装置都已经实现了微机化，微机产品的技术发展同新月异， 其数据处理与运算的能力日益提高。网络技术和通讯技术的飞跃与发展。在网络与 信息时代，高速便捷的网络已经深入到电力系统各个环节，目前的网络速度与传输 能力，已基本上可以为继电保护多信息融合提供数据通道，且诸如i e c 6 l8 5 0 一类 网络协议制定与采用也为各保护间的无缝通讯提供便利。以上两方面的结合，可以 满足保护多信息融合信息实时性的需求。另外一个方面，数字式的传感器( 如光电 流互感器o c t 、光电压互感器o p t ) 为保护多信息融合信息的可得性扫清了障碍。 与传统的传感器相比，数字式传感器提供数字接口，输出的是数字信息，与网络技 术结合后，可以彻底改变目前传感器系统与保护之间点对点的连接模式，实现真正 的信息共享1 2 j 。 2 5 本章小结 、多信息融合技术是研究多源信息处理分析方法的新兴边缘学科，在军事、信息 处理等领域有着广泛的应用。多信息融合技术具有多信息量、多层次、多手段的特 点，是处理多传感器信息资源的有力工具。 本章第一部分介绍了多信息融合技术的基本定义与原理、多信息融合的层次和 方法。第二部分，结合电力系统继电保护的发展历程说明在保护中引入多信息融合 技术的优势，在阐述目前应用难点的基础上，分析了目前多信息融合技术在保护应 用的可行性。 华北电力大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章基于本地多信息的后备保护研究 我国电力系统继电保护的配置一直使用着主保护加后备保护的模式。以2 2 0 k v 系统为例，线路保护一般以高频纵联保护作为主保护，三段式方向距离、零序保护 作为后备：母线保护以电流差动保护构成主保护；主变保护以电流差动作为主保护， 多段式方向( 零序) 过流保护作为后备。以上主保护的保护范围是元件本身，后备 保护的范围是通过多段式保护的动作时限、动作定值和动作区的相互配合来实现一 定区域的整体保护。 随着电网规模的不断发展，电网内的继电保护配置日益完善，一般的事故是不 必要由后备保护动作切除故障的。但后备保护的作用不能因此而受到弱化，有研究 表明，7 5 的大面积停电事故都是源于保护的不正确动作，尤其是后备保护的不正 确动作【2 引。在网络构成和电流流向日趋复杂的情况下，后备保护的定值、时限配合 的整定越来越麻烦，导致后备保护动作时限不断延长，有的高达数秒，这与系统的 可靠供电和电网的稳定运行产生矛盾。 为了克服后备保护的不足，针对上述问题，有学者提出一种利用方向元件判别 的快速后备保护系统，大大缩短了后备保护的动作时间【23 | 。也有学者从网络保护的 角度出发，利用光纤传输，实现配置与算法都非常简单的电力系统保护【24 | 。或通过 通信网络将变电站问互联，实现广域后备保护【2 2 】【2 5 】，或线路的集合保护【2 6 】。本文 在前人工作的基础上，提出了基于本地多信息融合的后备保护方案，该后备保护处 理的信息来源于变电站内已有的保护装置，通过全局的控制实现并优化了后备保护 功能。 3 2 传统后备保护的局限性 后备保护是电力系统继电保护的重要组成部分，在主保护失灵或断路器拒动时 切除故障保证系统稳定运行。后备保护是通过多段式保护的动作时限、动作定值以 及动作区间的相互配合来实现的。但随着电力系统网络结构的扩大和网络复杂性的 增强，在同一条母线连接的电力传输线路长短相差很大，级数复杂，对于多段式的 后备保护来说，其定值和时限的配合相当繁杂，造成后备保护的动作时间过长，不 利于快速切除故障1 27 1 。 如图3 1 为一典型电力网络，表示2 2 0 k v 主干网通过1 1 0 k v 变电站到1 0 k v 配 电网络的供电路径。保护p 1 p 7 实现后备保护功能时，动作时限上应该是逐级配合， 考虑p 2 、p 5 带两个时限，从p 1 到p 7 共有9 个时间级差，取t = o 5 s ，则p 7 的动 1 0 华北电力大学硕士学位论文 作时间高达4 5 s 。从2 2 0 k v 主干电网安全稳定的角度出发，对于其后备保护的动作 时间有严格的限制，通常不超过1s 。显然上述整定的时间是难以接受的。 图3 1 典型变电站传统后备保护时间配合 p 3 变电站b p 2 p 1 为了解决上述问题，人们通常是加强主保护配置或是采用双重化的主保护，尽 量减少后备保护的动作几率。或是在整定上制定一些较为宽松的规定，如：当相互 配合整定有困难或是有特殊需要，有条件时可以与相邻纵联保护配合整定；在有些 整定特殊困难的情况下，上下级零序电流保护的最后一段间不配合，例如，单回线 环网( 特别是双回线环网) 允许设一个解列点或一回解列线路。 3 3 基于多信息融合的后备保护方案 3 3 1 保护可用信息的选择 在第一章已经阐述，基于多信息融合的继电保护可利用的信息来源有两个方 面。一方面为通过各种传感器( p t 、c t ) 获得的直接信息。其对应与多信息融合的 数据层信息。另一方面为变换、处理和传输一次信息的二次设备其本身的间接信息。 其对应于多信息融合的特征层信息和决策层信息。 从信息获得的远近角度，保护信息可以从本地直接获得，也可以从远处获得。 就一个具体的变电站而言，从本地获得保护的可用信息，就是通过变电站综合自动 化系统收集变电站内的各出线，母线，变压器及隔离开关的直接信息，以及由二次 设备产生的间接信息。其实现的现实性得宜于微机处理能力的突飞猛进，变电站综 华北电力火! 学硕士学位论文 合自动化发展的日新月异，和新型光电式传感器的推广。从远处获得保护的可用信 息的方式也很多，比较有代表性的是电力系统纵联保护，其通过载波、微波等方式 获取远端的信息，但可获取的信息量非常有限。或是采用光纤等大容量通道组成通 信网络与远方互传信息实现广域测量与控制，但其不可避免要解决数据采集的同步 及大量数据的传递问题，且光纤通信设备的安装与维护成本非常高，这为其实际应 用造成了障碍。 就地获得信息简单易行，应该首先予。以考虑，而利用通信方式由远端获取信息 比较复杂，对快速传送数据信息的要求也很高，当其的确能显著改善保护性能且通 道能满足要求时，可以考虑采用【2 l 】。本课题中为了便于方法的实现，最大限度的挖 掘已有资源，采用易于获取的本地信息。 3 3 2 本地多信息融合后备保护的结构 本地多信息融合后备保护的构成概念如图3 2 ，其作用的区域仅限于一个变电站 及与其所联系的输电线路上。其中多信息融合处理单元是决策分析部分，其处理各 个信息元件送来的不同层次的信息，综合处理后判断故障发生的位置，将相应的跳 闸命令发送到相关断路器，实现故障的隔离。信息元件是各已有保护的简称，其实 际上其代表的是变电站内各以有保护动作的中间层信息和决策层信息( 如方向信 息，母线差动保护的动作信息等) 。当变电站内某处发生了故障时，各个信息元件 各自产生了与故障相关的信息，这些信息经过融合处理就可以做出决策实现后备保 护。因为所有的元件都是在一个变电站内部，所以信息的就地传送非常容易。 变 电 站 图3 2 本地多信息融合后备保护配置图 本地多信息融合后备保护中传递的方向信息与母线差动保护动作信息是现有 微机保护程序执行的中间量，对这些信息的获取不会额外增加微机保护执行的负 华北电力大! 学硕+ 学位论文 担；将各保护装置与多信息融合处理单元用光纤或电缆，以总线结构连接起来，就 可以实现信息的融合。这种站内的数据通信技术在实际应用已经非常成熟。 3 3 3 动作原理 本地多信息融合后备保护的核心思想是通过多种信息的融合快速判定故障的区 域，在主保护失效的情况下快速发出跳闸命令，与传统后备保护相比，不必依靠时 间的整定配合实现选择性。 对于保护中使用的方向信息和母差保护动作信息，根据动作情况可以定义其输 出值d i 、r b ，分别为： f1 正方向元件动作 d f = 0 方向元件不动作 i 一1 反方向元件动作 丝= 牝蒸 定义变电站出线方向元件f 方向为由母线指向线路，母联断路器方向元件正方 向为由i i 母线指向i 母线，变压器高、低压侧方向元件正方向均为由母线指向变压 器。 如图3 3 ，对变电站内任一处故障f ，各个信息元件( 方向元件d 与母差保护 元件r b ) 均对应一组输出值e 。它们之间是一个非线性关系： f = f ( e ) ( 3 1 ) 华北电力大学硕士学位论文 图3 3 典型变电站故障位置图 i i 4 这种非线性关系可以用关系矩阵的形式描述： f = m e ( 3 - 2 ) 矩阵m 的每一行对应于一处故障位置，每一列对应于参加融合的一种信息量 在各处故障情况下的输出。对于图3 3 所示的变电站，各处故障与信息量输出关系 如表3 。l 。 表3 1 变电站故障与信息量输出间的关系 d ld 2 d 3 d 4 d 5 d 6 d 7 d 8d 9 ；尺昼r s i 。 、 l 一1一l1111l100 t 一l11一l一1一lll100 六 一l一111一l一111100 、 1一ll111 一ll1 ；00 、 1111一l一1 1l1lo 6 l一111一l一1一l1lol ， 一1111l一11ll00 111一ll1 ，一l1100 1 4 华北电力大学硕士学位论文 故障位置与故障时的信息量标准输出通过关系矩阵m 联系起来。通过比较故障 时信息量的实际输出向量与关系矩阵m 各行向量的范数距离，就可以确定故障的 位置。 m = 这里就需要考虑信息元件上传的信息行向量与关系矩阵中各行向量的相似度 问题。 由模式识别和矩阵分析知识，对于未知的模式向量x ，希望判断它属于哪一类 模式，这类问题称为模式分类，其基本思想是将未知模式向量同n 个样本模式向量 进行对比，看x 与哪一个样本模式向量最相似，并据此作为模式分类的判断【2 8 1 。 对于n 个样本模式向量s l ，s 2 ，s _ _ v 和一未知模式向量x ， 假定 ( x ，s1 ) ，( x ，s2 ) ，( x ，s ，) 分别作为未知模式向量x 和己知样本模式向量 s i ，s 2 ，s 之间的相似关系符号。以x 与s i ，s 2 的相似关系为例，若 ( x ，s 1 ) ( x ，s 2 ) ，则称未知模式向量x 与样本模式向量s 1 更相似。 最简单和最直观的相似度是两个向量之间的e u c lid e a n 距离。未知模式向量x 与第i 个原象模式向量s ，之间的e u c l id e a n 距离记做d ( s ，x ) ，定义为：， d ( j ，x ) = i 卜一s 川：= ( x s ，) 7 1x - - s ，) ( 3 3 ) 若d ( s ，) c ) = m i nd ( s ，x ) ，k = l ，2 ，n ，称s f s l ，s 2 ，s j 是到x 的近邻。 作为一种广泛使用的分类方法，近邻分类( n e a r e s tn e i g h b o rc l a s s i f i c a t i o n ) 法【2 9 】 将未知类型的模式向量x 归为它的近邻所属的模式类型。 厂，j i , i p 由p = 2 时，范数x ，= i i x rl 与e u c i i d e a n 范数的等价性，为了简化计算， i = i 提高运行速度，这里模仿e u c li d e a n 距离相似度，采用 d ，( m ，) = - p = l 坞叫l ( 3 - 4 ) 来定义未知模式向量与关系矩阵m 各行向量的距离，用该距离作为相似度，根据 近邻分类法即可将未知类型的模式向量口归为它的近邻所属的模式类型。 0 0 0 o 0 l 0 0 o 0 0 o ，o o 0illll 一 一 ， 一 一 t；l 一 一 一 一 一 一 一 ；il 一 一 一 一 一 一 一；l 一 一 一 一 一 一 一l 一 一 一 一 一 一 一 一 ， 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 华北电力火学硕十学位论文 如果与m 中某行的距离为最小，就意味着信息量对应于该行的故障位置。若 信息输出量。= ( i , - i ，一1 ，一1 ，一1 ，一1 ，1 ，1 ，1 ，0 ，0 ) ，其与m 中各行的距离d 。= ( o ，4 ，6 ，6 ，3 ，5 ，4 ，6 ) ， 如图3 4 。可见故障位置在处，本地多信息后备保护将启动，在f 。对摩的主保护 失效时，延时f 切除故障。 溪 嚣 鬻 鬻 。i l ： 鬟鋈 篱 “ 蘩 熏 溪 j 群誉 鬻 饕鬻 鬻蘩 鬻 覆鬻 囊 鬻藜篓藜 鬻 鬻 f 1f 2f 3f 4f 5f 6f 7f 8 图3 4 信息输出量， = ( i , - i ，一t ，一1 ，一1 ，一1 ，t ，1 ，1 ，0 ，o ) 时的事件模式识别 3 3 4 算法的容错性分析和运行方式变化影响分析 本地多信息后备保护的方案中是假设各方向元件对各处故障均能正确的判别方 向性。这里进行n l 的容错性分析，假设有一个方向元件发生了故障不能判别出方 向，输出为0 ，保护仍然能正确的识别故障位置。如在出线厶处发生厂故障，而该 处的主保护装置失效，其方向元件d 。不能判方向，输出为0 ，此时的信息输出向量 2 = ( o ，一1 ，一1 ，一1 ，一1 ，一1 ，1 ，1 ，1 ，0 ，0 ) ，其与m 中各行向量的距离为d ，= ( 1 ，3 ，5 ，5 ，2 ，4 ，3 ，5 ) ，如图 3 5 ，这里取距离的最小值，就能正确判别厂故障。 添 繁 黧 纂 麓 攀j 黍 熬 囊缀 鬟卧 骥 纛 羹 鞘漾囊 i g 臻囊麓羹 慧 蒸 鎏蘸l f lf 2f 3f 4 f 5f 6 f 7 f 8 图3 - 5 信息输出量：= ( 0 , - 1 ，一1 ，一1 ，一1 ，一1 ，1 ，1 ，1 ，0 ，0 ) 时的事件模式识别 又如在i 段母线上发生厂，故障，但母联断路器上的方向元件故障输出为0 ，信 息输出a 3 = ( - 1 ，一1 1 ，一1 ，一1 ，一1 ，0 ，1 ，1 ，1 ，o ) ，其与m 中各行的距离d ，= ( 4 ，4 ，4 ，4 ，1 ，3 ，4 ，4 ) ，仍 1 6 6 5 4 3 2 l 0 5 4 3 2 l 0 华北电力大学硕士学位论文 取距离最小值，可正确判别厂，故障。由上可见，信息输出量与m 中各行向量比 距离，距离最小的行所对应的故障位置即为实际的故障位置。 鋈 鍪 鬻 羹 鬻 黎 蘩鋈 粪 豢 霾 藜 溪 蒸 蓬 瓣 鬻 、爹 蕤 戆 鎏 夔 蓑豢j 嚣藜 阱 豢 熬 琶。露辫嘎 f lf 2f 3 f 4 f 5f 6 f 7f 8 图3 - 6 信息输出量从= - - 1 ，1 1 ，一1 ，一1 ，一1 ，o ，1 ，1 ，1 ，o ) 时的事件模式识别 在不综合母线差动保护的动作信息r b 。、r b ，且母联断路器上的方向元件故障 d ，= 0 时，信息输出无法区别是哪条母线发生了故障。融合母线差动保护的动作信 息正是为了解决这一难题。如前述由判别厂，故障。若母线发生了故障，而其母 差保护失效不能动作，在各方向元件均正确判别方向的前提下，又可以根据表3 - 1 的关系利用方向信息实现方向式母线保护p 。 由图3 3 发典型变电站故障位置图，在实际运行中可能存在两母线单独运行， 此时母联上的方向元件没有输出，i 母线两侧某处发生故障时i i 母线两侧的信息元 件没有输出，根据不同故障位置时信息的关系，需要重新形成关系矩阵m ，其对 未知信息输出量的模式识别和母联断路器合闸运行是类似的。 m = 如某处发生故障，信息输出量。= ( 0 ，o ，一1 ，1 ，o ，一l ，o ，o ，l ，o ，o ) ，其与m 中各行的距离 d 。= ( 8 ，8 ，4 ，0 ，9 ，3 ，8 ，4 ) ，如图3 - 6 ，可见故障位置在厶处。 4 5 3 5 2 5 1 5 0 3 2 l o 0 0 0 0 0 l 0 0 o o o 0 0 0 o o 0 1 1 0 l o 1 1 1 o 0 l 0 1 o o o 0 0 0 o o o lll o o o 一0 o o l，i 1 1 一 一 0 0 0 o o 0 一 l o o o o ， 一 o o 一 一 o o 一 0 一 o ，ll 1 l 一 0 0 一 o 一 0 华北电力大学硕士学位论文 粼 羹羹 麓鬈 霪 鬟 囊 囊 鬻 纂 1 j 攀鼙1羹篱 ； 羹 蒸 黎 羹鬻譬 f lf 2f 3f 4f 5f 6f 7f 8 图3 - 6 信息输出量。= ( o ，0 ，一1 ，1 ，0 ，一1 ，0 ，0 ，1 ，0 ，o ) 时的事件模式识别 同理，当两台并列运行的变压器一台检修，即一台变压器带两条母线运行，或 其他各类非常规运行方式的时候，都有必要重新形成关系矩阵。对未知信息输出量 的模式识别均与前述类似。当与故障相关的某一信息元件故障时，采用近邻分类法 都可以成功进行故障定位，这里从略。 3 4 方向元件的选择 由快速乓争保护的构成可见，快速后备保护要利用大量的方向信息，故方向元 件选取的合链鸳否及其可靠性，是该保护的关键环节。在现有成熟的微机保护的基 础上，若配置的正、反方向元件在原理完全相同并严格配合其整定值时，是能够正 确动作判别方向的。为了使快速后备保护适用于各种故障类型，这里采用了正序方 向元件与负序方向元件共同工作的方式。正序方向元件主要应用于对称性故障情况 下，负序方向元件反映故障分量，主要应用于非对称情况下。 f 序方向元件采用的判据是： 正方向：0 a r g 生1 8 0 。一0 ( 3 5 ) ， 反方向：一18 0 。+ 0 z 爿口+ z 删，测量阻抗大于实际阻抗，导致该处距离保护i i 段测 量元件拒动，起实际保护范围缩小；如图4 - 2 ( b ) 所示，当为负荷分支时i ，= i ，一， k 丘 n k k z a b + k k ke j b m z a b + k n k k z a b 七k k k 良8 m z 一日+ k 丘b n m z 爿b + k 丘8 m n n k 女z 爿占+ 砭k 詹b m n ( m n k k ) z 爿占+ ( k 摩8 一k ；k 止月) m n 0 k j k kt c k k z c d z a b + ( 、kf z ? b k j k kf z b ) m n 0 由k ：常取0 8 ，其他各量均为正值，显然上式成立，故有 k c j i l k b l i l f a r( 4 9 ) 而实际的距离i i i 段远后备保护灵敏度校验中，分子上采用最小分支系数 3 l 华北电力大学硕士学位论文 k 舢。i n ，分母上采用最大分支系数k 枷。、，式4 - 9 依然成立。 在图4 - 9 中，保护r a b 作为线路b c 的后备保护，其动作将断开线路a b ，效果与 保护r b a 断开线路a b 是一样的，可以将保护r a b 的远后备功能部分的移到线路b e 附 近的保护r b a 上，实现“反向距离i i i 段”保护( r e v e r s e dt h i r dz o n e ) 。这种反方向三 段的近后备是由相邻线路近故障侧的保护起后备作用，为此要求距离保护的后备段 在反方向故障时动作( 定义保护r b a 的正方向是由母线b 指向线路a b ，反方向即为 对保护r b a 由母线b 指向线路b c ) 。 保护r a b 处的测量阻抗为： z 。旷告：望宰盟= z a s + f i rz 旷z 弘彤 14 疗1a b ，4 b 保护r b a 处反向测量阻抗为： z 一。删：垃：丝：k ，；z 吖 la ql a b j“1j 可见上述两处的测量阻抗相差为线路阻抗z 。，对于保护r a b 处的距离i i i 段的传 统整定之所以要采用最小分支系数k 舢。i 。是因为保护r a b 处无法实时获得相邻线路 b c 上故障时的远方数据。而保护r b a 与相邻线路b c 的保护r b c 在同一个变电站，保 护r b a 上的反向距离i i i 段就可以利用本地信息共享的优势实时获得故障线路上的电 流，从而获得精确的k 仨，整定时其与保护r b c 的距离i i 段配合，就可以获得与之 相同的灵敏度( 保护范围) 。显然，上述灵敏度高于与保护r b c 的距离i i 段相配合的 保护r a b t e 离i i i 段的远后备灵敏度。 4 4 3 反向距离i i i 段的实现与特性 反向距离i i i 段保护是与相邻背侧距离i i 段相配合，其动作的必要条件是方向元 件动作判背侧母线方向发生故障，整定方式为： z d = m = k z k a z d ：l | 0 4 _ 10 、) 上式中，k f 是反向距离i i i 段可靠系数，可取0 9 5 ，考虑了继电器、互感器误差及裕 度系数，避免在相邻线路距离i i 段末端故障时，反向距离i i i 段与相邻距离i i i 段的非 选择性