张树森，王敬军，孟伟，李雪冬

（1.河南电力调度控制中心，河南郑州450000；2.北京中恒博瑞数字电力科技有限公司，北京市海淀区100085）

电网技术

基于整定计算系统的保护动作评价分析

张树森1，王敬军1，孟伟2，李雪冬2

（1.河南电力调度控制中心，河南郑州450000；2.北京中恒博瑞数字电力科技有限公司，北京市海淀区100085）

针对传统的基于设备定位故障的处理方法在准确度上存在的局限性，基于故障信息系统及整定计算系统，提出结合仿真算法及专家系统的保护动作评价分析方法，并通过与整定计算系统接口获取电网数学模型，采用故障测距实现故障定位，提高故障定位的准确性，为正确评价保护动作奠定基础。研究结果表明：该方法获得的保护动作评价分析结果准确，可推广至其他电网应用。

故障信息系统；仿真算法；保护动作；故障测距；故障定位

继电保护装置是电力系统二次系统的重要组成部分，随着智能电网的快速发展，其快速信息发送及准确切除故障在保障电网的安全可靠运行中发挥着重要作用。而保护动作准确性评价一直困扰着业内工作人员，因此，准确的评价和分析保护装置的动作信息成为了调度及保护专业长期研究的重点问题之一。

1 研究现状及需要解决的问题

1.1 研究现状

目前常用的保护动作评价分析方法有专家系统和遗传算法，其中专家系统主要是根据专家知识库对保护动作进行推理分析；遗传算法通过优化故障信息，并在此基础上结合专家系统实现保护动作评价分析。文献［1-2］介绍了继电保护智能支撑平台的结构和功能，基于继电保护故障信息系统，采用正向推理实现了保护动作的评价；文献［3］采用遗传算法对故障信息进行优化，准确定位故障，建立了专家系统和评价流程。文献［4］采用录波软件及故障录波数据对220 kV线路单相瞬间接地故障下差动保护及纵向零序保护的动作进行评价及分析。文献［5］以电网拓扑结构为基础，完成了对电网断路器及保护动作性能的评估，并基于此，采用遗传算法实现了保护动作性能分析。

1.2 需要解决的问题

由于遗传算法只能在局部寻优，不能很好地对全局信息进行评价分析，本文提出一种新方法，在故障定位的精确性及保护评价的全面性上具有一定的优势。需要解决如下问题：

（1）电网数学模型是故障定位的基础，新方法需提升电网模型获取的来源，保证电网模型的正确性；

（2）故障元件定位正确是保护动作正确评价的基础，新方法需提高故障元件定位的精确性；

（3）为避免遗传算法给出的保护动作评价信息的片面性，新方法需考虑从全局寻优，对保护动作全面评价。

2 解决方案

为完成上述研究目标，本文提出结合故障仿真算法及专家系统实现保护动作评价分析。首先从整定计算软件中获取电网模型、定值等信息，再依据故障信息系统提供的保护动作信息及故障录波信息，获取故障范围，并进一步定位故障位置，最后基于故障仿真模拟故障及专家系统正向推理，实现保护动作分析，并采用C编程语言形成一套实用的系统。

2.1 系统总体设计

本分析系统基于继电保护整定计算系统［6-8］与故障信息系统实现的保护动作分析，总体设计思路如图1。图1中，首先获取数学模型及故障信息，然后通过仿真进行故障定位，最后采用专家系统对保护动作进行评价。

图1 总体设计流程

2.1.1 数据模型的获取

通过与整定计算系统接口，获取电网模型，包括设备拓扑连接关系、运行方式、保护定值、一次设备与保护装置的关联等信息，并可自动获取实时方式。

2.1.2 故障信息获取

保护动作信息和故障录波信息取自故障信息系统，其中保护动作信息包括保护动作开关、保护类型、保护段数及动作时间等信息，故障录波信息是指当系统发生故障时，故障录波器记录的故障前、后的各种电气量信息，包括相电压、相电流、3倍零序电压、3倍零序电流等信息。

2.1.3 保护动作行为评价

首先基于数学模型和故障信息，定位故障位置；然后根据保护与被保护设备范围，形成专家系统正向推理规则，评价保护动作行为。

2.2 系统实现方法

2.2.1 故障定位

故障定位［9-15］是保护动作评价分析的前提，根据录入的保护动作信息和故障录波信息实现故障设备和故障类型的定位，实现步骤如下：

（1）数据准备。获取数学模型和故障信息。

（2）故障类型的确定。根据录波信息判断故障类型，若故障设备为线路，还需定位故障点距离线路首端的百分比。故障类型判断采用故障边界条件分析，如：

首先判断是否存在零序电流，存在，则为接地故障，然后按照单相接地故障或两相接地故障边界条件判别；若不存在，按照两相相间和三相相间条件判别。

（3）可疑元件库的形成。根据保护动作信息及各动作保护的保护范围来确定可疑的故障元件。若主保护动作且无拒动开关时，其可疑故障元件为主保护所关联的设备；若设备类型为线路，需采用双端测距或单端测距［16-18］方法定位线路位置；若后备保护动作或有拒动开关，将所有动作设备加入可疑故障元件中，计算各个动作保护的保护范围，并求取交集，将结果与可疑故障元件再次求取交集得到故障范围。

（4）故障元件定位。若存在故障范围且故障范围中只有一个设备，则该设备为故障元件；若存在多个设备，则在故障范围内设置故障，比较电压电流关系，确定故障点；若不存在故障范围，则按保护动作正方向进行搜索，获得一个闭合区域，进而获取故障元件。

2.2.2 保护动作评价

保护动作评价是根据保护动作信息、定值信息及故障定位信息综合实现的，其实现原理如图2所示。图2中主要对主保护及后备保护信息进行分析，对故障定位信息进行仿真，获取故障位置，对保护动作评价进行分析，给出保护动作的正确度。

图2 保护动作评价分析原理

为了更直观地判断保护动作，在保护动作评价分析中采用了正向推理规则［19-20］及对应的保护正确度计算方法。

（1）若为主保护动作，且各差动支路电气量满足动作条件，则保护正确动作，记保护正确度为100分；若仅时间定值满足，则记保护正确度为50分；

（2）若为后备保护动作，且为失灵保护动作，若跳闸开关及时间都正确，记保护正确度为100分；若仅动作时间定值正确，则记保护正确度为20分；

（3）若为后备保护动作，且不是失灵保护动作，则需根据故障定位信息及对应的设备保护定值，启动计算机仿真，获得仿真对应的保护动作信息及动作开关，最后通过比较仿真结果及从故障信息系统获取的保护动作信息，设正确度总分为100分，仿真需动作的保护数为N，则每少动作或多动作一个保护（或设备），扣除100/N分，即每个保护（设备）计M=100/N（分）；每个保护或设备的分值M中，段数错误扣除1/3的分数，动作开关错误扣除1/3的分数，最终得到保护动作正确度。

2.3 评价指标

本文提出采用保护正确度作为标准进行评价，评价规则如下：

（1）若正确度在0～20分之间，则表示保护不正确动作；

（2）若正确度在20～60分之间，则表示保护动作存在问题，即仅动作时间满足；

（3）若正确度在60～80分之间，则表示保护基本正确动作；

（4）若正确度在80～100之间，则表示保护正确动作。

2.4 仿真验证

以某电网的部分电网模型为仿真对象，电网模型如图3所示。图3中包含变电站A—E共5个变电站，L1—L7共7条线路，10个变压器等，本文以相间距离保护为例，且所有线路上都装设了相间距离保护。

当发生某一故障时，变电站A、B、C的故障录波数据如表1和表2。表1中记录了断路器的装设位置、保护动作类型、保护动作段及保护动作时间；表2中记录了断路器23、断路器10及断路器28的三相电压、电流信息及3倍零序电压、电流信息。

图3 仿真实例

（1）本文采用的基于正向推理的继电保护动作评价体系具有坚实的理论基础，具有良好的科学性。

（2）基于整定计算系统的保护动作评价体系将专家系统算法与故障仿真算法结合，并基于整定计算系统的数学模型实现故障定位，具有一定的创新性。

（3）关键技术：根据保护故障录波信息中故障后的电气量信息判断故障类型，并结合保护动作信息形成可疑元件库，进而获取精准的故障定位信息，再基于故障定位信息采用正向推理的专家系统进行保护动作评价分析；

（4）通过实际电网验证及保护正确度评价，基于整定计算系统的保护动作评价体系获得的保护动作评价分析结果准确，具有重大的实用意义，可推广至其他电网应用。

由表1中的保护动作信息可知，断路器23、断路器10、断路器28动作，又根据表2录波信息中无零序电压、电流，可知故障类型为相间故障，又故障后A相电流为0，进而可得故障类型为两相相间故障，通过仿真结果判断故障位置为在L5距离变电站B 57.00%处发生BC相两相相间故障。

表1 保护动作信息

表2 故障录波信息

保护动作推理：根据专家系统知识库可知，当在L5距离变电站B 57.00%处发生BC相两相相间故障时，则线路L5两端的保护应动作，即断路器23、断路器34应动作，此时故障应被切除，但保护动作信息中作为相邻线路L5后备保护对应的断路器10和断路器28动作，进而推理出断路器34拒动。

通过仿真结果得保护动作评价：

（1）变电站B_断路器23动作正确；

（2）变电站A_断路器10正确动作；

（3）变电站C_断路器28正确动作；

（4）变电站D_断路器34拒动。

根据保护动作推理，可知仿真结果得到的保护动作评价完全正确，验证了该方法的准确性。

3 效果评价

（1）在仿真实验验证中，通过与整定计算系统接口，获取了部分实际电网模型，保证了故障定位数学模型的正确性，相对于文献［1］、文献［5］采用的IEEE电网模型更具有说服力及实用价值；

（2）由于整定计算系统中的定值仿真算法可真实模拟电力系统故障时保护定值的动作情况，并已在国家电网各级调度单位得到很好的应用，本文中的故障定位方法是基于该仿真算法实现的故障定位，相对于文献［2］《220～500 kV电力系统故障动态记录技术准则》中采用的故障分析方法及文献［3］中采用的遗传算法实现的故障定位，该仿真算法对线路的故障位置的定位更准确且保证了故障定位的精确度，克服了遗传算法在定位故障时局部寻优的缺陷。

（3）专家系统中的知识库是基于历史经验根据故障信息推理出保护与断路器的动作情况，知识库中包含的信息非常全面，克服了文献［5］采用遗传算法在保护动作评价上的片面性。

4 结论

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The analysis of protection action evaluation based on setting calculation system

ZHANG Shusen1,WANG Jingjun1,MENG Wei2,LI Xuedong2
(1.Henan Electric Power Dispatching Control Center,Zhengzhou Henan 450000,China;2.Beijing Join Bright Digital Power Technology Co.,Ltd.,Beijing 100085,China)

Aiming at the limitation of the accuracy existing in the traditional treatment method based on the equipment fault location,on the basis of the fault information system and setting calculation system,puts forward the evaluation and analysis method which combining with simulation algorithm and expert system to achieve protection action,acquires power grid mathematical model through the interface with setting calculation system,adopts fault distance detection to realize fault location,improves the accuracy of fault localization,and lays the foundation for the accurate evaluation of the protection action.The research result shows that the evaluation result of protection action by this method acquired is accurate,and can apply to other power grids.

fault information system；simulation algorithm；protection action；fault distance detection；fault location

TM 744.4

A

1672-3643（2017）04-0001-05

有效访问地址：http∶//dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.04.001

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.04.001

2017-05-05

张树森（1982），男，硕士研究生，主要研究领域为电力系统自动化。