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摘要：电网故障时的保护动作诊断是电力系统调度决策智能化需要解决的基础课题之一，也是保证电力系统安全稳定运行的重要手段。本文基于遗传算法，利用SCADA传统遥信信息，研究设计了针对本地区220kV电网保护动作诊断的新方法。该方法对各类典型及较复杂故障跳闸行为均具有良好的适应性与容错性，在实际应用中取得了很好的使用效果，极大提高了调度运行人员的应急分析处置能力。
关键词：遗传算法；故障诊断；保护动作
一、引言
遗传算法是借鉴生物界自然选择和遗传机制的高度并行、随机和自适应搜索算法。它依据进化规则，对包含可能解的群体进行基于遗传学的操作，不断进化生成新群体，同时在全局并行搜索并优化群体中的最优个体，以求取满足要求的最优解。遗传算法的基本流程包括：随机初始化某一种群，采用有效的评估函数对该种群中的个体优良性进行评价，并根据相应的选择算子实现优胜劣汰的自然选择，再进一步通过区域交叉或全域变异形成下一代群体。
遗传算法因其能以较大概率求得全局最优解、计算时间较短、鲁棒性较强等特点，在电力系统中得到了较为广泛的应用[1][2][3]。本文基于全网拓扑的自动扫描识别功能[4]，研究了一种应用遗传算法并结合本地区保护配置原则，利用SCADA稳态遥信信息，对设备跳闸以及保护动作进行诊断的新方法。
二、自动生成保护动作的初始可行解集合
通过对全网和站内拓扑扫描，可识别电网运行方式、变电站内接线形式、各设备类型及状态，进而根据本地区保护配置原则[5]可自动生成各变电站保护配置及动作跳闸规则信息表。具体方法如下：
（1）对220kV环网线路两侧开关、负荷线路电源侧开关、空充线路运行侧线路开关，配置纵联电流差动、相间/接地距离和零流保护，上述保护动作跳站内对应的线路开关。此外，上述开关还需配置开关失灵保护，对于除站内220kV侧为3/2接线形式外的线路开关，失灵保护动作跳开关所在母线上的其余所有运行开关；对站内220kV侧为3/2接线形式的线路开关，若其为边开关，失灵保护动作跳开关所在母线上的其余所有运行开关以及同串相连的运行开关，若其为中开关，失灵保护动作跳开关同串相连的两个边开关。
（2）对220kV/110kV母线为单母线、单母分段、双母线、双母单分段、3/2接线形式的配置母线差动保护，双母双分段接线形式的对甲、乙母线分别配置母线差动保护。母差保护动作跳其中一条母线上的所有运行开关，所以在保护配置及动作跳闸规则信息表中，母差保护的动作行为按跳不同母线进行分别描述。35kV母线配置简易母差保护，保护动作跳母线上受总、分段和小电源线开关。
（3）对运行的220kV母联/分段开关配置死区和失灵保护，110kV运行的母联/分段开关配置失灵保护。失灵保护跳母联开关所连两条母线上的所有运行开关（该母联开关除外），死区保护跳开母联开关所连两条母线上的所有运行开关（含该母联开关）。
（4）对热备用状态的220kV/110kV母联开关、35kV/10kV分段开关配置自投保护。220kV母联开关自投保护跳开关所连一侧母线上运行的电源进线开关；110kV母联、35kV/10kV分段自投保护动作跳开关所连一侧母线上运行的受总和小电源线开关。自投保护的动作行为按跳不同电源进线开关或受总进行分别描述，对220kV母联开关所连一侧母线上有多于一条电源进线的动作行为不予描述。
（5）对热备用状态的220kV/110kV/35kV/10kV母联/分段开关，若其所连的两条母线不是均有压，则配置充电保护，保护动作仅跳开该母联/分段开关。
（6）对运行的220kV/110kV/35kV变压器配置差动、220kV侧开关复流/零方/零流、220kV侧开关失灵、220kV侧间隙零流/零压、110kV侧开关复方/复流/零方/零流、110kV侧间隙零流/零压、35kV侧开关速断/复流/零流保护；对运行的220kV/35kV/10kV变压器，除配置上述差动、220kV/35kV侧相关保护外，还有10kV侧开关速断/复流、电抗器过流、Z变速断/过流/零流保护。其中，220kV侧开关失灵保护动作跳受总开关所在母线上的其余所有运行开关，110kV侧开关复方/复流/零方、35kV侧开关速断/复流/零流I、II段、10kV侧开关速断/复流保护仅跳变压器对应侧的受总开关，上述的其余保护动作均跳变压器三侧运行的受总开关（220kV侧为内桥接线的变压器亦跳运行的桥开关）。此外，是否配置220kV/110kV侧间隙零流/零压保护取决于变压器该侧中性点是否经间隙接地，是否配置35kV侧零流保护取决于该侧是否经小电阻接地。
（7）35kV/10kV电容器配置过流/零流/过压/低压/不平衡电压保护，35kV/10kV电抗器配置过流/零流保护。
按照上述方法，以图1所示的220kV变电站典型接线为例，最终生成形如表1所示的保护配置及动作跳闸规则信息表，其中1表示开关跳闸，0表示开关处于其它状态。电网日常运行时开关状态和刀闸位置变化，会触发拓扑程序对全网或站内拓扑的重新扫描识别。若电网运行方式、变电站内的接线形式、设备类型或状态发生变化，相应的保护配置及动作跳闸规则信息表也会实时更新，保证该表维护的逻辑信息能够自动跟踪电网方式和设备运行状态变化，进而保证建立的遗传算法初始解集具有较好的优良性与收敛性。
图1 220kV变电站典型接线示意图
三、建立评估判断保护动作的数学模型
将该信息表用矩阵Am×n的形式表示，则每个行向量代表某一保护动作时站内n个开关的状态组合，每个列向量代表某一开关跳闸对应的m个保护的动作组合。进一步，根据保护配置的主后备性质以及具体动作时间，依照表2中对各类保护优先级的分类定义，生成与矩阵Am×n各行排列顺序对应的保护优先级列向量R m×1。
表1 220kV变电站保护配置及动作跳闸规则信息表
表2 220kV站内保护优先级定义表
当接收到变电站事故总信号时，将故障时间前后5s内站内各个开关的状态组合以列向量Bn×1的形式表示，其中1表示期间开关跳闸，0表示开关的其余状态。此时，判断保护动作就转换成考查列向量
，求取
的最优值，其中i∈[1，m]。
由于全网大量变电站的保护配置及动作跳闸规则信息表矩阵存储容量巨大，且不便于快速计算分析，考虑到矩阵Am×n为典型的稀疏矩阵，程序在此采用了二元组表的形式存储和计算[6]，以图2中的矩阵A6×7和B7×1为例说明。
图2 矩阵A和B的二元组表
将矩阵A6×7和列向量B7×1中数值为1的元素行标依次写在各自二元组表中的第一行，相应的列标写在第二行，从而形成矩阵A6×7、B7×1的二元组表。具体计算列向量Cm×1中各元素的方法为：依次考查矩阵Am×n二元组表中各列（设其第一行数值为i，第二行数值为k），若列向量Bn×1二元表第一行中的某个数值亦为k，标记列向量Cm×1中元素Ci1。当矩阵Am×n二元表中各列均考查完毕后，Ci1被标记的次数即为其最终数值。
四、优选进化保护动作的最适解
设列向量Bn×1二元组表的列数为s，经过上述计算后，若列向量Cm×1中存在一个或多个元素数值为s，则利用置信度选择因子
对Cm×1中数值为s的元素进行筛选，取对应
数值最小的一个或多个元素做为动作保护的最终判断结果。其中Ci1置信度选择因子
定义：
，其中i∈[1，m]，
为保护优先级列向量Rm×1中的对应数值，s’为矩阵Am×n二元组表第一行中行标i的个数。
若计算后的列向量Cm×1中各元素数值均小于s，在经过
筛选后，需进一步考察其中数值较大的元素（一般取4-6个）在Am×n中对应的保护动作行为行向量。不失一般性，假设取Am×n中的u个行向量，将这些行向量任意两个或多个之间做逻辑或运算，最终可衍生成包含着v=2u-1个行向量的新矩阵Av×n。将新矩阵Av×n继续写成二元组表形式，考察 
，并取所有
中数值较大的一个或多个元素做为动作保护的最终判断结果，其中i∈[1，v]。
在做矩阵Am×n行向量之间的交叉衍生时，保护动作之间存在闭锁关系的应将交叉概率设为0，具体包括：220kV母差、开关失灵、母联/分段充电与220kV母联/分段开关自投保护；110kV母差、母联/分段充电与110kV母联/分段开关自投保护；35kV简易母差、受总速断、分段开关充电与35kV分段开关自投保护；10kV侧受总速断、分段开关充电与10kV分段自投保护。
五、结束语
基于全网和站内拓扑自动扫描识别功能，实时跟踪电网运行方式、变电站接线形式和设备类别与状态的变化，根据本地区保护配置原则和保护动作方式特点，自动建立并更新各变电站保护配置及动作跳闸规则信息表，保证遗传算法初始解集的良好适应性与收敛性。通过故障发生后全站开关的遥信信息与变电站保护配置及动作跳闸规则信息表，建立数学模型，采用存储和运算效率较高的二元组表法进行计算，评估各保护动作行为与故障发生期间站内开关状态组合的匹配度，并依置信度选择因子对结果进行筛选。当发生较为复杂的越级或多重故障时，初步匹配筛选出的结果可能不是最优解，利用遗传算法局域交叉变换的相关方法，并考虑实际保护动作之间的闭锁关系排除有关交叉行为，获得对保护动作分析判断的最适解，从而保证该算法拥有较好的适应性和容错性。
参考文献：
[1] 许仪勋，陆拯，郭志忠等.基于遗传算法的电力系统分层信息故障诊断方法[J].继电器：2000，28（10）：15-18.
[2] 付行，李春贵，徐柏科等.电网故障诊断的遗传模拟退火算法研究.广西科技大学学报，2013，24（3）：63-66.
[3] 王永生，李江，熊丽娟等.基于遗传算法的电网故障诊断分析应用研究.山西电力，2006（6）：29-31.
[4] 史磊，郝达智，卢向东. 220kV城市电网拓扑结构实时自动识别策略研究.电力设备，2016（7）：361.
[5] 国家电力调度通信中心.国家电网公司继电保护培训教材.北京：中国电力出版社，2009.
[6] 蒋川群，杜奕.稀疏矩阵相乘的一个改进算法.计算机工程与应用，2009，45（19）：133-138.
作者简介：
史磊（1983- ），硕士，工程师，主要研究方向：电网运行及EMS高级应用。
论文作者:史磊
论文发表刊物:《电力设备》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/17
标签：动作论文; 母线论文; 向量论文; 矩阵论文; 站内论文; 算法论文; 电网论文; 《电力设备》2017年第33期论文;