电力自动化继电保护在线整定方法研究

摘 要：为了解决传统继电保护整定方法中信号幅值波动大、故障反时限动作定值超出范围的问题，本文提出了一种电力自动化继电保护在线整定方法。该方法通过设置径向总线配网和布置2个继电器来构建电网，并设定继电器工作时间限制的协调条件。利用蚁群算法在线整定信息素发挥系数，结合负反馈条件快速找到最优解，构建自动整定模型，以获取最佳整定方案。试验结果显示，整定后的信号幅值稳定在0Hz附近，继电器两端电压保持在预期范围内，故障发生时反时限动作定值为0.80～0.83，符合预期。表明该方法可以有效切除故障，防止故障范围扩大。

关键词：电力自动化；继电保护；整定方法；蚁群算法

中图分类号：TM 761 " 文献标志码：A

在现代电力系统中，继电保护作为保障电网安全、稳定运行的重要技术手段，其性能的优化和整定方法的创新较为重要。

目前，已经有很多学者对电力自动化继电保护在线整定方法进行了研究。例如，许昊等[1]建立电力系统的数学模型，根据特征轨迹计算系统的频域稳定高度。对频域稳定高度进行深入度分析，以量化电力系统稳定器参数对系统稳定性的影响。如果初始参数值选择不当，可能导致整定结果不稳定或无法收敛。李生虎等[2]建立DFIG并网系统的状态矩阵，推导目标TOL模式对相应抑制通道传递函数深入度的解析表达。根据推导的传递函数的深入度，对MDSER的控制参数进行整定，以提高对多TOL模式的抑制效果。该方法主要针对SER并网电力系统中多低频振荡的抑制问题，可能不适用于其他类型的电力系统或控制问题。

为了解决上述方法中存在的问题，以电力自动化继电保护在线整定方法为研究对象，结合实际情况进行研究与分析。

1 在线整定方法

1.1 数据采集及预处理

在电力自动化继电保护在线整定方法研究中，数据采集及预处理是确保继电保护系统准确响应电力系统状态变化的关键步骤。其中，数据采集是从电力系统中实时收集运行数据的过程，这些数据包括电流、电压、频率、功率等参数[3]。数据采集通常通过安装在变电站的传感器和监测设备来实现。

数据预处理的目的是对采集的原始数据进行清洗、转换和规范化，以便于后续的分析和处理[4]。数据预处理通常包括以下2个方面。

数据清洗：数据清洗的目的是纠正或删除错误、不完整或不相关的数据，如公式（1）所示。

（1）

使用统计方法检测并处理异常值，如公式（2）所示。

（2）

数据转换：数据转换的目的是将数据转换为更适合分析的形式。将数据缩放到一个特定的范围，例如0～1。具体如公式（3）所示。

（3）

基于上述步骤，完成电力自动化继电保护的数据采集及预处理。

1.2 构建电力自动化继电保护在线整定模型

在设计电力自动化继电保护在线整定方法中，将继电保护的整定视作一个最优化问题。因此，构建电力自动化继电保护自动整定模型来获取最佳的整定方案，以有效地解决复杂的优化问题。由于蚁群算法在解决离散型组合优化问题时表现较差。因此，引入改进蚁群算法来优化电力自动化继电保护自动整定模型[5]。通过蚁群算法使用负反馈条件能够更快速地找到最优解。改进蚁群算法通过引入启发式信息、动态调整参数、精英策略、局部搜索机制、多样性保持策略以及与其他优化算法结合等手段，显著提高了算法的收敛速度和全局搜索能力，有效避免了陷入局部最优的问题。这些改进不仅增强了算法的鲁棒性和适应性，提高了找到解的质量，还扩展了其应用范围，并降低了计算复杂度，从而使蚁群算法在解决复杂优化问题时更高效、稳定和可靠。通过这些策略的整合与优化，改进后的蚁群算法能够更好地应对各种挑战，为实际问题的解决提供了强有力的工具。

当计算电力自动化继电保护自动整定模型时，为防止因过早收敛而陷入局部最优解（无法获得预期整定结果），引入自适应目标的最大最小蚁群算法，提高电力自动化继电保护在线整定模型的全局搜索能力。首先，需要对算法中的蚂蚁数量参数进行初始化，这些蚂蚁将负责遍历并访问节点。当所有蚂蚁都完成了1次完整的节点遍历，即1次循环结束后，每只蚂蚁走过的路径将构成一个复杂电网继电保护自动整定模型的解。此时，需要根据蚂蚁们的表现来更新它们的循环轨迹，如公式（4）所示。

ς（t+1）=（1-α）ς（t） （4）

式中：ς（t）为在相应时刻内不同节点路径上所有的信息数量；α为信息素发挥系数。

在整定模型求解过程中，为了有效避免搜索停滞问题，为路径上的信息素设置了取值区间[ςmin，ςmax]，这个区间限制确保了任何路径上的信息素值都不会远远超出其他路径，从而提高了模型求解的鲁棒性[6]。为了提高蚁群算法的全局搜索能力，需要对α值进行在线调整。根据实际问题的特性和需求来设定在线整定公式，以实现更高效的全局搜索，如公式（5）所示。

（5）

式中：αmin为信息素发挥系数最小值。

根据对原始蚁群算法中的α值进行在线调整，可以在每次循环结束后获得全局最优解，从而避免算法陷入局部最优。不断更新蚂蚁的寻优结果，直至满足提前设定的结束条件，停止运行，并输出此时的全局最优解。这样，就完成了继电保护自动整定模型的求解。

1.3 实现电力自动化继电保护在线整定

在电力自动化的精密流程中，备用继电器的跳闸机制被设计为一道坚实的防线，它仅在主继电器遭遇不可预见的故障时才会被激活。这种激活机制的触发，确保电力系统的连续性和稳定性不受影响。为了进一步增强这一过程的可靠性，设定精确的协调时间间隔，确保备用继电器的介入既不早也不晚，恰到好处。在电力系统的复杂网络中，定向过流继电器确保了并联或级联馈线的径向馈电安全，防止了电流的泛滥。在配电过程中，这些继电器被赋予了双重身份：作为一级保护装置，它们时刻警惕着潜在的威胁；而根据分输级别，化身为二级保护装置，为系统的安全提供多重保障。为了构建一个坚固的电网，设置了径向总线配网，并巧妙地布置了2个继电器，确保了电力系统的每一个节点都能得到妥善保护，径向分布图如图1所示。

设置在P阶段馈线发生了故障并且该故障超出了母线K的范围。根据径向馈线的设计特性要求，当远端发生故障时，系统应具备在故障点附近自主清除故障的能力。由于继电器B2地理上接近故障点，因此作为第一反应者启动并尝试清除故障。如果B2因故失效，系统就将备份继电器B1作为后备保障。为了确保B1在B2之后动作，需要对B1的触发时间进行合理配置。B2被设定为在故障发生后0.1s内响应，而B1的启动时间则需要在B2的基础上增加一定的延迟。设置0.2s的时间缓冲，以确保B1在B2之后安全、有效地介入。此外，为了避免过流继电器之间的误动作，需要对整个配电系统中的继电器动作进行协调。通过寻找一种最优的配合方式，使在任意故障发生时刻，所有参与的继电器运行时间总和最小，最小化所有继电器在故障瞬间的总运行时间，如公式（6）所示。

（6）

式中：Xi为权重因子；T为继电器运行时间。

在故障位置P，需要对继电器的运行时间进行优化。在配电系统中，由于线路长度相对较短且沿线负载分布较为均匀，故障可能发生在任何位置。因此，在权重因子计算中，不考虑特定位置[7]。系统中存在无条件变化的负载，这可能导致小干扰频繁出现，从而引发继电器在没有实际故障的情况下动作。为了解决这个问题，继电器必须在主继电器预规定的运行时间内等待，以准确获取故障状态。当考虑瞬态条件时，继电器的工作时间限制的协调条件需要满足公式（7）。

Ti-TP≥CI （7）

式中：CI为操作时间；Ti、TP为位置P处的继电器可供操作边界。

在电力自动化过程中，为了确保备用继电器的跳闸机制在主继电器发生故障后适当时间启动，需要设置协调时间间隔[8]。这个时间间隔应确保主继电器有足够的时间进行故障检测和动作，同时防止备用继电器过早或过晚动作导致系统不稳定或设备损坏。

2 试验测试与分析

2.1 搭建试验环境

以某架空配电网为例，应用本文提出的保护整定计算方案，通过试验分析各保护动作的整定情况。现以发生在保护段内的故障为例，对其保护动作特性进行详细分析。规定保护范围主要覆盖从配电线路母线起点开始的1.3km的区间内。在对电力自动化继电保护装置进行自动整定过程中，选取了线路L1为母线，针对继电保护装置，如果电流定值被整定得较低，那么为了保持其性能，稳定电阻的阻值需要相应提高。然而，这种调整在内部故障发生时会导致电压升高。因此设置内部故障。由于差动电路两端会产生一个峰值电压，因此在整定过程中需要综合考虑电流定值及可能发生的内部故障情况，通过本文方法进行整定，并统计整理了对母线保护反时限动作值具体数据。

2.2 结果与分析

通过本文方法进行整定，以此来输出整定后的信号，判断本文整定方法是否有效。其整定前后的信号幅值变化如图2所示。

由图2中的结果可知，整定后的信号幅值稳定地维持在0Hz的基准线上下轻微波动，这一结果不仅表明了整定方法的精确性，而且反映了其在实际应用中的稳定性。在整定前，母线保护系统面临电流互感器饱和可能导致差动继电器误动作的风险。然而，通过本文提出的整定方法，有效地限制了流入差动继电器的电流，防止了电流互感器在极端情况下的饱和现象，从而避免了因误动作而引发的系统不稳定。该整定方法还能够可靠地避开由外部故障引起的最大不平衡电流，确保了继电器两端的最大电压始终保持在预期的安全范围内。这种对电压的精确控制，不仅提高了继电器的响应速度，也增强了其对故障的识别和处理能力。

在电力系统的实际运行中，由于系统运行的特殊性，电力母线保护动作受到严格的时间限制。在主变跳闸后，在整定母线保护过程中，需要计算反时限动作定值，以判断整定效果。设置合适的反时限动作值为0.80～0.85，能够使保护装置实现快速跳闸，捕捉故障电流并隔离。设置6个小组，分析母线保护效果，具体见表1。

根据表1的试验结果分析可以清晰地观察到，在考虑母线保护反时限动作的独特特性后，经过精心设计的在线整定方法在实际应用中展现出了显著的效果。具体来说，在模拟的故障场景中，6个测试小组的反时限动作定值均稳定地维持在0.80～0.83，这一结果不仅与预期目标高度吻合，而且证明了该整定方法在实际操作中的精确性和可靠性。说明本文提出的整定方法能够精确地捕捉母线保护动作的临界点，确保了在故障发生的瞬间，保护装置能够在最短的时间内作出反应，实现快速且可靠的动作。这种迅速的响应机制不仅有效地切除了故障源，防止了故障的进一步蔓延，而且提高了电网的安全性和稳定性。并且该整定方法的实施还意味电网运营者能够在面对复杂多变的电力系统环境时，更从容不迫地进行故障处理和系统恢复，从而最大限度地减少了故障对电网运行和用户供电的影响。

综上所述，通过运用本文整定方法能够进一步提高母线保护动作的可靠性，对定值启动时间进行合理设置，形成对母线保护的距离保护。通过优化这些保护参数的配置，提高其对不同类型保护动作的处理能力，从而简化整定过程，满足自动化继电保护在线整定方法的良好应用。

3 结语

本文从整定方法入手，通过研究电力自动化继电保护相关问题，探究了电力自动化继电保护在线整定方法。根据收集的数据，系统分析网络拓扑结构和保护配置，确定需要进行整定的保护项。根据仿真校验的结果，判别继电保护定值的正确性。在具体实施过程中，根据分析结果对定值进行调整，以满足电力系统的运行要求。但是方法中还存在不足，例如保护配置定值问题。今后应更完善计算，对电网中设备的继电保护装置进行整定计算，并根据计算结果对需要修改的定值保护设备进行扫描和自动调整。

参考文献

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