CN104901277A - 基于支路重要度的继电保护在线校核顺序排序方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于对电力系统网路中继电保护进行重要度排序的方法，具体为基于支路重要度的继电保护在线校核顺序排序方法，包括确定发电机-支路功率分布因子和负荷-支路功率分布因子，通过发电机-支路功率分布因子和机组发电量确定支路功率，根据步骤二计算出的支路功率确定支路-负荷功率分布因子，根据支路-负荷功率分布因子确定发电-负荷对功率分布因子，确定支路的结构重要度因子，确定支路潮流转移度，确定支路概率重要度，确定支路综合重要度，根据综合重要度确定对应保护装置重要度，进而得到保护在线校核顺序。本发明提出的支路的结构重要度和概率重要度指标的求取无需进行复杂的潮流计算，比传统方法更直接有效。

Description

基于支路重要度的继电保护在线校核顺序排序方法

技术领域

本发明涉及用于对电力系统网路中继电保护进行重要度排序的方法，具体为基于支路重要度的继电保护在线校核顺序排序方法。

背景技术

随着电网复杂化的发展，为保障电网的安全稳定运行，电力系统继电保护装置作为电网发生故障时的第一道安全防线，能准确动作至关重要。国内外的大量实例也证明，很多大面积停电的电力系统事故都与继电保护的不正确动作有着直接或者间接的关系。因此，提出一种在线校核保护装置的有效方法就显得极其迫切与重要。

在线校核是根据能量管理系统(EMS)和数据采集与监控系统(SCADA)采集电力系统的实时数据(包括系统拓扑结构、运行方式、保护配置定值等)，实时校核保护性能，在线校核的重点是线路保护的校核，美中不足是保护在线校核顺序是随机校核，存在盲目性。

目前，国内外对保护定值校核顺序的研究很少，现有的保护在线校核顺序的方法有从保护装置不正常动作的风险后果来判定,本末倒置的忽略了被保护线路的重要性，慕宗江，徐岩，仇向东等在《电力自动化设备》上2014年第2期发表的“基于潮流熵的继电保护定值在线校核评估方法”根据支路抗冲击能力和开断后果定义支路潮流熵，以此作为保护装置重要性；王涛，王兴武等在《电力自动化设备》上2013年第7期发表的“基于概率及结构重要度的电力系统事故链模型与仿真”同时考虑事故概率重要度和支路结构重要度，综合评价了支路保护重要度。上述文献指标计算需进行潮流计算，计算复杂、计算量大，在应用过程中很难满足在线校核的时限要求。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了基于支路重要度的继电保护在线校核顺序排序方法。

本发明是采用如下的技术方案实现的：基于支路重要度的继电保护在线校核顺序方法，包括以下步骤：

步骤一：确定发电机-支路功率分布因子和负荷-支路功率分布因子：网络中发电机G_k发出的功率网络中节点i端流入支路ij中的且由发电机G_k提供的功率为 i,j＝1,2...,n，本发明提出支路ij的发电机-支路功率分布因子为： ${\mathrm{\β}}_{i\←ks}^{ij}=\frac{{\stackrel{\·}{S}}_{i\←ks}^{ij}}{{\stackrel{\·}{S}}_{ks}}=y_{ij}^{*}{(x_{ki}-x_{kj})}^{*}\frac{U_i}{U_k}=y_{ij}^{*}{(x_{ki}-x_{kj})}^{*},$ 其物理意义是发电机G_k向支路ij提供的功率占发电机G_k发电量的比值，现有的交流功率分布因子的计算都得使用潮流计算，该功率分布因子计算公式只用到阻抗和导纳矩阵，即系统基本参数，无需潮流计算，负荷load_m需要功率节点i端流入支路ij中的且最终流入负荷load_m的功率负荷-支路功率分布因子： ${\mathrm{\β}}_{i\←ml}^{ij}=\frac{{\stackrel{\·}{S}}_{i\→ml}^{ij}}{{\stackrel{\·}{S}}_{ml}}=y_{ij}^{*}{(x_{mi}-x_{mj})}^{*}\frac{U_i}{U_m}=y_{ij}^{*}{(x_{mi}-x_{mj})}^{*},$ 其中U_k、U_i、U_m为节点电压，电力系统正常运行时各节点电压近似等于额定电压值，y_ij为节点导纳矩阵对应元素，x_km、x_ki、x_kj、x_mi、x_mj为节点阻抗矩阵对应元素，为第m个发电机的电流,第k个发电机的电流,为第a个负荷的电流,第m个负荷的电流,q为发电机数，f为负荷节点数，n为系统节点数，所有物理量均为标幺值；

步骤二：通过发电机-支路功率分布因子和机组发电量确定支路功率：支路ij的总传输功率等于网络中各个发电机对其提供功率的叠加，即： ${\stackrel{\·}{S}}_{ij}=\underset{k=1}{\overset{q}{\Σ}}{\mathrm{\β}}_{i\←ks}^{ij}{\stackrel{\·}{S}}_{ks};$

步骤三：根据步骤二计算出的支路功率确定支路-负荷功率分布因子：支路ij流入负荷load_m的分布功率 为负荷load_m的总负荷量，为负荷load_m的负荷-支路功率分布因子，支路ij的支路-负荷功率分布因子是支路ij流入负荷load_m的分布功率占其总传输功率的比例：即 ${\mathrm{\α}}_{i\→ml}^{ij}=\frac{{\stackrel{\·}{S}}_{i\→ml}^{ij}}{{\stackrel{\·}{S}}_{ij}}=\frac{{\stackrel{\·}{S}}_{ml}{\mathrm{\β}}_{i\←ml}^{ij}}{\underset{k=1}{\overset{q}{\Σ}}{\mathrm{\β}}_{i\←ks}^{ij}{\stackrel{\·}{S}}_{ks}};$

步骤四：根据支路-负荷功率分布因子确定发电机-负荷对功率分布因子：设定发电负荷对(G_k,load_m)在支路ij上的发电机-负荷对功率分布因子为F_ij(k→m)，即支路ij的功率中由发电机G_k提供的且最终流入负荷load_m的功率占支路ij总传输功率的比值： $F_{ij(k\→m)}=\frac{{\stackrel{\·}{S}}_{ks}{\mathrm{\β}}_{i\←ks}^{ij}{\mathrm{\α}}_{i\→ml}^{ij}}{{\stackrel{\·}{S}}_{ij}};$

步骤五：确定支路的结构重要度因子：设定为支路ij传输功率上限，为支路ij总传输功率，G为系统发电机集合，L为系统负荷集合，则支路ij的结构重要度

步骤六：确定支路潮流转移度：支路ij潮流转移分布系数定义为：故障支路mn断开后，引起支路ij的有功潮流增量占支路mn上原潮流量的比值，直流潮流模型下，节点i在支路ij上的潮流分布因子为定义支路ij的潮流转移度指标为 式中mn是故障支路，ij是正常运行支路，m,n是故障支路mn的两端节点号，x_ni和x_mi分别是导纳矩阵中第n行i列和第m行i列元素，x_a为支路mn的线路阻抗；

步骤七：确定支路概率重要度：支路ij的负载率ε_ij、线路潮流转移度支路ij历史统计故障率p_ij，支路ij结构重要度因子为F_ij，支路ij概率重要度P_ij为：其中ω₁、ω₂、ω₃为权重因子，

步骤八：确定支路综合重要度，具体为：根据支路概率重要度P_ij和支路的结构重要度为F_ij，定义支路综合重要度Y_ij：Y_ij＝F_ijP_ij；

步骤九：根据支路综合重要度确定对应继电保护重要度，进而得到继电保护在线校核顺序。

本发明以支路重要度来衡量对应继电保护装置重要度，提出了潮流转移分布系数简化计算方法，并结合支路负载率和历史统计故障率，从风险和概率的角度定义了支路概率重要度；定义了支路功率分布介数，综合线路在不同发电-负荷对之间传输路径中被利用的深度和广度，确定支路的结构重要度。本发明提出的支路的结构重要度和概率重要度指标的求取只需通过阻抗矩阵的简单变化，无需进行复杂的潮流计算，比传统方法更直接有效，推进了在线校核在实际中的应用的步伐。

附图说明

图1为实施例中IEEE 39节点系统接线图。

图2为支路功率分布介数排序图。

具体实施方式

基于支路重要度的继电保护在线校核顺序方法，包括以下步骤：

步骤一：确定发电机-支路功率分布因子和负荷-支路功率分布因子：设定系统网络中有n个节点，q个发电机，f个负荷，系统有q×f个发电机-负荷对，系统网络发电机集合为G，系统网络负荷集合为L，网络中发电机G_k发出的功率为：网络中节点i端流入支路ij中的且由发电机G_k提供的功率i,j＝1,2...,n，支路ij的发电机-支路功率分布因子为：系统网络正常运行时系统节点电压标幺值约等于1，近似取U_i＝U_k＝1，得： ${\mathrm{\β}}_{i\←ks}^{ij}=y_{ij}^{*}{(x_{ki}-x_{kj})}^{*},$ 负荷load_m需要功率 ${\stackrel{\·}{S}}_{ml}={\stackrel{\·}{U}}_m{\stackrel{\·}{I}}_{ml}^{*}=\underset{a=1}{\overset{f}{\Σ}}{x}_{ma}{\stackrel{\·}{I}}_{al}{\stackrel{\·}{I}}_{ml}^{*},$ 节点i端流入支路ij中的且最终流入负荷load_m的功率 ${\stackrel{\·}{S}}_{i\→ml}^{ij}=y_{ij}^{*}\underset{a=1}{\overset{f}{\Σ}}{x}_{ia}{\stackrel{\·}{I}}_{al}{\left(x_{mi}-x_{mj}\right)}^{*}{\stackrel{\·}{I}}_{ml}^{*},$ 负荷-支路功率分布因子： ${\mathrm{\β}}_{i\←ml}^{ij}=\frac{{\stackrel{\·}{S}}_{i\→ml}^{ij}}{{\stackrel{\·}{S}}_{ml}}=y_{ij}^{*}{(x_{mi}-x_{mj})}^{*}\frac{U_i}{U_m},$ 系统网络正常运行时系统节点电压标幺值约等于1，近似取U_i＝U_m＝1，得：其中U_k、U_i、U_m为节点电压，电力系统正常运行时各节点电压近似等于额定电压值，y_ij为节点导纳矩阵对应元素，x_km、x_ki、x_kj、x_mi、x_mj为节点阻抗矩阵对应元素，为第m个发电机的电流,第k个发电机的电流,为第a个负荷的电流,第m个负荷的电流,q为发电机数，f为负荷节点数，n为系统节点数，所有物理量均为标幺值；

步骤二：通过发电机-支路功率分布因子和机组发电量确定支路功率：支路ij的总传输功率等于系统网络中各个发电机对其提供功率的叠加，即： ${\stackrel{\·}{S}}_{ij}=\underset{k=1}{\overset{q}{\Σ}}{\mathrm{\β}}_{i\←ks}^{ij}{\stackrel{\·}{S}}_{ks};$

步骤三：根据步骤二计算出的支路功率确定支路-负荷功率分布因子：支路ij流入负荷load_m的分布功率 为负荷m的总负荷量，为负荷load_m的负荷-支路功率分布因子，支路ij的支路-负荷功率分布因子是支路ij流入负荷load_m的分布功率占其总传输功率的比例：即 ${\mathrm{\α}}_{i\→ml}^{ij}=\frac{{\stackrel{\·}{S}}_{i\→ml}^{ij}}{{\stackrel{\·}{S}}_{ij}}=\frac{{\stackrel{\·}{S}}_{ml}{\mathrm{\β}}_{i\←ml}^{ij}}{\underset{k=1}{\overset{q}{\Σ}}{\mathrm{\β}}_{i\←ks}^{ij}{\stackrel{\·}{S}}_{ks}};$

步骤四：根据支路-负荷功率分布因子确定发电机-负荷对功率分布因子：定义发电机负荷对(G_k,load_m)在支路ij上的发电机-负荷对功率分布因子F_ij(k→m)，即支路ij的功率中由发电机G_k提供的且最终流入负荷load_m的功率占支路ij总传输功率的比值： $F_{ij(k\→m)}=\frac{{\stackrel{\·}{S}}_{ks}{\mathrm{\β}}_{i\←ks}^{ij}{\mathrm{\α}}_{i\→ml}^{ij}}{{\stackrel{\·}{S}}_{ij}};$

步骤五：确定支路的结构重要度因子：设定为支路ij传输上限，为支路ij总传输功率，则支路ij的结构重要度 $F_{ij}=\frac{\underset{k\∈G}{\Σ}\underset{m\∈L}{\Σ}\left|F_{ij(k\→m)}\right|}{{\stackrel{\·}{S}}_{ij}^{\max }-{\stackrel{\·}{S}}_{ij}};$

步骤六：确定支路潮流转移度：支路ij潮流转移分布系数定义为：故障支路mn断开后，引起支路ij的有功潮流增量占支路mn上原潮流量的比值：直流潮流模型下，节点i在支路ij上的潮流分布因子为A_ij,i,定义支路ij的潮流转移度指标为 式中mn是故障支路，ij是正常运行支路，m,n是故障支路mn的两端节点号；

步骤七：确定支路概率重要度，具体为：若线路的负载率ε_ij、线路潮流转移度线路历史统计故障率p_ij，支路结构重要度因子为F_ij，定义支路概率重要度P_ij为：

步骤八：确定支路综合重要度，具体为：根据支路ij概率重要度P_ij和结构重要度为F_ij，定义支路ij综合重要度Y_ij：Y_ij＝F_ijP_ij；

步骤九：根据支路综合重要度确定对应保护装置重要度，进而得到保护在线校核顺序。

具体实施时，以IEEE 39节点系统为例进行仿真，该系统共有10台发电机、19个负荷点和46条支路，其拓扑结构如图1所示：根据支路结构重要度定义对IEEE 39节点系统的支路进行结构重要度因子计算，如图2，可以看出系统中各支路的结构重要度因子相差很大，值较大的支路数占小部分，因此首先对这一小部分支路保护进行在线校核，能有效的提高校核效率。

表1 支路结构重要度排序

徐林，王秀丽和王锡凡在《中国电机工程学报》2010年第1期发表的文献“电气介数及其在电力系统关键线路识别中的应用”主要从线路结构角度进行关键线路辨识，将本发明确定的结构重要度结果与“电气介数及其在电力系统关键线路识别中的应用”提出的输电介数进行比较，取排列前10的支路进行比较，根据其结果可知，10条支路全相同，仅排序上稍有不同。因此，本发明提出的结构重要度因子和输电介数指标具有相似特性，能够对系统支路进行重要度排序。本发明方法计算过程中仅利用了系统基本参数，而“电气介数及其在电力系统关键线路识别中的应用”需精确的计算系统潮流，在潮流值的基础上计算支路重要度。相比较可知，本发明方法能更加快速得到各支路保护装置重要度指标。

由本发明内容推出的潮流转移度计算电网故障后的潮流转移度，并根据潮流转移度得到各支路继电保护装置重要度指标。这里分析计算支路16-19断开后的潮流转移量，部分结果如表2所示。支路16-19断线后，潮流转移度较大的是支路有19-20,19-33和20-34，由系统结构图分析，这些支路都是开断支路附近的支路，当支路16-19断线后，系统解列成2个系统，正常情况下，16-19的潮流流向是19流向16，断线后，发电机33和34发出的功率无法经16-19向大系统输送，故16-19开断前的潮流是小系统内的支路承担其潮流，大系统没有潮流流入，分担部分很小。小系统的支路即是19-33、19-20和20-34，和表2的数据相符。大系统中的支路5-6,10-11和10-13等，因其支路承担转移量太少不做讨论。

表2中，将本发明潮流转移度计算结果和精确潮流转移因子计算结果相比较，两者具体计算结果数值不同，但若以每种方法得出的支路16-19的潮流转移量作为基准值，计算其他支路的潮流转移，两种计算方法得出的潮流转移标幺值是相同的。可见，本发明提出的简化计算法，不影响对支路重要程度的描述，也不影响支路的重要度排序顺序。因此，可以采用潮流转移度法进行支路重要度的排序，进而得到各个支路对应保护装置的重要度排序。

表2 16-19断线后其余支路潮流转移度排序

薛志刚，张海翔和吕飞鹏在《华北电力大学学报》2013年第5期发表的“一种继电保护定值在线校核优化排序方法”从风险角度根据保护动态、静态重要度确定线路排序，将其与本发明计算的支路保护装置的概率重要度比较，结果如表3所示。

表3 支路概率重要度排序

将本文计算结果和“一种继电保护定值在线校核优化排序方法”结果比较可知，共同识别出的重要支路为16-19，16-17，26-27，16-15，2-3和6-5，除此之外，“一种继电保护定值在线校核优化排序方法”未考虑系统结构重要度，未能识别出发电机出口处的重要保护；未能识别出“一种继电保护定值在线校核优化排序方法”中的被保护支路有16-21、6-7、2-25和2-1，其中16-21和6-7用本发明方法排序在11和13，支路1-2和2-25的负载率和历史统计故障率均较低，其保护不属于重要保护。排序靠前支路有16-19,16-17,26-27,16-15和17-18，可知16节点周围是保护装置重要度高的区域，如图1可知16-19保护的误动会切断发电机33,34与系统的联系，使得系统解列，2区成为孤岛，孤岛内发电量远远大于负荷量；支路16-17，16-15是链接1区和3区的关键支路，若其保护误动，会严重影响功率从1区向3区的传送；若支路16-17,16-15保护同时误动，会使得系统解列成1、2区与3区；支路17-18和26-27的保护属于16-17的后备保护，因此也属于重要保护。支路23-36，29-38，22-35的保护均是发电量大的发电机出口处的支路，其误动会造成切机故障，也是重要的保护装置；支路2-3，6-5因是大负荷点3，4，7和8的重要传输通道，其保护也属于重要保护。

从表4可知，支路16-19是综合重要度最高的线路，在模拟一阶故障时，选取支路16-19开断，综合重要度较高的支路是16-17，26-27，16-15，17-18和14-15都是和故障支路的电气距离相近的支路，16-19断线后，切断了发电机33、34向大系统供电的路径，影响发电机32周围支路潮流的变换，因此相比较支路10-13和6-11在新运行方式下的综合重要度会升高。

表4 一阶故障下支路综合重要度排序

本实施例显示，本发明可以快速准确的识别电力系统的关键线路和其对应的保护装置，尤其对于规模庞大的互联大电网来说，潮流计算收敛难、所需时间长，本文所提方法避免进行潮流计算，提高保护在线校核效率，具有很大的应用前景。

Claims (1)

1.基于支路重要度的继电保护在线校核顺序方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：确定发电机-支路功率分布因子和负荷-支路功率分布因子：网络中发电机G_k发出的功率为 ${\stackrel{\·}{S}}_{ks}={\stackrel{\·}{U}}_k{\stackrel{\·}{I}}_{ks}^{*}=\underset{m=1}{\overset{q}{\Σ}}{x}_{km}{\stackrel{\·}{I}}_{ms}{\stackrel{\·}{I}}_{ks}^{*},$ 网络中节点i端流入支路ij中的且由发电机G_k提供的功率 ${\stackrel{\·}{S}}_{i\←ks}^{ij}=y_{ij}^{*}\underset{m=1}{\overset{q}{\Σ}}{x}_{im}{\stackrel{\·}{I}}_{ms}{\left(x_{ki}-x_{kj}\right)}^{*}{\stackrel{\·}{I}}_{ks}^{*}$ i,j＝1,2...,n，支路ij的发电机-支路功率分布因子为： ${\mathrm{\β}}_{i\←ks}^{ij}=\frac{{\stackrel{\·}{S}}_{i\←ks}^{ij}}{{\stackrel{\·}{S}}_{ks}}=y_{ij}^{*}{(x_{ki}-x_{kj})}^{*}\frac{U_i}{U_k}=y_{ij}^{*}{(x_{ki}-x_{kj})}^{*},$ 负荷load_m需要功率 ${\stackrel{\·}{S}}_{ml}={\stackrel{\·}{U}}_m{\stackrel{\·}{I}}_{ml}^{*}=\underset{a=1}{\overset{f}{\Σ}}{x}_{ma}{\stackrel{\·}{I}}_{al}^{*}{\stackrel{\·}{I}}_{ml}^{*},$ 节点i端流入支路ij中的且最终流入负荷load_m的功率负荷-支路功率分布因子： ${\mathrm{\β}}_{i\←ml}^{ij}=\frac{{\stackrel{\·}{S}}_{i\→ml}^{ij}}{{\stackrel{\·}{S}}_{ml}}=y_{ij}^{*}{(x_{mi}-x_{mj})}^{*}\frac{U_i}{U_m}=y_{ij}^{*}{(x_{mi}-x_{mj})}^{*},$ 其中U_k、U_i、U_m为节点电压，电力系统正常运行时各节点电压近似等于额定电压值，y_ij为节点导纳矩阵对应元素，x_km、x_ki、x_kj、x_mi、x_mj为节点阻抗矩阵对应元素，为第m个发电机的电流,第k个发电机的电流,为第a个负荷的电流,第m个负荷的电流,q为发电机数，f为负荷节点数，n为系统节点数；

步骤二：通过发电机-支路功率分布因子和机组发电量确定支路功率：支路ij的总传输功率等于网络中各个发电机对其提供功率的叠加，即： ${\stackrel{\·}{S}}_{ij}=\underset{k=1}{\overset{q}{\Σ}}{\mathrm{\β}}_{i\←ks}^{ij}{\stackrel{\·}{S}}_{ks};$

步骤三：根据步骤二计算出的支路功率确定支路-负荷功率分布因子：支路ij流入负荷load_m的分布功率 为负荷load_m的总负荷量，为负荷load_m的负荷-支路功率分布因子，支路ij的支路-负荷功率分布因子是支路ij流入负荷load_m的分布功率占其总传输功率的比例：即

步骤四：根据支路-负荷功率分布因子确定发电机-负荷对功率分布因子：设定发电负荷对(G_k,load_m)在支路ij上的发电机-负荷对功率分布因子为F_ij(k→m)，即支路ij的功率中由发电机G_k提供的且最终流入负荷load_m的功率占支路ij总传输功率的比值： $F_{ij(k\→m)}=\frac{{\stackrel{\·}{S}}_{ks}{\mathrm{\β}}_{i\←ks}^{ij}{\mathrm{\α}}_{i\→ml}^{ij}}{{\stackrel{\·}{S}}_{ij}};$

步骤五：确定支路的结构重要度因子：设定为支路ij传输功率上限，为支路ij实际传输功率，G为系统发电机集合，L为系统负荷集合，则支路ij的结构重要度

步骤六：确定支路潮流转移度：支路ij潮流转移分布系数定义为：故障支路mn断开后，引起支路ij的有功潮流增量占支路mn上原潮流量的比值,定义支路ij的潮流转移度指标为 式中mn是故障支路，ij是正常运行支路，m,n是故障支路mn的两端节点号；

步骤七：确定支路概率重要度：支路ij的负载率ε_ij、线路潮流转移度支路ij历史统计故障率p_ij，支路ij结构重要度因子为F_ij，支路ij概率重要度P_ij为：

步骤八：确定支路综合重要度，具体为：根据支路ij概率重要度P_ij和结构重要度为F_ij，定义支路ij综合重要度Y_ij：Y_ij＝F_ijP_ij；

步骤九：根据支路综合重要度确定对应继电保护重要度，进而得到继电保护在线校核顺序。