基于方向比較原理的廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)

廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)同時(shí)基于廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)，用于保護(hù)輸電網(wǎng)絡(luò)的某一固定區(qū)域。廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)裝設(shè)于變電站內(nèi)，它通過(guò)搜集保護(hù)系統(tǒng)所在變電站及相鄰變電站內(nèi)智能電了設(shè)備的故障方向信息，準(zhǔn)確的判斷出故障元件，其具體結(jié)構(gòu)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(hù)決策系統(tǒng);相鄰變電站內(nèi)IED經(jīng)變電站問(wèn)廣域網(wǎng)將故障方向信息上傳至廣域繼電保護(hù)決策系統(tǒng)，然后由廣域繼電保護(hù)決策系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇確定故障元件所需的故障方向信息。廣域繼電保護(hù)決策系統(tǒng)一旦確定故障元件之后，立即向相關(guān)的終端執(zhí)行單元發(fā)出跳閘信號(hào)以盡快隔離故障元件。

上述以變電站為中心的集中式結(jié)構(gòu)對(duì)變電站級(jí)的廣域保護(hù)決策系統(tǒng)有較高的依賴性。為了提高廣域保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，避免因某套廣域保護(hù)決策系統(tǒng)故障而造成廣域保護(hù)系統(tǒng)退出運(yùn)行，變電站級(jí)的廣域保護(hù)決策系統(tǒng)可以采用冗余方式提高系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，通信技術(shù)的發(fā)展及電力專用光纖數(shù)據(jù)網(wǎng)的普及與應(yīng)用，也保證了廣域繼電保護(hù)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(hù)算法 ，基于該算法的廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)采用變電站集中式結(jié)構(gòu)，它通過(guò)變電站內(nèi)的局域網(wǎng)和變電站問(wèn)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(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和方向元件安裝位置形成一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)范圍內(nèi)方向元件的輸出只對(duì)一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣進(jìn)行數(shù)值初始化，形成一次設(shè)備/故障方向關(guān)聯(lián)矩陣，并據(jù)此確定具體的故障元件。廣域繼電保護(hù)算法可以很好的判斷線路、母線、變壓器等一次設(shè)備發(fā)生的故障，且對(duì)廠站的主接線形式有很好的適應(yīng)性，判斷結(jié)果準(zhǔn)確。

基于方向比較原理的廣域繼電保護(hù)算法。根據(jù)發(fā)電廠或變電站的主接線形式和方向元件位置，分別形成廠站內(nèi)一次設(shè)備和廠站出線對(duì)應(yīng)的一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣。系統(tǒng)發(fā)生故障后，根據(jù)方向元件指示的故障方向信息和一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣形成一次設(shè)備/故障方向關(guān)聯(lián)矩陣，并據(jù)此確定具體的故障元件。算例分析表明，該文提出的廣域繼電保護(hù)算法可以很好的判斷線路、母線、變壓器等一次設(shè)備發(fā)生的故障，判斷結(jié)果準(zhǔn)確，且對(duì)廠站的主接線形式有很好的適應(yīng)性 。

隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，運(yùn)行方式日益靈活，后備保護(hù)的整定也日益復(fù)雜和難以協(xié)調(diào)，由繼電保護(hù)不正確動(dòng)作而造成的大停電事故也常有發(fā)生，隨著廣域網(wǎng)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，為了提高繼電保護(hù)系統(tǒng)的性能，近年來(lái)人們提出了廣域繼電保護(hù)的概念并進(jìn)行了初步的研究。廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)的提出并不是要完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的主保護(hù)，而是充分發(fā)揮其根據(jù)多點(diǎn)故障信息準(zhǔn)確判斷故障元件的能力，對(duì)傳統(tǒng)的主保護(hù)和后備保護(hù)進(jìn)行補(bǔ)充，從而更準(zhǔn)確、更快速的切除系統(tǒng)故障，提高繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

目前對(duì)廣域繼電保護(hù)算法的研究主要分為三類:基于電網(wǎng)中多個(gè)距離保護(hù)元件的判斷結(jié)果、依靠專家系統(tǒng)集中決策的廣域后備保護(hù)算法基于廣域電流差動(dòng)的廣域繼電保護(hù)算法;基于縱聯(lián)比較原理的廣域繼電保護(hù)算法。廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)分為三類:區(qū)域調(diào)度中心集中式廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)，即廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)的核心決策系統(tǒng)位于區(qū)域調(diào)度中心;變電站集中式廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)，即廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)的核心決策系統(tǒng)位于變電站內(nèi);分散式廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)，即廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)的核心決策系統(tǒng)位于分散的智能電了設(shè)備(intelligent electronic device IED)內(nèi)。

基于方向比較原理的廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)一次設(shè)備及方向IED的表示

提出的廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)，其保護(hù)對(duì)象包括了變電站內(nèi)的所有一次設(shè)備以及變電站的出線。鑒于母線保護(hù)與廠站的主接線方式有密切關(guān)系，因而對(duì)一次設(shè)備的描述應(yīng)該能夠反映電網(wǎng)的實(shí)際拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠清晰的表達(dá)一次設(shè)備與IED之問(wèn)的連接關(guān)系。為了能夠正確的判斷故障元件，在被保護(hù)系統(tǒng)的每一個(gè)斷路器或電流互感器處，都裝設(shè)一個(gè)能夠測(cè)量故障方向的方向IED。 中一次設(shè)備、IED分別以以下格式進(jìn)行表示:一次設(shè)備ID，設(shè)備類型，接線方式，設(shè)備名稱，設(shè)備所屬?gòu)S站數(shù)組，設(shè)備狀態(tài));IED}ID，類型，狀態(tài)，I側(cè)連接一次設(shè)備，側(cè)連接一次設(shè)備，對(duì)應(yīng)斷路器ID。

對(duì)于一次設(shè)備，ID作為關(guān)鍵字是區(qū)分不同一次設(shè)備的唯一標(biāo)志。設(shè)備類型不僅包括實(shí)際電網(wǎng)中的一次設(shè)備類型，如線路、母線、兩卷變、三卷變、發(fā)電機(jī)等，還包括虛擬母線。虛擬母線是IED的連接點(diǎn)，但又不是實(shí)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(wèn)的連接關(guān)系。接線方式主要用于描述線路和母線，對(duì)于線路，接線方式包括普通兩端線路和T接線路;對(duì)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(shè)備名稱為具體一次設(shè)備的名稱。設(shè)備所屬?gòu)S站數(shù)組描述了一次設(shè)備所連接的廠站，若一次設(shè)備為廠站內(nèi)元件，如母線、變壓器，那么設(shè)備所屬?gòu)S站數(shù)組維數(shù)為1;若一次設(shè)備為廠站問(wèn)元件，如線路，那么設(shè)備所屬?gòu)S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(shè)備所屬?gòu)S站數(shù)組維數(shù)為2，而T接線對(duì)應(yīng)的設(shè)備所屬?gòu)S站數(shù)組維數(shù)為3。設(shè)備狀態(tài)分為兩種，分別為運(yùn)行和停運(yùn) 。

ID是區(qū)分不同IED的唯一標(biāo)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(gè)虛擬母線之問(wèn)，如3/2接線方式中的中問(wèn)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(yùn)行和停運(yùn)兩種。I側(cè)連接一次設(shè)備、J側(cè)連接一次設(shè)備分別為IED兩側(cè)所連接的一次設(shè)備。若IED為上述3種斷路器IED類型之一，對(duì)應(yīng)斷路器ID則為該方向元件IED對(duì)應(yīng)的斷路器ID號(hào)，否則該項(xiàng)為0.

基于方向比較原理的廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣的形成

一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣描述了一次設(shè)備和方向元件的連接關(guān)系。一次設(shè)備和方向元件的連接關(guān)系分為三類:直接相關(guān)，即方向元件直接與一次設(shè)備相連，可直接用于判斷一次設(shè)備是否為故障元件;問(wèn)接相關(guān)，即方向元件與一次設(shè)備跨過(guò)一個(gè)一次設(shè)備問(wèn)接相連，在直接相關(guān)方向元件拒動(dòng)或信息丟失的情況下可用于判斷相應(yīng)的一次設(shè)備是否為故障元件;不相關(guān)，即方向元件與一次設(shè)備不相連，不相關(guān)方向元件的動(dòng)作情況亦不能作為相應(yīng)一次設(shè)備是否為故障元件的判據(jù)。在一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣中，對(duì)應(yīng)于一次設(shè)備，直接相關(guān)方向元件用“ ”表示，問(wèn)接相關(guān)方向元件用“①”表示，不相關(guān)方向元件用“X”表示。為了清晰描述不同類型的一次設(shè)備與方向元件的連接情況，一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣根據(jù)具體的一次設(shè)備類型分為線路/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣、母線/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣、兩卷變/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣、三卷變/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣等。一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣為MxN維矩陣，其中M為廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)范圍內(nèi)的相同類型一次設(shè)備數(shù)目，N為廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)范圍內(nèi)的方向元件數(shù)目。一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣的形式如式(1)所示，每一行代表一個(gè)一次設(shè)備，而每一列則代表一個(gè)方向元件，矩陣中的具體元素描述了一次設(shè)備與方向元件的連接關(guān)系。方向元件按類型排列于關(guān)聯(lián)矩陣中，即在關(guān)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(hù)系統(tǒng)的核心之一就是一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣的形成。為了更好的闡述一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣的形成過(guò)程， 將結(jié)合具體的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行說(shuō)明，圖2為示例系統(tǒng)。一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣的形成具體分為4個(gè)步驟:

步驟1:確定廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)對(duì)象。廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)對(duì)象包括保護(hù)系統(tǒng)所在廠站內(nèi)的所有母線、兩卷變、三卷變、發(fā)電機(jī)以及該廠站的出線。如圖2所示系統(tǒng)，Subl廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)對(duì)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(hù)系統(tǒng)保護(hù)范圍內(nèi)的方向元件。這些方向元件不僅包括與保護(hù)對(duì)象直接相關(guān)的方向元件，還包括與保護(hù)對(duì)象問(wèn)接相關(guān)的方向元件。如圖2所示系統(tǒng)，Subl廣域繼電保護(hù)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(guān)方向元件(這些方向元件與L1, L2, L:直接或問(wèn)接相連，且都標(biāo)注于圖2上)。

步驟3:形成原始的一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣，包括線路/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣、母線/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣、兩卷變/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣、三卷變/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣等。這一步主要做兩個(gè)工作:遍歷廠站內(nèi)及廠站問(wèn)的一次設(shè)備，根據(jù)類型進(jìn)行分類，以便形成對(duì)應(yīng)的原始關(guān)聯(lián)矩陣;遍歷廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)范圍內(nèi)的方向元件，并按類型進(jìn)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(shí)，分別建立一次設(shè)備和方向元件在一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣中的位置索引，一次設(shè)備位置索引指示一次設(shè)備在關(guān)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(guān)聯(lián)矩陣中的列位置。如圖2所示系統(tǒng)，一次設(shè)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(cè)所連接的一次設(shè)備，對(duì)一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣進(jìn)行初始化，根據(jù)上述方向元件和一次設(shè)備連接關(guān)系的定義確定方向元件與所有一次設(shè)備的連接關(guān)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(guān)，與母線Bi和虛擬母線By問(wèn)接相關(guān)。

按照上述4個(gè)步驟，Subl廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的線路/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣和母線/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣分別如式(2)、式(3)所示，變壓器/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣的形成類似。 一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣形成后，存儲(chǔ)于廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)中，當(dāng)方向元件動(dòng)作后，廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)依據(jù)一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣來(lái)判斷具體的故障元件。

一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣不是固定的，它隨網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化而變化。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化后，一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣必須與之相適應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化既可能由一次設(shè)備退出運(yùn)行引起，亦可能由變電站改造引起，同時(shí)還可能由一次設(shè)備增加引起。對(duì)于不同的情況，可以采取不同的措施使一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相適應(yīng)。

（1） 一次設(shè)備退出運(yùn)行。一次設(shè)備退出運(yùn)行時(shí)，與其直接相連的斷路器也必須退出運(yùn)行，相應(yīng)的方向元件IED也退出運(yùn)行。若退出運(yùn)行的一次設(shè)備是母線，則停運(yùn)的方向元件是與該母線相連的斷路器對(duì)應(yīng)的斷路器IED。若退出運(yùn)行的是其它一次設(shè)備，則停運(yùn)的IED是與該一次設(shè)備直接相關(guān)的非斷路器IED以及與該一次設(shè)備相連的斷路器對(duì)應(yīng)的斷路器IED，具體取決于該一次設(shè)備所連接母線的接線方式。如圖2所示系統(tǒng)，當(dāng)線路L:因檢修退出運(yùn)行時(shí)，方向元件IEDB, 17, 3, 14, 18, 19也需要退出運(yùn)行。確定退出運(yùn)行的一次設(shè)備和方向元件后，通過(guò)對(duì)初始一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣進(jìn)行修改即可得到與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相適應(yīng)的臨時(shí)一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣，其修改原則為:將退出運(yùn)行的一次設(shè)備對(duì)應(yīng)的行從一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣中冊(cè)U除，將退出運(yùn)行的方向元件IED對(duì)應(yīng)的列從一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣中刪除。同時(shí)更新一次設(shè)備和方向元件在一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣中的位置索引。

（2）變電站改造。變電站改造可能會(huì)涉及母線接線方式的改變或新母線的投運(yùn)，此時(shí)僅僅對(duì)初始一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣進(jìn)行修改，往往無(wú)法很好的描述一次設(shè)備和方向元件之問(wèn)的關(guān)系，因而需要按照上述步驟重新形成新的一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣。

（3）一次設(shè)備增加。一次設(shè)備增加包括新的線路、變壓器等一次設(shè)備的投入運(yùn)行，而新母線的投運(yùn)被歸入變電站改造中。根據(jù)投入運(yùn)行的一次設(shè)備及相應(yīng)的方向原件，通過(guò)對(duì)初始一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣進(jìn)行修改即可得到與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相適應(yīng)的新一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣，其修改原則為:在初始一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣中增加新投入一次設(shè)備對(duì)應(yīng)的行從;根據(jù)新投入方向元件IED的類型，在初始一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣中增加

與之對(duì)應(yīng)的列N;根據(jù)新投入一次設(shè)備與方向元件IED的關(guān)系，對(duì)一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣的第從行元素進(jìn)行初始化;根據(jù)新投入方向元件IED與一次設(shè)備的關(guān)系，對(duì)一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣的第N列進(jìn)行初始化。更新一次設(shè)備和方向元件在一次設(shè)備/方向元件關(guān)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(hù)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(fù)來(lái)定義，若方向元件安裝于兩個(gè)母線之問(wèn)，那么按流出ID較小者母線為正、流入ID較小者母線為負(fù)，這樣每個(gè)方向元件的輸出值可能為 當(dāng)廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)到保護(hù)范圍內(nèi)有方向元件啟動(dòng)時(shí)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)問(wèn)的延遲后(在這段延遲時(shí)問(wèn)內(nèi)，廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)等待保護(hù)范圍內(nèi)的所有方向元件的動(dòng)作信息上傳至廣域繼電保護(hù)系統(tǒng))，廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)根據(jù)方向元件的輸出值對(duì)一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣進(jìn)行賦值，形成一次設(shè)備/故障方向關(guān)聯(lián)矩陣。在對(duì)一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣進(jìn)行賦值時(shí)，若方向元件與一次設(shè)備直接相關(guān)(對(duì)應(yīng)一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣中的“ ”，則將方向元件的輸出值賦給一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣的對(duì)應(yīng)元素;若方向元件與一次設(shè)備是問(wèn)接相關(guān)或不相關(guān)(對(duì)應(yīng)一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣中的“①”和uXm，則直接將一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣的對(duì)應(yīng)元素賦值為0。若方向元件為母聯(lián)斷路器IED在給一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣賦值時(shí)必須注意如下問(wèn)題:若一次設(shè)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(shè)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(fù)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(gè)故障方向元件的輸出結(jié)果時(shí)，廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)將閉鎖，不對(duì)故障元件進(jìn)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(shè)備直接相連的方向元件數(shù)，可以根據(jù)一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣求得，但停運(yùn)的方向元件IED不包括在內(nèi)。對(duì)于普通兩端線路，'set_ line(i)-2;對(duì)于T接線路，''set_ trans(i)-3·對(duì)于兩卷變'set_ trans(i) -2，對(duì)于三卷變''set trans(i)-3·對(duì)于母線，'set bus(i)視母線直接連接的方向元件數(shù)而定。對(duì)于情況I，前述一次設(shè)備/故障方向關(guān)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(shí)，與該故障方向元件直接相連的一次設(shè)備需啟用與該方向元件連接于同一母線的問(wèn)接相關(guān)方向元件，形成計(jì)及問(wèn)接相關(guān)方向元件的一次設(shè)備/故障方向關(guān)聯(lián)矩陣。為保證判據(jù)的一致性，問(wèn)接相關(guān)方向元件應(yīng)該與失效方向元件的方向保持一致，一次設(shè)備/故障方向關(guān)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(gè)故障方向元件的輸出結(jié)果時(shí)，廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)將閉鎖，不對(duì)故障元件進(jìn)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(shè)備直接相連的方向元件數(shù)，可以根據(jù)一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣求得，但停運(yùn)的方向元件IED不包括在內(nèi)。對(duì)于普通兩端線路，'set_ line(i)-2;對(duì)于T接線路，''set_ trans(i)-3·對(duì)于兩卷變'set_ trans(i) -2，對(duì)于三卷變''set trans(i)-3·對(duì)于母線，'set bus(i)視母線直接連接的方向元件數(shù)而定。對(duì)于情況I，前述一次設(shè)備/故障方向關(guān)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(shí)，與該故障方向元件直接相連的一次設(shè)備需啟用與該方向元件連接于同一母線的問(wèn)接相關(guān)方向元件，形成計(jì)及問(wèn)接相關(guān)方向元件的一次設(shè)備/故障方向關(guān)聯(lián)矩陣。為保證判據(jù)的一致性，問(wèn)接相關(guān)方向元件應(yīng)該與失效方向元件的方向保持一致，一次設(shè)備/故障方向關(guān)聯(lián)矩陣的取值視如下兒種情況而定:①問(wèn)接相關(guān)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(wèn)接相關(guān)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(fù)數(shù);③問(wèn)接相關(guān)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(fù)數(shù);④問(wèn)接相關(guān)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(fù)數(shù)。

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

廣域繼電保護(hù)決策系統(tǒng)確定故障元件之后，根據(jù)一次設(shè)備/方向元件關(guān)聯(lián)矩陣表示的一次設(shè)備與方向元件的關(guān)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(jìn)而向這些斷路器對(duì)應(yīng)的終端執(zhí)行單元發(fā)出跳閘信號(hào)，從而完成對(duì)故障元件的隔離。

廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)的故障判別原理

在廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用過(guò)程中，故障元件的機(jī)制可以被看作是系統(tǒng)中的一個(gè)重要內(nèi)容。從學(xué)者對(duì)這一問(wèn)題的研究情況來(lái)看，一些學(xué)著認(rèn)為這一系統(tǒng)中所應(yīng)用的故障判別原理是對(duì)廣域電流差動(dòng)原理的一種表現(xiàn)。在這一技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)廣域電流誤差和電容電流的問(wèn)題的優(yōu)化處理，對(duì)這一技術(shù)的自身價(jià)值的充分發(fā)揮，起到了一定的促進(jìn)作用。還有一些學(xué)者認(rèn)為，這一技術(shù)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(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的表現(xiàn)來(lái)看，智能算法在這一領(lǐng)域中的應(yīng)用，對(duì)廣域信息改善的可靠性的提升，具有一定的促進(jìn)作用 。

廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)中的其他技術(shù)問(wèn)題

在這技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，信息同步問(wèn)題、互操作性問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估問(wèn)題等問(wèn)題是系統(tǒng)中存在的主要技術(shù)問(wèn)題。受到我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)現(xiàn)狀的影響，在信息同步問(wèn)題的處理過(guò)程中，我們目前只能通過(guò)GPS技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行解決。IEC61850信息標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，對(duì)這一系統(tǒng)的互操作性問(wèn)題的解決提供了一定的幫助。

眾多 對(duì)廣域繼電保護(hù)決策任務(wù)的劃分方法進(jìn)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(jié)構(gòu)。集中式保護(hù)系統(tǒng)由控制中心進(jìn)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(hù)的優(yōu)勢(shì)。但是集中式結(jié)構(gòu)對(duì)控制中心設(shè)備要求過(guò)高，因此必須配置備用的中心設(shè)備;而且大量信息的集中處理使得控制中心計(jì)算量大，并對(duì)通信系統(tǒng)的依賴程度特別高，通信系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性、實(shí)時(shí)性決定著控制中心的分析結(jié)果。分散式保護(hù)系統(tǒng)由各分散的保護(hù)終端SPT進(jìn)行決策，如圖1所示，各保護(hù)終端利用一定范圍內(nèi)的信息，通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的算法和判據(jù)，實(shí)現(xiàn)可靠、靈敏的系統(tǒng)保護(hù)功能。即使某個(gè)保護(hù)終端決策功能失效，鄰近終端可以作為后備。分散式結(jié)構(gòu)能較好地克服集中式對(duì)控制中心設(shè)備要求過(guò)高的問(wèn)題。但作為分散式系統(tǒng)的決策單元，保護(hù)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(jié)構(gòu)往往不能做到全局最優(yōu)控制。分層區(qū)域式的保護(hù)系統(tǒng)由三層構(gòu)成位于最底層的本地測(cè)量單元(Local Measure UnitLMU、位于中問(wèn)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(lái)采集電網(wǎng)實(shí)時(shí)信息或同時(shí)附帶保護(hù)功能的PMUs CPhase Measure Units); RDU完成數(shù)據(jù)采集以及保護(hù)控制功能，實(shí)現(xiàn)一個(gè)保護(hù)分區(qū)的系統(tǒng)保護(hù);SMC對(duì)本地保護(hù)中心進(jìn)行協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)安全防御計(jì)劃。在分層區(qū)域式保護(hù)系統(tǒng)中，RDU與此區(qū)域內(nèi)LMU通過(guò)光纖連接，正常運(yùn)行時(shí)，監(jiān)測(cè)本區(qū)域內(nèi)LMU的運(yùn)行狀態(tài)，在擾動(dòng)發(fā)生后，對(duì)LMU上傳信息綜合分析并作出相應(yīng)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(yīng)的斷路器;另一方面將判斷結(jié)果送至SMC } SMC負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)和監(jiān)控各區(qū)域保護(hù)系統(tǒng)。分層式系統(tǒng)中保護(hù)中心SMC根據(jù)下級(jí)單元的判斷結(jié)果從邏輯上進(jìn)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(hù)中心計(jì)算量大的弊端，對(duì)通訊系統(tǒng)的要求也相應(yīng)降低。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要解決在哪里決策的問(wèn)題。分散式結(jié)構(gòu)是把數(shù)據(jù)分析和決策過(guò)程放在分散于系統(tǒng)各處的保護(hù)終端上，雖然能夠解決集中式結(jié)構(gòu)對(duì)于控制中心要求過(guò)高的問(wèn)題，但是其決策能力有限;集中 式結(jié)構(gòu)是在控制中心集中進(jìn)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(dá)到要求的前提下，集中式結(jié)構(gòu)是優(yōu)于分散式結(jié)構(gòu)的。集中式結(jié)構(gòu)雖然功能強(qiáng)大，但是隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，保護(hù)系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)增多，數(shù)據(jù)傳輸距離增長(zhǎng)，對(duì)通信系統(tǒng)帶寬和計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理能力提出更高要求。分層式結(jié)構(gòu)結(jié)合分散式和集中式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，把大量原始數(shù)據(jù)的處理分散在各RDU進(jìn)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(yùn)算結(jié)果上傳到保護(hù)中心SMC；SMC根據(jù)下級(jí)單元的判斷結(jié)果從邏輯上進(jìn)行故障定位和全局決策。分層式結(jié)構(gòu)不僅能夠解決集中式控制中心計(jì)算量大的問(wèn)題，其對(duì)通信系統(tǒng)的要求也相應(yīng)降低，而且還能夠從系統(tǒng)角度進(jìn)行分析和決策，實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)控制，是集中式結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化，因此分層式結(jié)構(gòu)是目前更為合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

目前廣域繼電保護(hù)分層式結(jié)構(gòu)是可以改進(jìn)的，控制中心SMC除了接收區(qū)域保護(hù)RDU的判斷結(jié)果外，還應(yīng)當(dāng)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(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化控制。例如在某個(gè)區(qū)域保護(hù)中，可以考慮將區(qū)域的邊界點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)大差，大差中的信息處理及決策在控制中心進(jìn)行，而內(nèi)部的判別結(jié)果由下級(jí)判定結(jié)果上報(bào)。此外，筆者認(rèn)為分層式結(jié)構(gòu)還存在一些問(wèn)題，比如說(shuō)RDU和SMC的權(quán)限劃分問(wèn)題，當(dāng)RDU的判斷結(jié)果與上級(jí)SMC的判斷結(jié)果不一致時(shí)，保護(hù)終端應(yīng)該采用誰(shuí)的決策結(jié)果才更為合理，這也是廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中值得深入探討的問(wèn)題。

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

廣域后備保護(hù)的核心思想在于通過(guò)電網(wǎng)中的多點(diǎn)同步測(cè)量信息，確定故障元件的具體位置，在相鄰保護(hù)之間通過(guò)簡(jiǎn)單的時(shí)序配合來(lái)保證保護(hù)動(dòng)作的正確性。目前的研究主要是基于主保護(hù)算法的拓展，將方向比較縱聯(lián)保護(hù)和電流差動(dòng)保護(hù)原理引伸到廣域后備保護(hù)中，并結(jié)合智能算法提高信息的容錯(cuò)性。廣域后備保護(hù)根據(jù)所基于的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的不同，相同的算法在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中也有所差別。

廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)廣域方向比較縱聯(lián)保護(hù)

以區(qū)域調(diào)度中心為后備保護(hù)系統(tǒng)中心，通過(guò)采集區(qū)域內(nèi)各變電站線路保護(hù)裝置的方向判別信息，構(gòu)建故障方向關(guān)聯(lián)矩陣，從而快速判斷出故障線路并做出動(dòng)作決策。網(wǎng)絡(luò)仿真軟件(NS2)的仿真結(jié)果表明主站到子站的端對(duì)端通信時(shí)延為4.6 ms . 滿足廣域后備保護(hù)的通信要求。

采用變電站集中式結(jié)構(gòu)構(gòu)建廣}P后備保護(hù)系統(tǒng)，將母線和變壓器保護(hù)也納入系統(tǒng)中通過(guò)發(fā)電廠的主接線形式和方向元件位置形成關(guān)耳矩陣，結(jié)合故障方向信息確定具體的故障元件，多通過(guò)采集間接相關(guān)元件的信息保證算法的容錯(cuò)性在電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，集中式結(jié)構(gòu)的廣域備保護(hù)都只需調(diào)整關(guān)聯(lián)矩陣對(duì)應(yīng)的行和列即可與乏適應(yīng)。

針對(duì)集中式結(jié)構(gòu)存在中心站單點(diǎn)失效風(fēng)險(xiǎn)的I}題，提出基于分布式結(jié)構(gòu)的廣域后備保打系統(tǒng)。各斷路器和TA對(duì)應(yīng)的智能電子設(shè)備(IED)僅完成安裝點(diǎn)的信息采集和運(yùn)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(hù)區(qū)域，從而保證各IED只與其相關(guān)范圍內(nèi)的類他IED交互信息，并定義動(dòng)作系數(shù)和關(guān)聯(lián)系數(shù)，再匯過(guò)相應(yīng)判據(jù)算出被保護(hù)對(duì)象是否存在故障。

廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)廣域電流差動(dòng)保護(hù)

采用基于分布式結(jié)構(gòu)的廣域電流差虧保護(hù)算法，提出一種基于圖論方法的專家系統(tǒng)，根薪設(shè)備狀態(tài)信息及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在線確定各設(shè)備的主、備保護(hù)區(qū)。屬同一保護(hù)區(qū)內(nèi)的保護(hù)裝置相互通信巨可實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)。并可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，睡適應(yīng)調(diào)整保護(hù)區(qū)。 在此基礎(chǔ)上引入基于}i測(cè)和修正自愈策略的保護(hù)Agent承擔(dān)通信和協(xié)調(diào)再能。仿真結(jié)果證明其在電網(wǎng)連鎖故障發(fā)生時(shí)，比右統(tǒng)過(guò)流保護(hù)具有更佳的動(dòng)作特性。

將基于Agent的后備保護(hù)系統(tǒng)建立拍傳統(tǒng)線路保護(hù)基礎(chǔ)上，采用常規(guī)保護(hù)動(dòng)作信息與以流差動(dòng)相結(jié)合的方法判別故障元件。在廣域后備移護(hù)由于通信故障退出時(shí)，可與傳統(tǒng)保護(hù)相協(xié)調(diào)實(shí)。后備保護(hù)功能。在此基礎(chǔ)上對(duì)廣域后備移護(hù)系統(tǒng)的Agent模型進(jìn)行了具體分析，提出了在區(qū)絡(luò)阻塞、Agent故障、斷路器失靈等狀態(tài)下系統(tǒng)的維錯(cuò)策略。并使用電力和通信同步仿真器EPOCHS對(duì)廣域后備保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，該仿真器實(shí)現(xiàn)了區(qū)絡(luò)通信(NS2)和電磁暫態(tài)仿真(PSCAD)接口，提震了仿真結(jié)果的可信度。

廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)廣域信息容錯(cuò)性算法

在信息容錯(cuò)性方而的研究是基于集件決策系統(tǒng)“知曉”何種信息錯(cuò)誤的基礎(chǔ)上，缺乏對(duì)1F息本身正確與否的識(shí)別。針對(duì)次此問(wèn)題纂出了基于遺傳算法的故障判別原理，通過(guò)構(gòu)造適F度函數(shù)進(jìn)行選擇、交叉、變異等進(jìn)化操作，求出最釗解。仿真結(jié)果表明在5/32的信息畸變率下保護(hù)書能做出正確判別。利用狀態(tài)估計(jì)辨識(shí)不嶸數(shù)據(jù)原理，采用遞歸量測(cè)誤差估計(jì)辨識(shí)法對(duì)不良婁據(jù)進(jìn)行檢測(cè)和辨識(shí)，與前述算法相比，具有更高的價(jià)值。

廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)研究的難點(diǎn)和建議

從保護(hù)系統(tǒng)基于的結(jié)構(gòu)模式看，區(qū)域集中式、變電站集中式和分布式結(jié)構(gòu)的廣域保護(hù)系統(tǒng)各有優(yōu)勢(shì)和缺陷。區(qū)域集中式和變電站集中式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的投資較小，集成的信息量更大，可以實(shí)現(xiàn)更多的保護(hù)功能，同時(shí)也存在對(duì)決策中心依賴程度高的缺陷。分布式結(jié)構(gòu)的保護(hù)系統(tǒng)通信量較少，不存在決策站單點(diǎn)失效的風(fēng)險(xiǎn)，算法更簡(jiǎn)單可靠，但也存在對(duì)IED性能要求較高，實(shí)用化困難的缺點(diǎn)。因此，如何根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際情況，選擇合適的結(jié)構(gòu)構(gòu)建系統(tǒng)仍有待研究。

從廣域后備保護(hù)系統(tǒng)基于的保護(hù)算法看，采用方向比較縱聯(lián)保護(hù)的最大優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)GPS同步對(duì)時(shí)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(hù)所而臨的問(wèn)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(shí)，方向元件拒動(dòng);線路非全相運(yùn)行，負(fù)/零序方向元件退出后，故障時(shí)保護(hù)拒動(dòng);環(huán)網(wǎng)中功率分點(diǎn)故障，線路兩側(cè)不同方向元件可能同判為正向，導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)等。采用廣域電流差動(dòng)保護(hù)則可避免考慮上述問(wèn)題。和前者相比，由于需要多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的電流值而非邏輯值，其對(duì)GPS同步對(duì)時(shí)的要求很高。因此，多站信息的高精度同步問(wèn)題，是廣域電流差動(dòng)算法實(shí)用化的關(guān)鍵。

擺脫傳統(tǒng)保護(hù)算法的束縛，研究新的故障快速識(shí)別與隔離算法，彌補(bǔ)現(xiàn)有保護(hù)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(cè)量值為基礎(chǔ)，構(gòu)建復(fù)合相量函數(shù)進(jìn)行故障定位。該法與電流差動(dòng)算法結(jié)合應(yīng)用，可在一定程度上彌補(bǔ)后者受線路分布電容電流影響較大的缺陷。