CN103632308A - 基于专家系统的涉网电厂继电保护定值风险评估系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于专家系统的涉网电厂继电保护定值风险评估系统,其可操作性强、高效、科学。该系统包括模型的建立、风险评估计算、风险等级的确定、数据的输入输出。

Description

基于专家系统的涉网电厂继电保护定值风险评估系统

技术领域

本发明属于继电保护的技术领域，具体地涉及一种基于专家系统的涉网电厂继电保护定值风险评估系统。

背景技术

长期以来，厂网一体化运行，发电厂继电保护管理和定值整定计算一直由相关电网保护专业负责，所以电厂对继电保护专业的故障计算分析、定值整定计算及管理工作重视程度不够，导致厂网分开以后,发电厂继电保护专业成为一个薄弱环节。因此，为解决由于电厂继电保护管理和定值整定计算薄弱带来的系统运行风险，借鉴电力系统同行管理成效，需建立一套可操作性强、高效、科学的定值外部独立评价管理体系来提高电厂继电保护管理水平。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于专家系统的涉网电厂继电保护定值风险评估系统,其可操作性强、高效、科学。

本发明的技术解决方案是：这种基于专家系统的涉网电厂继电保护定值风险评估系统，该系统包括模型的建立、风险评估计算、风险等级的确定、数据的输入输出。

本方法根据电厂保护装置的特点，对电厂中继电保护的定值进行定性和定量的分析、测定，减小电厂继电保护定值不合理带来的风险，其可操作性强、高效、科学。

附图说明

图1示出了根据本发明的基于专家系统的涉网电厂继电保护定值风险评估系统的结构示意图；

图2示出了根据本发明的变量知识元素计算表达式结构图；

图3示出了根据本发明的定值推理生成结构示意图；

图4示出了根据本发明的保护装置结构层次示意图；

图5示出了根据本发明的风险评估系统层次结构图；

图6示出了根据本发明的风险评估模型的统一建模；

图7示出了圆特性阻抗继电器；

图8示出了四边形阻抗继电器1；

图9示出了四边形阻抗继电器2；

图10示出了四边形阻抗继电器3；

图11示出了四边形阻抗继电器4；

图12示出了四边形阻抗继电器5；

图13示出了线路纵联电流差动保护动作曲线；

图14示出了线路示意图；

图15示出了母线差动保护动作曲线。

具体实施方式

如图1所示，这种基于专家系统的涉网电厂继电保护定值风险评估系统，该系统包括模型的建立、风险评估计算、风险等级的确定、数据的输入输出。通过人机界面将建立的专家系统风险评估模型存储在数据库中，作为风险评估的基本构架，然后经过拓扑分析，将模型镜像在计算机内存中，便于快速处理数据，最后根据人机界面获得相应的评估需要的信息，对其进行风险评估计算，从而生成风险等级，同时将中间数据存储到数据库中，以备查询。

本方法根据电厂保护装置的特点，对电厂中继电保护的定值进行定性和定量的分析、测定，减小电厂继电保护定值不合理带来的风险，其可操作性强、高效、科学。

优选地，所述模型包括继电保护配置模型和风险评估模型；其中继电保护配置模型包括装置知识库设计，其包括变量知识元素表示、整定原则知识表示、定值知识推理、保护装置知识表示设计；其中风险评估模型包括风险评估系统模型中知识表示设计、风险评估模型中风险因子的知识表示、风险评估模型中的评估准则知识库、风险评估模型的统一建模。

优选地，变量知识元素表示中的变量包括常规变量、电气量、配合量；整定原则知识表示中根据保护配置和现场接线情况设置不同原则的优先等级来实现定值性能的最优；定值知识推理中定值变量知识元素结合运算关系，匹配整定原则，根据知识源和知识应用情景，建立定值推理机制，生成定值；保护装置知识表示设计中采用层次结构来描述保护装置结构，包括装置类型、装置型号、每个保护装置所包含的保护类型、根据保护的类型配置相应的定值项、定值整定计算的原则和计算表达式、定义计算表达式中变量的含义。

优选地，风险评估模型中风险因子的知识表示中风险因子包括定值生成、定值审批、定值执行、定值运行；风险评估模型中的评估准则知识库中根据保护配置和现场接线情况设置不同原则的优先等级来实现定值性能的最优。

优选地，继电保护配置模型包括线路纵联电流差动保护动作模型和母线差动保护动作模型，其中线路纵联电流差动保护动作模型为公式（1）

$\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{CD\Φ}}>K\×I_{\mathrm{ZD\Φ}}\\ I_{\mathrm{CD\Φ}}>I_{\mathrm{DZ}}\end{array}\right.\\ \mathrm{\Φ}=A,B,C\end{array}---\left(1\right)$

I_CDΦ为相差动电流，I_ZDΦ为相制动电流，K为制动系数，I_DZ为差动电流动作门槛值；其中母线差动保护动作模型为公式（2）、（3）、（4）

$\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{CD\Φ}}>K\×I_{\mathrm{ZD\Φ}}\\ I_{\mathrm{CD\Φ}}>I_{\mathrm{DZ}}\end{array}\right.\\ \mathrm{\Φ}=A,B,C\end{array}---\left(2\right)$

$I_{\mathrm{CD}}=\left|\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{I}_j\right|---\left(3\right)$

$I_{\mathrm{ZD}}=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left|I_j\right|---\left(4\right)$

其中：K为比率制动系数；I_j为第j个连接元件的电流；I_DZ为差动电流动作门槛值。

以下具体说明：

专家系统知识库是保护装置模型建立极其重要的部分，知识库的质量好坏直接影响装置模型的建立和应用。从继电保护整定计算知识本身来看，可分为两种类型：一是基础原理和理论，另一种是基于直接或间接行业经验积累的专业知识。

1.装置知识库设计

1.1变量知识元素表示

保护定值计算时，所涉及到的变量可分为如下类型：

常规变量：为使整定值符合电力系统正常运行及故障状态下的规律，达到正确整定的目的，在计算时需要引入各种系数，例如：可靠系数、灵敏系数、返回系数、自启动系数等。

电气量：根据不同类型装置的特点，电气量分为以下几类：元件参数、短路电流信息、母线残压信息、相邻支路参数信息等，每一类的具体信息在项目列表中，同时项目列表中所包含的元素又会有不同的数值含义，例如元件参数中可分为线路长度、正序电抗、零序电抗、正序电阻、零序电阻等详细分类。

配合量：主要为配合定值，用户可以选择跟知识库中的任何定值配合，包括本支路其他定值、相邻支路定值、上级支路定值等，同时，可以根据需要选择需要配合的设备的不同类型的定值，如电抗、电压、电流等类型，定值也可以根据实际选择具体保护类型的具体定值，如过电流I段保护定值、零序I段保护定值等具体定值。

定值计算时，通过各种运算关系把各变量联系起来，构成保护定值计算表达式。变量知识元素及运算关系设计如图2所示。

1.2整定原则知识表示

根据继电保护原理，国家制定了相关规程、导则，作为保护定值整定计算的知识源之一，整定原则知识库除了整定计算规程、导则的整定原则知识外，还汇总了电力行业运行经验，充实和丰富了知识源。

继电保护原理决定了保护定值的知识情景，具体包括：过量保护、欠量保护、定值的速动性、定值的灵敏性、定值的选择性等情景。根据保护配置和现场接线情况，可设置不同原则的优先等级，以实现定值性能的最优。

1.3定值知识推理

如图3所示，定值变量知识元素结合运算关系，匹配整定原则，根据知识源和知识应用情景，建立定值推理机制，生成定值。

1.4保护装置知识表示设计

根据保护装置硬件构成，采用层次结构来描述保护装置结构，保护装置结构层次如图4所示，由六层构成。

层次1：装置类型是指所要保护的电力设备的类型，例如：电力线路、变压器、发电机、母线等电力设备。

层次2：装置型号是指各厂家生产的保护装置所给定的保护装置型号。例如：南瑞公司的RCS-931型输电线路成套保护装置、四方公司的CSC-101A数字式超高压线路保护等保护装置等。

层次3：对于一套保护装置而言，它包含多种保护类型，因此用本层来确定每个保护装置所包含的保护类型，例如：线路高频距离保护、变压器差动保护、线路重合闸等。

层次4：对于不同的保护类型而言，各自的定值项的确定是不相同的，因此本层根据保护的类型，配置相应的定值项，例如启动电流、距离I段定值等。

层次5：本层主要体现定值整定计算的原则和计算表达式。

层次6：本层主要定义计算表达式中各变量的意义。

风险评估模型为：专家系统风险评估模型

1.风险评估系统模型中知识表示设计

本文采用了层次结构来描述风险评估系统模型,将风险评估系统模型分为四级,从图5可以直观的看出风险评估的一般过程。

2.风险评估模型中风险因子的知识表示

风险因子主要包括如下类型：定值生成、定值审批、定值执行、定值运行。

定值生成风险评估主要对定值生成过程中存在各种风险的分析和评估，主要包括数据来源风险、方式风险、误整定风险。

定值的审批风险评估模型实现对定值审批过程的分析和评估，主要包括流程不完整性风险、人为风险。

定值的执行风险评估模型实现对定值执行过程的风险分析并告警，主要包括人为风险、定值一致性风险。

3.风险评估模型中的评估准则知识库

评估准则知识库除了整理了电厂定值核查规程的规定外，还汇总搜集了大量的现场实际经验。

继电保护原理决定了保护定值的知识情景，具体包括：过量保护、欠量保护、定值的速动性、定值的灵敏性、定值的选择性等情景。根据保护配置和现场接线情况，可设置不同原则的优先等级，以实现定值性能的最优。

4.风险评估模型的统一建模如图6所示。

本系统主要有以下优点：

（1）实用性。风险评估是安全生产风险体系建设工作的起点和基础，以及体系运行过程中改进管理的源头。因此，建立继电保护定值管理和风险评估方法，可以量化地、正确地、全面地理解风险，才能在控制风险、减少风险、转移风险之间做出正确的判断，决定调动多少资源、以什么的代价、采取什么样的应对措施去化解、控制风险。通过开展继电保护定值评价工作，可以发现保护装置定值运行安全存在的主要问题和矛盾，找到解决诸多关键问题的办法。

（2）通用性。系统并不是针对某个电厂而设置，而是为一般电厂所通用。利用专家系统风险评估知识库的自定义方法，方便地对保护装置、保护种类、评估准则、评估计算公式进行创建、维护，使得风险评估知识库具有可维护性和可定制性，是一个真正的通用式的系统。

继电保护定值风险评估系统针对电厂定值中存在的风险进行评估和管控，包含了大量的定值整定原则和风险评估知识，能够解决电厂定值中存在的风险问题。

风险评估模型公式：

先采用层次分析权值法，以模型资料为例，确定各因素之间的权重。

模型资料中的风险因素有：一次接线图、保护配置图、保护原理图、操作控制回路图、厂用系统程控联锁图，在此简化编号为为M1,M2,M3,M4,M5。

按照如下标准，邀请多名专家对指标风险元素间的重要程度进行评价,得到比较矩阵A=（aij）：

假设有s位专家给出比较比较矩阵时，设A(k)=(aij)k(k=1,2,,s)，先取aij(k)的几何平均，得到比较矩阵A=(a_ij)。其中

对比较矩阵A的每一列正规化，即：

将A=(a_ij)_n×n按行加总，然后将上一步得到的行和向量正规化，得到权重向量w，得 $w_i=\frac{w_i}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j},i=\mathrm{1,2},,n.$

按照上述步骤，可求得模型资料各风险因素的权重，再根据各风险因素的得分结果,可得到最后对模型资料的综合评价M,即

根据M的大小对模型资料的完整度进行评估。

与模型资料的评估过程类似，分别对保护配置和定值整定计算性能进行评估，利用层次分析权值法，邀请多名专家对模型资料、保护配置和定值整定计算性能的重要程度进行评价，得到他们的权重W_i，再将模型资料、保护配置和定值整定计算性能的综合评价（定义为S₁，S₂，S₃）与其相应权重想乘，得到不同设备的定值性能综合风险评价S，即

装置模型公式：

对典型继电保护装置的动作逻辑进行模拟，并提供动作行为分析。

线路后备距离保护动作模型

根据线路后备距离保护动作模型，校核距离Ⅲ段躲负荷阻抗能力;模拟主保护不动作时，故障点周围系统m级范围内的后备保护动作行为（m值可以设置）。

①圆特性阻抗继电器（适用于距离保护I、Ⅱ、Ⅲ段）见图7

输入值：Zzd、Rzd、Φzd、θ，分别为距离保护阻抗定值、负荷限制电阻定值、线路正序阻抗角定值、偏移阻抗角定值(θ根据线路长度，取值0°、15°、30°)。

②四边形阻抗继电器1（适用于距离保护I、Ⅱ、Ⅲ段）

输入值：Xzd、Rzd、Φzd，分别为距离保护电抗定值、负荷限制电阻定值、线路正序阻抗角定值。

各段距离元件动作特性均为多边形特性如图3.2所示。各段相间、接地距离元件分别计算X分量的电抗值和R分量的电阻值。动作边界倾斜角固定。见图8

③四边形阻抗继电器2（适用于接地距离I、II段）见图9

输入值：Zzd、Rzd、Φzd，分别为距离保护阻抗定值、负荷限制电阻定值、线路正序阻抗角定值。

R分量的偏移门槛取:

R'=min(0.5R_ZD,0.5Z_ZD)

X分量的偏移门槛取值与额定电流In有关:

$X^{\′}=\max (5/\mathrm{In},0.25Z_{\mathrm{ZD}}^I)$

额定电流5A时，取1Ω、0.25倍接地距离Ⅰ段阻抗定值的较大值；额定电流1A时，取5Ω、0.25倍接地距离Ⅰ段阻抗定值的较大值。

偏移阻抗Ⅰ、Ⅱ段元件在动作特性平面第一象限右上角有下倾，下倾角为12°。图3.3中，F1为方向元件、X0为电抗线，实线包围的部分为保护动作区域。

④四边形阻抗继电器3（适用于相间距离I、II段）

输入值：Zzd、Rzd、Φzd，分别为距离保护阻抗定值、负荷限制电阻定值、线路正序阻抗角定值。R'、X'的取值范围同③R'、X'取值。见图10

相间距离R轴动作边界取负荷限制电阻定值的一半，相间距离电抗线下倾角为24°。

⑤四边形阻抗继电器4（适用于接地距离Ⅲ段）见图11

输入值：Zzd、Rzd、Φzd，分别为距离保护阻抗定值、负荷限制电阻定值、线路正序阻抗角定值。R'、X'的取值范围同③R'、X'取值。

电抗线下倾角为0°。

⑥四边形阻抗继电器5（适应于相间距离Ⅲ段）见图12

输入值：Zzd、Rzd、Φzd，分别为距离保护阻抗定值、负荷限制电阻定值、线路正序阻抗角定值。R'、X'的取值范围同③R'、X'取值。

电抗线下倾角为0°。相间距离R轴动作边界取负荷限制电阻定值的一半。

2.3.2线路纵联电流差动保护动作模型

①线路纵联电流差动保护动作方程

线路纵联电流差动保护动作方程如下:

$\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{CD\Φ}}>K\×I_{\mathrm{ZD\Φ}}\\ I_{\mathrm{CD\Φ}}>I_{\mathrm{DZ}}\end{array}\right.\\ \mathrm{\Φ}=A,B,C\end{array}$

I_CDΦ为相差动电流，I_ZDΦ为相制动电流，K为制动系数，I_DZ为差动电流动作门槛值；

其动作特性曲线如图13所示。

以图14所示的线路差动保护装置为例：

为两侧电流矢量和的幅值；

为两侧电流矢量差的幅值；

K=0.6,

为M侧相电流，

为N侧相电流。

②弱馈逻辑判断

发生高阻故障时，电流启动元件有可能不动作，此时若收到对侧的差动保护允许信号，未启动侧保护采用低电压和零序电压辅助判据。

a)低电压辅助判据

未启动侧判别差动继电器动作相关相、相间电压，若小于65％额定电压，则低电压辅助判据启动，向对侧发送允许信号。

b)零序电压

未启动侧判别零序电压大于2V，则零序电压辅助判据启动，向对侧发送允许信号。

2.3.3母线差动保护动作模型

母线保护动作判据为：

$\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{CD\Φ}}>K\×I_{\mathrm{ZD\Φ}}\\ I_{\mathrm{CD\Φ}}>I_{\mathrm{DZ}}\end{array}\right.\\ \mathrm{\Φ}=A,B,C\end{array}$

$I_{\mathrm{CD}}=\left|\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{I}_j\right|$

$I_{\mathrm{ZD}}=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left|I_j\right|$

其中：K为比率制动系数；I_j为第j个连接元件的电流；I_DZ为差动电流动作门槛值。

其动作特性曲线如图15所示。

差动保护根据母线上所有连接元件电流值计算出大差电流，构成大差比例差动元件，作为差动保护区内故障判别元件。根据各连接元件的刀闸位置开入计算出各条母线的小差电流，构成小差比率差动元件，作为故障母线选择元件。

比率制动系数采用高低两个定值，母联开关处于合闸位置时大差比率制定系数采用高值0.5，小差比率制定系数采用高值0.6；母线处于分列运行时大差比率制定系数采用低值0.3，小差比率制定系数采用低值0.5。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.基于专家系统的涉网电厂继电保护定值风险评估系统，其特征在于：该系统包括模型的建立、风险评估计算、风险等级的确定、数据的输入输出。

2.根据权利要求1所述的基于专家系统的涉网电厂继电保护定值风险评估系统，其特征在于：所述模型包括继电保护配置模型和风险评估模型；其中继电保护配置模型包括装置知识库设计，其包括变量知识元素表示、整定原则知识表示、定值知识推理、保护装置知识表示设计；其中风险评估模型包括风险评估系统模型中知识表示设计、风险评估模型中风险因子的知识表示、风险评估模型中的评估准则知识库、风险评估模型的统一建模。

3.根据权利要求2所述的基于专家系统的涉网电厂继电保护定值风险评估系统，其特征在于：变量知识元素表示中的变量包括常规变量、电气量、配合量；整定原则知识表示中根据保护配置和现场接线情况设置不同原则的优先等级来实现定值性能的最优；定值知识推理中定值变量知识元素结合运算关系，匹配整定原则，根据知识源和知识应用情景，建立定值推理机制，生成定值；保护装置知识表示设计中采用层次结构来描述保护装置结构，包括装置类型、装置型号、每个保护装置所包含的保护类型、根据保护的类型配置相应的定值项、定值整定计算的原则和计算表达式、定义计算表达式中变量的含义。

4.根据权利要求3所述的基于专家系统的涉网电厂继电保护定值风险评估系统，其特征在于：风险评估模型中风险因子的知识表示中风险因子包括定值生成、定值审批、定值执行、定值运行；风险评估模型中的评估准则知识库中根据保护配置和现场接线情况设置不同原则的优先等级来实现定值性能的最优。

5.根据权利要求4所述的基于专家系统的涉网电厂继电保护定值风险评估系统，其特征在于：继电保护配置模型包括线路纵联电流差动保护动作模型和母线差动保护动作模型，其中线路纵联电流差动保护动作模型为公式（1）

$\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{CD\Φ}}>K\×I_{\mathrm{ZD\Φ}}\\ I_{\mathrm{CD\Φ}}>I_{\mathrm{DZ}}\end{array}\right.\\ \mathrm{\Φ}=A,B,C\end{array}---\left(1\right)$

I_CDΦ为相差动电流，I_ZDΦ为相制动电流，K为制动系数，I_DZ为差动电流动作门槛值；其中母线差动保护动作模型为公式（2）、（3）、（4）

$\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{CD\Φ}}>K\×I_{\mathrm{ZD\Φ}}\\ I_{\mathrm{CD\Φ}}>I_{\mathrm{DZ}}\end{array}\right.\\ \mathrm{\Φ}=A,B,C\end{array}---\left(2\right)$

$I_{\mathrm{CD}}=\left|\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{I}_j\right|---\left(3\right)$

$I_{\mathrm{ZD}}=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left|I_j\right|---\left(4\right)$

其中：K为比率制动系数；I_j为第j个连接元件的电流；I_DZ为差动电流动作门槛值。

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