基于三维数字动态模型的继电保护定值仿真校验方法

罗 胤，常玉红，赵 颖

（1.河南天池抽水蓄能有限公司，河南南阳 474650；2.国网新源控股有限公司，北京 100000）

三维数字动态模型的应用模式与二维数字模型类似，在空间环境中，都具备基本的数据处理能力，例如数据获取、数据表现、数据组织、数据操纵等。三维数字动态模型能够更为客观地展示数据信息的应用价值，且在应用过程中不同于常见的二维数字模型，更注重展示数据的运算过程，既不要求信息参量间保持完全相同的传输关系，也不会对数据的表达形式作出明确要求[1]。在电网环境中，应用三维数字动态模型对电量数据进行统计，不仅能够按需排查继电波信号在单位时间内的传输能力，也可实现对电信号定值应用能力的准确计算。

输电网络的安全运行始终是电力行业的关注重点，继电波作为一种关键的输电信号，既能保障电网动作的可靠执行，也能在一定程度上抑制故障行为的持续恶化状态。近年来，随着电信号输出频率逐渐趋于稳定，如何将继电波长保持为定值应用状态，已经成为了相关领域的主要研究方向。将风险决策型校验机制应用于诊断电网故障中，从海量继电数据中剔除大部分的冗余特征值，再根据随机决策算法，确定定值步长向量的空间维数水平[2-3]。然而该方法对于继电波定值传输能力的提高效果有限，并不能为输电网络应用安全性提供绝对有力的保障。为解决该问题，提出基于三维数字动态模型的继电保护定值仿真校验方法。

1 基于三维数字动态模型的继电诊断

为保证继电波定值校验的准确性，首先需要对继电波长进行诊断，在三维数字动态模型支持下，具体诊断处理流程如下。

1.1 配电网信息数据来源

在配电网环境中，继电波校验空间由两部分组成，每一部分结构体系都可在配电网平台的作用下，对区域继电波进行多次调试，直至实际输出信号能够完全满足定值校验的标度条件[4-5]。在三维数字动态模型的影响下，定值继电波只能由一个固定配电节点传输至另一个固定配电节点，且在整个传输过程中，原始波长的定值能力不会受到任何影响，即接收方所获取的继电波长与输出方始终保持一致。由于继电波的输出数量有限，因此电量数据在配电网环境中有且仅有唯一的存储空间，具体配电网信息查询原理如图1 所示。

图1 配电网数据查询原理

因为配电网信息数据的来源相对统一，所以平台主机在实施继电波定值处理的过程中，并不需要承担较大的执行任务量。

1.2 继电故障特征选择

为实现对继电故障特征的选择，需要对已知的波长数值进行精简处理，再以定值驱动的方式进一步处理，使得最终检验结果能够符合实际应用需求。利用三维数字动态模型对继电故障特征进行选择，首先需要确定已知特征值中是否包含后续校验所需的数据信息参量[6-7]。在初始继电故障特征序列中，定义z表示既定波长数值，ω、δ代表两个不同的定值驱动系数，联立上述物理量，可将继电故障特征的初级筛选原则定义为：

式中，H(ω)、L(δ)分别表示两个不同的继电波长序列项。定义c、w代表两个不同的波长校验特征值，pc表示特征值为c时的继电波定值驱动条件，pw表示特征值为w时的继电波定值驱动条件。联立式（1），可将三维数字动态模型影响下的继电故障特征选择表达式定义为：

其中，规定配电网继电波长值必须完全满足三维数字动态模型的筛查与校验需求。

1.3 数据传输和监控

数据传输和监控是完成继电诊断的重要处理环节，需要在已知三维数字动态模型作用强度的前提下，确定继电波输出节点与输入节点之间的物理距离，从而使得定值波长的延续能力得到较好保证，一方面能够将继电数据传输速率控制在既定数值范围内，另一方面也可较好监控信息参量的实时传输位置[8-9]。在应用过程中，定值继电波数据的传输和监控流程大体上由如下两部分组成。

1）根据已知的三维数字动态模型作用强度数值，确定继电故障特征选择结果的实用性，对所选取的故障信息参量进行重新排列，从而使继电波的跳动传输行为得到有效抑制[10]。

2）为突出继电保护定值校验方法的实效性，应将三维数字动态模型作为核心约束条件，在协调继电波定值输出数值的同时，规划继电波在配网环境中的实时传输路径[11]。

2 继电保护定值的校验与处理

遵循实时继电诊断原则，按照定值整定安全评价指标计算、约束条件风险建模、定值优化风险分析的操作流程，完成继电保护定值的校验与处理。

2.1 定值整定安全评价指标计算

定值整定安全评价指标也叫准参量点精度因子，对于继电传输波而言，强度因子及可能因子决定了定值波长的损坏风险，而在配电网环境中，波长数据所表现出的损坏风险越大，整定校验处理的安全性水平也就越高[12-13]。设i代表继电波第一次达到定值状态时的动态校验系数，j代表继电波第二次达到定值状态时的动态校验系数。由于继电波在配网环境中始终保持顺向传输状态，所以i＜j的不等式条件在整个校验处理过程中恒成立。在上述物理量的支持下，联立式（2），可将基于三维数字动态模型的继电波定值整定安全评价指标表示为：

式中，qi、qj代表两个不同的继电波顺向传输系数，Ei、Ej代表两个不同的定值继电波带电量数值，t代表定值继电波的单位校验时长，ΔR代表继电设备接入阻值的单位变化量。

2.2 约束条件风险建模

保护定值校验是一个多目标处理过程，而约束条件风险建模则是该过程中的关键性全局优化问题，同时考虑到多种不同的继电波定值条件，对于波长数值的复杂性与不确定性进行了严格规定[14-15]。一般来说，为降低继电保护定值的校验风险，应将输入继电波长数值控制在一个相对较低的定值区域之内，并按照定值整定安全评价指标选取原则，对相关指标参量进行细致筛选。设Zmax代表继电保护定值的最大风险项系数，Zmin代表继电保护定值的最小风险项系数，dˉ代表继电波长的平均数值，联立式（3），可将继电保护定值的约束条件风险定义为：

令三维数字动态模型的作用强度数值k无限趋近于自然数e，联立式（4），可将继电保护定值的约束条件风险建模表达式定义为：

式中，g表示继电保护定值的三维调试系数。三维数值动态模型对于继电保护定值的校验维护作用仅停留在固定数值区间之内，因此为得到更为准确的校验取证结果，在运算过程中，应不断更改继电保护定值的原始取值区间。

2.3 定值优化风险分析

定值优化风险能够决定继电保护定值校验方法的实际应用价值，在已知约束风险建模条件的基础上，可认为继电波的固定波长值越大，所得校验结果的可参考价值也就越强[16]。设β代表继电保护定值的实时校验强度，M^ 代表随机选取的继电波长特征值，v1、v2分别代表两个不同的继电波定值基向量，f代表继电保护定值的动态匹配系数，联立式（5），可将继电保护定值仿真校验的优化风险分析行为定义为：

至此，实现相关指标参量的计算与处理，在三维数字动态模型的支持下，完成继电保护定值仿真校验方法的设计与应用。

3 实例分析

在配网环境中，选取输出行为相对稳定的继电波生成装置作为实验对象，在实验过程中，分别采用该文方法和风险决策型校验机制对继电波输出行为进行控制，将所得波段数据分别作为实验组和对照组进行对比。

传输波形能够反映继电波的实时传输能力，继电波的波峰与波谷数值差越大，则代表继电波的定值传输能力越差；若继电波的波峰与波谷数值差越小，则代表继电波的定值传输能力越强。不同方法的继电波的实际波形如图2 和图3 所示。

图2 实验组继电波传输波形

图3 对照组继电波传输波形

对比图2、图3 可知，对照组继电波形的传输波动性相对较强，在每一传输周期内，其波长极大值远高于理想数值，而极限值却远小于理想数值。实验组继电波形的传输波动性则相对较弱，在第一个传输周期结束时，其波长达到最大值，虽高于理想数值，但依然不及对照组波长数值，在第二、第三个传输周期中间，实验组波长达到了最小值，与理想数值相比并无明显出入。

提取实验组、对照组在每一传输周期内的波长极值，再分别将所得数值与理想波长值对比，详情如表1 所示。

表1 继电波长极值对比

分析表1 可知，理想波长在第四个传输周期内的数值最大，在第五个传输周期内的数值最小，二者之间的差值0.71 μm；实验组波长在第二个传输周期内的数值最大，在第一个传输周期内的数值最小，二者之间的差值为0.91 μm；对照组波长在第三个传输周期内的数值最大，在第一个传输周期内的数值最小，二者之间的差值为4.06 μm，远高于理想差值水平。

综上可知，在三维数字动态模型的作用下，继电波输出波形的波动变化能力得到有效抑制，且随着传输周期数值的增大，其波动行为逐渐与理想波动状态靠近，在维持继电波定值传输能力方面，具有较强的应用性价值。

4 结束语

在已知配电网信息数据来源的情况下，三维数字动态模型可对继电故障特征进行选择，并可根据数据传输和监控原理，完成约束条件的风险建模，一般来说，所选取定值整定安全评价指标的精度水平越高，最终所得定值优化风险分析结果也就越符合实际应用需求。与风险决策型校验机制相比，这种新型校验方法可在控制继电波传输波形的同时，缩小表现实值与理想数值之间的差值水平，从而有效保护了继电波在电网环境中的定值传输能力。