智能变电站继电保护装置智能运维自动化控制方法

赵志勇，卞振华，王雁冰

（国网盐城供电公司，盐城 224000）

电网是国家的重点建设项目，其安全稳定运行是电力系统的关键[1]，目前存在的继电保护装置的运维方法不足以支撑现有变电站的需求[2]，因此需要对继电保护装置的动作进行控制，从而保证变电站的正常运行[3]。

文献[4]首先对变电站的换流站进行分析，得出电力系统中继电保护动作对故障的影响，从而对继电保护的适应性进行评判，得出不同状态下变电站继电保护运维的控制方法，实现继电保护装置智能运维自动化控制。但是当电力系统受到故障等不良影响时，该控制方法的阶跃响应能力较差，可能会导致系统对故障的反应延迟，从而无法及时采取措施进行保护；文献[5]通过鲸鱼算法计算出三参数Weibull 分布函数，建立继电保护运行状态转移模型，并根据变电站检修计划计算出状态转移概率结果，基于该结果对继电保护进行修正，实现继电保护装置智能运维自动化控制。但是经过控制后，电力系统频率和电压的波动依旧较大，同时也增加了变电站功角震荡幅度，对电力系统的稳定性和可靠性造成一定的影响。

为了解决以上存在的问题，提出智能变电站继电保护装置智能运维自动化控制方法。

1 继电保护装置控制区间动作决策

1.1 中和评判值计算

由于继电保护需要控制的动作是一小部分[6]，为了加强控制效率，需要对继电保护装置控制区间动作进行决策[7]。

在保证电网安全性的基础上设置出继电保护控制所需的参数，也为了进一步加强继电保护动作的正确性[8]，依据继电保护的运行和智能变电站的运维模式得出继电保护装置控制的评判集，其表达式为

式中：S 代表运维控制评判集合；s1代表电网需要立即进行运维控制的位置；s2代表可以优先运维控制的位置；s3代表需要定期运维控制的位置；s4代表可以延迟时间运维控制的位置。

设立运维因素值为ζ＝｛ζ1，ζ2，…，ζn｝和评判集之间的灰色模糊联系视为运维控制评判矩阵，依据电力系统的运维因素得出评判集对应的模糊区间，在电网运维信息的帮助下得出对应的灰度区间，其表达式为

式中：C代表信息完整度的灰色模糊关系矩阵；和均代表信息完整度；均代表灰度区间；n 代表评判因素个数；m 代表信息数量[9]。

因为智能变电站的运维因素权重均是通过定量描述得出的[10]，且权重因素也表示决策在运维控制中所占的比重，计算出有序加权平均算子函数的加权向量，以此得出继电保护运维决策结果，有序加权平均算子函数OWA 的加权向量表达式为

式中：OWAω表示有序加权平均算子函数的加权向量；ωj代表数据集（a1，a2，…，an）的第j 个元素的加权向量；bj代表数据集（a1，a2，…，an）的第j 个元素。其中，加权向量ω的计算公式为

式中：α 代表区间［0，1］的任意数。

通过有序加权平均算子函数的加权向量对继电保护策略sj的因素实施集结处理，得出sj的中和评判值Zj，其表达式为

1.2 获取控制区间动作决策结果

因为继电保护策略的中和评判值Zj属于区间数，决策出继电保护策略需要将区间数转换成实数并对其排序，得出转化后中和评判值Zj中的灰部tj，转化后的tj标记为，获取继电保护装置控制区间动作决策结果，其表达式为

式中：Fθ表示继电保护装置控制区间动作决策结果；θ＝｛θ1，θ2，…，θn｝代表不同继电保护控制策略的风险。

通过上式得出各个继电保护策略的综合评判结果，将不同继电保护策略进行对比，获取继电保护装置控制区间动作决策。

2 继电保护装置智能运维控制

继电保护的智能运维控制的本质是保证电力系统运行的稳定性[11]，根据以上得出的继电保护决策计算出继电保护的整定值，计算故障点转子差异，实现对继电保护装置智能运维的自动化控制。

2.1 整定值计算

根据以上分析可知，当电力系统发生非正常运行时，接地电阻最大能到达300 V，根据继电保护动作灵敏度的规定，继电保护动作的灵敏度K 必须大于等于1.5，由此得出继电保护动作的实时值为

式中：Up代表继电保护动作的实时值；U0代表零序电压。

Ⅱ类电网是指电压等级在110 kV 及以上、220 kV及以下的输电网。对于Ⅱ类电网而言，其故障后恢复供电的时间要求比较高，其负载较大，一旦发生故障，将会对用户造成较大的损失。因此要求Ⅱ类电网的故障恢复时间不超过2 s，即Ⅱ时限必须小于2 s，且Ⅰ时限中需要带有固定的延时Δt，Δt 必须与Ⅰ时限配合，进而得出Ⅱ时限的整定值计算公式为

在进行继电保护正常运维控制过程中必须符合式（8）的整定值。

2.2 故障点转子差异计算

在以上要求和决策排序的基础上对变电站的运维进行控制。运维控制过程中变电站使用暂态电抗，因此变电站的电势以及机械功率均固定不变，则电力发电系统的状态表达式为

式中：δ 代表变电站的转子角度；ψ 代表变电站的转子角速度；Pm代表变电站的机械功率；Pe代表变电站的电磁功率；Tj代表指标泛涵增量。

电磁功率Pe的计算公式为

式中：Vs代表变电站无限大的母线电压；R 代表变电站到最大母线之间的总阻抗；E′代表恒定电势。

则总阻抗R 的计算公式为

式中：r1代表延迟电抗；r2代表暂态电抗；r3代表串联阻抗对应的电抗，即继电保护动作的运维结果；r4代表电感对应的电抗。

假设变电站的机械功率始终固定，则电力系统变电站的状态在将故障排除前，则原始转子角度和故障运行点转子角度之间的差异与原始转子角速度和故障点转子角速度之间的差异的计算公式为

式中：Δδ 代表原始转子角度和故障运行点转子角度之间的差异；Δψ 代表原始转子角速度和故障点转子角速度之间的差异；Δpe代表原始电磁功率故障运行点电磁功率之间的差异。

2.3 继电动作最优控制结果求解

将Δpe视为控制变量，即可生成变电站继电动作的线性状态公式：

为了确保运维控制过程中能确保二次性能指标泛涵是极小值，将以上要求添加到雷文-欧萨斯方程中，进而生成指标泛涵为最小的运维控制结果u，其表达式为

式中：κ 代表输出量的最优反馈增益。

结合变电站到最大母线之间的总阻抗R 和电磁功率Pe的计算公式，可以整理得出变电站继电动作的最优控制结果为

通过上述内容，可以实现对继电保护装置智能运维的自动化控制方法的设计。

3 实验结果与分析

为了验证智能变电站继电保护装置智能运维自动化控制方法的整体有效性，现针对所提方法进行一系列相关测试，并与继电保护设备动作预测方法和电网故障耦合特性分析与继电保护研究方法进行比较。

3.1 实验设置

选择某智能变电站继电保护装置作为测试对象，该装置为上海扬测电气有限公司生产的YCJB-3600C 型号继电保护装置，测试环境如图1 所示，装置参数如表1 所示。

表1 智能变电站继电保护装置参数Tab.1 Parameters of intelligent substation relay protection device

图1 智能变电站继电保护装置Fig.1 Intelligent substation relay protection device

实验主要从2 个方面入手，分别是阶跃响应以及变电站功角震荡，在2 种指标下对比3 种方法的最终实验结果，根据实验结果详细证明所提方法的运维控制能力强。

3.2 阶跃响应

电力系统因各个时间段用电量的不同，其负载程度也不尽相同，波动太大会造成电力系统故障，为了保证变电站的正常运维，继电保护动作控制尤为重要。在不同负载程度下，继电动作要及时做出响应，以便应对相应情况，分别在变电站负载为0.1～1.0 Ω 下计算出3 种方法对应的相位上升所需时间、变电站超调量以及继电动作稳定时间，实验结果如表2 所示。

表2 不同负载程度下三种方法的阶跃响应Tab.2 Step response of three methods under different load levels

根据实验可知，当负载值越大，相位上升所需时间越多，其中所提方法在不同负载程度下的用时均为最短。并且所提方法的超调量均在10%以下，在允许范围内，其余两种方法均超过10%，说明所提方法的稳定性较好。并且继电动作的稳定时间始终不超过15 s，相对较短，说明所提方法的阶跃响应能力较好，运维控制能力较好。

3.3 变电站功角震荡

变电站因各种外部因素会导致其功角出现较大波动，这十分不利于变电站的稳定输出，因此分析3 种方法控制后的变电站功角变化曲线。未进行继电保护运维控制时变电站功角的震荡频率如图2中的曲线1 所示，3 种方法的控制结果如图2 所示。

图2 三种方法控制后的变电站功角变化曲线Fig.2 Power angle variation curve of substation after three methods of control

根据实验结果可知，经过运维控制后的功角摇摆曲线的波动幅度明显变小，说明运维控制是十分有必要的，且对继电动作的帮助较大。通过对比3种控制方法的结果发现，所提方法控制下的曲线波动最小，说明变电站输出变得更加稳定。

4 结语

变电站的稳定输出是电力系统的重中之重，无论是继电保护或是故障检测均是为了确保变电站的稳定运行，为此提出智能变电站继电保护装置智能运维自动化控制方法，首先构建继电保护装置控制区间灰色模糊关系矩阵，其次根据得出的继电保护动作得出继电保护整定值，最终根据使用输出量反馈最优控制实现继电保护装置智能运维自动化控制，解决了阶跃响应能力差以及变电站功角震荡幅度大的问题，进一步加强变电站的运行稳定性。