趙志勇，卞振華，王雁冰

（國(guó)網(wǎng)鹽城供電公司，鹽城 224000）

電網(wǎng)是國(guó)家的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，其安全穩(wěn)定運(yùn)行是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵[1]，目前存在的繼電保護(hù)裝置的運(yùn)維方法不足以支撐現(xiàn)有變電站的需求[2]，因此需要對(duì)繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作進(jìn)行控制，從而保證變電站的正常運(yùn)行[3]。

文獻(xiàn)[4]首先對(duì)變電站的換流站進(jìn)行分析，得出電力系統(tǒng)中繼電保護(hù)動(dòng)作對(duì)故障的影響，從而對(duì)繼電保護(hù)的適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)判，得出不同狀態(tài)下變電站繼電保護(hù)運(yùn)維的控制方法，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置智能運(yùn)維自動(dòng)化控制。但是當(dāng)電力系統(tǒng)受到故障等不良影響時(shí)，該控制方法的階躍響應(yīng)能力較差，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)故障的反應(yīng)延遲，從而無(wú)法及時(shí)采取措施進(jìn)行保護(hù)；文獻(xiàn)[5]通過(guò)鯨魚(yú)算法計(jì)算出三參數(shù)Weibull 分布函數(shù)，建立繼電保護(hù)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型，并根據(jù)變電站檢修計(jì)劃計(jì)算出狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率結(jié)果，基于該結(jié)果對(duì)繼電保護(hù)進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置智能運(yùn)維自動(dòng)化控制。但是經(jīng)過(guò)控制后，電力系統(tǒng)頻率和電壓的波動(dòng)依舊較大，同時(shí)也增加了變電站功角震蕩幅度，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性造成一定的影響。

為了解決以上存在的問(wèn)題，提出智能變電站繼電保護(hù)裝置智能運(yùn)維自動(dòng)化控制方法。

1 繼電保護(hù)裝置控制區(qū)間動(dòng)作決策

1.1 中和評(píng)判值計(jì)算

由于繼電保護(hù)需要控制的動(dòng)作是一小部分[6]，為了加強(qiáng)控制效率，需要對(duì)繼電保護(hù)裝置控制區(qū)間動(dòng)作進(jìn)行決策[7]。

在保證電網(wǎng)安全性的基礎(chǔ)上設(shè)置出繼電保護(hù)控制所需的參數(shù)，也為了進(jìn)一步加強(qiáng)繼電保護(hù)動(dòng)作的正確性[8]，依據(jù)繼電保護(hù)的運(yùn)行和智能變電站的運(yùn)維模式得出繼電保護(hù)裝置控制的評(píng)判集，其表達(dá)式為

式中：S 代表運(yùn)維控制評(píng)判集合；s1代表電網(wǎng)需要立即進(jìn)行運(yùn)維控制的位置；s2代表可以?xún)?yōu)先運(yùn)維控制的位置；s3代表需要定期運(yùn)維控制的位置；s4代表可以延遲時(shí)間運(yùn)維控制的位置。

設(shè)立運(yùn)維因素值為ζ＝｛ζ1，ζ2，…，ζn｝和評(píng)判集之間的灰色模糊聯(lián)系視為運(yùn)維控制評(píng)判矩陣，依據(jù)電力系統(tǒng)的運(yùn)維因素得出評(píng)判集對(duì)應(yīng)的模糊區(qū)間，在電網(wǎng)運(yùn)維信息的幫助下得出對(duì)應(yīng)的灰度區(qū)間，其表達(dá)式為

式中：C代表信息完整度的灰色模糊關(guān)系矩陣；和均代表信息完整度；均代表灰度區(qū)間；n 代表評(píng)判因素個(gè)數(shù)；m 代表信息數(shù)量[9]。

因?yàn)橹悄茏冸娬镜倪\(yùn)維因素權(quán)重均是通過(guò)定量描述得出的[10]，且權(quán)重因素也表示決策在運(yùn)維控制中所占的比重，計(jì)算出有序加權(quán)平均算子函數(shù)的加權(quán)向量，以此得出繼電保護(hù)運(yùn)維決策結(jié)果，有序加權(quán)平均算子函數(shù)OWA 的加權(quán)向量表達(dá)式為

式中：OWAω表示有序加權(quán)平均算子函數(shù)的加權(quán)向量；ωj代表數(shù)據(jù)集（a1，a2，…，an）的第j 個(gè)元素的加權(quán)向量；bj代表數(shù)據(jù)集（a1，a2，…，an）的第j 個(gè)元素。其中，加權(quán)向量ω的計(jì)算公式為

式中：α 代表區(qū)間［0，1］的任意數(shù)。

通過(guò)有序加權(quán)平均算子函數(shù)的加權(quán)向量對(duì)繼電保護(hù)策略sj的因素實(shí)施集結(jié)處理，得出sj的中和評(píng)判值Zj，其表達(dá)式為

1.2 獲取控制區(qū)間動(dòng)作決策結(jié)果

因?yàn)槔^電保護(hù)策略的中和評(píng)判值Zj屬于區(qū)間數(shù)，決策出繼電保護(hù)策略需要將區(qū)間數(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)并對(duì)其排序，得出轉(zhuǎn)化后中和評(píng)判值Zj中的灰部tj，轉(zhuǎn)化后的tj標(biāo)記為，獲取繼電保護(hù)裝置控制區(qū)間動(dòng)作決策結(jié)果，其表達(dá)式為

式中：Fθ表示繼電保護(hù)裝置控制區(qū)間動(dòng)作決策結(jié)果；θ＝｛θ1，θ2，…，θn｝代表不同繼電保護(hù)控制策略的風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)上式得出各個(gè)繼電保護(hù)策略的綜合評(píng)判結(jié)果，將不同繼電保護(hù)策略進(jìn)行對(duì)比，獲取繼電保護(hù)裝置控制區(qū)間動(dòng)作決策。

2 繼電保護(hù)裝置智能運(yùn)維控制

繼電保護(hù)的智能運(yùn)維控制的本質(zhì)是保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[11]，根據(jù)以上得出的繼電保護(hù)決策計(jì)算出繼電保護(hù)的整定值，計(jì)算故障點(diǎn)轉(zhuǎn)子差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電保護(hù)裝置智能運(yùn)維的自動(dòng)化控制。

2.1 整定值計(jì)算

根據(jù)以上分析可知，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生非正常運(yùn)行時(shí)，接地電阻最大能到達(dá)300 V，根據(jù)繼電保護(hù)動(dòng)作靈敏度的規(guī)定，繼電保護(hù)動(dòng)作的靈敏度K 必須大于等于1.5，由此得出繼電保護(hù)動(dòng)作的實(shí)時(shí)值為

式中：Up代表繼電保護(hù)動(dòng)作的實(shí)時(shí)值；U0代表零序電壓。

Ⅱ類(lèi)電網(wǎng)是指電壓等級(jí)在110 kV 及以上、220 kV及以下的輸電網(wǎng)。對(duì)于Ⅱ類(lèi)電網(wǎng)而言，其故障后恢復(fù)供電的時(shí)間要求比較高，其負(fù)載較大，一旦發(fā)生故障，將會(huì)對(duì)用戶(hù)造成較大的損失。因此要求Ⅱ類(lèi)電網(wǎng)的故障恢復(fù)時(shí)間不超過(guò)2 s，即Ⅱ時(shí)限必須小于2 s，且Ⅰ時(shí)限中需要帶有固定的延時(shí)Δt，Δt 必須與Ⅰ時(shí)限配合，進(jìn)而得出Ⅱ時(shí)限的整定值計(jì)算公式為

在進(jìn)行繼電保護(hù)正常運(yùn)維控制過(guò)程中必須符合式（8）的整定值。

2.2 故障點(diǎn)轉(zhuǎn)子差異計(jì)算

在以上要求和決策排序的基礎(chǔ)上對(duì)變電站的運(yùn)維進(jìn)行控制。運(yùn)維控制過(guò)程中變電站使用暫態(tài)電抗，因此變電站的電勢(shì)以及機(jī)械功率均固定不變，則電力發(fā)電系統(tǒng)的狀態(tài)表達(dá)式為

式中：δ 代表變電站的轉(zhuǎn)子角度；ψ 代表變電站的轉(zhuǎn)子角速度；Pm代表變電站的機(jī)械功率；Pe代表變電站的電磁功率；Tj代表指標(biāo)泛涵增量。

電磁功率Pe的計(jì)算公式為

式中：Vs代表變電站無(wú)限大的母線(xiàn)電壓；R 代表變電站到最大母線(xiàn)之間的總阻抗；E′代表恒定電勢(shì)。

則總阻抗R 的計(jì)算公式為

式中：r1代表延遲電抗；r2代表暫態(tài)電抗；r3代表串聯(lián)阻抗對(duì)應(yīng)的電抗，即繼電保護(hù)動(dòng)作的運(yùn)維結(jié)果；r4代表電感對(duì)應(yīng)的電抗。

假設(shè)變電站的機(jī)械功率始終固定，則電力系統(tǒng)變電站的狀態(tài)在將故障排除前，則原始轉(zhuǎn)子角度和故障運(yùn)行點(diǎn)轉(zhuǎn)子角度之間的差異與原始轉(zhuǎn)子角速度和故障點(diǎn)轉(zhuǎn)子角速度之間的差異的計(jì)算公式為

式中：Δδ 代表原始轉(zhuǎn)子角度和故障運(yùn)行點(diǎn)轉(zhuǎn)子角度之間的差異；Δψ 代表原始轉(zhuǎn)子角速度和故障點(diǎn)轉(zhuǎn)子角速度之間的差異；Δpe代表原始電磁功率故障運(yùn)行點(diǎn)電磁功率之間的差異。

2.3 繼電動(dòng)作最優(yōu)控制結(jié)果求解

將Δpe視為控制變量，即可生成變電站繼電動(dòng)作的線(xiàn)性狀態(tài)公式：

為了確保運(yùn)維控制過(guò)程中能確保二次性能指標(biāo)泛涵是極小值，將以上要求添加到雷文-歐薩斯方程中，進(jìn)而生成指標(biāo)泛涵為最小的運(yùn)維控制結(jié)果u，其表達(dá)式為

式中：κ 代表輸出量的最優(yōu)反饋增益。

結(jié)合變電站到最大母線(xiàn)之間的總阻抗R 和電磁功率Pe的計(jì)算公式，可以整理得出變電站繼電動(dòng)作的最優(yōu)控制結(jié)果為

通過(guò)上述內(nèi)容，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電保護(hù)裝置智能運(yùn)維的自動(dòng)化控制方法的設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證智能變電站繼電保護(hù)裝置智能運(yùn)維自動(dòng)化控制方法的整體有效性，現(xiàn)針對(duì)所提方法進(jìn)行一系列相關(guān)測(cè)試，并與繼電保護(hù)設(shè)備動(dòng)作預(yù)測(cè)方法和電網(wǎng)故障耦合特性分析與繼電保護(hù)研究方法進(jìn)行比較。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

選擇某智能變電站繼電保護(hù)裝置作為測(cè)試對(duì)象，該裝置為上海揚(yáng)測(cè)電氣有限公司生產(chǎn)的YCJB-3600C 型號(hào)繼電保護(hù)裝置，測(cè)試環(huán)境如圖1 所示，裝置參數(shù)如表1 所示。

表1 智能變電站繼電保護(hù)裝置參數(shù)Tab.1 Parameters of intelligent substation relay protection device

圖1 智能變電站繼電保護(hù)裝置Fig.1 Intelligent substation relay protection device

實(shí)驗(yàn)主要從2 個(gè)方面入手，分別是階躍響應(yīng)以及變電站功角震蕩，在2 種指標(biāo)下對(duì)比3 種方法的最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果詳細(xì)證明所提方法的運(yùn)維控制能力強(qiáng)。

3.2 階躍響應(yīng)

電力系統(tǒng)因各個(gè)時(shí)間段用電量的不同，其負(fù)載程度也不盡相同，波動(dòng)太大會(huì)造成電力系統(tǒng)故障，為了保證變電站的正常運(yùn)維，繼電保護(hù)動(dòng)作控制尤為重要。在不同負(fù)載程度下，繼電動(dòng)作要及時(shí)做出響應(yīng)，以便應(yīng)對(duì)相應(yīng)情況，分別在變電站負(fù)載為0.1～1.0 Ω 下計(jì)算出3 種方法對(duì)應(yīng)的相位上升所需時(shí)間、變電站超調(diào)量以及繼電動(dòng)作穩(wěn)定時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 不同負(fù)載程度下三種方法的階躍響應(yīng)Tab.2 Step response of three methods under different load levels

根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)負(fù)載值越大，相位上升所需時(shí)間越多，其中所提方法在不同負(fù)載程度下的用時(shí)均為最短。并且所提方法的超調(diào)量均在10%以下，在允許范圍內(nèi)，其余兩種方法均超過(guò)10%，說(shuō)明所提方法的穩(wěn)定性較好。并且繼電動(dòng)作的穩(wěn)定時(shí)間始終不超過(guò)15 s，相對(duì)較短，說(shuō)明所提方法的階躍響應(yīng)能力較好，運(yùn)維控制能力較好。

3.3 變電站功角震蕩

變電站因各種外部因素會(huì)導(dǎo)致其功角出現(xiàn)較大波動(dòng)，這十分不利于變電站的穩(wěn)定輸出，因此分析3 種方法控制后的變電站功角變化曲線(xiàn)。未進(jìn)行繼電保護(hù)運(yùn)維控制時(shí)變電站功角的震蕩頻率如圖2中的曲線(xiàn)1 所示，3 種方法的控制結(jié)果如圖2 所示。

圖2 三種方法控制后的變電站功角變化曲線(xiàn)Fig.2 Power angle variation curve of substation after three methods of control

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)運(yùn)維控制后的功角搖擺曲線(xiàn)的波動(dòng)幅度明顯變小，說(shuō)明運(yùn)維控制是十分有必要的，且對(duì)繼電動(dòng)作的幫助較大。通過(guò)對(duì)比3種控制方法的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所提方法控制下的曲線(xiàn)波動(dòng)最小，說(shuō)明變電站輸出變得更加穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

變電站的穩(wěn)定輸出是電力系統(tǒng)的重中之重，無(wú)論是繼電保護(hù)或是故障檢測(cè)均是為了確保變電站的穩(wěn)定運(yùn)行，為此提出智能變電站繼電保護(hù)裝置智能運(yùn)維自動(dòng)化控制方法，首先構(gòu)建繼電保護(hù)裝置控制區(qū)間灰色模糊關(guān)系矩陣，其次根據(jù)得出的繼電保護(hù)動(dòng)作得出繼電保護(hù)整定值，最終根據(jù)使用輸出量反饋?zhàn)顑?yōu)控制實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置智能運(yùn)維自動(dòng)化控制，解決了階躍響應(yīng)能力差以及變電站功角震蕩幅度大的問(wèn)題，進(jìn)一步加強(qiáng)變電站的運(yùn)行穩(wěn)定性。