廣域繼電保護系統(tǒng)廣域繼電保護系統(tǒng)的后備保護措施

在這一系統(tǒng)的應用過程中，廣域信息傳遞所帶來的延時性特點，往往會對系統(tǒng)在實際應用中的安全性構成一定的威脅對此，電網(wǎng)后備保護系統(tǒng)與這一系統(tǒng)之間的融合，是系統(tǒng)的重要后備保護措施。從系統(tǒng)的結構來看，集中式措施、變電站集中式措施是兩種較為可行的措施。

廣域繼電保護系統(tǒng)廣域繼電保護系統(tǒng)的故障判別原理

在廣域繼電保護系統(tǒng)的應用過程中，故障元件的機制可以被看作是系統(tǒng)中的一個重要內(nèi)容。從學者對這一問題的研究情況來看，一些學著認為這一系統(tǒng)中所應用的故障判別原理是對廣域電流差動原理的一種表現(xiàn)。在這一技術的應用過程中，對廣域電流誤差和電容電流的問題的優(yōu)化處理，對這一技術的自身價值的充分發(fā)揮，起到了一定的促進作用。還有一些學者認為，這一技術中的故障判別原理涉及到了故障電壓分布原理等故障判別原理。這一系統(tǒng)在實際應用過程中的表現(xiàn)來看，智能算法在這一領域中的應用，對廣域信息改善的可靠性的提升，具有一定的促進作用 。

廣域繼電保護系統(tǒng)廣域繼電保護系統(tǒng)中的其他技術問題

在這技術的應用過程中，信息同步問題、互操作性問題和風險評估問題等問題是系統(tǒng)中存在的主要技術問題。受到我國相關領域的技術現(xiàn)狀的影響，在信息同步問題的處理過程中，我們目前只能通過GPS技術的應用，對這一問題進行解決。IEC61850信息標準的出臺，對這一系統(tǒng)的互操作性問題的解決提供了一定的幫助。

眾多 對廣域繼電保護決策任務的劃分方法進行了探討，提出了集中式、分散式、分層區(qū)域式三種系統(tǒng)結構。集中式保護系統(tǒng)由控制中心進行決策，如圖1所示，控制中心集中決策可

以做到系統(tǒng)全局最優(yōu)控制，更能體現(xiàn)廣域保護的優(yōu)勢。但是集中式結構對控制中心設備要求過高，因此必須配置備用的中心設備;而且大量信息的集中處理使得控制中心計算量大，并對通信系統(tǒng)的依賴程度特別高，通信系統(tǒng)的準確性、可靠性、實時性決定著控制中心的分析結果。分散式保護系統(tǒng)由各分散的保護終端SPT進行決策，如圖1所示，各保護終端利用一定范圍內(nèi)的信息，通過相對簡單的算法和判據(jù)，實現(xiàn)可靠、靈敏的系統(tǒng)保護功能。即使某個保護終端決策功能失效，鄰近終端可以作為后備。分散式結構能較好地克服集中式對控制中心設備要求過高的問題。但作為分散式系統(tǒng)的決策單元，保護終端獲得電網(wǎng)信息有限，分析和決策能力有限，因此分散式結構往往不能做到全局最優(yōu)控制。分層區(qū)域式的保護系統(tǒng)由三層構成位于最底層的本地測量單元(Local Measure UnitLMU、位于中問層的區(qū)域決策層(Region DecisionUnit RD U)和位于最頂層的系統(tǒng)監(jiān)控中心(SystemMonitor Center SMC)，如圖1中（c）所示。LMU是用來采集電網(wǎng)實時信息或同時附帶保護功能的PMUs CPhase Measure Units); RDU完成數(shù)據(jù)采集以及保護控制功能，實現(xiàn)一個保護分區(qū)的系統(tǒng)保護;SMC對本地保護中心進行協(xié)調(diào)，實現(xiàn)安全防御計劃。在分層區(qū)域式保護系統(tǒng)中，RDU與此區(qū)域內(nèi)LMU通過光纖連接，正常運行時，監(jiān)測本區(qū)域內(nèi)LMU的運行狀態(tài)，在擾動發(fā)生后，對LMU上傳信息綜合分析并作出相應的決策。決策作出后，一方面下傳至LMU，執(zhí)行閉鎖或操作相應的斷路器;另一方面將判斷結果送至SMC } SMC負責實時協(xié)調(diào)和監(jiān)控各區(qū)域保護系統(tǒng)。分層式系統(tǒng)中保護中心SMC根據(jù)下級單元的判斷結果從邏輯上進行故障定位和全局決策，理論上能有效解決集中式廣域保護中心計算量大的弊端，對通訊系統(tǒng)的要求也相應降低。

系統(tǒng)結構主要解決在哪里決策的問題。分散式結構是把數(shù)據(jù)分析和決策過程放在分散于系統(tǒng)各處的保護終端上，雖然能夠解決集中式結構對于控制中心要求過高的問題，但是其決策能力有限;集中 式結構是在控制中心集中進行數(shù)據(jù)分析和控制決策，能夠?qū)崿F(xiàn)全局最優(yōu)控制，在通信系統(tǒng)和控制中心分析決策能力能夠達到要求的前提下，集中式結構是優(yōu)于分散式結構的。集中式結構雖然功能強大，但是隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的逐漸擴大，保護系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)采集點增多，數(shù)據(jù)傳輸距離增長，對通信系統(tǒng)帶寬和計算機運算處理能力提出更高要求。分層式結構結合分散式和集中式結構的優(yōu)點，把大量原始數(shù)據(jù)的處理分散在各RDU進行，將大量原始數(shù)據(jù)傳輸限制在各有限區(qū)域之內(nèi)，RDU把運算結果上傳到保護中心SMC；SMC根據(jù)下級單元的判斷結果從邏輯上進行故障定位和全局決策。分層式結構不僅能夠解決集中式控制中心計算量大的問題，其對通信系統(tǒng)的要求也相應降低，而且還能夠從系統(tǒng)角度進行分析和決策，實現(xiàn)全局最優(yōu)控制，是集中式結構的改進和優(yōu)化，因此分層式結構是目前更為合理的系統(tǒng)結構。

目前廣域繼電保護分層式結構是可以改進的，控制中心SMC除了接收區(qū)域保護RDU的判斷結果外，還應當接收LMU中的部分電網(wǎng)信息，全面利用控制中心信息處理決策能力，更好地實現(xiàn)全局優(yōu)化控制。例如在某個區(qū)域保護中，可以考慮將區(qū)域的邊界點構成一個大差，大差中的信息處理及決策在控制中心進行，而內(nèi)部的判別結果由下級判定結果上報。此外，筆者認為分層式結構還存在一些問題，比如說RDU和SMC的權限劃分問題，當RDU的判斷結果與上級SMC的判斷結果不一致時，保護終端應該采用誰的決策結果才更為合理，這也是廣域繼電保護系統(tǒng)結構中值得深入探討的問題。

廣域繼電保護系統(tǒng)對在線自適應整定技術的應用

在線自適應鎮(zhèn)定技術，主要指的是在事件觸發(fā)模式的影響下，電力系統(tǒng)檢測人員從電網(wǎng)運行方式入手，在對保護定值進行實時調(diào)整的基礎上，對繼電保護系統(tǒng)的故障靈敏度提供保障的控制技術。在對超高壓輸變電線路進行管理的過程中，管理人員會通過將這一技術應用于零序電流保護系統(tǒng)的方式，為線路提供安全保障。從這一技術的作用原理來看，它是對傳統(tǒng)的固定定值管理模式進行優(yōu)化的一種措施。在這一技術的應用過程中，傳統(tǒng)繼電管理模式在后備保護領域所存在的弊端并沒有得到有效的解決。這一技術在實際應用過程中出現(xiàn)的連續(xù)跳閘等問題會對這一系統(tǒng)的有效性的發(fā)揮帶來不利的影響 。

廣域繼電保護系統(tǒng)對故障元件判別原理的應用

在電力領域，故障元件判別原理主要指的是在對故障判別機制進行應用的基礎上，通過信息測量技術的應用，對電網(wǎng)中的故障進行鎖定的判別方式。在這一技術的應用過程中，斷路器對系統(tǒng)故障的解決會起到一定的幫助作用。從這一技術的應用機理開看，簡單的時序配合和簡單的邏輯配合，是讓這一系統(tǒng)對電路的后被保障問題進行優(yōu)化的主要技術。從這一技術在實際應用中的表現(xiàn)來看，這一技術所應用的系統(tǒng)不能對整個電網(wǎng)的實時變化進行分析，這就說明這一技術是建立在有限廣域保護的基礎上的一種應用技術。

在對廣域繼電保護系統(tǒng)的相關問題進行探究的過程中，我們首先可以對這一系統(tǒng)在電力領域的應用中所發(fā)揮的作用進行了解。從這一系統(tǒng)在實際應用中所發(fā)揮的作用來看，這一技術對繼電保護系統(tǒng)的信息使用范圍的起到了拓展作用。在實際應用中這一系統(tǒng)可以應用這一系統(tǒng)的變電站的一些數(shù)據(jù)進行掌控，也可以對這一變電站周邊地的電力設備的數(shù)據(jù)信息進行應用，這就對繼電保護系統(tǒng)的便捷化發(fā)展起到了促進作用。除此以外，由于這一系統(tǒng)在實際應用中應用的是就近有限域信息，這就在一定程度上幫助繼電保護系統(tǒng)減輕了自身的信息處理負擔。

廣域繼電保護系統(tǒng)在電力領域中的應用，是對繼電保護系統(tǒng)進行優(yōu)化的有效方式。在對這一問題進行探究的過程中。筆者主要以廣域繼電保護系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中所發(fā)揮的作用為主要切入點，對這一系統(tǒng)在實際應用中的基本途徑，系統(tǒng)在實際應用過程中所表現(xiàn)出來的技術問題和系統(tǒng)的后備保護措施等問題進行了探究。

繼電保護問題是電力系統(tǒng)在實際應用過程中所需要面對的一個重要問題。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)繼電保護模式下，以離線整定工作為核心的固定定值控制模式是繼電保護工作中的重要方式。隨著我國電網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，在電網(wǎng)運行方式的變化過程中，固定定值管理模式并不能對繼電保護系統(tǒng)的兼顧選擇性和靈敏性等自身性能進行充分的發(fā)揮復雜電網(wǎng)的后備保護問題也成為了電力企業(yè)所要面對的一大難題。從信息技術給我國電力系統(tǒng)所帶來的影響來看，廣域信息采集技術的發(fā)展，讓廣域繼電保護系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應用問題成為了學術界較為關注的問題。從高等院校和電力企業(yè)對這一技術的研究情況來看，這一系統(tǒng)的研究工作己經(jīng)取得了一定的階段性成果。

針對傳統(tǒng)后備保護在潮流轉(zhuǎn)移時誤動而是否應被取消的問題，A. G. Phadke博士指出在變電站發(fā)生直流電源掉電并無備用電源時，距離III段仍是最有效的保護手段，不能被完全取消。因此，在現(xiàn)有保護配置下增設基于不同潮流轉(zhuǎn)移識別算法的過負荷保護一直是研究的熱點。當系統(tǒng)發(fā)生潮流轉(zhuǎn)移時，可通過閉鎖保護跳閘信號，允許被保護設備合理的短時過負荷，在其熱穩(wěn)定極限到達前切除受端負荷或送端機組來消除或減輕過負荷，達到防比保護誤動繼而引發(fā)電網(wǎng)連鎖跳閘的目的。

廣域繼電保護系統(tǒng)輸電斷而有功安全性保護算法

根據(jù)實時網(wǎng)絡拓撲結構與潮流分布建立系統(tǒng)狀態(tài)圖，再利用有向圖的鄰接矩陣和路徑矩陣搜索出電網(wǎng)的并行輸電斷而。該法避免了傳統(tǒng)的潮流計算，為執(zhí)行安全緊急控制提供了更充足的時間。進一步探討了在輸電斷而確定后，快速計算單一支路斷開時，并行輸電斷而中其他支路有功潮流的方法。但也指出這種方法由于忽略了基態(tài)潮流的影響，會造成10%以內(nèi)的誤差。以線路相關集表示單條支路斷開時，與斷開線路兩端關聯(lián)且受有功潮流影響較大的線路集合。利用決策樹理論搜索線路相關集，進而估算出故障線路斷開后相關線路承受的潮流轉(zhuǎn)移。

廣域繼電保護系統(tǒng)基于潮流轉(zhuǎn)移因子的過負荷保護算法

與上述方法不同，引入用支路電流關系表達的潮流轉(zhuǎn)移因子(FTRF)概念，將FTRF矩陣通過離線計算形成。當單一支路斷開時，通過FTRF矩陣中與該支路對應的列元素估算出其他線路的電流，通過估算值與實測值的比較來判斷線路是否出現(xiàn)潮流轉(zhuǎn)移。通過潮流轉(zhuǎn)移的虛擬折返過程，推導出系統(tǒng)中出現(xiàn)多支路連鎖切除時轉(zhuǎn)移因子的快速算法，避免了多次修改FTRF矩陣。并在計及支路切除后的系統(tǒng)機電暫態(tài)過程基礎上，對支路電流估算進行校正。利用支路斷開前的節(jié)點阻抗矩陣數(shù)據(jù)，估算雙重支路開斷后的電流分布系數(shù)，原理與前述算法類似。

廣域繼電保護系統(tǒng)研究的難點和建議

從仿真結果看，以上潮流轉(zhuǎn)移識別算法的運算時間都能滿足實時緊急控制的要求。但由于支路切除時，系統(tǒng)中發(fā)電機、負荷支路的注入電流可能發(fā)生變化，再加上FACTS等非線性元件在電網(wǎng)中的廣泛應用，很難保證轉(zhuǎn)移功率(或電流)與被切除支路的原有功率(或電流)的關系是完全線性的，即算法中基于線性疊加原理的潮流分布系數(shù)和轉(zhuǎn)移因子計算存在一定誤差。因此，潮流轉(zhuǎn)移識別算法在計算精度上仍需進一步改進。

從另一個角度看，對于輸電線路而言，過負荷狀態(tài)與故障狀態(tài)的特性相差很大。線路發(fā)生不對稱故障時，電流中會出現(xiàn)負序或零序分量;線路發(fā)生三相短路時，保護裝置的測量阻抗基本為線路阻抗，而過負荷時基本為負荷阻抗，特性也有較大差別。因此，在現(xiàn)有后備保護算法中，補充防比保護連鎖誤動的輔助判據(jù)，可以作為潮流轉(zhuǎn)移識別的新思路。

這里要首先明確的是:由于廣域信息傳遞存在延時、可靠性及安全性等局限，且現(xiàn)有主保護的正確動作率較高，廣域繼電保護與傳統(tǒng)主保護相比無明顯優(yōu)勢。因此，將廣域信息引入到后備保護更符合實際。廣域后備保護應與傳統(tǒng)主/后備保護相協(xié)調(diào)，共同承擔電網(wǎng)“第一道防線”的職責。

廣域后備保護的核心思想在于通過電網(wǎng)中的多點同步測量信息，確定故障元件的具體位置，在相鄰保護之間通過簡單的時序配合來保證保護動作的正確性。目前的研究主要是基于主保護算法的拓展，將方向比較縱聯(lián)保護和電流差動保護原理引伸到廣域后備保護中，并結合智能算法提高信息的容錯性。廣域后備保護根據(jù)所基于的系統(tǒng)結構不同，可分為區(qū)域集中式、變電站集中式、分布式3類。而由于系統(tǒng)結構的不同，相同的算法在實現(xiàn)過程中也有所差別。

廣域繼電保護系統(tǒng)廣域方向比較縱聯(lián)保護

以區(qū)域調(diào)度中心為后備保護系統(tǒng)中心，通過采集區(qū)域內(nèi)各變電站線路保護裝置的方向判別信息，構建故障方向關聯(lián)矩陣，從而快速判斷出故障線路并做出動作決策。網(wǎng)絡仿真軟件(NS2)的仿真結果表明主站到子站的端對端通信時延為4.6 ms . 滿足廣域后備保護的通信要求。

采用變電站集中式結構構建廣}P后備保護系統(tǒng)，將母線和變壓器保護也納入系統(tǒng)中通過發(fā)電廠的主接線形式和方向元件位置形成關耳矩陣，結合故障方向信息確定具體的故障元件，多通過采集間接相關元件的信息保證算法的容錯性在電網(wǎng)拓撲結構發(fā)生變化時，集中式結構的廣域備保護都只需調(diào)整關聯(lián)矩陣對應的行和列即可與乏適應。

針對集中式結構存在中心站單點失效風險的I}題，提出基于分布式結構的廣域后備保打系統(tǒng)。各斷路器和TA對應的智能電子設備(IED)僅完成安裝點的信息采集和運算，而且自行完成古障定位和判斷。算法首先確定各IE D的最小和最尹保護區(qū)域，從而保證各IED只與其相關范圍內(nèi)的類他IED交互信息，并定義動作系數(shù)和關聯(lián)系數(shù)，再匯過相應判據(jù)算出被保護對象是否存在故障。

廣域繼電保護系統(tǒng)廣域電流差動保護

采用基于分布式結構的廣域電流差虧保護算法，提出一種基于圖論方法的專家系統(tǒng)，根薪設備狀態(tài)信息及拓撲結構，在線確定各設備的主、備保護區(qū)。屬同一保護區(qū)內(nèi)的保護裝置相互通信巨可實現(xiàn)差動保護。并可根據(jù)網(wǎng)絡拓撲結構的變化，睡適應調(diào)整保護區(qū)。 在此基礎上引入基于}i測和修正自愈策略的保護Agent承擔通信和協(xié)調(diào)再能。仿真結果證明其在電網(wǎng)連鎖故障發(fā)生時，比右統(tǒng)過流保護具有更佳的動作特性。

將基于Agent的后備保護系統(tǒng)建立拍傳統(tǒng)線路保護基礎上，采用常規(guī)保護動作信息與以流差動相結合的方法判別故障元件。在廣域后備移護由于通信故障退出時，可與傳統(tǒng)保護相協(xié)調(diào)實。后備保護功能。在此基礎上對廣域后備移護系統(tǒng)的Agent模型進行了具體分析，提出了在區(qū)絡阻塞、Agent故障、斷路器失靈等狀態(tài)下系統(tǒng)的維錯策略。并使用電力和通信同步仿真器EPOCHS對廣域后備保護系統(tǒng)進行仿真，該仿真器實現(xiàn)了區(qū)絡通信(NS2)和電磁暫態(tài)仿真(PSCAD)接口，提震了仿真結果的可信度。

廣域繼電保護系統(tǒng)廣域信息容錯性算法

在信息容錯性方而的研究是基于集件決策系統(tǒng)“知曉”何種信息錯誤的基礎上，缺乏對1F息本身正確與否的識別。針對次此問題纂出了基于遺傳算法的故障判別原理，通過構造適F度函數(shù)進行選擇、交叉、變異等進化操作，求出最釗解。仿真結果表明在5/32的信息畸變率下保護書能做出正確判別。利用狀態(tài)估計辨識不嶸數(shù)據(jù)原理，采用遞歸量測誤差估計辨識法對不良婁據(jù)進行檢測和辨識，與前述算法相比，具有更高的價值。

廣域繼電保護系統(tǒng)研究的難點和建議

從保護系統(tǒng)基于的結構模式看，區(qū)域集中式、變電站集中式和分布式結構的廣域保護系統(tǒng)各有優(yōu)勢和缺陷。區(qū)域集中式和變電站集中式結構系統(tǒng)的投資較小，集成的信息量更大，可以實現(xiàn)更多的保護功能，同時也存在對決策中心依賴程度高的缺陷。分布式結構的保護系統(tǒng)通信量較少，不存在決策站單點失效的風險，算法更簡單可靠，但也存在對IED性能要求較高，實用化困難的缺點。因此，如何根據(jù)電網(wǎng)的實際情況，選擇合適的結構構建系統(tǒng)仍有待研究。

從廣域后備保護系統(tǒng)基于的保護算法看，采用方向比較縱聯(lián)保護的最大優(yōu)點在于對GPS同步對時的要求不高，但如何解決邏輯量傳輸?shù)目煽啃约皞鹘y(tǒng)縱聯(lián)方向保護所而臨的問題還有待研究。例如:區(qū)內(nèi)(區(qū)外)單相接地故障轉(zhuǎn)區(qū)外(區(qū)內(nèi))異名相單相/兩相接地故障時，方向元件拒動;線路非全相運行，負/零序方向元件退出后，故障時保護拒動;環(huán)網(wǎng)中功率分點故障，線路兩側不同方向元件可能同判為正向，導致保護誤動等。采用廣域電流差動保護則可避免考慮上述問題。和前者相比，由于需要多個測量點的電流值而非邏輯值，其對GPS同步對時的要求很高。因此，多站信息的高精度同步問題，是廣域電流差動算法實用化的關鍵。

擺脫傳統(tǒng)保護算法的束縛，研究新的故障快速識別與隔離算法，彌補現(xiàn)有保護原理存在的缺陷，也是值得探索的方向。以兩端電壓/電流相量的同步測量值為基礎，構建復合相量函數(shù)進行故障定位。該法與電流差動算法結合應用，可在一定程度上彌補后者受線路分布電容電流影響較大的缺陷。

廣域繼電保護系統(tǒng)在電網(wǎng)保護工作中主要涉及到了后備保護等領域，這一系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的安穩(wěn)保護系統(tǒng)的綜合運用，是對繼電保護系嬌講行價什的重要方向。

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在線自適應整定的研究在20世紀80年代就已開始，其基本思路是:采用事件觸發(fā)模式，實時跟蹤電網(wǎng)運行方式的變化，在線調(diào)整保護的定值，防比保護失配并提高其靈敏度?；陔p端電氣量的主保護受系統(tǒng)運行方式影響不大，在線自適應整定的重點是后備保護。

系統(tǒng)運行方式的變化主要包括2方而:一是發(fā)電機、變壓器、線路等設備的投/退及故障引起的開關跳閘;另一方而是負荷與發(fā)電機出力的變化，主要體現(xiàn)在電網(wǎng)潮流量變化。對于常見的各種運行方式，其所對應的定值可離線計算出來并存儲。當該運行方式在實際應用中出現(xiàn)時，直接刷新定值即可。

1計及設備投退的在線自適應整定

電網(wǎng)中發(fā)生任意線路開斷時，僅會引起斷開線路相鄰小范圍內(nèi)其他線路的短路電流水平發(fā)生顯著變化，進而影響該區(qū)域內(nèi)線路(或其他設備)保護的靈敏性和選擇性。而遠離斷開線路的其他區(qū)域內(nèi)的線路，短路電流水平變化較小，無需重新整定。因此，確定影響域的大小是減少在線整定計算量、提高定值刷新速度的關鍵。

以支路開斷前后通過保護的短路電流值為指標，提出線路運行方式變化時的影響域劃分方法。在計算短路電流時，采用外網(wǎng)等值來減小節(jié)點阻抗矩陣的階數(shù)，并通過搜索電網(wǎng)保護的影響集和函數(shù)依賴集，最終確定零序電流保護的影響域。采用窗口法劃分電流保護的影響域，并已在實際電網(wǎng)中應用。

采用改進緊鄰集法，對廠站運行方式變化時的影響域進行劃分。將各廠站等價為連接廠站的一條接地支路，以其阻抗變化表示廠站運行方式的變化。以最大阻抗值到最小阻抗值的變化幅度表示該廠站方式的變化幅度。將大于門檻值的廠站列入影響域中。

通過影響域確定需要刷新定值的保護后，即可對保護進行在線整定計算。由于傳統(tǒng)分支系數(shù)的計算存在誤差，采用故障時保護的實際測量值取代離線整定時使用的分支系數(shù)，計算相間電流II段定值。采用感受量整定的方法計算接地距離II ,III段定值。這2種基于實測量的整定方法準確性更高，并提高了保護的靈敏性。

2計及負荷變化的在線自適應整定

由于在線整定計算中計及了負荷潮流的變化，使防比潮流轉(zhuǎn)移時遠后備保護誤動成為可能。根據(jù)系統(tǒng)當前運行方式下的負荷功率及線路電壓值和功率因數(shù)，對相間距離III段進行在線整定。由于母線電壓不變時，負荷功率與阻抗成反比，因而在電網(wǎng)發(fā)生潮流轉(zhuǎn)移時，可防i h:距離III段誤動。

3電網(wǎng)黑啟動過程中的在線自適應整定

在系統(tǒng)發(fā)生大停電后的黑啟動過程中，其運行方式的變化已遠超出離線整定考慮的限度，因而在線自適應整定計算更顯得重要。將與電網(wǎng)黑啟動過程對應的整定計算分為3步，從片區(qū)電網(wǎng)整定動態(tài)刷新到全網(wǎng)正常運行整定。進一步提出在電網(wǎng)黑啟動初期，單電源運行方式下零序電流保護、距離保護及縱聯(lián)保護的整定方法?，F(xiàn)有 對電網(wǎng)黑啟動過程中的整定計算仍處于初步探討階段。

1.4研究的難點和建議

在線自適應整定的研究時間較長，但實用化程度一直不高，其根本原因在于現(xiàn)有的在線整定算法未能從根本上克服傳統(tǒng)后備保護整定配合復雜、計算量大的缺陷。其算法本身仍存在以下缺陷:

a.系統(tǒng)運行方式的改變對距離保護和零序電流保護的影響不同，現(xiàn)有算法還只能確定單一元件投/退時的影響域劃分準則，完善的保護影響域在線劃分算法仍有待研究;

b.在電網(wǎng)黑啟動過程中，如何根據(jù)電網(wǎng)的恢復情況，研究快速獲取保護新的最小斷點集算法，并進行合理的實時整定也仍有待探索。

在當前電網(wǎng)強化主保護、簡化后備保護的指導思想下，應利用廣域量測信息，進一步完善在線自適應整定算法，簡化整定配合程序，提高算法的實用性。

從已完成的工作看，廣域繼電保護還處于初步理論研究和探討階段，研究內(nèi)容雖涉及而廣，并已取得一定成果，但仍局限于某些特定問題的解決，尚缺乏總體的規(guī)劃和把握。

實際上，隨著廣域同步測量(WAMS)和數(shù)字化變電站技術的應用，繼電保護可利用的信息資源和通信條件都發(fā)生了根本性的變化，從而引發(fā)繼電保護在配置、原理、整定以及實現(xiàn)技術等方而的重大變革。筆者認為，有必要從全局角度出發(fā)，對廣域繼電保護從理論和實現(xiàn)技術等方而開展系統(tǒng)的研究工作。

基于故障元件識別的廣域后備保護對大范圍潮流轉(zhuǎn)移引發(fā)的連鎖誤動具有較好的防御能力，和在線自適應整定、潮流轉(zhuǎn)移識別算法相比，在實現(xiàn)方法上更為簡單可靠，從根本上克服了傳統(tǒng)后備保護整定配合復雜的問題。由華中科技大學和北京四方繼保公司分別研發(fā)的實驗裝置也已在河南省和廣東省投入運行，邁出了實用化的第一步。因此，建議以廣域后備保護為基礎，構建我國而向智能電網(wǎng)的廣域繼電保護系統(tǒng)。在此，對廣域繼電保護的研究方向提出一些建議。2100433B

廣域繼電保護系統(tǒng)同時基于廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)，用于保護輸電網(wǎng)絡的某一固定區(qū)域。廣域繼電保護系統(tǒng)裝設于變電站內(nèi)，它通過搜集保護系統(tǒng)所在變電站及相鄰變電站內(nèi)智能電了設備的故障方向信息，準確的判斷出故障元件，其具體結構如概述圖所示。變電站內(nèi)IED經(jīng)變電站內(nèi)局域網(wǎng)將故障方向信息上傳至廣域繼電保護決策系統(tǒng);相鄰變電站內(nèi)IED經(jīng)變電站問廣域網(wǎng)將故障方向信息上傳至廣域繼電保護決策系統(tǒng)，然后由廣域繼電保護決策系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)拓撲結構選擇確定故障元件所需的故障方向信息。廣域繼電保護決策系統(tǒng)一旦確定故障元件之后，立即向相關的終端執(zhí)行單元發(fā)出跳閘信號以盡快隔離故障元件。

上述以變電站為中心的集中式結構對變電站級的廣域保護決策系統(tǒng)有較高的依賴性。為了提高廣域保護系統(tǒng)的可靠性，避免因某套廣域保護決策系統(tǒng)故障而造成廣域保護系統(tǒng)退出運行，變電站級的廣域保護決策系統(tǒng)可以采用冗余方式提高系統(tǒng)的可靠性。同時，通信技術的發(fā)展及電力專用光纖數(shù)據(jù)網(wǎng)的普及與應用，也保證了廣域繼電保護系統(tǒng)的通信可靠性。

介紹了一種基于方向比較原理的廣域繼電保護算法 ，基于該算法的廣域繼電保護系統(tǒng)采用變電站集中式結構，它通過變電站內(nèi)的局域網(wǎng)和變電站問的廣域網(wǎng)獲得方向元件的輸出值。該系統(tǒng)首先根據(jù)網(wǎng)絡拓撲結構和方向元件安裝位置形成一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，根據(jù)廣域繼電保護系統(tǒng)保護范圍內(nèi)方向元件的輸出只對一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣進行數(shù)值初始化，形成一次設備/故障方向關聯(lián)矩陣，并據(jù)此確定具體的故障元件。廣域繼電保護算法可以很好的判斷線路、母線、變壓器等一次設備發(fā)生的故障，且對廠站的主接線形式有很好的適應性，判斷結果準確。

基于方向比較原理的廣域繼電保護系統(tǒng)一次設備及方向IED的表示

提出的廣域繼電保護系統(tǒng)，其保護對象包括了變電站內(nèi)的所有一次設備以及變電站的出線。鑒于母線保護與廠站的主接線方式有密切關系，因而對一次設備的描述應該能夠反映電網(wǎng)的實際拓撲結構，能夠清晰的表達一次設備與IED之問的連接關系。為了能夠正確的判斷故障元件，在被保護系統(tǒng)的每一個斷路器或電流互感器處，都裝設一個能夠測量故障方向的方向IED。 中一次設備、IED分別以以下格式進行表示:一次設備ID，設備類型，接線方式，設備名稱，設備所屬廠站數(shù)組，設備狀態(tài));IED}ID，類型，狀態(tài)，I側連接一次設備，側連接一次設備，對應斷路器ID。

對于一次設備，ID作為關鍵字是區(qū)分不同一次設備的唯一標志。設備類型不僅包括實際電網(wǎng)中的一次設備類型，如線路、母線、兩卷變、三卷變、發(fā)電機等，還包括虛擬母線。虛擬母線是IED的連接點，但又不是實際母線，一般存在于3/2接線中，圖2中的母線B:就是虛擬母線，引入虛擬母線的目的是為了更好的描述IED之問的連接關系。接線方式主要用于描述線路和母線，對于線路，接線方式包括普通兩端線路和T接線路;對于母線，接線方式包括單母接線、雙母接線、3/2接線等常見接線的母線接線方式。設備名稱為具體一次設備的名稱。設備所屬廠站數(shù)組描述了一次設備所連接的廠站，若一次設備為廠站內(nèi)元件，如母線、變壓器，那么設備所屬廠站數(shù)組維數(shù)為1;若一次設備為廠站問元件，如線路，那么設備所屬廠站數(shù)組的維數(shù)由元件連接的廠站數(shù)決定，普通兩端線路，其設備所屬廠站數(shù)組維數(shù)為2，而T接線對應的設備所屬廠站數(shù)組維數(shù)為3。設備狀態(tài)分為兩種，分別為運行和停運 。

ID是區(qū)分不同IED的唯一標志位。IED根據(jù)其具體的安裝位置分為4類:普通斷路器IED，安裝于普通斷路器處;母聯(lián)斷路器IED，安裝于母聯(lián)斷路器處;虛擬母聯(lián)斷路器IED，安裝處的斷路器位于兩個虛擬母線之問，如3/2接線方式中的中問斷路器;非斷路器IED，安裝于電流互感器而非斷路器處，一般位于3/2接線的出線或變壓器處，圖2中的IED 1, IED20, IEDS , IED 13分別為普通斷路器IED、母聯(lián)斷路器IED、非斷路器IED和虛擬母聯(lián)斷路器IED o IED狀態(tài)為運行和停運兩種。I側連接一次設備、J側連接一次設備分別為IED兩側所連接的一次設備。若IED為上述3種斷路器IED類型之一，對應斷路器ID則為該方向元件IED對應的斷路器ID號，否則該項為0.

基于方向比較原理的廣域繼電保護系統(tǒng)一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣的形成

一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣描述了一次設備和方向元件的連接關系。一次設備和方向元件的連接關系分為三類:直接相關，即方向元件直接與一次設備相連，可直接用于判斷一次設備是否為故障元件;問接相關，即方向元件與一次設備跨過一個一次設備問接相連，在直接相關方向元件拒動或信息丟失的情況下可用于判斷相應的一次設備是否為故障元件;不相關，即方向元件與一次設備不相連，不相關方向元件的動作情況亦不能作為相應一次設備是否為故障元件的判據(jù)。在一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣中，對應于一次設備，直接相關方向元件用“ ”表示，問接相關方向元件用“①”表示，不相關方向元件用“X”表示。為了清晰描述不同類型的一次設備與方向元件的連接情況，一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣根據(jù)具體的一次設備類型分為線路/方向元件關聯(lián)矩陣、母線/方向元件關聯(lián)矩陣、兩卷變/方向元件關聯(lián)矩陣、三卷變/方向元件關聯(lián)矩陣等。一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣為MxN維矩陣，其中M為廣域繼電保護系統(tǒng)保護范圍內(nèi)的相同類型一次設備數(shù)目，N為廣域繼電保護系統(tǒng)保護范圍內(nèi)的方向元件數(shù)目。一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣的形式如式(1)所示，每一行代表一個一次設備，而每一列則代表一個方向元件，矩陣中的具體元素描述了一次設備與方向元件的連接關系。方向元件按類型排列于關聯(lián)矩陣中，即在關聯(lián)矩陣的列向量中，先是非斷路器IED，然后是普通斷路器IED、母聯(lián)斷路器IED、虛擬母聯(lián)斷路器IED. 提出的廣域繼電保護系統(tǒng)的核心之一就是一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣的形成。為了更好的闡述一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣的形成過程， 將結合具體的電網(wǎng)結構和廣域繼電保護系統(tǒng)進行說明，圖2為示例系統(tǒng)。一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣的形成具體分為4個步驟:

步驟1:確定廣域繼電保護系統(tǒng)的保護對象。廣域繼電保護系統(tǒng)的保護對象包括保護系統(tǒng)所在廠站內(nèi)的所有母線、兩卷變、三卷變、發(fā)電機以及該廠站的出線。如圖2所示系統(tǒng)，Subl廣域繼電保護系統(tǒng)的保護對象為母線Bm Bi其中B Bi為虛擬母線、線路L1 L3、三卷變T，和TZ 。

步驟2:確定廣域繼電保護系統(tǒng)保護范圍內(nèi)的方向元件。這些方向元件不僅包括與保護對象直接相關的方向元件，還包括與保護對象問接相關的方向元件。如圖2所示系統(tǒng)，Subl廣域繼電保護系統(tǒng)包含的方向元件不僅涵蓋了變電站Subl內(nèi)的所有方向元件，還涵蓋了相鄰變電站Sub2, Sub3內(nèi)的部分相關方向元件(這些方向元件與L1, L2, L:直接或問接相連，且都標注于圖2上)。

步驟3:形成原始的一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣，包括線路/方向元件關聯(lián)矩陣、母線/方向元件關聯(lián)矩陣、兩卷變/方向元件關聯(lián)矩陣、三卷變/方向元件關聯(lián)矩陣等。這一步主要做兩個工作:遍歷廠站內(nèi)及廠站問的一次設備，根據(jù)類型進行分類，以便形成對應的原始關聯(lián)矩陣;遍歷廣域繼電保護系統(tǒng)保護范圍內(nèi)的方向元件，并按類型進行分類，形成類似于式(1)的矩陣形式，只是矩陣元素仍然是未知的。同時，分別建立一次設備和方向元件在一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣中的位置索引，一次設備位置索引指示一次設備在關聯(lián)矩陣中的行位置，而方向元件位置索引指示方向元件在關聯(lián)矩陣中的列位置。如圖2所示系統(tǒng)，一次設備有3類，分別為母線(B mB io)，線路(L 1 }L3)，三卷變(Tu T2)方向元件有4類，分別為非斷路器IED(5，8, 16,17)，普通斷路器IED(1，4, 9一12, 15, 18, 21,22)，母聯(lián)斷路器IED(20)，虛擬母聯(lián)斷路器IED(13,14, 19)。

步驟4:遍歷方向元件，根據(jù)方向元件兩側所連接的一次設備，對一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣進行初始化，根據(jù)上述方向元件和一次設備連接關系的定義確定方向元件與所有一次設備的連接關系。如圖2所示系統(tǒng)，方向元件7與線路L1和虛擬母線B}直接相關，與母線Bi和虛擬母線By問接相關。

按照上述4個步驟，Subl廣域繼電保護系統(tǒng)對應的線路/方向元件關聯(lián)矩陣和母線/方向元件關聯(lián)矩陣分別如式(2)、式(3)所示，變壓器/方向元件關聯(lián)矩陣的形成類似。 一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣形成后，存儲于廣域繼電保護系統(tǒng)中，當方向元件動作后，廣域繼電保護系統(tǒng)依據(jù)一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣來判斷具體的故障元件。

一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣不是固定的，它隨網(wǎng)絡結構的變化而變化。當網(wǎng)絡結構變化后，一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣必須與之相適應。網(wǎng)絡拓撲結構的變化既可能由一次設備退出運行引起，亦可能由變電站改造引起，同時還可能由一次設備增加引起。對于不同的情況，可以采取不同的措施使一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣與網(wǎng)絡拓撲結構相適應。

（1） 一次設備退出運行。一次設備退出運行時，與其直接相連的斷路器也必須退出運行，相應的方向元件IED也退出運行。若退出運行的一次設備是母線，則停運的方向元件是與該母線相連的斷路器對應的斷路器IED。若退出運行的是其它一次設備，則停運的IED是與該一次設備直接相關的非斷路器IED以及與該一次設備相連的斷路器對應的斷路器IED，具體取決于該一次設備所連接母線的接線方式。如圖2所示系統(tǒng)，當線路L:因檢修退出運行時，方向元件IEDB, 17, 3, 14, 18, 19也需要退出運行。確定退出運行的一次設備和方向元件后，通過對初始一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣進行修改即可得到與網(wǎng)絡拓撲結構相適應的臨時一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣，其修改原則為:將退出運行的一次設備對應的行從一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣中冊U除，將退出運行的方向元件IED對應的列從一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣中刪除。同時更新一次設備和方向元件在一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣中的位置索引。

（2）變電站改造。變電站改造可能會涉及母線接線方式的改變或新母線的投運，此時僅僅對初始一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣進行修改，往往無法很好的描述一次設備和方向元件之問的關系，因而需要按照上述步驟重新形成新的一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣。

（3）一次設備增加。一次設備增加包括新的線路、變壓器等一次設備的投入運行，而新母線的投運被歸入變電站改造中。根據(jù)投入運行的一次設備及相應的方向原件，通過對初始一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣進行修改即可得到與網(wǎng)絡拓撲結構相適應的新一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣，其修改原則為:在初始一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣中增加新投入一次設備對應的行從;根據(jù)新投入方向元件IED的類型，在初始一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣中增加

與之對應的列N;根據(jù)新投入一次設備與方向元件IED的關系，對一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣的第從行元素進行初始化;根據(jù)新投入方向元件IED與一次設備的關系，對一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣的第N列進行初始化。更新一次設備和方向元件在一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣中的位置索引。

基于方向比較原理的廣域繼電保護系統(tǒng)故障定位

方向元件的方向按流出母線為正、流入母線為負來定義，若方向元件安裝于兩個母線之問，那么按流出ID較小者母線為正、流入ID較小者母線為負，這樣每個方向元件的輸出值可能為 當廣域繼電保護系統(tǒng)檢測到保護范圍內(nèi)有方向元件啟動時，經(jīng)過一定時問的延遲后(在這段延遲時問內(nèi)，廣域繼電保護系統(tǒng)等待保護范圍內(nèi)的所有方向元件的動作信息上傳至廣域繼電保護系統(tǒng))，廣域繼電保護系統(tǒng)根據(jù)方向元件的輸出值對一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣進行賦值，形成一次設備/故障方向關聯(lián)矩陣。在對一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣進行賦值時，若方向元件與一次設備直接相關(對應一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣中的“ ”，則將方向元件的輸出值賦給一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣的對應元素;若方向元件與一次設備是問接相關或不相關(對應一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣中的“①”和uXm，則直接將一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣的對應元素賦值為0。若方向元件為母聯(lián)斷路器IED在給一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣賦值時必須注意如下問題:若一次設備為母聯(lián)所連接的較小ID母線，那么矩陣元素的值直接取方向元件的輸出值;若一次設備為母聯(lián)所連接的較大ID母線，那么矩陣元素的數(shù)值取方向元件輸出值的負數(shù)。

故障門檻值確定根據(jù)故障方向信息的完整性分為兩種情況:①所有方向元件均有輸出;②某一故障方向元件沒有輸出。在缺少多個故障方向元件的輸出結果時，廣域繼電保護系統(tǒng)將閉鎖，不對故障元件進行判斷。

情況1:所有方向元件均有輸出信息。故障門檻值取決于與一次設備直接相連的方向元件數(shù)，可以根據(jù)一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣求得，但停運的方向元件IED不包括在內(nèi)。對于普通兩端線路，'set_ line(i)-2;對于T接線路，''set_ trans(i)-3·對于兩卷變'set_ trans(i) -2，對于三卷變''set trans(i)-3·對于母線，'set bus(i)視母線直接連接的方向元件數(shù)而定。對于情況I，前述一次設備/故障方向關聯(lián)矩陣完全適用。

情況2:缺少單一故障方向元件的輸出信息。在缺少單一故障方向元件的輸出信息時，與該故障方向元件直接相連的一次設備需啟用與該方向元件連接于同一母線的問接相關方向元件，形成計及問接相關方向元件的一次設備/故障方向關聯(lián)矩陣。為保證判據(jù)的一致性，問接相關方向元件應該與失效方向元件的方向保持一致，一次設備/故障方向關聯(lián) 故障門檻值確定根據(jù)故障方向信息的完整性分為兩種情況:①所有方向元件均有輸出;②某一故障方向元件沒有輸出。在缺少多個故障方向元件的輸出結果時，廣域繼電保護系統(tǒng)將閉鎖，不對故障元件進行判斷。

情況1:所有方向元件均有輸出信息。故障門檻值取決于與一次設備直接相連的方向元件數(shù)，可以根據(jù)一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣求得，但停運的方向元件IED不包括在內(nèi)。對于普通兩端線路，'set_ line(i)-2;對于T接線路，''set_ trans(i)-3·對于兩卷變'set_ trans(i) -2，對于三卷變''set trans(i)-3·對于母線，'set bus(i)視母線直接連接的方向元件數(shù)而定。對于情況I，前述一次設備/故障方向關聯(lián)矩陣完全適用。

情況2:缺少單一故障方向元件的輸出信息。在缺少單一故障方向元件的輸出信息時，與該故障方向元件直接相連的一次設備需啟用與該方向元件連接于同一母線的問接相關方向元件，形成計及問接相關方向元件的一次設備/故障方向關聯(lián)矩陣。為保證判據(jù)的一致性，問接相關方向元件應該與失效方向元件的方向保持一致，一次設備/故障方向關聯(lián)矩陣的取值視如下兒種情況而定:①問接相關方向元件為普通斷路器IED或非斷路器IED，且與失效元件連接于虛擬母線，矩陣元素值為方向元件的輸出值;②問接相關方向元件為普通斷路器IED或非斷路器IED，且與失效元件連接于普通母線，矩陣元素值為方向元件輸出值的負數(shù);③問接相關方向元件為虛擬斷路器IED，若連接母線為ID較大的虛擬母線，則矩陣元素值為方向元件的輸出值，否則矩陣元素值為方向元件輸出值的負數(shù);④問接相關元件為母聯(lián)斷路器IED，若連接母線為ID較大的母線，則矩陣元素值為方向元件的輸出值，否則矩陣元素值為方向元件輸出值的負數(shù)。

故障門檻值取決于與一次設備直接相連的有效方向元件數(shù)和問接相關有效方向元件數(shù)，但停運的方向元件IED不包括在內(nèi)。

廣域繼電保護決策系統(tǒng)確定故障元件之后，根據(jù)一次設備/方向元件關聯(lián)矩陣表示的一次設備與方向元件的關系以及方向元件IED的描述文件，確定與故障元件直接相連的斷路器，進而向這些斷路器對應的終端執(zhí)行單元發(fā)出跳閘信號，從而完成對故障元件的隔離。