自适应技术在电力系统继电保护中应用

电力自动化设备自适应技术在电力系统继电保护中应用陈皓（四川大学电力系，四川成都610065）究方向。利用通信网络更加灵活地获取和应用故障信息，将人工智能技术应用于故障信息处理继电保护装置有望获得更强的自适应能力，从而显著提高其动作性能。 EleetroniePublishi常运i行时动作判据的不平衡输出有关。在采用自近年来，人工智能技术，如神经网络、模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用，在继电保护领域应用的研究也己开始。充分利用人工智能技术采用适当的通信网络，以获取更多的故障信息，继电保护装置有望获得更强的自适应能力，从而显著提高其动作性能。 1自适应技术在继电保护中的应用自适应继电保护是20世纪80年代提出的研究课题提出了新的方案：在微机保护平台上，以刀闸辅助接点为主，根据各单元负荷电流的计算校验刀闸辅助接点的正确性并自动纠正其错误。每副刀闸仍引入一对接点，由微机实时计算电流瞬时值，根据电流判据，将稳态与暂态判断相结合，实时发现并纠正辅助接点的错误，以实现母线运行方式自适应的新方案，从而提高母差保护动作的正确率。 1.1.2利用被保护元件的实时信息实现自适应功能另一类信息是与被保护电气元件直接相关的信息。传统的继电保护装置大都使用保护安装处所获得的实时故障信息进行故障判别。对其合理利用，同样可获得更好的自适应动作特性。 通常，电流速断保护动作值是按躲开线路末端的三相短路故障电流而定的。在发生二相短路时，保护动作的灵敏度大大减小。在采用自适应技术后，当故障发生时，保护首先判别系统运行方式和故障类型，再根据不同的故障类型自适应调整电流保护动作值，从而大大提高了保护动作的灵敏度。提出了实现自适应电流速断保护的基本方法。电流速断保护的整定值应随电力系统运行方式和短路故障类型的实际情况而改变。为实现电流速断的定值自适应整定，必须实时确定短路故障的类型和系统等值阻抗，需要分别考虑短路故障类型和系统运行方式的自适应处理。 在自适应过电流保护中将保护的动作值整定为固定门槛值和自适应浮动门槛值2部分。自适应浮动门槛值与适应浮动门槛值后，保护在不同类型故障中均有较高的动作灵敏度。讨论了故障分量的保护启动方式。在正常运行时，故障分量同样会有不平衡输出。取故障前一周期不平衡输出的*大值作为故障启动判据的自适应浮动门槛值，则固定门槛值可大大降低，例如取其为线路额定电流的10%，即可大大提高保护启动的灵敏度。 直接利用发电机机端及中性点三次谐波电压，可反映发电机中性点附近的接地故障；但三次谐波电压的接地保护在正常运行时的工作量与发电机工况有关，普遍存在保护灵敏度不够和不正确动作率较高的现象。提出一种自适应的三次谐波电压发电机定子接地保护原理，保护对三次谐波进行实时自动跟踪。由于发电机正常运行方式的改变与系统振荡引起的三次谐波电压及其比值的变化较发电机定子接地故障时的变化相对要缓慢得多，使用自适应微机保护能够自动跟踪这种慢速变化，从而大大提高保护灵敏度。 1.1.3使用变电站综合信息实现自适应功能变电站自动化系统的发展为实现整个变电站实时信息的综合利用提供了条件。这类信息除了包括开关量信息及每一个电气元件上的实时电流、电压信息外，还包括每一电气元件保护的动作信息。对同一元件不同原理的继电保护装置动作行为进行综合分析，可以*大限度地发挥不同原理继电保护装置优势，获得保护的综合*优动作特性。对相邻电气元件继电保护装置动作行为进行综合分析，还可能实现对非故障元件继电保护装置更加可靠的闭锁。另一方面，综合使用变电站故障信息，加了故障信息冗余度，也就提高了计算机继电保护的可靠性。为实现整个变电站实时信息的综合利用，必须采用快速故障信息交换技术。 国内一些单位开始了对分布式母线保护的研究。分布式母线保护采用网络技术实现故障数据的共享。在母线连接20条出线的情况下，估算出通道的*小数据传输率应为3. 52Mbit/s为此选用了IEEE-88标准总线构成通信网。目前，IEEE-88总线的*大数据传输率可达8Mbit/s完全能够满足分布式母线保护对数据传输率的要求。随着这些研究成果的逐步应用，自适应保护完全可以实现其故障信息集成。 综合利用变电站线路保护的方向元件实现方向式母线保护的设想己提出很久提出了一种基于线路闭锁式方向纵联保护构成的分散的线路对待，母线上连接的各个电气元件则可视为多端线路的一端。由于母线保护不必考虑选相跳闸，如果母线处于一个开闭所内，即母线上只连接有线路，采用闭锁式线路保护原理，将各条线路反映区外故障和区内故障的元件组合在一起，即可构成母线保护。当线路发生故障时，故障线路段瞬动接点发出闭锁信号，母线保护不能跳闸；当母线发生故障时，反映区内故障的元件动作，同时没有闭锁信号，母线保护正确动作。由于是建立在完善的微机线路保护基础上，正、反方向元件应能瞬时反映各种类型故障，这种方向式分散布置的母线保护，各间隔单元之间相互交换的信息量小，可通过简单可靠的通信网络实现。充分利用己有的微机线路保护，能随线路保护的双重化而双重化。母线保护建立在成熟的微机线路保护基础上，可将电压闭锁量分散布置，其可靠性高，同时，母线保护也将不再受到TA饱和的影响。 1.1.4利用远方信息实现自适应功能随着电网调度自动化的发展，还可利用各种通信方式从相邻变电站和调度中心获取有用的其它信息。 当然，用通信方式获取远方信息要求具有完备的实时通信手段。对信息传送的基本要求主要是其实时性和可靠性。只有实时的数据传送，才能完成继电保护的实时自适应功能；而可靠的数据传送，则是实现高度可靠的自适应继电保护的基本前提。可以预料，数字通信方式将在其中起到重要作用。例如，在一些复杂的难以判别的故障状态下，可利用相邻变电站的故障信息实现更为可靠的自适应继电保护。随着通信技术的发展，采用高速数据通道实现变电站故障数据共享的新型保护己开始得到研究和试验。 合业务数字网为基础的高速数据通道实现自适应广域电流纵差后备保护的新方案。采用这一技术用户与宽带综合业务数字网之间的接入速度将达到155Mbit/s可非常容易地实现变电站故障数据的共享。在主保护发生故障情况下，利用广域通信网获得必要的故障电流信息，可实现自适应广域电流纵差后备保护的快速动作。 布置母线保护。其基本原理是把母线当作1条超~ishl电线路的双端测距具有较重要的意义。bookmark1方法，并将其应用于输电线路的双端测距中。它取线路长度为线路杆塔间的水平距离，把各种因素对线路参数的影响统一归入线路参数的变化；借助双端或多端通信工具，自适应半实时在线估计线路参数，以提高双端测距的精度。在双端测距中，利用己有的硬件设备，可有效地削弱线路参数变化对测距精度的影响。该方法对各种架空输电线路，尤其是对穿越地形复杂、气候恶劣地区（如高寒覆冰地）输方案。原分相电流差动保护远方通信缺乏灵活性，而提出的通信专用和复用自适应方式克服了这一不足。现有的差动保护大都采用数值修正法实现同步，其前提为2个方向传输时延相等。这在应用于某些弹性负载的复接系统中，误差较大；而仅在使用全球卫星定位系统（GPS）实现同步时，保护对GPS依赖性强。对此，比较理想的解决办法是采用以GPS时钟同步法为主、数值修正法为辅的自适应同步调整法。电流差动采用瞬时值和故障分量瞬时值综合差动原理，采用人工神经网络（ANN）对TA饱和自动识别。在确定TA饱和时，自动切换到瞬时值差动方式，并且制动系数自适应改变，以提高保护的稳定性，即具有实时判定电流互感器状态，自适应改变保护判据的能力。 利用本地和远方变电站故障信息实现自适应协同保护系统的方案，由许多独立的智能代理保护子系统组成。智能代理保护子系统间相互通信和协调，从而在系统运行方式变化、个别保护装置故障等情况下，自适应重构保护系统。 保护系统的实现方法。根据电力系统的固有分布性，提出了利用电力调度系统计算机构成分布式计算机系统，利用厂站计算机和继电保护装置构成分布式自适应继电保护子系统，并将它们结合起来，构成大电网分布式自适应继电保护系统。通过对运行方式的模式识另1j，在电力系统扰动域内音卩，对分布式自适应继电保护子系统的保护定值按运行模式进行离线计算、分散存储、在线运行，从而实时改变保护定值。 1.2利用不同的信息处理方法实现自适应功能1.21利用模糊逻辑实现自适应功能将模糊集理论引入继电保护，为继电保护的发展开辟了新的道路。模糊理论（fuzzytheory）是将经典集合理论模糊化，并引入语言变量和近似推理的模糊逻辑具有完整推理体系的智能技术提出了一种基于模糊集理论的多判据算法。它将传统的数字式变压器保护的各种动作判据，通过模糊处理分别赋予一定的隶属度函数；再根据故障信息的实际测量值确定各种动作判据的隶属度经过模糊运算由模糊决策系统自适应确定变压器的运行工况并发出动作指令。与传统的变压器保护相比其动作灵敏度、选择性及可靠性都得到了提高。变压器故障电流和励磁涌流的方法。通过比较实际采样电流对称度的隶属度函数和理论分析计算电流对称度的隶属度函数近似程度，实现对变压器的故障诊断。在模糊贴近度大于某一定值时才判别变压器故障。 频分量的模糊故障选相新原理。该原理利用电压故障量中的高频成分提取三相电压，以不同相为基准的模变换频域特征，利用模糊集和对频域特征进行处理以实现故障选相，具有超高速的特点。故障选相不受过渡电阻和故障初始角的影响，对转换性故障也能选出故障相。 自动重合闸自适应优化判据的方法，以提高重合闸的成功率。文中将电容耦合电压与互感电压的比值作为模糊控制器的第1个输入变量，将故障端电压与互感电压的比值作为模糊控制器的第2个输入变量，跳闸信号为模糊控制器的输出。这种方法综合利用电容耦合电压、互感电压及故障端电压等故障边界条件信息，利用模糊控制器自适应修正原有的电压判据。理论分析和动模试验结果表明，这种方法具有良好的应用前景。 不同特征分析，从故障特征入手，利用模糊集合理论识别振荡过程中发生的短路。电力系统的运行情况十分复杂，而振荡和短路的情况又多种多样，在这种情况下想要根据单一的判据，利用某一精确而绝对的定值区分振荡和短路是有局限性的。利用模糊模式识别原理建立了相应的模糊数学模型，它使在许多不利于识别的情况下，包括2机系统功角为180*时于振荡中心处发生的三相短路都能迅速准确地识别出来。文章给出了相应的模糊数学模型，并经大量的仿真试验，获得良好的仿真效果。 1.22利用神经网络实现自适应功能1提出了一种基于人工神经网络识别永久性故障和瞬时性故障的方法。在瞬时性故障情况下，能够确定熄弧时间，实现自适应单相重合闸。瞬时性故障与永久性故障电压的波形不同，可将其作为判别故障类型的依据。但实际故障电压波形和幅值受许多因素的影响，如线路结构、系统参数、故障前负荷分量等。作者利用EMTP仿真对系统参数、故障位置、故障前负荷分量和断路器断开时刻等不同的组合情况进行了故障电压波形的仿真分析，提取*具有代表性特征作为神经网络的输入，并选择了输入节点为6隐含节点为5，输出节点为1的非全连BP神经网络。提出了一种基于人工神经网络实现自适应单相重合闸的设计细节，提出了如何利用故障数据训练神经网络的特殊方法及在硬件上的实现方式。 回线路距离保护定值的自适应调整新方法。由于互感的影响，双回线路距离保护的定值自适应调整十分困难。采用的新方法是在阻抗整定值中引入一个补偿平行线路互感的校正因子。由于校正因子与系统状态呈非线性关系，用常规方法难以估算因此采用了一个BP神经网络，通过给网络输入正序母线电压、正序线路电流、负荷电流、双回线路运行方式等参数在线估算校正因子，从而实现自适应适时调整保护动作值。 护实现方法并探讨了其在辐射型配电系统中应用的可能性。通过大量的仿真实验，由神经网络模拟不同地区、不同电弧电阻下的故障情况，探讨了在线应用时根据实时阻抗测量值用BP神经网络判别保护是否动作的问题。它对于解决配电系统发生电弧电阻下的故障不能准确测量故障阻抗，导致常规距离保护不能可靠动作的问题而具有实际意义。 的微机距离保护新方法。该方法采用递推全周傅里叶算法及各种补偿方法，对输入采样进行数据预处理；之后结合考虑线路发生各种故障时的特征，采用新型接地距离、相间距离比相判据和相电流差突变量，建立一个三层前向神经网络模型；并对此模型进行大量的样本训练，使之对线路的各种故障和不正常工作状态给出正确的识别。这一方法克服了系统运行方式及过渡电阻等因素的影响，解决了系统振荡时发生短路现象保护闭锁开放的难题，有效地提高了保护动作的可靠性。速继电保护故障分类的方法。网络采用四层前馈神经网络（FNN）训练采用BP算法。提出了2种故障分类方法，分别采用2种不同的神经网络。一种用于单相接地、二相短路、二相接地短路、三相短路和三相接地短路故障的分类；另一种用于电弧故障和非电弧故障的分类，以便实现自适应自动重合闸。 仿真表明，采用这种方法的故障分类计算速度快而且可靠。还介绍了所采用神经网络的具体实现及其在故障检测、故障方向识别等方面的具体应用。 多层前馈神经网络和Kohrnm网络在故障类型识别方面的应用。 在变压器保护中关于励磁涌流状态的识别一直是困扰继电保护研究人员的棘手问题。基于人工神经网络，综合考虑变压器励磁涌流状态和故障状态的特征，提出并建立了一个三层前向神经网络模型，用以实现变压器的微机保护。它利用EMTP进行了大量的仿真计算，并将计算结果作为训练样本，对所建立的神经网络模型进行训练。对该模型进行故障状态检验结果表明，所建立的神经网络能够对变压器所发生的故障状态作出正确响应。 压器故障电流和励磁涌流的方法。网络采用BP型前馈神经网络（FNN），通过对电流波形的识别区分变压器故障电流和励磁涌流。为改善计算速度，神经元的传递函数在训练时选为S（Sigmoid）函数，训练结束后，则改为阶跃函数。励磁涌流的训练样本是在实验室里随机对一个小型变压器进行投切产生的，故障电流的训练样本则是由仿真软件产生的。 2自适应保护的研宄方向和主要内容献提出了1种基孟人工释网络进行高适工智能技术和信号处理方厉现保护性bookmark3自适应继电保护能够克服同类型传统保护长期以来存在的困难和问题，改善保护的动作性能。目前，自适应保护还处在研究开发的初期，但其研究成果己说明了它的优越性。对自适应继电保护的基本要求是，系统运行方式及故障类型的自动诊断和识别，以及保护动作定值和特性的自适应调整。随着电力系统的发展，系统运行方式及故障类型越来越复杂。自适应保护必须利用各种人工智能技术和信号处理方法，有效地提取故障特征，实现系统运行方式及故障类型的自动识别。在此基础上，充分利用人工智能技术的自学习和自适应能力，根据系统不同的运行工况，自适应地调整各种保护定值和保护的动作特性。要实现上述目标，关键是选择和使用适当的故障信息实现自适应保护，以及选择和使用陆征军。微机母线保护的母线运行方式自适应方案PowerSystems，葛耀中。自适应继电保护及其前景展望丨J.电力系统何奔腾，金华烽。能量方向保护原理和特性研宄。中国电机工程学报，1997，袁荣湘，陈德树。高压输电线路新型差动保护的研宄。中国电机工程学报，2000，20（4）：9―13.何奔腾，金华烽。能量方向保护的实现与试验。电力系统自动化，199721（3）36-38.罗姗姗，贺家李。实时通信在超高压多回路母线保护中的应用。中国电机工程学报，199919（4）1一3.。电站设备自动化1992，。继电全玉生，扬敏中，王晓蓉，等。双端测距中的自适应线路参数在线估计1J电力系统自动化，2000，