基于VS-IRL 的繼電保護裝置測試研究

張 強，李宇節，祝 爽，王雅男，鄭 磊

(國網四川雅安電力(集團)公司，四川 雅安 625000)

收稿日期:2022－11－01 修改日期:2022－12－28

現如今，由于復雜的智能電網網絡的形成以及日益增長的需求，電力系統運行接近其額定容量。如果沒有迅速發現且隔離故障，就可能導致這種高度互連的網絡級聯跳閘[1]。使用距離繼電保護裝置是傳輸線全站保護的常用做法，當阻抗軌跡觸碰到其第三區工作邊界時，它就會觸發[2]。然而，嚴重的突發事件，如線路中斷、網絡隔離等都可能導致第三區中繼誤操作的應力場景。在這里，術語“應力場景”指的是無故障的情況。近期有關停電的研究表明，在這些動態應力的情況下，距離繼電保護裝置第三區誤動作是導致電力系統級聯故障的主要原因。在這種突發情況下，功率擺動和負荷侵占是設計備用保護方案時需要考慮的主要問題[3－4]。

上述方案利用局部中繼信息在應力條件下識別故障。目前在廣域測試、控制和保護方面的進展是在廣域測量系統(Wide Area Measurement System，WAMS)中使用時間同步相量測量單元(Phasor Measurement Units，PMUs)。提出了可以實現一對分類器的自適應技術來區分故障和應力場景[5－7]。

在本文提出的方法中，利用實時脆弱性研究(Vulnerability Studies，VS) 和智能中繼邏輯(Intelligent Relay Logic，IRL)來識別應力情況下的故障，設計了一種增強的廣域距離繼電保護算法，用于測試常規的第三區備份中繼。在遠距離繼電保護裝置發生不希望發生的跳閘之前，應計算一個適當的繼電保護裝置脆弱性指數，并利用其對任何運行狀態下的關鍵繼電保護裝置進行排序，來估計脆弱性的強度。WAMS 數據從放置在關鍵位置的PMU中檢索，以提取輸入特征并計算繼電保護裝置的運行裕度以及對負載功率的敏感性。VS 檢測傳統的第三區中繼阻塞的脆弱繼電保護裝置，IRL 激活，以區分故障和應力情況。

本文通過實時仿真研究，搭建了基于DDRTS 的虛擬化、數字化仿真模型系統，實現了對繼電保護裝置的精確仿真。通過仿真結果可以看出，該系統的建立能夠滿足全站繼電保護自動測試的需求，能夠簡化現場調試工作、提升工作效率、減少停電時間、降低“三誤”事故概率，為推動繼電保護技術變革及管理創新提供技術支撐。

1 第三區測試算法

在繼電保護系統中，對容易受到攻擊的繼電保護設備進行識別是非常重要的。這是因為如果這些設備受到攻擊，可能會導致繼電保護系統失效，從而導致電網發生故障或事故。因此，對于容易受到攻擊的繼電保護設備進行識別，可以采取相應的安全措施來保護這些設備，例如設置物理障礙、使用電磁屏蔽材料、加密網絡通信等，從而保證繼電保護系統的可靠性和安全性。

在本文中，主要根據應力條件，使用脆弱性研究方法來對繼電保護裝置進行檢測。嚴重的應力條件顯著影響為傳輸系統提供全站保護的距離繼電保護裝置的第二區和第三區操作。由于大部分的繼電保護裝置誤操作都與距離繼電保護裝置的第三區有關，因此本文的研究工作是為第三區監管服務的。但是，為了使其更具有一般性，還應制訂第二區測試計劃，這可能需要改變框架和分析方法，并將作為今后工作的一部分加以考慮。

本文提出了利用常規的第三區協同運行，結合脆弱性研究和智能中繼邏輯，在有應力的條件下，距離中繼會發出第三區運行的跳閘/阻塞信號指令。圖1給出了第三區中繼測試算法的結構。

圖1 WABP 方案示意圖

IRL 對從廣域信息中提取的特征進行處理，給出實時安全決策，并將數據集分類為“無故障/應力狀態”或“故障狀態”。IRL 為任何故障情況和距離繼電保護裝置跳閘產生的輸出“1”。當IRL 顯示輸出為“0”時，這是一個“無故障”的情況，距離繼電保護裝置不操作。因此，VS、傳統的第三區和IRL 的共同作用決定了最終的繼電運行。

該方案利用擴展卡爾曼濾波(Extended Kalman Filter，EKF)技術開發的PMU 來估計相量和隨后的特征檢索，因為這些PMU 估計基本相量的效率比現有PMU 更好。其中系統中的每條線路都應連接到帶有PMU(busp)的總線，或保持在至少兩個busp的第三區覆蓋范圍內。在稱為busN的其他總線上無法訪問度量值。在任意busN的情況下，使用傳輸線的長線模型估計電壓。線路參數的計算使用本文所提出的技術完成。系統中busN的電壓相量按下列方法估計:

式中:Vp和Ip分別為busp處的正序電壓和電流相量，l和γ分別為線的長度和傳播常數，ZC為特征阻抗。

2 脆弱性研究

2.1 繼電保護裝置工作裕量(ROM)的概念

對于任何電力系統事件，ROM 決定了哪些VR已經跳閘或即將跳閘。任何擾動的后效，如級聯故障、發電/負載切換和網絡分離，都可以利用ROM值可視化[8]。

對于第三區距離繼電保護裝置，對于任意線路i－j，繼電保護裝置ij的繼電保護裝置工作裕量(ROMij)計算為:

式中:Zijc是關于第三區中心的視阻抗，ρij是第三區半徑。如Zij為從原點測量到的繼電保護裝置所見阻抗，Rijc和Xijc為3 區邊界中心的x－y坐標，則ROMij可由:

如果阻抗侵入工作邊界，ROMij為負，距離繼電保護裝置命令跳閘決策。設Vi、Vj為幅值，θij為線兩端電壓相位差，則i－j中的復潮流Sij為:

2.2 相關操作裕度對母線電壓的敏感性

靈敏度研究可以確定操作裕度軌跡的變化率，即ROM 相對于母線電壓或負載功率注入的變化。因此，它可以作為判斷距離繼電保護裝置在任何突發事件下的脆弱性的指標。

在某一工作點，繼電保護裝置操作裕度對負載功率的靈敏度由以下公式進行表示:

式中:ΔP和ΔQ分別為有功功率和無功功率的變化量。SRP、SRQ分別為繼電保護裝置操作裕度對有功功率和無功功率的靈敏度。

這些可以用雅可比矩陣M表示為母線電壓的變化(角度和幅度):

2.3 中繼的脆弱性指數

如前所述，在任何動態應力條件下，如功率擺動和負荷侵占，繼電保護裝置操作裕度減小，且繼電保護裝置操作裕度對母線電壓的敏感性增加。結合這兩個參數，計算出一個因子繼電保護裝置脆弱性指數(Relay Vulnerability Index，RVI)，根據脆弱區第三區的嚴重程度對繼電保護裝置進行排序，確定高度脆弱繼電保護裝置集合?？捎嬎銥槔^電保護裝置操作裕度(如式(4)所示)，其表達式為:

3 智能中繼邏輯(IRL)的制定

為了提高遠程中繼的運行效率，設計了一種基于決策樹(Decision-making Tree，DT)的決策邏輯，以區分故障和應力情況。

3.1 理論背景

DT 基本上由一些簡單而準確的規則組成，這些規則應用if－then 語句對數據集進行分類。DT 模型必須使用足夠數量的相關數據集，并為每個數據集預定義類[9]。

3.2 輸入屬性的選擇

僅僅使用正序電壓相量信息不足以將應力情況與對稱故障區分開，因為它們的特征往往相似。因此，一些額外的特性，即有功功率和無功功率及其導數作為輸入，以提高精度水平。

從圖2 所示的變量重要度圖和DT 結構可以看出，x7(即dQ/dt)和x3(即ΔI)是最重要的輸入特征。因此，線路中的ΔI是區分故障與無故障的主要特征，而dP/dt和dQ/dt特征進一步提高了從功率波動、電壓不穩定和負荷侵占這些場景中分類故障的分辨率。

圖2 IEEE 39 總線系統(R29－28)故障識別的DT 模型

3.3 智能中繼邏輯示意圖

算法流程圖如圖3 所示。

圖3 算法流程圖

4 系統測試與結果分析

采用MATLAB/Simulink 平臺，在圖4 所示的IEEE 39 總線系統上對所提出的WABP 方案進行了測試。

圖4 IEEE 39 總線系統單圖

4.1 脆弱性測試

考慮一個在線路29－26 上產生的三相故障持續了一定的時間，然后通過打開斷路器清除。HVR集的RVI 值為負值或非常小的正值?？赡苡龅焦β什▌拥睦^電器根據RVI 值進行排名，見表1。

表1 RVI 指數:功率擺動場景

在特定條件下，距離繼電保護裝置所看到的表觀阻抗可以侵犯其第三區域邊界，可能導致繼電保護裝置R29－28 和R25－26 的過失跳閘。具有負RVI 值或非常小的正RVI 值的繼電保護裝置可稱為高度脆弱。表2 顯示了根據RVI 值或本例的漏洞嚴重程度排序的中繼排名。

表2 RVI 索引:負載侵占場景

4.2 IRL 邏輯的性能測試

為了檢驗該算法對測量噪聲(PMU 測量中的誤差)的魯棒性，噪聲會添加到幅度和相位角測量中。將信噪比為20 dB 的高斯白噪聲添加到測試數據中，通過輸入該噪聲對訓練好的DT 模型進行測試。IRL 邏輯在測試系統不同繼電保護裝置測量噪聲下的故障檢測精度如表3 所示。測試精度表明本文的模型不受噪聲影響。對于不同的故障位置、不同的故障電阻、不同的故障類型、不同的故障線路以及不同的功率擺動的故障清除時間，可以合理地預測故障和無故障情況。

表3 預測不同繼電保護裝置的IRL 邏輯精度

4.3 不同運行場景下的性能

在穩定功率擺動的情況下，經過一定的時間后，線路中的功率流趨于穩定。然而，在嚴重的角度不穩定期間，繼電保護裝置可能面臨電流和電壓的大振蕩。如果故障清除時間過長，可能會出現不穩定振蕩，發電機可能會出現失步。

5 實時數字模擬器平臺的硬件實現

實時數字模擬器(Real-time Digital Simulators，DDRTS)這種基于微機的實時數字仿真系統 具有建模方便、成本低、升級容易、良好的可擴展性和兼容性等優點，是進行電力系統實時數字仿真的一個重要工具[10]。

5.1 DDRTS 系統的組成

DDRTS 系統主要由兩部分組成，分別為硬件部分和軟件部分。

DDRTS 系統的硬件部分主要包括:①微機:對所模擬的系統進行動態實時仿真；②高速信號通信系統:主要用于微機和信號轉換及輸入輸出系統之間的數據通信；③信號轉換及輸入輸出系統:主要進行信號模擬量轉換為數字量、數字量轉換為模擬量以及開關量的輸入和輸出，包括A/D、D/A、I/O、O/I 四個單元；④功率放大器:進行電壓或電流的幅值、相位、頻率的調節。

DDRTS 系統的軟件部分包括:①電網電磁暫態仿真程序:是電網數字動態實時仿真系統的重要組成程序。②圖形化電力系統仿真建模系統:全中文圖形界面，可以方便快速地搭建數字仿真系統模型，進行系統的仿真計算，分析系統的穩態、暫態和動態行為。③實時仿真進程控制系統:進行實時通信、同步控制、信號轉換和輸入輸出量的處理等。④DDRTS 系統輔助功能模塊:繼電器測試程序、數字動態諧波測試程序、數字動態實時回放測試程序等。

5.2 DDRTS 系統仿真及分析

為了驗證算法的有效性，本文在DDRTS 平臺上實現該方案，作為控制器硬件在環(Controller Hardware In Loop，CHIL)測試的一部分。為了實現基于底層接口的CHIL 測試，實現了浮點數字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)。在CHIL 測試中，通過Code Composer Studio 將本文的算法集成到DSP板上，該基于DSP 的控制器作為測試硬件。由于接口是在電壓＋/－10 V 同時電流范圍<50 mA 之間的低電平信號下完成的，因此在CHIL 測試中不需要額外的接口工具。

DDRTS 的千兆收發模擬輸出(GTAO)/數字輸入(GTDI)卡用于外部控制器、硬件PMU 和RSCAD中的系統模型之間的接口。從DDRTS 的模擬輸出通道中采集7、9 和4 總線的三相瞬時電壓和電流信號，并送至PMU。

控制器發出的trip 命令發送到測試系統的相關斷路器。表4 給出了具有故障檢測響應時間的CHIL 測試下該方案的性能?？紤]到處理、相量信息復用、PDC 數據提取的總時延為100 ms～110 ms，控制器對命令脫扣信號的響應時間為10 ms～15 ms，最脆弱繼電器的平均故障檢測時間在115 ms～125 ms 之間，如表7 所示。結果表明，本文的方案能夠準確區分應力情況和故障情況，響應時間較短。

表4 DDRTS 平臺C-HIL 測試結果

6 結論

由于常規的第三區算法在功率擺動、負荷侵占和電壓不穩定等應力條件下容易出現誤操作，因此有必要對第三區進行監管和測試，以提高保護運行的安全性。

本文提出的方案定義了一個因子，繼電保護裝置脆弱性指數，用于在任何干擾期間對高度脆弱的繼電保護裝置進行排名。這種脆弱性研究邏輯為高脆弱性繼電保護裝置的第三區發出阻斷信號。此外，它將操作從傳統的第三區中繼切換到智能中繼邏輯，使用廣域信息進行實時安全決策。進行相關仿真，提取輸入差分屬性，用于訓練區分故障和應力情況的決策樹模型。

對IEEE 39 總線系統的結果分析表明，在不同的操作條件下，傳統的第三區故障跳閘都具有優異的性能。在DDRTS 平臺上的CHIL 測試表明，該算法在實時場景下具有較高的有效性。因此，本文提出的方案可以有效測試繼電保護裝置的運行狀態，避免可能引發級聯故障的中繼錯誤操作，并增強第三區保護的安全性。