CN103580010A - 基于距离保护契合因子的区域保护系统及故障识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电力系统故障识别技术领域中的一种基于距离保护契合因子的区域保护系统及故障识别方法。区域保护系统包括数据采集模块、保护贡献度整定模块、契合度期望生成模块、保护契合度生成模块和故障识别模块；故障识别方法包括采集保护区域中各个距离保护的实际状态，计算各个距离保护的贡献度，建立保护契合度期望函数，并计算各条线路的保护契合度期望函数值，建立保护契合度函数，并计算各条线路的保护契合度函数值，最后根据计算的保护契合度函数值与保护契合度期望函数值识别故障线路。本发明不受信息非同步的影响，在距离保护启动信息缺失的情况下仍能准确判断故障线路，同时克服了传统权重设置依靠先前经验带来的不确定性问题。

Description

基于距离保护契合因子的区域保护系统及故障识别方法

技术领域

本发明属于电力系统故障识别技术领域，尤其涉及一种基于距离保护契合因子的区域保护系统及故障识别方法。

背景技术

随着互联大电网的发展，电网结构日趋复杂，传统的仅基于本地信息的后备保护配置与整定愈发困难；同时，系统方式复杂多变，后备保护极有可能出现配合不当或灵敏度不足的情况，因此考虑电网多源信息的广域后备保护研究势在必行。

目前，基于广域信息改善和提高继电保护性能的研究大致分为三类：1）基于电气量信息实现广域后备保护功能，如基于电流信息的序电流相位比较和幅值比较的广域后备保护算法，基于电压信息的故障电压比较的广域后备保护算法，以及基于电压电流综合信息的复合方向元件算法和综合阻抗比较算法；2）基于保护启动信息和断路器开合状态信息实现广域后备保护功能，如基于遗传算法的广域后备保护算法等，以及考虑算法容错性的广域后备保护算法等；3）综合利用电气量信息和保护启动信息实现广域后备保护功能，如基于保护元件与PMU(向量测量单元)数据多源的广域后备保护算法等。

上述算法能够在不改变传统后备保护构成的基础上，通过采集广域信息构建后备保护算法。但现阶段PMU（向量测量单元）数据受到信息延时的影响，同步性不能得到保障，因此，在形成广域后备保护方案时，应尽可能不依赖数据的同步性。另一方面，考虑到基于不同保护原理的保护启动信息和保护动作灵敏度均不同，为了区分不同的保护信息，在权值设置方面应尽可能克服依靠主观经验性知识带来不确定性问题。此外，尽管现有的通信技术已经趋于完善，但通信系统仍面临着一定风险，信息缺失和错误依旧是广域后备保护系统无法忽视的问题，因此保护方案还必须具备较高的容错性。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于距离保护契合因子的区域保护系统及故障识别方法，用于解决现有广域后备保护功能依赖数据同步性和存在不确定性的问题。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种基于距离保护契合因子的区域保护系统，其特征是所述系统包括：数据采集模块、保护贡献度整定模块、契合度期望生成模块、保护契合度生成模块和故障识别模块；

所述数据采集模块和保护贡献度整定模块分别与保护契合度生成模块相连；

所述保护贡献度整定模块与契合度期望生成模块相连；

所述契合度期望生成模块和保护契合度生成模块分别与故障识别模块相连；

所述数据采集模块用于采集保护区域中各个距离保护的实际状态，并将采集到的所述各个距离保护的实际状态发送至保护契合度生成模块；所述距离保护的实际状态包括距离保护的I段实际状态、距离保护的II段实际状态和距离保护的III段实际状态；所述实际状态包括启动状态和不启动状态；

所述保护贡献度整定模块用于根据距离保护的整定值，计算各个距离保护的贡献度，再将各个距离保护的贡献度发送至契合度期望生成模块和保护契合度生成模块；其中，所述各个距离保护的贡献度包括各个距离保护的I段贡献度、各个距离保护的II段贡献度和各个距离保护的III段的贡献度；

所述契合度期望生成模块用于根据各个距离保护的贡献度建立各条线路的保护契合度期望函数，并根据所述保护契合度期望函数计算各条线路的保护契合度期望函数值，再将各条线路的保护契合度期望函数值发送至故障识别模块；

所述保护契合度生成模块用于根据各个距离保护的实际状态和各个距离保护的贡献度建立各条线路的保护契合度函数，并根据所述保护契合度函数计算各条线路的保护契合度函数值，再将各条线路的保护契合度函数值发送至故障识别模块；

所述故障识别模块用于根据各条线路的保护契合度期望函数值和各条线路的保护契合度函数值计算各条线路的距离保护契合因子，再根据各条线路的距离保护契合因子识别故障线路。

一种基于距离保护契合因子的故障识别方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：采集保护区域中各个距离保护的实际状态；

所述距离保护的实际状态包括距离保护的I段实际状态、距离保护的II段实际状态和距离保护的III段实际状态；

所述实际状态包括启动状态和不启动状态；

步骤2：计算各个距离保护的贡献度，包括各个距离保护的I段贡献度、各个距离保护的II段贡献度和各个距离保护的III段的贡献度；

步骤3：建立各条线路的保护契合度期望函数，并根据所述保护契合度期望函数计算各条线路的保护契合度期望函数值；

步骤4：建立各条线路的保护契合度函数，并根据所述保护契合度函数计算各条线路的保护契合度函数值；

步骤5：将每条线路的保护契合度函数值与保护契合度期望函数值之比作为该条线路的距离保护契合因子；

步骤6：确定所有线路中距离保护契合因子值最大的线路，所述距离保护契合因子值最大的线路为故障线路。

所述计算各个距离保护的贡献度具体为：

采用公式

计算各个距离保护的I段贡献度

采用公式

计算各个距离保护的II段贡献度

其中，

为距离保护j的II段对于线路L_i的有效距离等值阻抗，并且

Z_Li为线路L_i的阻抗；

Z_Li1为线路L_i1的阻抗且L_i1为L_i的上级线路；

为距离保护j的II段的整定值；

K_fn为第一分支系数；

n为距离保护j的保护范围内的线路编号；

N为距离保护j的保护范围内的线路数目；

采用公式

计算各个距离保护的III段贡献度

其中，为距离保护j的III段对于线路L_i的有效距离等值阻抗并且

Z_Li为线路L_i的阻抗；

Z_Li1为线路L_i1的阻抗且L_i1为L_i的上级线路；

Z_Li2为线路L_i2的阻抗且L_i2为L_i1的上级线路；

为距离保护j的III段的整定值；

K_fn1为第二分支系数；

n为距离保护j的保护范围内的线路编号；

N为距离保护j的保护范围内的线路数目。

所述各条线路的保护契合度期望函数为：

$\begin{array}{c}{E}^{*}\left(L_i\right)=\underset{j}{\overset{B_I}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}^I({\mathrm{\λ}}_A^I{D}_{\mathrm{Aij}}^{*I}+{\mathrm{\λ}}_B^I{D}_{\mathrm{Bij}}^{*I}+{\mathrm{\λ}}_C^I{D}_{\mathrm{Cij}}^{*I})+\underset{j}{\overset{B_{\mathrm{II}}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{II}}({\mathrm{\λ}}_A^{\mathrm{II}}{D}_{\mathrm{Aij}}^{*\mathrm{II}}+{\mathrm{\λ}}_B^{\mathrm{II}}{D}_{\mathrm{Bij}}^{*\mathrm{II}}+{\mathrm{\λ}}_C^{\mathrm{II}}{D}_{\mathrm{Cij}}^{*\mathrm{II}})\\ +\underset{i}{\overset{B_{\mathrm{III}}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{III}}({\mathrm{\λ}}_A^{\mathrm{III}}{D}_{\mathrm{Aij}}^{*\mathrm{III}}+{\mathrm{\λ}}_B^{\mathrm{III}}{D}_{\mathrm{Bij}}^{*\mathrm{III}}+{\mathrm{\λ}}_C^{\mathrm{III}}{D}_{\mathrm{Cij}}^{*\mathrm{III}})\end{array};$

其中，

为距离保护j的I段贡献度；

为距离保护j的II段贡献度；

为距离保护j的III段贡献度；

为故障线路在距离保护的I段保护范围内且故障点位于故障线路A段的概率；

为故障线路在距离保护的I段保护范围内且故障点位于故障线路B段的概率；

为故障线路在距离保护的I段保护范围内且故障点位于故障线路C段的概率；

为故障线路在距离保护的II段保护范围内且故障点位于故障线路A段的概率；

为故障线路在距离保护的II段保护范围内且故障点位于故障线路B段的概率；

为故障线路在距离保护的II段保护范围内且故障点位于故障线路C段的概率；

为故障线路在距离保护的III段保护范围内且故障点位于故障线路A段的概率；

为故障线路在距离保护的III段保护范围内且故障点位于故障线路B段的概率；

为故障线路在距离保护的III段保护范围内且故障点位于故障线路C段的概率；

为故障发生在线路L_i的A段上时距离保护j的I段处于启动状态的期望值；

为故障发生在线路L_i的A段上时距离保护j的II段处于启动状态的期望值；

为故障发生在线路L_i的A段上时距离保护j的III段处于启动状态的期望值；

为故障发生在线路L_i的B段上时距离保护j的I段处于启动状态的期望值；

为故障发生在线路L_i的B段上时距离保护j的II段处于启动状态的期望值；

为故障发生在线路L_i的B段上时距离保护j的III段处于启动状态的期望值；

为故障发生在线路L_i的C段上时距离保护j的I段处于启动状态的期望值；

为故障发生在线路L_i的C段上时距离保护j的II段处于启动状态的期望值；

为故障发生在线路L_i的C段上时距离保护j的III段处于启动状态的期望值；

所述故障线路A段是故障线路两侧的2个距离保护中第一距离保护的保护范围内而第二距离保护的保护范围外的线路段；

所述故障线路B段是故障线路两侧的2个距离保护的保护范围重合的线路段；

所述故障线路A段是故障线路两侧的2个距离保护中第一距离保护的保护范围外而第二距离保护的保护范围内的线路段；

B_I、B_II和B_III为所有距离保护的数目且B_I=B_II=B_III。

所述各条线路的保护契合度函数为： $E_F\left(L_i\right)=\underset{j}{\overset{B_I}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}^I{D}_j^I+\underset{j}{\overset{B_{\mathrm{II}}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{II}}{D}_j^{\mathrm{II}}+\underset{j}{\overset{B_{\mathrm{III}}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{III}}{D}_j^{\mathrm{III}};$

其中，

为距离保护j的I段贡献度；

为距离保护j的II段贡献度；

为距离保护j的III段贡献度；

为距离保护j的I段实际状态；

为距离保护j的II段实际状态；

为距离保护j的III段实际状态；

B_I、B_II和B_III为所有距离保护的数目且B_I=B_II=B_III。

本发明中，距离保护启动情况的获得和距离保护贡献度的计算，不依赖系统的同步性，使算法的数据源更加可靠；不仅将距离保护贡献度作为构建保护契合度函数的权重，计算保护契合度函数的值更加准确，而且充分考虑了容错性问题，在距离保护启动信息的高位数缺失或错误的情况下，仍能准确判断故障线路。

附图说明

图1是本发明提供的基于距离保护契合因子的区域保护系统结构图；

图2是区域电网结构图；

图3是距离保护I段启动情况期望值计算示例图；

图4是距离保护II段启动情况期望值计算示例图；

图5是距离保护III段启动情况期望值计算示例图；

图6是新英格兰10机39节点图；

图7是线路L₈近母线4处故障各线路距离保护契合因子图；

图8是线路L₆近母线18处故障各线路距离保护契合因子图；

图9是贵州都匀电网图；

图10是线路L₆中点故障各线路距离保护契合因子图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

实施例1

图1是本发明提供的基于距离保护契合因子的区域保护系统结构图。如图1所示，本发明提供的基于距离保护契合因子的区域保护系统包括：数据采集模块、保护贡献度整定模块、契合度期望生成模块、保护契合度生成模块和故障识别模块。其中，数据采集模块和保护贡献度整定模块分别与保护契合度生成模块相连，保护贡献度整定模块与契合度期望生成模块相连，契合度期望生成模块和保护契合度生成模块分别与故障识别模块相连。

数据采集模块用于采集保护区域中各个距离保护的实际状态，包括距离保护的I段、II段和III段实际状态。实际状态为启动状态时使用1表示，实际状态为不启动状态时使用0表示，实际状态缺失也是用0表示。采集到各个距离保护的实际状态后，发送至保护契合度生成模块。

保护贡献度整定模块用于根据距离保护的整定值，计算各个距离保护的贡献度，包括各个距离保护的I段贡献度、各个距离保护的II段贡献度和各个距离保护的III段的贡献度。之后，将各个距离保护的贡献度发送至契合度期望生成模块和保护契合度生成模块。

契合度期望生成模块用于根据各个距离保护的贡献度建立各条线路的保护契合度期望函数，并根据保护契合度期望函数计算各条线路的保护契合度期望函数值，再将各条线路的保护契合度期望函数值发送至故障识别模块。

保护契合度生成模块用于根据各个距离保护的实际状态和各个距离保护的贡献度建立各条线路的保护契合度函数，并根据保护契合度函数计算各条线路的保护契合度函数值，再将各条线路的保护契合度函数值发送至故障识别模块。

故障识别模块用于根据各条线路的保护契合度期望函数值和各条线路的保护契合度函数值计算各条线路的距离保护契合因子，再根据各条线路的距离保护契合因子识别故障线路。

本发明还提供了一种基于距离保护契合因子的故障识别方法，包括：

步骤1：采集保护区域中各个距离保护的实际状态。

首先采集距离保护的I段、II段和III段实际状态，实际状态包括启动状态和不启动状态，启动状态使用1表示，不启动状态使用0表示，实际状态缺失时（未采集到）也使用0表示。

步骤2：计算各个距离保护的贡献度，包括各个距离保护的I段贡献度、各个距离保护的II段贡献度和各个距离保护的III段的贡献度。

距离保护的整定原则反映了距离保护启动与其正方向发生故障的位置之间的关系。如图2所示，距离保护元件1的I段启动，故障仅可能发生在线路L₁上；距离保护元件1的II段启动，故障可能发生在线路L₁上，或者线路L₂的出口处，即图2中虚线m左侧部分；距离保护元件1的III段启动，故障可能发生在L₁、L₂上，或者线路L₃的出口处，即图2虚线p左侧部分。

定义距离保护贡献度ω_ij为距离保护元件j启动时，故障发生在线路L_i上的概率，即将距离保护启动情况与故障位置的关系量化。该值反映了距离保护元件j的启动，对判断线路L_i是否为故障线路的贡献程度。下面根据距离保护元件的I段、II段和III段与故障线路之间的位置关系，分别推导距离保护I段、II段和III段的贡献度

A、距离保护的I段贡献度。

距离保护的I段仅反映本线路故障，当距离保护元件j在故障线路L_i上时，贡献度为1；当距离保护元件j不在故障线路L_i上时，贡献度为0。由此可得距离保护I段贡献度

如式(1)所示：

B、距离保护的II段贡献度。

距离保护的II段反映了本线路及相邻线路出口处故障。如图2所示，距离保护元件1的II段的保护范围为虚线m左侧部分。距离保护元件1的II段启动，故障可能发生在L₁上，或L₂上虚线m左侧部分，即保护范围覆盖线路的部分。将该保护范围覆盖各条线路的部分定义为距离保护元件1的II段在各线路上的有效距离。考虑到电力系统中线路阻抗与线路长度成正比，有效距离的等值阻抗计算式如下：

$Z_{\mathrm{eLi}-j}^{\mathrm{II}}=\left\{\begin{array}{c}{Z}_{\mathrm{Li}}\\ \frac{Z_{\mathrm{set}-j}^{\mathrm{II}}-Z_{\mathrm{Li}1}}{K_{\mathrm{fn}}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

公式（2）中，当距离保护元件j在线路L_i时，有效距离的等值阻抗为线路阻抗Z_Li；线路L_i1为线路L_i的上级线路，Z_Li1为线路L_i1的阻抗。当距离保护元件j在线路L_i1上时，在线路L_i上产生的有效距离的等值阻抗为通过分支系数K_fn折算到L_i上的阻抗值，其中的K_fn为第一分支系数，

为距离保护j的II段的整定值，可以参照《电力系统继电保护规定汇编(第二版)》(国家电力调度通信中心编)的规定取值。

以图2为例，保护元件1的II段保护范围在L₁、L₂上产生的有效距离的等值阻抗分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_{\mathrm{eL}1-1}^{\mathrm{II}}=Z_{L1}\\ Z_{\mathrm{eL}2-1}^{\mathrm{II}}=\frac{Z_{\mathrm{set}-1}^{\mathrm{II}}-Z_{L1}}{K_{f31}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

为距离保护元件1对于线路L₁的有效距离等值阻抗，

为距离保护元件1对于线路L₂的有效距离等值阻抗。当距离保护元件1的II段启动时，故障可能发生在L₁、L₂上的概率分别为保护范围在各线路上的有效距离占保护范围的总有效距离的百分比。分支系数

I₁和I₃分别表示距离保护元件1和3处流过的电流幅值。由进一步得到距离保护的II段贡献度

如式(4)所示：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{II}}=\frac{Z_{\mathrm{eLi}-j}^{\mathrm{II}}}{\underset{n}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_{\mathrm{eLn}-j}^{\mathrm{II}}}---\left(4\right)$

公式（4）中，n为距离保护j的保护范围内的线路编号，N为距离保护j的保护范围内的线路数目。如图2中，距离保护元件j的保护范围内的线路为L₁、L₂…L_n，则

为距离保护元件j在L₁、L₂…L_n上的有效距离等值阻抗。

C、距离保护的III段贡献度。

距离保护的III段可反映本线路及相邻线路的故障，整定值按照对所有相邻线路都具有灵敏度整定，其保护范围通常可以延伸到二级线路。按照上述对有效距离等值阻抗的定义，距离保护的III段的保护范围在线路L_i上产生的有效距离的等值阻抗为：

$Z_{\mathrm{eLi}-j}^{\mathrm{III}}=\left\{\begin{array}{c}{Z}_{\mathrm{Li}}\\ \frac{Z_{\mathrm{set}-j}^{\mathrm{III}}-Z_{\mathrm{Li}2}-K_{\mathrm{fn}1}{Z}_{\mathrm{Li}1}}{K_{\mathrm{fn}}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

公式（5）中：线路L_i1为线路L_i的上级线路，线路L_i2为线路L_i1的上级线路，当距离保护元件j在线路L_i或线路L_i1上时，有效距离等值阻抗为线路阻抗Z_Li；当距离保护元件j在线路L_i2上时，在线路L_i上产生的有效距离的等值阻抗为通过分支系数折算到L_i上的阻抗值；K_fn和K_fn1为分支系数。

以图2为例，距离保护元件1的III段保护范围在线路L₁、L₂上产生的有效距离等值阻抗分别为Z_L1和Z_L2；在L₃上产生的有效距离等值阻抗为：

$Z_{\mathrm{eL}3-1}^{\mathrm{III}}=\frac{Z_{\mathrm{set}-1}^{\mathrm{III}}-Z_{L1}-K_{f31}{Z}_{L2}}{K_{f51}}---\left(6\right)$

当距离保护元件1的III段启动时，故障可能发生在L₁、L₂、L₃上的概率分别为，保护范围在各线路上有效距离占保护范围总有效距离的百分比。分支系数

分支系数I₁、I₃和I₅分别表示距离保护元件1、3和5处流过的电流幅值。由

进一步得到距离保护III段贡献度

为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{III}}=\frac{Z_{\mathrm{eLi}-j}^{\mathrm{III}}}{\underset{n}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_{\mathrm{eLn}-j}^{\mathrm{III}}}---\left(7\right)$

公式（7）中，为距离保护j的III段的整定值，可以参照《电力系统继电保护规定汇编(第二版)》的规定取值。n和N的含义同公式（4）中的n和N。

步骤3：建立各条线路的保护契合度期望函数，并根据所述保护契合度期望函数计算各条线路的保护契合度期望函数值。

假设故障发生在线路L_i上时，将保护元件启动情况期望值进行信息融合后的计算结果定义为保护契合度期望函数。在线路不同位置发生故障，保护元件启动情况不同，因此，在确定保护元件启动情况的期望值时需要考虑在线路不同位置发生故障的情况。

以图3中的系统为例，距离保护元件5和6的I段的保护范围分别为图3中的椭圆部分，两个椭圆将线路L₃分为A、B、C三段，在线路不同位置发生故障距离保护I段的启动情况如表1所示。

表1：假设线路L3故障距离保护I段启动情况期望值

故障点在A、B、C三段上的概率分别为

计算式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_A^I=\frac{Z_{L3}-Z_{\mathrm{set}-6}^I}{Z_{L3}}\\ {\mathrm{\λ}}_B^I=\frac{Z_{\mathrm{set}-5}^I+Z_{\mathrm{set}-6}^I-Z_{L3}}{Z_{L3}}\\ {\mathrm{\λ}}_C^I=\frac{Z_{L3}-Z_{\mathrm{set}-5}^I}{Z_{L3}}\end{array}\right.---\left(8\right)$

同理，距离保护元件3和8的II段的保护范围，也可以将线路L₃分为A、B、C三段，如图4所示。在线路L₃不同位置发生故障距离保护II段的启动情况如表2所示。

表2：假设线路L₃故障距离保护II段启动情况期望值

距离保护元件3和8的II段的保护范围在线路L₃上分别产生的有效距离等值阻抗，可以反映图4中A段和C段的长度，故障点在A、B、C三段上的概率分别为

计算式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_A^{\mathrm{II}}=\frac{Z_{\mathrm{eL}3-3}^{\mathrm{II}}}{Z_{L3}}\\ {\mathrm{\λ}}_B^{\mathrm{II}}=\frac{Z_{L3}-Z_{\mathrm{eL}3-3}^{\mathrm{II}}-Z_{\mathrm{eL}3-8}^{\mathrm{II}}}{Z_{L3}}\\ {\mathrm{\λ}}_C^{\mathrm{II}}=\frac{Z_{\mathrm{eL}3-8}^{\mathrm{II}}}{Z_{L3}}\end{array}\right.---\left(9\right)$

同理，距离保护元件1和10的III段的保护范围，也可以将线路L₃分为A、B、C三段，如图5所示。在线路L₃不同位置发生故障距离保护III段的启动情况如表3所示。

表3、假设线路L₃故障距离保护III段启动情况期望值

距离保护元件1和10的III段保护范围在线路L₃上分别产生的有效距离等值阻抗，可以反映图5中A段和C段的长度，则故障点在A、B、C三段上的概率分别为

如式(10)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_A^{\mathrm{III}}=\frac{Z_{\mathrm{eL}3-1}^{\mathrm{III}}}{Z_{L3}}\\ {\mathrm{\λ}}_B^{\mathrm{III}}=\frac{Z_{L3}-Z_{\mathrm{eL}3-1}^{\mathrm{III}}-Z_{\mathrm{eL}3-10}^{\mathrm{III}}}{Z_{L3}}\\ {\mathrm{\λ}}_C^{\mathrm{III}}=\frac{Z_{\mathrm{eL}3-10}^{\mathrm{III}}}{Z_{L3}}\end{array}\right.---\left(10\right)$

将λ_A、λ_B、λ_C作为故障点在线路不同位置时，保护启动情况期望值的权重，得到线路故障时保护启动情况的期望值，则保护契合度期望函数的表达式为：

$\begin{array}{c}{E}^{*}\left(L_i\right)=\underset{j}{\overset{B_I}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}^I({\mathrm{\λ}}_A^I{D}_{\mathrm{Aij}}^{*I}+{\mathrm{\λ}}_B^I{D}_{\mathrm{Bij}}^{*I}+{\mathrm{\λ}}_C^I{D}_{\mathrm{Cij}}^{*I})+\underset{j}{\overset{B_{\mathrm{II}}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{II}}({\mathrm{\λ}}_A^{\mathrm{II}}{D}_{\mathrm{Aij}}^{*\mathrm{II}}+{\mathrm{\λ}}_B^{\mathrm{II}}{D}_{\mathrm{Bij}}^{*\mathrm{II}}+{\mathrm{\λ}}_C^{\mathrm{II}}{D}_{\mathrm{Cij}}^{*\mathrm{II}})\\ +\underset{i}{\overset{B_{\mathrm{III}}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{III}}({\mathrm{\λ}}_A^{\mathrm{III}}{D}_{\mathrm{Aij}}^{*\mathrm{III}}+{\mathrm{\λ}}_B^{\mathrm{III}}{D}_{\mathrm{Bij}}^{*\mathrm{III}}+{\mathrm{\λ}}_C^{\mathrm{III}}{D}_{\mathrm{Cij}}^{*\mathrm{III}})\end{array}---\left(11\right)$

公式（11）中：

为假设故障发生在线路L_i的A段上，各保护元件的启动情况期望值；

为假设故障发生在线路L_i的B段上，各保护元件的启动情况期望值；

为假设故障发生在线路L_i的C段上，各保护元件的启动情况期望值；B_I、B_II和B_III为所有距离保护的数目且B_I=B_II=B_III。公式（11）是各条线路的保护契合度期望函数，根据该公式可以计算出每条线路L_i的保护契合度期望函数值。

步骤4：建立各条线路的保护契合度函数，并根据所述保护契合度函数计算各条线路的保护契合度函数值。

距离保护贡献度

为距离保护元件j启动，故障发生在线路L_i上的概率。基于上述对三段式距离保护贡献度的分析，将距离保护贡献度作为权重对保护启动信息进行融合，构建保护契合度函数E_F(L_i)：

$E_F\left(L_i\right)=\underset{j}{\overset{B_I}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}^I{D}_j^I+\underset{j}{\overset{B_{\mathrm{II}}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{II}}{D}_j^{\mathrm{II}}+\underset{j}{\overset{B_{\mathrm{III}}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{III}}{D}_j^{\mathrm{III}}---\left(12\right)$

公式（12）中：

为故障发生后距离保护元件j的I段、II段、III段的实际启动情况，B_I、B_II和B_III为所有距离保护的数目且B_I=B_II=B_III。

上述公式（12）是各条线路的保护契合度函数，根据该公式可以计算出每条线路L_i的保护契合度函数值。

步骤5：将每条线路的保护契合度函数值与保护契合度期望函数值之比作为该条线路的距离保护契合因子。

线路L_i的距离保护契合因子采用公式计算，P_e(L_i)越大表示保护契合度函数的值越接近保护契合度期望函数的值，则线路L_i是故障线路的概率越大，且故障线路的距离保护契合因子应为一个接近1的正数。

步骤6：确定所有线路中距离保护契合因子值最大的线路，所述距离保护契合因子值最大的线路为故障线路。

电力系统中同时发生多处故障的可能性很小，因此本发明主要针对单重故障。故障线路的距离保护契合度因子是区域中所有线路距离保护契合因子的最大值，则故障识别判据为：

$P_{e\max }=\underset{1\≤i\≤M}{\max }{P}_e\left(L_i\right)---\left(14\right)$

公式（14）中，P_emax为区域所有线路距离保护契合因子的最大值，M为区域所有线路数目，即距离保护契合因子值最大的线路为故障线路。

实施例2

利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC搭建的新英格兰10机39节点的电力系统模型进行仿真验证，仿真系统图及其各支路和母线编号如图6所示。广域后备保护的构成模式为区域集中式，选取图6中曲线部分所示的保护区域为仿真对象。

1.数据采集模块

在线路L₈靠近母线4处发生故障后，数据采集模块接收到各保护元件实际状态如表4所示。

表4：线路L₈故障各距离保护元件的启动情况

2.保护贡献度整定模块

形成各距离保护元件针对每条线路的距离保护贡献度ω_ij，其中距离保护元件对线路L₈的贡献度如表5所示。

表5：距离保护元件对判断L₈为故障线路的贡献度

3.契合度期望生成模块

将距离保护贡献度ω_ij作为权重，结合保护启动情况的期望值及其权重，计算保护契合度期望函数值，如表6所示。

表6：各线路保护契合度期望函数值

4.保护契合度生成模块

将距离保护贡献度作为权重，根据数据采集模块的输出结果，整定各线路保护契合度函数值，如表7所示。

表7:各线路保护契合度函数值

5.故障识别模块

通过计算保护契合度函数值与保护契合度期望函数值之比，得到距离保护契合因子，如表8所示。

表8:各线路距离保护契合因子

表8中的结果显示，在保护启动信息无错误的情况下，线路L₈的距离保护契合因子为一个接近1的正数，且为区域最大值，满足保护判据(14)，因此，判断L₈为故障线路，结果如图7所示。同时，图7给出了随机10位信息缺失或错误时(即图6所示区域包含线路12条，保护元件的总个数为24个，得到的保护启动信息的总位数为72位，随机10位信息缺失或错误表示区域内的保护信息出现13%的随机缺失或错误)，仿真实验100次的统计结果平均值。

结果显示在存在信息缺失和错误的情况下，线路L₈仍满足保护判据(14)。可见该算法具有较高的可靠性和容错性。

当区域边缘处线路L₆靠近母线18处发生故障。得到保护启动信息无错误时，该算法的仿真结果；与随机10位信息缺失或错误时，仿真实验100次的统计结果平均值，同示于图8。

在保护启动信息无错误的情况下，线路L₆的距离保护契合因子满足保护判据(14)，可以得到L₆为故障线路。在随机10位信息缺失或错误的100次统计实验结果中，线路L₆仍满足保护判据(14)。可见该算法不受故障线路在区域中位置不同的影响。

实施例3

以图9所示的贵州都匀实际系统为例，验证该算法在实际工程中的可靠性。利用RTDS对线路L₆中点发生故障的情况进行分析，得到保护启动信息无错误时，该算法的计算结果，与随机10位信息缺失或错误时(即图9所示系统包含8条线路，保护元件的总个数为16个，得到的保护启动信息的总位数为48位，随机10位信息缺失或错误表示区域内的保护信息出现20%的随机缺失或错误)，仿真实验100次的统计结果平均值，同示于图10。在保护启动信息无错误的情况下，线路L₆的距离保护契合因子为一个大于1的正数，且为区域最大值，满足保护判据(14)，因此判断L₆为故障线路。在随机10位信息缺失或错误情况下，结果显示线路L₆仍满足保护判据(14)。实测数据的仿真结果显示，该算法在实际工程应用中也具有较好的可靠性与容错性。

本发明将距离保护启动情况对故障识别的贡献程度定义为距离保护贡献度，并将其作为权重构建保护契合度函数和保护契合度期望函数，然后，利用保护契合度函数与保护契合度期望函数之比得到距离保护契合因子，从而识别故障线路。本发明故障识别原理思路清晰，计算量小，且不受信息非同步的影响，在距离保护启动信息的高位数缺失或错误的情况下，仍能准确判断故障线路，同时克服了传统权重设置依靠先前经验带来的不确定性问题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于距离保护契合因子的区域保护系统，其特征是所述系统包括：数据采集模块、保护贡献度整定模块、契合度期望生成模块、保护契合度生成模块和故障识别模块；

所述数据采集模块和保护贡献度整定模块分别与保护契合度生成模块相连；

所述保护贡献度整定模块与契合度期望生成模块相连；

所述契合度期望生成模块和保护契合度生成模块分别与故障识别模块相连；

所述数据采集模块用于采集保护区域中各个距离保护的实际状态，并将采集到的所述各个距离保护的实际状态发送至保护契合度生成模块；所述距离保护的实际状态包括距离保护的I段实际状态、距离保护的II段实际状态和距离保护的III段实际状态；所述实际状态包括启动状态和不启动状态；

所述保护贡献度整定模块用于根据距离保护的整定值，计算各个距离保护的贡献度，再将各个距离保护的贡献度发送至契合度期望生成模块和保护契合度生成模块；其中，所述各个距离保护的贡献度包括各个距离保护的I段贡献度、各个距离保护的II段贡献度和各个距离保护的III段的贡献度；

所述契合度期望生成模块用于根据各个距离保护的贡献度建立各条线路的保护契合度期望函数，并根据所述保护契合度期望函数计算各条线路的保护契合度期望函数值，再将各条线路的保护契合度期望函数值发送至故障识别模块；

所述保护契合度生成模块用于根据各个距离保护的实际状态和各个距离保护的贡献度建立各条线路的保护契合度函数，并根据所述保护契合度函数计算各条线路的保护契合度函数值，再将各条线路的保护契合度函数值发送至故障识别模块；

所述故障识别模块用于根据各条线路的保护契合度期望函数值和各条线路的保护契合度函数值计算各条线路的距离保护契合因子，再根据各条线路的距离保护契合因子识别故障线路。

2.一种基于距离保护契合因子的故障识别方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：采集保护区域中各个距离保护的实际状态；

所述距离保护的实际状态包括距离保护的I段实际状态、距离保护的II段实际状态和距离保护的III段实际状态；

所述实际状态包括启动状态和不启动状态；

步骤2：计算各个距离保护的贡献度，包括各个距离保护的I段贡献度、各个距离保护的II段贡献度和各个距离保护的III段的贡献度；

步骤3：建立各条线路的保护契合度期望函数，并根据所述保护契合度期望函数计算各条线路的保护契合度期望函数值；

步骤4：建立各条线路的保护契合度函数，并根据所述保护契合度函数计算各条线路的保护契合度函数值；

步骤5：将每条线路的保护契合度函数值与保护契合度期望函数值之比作为该条线路的距离保护契合因子；

步骤6：确定所有线路中距离保护契合因子值最大的线路，所述距离保护契合因子值最大的线路为故障线路。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述计算各个距离保护的贡献度具体为：

采用公式

计算各个距离保护的I段贡献度

采用公式

计算各个距离保护的II段贡献度

其中，

为距离保护j的II段对于线路L_i的有效距离等值阻抗，并且

Z_Li为线路L_i的阻抗；

Z_Li1为线路L_i1的阻抗且L_i1为L_i的上级线路；

为距离保护j的II段的整定值；

K_fn为第一分支系数；

n为距离保护j的保护范围内的线路编号；

N为距离保护j的保护范围内的线路数目；

采用公式

计算各个距离保护的III段贡献度

其中，

为距离保护j的III段对于线路L_i的有效距离等值阻抗并且

Z_Li为线路L_i的阻抗；

Z_Li1为线路L_i1的阻抗且L_i1为L_i的上级线路；

Z_Li2为线路L_i2的阻抗且L_i2为L_i1的上级线路；

为距离保护j的III段的整定值；

K_fn1为第二分支系数；

n为距离保护j的保护范围内的线路编号；

N为距离保护j的保护范围内的线路数目。

4.根据权利要求3所述的方法，所述各条线路的保护契合度期望函数为：

$\begin{array}{c}{E}^{*}\left(L_i\right)=\underset{j}{\overset{B_I}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}^I({\mathrm{\λ}}_A^I{D}_{\mathrm{Aij}}^{*I}+{\mathrm{\λ}}_B^I{D}_{\mathrm{Bij}}^{*I}+{\mathrm{\λ}}_C^I{D}_{\mathrm{Cij}}^{*I})+\underset{j}{\overset{B_{\mathrm{II}}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{II}}({\mathrm{\λ}}_A^{\mathrm{II}}{D}_{\mathrm{Aij}}^{*\mathrm{II}}+{\mathrm{\λ}}_B^{\mathrm{II}}{D}_{\mathrm{Bij}}^{*\mathrm{II}}+{\mathrm{\λ}}_C^{\mathrm{II}}{D}_{\mathrm{Cij}}^{*\mathrm{II}})\\ +\underset{i}{\overset{B_{\mathrm{III}}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{III}}({\mathrm{\λ}}_A^{\mathrm{III}}{D}_{\mathrm{Aij}}^{*\mathrm{III}}+{\mathrm{\λ}}_B^{\mathrm{III}}{D}_{\mathrm{Bij}}^{*\mathrm{III}}+{\mathrm{\λ}}_C^{\mathrm{III}}{D}_{\mathrm{Cij}}^{*\mathrm{III}})\end{array};$

其中，

为距离保护j的I段贡献度；

为距离保护j的II段贡献度；

为距离保护j的III段贡献度；

为故障线路在距离保护的I段保护范围内且故障点位于故障线路A段的概率；

为故障线路在距离保护的I段保护范围内且故障点位于故障线路B段的概率；

为故障线路在距离保护的I段保护范围内且故障点位于故障线路C段的概率；

为故障线路在距离保护的II段保护范围内且故障点位于故障线路A段的概率；

为故障线路在距离保护的II段保护范围内且故障点位于故障线路B段的概率；

为故障线路在距离保护的II段保护范围内且故障点位于故障线路C段的概率；

为故障线路在距离保护的III段保护范围内且故障点位于故障线路A段的概率；

为故障线路在距离保护的III段保护范围内且故障点位于故障线路B段的概率；

为故障线路在距离保护的III段保护范围内且故障点位于故障线路C段的概率；

为故障发生在线路L_i的A段上时距离保护j的I段处于启动状态的期望值；

为故障发生在线路L_i的A段上时距离保护j的II段处于启动状态的期望值；

为故障发生在线路L_i的A段上时距离保护j的III段处于启动状态的期望值；

为故障发生在线路L_i的B段上时距离保护j的I段处于启动状态的期望值；

为故障发生在线路L_i的B段上时距离保护j的II段处于启动状态的期望值；

为故障发生在线路L_i的B段上时距离保护j的III段处于启动状态的期望值；

为故障发生在线路L_i的C段上时距离保护j的I段处于启动状态的期望值；

为故障发生在线路L_i的C段上时距离保护j的II段处于启动状态的期望值；

为故障发生在线路L_i的C段上时距离保护j的III段处于启动状态的期望值；

所述故障线路A段是故障线路两侧的2个距离保护中第一距离保护的保护范围内而第二距离保护的保护范围外的线路段；

所述故障线路B段是故障线路两侧的2个距离保护的保护范围重合的线路段；

所述故障线路A段是故障线路两侧的2个距离保护中第一距离保护的保护范围外而第二距离保护的保护范围内的线路段；

B_I、B_II和B_III为所有距离保护的数目且B_I=B_II=B_III。

5.根据权利要求3所述的方法，所述各条线路的保护契合度函数为：

$E_F\left(L_i\right)=\underset{j}{\overset{B_I}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}^I{D}_j^I+\underset{j}{\overset{B_{\mathrm{II}}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{II}}{D}_j^{\mathrm{II}}+\underset{j}{\overset{B_{\mathrm{III}}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{III}}{D}_j^{\mathrm{III}};$

其中，

为距离保护j的I段贡献度；

为距离保护j的II段贡献度；

为距离保护j的III段贡献度；

为距离保护j的I段实际状态；

为距离保护j的II段实际状态；

为距离保护j的III段实际状态；

B_I、B_II和B_III为所有距离保护的数目且B_I=B_II=B_III。

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