一种基于分区加权故障匹配的广域后备保护方法

摘要

本发明公开了一种基于分区加权故障匹配的广域后备保护方法，包括以下步骤：(1)选择两端至少有一个保护启动的线路及其相邻线路作为疑似故障线路L

说明书

技术领域

本发明涉及一种电网广域后备保护方法，尤其涉及一种基于分区加权故障匹配的广域后备保护方法。

背景技术

随着电网互联规模增大，系统结构和运行方式变得更复杂；基于本地信号的传统保护已不能很好保证电网的安全运行；国内外多次大停电事故，尤其是美加8.14大停电，表明传统后备保护整定不好、重负荷线路切除后潮流转移到相邻正常线路上使得后者上距离Ⅲ段保护误动，形成级联跳闸，进而发生大停电；基于广域通信网络的广域后备保护在线快速准确检测出电网故障元件成为一个重要研究方向；其特点是借助广域通信网络、收集相邻关联域内各传统波保护元件的冗余信息，在传统后备保护动作时限之前完成故障元件的准确检测与快速切除；无需传统后备保护时间配合，避免了正常线路因保护整定不当或过负荷被误切，从而防止了故障范围的扩大。

国内220kV以上有双重化保护，但在传统主保护拒动小概率事件下，由保护整定不合适、过负荷等可能造成正常线路的近后备或远后备保护误动与拒动；尽管当前高速广域通信网络的实时性和可靠性保证在0.5s内完成广域信息传输，但在通信过程中仍可能会出现少量信息丢失、畸变；因此要求广域后备保护方法必须具备高容错性，才能快于和优于传统后备保护；国内外学者已研究专家系统、贝叶斯网络、保护熵、基于能量守恒原理的纵联差动保护、信息融合、关联矩阵等广域后备保护故障检测方法；例如李振兴等提出一种建立多信息融合的适应度函数模型，利用信息的冗余性和保护之间的逻辑关系，反映区域内各输电线路的故障概率；但是针对每条线路，仅给出其正常工作时的适应度值，并未考虑线路中不同区段发生故障时的适应度值，方法的容错性收到影响；李怡萌等提出一种面向事故发展过程的动态连续诊断方法，利用保护动作出口信号，将线路故障定义为“自给模式”、“失灵模式”、“远端模式”三种模式进行故障诊断；但对于多位信息丢失或错误的情况下该诊断方法的容错性不高；现有的基于模式匹配的广域后备保护方法在某线路故障时只给出一个保护期望值，不够精确，没有考虑一条线路的不同位置故障时对应的广域保护期望启动值的差异；没有考虑故障线路、其相邻正常线路出现多位保护拒动与误动及畸变时，会使正常与故障线路的故障度接近、传统的保护可能整定失配等，因此基于单一保护期望值的模式匹配方法会出现故障线路不正确辨识的情况。

发明内容

本发明提供一种容错性高、辨识根准确的基于分区加权故障匹配的广域后备保护方法。

本发明采用的技术方案是：一种基于分区加权故障匹配的广域后备保护方法，包括以下步骤：

(1)选择两端至少有一个保护启动的线路及其相邻线路作为疑似故障线路L_i(i＝1，2，…n)；

(2)将疑似故障线路L_i划分为m个区段，根据各区段分别故障时相应保护的启动值及方向保护元件综合值D，构造线路L_i第k个区段发生故障时的区段期望保护向量P_i^k；

(3)收集疑似故障线路L_i本侧与对侧及相邻各线路的保护启动值，构造线路L_i的实际保护向量P_i；

(4)计算线路L_i的P_i与m个区段的各期望保护向量之间的区段加权故障匹配度，取其中最大值作为该线路的故障匹配度M_i；

(5)构建故障判据，如果某线路满足故障判据，则判断其为故障线路；如果不满足故障判据，则判断是否遍历了所有疑似故障线路L_i，如果是，则退出，否则，重复步骤(1)-步骤(4)。

进一步的，所述方向保护元件综合值D：

对于其它各保护元件，发生动作时值为1，不动作为0。

进一步的，所述线路的区段加权故障匹配度的计算方法如下：

式中：表示疑似故障线路L_i的实际保护向量P_i与该线路第k个区段发生故障时的期望保护向量P_i^k之间的区段加权故障匹配度；

N_i表示实际保护向量P_i的维度；

P_ij表示实际保护向量P_i中第j个元素；

表示第k个区段期望保护向量P_i^k中第j个元素；

T_i^k表示疑似故障线路L_i的第k个区段发生故障时L_i两端各广域保护期望动作值的加权之和；

ω_j表示各广域保护的权重系数；

再定义了疑似故障线路L_i的故障匹配度，即取线路L_i的实际保护向量P_i与m个区段的期望保护向量之间的各区段加权故障匹配度中最大值，作为线路L_i的故障匹配度M_i，计算方法如下：

根据上式，从线路L_i的m个区段的加权故障匹配度中，获得线路L_i的故障匹配度M_i。

进一步的，所述故障判据如下：

即，当疑似故障线路L_i的故障度M_i比其所有相邻线路L_k的故障度M_k都大，且M_i与M_k的差值都大于0.15，且M_i大于故障度阈值M_set，则判断L_i为故障线路。

进一步的，还包括以下故障判据：

式中：p_j,Li为疑似故障线路L_i的实际保护向量中第j个保护元素；表示疑似故障线路L_i两侧已启动的保护元件数目之和，表示疑似故障线路L_k两侧已启动的保护元件数目之和；

即：当疑似故障线路L_i的故障度M_i比其所有相邻线路L_k的故障度M_k都大，且疑似故障线路L_i的故障度M_i与其相邻线路L_k的故障度M_k的差值小于0.15，且M_i大于故障度阈值M_set，且L_i两侧已启动保护元件数目之和大于L_k两侧已启动保护元件数目之和，则判断L_i为故障线路。

进一步的，还包括以下故障判据：

即：当疑似故障线路L_i的故障度M_i小于故障度阈值M_set，且大于第二故障阈值M_set2，且所有相邻线路L_k的故障度M_k都小于M_set2时，则判断L_i为故障线路。

进一步的，所述步骤(2)中根据所采用的线路各保护的原理及其对本线路与下一级相邻线路的保护范围，将某疑似故障线路L_i划分为5个区段，即从送电端到受电端每隔20％划分为一个区段。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过构造线路各区段的分区加权故障匹配函数，通过各区段的期望保护向量，再输入某线路的实际保护向量，得到各区段的故障匹配度，进而得到线路的故障匹配度；

(2)本发明通过将每条线路实际保护向量与各区段的期望保护向量进行加权故障匹配，获得每条线路更准确的匹配度，使得疑似故障线路的匹配度更好地反映其故障程度；对于长短线路保护配合困难及过负荷引发的保护失配、保护拒动和误动的情况，仍能准确检测出故障线路；

(3)本发明考虑了疑似故障线路上多位保护拒动、某相邻正常线路上多位保护误动，正常与故障线路匹配度接近的极端情况，建立三个故障判据，提高了本方法的容错性。

附图说明

图1为本发明流程示意图。

图2为本发明实施例中分区模型示意图。

图3为IEEE14节点系统中局部电网结构和故障分区模型。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种基于分区加权故障匹配的广域后备保护方法，包括以下步骤：

(1)选择两端至少有一个保护启动的线路及其相邻线路作为疑似故障线路L_i(i＝1，2，…n)；

(2)将疑似故障线路L_i划分为m个区段，根据各区段分别故障时相应保护的启动值及方向保护元件综合值D，构造线路L_i第k个区段发生故障时的区段期望保护向量P_i^k；

根据某线路所采用各保护的原理及其对本线路与下一级相邻线路的保护范围，将疑似故障线路L_i划分为5个区段，构造该线路第k个区段发生故障时的区段期望保护向量P_i^k；五个区段的划分规则为：利用每条线路的保护元件启动信号，事先构造和形成某线路各区段分别故障时的5个区段期望保护向量，在线收集和形成某线路的实际保护向量；

当线路的不同位置故障时，根据本线路与相邻线路上各保护原理和范围可得到，某线路的送端的距离I段保护本线路的约70～85％，相邻线路上的距离II段保护本线路的30～40％，线路受电端的距离I段保护及其相邻线路上距离II段保护的范围类似；这样将一条线路L_i划分为5个区段，即从送电端到受电端每隔20％划分为一个区段；分区模型如图2所示；

期望保护向量P_i^k，包含本线路两端的主保护(M_n、M_o)、距离I段保护(I_n、I_o)、距离II段保护(II_n、II_o)、距离III段保护(III_n、III_o)启动值、方向保护元件综合启动值D，相邻线路远端的距离II段保护(II_r)、III段(III_r)保护的启动值及方向保护元件综合值D；P_i中各元素含义与该线路的区段期望向量相同，包含本线路两端的主保护(M_n、M_o)、距离I段保护(I_n、I_o)、距离II段保护(II_n、II_o)、距离III段保护(III_n、III_o)启动值、方向保护元件综合启动值D，相邻线路远端的距离II段保护(II_r)、III段(III_r)保护的启动值及方向保护元件综合值D。P_i和P_i^k两个向量的结构和维数相同。

(3)在线收集疑似故障线路L_i本侧与对侧及相邻各线路的保护启动值，构造和形成线路L_i的实际保护向量P_i；P_i中各元素含义与该线路的区段期望向量相同，包含本线路两端的主保护(M_n、M_o)、距离I段保护(I_n、I_o)、距离II段保护(II_n、II_o)、距离III段保护(III_n、III_o)启动值、方向保护元件综合启动值D，相邻线路远端的距离II段保护(II_r)、III段(III_r)保护的启动值及方向保护元件综合值D；P_i和P_i^k两个向量的结构和维数相同；对于某条线路，它有五个期望保护向量和一个实际保护向量；

定义方向保护元件综合值D：

对于其它各保护元件，发生动作时值为1，不动作为0；

疑似故障线路L_i的实际保护向量P_i为L_i的两端及相邻线路远端的实际保护启动值组成的向量。

以图3系统示意图为例，说明某线路的区段期望保护向量、实际保护向量的计算方法：

图3中线路L₁₅的第k个区段故障时对应的期望保护向量由18位保护启动信号组成：

其中，p₁,p₂,p₃,p₄分别是L₁₅一侧的主保护(M_n)、距离Ⅰ段(I_n)、距离II段(II_n)、距离III段(III_n)的保护启动值；p₅,p₆,p₇,p₈分别是L₁₅对侧的主保护(Mo)、距离I段(Io)、距离II段(IIo)、距离III段(IIIo)的保护启动值；p₉是L₁₅一侧和对侧方向保护元件的综合值D；p₁₀,p₁₁,p₁₂是相邻线路L₁₄远端的距离II段(IIr)、III段(IIIr)的保护启动值及L₁₄的方向元件综合值D；类似地，p₁₃,p₁₄,p₁₅和p₁₆,p₁₇,p₁₈分别是相邻线路L₁₂和L₉远端的距离II段、III段保护启动值及方向保护元件综合值；根据第k个区段的故障位置，可给出该区段中各保护的期望启动值。

对于线路L₁₅，若它在靠近母线B₉的第1个区段发生故障，可得到第1个区段的期望保护向量如下：

括号内元素代表各线路的方向元件综合启动值；

类似地，可得到故障发生在第2、3、4、5区段时，对应的各区段期望保护向量如下：

(4)计算线路L_i的P_i与m个区段的各期望保护向量之间的区段加权故障匹配度，取其中最大值作为该线路的故障匹配度M_i；

根据线路L_i实际保护向量与其各区段期望保护向量之间的区段加权匹配模型；

式中：表示疑似故障线路L_i的实际保护向量P_i与该线路第k个区段发生故障时的期望保护向量P_i^k之间的区段加权故障匹配度；

N_i表示实际保护向量P_i的维度；

P_ij表示实际保护向量P_i中第j个元素；

表示第k个区段期望保护向量P_i^k中第j个元素；

T_i^k表示疑似故障线路L_i的第k个区段发生故障时L_i两端各广域保护期望动作值的加权之和；

ω_j表示各广域保护的权重系数。

定义了疑似故障线路L_i的故障匹配度，即取线路L_i的实际保护向量P_i与m个区段期望保护向量之间的加权故障匹配度中最大值，作为线路L_i的故障匹配度M_i，计算方法如下：

根据上式，从线路L_i的m个区段加权故障匹配度中，获得线路L_i的故障匹配度M_i。

采用上述函数，分别带入线路L_i的实际保护向量，其五个区段期望保护向量，可得到线路L_i的五个区段加权故障匹配度(M_i¹,M_i²,M_i³,M_i⁴,M_i⁵)，取其中最大值作为该线路的故障匹配度M_i；

故障线路的故障匹配度比正常线路的故障匹配度大得多，这成为检测故障线路的重要依据；

现说明某线路故障时各相关线路的故障匹配度求取方法；设置图3中线路L₁₅的B₉侧5％处发生故障；设L₁₅两侧主保护、L₁₅的B₉侧距离I段拒动，其它保护均正确动作，则L₁₅的实际保护向量如下：

其中该向量的元素加下划线表示保护拒动；

L₁₅的各保护的权重ω_j取值为：

[ω₁,ω₂,…,ω₁₈]＝[3,3,2,2,3,3,2,2,3,2,2,3,2,2,3,2,2,3]

L₁₅的5个区段的保护动作加权之和向量T₁₅为：

线路各区段的期望保护加权之和有所区别，线路中间和两头区段的期望保护启动值加权之和较小，而2区和4区的期望保护启动值加权之和最大；根据加权故障匹配函数计算得到L₁₅的实际保护向量与其5个区段的期望保护向量之间的匹配度分别为五个区段中第一区段的故障匹配度最大，取其作为L₁₅的故障匹配度M₁₅，即M₁₅＝0.719。

类似的，可得到正常线路L₁₄的期望保护向量和实际保护向量，期望L₁₄的期望保护响铃不再重述，其实际保护向量如下：

L₁₄的5个区段的保护动作加权之和T₁₄为：

由于L₁₄和L₁₅的相邻拓扑结构不同，相应的T₁₄与T₁₅略有差别；根据加权故障匹配函数计算得到L₁₄与其5个故障期望保护向量之间的区段匹配度分别为：得到L₁₄的最终故障匹配度M₁₄＝0.344。

图3为IEEE14节点系统中局部电网结构和故障分区模型，以线路L₁₅为例，说明本发明的有效性和容错性。

(5)构建三个故障判据，如果某线路满足故障判据，则判断其为故障线路；如果不满足故障判据，则判断是否遍历了所有疑似故障线路L_i，如果是，则退出，否则，重复步骤(1)-步骤(4)。

首先采用广域后备保护故障判据

即，当疑似故障线路L_i的故障度M_i比其所有相邻线路L_k的故障度M_k都大，且M_i与M_k的差值都大于0.15，且M_i大于故障度阈值M_set，则判断L_i为故障线路；M_set建议设为0.4～0.45。

当保护误动或信息畸变位数较多(如四位及其以上)时，可能会出现少量的故障线路的故障度与其相邻某正常线路的故障度接近的特殊情况，此时采用广域后备保护故障判据不能准确判断出故障线路，在广域后备保护故障不成立的情况下，采用以下故障判据；

式中：p_j,Li为疑似故障线路L_i的实际保护向量中第j个保护元素；表示疑似故障线路L_i两侧已启动的保护元件数目之和；即某线路两端的主保护、距离I段、II段、III段保护启动值及方向元件综合值；表示疑似故障线路L_k两侧已启动的保护元件数目之和；

即：当疑似故障线路L_i的故障度M_i比其所有相邻线路L_k的故障度M_k都大，且疑似故障线路L_i的故障度M_i与其相邻线路L_k的故障度M_k的差值小于0.15(两个故障度较接近)，且M_i大于故障度阈值M_set，且L_i两侧已启动保护元件数目之和大于L_k两侧已启动保护元件数目之和，则判断L_i为故障线路。

当保护误动或信息畸变位数达到7位及以上时，可能会出现故障线路的故障度与其相邻某正常线路的故障度都小于M_set，在上述两个判据都不成立的情况下采用以下判据：

即：当疑似故障线路Li的故障度Mi小于故障度阈值Mset，且大于第二故障阈值Mset2，且所有相邻线路Lk的故障度Mk都小于Mset2时，则判断Li为故障线路；Mset建议设为0.3～0.35。

实施例1

假设图3中线路L₁₅的B₉侧10％处发生A故障，L₁₅的B₉侧主保护拒动、L₁₅的B₉侧距离I段保护拒动；在线收集线路L₁₅、L₁₄、L₁₂、L₉的两端的保护启动信号，发现它们都至少有一个保护启动信号为1(保护启动)，再收集这些线路及其相邻线路的广域保护启动信号，形成这几条线路的实际保护向量(元素加下划线表示保护拒动)：

计算这几条线路的故障匹配度分别为M₁₅＝0.812，M₁₄＝0.344，M₁₂＝0.344，M₉＝0.194。

由广域后备保护故障判据，可判断L₁₅为故障线路，此时有两位保护拒动，本方法能正确判断出故障线路。

实施例2

设图3中线路L₁₅的B₉侧10％处k1发生A相故障；L₁₅的两侧主保护拒动、L₁₅和B₉侧距离I段保护拒动，相邻线路L₁₄的B₉侧距离II段保护误动；

在线收集线路L₁₅、L₁₄、L₁₂、L₉的两端的保护启动信号，发现它们都至少有一个保护启动信号为1(保护启动)，再收集这些线路及其相邻线路的广域保护启动信号，形成这几条线路的实际保护向量(元素加框表示保护误动)：

计算这几条线路的故障匹配度分别为M₁₅＝0.719，M₁₄＝0.406，M₁₂＝0.344，M₉＝0.194。

由广域后备保护故障判据，可判断L14为故障线路；尽管当前情景有四位保护误动与拒动，本发明方法仍能正确判断出故障线路。

实施例3

设图3中线路L₁₅靠近母线B₉处AB两相短路故障；设L₁₅两侧的主保护拒动、L₁₅的B₉侧距离I段保护拒动、L₁₅的B₉侧的方向元件拒动(由1变成0)、相邻线路L₁₄的B₉侧的方向元件误动或畸变(由0变成1)；在线收集线路L15、L14、L12、L9的两端的保护启动信号，发现它们都至少有一个保护启动信号1(保护启动)，再收集这些线路及其相邻线路的广域保护启动信号，形成这几条线路的实际保护向量(元素加框表示保护误动)：

计算这几条线路的故障匹配度分别为：M₁₅＝0.531，M₁₄＝0.531，M₁₂＝0.344，M₉＝0.290。

对于L₁₅和L₁₄有5位保护拒动与误动的异常情景，L₁₅与L₁₄的故障匹配度相等，且都大于0.4，此时运用广域后备保护故障判据2，比较两条线路的保护动作数目之和，可准确判断故障线路为L₁₅，不会将L₁₄误判为故障，与实际情况相符。

实施例4

假设图3中线路L₁₅的B₉侧10％处AB两相短路故障；设置L₁₅的B₉侧的保护设备失效；在线收集线路L₁₅、L₁₄、L₁₂、L₉的两端的保护启动信号，发现它们都至少有一个保护启动信号为1(保护启动)，再收集这些线路及其相邻线路的广域保护启动信号，形成这几条线路的实际保护向量(元素加框表示保护误动)：

计算这几条线路的故障匹配度分别为：M₁₅＝0.594，M₁₄＝0.438，M₁₂＝0.438，M₉＝0.161。

运用广域后备保护故障判据1，判断L₁₅故障；虽然线路保护设备失效造成5位保护拒动，但本方法仍能正确判断出故障线路。

实施例5

假设图3中线路L₁₅的B₉侧30％处A相高阻接地故障，假设L₁₅两侧主保护拒动、L₁₅的B₉侧距离I段保护拒动；同时受长短线保护配合及运行方式影响，段线路L₁₅的B₁₀侧距离I段仅保护到本线路60％处，L₁₄的B₈侧距离II段仅保护到L₁₄的末端，L₁₂的B₅侧距离II段仅保护到L₁₅的5％处，此情景下多个保护因整定不当而发生拒动；在线收集线路L₁₅、L₁₄、L₁₂、L₉的两端的保护启动信号，发现它们都至少有一个保护启动信号1(保护启动)，再收集这些线路及其相邻线路的广域保护启动信号，形成这几条线路的实际保护向量(元素加框表示保护误动)：

计算这几条线路的故障匹配度分别为M₁₅＝0.6452，M₁₄＝0.2188，M₁₂＝0.2188，M₉＝0.1935。

运用广域后备保护故障判据1，判断L₁₅故障；虽然此时线路L₁₅两侧主保护及I段都拒动，且相邻线路II段整定不合适，但本方法仍能正确检测出故障线路。

下面对本方法的容错性进行验证

对于图3典型电网结构，设L₁₅为故障线路，则较严重情景是拒动与误动保护都集中在L₁₅及其某相邻正常线路上；为简化实验且不失一般性，本发明以故障线路L₁₅和其相邻正常线路L₁₄为实验对象(拒动与误动保护只存在于L₁₅和L₁₄的保护向量)，它们实际保护向量各有18位，去除重复位，计算这两个线路的故障匹配度时一共有27位保护信息；针对L₁₅的五个区段分别故障的各种情景，为了检验实际情况下可能存在的保护实际动作及各种特殊情况；本发明采用穷举法进行仿真实验，对于1位到7位保护分别出错的情景，分别模拟所有可能出错情况，检验本发明检测故障的容错性，结果如表1所示：

表1 采用穷举法检验本发明的容错性

表1中6*、7*分别表示去掉单条线路保护误动位数在四位及其以上的六位、七位出错情景。

由表1可见，在五位及以下保护随机出错时均能达到100％检测正确性；对于六位保护出错情景，本发明达到了99.87％正确率，仍具有很高的容错性；

六位及其以上保护出错时，正常与故障线路保护启动情况有可能很相似，导致误判或判据失效，多发生在单条线路的保护误动位数在四位及以上；这在工程实际中几乎不会发生，去除这种极端误动情景后的六位、七位实验结果见表1的6*、7*，可看到误动及失效数量下降很多，此时对于六位出错，本发明几乎达到100％正确率。

各保护的权重值对本方法的容错性也有较大影响，根据保护原理和仿真试验，确定主保护、距离I段、距离II段、距离III段，方向元件对应合适的权重系数分别为3、3、2、2、3；通过仿真实验结果也验证了它们是合理的；本发明将主保护、距离I段的权重系数适当降低，避免了正常线路两端的这两类保护误动时可能带来的误判情况；本发明考虑了故障线路上多位保护拒动、某相邻正常线路上多位保护误动，正常与故障线路匹配度接近的极端情况，给出多个故障判据，在整体上提高了广域后备保护方法的容错性。