徐兵，張巖，田方媛，文福拴,2，朱炳銓，徐立中

(1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州市310027；2.文萊科技大學(xué)電機(jī)與電子工程系，文萊斯里巴加灣 BE1410；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，杭州市 310007)

利用有限相量測(cè)量單元的故障識(shí)別與廣域后備保護(hù)策略

徐兵1，張巖1，田方媛1，文福拴1,2，朱炳銓3，徐立中3

(1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州市310027；2.文萊科技大學(xué)電機(jī)與電子工程系，文萊斯里巴加灣 BE1410；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，杭州市 310007)

針對(duì)傳統(tǒng)后備保護(hù)整定困難、動(dòng)作延時(shí)長(zhǎng)、配合關(guān)系復(fù)雜等問(wèn)題，提出了一種利用有限相量測(cè)量單元的故障識(shí)別與廣域后備保護(hù)策略。首先，根據(jù)相量測(cè)量單元的安裝位置劃分后備保護(hù)區(qū)域；在發(fā)生故障時(shí)，利用電氣量信息確定故障設(shè)備所在的后備保護(hù)區(qū)域，以期快速縮小可疑故障設(shè)備范圍。其次，提出一種基于解析模型的故障識(shí)別方法和廣域后備保護(hù)策略。當(dāng)主保護(hù)未能成功切除故障時(shí)，這種解析模型可綜合利用主保護(hù)動(dòng)作警報(bào)、斷路器動(dòng)作警報(bào)、后備保護(hù)啟動(dòng)信息和功率方向繼電器指向信息，利用禁忌算法(tabu search，TS)求解最優(yōu)故障假說(shuō)，并通過(guò)解析保護(hù)和斷路器的動(dòng)作邏輯判斷拒動(dòng)裝置。之后，根據(jù)不同的拒動(dòng)情況提出相應(yīng)的后備保護(hù)策略以防止故障擴(kuò)大。最后，以IEEE 39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例，對(duì)所提出的方法做了驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，所提出的方法是可行的，具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。

故障診斷；后備保護(hù)策略；相量測(cè)量單元(PMU)；后備保護(hù)區(qū)域(BPZ)；解析模型

0 引 言

現(xiàn)代電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，后備保護(hù)的配置與整定更加困難。大量電力系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)踐表明，后備保護(hù)的不合理動(dòng)作是導(dǎo)致事故發(fā)展和擴(kuò)大的主要原因之一。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)后備保護(hù)僅利用本地信息，信息來(lái)源比較單一[1-3]，存在配合關(guān)系復(fù)雜、動(dòng)作延時(shí)較長(zhǎng)、整定困難等問(wèn)題。在過(guò)去的10多年間，隨著廣域測(cè)量系統(tǒng)(wide area measurement system，WAMS)的發(fā)展和應(yīng)用，可以對(duì)處于電力系統(tǒng)各個(gè)位置的設(shè)備進(jìn)行同步信息采集，為解決后備保護(hù)的上述問(wèn)題提供了新的途徑。

相量測(cè)量單元(phasor measurement unit，PMU)是WAMS的基本組成單元，可利用GPS時(shí)鐘信號(hào)對(duì)其測(cè)量的節(jié)點(diǎn)電壓、線路電流、功角和頻率等狀態(tài)量實(shí)現(xiàn)同步授時(shí)，并通過(guò)通信系統(tǒng)上傳至調(diào)度中心。PMU具有更新頻率快(可達(dá)幾十ms)、量測(cè)信息豐富等優(yōu)點(diǎn)，為改善電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[4-5]與狀態(tài)估計(jì)[6-8]，實(shí)現(xiàn)基于廣域信息的后備保護(hù)[9-11]等提供了新的思路和技術(shù)。近年來(lái)，在基于WAMS的后備保護(hù)方面已有相當(dāng)多的研究工作報(bào)道。文獻(xiàn)[12]利用輸電線路兩端電壓故障分量的測(cè)量值與估算值的比值，提出了一種基于電壓分布的廣域后備保護(hù)算法。文獻(xiàn)[13]利用分層、分階段的廣域信息，提出了一種基于序分量的集中式廣域后備保護(hù)算法。不過(guò)，文獻(xiàn)[12]所提出的方法要求全系統(tǒng)母線電壓實(shí)時(shí)可測(cè)；文獻(xiàn)[13]的方法則要求在系統(tǒng)的每條母線上必須配置PMU裝置，且其通信同步性受線路兩端相位差的影響較大。由于目前PMU設(shè)備的造價(jià)與維護(hù)成本較高，短期內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)所有母線均配置PMU設(shè)備。因此，從實(shí)際情況出發(fā)，研究基于有限PMU布點(diǎn)的廣域后備保護(hù)算法[14-15]具有非常重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

在上述背景下，本文提出一種基于有限PMU的故障識(shí)別與廣域后備保護(hù)策略。首先，根據(jù)PMU的安裝位置將全系統(tǒng)分成若干個(gè)后備保護(hù)區(qū)域(backup protection zone，BPZ)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，利用基于電氣量信息的故障區(qū)域識(shí)別判據(jù)確定故障所在的BPZ。若主保護(hù)將故障成功切除，則無(wú)須啟動(dòng)后備保護(hù)策略；反之，則說(shuō)明存在主保護(hù)或者斷路器拒動(dòng)的情況，需要執(zhí)行后備保護(hù)策略。將故障BPZ內(nèi)部的所有設(shè)備列為可疑故障設(shè)備，基于主保護(hù)動(dòng)作信息、后備保護(hù)啟動(dòng)信息、斷路器跳閘信息和功率方向繼電器指向信息建立故障診斷解析模型，利用禁忌算法 (tabu search，TS)[16]尋求最優(yōu)故障假說(shuō)，確定拒動(dòng)的主保護(hù)和/或斷路器。最后，根據(jù)主保護(hù)和/或斷路器拒動(dòng)的具體情況，啟動(dòng)相應(yīng)的后備保護(hù)策略，以期快速切除故障，減小故障影響范圍。最后，采用IEEE新英格蘭10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)對(duì)所提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 后備保護(hù)策略整體設(shè)計(jì)

本文提出的基于有限PMU的故障識(shí)別與廣域后備保護(hù)策略包括3部分，其整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于有限PMU的故障識(shí)別與廣域后備 保護(hù)策略整體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of fault identification and wide-area backup protection strategy based on limited PMUs

第1部分：搜索故障所在BPZ。系統(tǒng)發(fā)生故障后，立即收集各個(gè)PMU設(shè)備所采集的支路電流信息，并利用故障區(qū)域識(shí)別判據(jù)判斷各個(gè)BPZ的運(yùn)行狀況(詳見(jiàn)2.2節(jié))，確定故障所在的BPZ，縮小故障設(shè)備的查找范圍。等待足夠延時(shí)使主保護(hù)及其出口斷路器完全能夠完成相應(yīng)動(dòng)作后，再次利用該故障BPZ邊界的PMU上傳的電氣量信息，判斷故障是否成功切除。若該故障已經(jīng)成功切除，則復(fù)歸到起始狀態(tài)；否則該BPZ內(nèi)部必然存在拒動(dòng)的主保護(hù)和/或斷路器，繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)策略。

第2部分：識(shí)別拒動(dòng)的保護(hù)和/或斷路器。根據(jù)所識(shí)別的故障BPZ生成可疑故障設(shè)備集，形成故障假說(shuō)向量，基于相關(guān)的主保護(hù)動(dòng)作警報(bào)、后備保護(hù)啟動(dòng)信號(hào)、斷路器跳閘警報(bào)以及功率方向繼電器指向信號(hào)，建立故障診斷解析模型，并用TS求解并確定故障設(shè)備、拒動(dòng)的保護(hù)或斷路器。

第3部分：出口后備保護(hù)指令。根據(jù)保護(hù)和/或

斷路器拒動(dòng)的具體情況，采用所發(fā)展的廣域后備保護(hù)策略對(duì)相應(yīng)的斷路器發(fā)出跳閘指令，以快速隔離故障，最小化停電范圍。

2 后備保護(hù)區(qū)域

現(xiàn)代電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和互聯(lián)趨于復(fù)雜，僅利用本地信息的傳統(tǒng)后備保護(hù)逐漸無(wú)法滿足安全性和速動(dòng)性要求。本文所提出的基于有限PMU的分區(qū)故障識(shí)別與廣域后備保護(hù)策略按照PMU在系統(tǒng)中的安裝位置，將整個(gè)系統(tǒng)分成若干個(gè)后備保護(hù)區(qū)域。在故障發(fā)生時(shí)刻，能夠利用所建立的故障區(qū)域識(shí)別判據(jù)將可疑故障設(shè)備的范圍快速限定在有限的后備保護(hù)區(qū)域之內(nèi)。當(dāng)有保護(hù)和/或斷路器拒動(dòng)時(shí)，該判據(jù)還能快速確定發(fā)生拒動(dòng)的后備保護(hù)區(qū)域。

2.1 后備保護(hù)區(qū)域的劃分

(1)PMU的配置要求。PMU的發(fā)展為廣域后備保護(hù)提供了硬件支持，可以實(shí)時(shí)測(cè)量所在布點(diǎn)的母線電壓和支路電流?？紤]到目前尚難以在全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PMU全布點(diǎn)的實(shí)際情況，本文假設(shè)每條線路至少有一側(cè)母線配置了PMU，且發(fā)電機(jī)出口母線節(jié)點(diǎn)必須配置PMU。若發(fā)電機(jī)出口母線節(jié)點(diǎn)上不配置PMU，則會(huì)造成個(gè)別BPZ內(nèi)部包含1個(gè)或多個(gè)發(fā)電機(jī)，這會(huì)影響對(duì)故障BPZ的定位。

(2)BPZ的定義。BPZ[14]是根據(jù)系統(tǒng)中PMU的安裝位置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)劃分的，并以配置PMU的母線作為邊界，由線路和母線構(gòu)成的有限區(qū)域。用集合B={b1,b2,…,bnp}來(lái)表示局部電力系統(tǒng)中劃分的BPZ，np為該局部系統(tǒng)分成的BPZ數(shù)量。將系統(tǒng)分成若干后備保護(hù)區(qū)域能夠簡(jiǎn)化所需分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，縮小可疑故障設(shè)備范圍，提高故障設(shè)備及拒動(dòng)保護(hù)和/或斷路器的定位速度。

以圖2所示IEEE 3機(jī)9節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)為例，其中配置PMU的母線為B1、B2、B3、B5、B6和B8。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可用后備保護(hù)區(qū)域集合B={b1,b2,b3}表示。

圖2 IEEE 3機(jī)9節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 IEEE 3-unit 9-bus test system

2.2 故障區(qū)域識(shí)別判據(jù)

PMU可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)量點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓、線路電流和功率等電氣量，并通過(guò)其成熟的通訊功能，改善電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和狀態(tài)估計(jì)，實(shí)現(xiàn)基于廣域信息的后備保護(hù)等。所有BPZ都以配置PMU設(shè)備的母線作為邊界，這樣流入任意BPZ的線路電流及其邊界母線電壓均可實(shí)時(shí)量測(cè)，并作為判斷該BPZ運(yùn)行狀況的數(shù)據(jù)來(lái)源。當(dāng)某一BPZ內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，連接在該BPZ的線路上流入該區(qū)域的正序電流之和會(huì)比故障之前明顯增加。據(jù)此可以在故障發(fā)生時(shí)快速確定故障設(shè)備所在的BPZ。規(guī)定電流的正方向?yàn)檫吔缒妇€指向內(nèi)部線路，如圖3所示。

圖3 發(fā)生故障的BPZFig.3 A faulted BPZ

(1)

(2)

根據(jù)上述原理，建立基于正序電流分量的故障區(qū)域識(shí)別判據(jù)，如式(3)所示：

(3)

采用該故障區(qū)域識(shí)別判據(jù)可以判斷各個(gè)BPZ的運(yùn)行情況。當(dāng)后備保護(hù)區(qū)域bk內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，v應(yīng)為1，否則應(yīng)為0。

3 故障診斷解析模型

當(dāng)確認(rèn)某故障BPZ內(nèi)存在保護(hù)和/或斷路器拒動(dòng)情況后，可針對(duì)此故障BPZ，生成可疑故障設(shè)備集D和故障假說(shuō)向量H?；谑占降闹鞅Ｗo(hù)動(dòng)作信息、后備保護(hù)啟動(dòng)信息、斷路器跳閘信息以及功率方向繼電器指向信息建立故障診斷解析模型(優(yōu)化模型)。在解析模型中，利用目標(biāo)函數(shù)E(H)來(lái)反映由故障假說(shuō)推理計(jì)算得到的各種信息的期望狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)之間的差異程度，并用TS求解[16]；E(H)的值越小，故障假說(shuō)H越可信。采用TS對(duì)解析模型進(jìn)行求解，在目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)值時(shí)，確定故障設(shè)備及發(fā)生拒動(dòng)的保護(hù)和/或斷路器。

3.1 故障假說(shuō)

根據(jù)搜索得到的故障BPZ，獲取該區(qū)域內(nèi)部包含的設(shè)備及其配置的保護(hù)和斷路器，并將相關(guān)集合表示為如下形式：

(1){s1，s2，…，sns}是位于該故障BPZ內(nèi)的設(shè)備集合；

(2){r1，r2，…，rnr}是與該故障BPZ有關(guān)的主保護(hù)動(dòng)作以及近后備和遠(yuǎn)后備保護(hù)啟動(dòng)信號(hào)的集合，其中主保護(hù)和近后備保護(hù)包括位于該BPZ內(nèi)部的相應(yīng)保護(hù)，而遠(yuǎn)后備保護(hù)則包括該BPZ及其相鄰設(shè)備范圍內(nèi)的相應(yīng)保護(hù)；

(3){c1，c2，…，cnc}是位于該故障BPZ內(nèi)的斷路器集合；

(4){d1，d2，…，dnd}是與該故障BPZ相關(guān)的功率方向繼電器集合。

故障假說(shuō)H描述如下：

H=[S，R，C，D]

(4)

其中：

S=[s1，s2，…，sns]，si=1或0分別表示該故障BPZ內(nèi)第i個(gè)設(shè)備處于故障或正常狀態(tài)；

R=[r1，r2，…，rnr]，ri=1表示第i個(gè)主保護(hù)動(dòng)作或后備保護(hù)啟動(dòng)，ri=0則相反；

C=[c1，c2，…，cnc]，ci=1表示該故障BPZ內(nèi)第i個(gè)斷路器處于分閘狀態(tài)，ci=0則表示其處于合閘狀態(tài)；

D=[d1，d2，…，dnd]，di=1或0分別表示故障發(fā)生在第i個(gè)功率方向繼電器的正方向或反方向。

故障假說(shuō)H包含以下信息：(1)故障BPZ內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)；(2)相關(guān)主保護(hù)和后備保護(hù)的狀態(tài)；(3)斷路器的狀態(tài)；(4)相關(guān)功率方向繼電器的狀態(tài)。

3.2 目標(biāo)函數(shù)

故障診斷解析模型的目標(biāo)函數(shù)可用式(5)—(7)描述：

MinimizeE(H)=E1+E2

(5)

(6)

(7)

式(5)包括差異度指標(biāo)E1和最小化指標(biāo)E22部分，下面對(duì)這2部分做詳細(xì)論述。

(1)差異度指標(biāo)E1。E1反映保護(hù)、斷路器、功率方向繼電器的期望狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)之間、實(shí)際狀態(tài)與警報(bào)狀態(tài)之間的差異程度。包含以下4類信息。

1)拒動(dòng)：主保護(hù)應(yīng)動(dòng)作但未動(dòng)作以及后備保護(hù)應(yīng)啟動(dòng)但未啟動(dòng)，或者斷路器收到跳閘指令但未跳閘；

2)誤動(dòng)：主保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作但動(dòng)作以及后備保護(hù)不應(yīng)啟動(dòng)但啟動(dòng)，或者斷路器未收到跳閘指令但跳閘；

3)漏報(bào)：主保護(hù)動(dòng)作、后備保護(hù)啟動(dòng)或者斷路器跳閘之后，但未收到其相應(yīng)的警報(bào)信息；

4)誤報(bào)：主保護(hù)未動(dòng)作、后備保護(hù)未啟動(dòng)或者斷路器未跳閘，但收到其相應(yīng)的警報(bào)信息。

αri、βri、γri和δri均為1依次表示主保護(hù)ri拒動(dòng)、誤動(dòng)、漏報(bào)和誤報(bào)，或者后備保護(hù)ri拒啟動(dòng)、誤啟動(dòng)、漏報(bào)和誤報(bào)；αri、βri、γri和δri均為0時(shí)則相反；類似地，用αcj、βcj、γcj和δcj以及αdk、βdk、γdk和δdk分別表示斷路器cj和功率方向繼電器dk的各類差異度。

αri、βri、γri和δri的邏輯計(jì)算表達(dá)式如式(8)，其中ri。、ri和ri*分別表示保護(hù)的警報(bào)狀態(tài)、實(shí)際狀態(tài)和期望狀態(tài)，⊕表示邏輯加，?表示邏輯乘，-表示邏輯取反。

(8)

同理，αcj、βcj、γcj和δcj以及αdk、βdk、γdk和δdk也可采用類似方法計(jì)算。

因此，對(duì)于給定的故障假說(shuō)H，可以通過(guò)上述邏輯計(jì)算來(lái)對(duì)主保護(hù)、斷路器和功率方向繼電器的動(dòng)作特性以及后備保護(hù)的啟動(dòng)特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(2)最小化指標(biāo)E2。電力系統(tǒng)的可靠性一般相當(dāng)高，這樣單個(gè)設(shè)備故障的概率要大于2個(gè)甚至多個(gè)設(shè)備同時(shí)故障的概率。因此，故障設(shè)備最小化指標(biāo)E2在目標(biāo)函數(shù)中的作用是：在警報(bào)差異度指標(biāo)一樣的情況下，故障設(shè)備總數(shù)越少，故障假說(shuō)H的可信度越高。

3.3 期望狀態(tài)的定義

本文所提出的基于有限PMU的故障識(shí)別與廣域后備保護(hù)策略，產(chǎn)生效用的時(shí)間位于主保護(hù)及其出口斷路器動(dòng)作完成之后，在后備保護(hù)延時(shí)動(dòng)作之前。因此，與現(xiàn)有的故障診斷解析模型[17-18]不同，這里所構(gòu)造的模型不需要考慮動(dòng)作延時(shí)較長(zhǎng)的后備保護(hù)的動(dòng)作信息，而是采用后備保護(hù)的啟動(dòng)信息。針對(duì)前述的故障假說(shuō)H和目標(biāo)函數(shù)E(H)，下面討論保護(hù)、斷路器和功率方向繼電器的期望狀態(tài)。

(1)主保護(hù)的期望狀態(tài)。主保護(hù)動(dòng)作邏輯為：如果主保護(hù)ri所保護(hù)的設(shè)備sk故障，則該主保護(hù)應(yīng)動(dòng)作。主保護(hù)ri的期望狀態(tài)可表示為

(9)

(2)后備保護(hù)啟動(dòng)信號(hào)的期望狀態(tài)。后備保護(hù)的主要作用是為主保護(hù)提供備用，在主保護(hù)沒(méi)能成功跳開(kāi)斷路器的情況下，動(dòng)作跳開(kāi)斷路器以切除故障。其啟動(dòng)信號(hào)的邏輯為：當(dāng)后備保護(hù)ri保護(hù)范圍內(nèi)的設(shè)備sk故障時(shí)，則該后備保護(hù)應(yīng)啟動(dòng)。用Z(ri)表示位于后備保護(hù)ri保護(hù)范圍內(nèi)的設(shè)備集合，sk∈Z(ri)。后備保護(hù)啟動(dòng)信號(hào)的期望狀態(tài)可以表示為

(10)

(3)斷路器的期望狀態(tài)。斷路器cj的保護(hù)ri動(dòng)作并向該斷路器發(fā)出跳閘命令時(shí)，cj應(yīng)該動(dòng)作。用D(cj)表示出口斷路器cj的保護(hù)集合，ri∈D(cj)。斷路器的期望狀態(tài)可以表示為

(11)

(4)功率方向繼電器的期望狀態(tài)。當(dāng)功率方向繼電器di所在位置的反方向發(fā)生故障，且其指向該故障時(shí)，其期望狀態(tài)為0；否則，在di的正方向發(fā)生故障時(shí)，di的期望狀態(tài)為1。定義短路功率從母線指向線路為正方向。di的期望狀態(tài)可以表示為

(12)

式中：SForward(di)和SBackward(di)分別為di所在位置正方向和反方向的故障設(shè)備集。

3.4 模型求解

在建立故障診斷解析模型(優(yōu)化模型)之后，可采用TS算法求解。TS算法是一種限制性的局部搜索技術(shù)，適合于解決組合優(yōu)化問(wèn)題。TS算法的基本概念和流程參見(jiàn)文獻(xiàn)[18]，這里不再贅述。采用TS算法求得最優(yōu)時(shí)，即可得到最優(yōu)故障假說(shuō)，進(jìn)而確定故障設(shè)備以及拒動(dòng)的保護(hù)和/或斷路器。

4 后備保護(hù)策略

前已述及，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)后備保護(hù)僅利用本地信息，信息來(lái)源比較單一，且存在配合關(guān)系復(fù)雜、動(dòng)作延時(shí)較長(zhǎng)、整定比較困難等問(wèn)題。本文所發(fā)展的基于有限PMU的故障識(shí)別與廣域后備保護(hù)策略可以在主保護(hù)未能成功切除故障的情況下，利用基于電氣量信息的故障區(qū)域識(shí)別判據(jù)快速定位故障所在的BPZ，并用TS算法求解基于所采集的狀態(tài)量警報(bào)信息構(gòu)建的故障診斷解析模型(優(yōu)化模型)，識(shí)別故障設(shè)備與拒動(dòng)的保護(hù)和/或斷路器。根據(jù)保護(hù)和斷路器拒動(dòng)的具體情況，發(fā)出相應(yīng)的后備保護(hù)指令。對(duì)于其中因保護(hù)拒動(dòng)而未能觸發(fā)斷路器跳閘的情形，只需對(duì)相應(yīng)的斷路器發(fā)出跳閘指令即可；而對(duì)于因斷路器自身因素而引起的拒動(dòng)，則需對(duì)位于該拒動(dòng)斷路器周邊的斷路器發(fā)出跳閘指令。

基于前述每條線路至少有一端母線配置PMU的假設(shè)，所發(fā)展的廣域后備保護(hù)策略可分為3種情況：(1)只含1條線路的BPZ；(2)含單母線的BPZ；(3)含雙母線的BPZ。

4.1 只含1條線路的BPZ

如果某條線路兩側(cè)母線均配置了PMU，該線路和其兩側(cè)的母線便組成了一個(gè)最簡(jiǎn)單的BPZ，如圖4所示。當(dāng)線路L1發(fā)生故障時(shí)，與該線路相關(guān)的主保護(hù)、斷路器和功率方向繼電器將動(dòng)作，相關(guān)的后備保護(hù)將啟動(dòng)。此時(shí)如果出現(xiàn)了主保護(hù)未能成功切除該故障的情況，則可以利用這些狀態(tài)量信息建立故障診斷解析模型，并采用TS求解以識(shí)別故障設(shè)備和確定拒動(dòng)的保護(hù)和/或斷路器。例如，若線路L1主保護(hù)拒動(dòng)引起其出口斷路器未跳閘，則只需對(duì)該出口斷路器發(fā)出跳閘指令即可切除故障；若斷路器C1或C2拒動(dòng)，則需對(duì)與該拒動(dòng)斷路器直接相鄰的斷路器發(fā)出跳閘指令以防止故障范圍擴(kuò)大。

圖4 只含1條線路的BPZFig.4 A BPZ containing a single line

4.2 含單母線的BPZ

BPZ內(nèi)部含有單母線的情況如圖5所示，其中母線B3、B5和B6均安裝了PMU。以故障分別發(fā)生在線路L2和母線B4上為例，2種故障將觸發(fā)和啟動(dòng)不同的主保護(hù)和后備保護(hù)，并導(dǎo)致不同的斷路器動(dòng)作。此外，線路L2上母線B4側(cè)功率方向繼電器的指向也會(huì)不同。對(duì)比這2種故障情況下調(diào)度中心收到的狀態(tài)量警報(bào)，可以發(fā)現(xiàn)有較大差別。這樣，對(duì)于故障發(fā)生后主保護(hù)未成功切除故障的情形，可用TS求解所建立的故障診斷解析模型來(lái)確定故障設(shè)備，同時(shí)通過(guò)邏輯推理或計(jì)算識(shí)別拒動(dòng)的保護(hù)和/或斷路器。

圖5 含單母線的BPZFig.5 A BPZ containing a single bus

對(duì)于母線B4主保護(hù)拒動(dòng)引起的所有出口斷路器未跳閘情形，只需對(duì)所有與母線B4主保護(hù)相關(guān)聯(lián)的斷路器發(fā)出跳閘指令即可切除故障；對(duì)于線路一側(cè)主保護(hù)拒動(dòng)而引起的其出口斷路器未跳閘的情形，只需對(duì)拒動(dòng)主保護(hù)的出口斷路器發(fā)出跳閘指令即可切除故障；對(duì)于主保護(hù)正確動(dòng)作而其出口斷路器拒動(dòng)的情形，則需對(duì)與該拒動(dòng)斷路器直接相鄰的斷路器發(fā)出跳閘指令來(lái)防止故障范圍擴(kuò)大。

4.3 含雙母線的BPZ

BPZ內(nèi)部含有雙母線的情況如圖6所示，其中母線B7、B8、B11和B12均安裝了PMU。當(dāng)這種含雙母線的BPZ內(nèi)部發(fā)生故障且主保護(hù)未能成功切除該故障時(shí)，可用TS求解所建立的故障診斷解析模型來(lái)確定故障設(shè)備，并立即跳開(kāi)雙母線B9和B10之間的母聯(lián)斷路器C10。進(jìn)而可通過(guò)邏輯推理或計(jì)算來(lái)確定拒動(dòng)的保護(hù)和/或斷路器，并根據(jù)實(shí)際拒動(dòng)情況發(fā)出相應(yīng)的后備保護(hù)指令以切除故障。

圖6 含雙母線的BPZFig.6 A BPZ containing double buses

當(dāng)這種BPZ內(nèi)部發(fā)生保護(hù)和/或斷路器拒動(dòng)情況時(shí)，直接跳開(kāi)母聯(lián)斷路器并不會(huì)擴(kuò)大停電區(qū)域。相反，該策略可將含雙母線的BPZ分解為2個(gè)含單母線的BPZ，在確定拒動(dòng)的保護(hù)和/或斷路器之前，減小無(wú)故障單母線BPZ中的故障電流，保護(hù)其中的設(shè)備。

5 算例分析

采用IEEE新英格蘭10機(jī)39節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)來(lái)說(shuō)明所提出的基于有限PMU的故障識(shí)別與廣域后備保護(hù)策略的基本特征。設(shè)置圖7所示的故障場(chǎng)景，即線路L4-14、L26-29和母線B14同時(shí)發(fā)生三相金屬性接地短路故障，且其中2個(gè)故障發(fā)生在一個(gè)較小區(qū)域，即1個(gè)BPZ之內(nèi)，同時(shí)還存在保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)、斷路器拒動(dòng)以及警報(bào)信息丟失等問(wèn)題。依據(jù)前述的PMU配置要求，給定配置PMU的母線為圖7所示虛線部分。

圖7 IEEE新英格蘭10機(jī)39節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)Fig.7 IEEE New England 10-unit 39-bus test system

所安裝的PMU將系統(tǒng)劃分為23個(gè)BPZs。一旦接收到主保護(hù)的動(dòng)作警報(bào)，就啟動(dòng)所發(fā)展的廣域后備保護(hù)策略。利用基于電氣量信息的故障區(qū)域識(shí)別判據(jù)遍歷這23個(gè)BPZs的運(yùn)行狀況，初步確定故障位于圖8所示的2個(gè)后備保護(hù)區(qū)域b1和b2內(nèi)。等待足夠使所有主保護(hù)及其出口斷路器均完成動(dòng)作并延時(shí)100 ms后，再次利用故障區(qū)域識(shí)別判據(jù)檢驗(yàn)b1和b2的運(yùn)行狀況。此時(shí)，b2已成功排除故障，但b1內(nèi)故障仍未解除，需要繼續(xù)執(zhí)行所發(fā)展的廣域后備保護(hù)策略。b1由L4-14、B14、L13-14和L14-15這4個(gè)設(shè)備組成，因此可建立故障可疑設(shè)備集S={s1,s2,s3,s4}。相關(guān)保護(hù)、斷路器和功率方向繼電器的編碼分別如表1、表2和表3所示，警報(bào)信息和診斷結(jié)果見(jiàn)表4。

表1 相關(guān)保護(hù)編碼

Table 1 Encoding of related protective relays

注：L(4)-14表示位于線路L4-14上母線B4側(cè)的保護(hù)；其余相同。

圖8 候選的故障BPZsFig.8 Candidate faulted BPZs表2 相關(guān)斷路器編碼Table 2 Encoding of related circuit breakers

表3 相關(guān)功率方向繼電器編碼Table 3 Encoding of related power direction relays

診斷結(jié)果為線路L4-14、L26-29以及母線B14同時(shí)故障。與該診斷結(jié)果對(duì)應(yīng)的各保護(hù)、斷路器和功率方向繼電器的狀態(tài)也列于表4。詳細(xì)診斷結(jié)果為：線路L4-14上母線B4側(cè)主保護(hù)拒動(dòng)，未能跳開(kāi)斷路器C(4)-14；線路L13-14上母線B13側(cè)主保護(hù)誤動(dòng)導(dǎo)致斷路器C(4)-14跳閘；母線B14主保護(hù)動(dòng)作警報(bào)漏報(bào)；線路L3-4上母線B3側(cè)的遠(yuǎn)后備保護(hù)未啟動(dòng)。故障診斷結(jié)果與所設(shè)置的故障場(chǎng)景相符。

表4 故障診斷結(jié)果

Table 4 Fault diagnosis results

注：X1/X2/X3表示實(shí)際狀態(tài)、期望狀態(tài)、警報(bào)狀態(tài)分別為X1、X2、X3；“-”表示“不存在”或“不適用”。

診斷結(jié)果表明，后備保護(hù)區(qū)域b1內(nèi)故障未被切除是由于線路L4-14上母線B4側(cè)主保護(hù)拒動(dòng)，導(dǎo)致斷路器 C(4)-14未跳閘，因此解決方案為向斷路器C(4)-14發(fā)出跳閘指令以切除故障。

6 結(jié) 論

針對(duì)傳統(tǒng)后備保護(hù)存在的配合關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜、動(dòng)作延時(shí)較長(zhǎng)、整定比較困難，且可能導(dǎo)致事故擴(kuò)大等問(wèn)題，本文在故障診斷解析模型的基礎(chǔ)上，利用有限PMU的信息構(gòu)建后備保護(hù)策略。具體地，通過(guò)系統(tǒng)利用相關(guān)的主保護(hù)動(dòng)作信息、后備保護(hù)啟動(dòng)信息、斷路器變位信息和功率方向繼電器指向信息，發(fā)展了一種基于有限PMU的故障識(shí)別與廣域后備保護(hù)策略，能夠在主保護(hù)或相應(yīng)斷路器未能正確動(dòng)作切除故障的情況下，快速診斷故障設(shè)備，確定拒動(dòng)的主保護(hù)和/或斷路器，并發(fā)出相應(yīng)的后備保護(hù)指令跳開(kāi)相關(guān)斷路器以切除故障。提出的廣域后備保護(hù)策略所利用的信息具有較高的冗余度，動(dòng)作延時(shí)較傳統(tǒng)后備保護(hù)明顯減小，并能夠針對(duì)具體保護(hù)和/或斷路器拒動(dòng)情況發(fā)出相應(yīng)動(dòng)作指令。算例結(jié)果表明，所提出的方法能夠處理多重故障、存在保護(hù)/斷路器拒動(dòng)或誤動(dòng)、警報(bào)信息畸變/丟失的復(fù)雜故障情況，且具有較高的容錯(cuò)性。

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徐立中 (1983)，男，博士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行控制工作。

(編輯 張媛媛)

Fault Identification and Wide-Area Backup Protection Strategy Based on Limited Phasor Measurement Units

XU Bing1，ZHANG Yan1，TIAN Fangyuan1，WEN Fushuan1,2，ZHU Bingquan3，XU Lizhong3

(1. School of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;2. Department of Electrical and Electronic Engineering, Institut Teknologi Brunei, Bandar Seri Begawan BE1410, Brunei;3. State Grid Zhejiang Electric Power Corporation, Hangzhou 310007, China)

The traditional backup protection has some drawbacks, including difficult protection setting, long time delay and complicated coordination. Given this background, this paper proposes a fault identification and wide-area backup protection strategy based on limited phasor measurement units (PMUs). Firstly, the whole power network is divided into several backup protection zones (BPZs) based on the placement of PMUs. Once a fault occurs, the electrical quantities are utilized to identify the faulted BPZ, so as to quickly narrow down the scope of suspected fault sections. Then, we present fault identification method and wide-area backup protection strategy based on the analytical model. When the main protection fails to clear the fault, this analytical model can comprehensively use the alarm information of main protection, circuit breaker action alarm, backup protection startup information and power direction relays to point to the information, adopt tabu search (TS) algorithm to seek the optimal fault hypothesis, and determine the malfunction devices through analyzing the action logics of protection and circuit breaker. Based on the identified malfunctions, the corresponding backup protection strategy is initiated to prevent the fault from spreading. The simulation results show that the proposed method is feasible and has strong fault tolerance ability.

fault diagnosis; backup protection strategy; phasor measurement unit (PMU); backup protection zone (BPZ); analytical model

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(863計(jì)劃)(2015AA050202)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20120101110112)；國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司科研項(xiàng)目(5211ZD13000R)；國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(52110115009Q)

TM 774

A

1000-7229(2016)02-0025-09

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.02.004

2015-12-29

徐兵(1992)，男，碩士研究生，從事電力系統(tǒng)故障診斷和系統(tǒng)恢復(fù)方面的研究工作；

張巖(1990)，男，博士研究生，從事電力系統(tǒng)故障診斷和系統(tǒng)恢復(fù)方面的研究工作；

田方媛(1992)，女，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)故障診斷和系統(tǒng)恢復(fù)方面的研究工作；

文福拴(1965)，男，教授，博士生導(dǎo)師，本文通信作者，主要從事電力系統(tǒng)故障診斷與系統(tǒng)恢復(fù)、電力經(jīng)濟(jì)與電力市場(chǎng)、智能電網(wǎng)與電動(dòng)汽車等方面的研究工作；

朱炳銓(1967)，男，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行管理工作；

Project supported by National High Technology Research and Development Program (863 Program) (2015AA050202)；Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (20120101110112)