新的數(shù)學(xué)理論在繼電保護中的應(yīng)用及廣域保護概述 (1)

1、新的數(shù)學(xué)理論在繼電保護中的應(yīng)用及廣域保護概述 (1)摘要：隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，對繼電保護的要求也越來越高，本文在簡單概述繼電保護發(fā)展歷史的基礎(chǔ)上，主要介紹新的數(shù)學(xué)理論在電力系統(tǒng)特別是繼電保護方向的應(yīng)用，并對廣域保護的基本概念及其運用，予以闡述。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng) 數(shù)學(xué)理論 繼電保護 廣域保護1 概述繼電保護是一門較為古老的學(xué)科，但是由于它綜合性較強，理論與實踐都很重要，故隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，繼電保護也在不斷的更新。繼電保護技術(shù)的發(fā)展史主要如下：從原理上來看，19世紀(jì)末，研究出過流保護原理；1905-1908年，研究出電流差動保護原理；1910年開始采用方向性電流保護；19世紀(jì)20年代初距離保護開

2、始生產(chǎn)；30年代初出現(xiàn)了快速動作的高頻保護。由此可知，如今普遍應(yīng)用的繼電保護原理基本上都已建立，保護原理方面，迄今沒有出現(xiàn)突破性發(fā)展。從硬件上來看：從1901年出現(xiàn)的感應(yīng)型繼電器至今大體上經(jīng)歷了機電式、整流式、晶體管式、集成電路式、微型計算機式等發(fā)展階段。雖然繼電保護的基本原理早已提出，但它總是在根據(jù)電力系統(tǒng)發(fā)展的需要，不斷地從相關(guān)的科學(xué)技術(shù)中取得的最新成果中發(fā)展和完善自身?？偟目磥恚^電保護技術(shù)的發(fā)展可以概括為三個階段、兩次飛躍。三個階段是機電式、半導(dǎo)體式、微機式。第一次飛躍是由機電式到半導(dǎo)體式，主要體現(xiàn)在無觸點化、小型化、低功耗。2 新的數(shù)學(xué)理論在繼電保護中的應(yīng)用近年來，隨著新的數(shù)學(xué)理論的

3、提出，在繼電保護中也有大量的應(yīng)用，主要有如下幾個方面：2.1 小波變換小波變換：小波分析是近十幾年來在國際上掀起研究熱潮并有廣泛應(yīng)用價值的一個研究領(lǐng)域，工程角度看，小波分析是一種信號與信息處理的工具，是繼傅里葉分析之后又一有效的時頻分析方法，小波變換作為一種新的多分辨分析方法，可同時進行時域和頻域分析，具有時頻局部化和多分辨特性。國內(nèi)提出了很多利用小波分析的保護原理，多為行波保護，利用小波變換可以準(zhǔn)確提取行波波頭極性和行波幅值大小，準(zhǔn)確定位行波到達時刻。也有利用小波分析進行故障選項及高壓線路的暫態(tài)保護。但是小波算法計算量大，目前還沒有得到廣泛應(yīng)用。2.2 模糊數(shù)學(xué)模糊數(shù)學(xué)是研究和處理模糊性現(xiàn)象

4、的數(shù)學(xué)理論和方法。模糊數(shù)學(xué)在電力系統(tǒng)中常用于電力系統(tǒng)規(guī)劃、電力系統(tǒng)控制、電力系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化。模糊數(shù)學(xué)在繼電保護中應(yīng)用的并不是十分廣泛，它可在微機快速方向保護中，用以提高保護的抗干擾能力。2.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）是由許多并行運算的功能簡單的單元組成，它是源于人類神經(jīng)系統(tǒng)的一類模型，是模擬人類智能的一條重要途徑，它具有模擬熱的部分形象思維的能力。ANN具有高度神經(jīng)計算能力以及極強的自適應(yīng)能力，魯棒性和容錯性。ANN在電力系統(tǒng)中，常用于電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性評估、繼電保護、負(fù)荷預(yù)測以及諧波分析。將ANN具有的魯棒性和容錯能力、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力應(yīng)用于繼電保護，則可使其性能大幅度提高。

5、有學(xué)者提出，將ANN應(yīng)用于距離保護，仿真結(jié)果表明，當(dāng)考慮單相接地故障和I段保護時，可在設(shè)計的90%保護范圍內(nèi)具有良好的保護性能，對樣本的正確識別率為100%。也有人提出將ANN用于同步機的失步保護或預(yù)測，結(jié)果表明ANN具有魯棒性好、失步檢測快速并且易于用傳統(tǒng)的信號處理器實現(xiàn)在線檢測等優(yōu)點。還有人提出將其用于自適應(yīng)單相重合閘的研究，并經(jīng)理論分析證明對于判斷永久性故障或瞬時性故障有很好的效果，可用于防止重合于永久性故障。由此可見，ANN應(yīng)用于繼電保護是一種很有價值的研究方向。2.4 模式識別模式識別是在某些一定量度或觀測基礎(chǔ)上把待識模式劃分到各自的模式類中去。計算機模式識別就是指利用計算機等裝置對

6、物體、圖像、圖形、語音、字形等信息進行自動識別。在繼電保護方面，模式識別可用于發(fā)電機定子接地保護的計算。2.5 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)是近年來發(fā)展起來的一種有代表性的非線性圖像處理和分析理論，在圖像處理中已獲得廣泛的應(yīng)用。它具有一套完整的理論、方法及算法體系，其系統(tǒng)性和嚴(yán)密性不亞于傳統(tǒng)的線性圖象處理理論。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法比起其它時域或頻域圖像處理和分析的方法具有一些明顯的優(yōu)勢。利用形態(tài)學(xué)算子可以有效的濾除噪聲，同時保留圖像中的原有信息，突出圖像的幾何特征便于進步分析圖像。從目前的研究領(lǐng)域可以看到數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要集中在繼電保護，電能質(zhì)量，絕緣監(jiān)測等方面。其中，在繼電保護方面提出的應(yīng)用

7、主要有：行波保護、超高速線路保護、超高速線路方向保護以及變壓器勵磁涌流辨別等。3 廣域保護3.1 背景目前的安全自動裝置都是在檢測到系統(tǒng)產(chǎn)生不正常運行狀態(tài)以后再采取控制措施，在特殊情況下，可能安全自動裝置來不及動作，系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重的崩潰事故。另外，目前使用的安全自動控制判據(jù)大部分都是基于本地量構(gòu)成，反映的只是系統(tǒng)某點或很小一個區(qū)域的運行狀態(tài)，并不能較好的反映大區(qū)域電網(wǎng)的安全運行水平，裝置之間缺乏相互協(xié)調(diào)和配合。這樣將會導(dǎo)致系統(tǒng)某點發(fā)生故障后安全水平下降，造成繼電保護和安全自動裝置相繼動作。由于這些裝置之間缺乏相互的配合協(xié)調(diào)，可能進一步擴大故障影響范圍，引起系統(tǒng)發(fā)生連鎖跳閘等嚴(yán)重事故。也就是說

8、，互聯(lián)已稱為現(xiàn)代電網(wǎng)發(fā)展的一個必然趨勢，廣域保護便是在這樣的背景下被提出。3.2 廣域保護的基本概念目前，關(guān)于廣域保護系統(tǒng)還沒有一個統(tǒng)一的定義，一些文獻給出了不同的定義。從一般意義上來說，我們可將廣域保護定義為如下：利用廣域測量系統(tǒng)的相量測量信息，與傳統(tǒng)的常規(guī)保護配合實現(xiàn)對故障進行快速、可靠和精確的切除，同時能對切除故障后或經(jīng)受大擾動的系統(tǒng)進行在線安全分析，必要時采用適當(dāng)?shù)拇胧┓乐瓜到y(tǒng)發(fā)生大范圍或全系統(tǒng)停電，這種能夠同時實現(xiàn)繼電保護和自動控制功能的保護系統(tǒng)就稱為廣域保護系統(tǒng)。廣域保護與傳統(tǒng)保護的最主要的區(qū)別在于，傳統(tǒng)保護主要集中于元件的保護，而廣域保護是宏觀整體的保護。但是由于其通信計算均相對

9、較為復(fù)雜，在時間上，也就是快速性方面比不上傳統(tǒng)保護，達不到保護的要求，故，廣域保護并不能替代傳統(tǒng)保護?？蓪V域保護與傳統(tǒng)保護結(jié)合在一起，互補的發(fā)揮兩者的長處。例如，可將廣域保護作為后備保護使用。 廣域保護的具體功能有如下三點：通過采集電網(wǎng)各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，經(jīng)計算后確定一定的控制手段以維持電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行；實時掌握及充分利用電網(wǎng)的輸電能力；提供更準(zhǔn)確的電網(wǎng)規(guī)劃方案。其中，最為重要的功能為第一點，目前，電網(wǎng)穩(wěn)定問題主要有以下幾種：暫態(tài)功角不穩(wěn)定、小信號功角不穩(wěn)定、頻率不穩(wěn)定、短期電壓不穩(wěn)定、長期電壓不穩(wěn)定、低頻振蕩、次同步振蕩、連鎖故障。針對這些問題，需要采取各種穩(wěn)定控制措施以維持系統(tǒng)正常的可靠供

10、電。而廣域保護的作用就是從這些方法中選擇最適合的并將它們結(jié)合起來組成一套可行的方案以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定運行能力。其中暫態(tài)功角失穩(wěn)對廣域保護的時間要求最為嚴(yán)格，也是廣域保護的一個難點。3.3 廣域保護系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)廣域保護系統(tǒng)一般可分為分散式和集中式。其中，分散式廣域保護系統(tǒng)指把數(shù)據(jù)分析和決策過程放在分散于電力系統(tǒng)各處的系統(tǒng)保護終端上執(zhí)行，這些終端放置在不同變電站中，通過環(huán)型通信網(wǎng)絡(luò)相連。此種結(jié)構(gòu)可在其余終端出現(xiàn)故障時，不受其影響，并且相鄰終端可以作為故障終端的后備。但是該終端的信息有限，分析與決策的能力也有限，故并不能做到最優(yōu)的控制。關(guān)于集中式廣域保護系統(tǒng)，它是從整個電力系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，在控制中心集中進

11、行數(shù)據(jù)分析和控制決策，然后把控制命令發(fā)給各個系統(tǒng)保護終端以實施控制。它是從整個系統(tǒng)的層面上分析問題，故可以做到最優(yōu)控制。也能更加的體現(xiàn)廣域保護的基本理念，因而應(yīng)是廣域保護發(fā)展的主要方向。集中式廣域保護從結(jié)構(gòu)上來看，應(yīng)包括以下幾個子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：主要負(fù)責(zé)保護所需數(shù)據(jù)的收集。其中，相量測量單元PMU的引入和大量應(yīng)用為廣域保護系統(tǒng)的實施創(chuàng)造了條件。PMU可以實時采樣電流、電壓的幅值和正序功角，刷新速度非常的快，而且?guī)в蠫PS對時功能，可以保證不同地點采樣數(shù)據(jù)的同步性。但其價格較為昂貴，不可在每個節(jié)點上都使用。在線數(shù)據(jù)分析和決策系統(tǒng)：在收集到大量的數(shù)據(jù)之后，需要濾過其中一些不正常的數(shù)據(jù)，并正確的

12、估算出電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，才能判斷電力系統(tǒng)是否出于正常的狀態(tài)。若系統(tǒng)出于不正常的狀態(tài)則還需要判斷這樣的狀態(tài)屬于哪一級不正常的狀態(tài)，并采取相應(yīng)的措施。在采取措施之后，還要根據(jù)實時更新的數(shù)據(jù)來繼續(xù)估算狀態(tài)，以便及時調(diào)整措施。執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是控制措施的實施者，由分散于電力系統(tǒng)各處的保護終端以及相應(yīng)的電力系統(tǒng)執(zhí)行元件組成。該終端只需要接收從控制中心發(fā)來的命令，執(zhí)行相應(yīng)控制。保護終端及其執(zhí)行元件的控制速度和精度將直接影響控制措施的效果，因此是衡量執(zhí)行系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。通信系統(tǒng)：通信系統(tǒng)需要實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的上傳和控制命令或保護終端整定值的下傳。由于保護終端沒有決策能力，因此集中式廣域保護系統(tǒng)對通信系統(tǒng)

13、的依賴程度很高，通信系統(tǒng)的可靠性和實時性對整個廣域保護功能的實現(xiàn)起到?jīng)Q定性的作用。3.4 廣域保護的發(fā)展現(xiàn)狀及展望世界各國目前已在運行的或是正在開發(fā)的廣域保護系統(tǒng)主要有如下幾個：加拿大的可編程減負(fù)荷系統(tǒng)，美國的廣域穩(wěn)定和電壓控制系統(tǒng)，法國的DRS系統(tǒng)以及其升級版的Syclopes系統(tǒng)等?，F(xiàn)有的廣域保護系統(tǒng)均是用實時采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理與預(yù)先計算好的數(shù)據(jù)進行對比，而后判斷并執(zhí)行一些預(yù)先設(shè)定好的控制程序，這樣的方法并不能很靈活的面對各種狀況。目前的廣域保護需要解決的幾個關(guān)鍵問題有如下幾個：對電網(wǎng)大面積停電事故發(fā)生的根本原因缺乏了解以及有效的判別方法，導(dǎo)致廣域保護設(shè)置的困難；如何實現(xiàn)可靠的實時通信。相

14、對于傳統(tǒng)的監(jiān)測與控制系統(tǒng)，廣域保護系統(tǒng)對通信提出了更高的要求。這時，如何保證優(yōu)先、可靠地傳送最關(guān)鍵的數(shù)據(jù)也是需要解決的一個問題。此外，在通信系統(tǒng)發(fā)生故障時，如何避免影響數(shù)據(jù)通信、造成數(shù)據(jù)丟失也需要進一步研究；對電網(wǎng)的監(jiān)測與控制方法，主要包括：PMU 的配置、如何充分利用PMU 提供的新的系統(tǒng)信息、如何協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各種保護及安全自動裝置的動作等。廣域保護未來的發(fā)展方向：與傳統(tǒng)保護和SCADA/EMS系統(tǒng)的整合，主要包括如下幾個問題：如何利用SCADA/EMS 中現(xiàn)有的數(shù)據(jù)；如何利用狀態(tài)估計、動態(tài)安全分析得到的結(jié)果確定相應(yīng)的控制方案；如何將控制方案對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響反饋給EMS，以便更充分地利用電網(wǎng)

15、的輸電能力。多采用Agent系統(tǒng)：Agent是一些具有自主性、社會性、反應(yīng)性、目的性和適應(yīng)性的實體, 多個可以構(gòu)成多系統(tǒng), 它們之間共享信息、知識及任務(wù)描述,多通過單個的能力及某種通信方法來協(xié)調(diào)它們的作用、分配和收集信息, 以實現(xiàn)總體目標(biāo)。多體系結(jié)構(gòu)可以使廣域保護系統(tǒng)更加開放、更具模塊化, 還能緩解對通信系統(tǒng)的壓力, 增強對大事故的處理能力。廣域后備保護：廣域后備保護系統(tǒng)可采集多點信息，不必犧牲動作時間來保證選擇性，它可以根據(jù)廣域信息對故障定位，克服主保護拒動、斷路器失靈等情況下后備保護動作時間過長、停電范圍擴大的問題，還可以防止故障后相鄰線路過負(fù)荷導(dǎo)致后備保護誤動作的現(xiàn)象。由于不完成主保護功

16、能，因此，廣域后備保護對信號傳輸延時的要求稍低。廣域差動保護：縱聯(lián)差動保護是較為理想的快速保護，差動保護對各測點信息的同步性有嚴(yán)格要求，因此，如何保證信息的同步采樣和同步傳輸是關(guān)鍵問題?；贕PS的同步采樣技術(shù)和基于ATM的異步傳輸技術(shù)可以應(yīng)用到廣域差動保護系統(tǒng)中，以保證信號傳輸?shù)耐叫院涂焖傩?。在系統(tǒng)構(gòu)成上，廣域差動保護系統(tǒng)可以采用集中式和分布式兩種結(jié)構(gòu)。緊急控制：目前的緊急控制策略考慮的范圍較小，當(dāng)系統(tǒng)進入緊急狀態(tài)時，只能以小范圍的局部系統(tǒng)為控制對象，這樣的控制策略有兩個明顯的缺點：無法做到優(yōu)化控制；面向局部的緊急控制難以防止大規(guī)模連鎖崩潰事故的發(fā)生?；趶V域信息的緊急控制系統(tǒng)不僅可以提高

17、對重要負(fù)荷供電的可靠性，減小停電范圍，而且廣域緊急控制策略對防止大規(guī)?；ヂ?lián)系統(tǒng)發(fā)生連鎖崩潰事故意義重大。不同于繼電保護系統(tǒng)，緊急控制系統(tǒng)對實時性要求并不嚴(yán)格，許多復(fù)雜的計算功能需要依賴后臺計算機完成，因此在結(jié)構(gòu)上最適合采用集中控制模式。 4 結(jié)論隨著科技的進步，電力系統(tǒng)的高速發(fā)展，追求更可靠、更完備的繼電保護系統(tǒng)已成為當(dāng)今重要的課題。一些新的數(shù)學(xué)理論的提出，為繼電保護的發(fā)展提供了數(shù)學(xué)依據(jù)和新的保護想法。除此之外，廣域保護也成為當(dāng)今的熱點之一，它從整體出發(fā)宏觀的控制電力系統(tǒng)，符合未來電力系統(tǒng)的發(fā)展方向，有著廣闊的應(yīng)用前景。但是，目前的許多工作仍處于前期的籌劃階段，距離實際應(yīng)用尚有一段距離，所以有

18、許多的問題需要進一步的探討與研究。參考文獻：1易俊，周孝信.電力系統(tǒng)廣域保護與控制綜述J.電網(wǎng)技術(shù)，2006年4月，第30卷，第8期.2肖健，文福拴.廣域保護及其應(yīng)用J.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2008年4月，第20卷，第21期.3顧毅華.電力系統(tǒng)繼電保護的發(fā)展和前景J.應(yīng)用科學(xué).4葛耀中.繼電保護技術(shù)的新發(fā)展J.繼電器，1998年2月，第26卷，第1期.5張寶坤，韓曉萍.模糊數(shù)學(xué)在電力系統(tǒng)規(guī)劃中的應(yīng)用M.2008中國電力系統(tǒng)保護與控制學(xué)術(shù)研討會論文集.6李曉明，梁軍.快速方向保護及模糊數(shù)學(xué)的應(yīng)用J.繼電器，1996年，第4期.7張海峰等.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用J.青海大學(xué)學(xué)報，200

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