基于改进免疫算法的分层次广域保护系统

何佳佶 吕飞鹏 王玉财 陈星欣



基于改进免疫算法的分层次广域保护系统

何佳佶 吕飞鹏 王玉财 陈星欣

（四川大学电气信息学院，成都 610065）

本文在分层次保护结构的基础上，提出一种基于免疫算法的分层次广域保护系统。根据功能和范围不同，将系统分为测量与监控层、区域决策层和系统监控层3个层面。文章对免疫算法进行了改进，实现了系统监控层面疑似故障点的快速定位，并提出了基于免疫算法的分层次系统决策方案。最后通过大量仿真算例对比传统结构的保护算法，该系统在系统监控层上保证了故障识别的准确性，同时有更高的计算效率和更加合理的算法流程。

广域保护；免疫算法；分层次；误动；拒动；故障元件识别

随着电网的不断发展，传统后备保护的整定配合也愈发复杂，特别是当发生潮流转移时保护整定值无法及时调整，存在连锁跳闸的风险[1-2]。另一方面，广域保护故障识别算法的日趋完善[3-6]为建立更完善的广域后备保护系统提供了有力保障。

广域保护系统根据所基于的结构不同，可分为分布式、集中式和分层式3类[7]。分布式结构由分布式智能电子设备（intelligent electronic device, IED）互相协助完成整个保护功能，但获取的信息有限，区域边界问题明显；集中式结构通过收集大量信息分析并做决策，更能体现广域保护的优势；分层式结构结合两者的优点，是广域保护结构的发展方向。

文献[8]阐述了三层式结构的可行性与优势，但具体通信与保护算法并未说明。文献[9]将系统结构分为本地测量层、区域决策层和系统监控层三层。该方式具备一定的容错能力，但对于复杂网络的区域划定不易实现，且信息采集并不够充分。文献[10]提出一种基于免疫算法的广域保护识别算法，该算法具备很高的容错性，但算法计算量较大，无法直接运用到分层结构系统中。

结合分层式结构与免疫算法故障识别的优点，本文提出一种基于免疫算法的分层次广域保护系统。系统分为测量与执行层、区域决策层和系统监控层3个层面。通过改进免疫算法实现系统监控层面疑似故障点的快速定位，区域决策层依然采用传统算法保证足够的容错率。系统在基于SDH光网络的通信网下[11]，实现系统内信息互联。

1 分层次广域保护系统结构

1.1 系统结构

分层次广域保护结构如图1所示。最低层由安装在各个变电站内的IED组成。智能变电站的IED通过加载不同保护算法实现所在元件的故障识别。各IED实时测量元件的电气信息，同时收到上层动作信号后迅速跳开断路器。中间层是区域决策层，由系统内各变电站子站组成。子站实时收集站内IED信息，若该子站收到IED跳闸信号，则上传该站所有IED信息。同时，子站接受到上层疑似故障点信号后起动算法精确定位故障点，并做相应后备操作。选择区域内调度通信中心作为中心站构成顶层系统监控层。中心站快速识别疑似故障点并排除拒动等扰动，同时协调区域负荷与电网稳定控制。

图1 分层次广域保护系统结构

1.2 故障区域自适应识别

目前大多数广域保护算法都是以某一故障为目标进行计算，所谓某一故障就是以一个具体电气节点为目标进行模拟故障计算，未考虑故障点的随机性。因此，区域内发生故障时，为保障结果的可靠性，系统需要收集大量信息。通过故障区域自适应识别方法，可以有效解决边界问题，减小系统的通信量[12]。

本文采用层次化系统结构，区域划分所需时间要尽量的少，因此，区域自适应识别算法需要做一定简化。传统区域的广域保护识别算法有大量无效计算数据，计算区域故障点时仅需包含疑似故障点相邻近、远后备保护范围内的线路。因此，中心站搜集广域信息并识别出疑似故障点后，以该疑似故障点为中心，将故障点相邻线路及其近、远后备范围内的线路划定为疑似故障区域。以该疑似故障区域进行后备保护算法，实现故障区域的自适应识别。

以图2的IEEE-30节点系统为例，将该30节点系统作为广域保护系统的一个集中结构。假设L20点发生短路故障，若中心站能识别到L20为疑似故障点，则以L20为中心，选择相邻母线B16、B17以及其他近、远后备范围内的母线与连接线路构成疑似故障区域，见图中虚线所示区域。

图2 IEEE-30节点系统图

2 基于免疫算法的故障识别与决策算法

本文采用具有高容错性的免疫算法作为故障识别算法。考虑到重要元件保护的可靠性较高，在信息采集时收集发电机、变压器等信息，有利于提高故障判断的准确性，同时有利于中心站潮流转移算法的识别。

2.1 采集信息编码

故障元件的识别主要依靠不同算法的IED采集到的信息，主要有3大类：①基于传统继电保护的就地主保护元件，如基于双端信息的主保护元件、基于单端信息的距离保护等；②基于广域后备保护算法的故障识别元件，如基于电流比较原理的故障识别元件、基于故障电压比较的故障识别元件、基于故障电流分布的故障识别元件等；③基于方向判别算法的故障方向判别元件。

本文将收集的信息规范为3类，主保护动作信息、广域后备保护算法信息和方向元件信息。考虑到决策信息的独立性，保护范围内不同的信息采用不同信道的IED收集。根据免疫算法的要求对信息进行编码，原则如下：

1）主保护动作IED输出1，未动作输出0。

2）广域保护算法识别到该元件故障输出1，未识别输出0。

3）方向元件识别故障时的故障电流方向，电流流出母线为1，流入母线为-1，无故障电流输出0。

4）系统接收数据以母线为单位，按照发电机、变压器、线路、输出端的顺序组成抗原矩阵，根据线路重要程度安装不同数量、不同算法的主保护与后备保护元件，经过决策输出IED动作值，数据畸变或接收失败以数值2代替。

编码时，母线上第元件的IED输出记为：

母线上各元件按发电机、变压器、线路、输出端的顺序排序，对于任意一个参数发生变化整个站点信息都传入数据中心，生成抗原矩阵，即

式中，B表示以母线为单位生成的抗原矩阵。发生故障时，中心站接收到不同子站的抗原矩阵的集合作为抗原。

2.2 故障识别原理

基于免疫算法的故障定位主要由建立抗体库、免疫操作和译码等部分组成。

首先要建立相应容量的抗体库，即理想情况下所属区域内的所有元件出现故障时各IED应该接收到的状态矩阵。同时，实时监视各IED的情况，当有故障信息出现时立即读取含有故障信息的状态矩阵生成疑似故障抗原。通过免疫操作计算抗体的亲和度，最后决策机构译码并向相应的断路器发出动作跳闸命令或者闭锁命令。

（3）

式中，为抗体N对位的位数。

中心站在识别故障时需要保证一定程度的准确性，同时更应满足时效性，而子站的故障识别首要满足准确性。因此，决策算法分别如下：

1）识别疑似故障点

对于区域中心站应实时更新网内拓扑结构，根据拓扑结构生成该区域的抗体库。中心站一旦收到故障信号，系统立即做出结论并将信息传回子站。为了保证时效性，同时快速判断疑似故障点，识别算法应尽量简单。

定义抗体N与抗原的冲突因子N：

冲突因子N反映了不同元件对采集信息的冲突强度，N越小，N对应的元件故障可能性越高。

在决策时，为保证系统能正确识别误动以及故障点判断的准确性，需要设置一定的阈值。决策结果N为

式中，N为1时，系统判定元件N疑似故障，阈值N与元件N性质和相邻拓扑结构有关。

阈值N取值过大或过小都会导致决策易发生误判。若被保护元件的相关主保护IED全部失效，即发生变电站全站掉电的极端情况，该算法已失去意义。因此，N取值在保证尽量小的情况下，不应小于对应元件N相关主保护数。如图2中，20的故障阈值L20为3，B16的故障阈值B16为4。

2）疑似故障区域内故障点识别

系统根据疑似故障点生成疑似故障区域，为了保证准确性，在区域内要使用完整的免疫算法计 算[13]。通过免疫算法计算得到区域内不同元件的亲和度，决策元件根据免疫算法结果做出相应动作。

2.3 广域保护跳闸策略

广域保护主要实现电网近后备、远后备等后备保护功能，在跳闸策略上要区别于主保护功能。本文从结构上把广域保护系统分为3个层面，因此算法流程分为中心站和子站流程。

1）中心站流程

作为区域监控层面，中心站收集的数据量极大，系统面临较大的数据失真考验。同时，由保护整定不协调、区域潮流变化等原因易引起元件误动。考虑以上两方面，系统加入防误动模块。

中心站运行时，实时加载电网拓扑结构并生成抗体。断路器动作或信号丢失后，中心站接收到抗原信号。系统立即执行疑似故障点识别算法，得到识别结果N。若N=0，则判断元件误动，系统返回不动作指令，同时加载潮流转移算法并在线调整保护整定值。若N=1，则排除元件误动，立即向子站发送故障元件信息。中心站流程图如图3所示。

2）子站流程

广域保护作为后备保护，主保护正确动作时应及时闭锁避免扩大停电范围，主保护未能正确动作时加速临近后备保护以减小停电造成的影响。因此，系统加入防拒动模块增强后备保护功能。

图3 广域保护中心站流程图

子站运行时，实时加载附近区域的拓扑结构并生成抗体库。收到中心站的疑似故障信号后，根据疑似故障点生成疑似故障区域并起动免疫算法。根据算法结果可以得到具体故障元件，若故障元件两侧有主保护IED显示未动作，则判定该IED所控制的断路器拒动，命令相邻后备保护加速动作并将信息传递给中心站；若保护正常动作，闭锁相邻后备保护，调整跳闸后的保护整定值并将信息返回给中心站。子站流程图如图4所示。

图4 广域保护子站流程图

3 算例分析

中心站作为系统监控层，是分层次广域保护系统的核心，需要保证其能正确识别故障，而子站在排除误动干扰后可以有效判断元件情况，即使判断失效也能快速动作减小停电范围。因此在这里通过常规后备保护和容错性分析中心站识别故障能力。

3.1 中心站常规后备保护算例分析

本文仍以图1所示的IEEE-30节点为例。分别在线路L20、母线B30上发生故障时，考虑误动、拒动。通过快速识别算法分析分别可以得到故障抗原与相关抗体的冲突因子，表1至表3分别为L20故障时线路正常情况和拒动情况的冲突因子表。

表1 L20故障正常情况下冲突强度表

表2 L20故障单侧断路器拒动时各抗体与故障抗原冲突强度

表3 L20故障两侧断路器拒动时各抗体与故障抗原冲突强度

从表中可以得知，在两侧断路器都拒动的情况下L20的疑似故障判断依然有很大的裕量。同理可以得到B30故障时最严峻的情况发生在母线侧断路器全部拒动，此时中心站快速判断的准确性依然有一定裕量，结果见表4。

表4 B30故障断路器全部拒动时各抗体与故障抗原冲突强度

若某元件误动，以抗体库中L20附近抗体为例，各抗体与抗原冲突因子如下，不满足阈值条件，中心站判定为元件误动，计算结果见表5。此时中心站只需将信息传递给误动子站，不需要进一步的计算，同时避免了极端条件下传统算法误判造成的停电范围扩大等情况。

表5 某元件误动时各抗体与故障抗原冲突强度

文献[13]提及一种超过传统免疫算法容错能力的情况，通常会得到两个相邻元件故障的结论。若只是由于某一断路器拒动引起此现象，则势必导致判定结果严重错误。通过子站的算法流程可以有效区分此情况。

与传统免疫算法相比，中心站在一般故障拒动、误动识别功能的准确性方面一致。

3.2 中心站容错性与计算性能分析

以母线故障为例，通过对IEEE-30节点系统内各节点的模拟故障分析，记录每个节点受数据失真影响所允许的最高冲突因子与传统结构的免疫算法对比，如图5所示。对30个节点加权平均计算可以得到，最严重情况下，中心站改进免疫算法的容错性能相较于传统结构免疫算法减少了35.12%。

图5 30节点故障的冲突因子对比图

同时分析了使用两种算法对B1～B10节点的计算时间，对比如图6所示。对10个节点加权平均计算可以得到，中心站改进免疫算法的计算时间相较于传统结构免疫算法减少了81.47%。

图6 10节点故障的计算时间对比图

通过算例分析可知，该改进算法在保证有足够容错率的情况下，大幅提高了后备保护的速动性。

4 结论

广域保护的根本目的在于防止连锁跳闸事故、改善后备保护性能。对此，本文提出基于免疫算法的分层次广域保护系统。系统采用改进的免疫算法，调和了通信量与数据容错性的矛盾。IEEE-30节点系统的多组案例计算表明，该系统在各类极端工况下均能有效判断故障位置，排除扰动影响，与传统分层次系统相比，保证了算法的容错性和准确性；与传统免疫算法对比，该系统显著提高了计算效率，算法流程更为完善。为防范大规模潮流转移引起的连锁跳闸事故以及后备保护的在线整定提供了结构基础。

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Hierarchically Wide-area Protection System based on Improved Immune Algorithm

He Jiaji Lv Feipeng Wang Yucai Chen Xingxin

(School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065)

On the basis of immune algorithm based wide-area protection fault identification, a hierarchically wide-area backup protective system is proposed. According to different functions and scope of the wide-area protection, the system is divided into measurement and monitoring layer, regional decision-making layer and system monitoring layer. In this paper, improved immune algorithm is used to achieve the fast fault location of the suspected fault point in the system monitoring level, and proposed a hierarchical system decision-making scheme based on immune algorithm. Compared with the conventional structure protection algorithm, case study demonstrates the efficiency and consistency of hierarchically wide-area protective system.

wide-area protection; immune algorithm; multi-level; malfunction; miss operation; identification of faulty components

何佳佶（1992-），男，硕士研究生，研究方向为电力系统微机保护及控制。