基于动态状态估计的保护: 现状与前景外文翻译资料

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基于动态状态估计的保护: 现状与前景

Sakis Meliopoulos, Fellow, IEEE, George Cokkinides, Member, IEEE, Paul Myrda, Senior Member, IEEE, Yu Liu, Student Member, Rui Fan, Student Member, IEEE, Liangyi Sun, Student Member, IEEE, Renke Huang, Student Member, IEEE, Zhenyu Tan, Student Member, IEEE

摘要：在上世纪80年代的基础数值继电器微处理器的引入导致多功能、多维、通讯功能的综合保护系统和系统保护区。这种技术的不断增强的能力创造了新的意想不到的挑战: (一)复杂度增加，选择协调的设置是一个挑战，导致偶尔的系统协调，(二)保护职能仍然依赖于少数测量 (典型的三电压和三电流) 限制保护功能，可靠地确定故障条件值类型的能力，（三）目前的方法是无法处理的继电保护系统的隐藏故障。据统计，保护操作的10％是误操作。本文提出了一种新的保护方法, 它承诺消除导致错误操作的大多数问题。描述的方法，在实验室中证明，相比于传统的保护功能和一个变电站的协调保护系统能够检测和处理故障隐患的应用情况。本文还讨论了该方法的计划现场测试。

关键词：电力系统继电保护，动态状态估计，区保护，隐藏的故障。

1. 引言

保护是任何电力系统中普遍存在的功能, 可确保人员安全, 避免设备损坏。多年来，保护实践的不断发展，绘有创新和巧妙的解决方案卓越的历史。今天的多功能数字中继是所有保护方案的核心。最近的显著进展：（一）整合数字继电器进入变电站自动化架构，（二）将数据采集系统从继电器分离到合并单元（MU），并将数字继电器转换成一个计算装置，通过一个过程总线接收来自MU的数据。尽管所有的进步，保护的可靠性仍然是一个问题。据统计，在美国和国外的产业平均有10%误操作。继电保护运行数据的分析表明，保护不可靠性的因素有:（一）当今复杂性的增加使保护方案复杂，（二）保护功能依赖于有限的形成（通常是基于三个电流和三个电压的保护功能），（三）各种保护职能之间的误协调，（四）目前重新奠定方案无法正常运行在包括插综合继电保护系统的隐藏故障发生时。此外，尽管取得了所有的进展，仍然存在保护间隙，即故障状态，没有可靠的方法来检测和保护，例如配电系统中的坠落导体，接地系统中性点附近的故障，以及其他的故障。

显然, 需要采取新的办法来处理上述问题。变电站自动化是一种很有前途的方法，它有可能提高每个继电器所能获得的信息——更多的信息能更好地描述故障情况，并有更好的保护。变电站自动化是一个方法，可以使变电站集中保护。而事后分析方法已被使用的所有中继数据表征继电器性能开发的，目前还没有实时的集成方法实现变电站集中式保护[ 17 ]。

本文介绍了最近提出的一种保护方法，基于动态状态估计（也称为设置不保护）[ 1 ]。该方法有可能大大改善区域保护, 并将变电站所有区域的保护集成到一个集中式变电站方案中, 具有自我诊断能力、发现隐藏故障和自我修复对隐藏的失败。首先我们提出目前保护措施和建议的动态状态估计方法的不足的理由。该方法以一般形式给出，并举例说明，与一些故障事件的传统保护功能进行比较，并将其集成到集中变电站保护方案中。

由于空间不足, 目前保护技术缺陷的讨论和实例仅限于变压器和线路保护。传统的变压器保护方案包括差动保护、过电流保护、电压超过赫兹、突然的压力继电器等。有区别保护的一个已知问题是涌流电流流类似于内部故障通电的情况 [2] 。因此，差动前向继电器难以区分内部故障电流和涌流。谐波制动差动继电器被引入到解决这个问题[ 3 ] - [ 4 ]。这些继电器的基础上的研究表明，浪涌电流的各次谐波分量通常是超过15%的基波电流，虽然它是非常低的内部故障。但是谐波制动差动继电器的工作以及许多变压器不幸的是，在改进核心钢变压器浪涌电流的二次谐波的成分水平极大地降低[ 5 ]。近年来，自适应差动继电器进行了研究[ 6 ] - [ 7 ]。这些继电器是基于比率差动保护方案，但他们可以根据故障电流自动调整特性。虽然自适应差动继电器可以区分励磁涌流与故障电流，灵敏度不够高到检测变压器内部故障的变压器中性点附近。总之, 变压器有保护缺口。

传统的输电线路保护方案包括距离保护、方向过流保护，线差，继电器方案等[ 8 ]。与传统的距离和方向过流保护功能非试点方案需要复杂的协调，不能同步的旅行线路两端，它们是高阻抗故障不敏感。试验方案需要通信, 线性差分格式也一样。当通信失败时, 试验计划可能会失败。目前线路保护方案可能无法检测到高阻抗故障 [9]。为了提高安全性, 提出了基于负序列的先导保护方案。这些方案可能无法在缺相条件或对称故障如三相故障操作[ 10 ]。电流差动保护已成为最有效的保护方案用于与alpha;平面方法是最流行的传输线中的一个。线路差动限制是：（一）长线路电容电流强迫继电器的失磁[ 11 ]，（二）通信中断导致继电器故障，（三）高阻抗故障，特别是对于线路长，几乎检测不到。总之, 输电线路也存在保护的缺口。

类似的讨论可以提供许多其他保护区和遗产保护功能。很明显，需要更好的保护方法。

1. DSE的基于区域的保护

基于动态状态估计的保护 (也称为设置不保护) 已经从差分保护函数中得到启发, 可以被视为扩展和泛化, 如图1所示。电流差动保护在一个保护区后进行测量和加权总和必须等于零的电流（广义基尔霍夫电流定律）。因此，电流差动保护功能是由测量的电流总和，只要是零或接近零的不采取行动。

在基于动态状态估计的保护中, 利用了保护区内的所有现有测量。这些测量包括: 保护区终端的电流和电压、检测区内的电流和电压 (如电容器组保护)、速度和扭矩 (如旋转机械),或包括热其他内部测量测量。以上各项措施均应遵守保护区的物理规律 (如氯化钾、KVL、运动规律和热力学定律等物理规律)。保护区的物理规律是在保护区的动态模型中捕获的。这意味着, 在没有内部故障 (保护区内的故障) 的情况下, 测量将满足保护区的动态模型, 即保护区的所有物理定律都满足。当存在内部故障时, 测量结果不能满足保护区的动态模型。这种区别是识别内部故障和忽略任何外部故障的功能强大，安全和可靠的方法。验证测量是否满足数学模型的系统方法是动态状态估计过程。该方法是一种动态的基于状态估计的保护（EBP）。当内部出现故障时，即使在高阻抗故障或故障沿着线圈，所述动态状态估计可靠地检测出异常和跳闸信号发出。这一基本方法早在特定情况下已经提出[ 12 ] [ 14 ]。图1. 基于动态状态估计的保护的概念说明

EBP 需要一个保护区的高保真数学模型, 测量和动态状态估计算法。下面将介绍这些。

保护区模型是一组微分代数方程。在一般情况下，该模型可能包括电气法、热法和运动规律，即它是一个多物理模型，很多时候它是一个非线性模型。我们的方法从这个模型开始, 并利用一个二次程序, 如果需要的话, 通过引入附加变量将任何高阶非线性降低到不超过第二阶 (如果模型是线性的或二次的这个过程是不需要的). 此转换不会更改模型。我们把这个模型称为保护区的方型动态模型 (QDM)。

保护区域的QDM(装置QDM)在方程(1)中，通过变量i(t)(终端电流、电压、旋转转矩、热效率)和状态x(t)来支持。该模型有三组方程。第一组方程是与保护区的端子对应的外部方程。第二和第三组方程分别是区域的线性和非线性内部方程。例如保护区的装置模型（电力线），并在附录A中提供。

接下来, 测量被表示为保护区域状态的函数。保护区域状态。一般形式显示在等式 (2) 中, 其中 z (t) 是测量和 x (t) 是保护区域状态。请注意, 这些函数可能包括线性、二次或微分条件。

任何保护区域模型和保护区域中的任何度量都可以转换为上述语法。我们已经开发出模型的变压器、线路、电容器、电动机、发电机和其他单位的 QDM 语法模型。QDM 的格雷申将模型转换为代数二次伴形式模型 (AQCF) [12]。

对动态状态估计算法进行了三项替代算法的测试: （a）扩展卡尔曼滤波方法模型；（b）使用AQCF约束优化方法；和（c）使用AQCF无约束优化方法。描述方法以及这些算法已经被报道在[ 13 ] - [ 14 ]。所有三算法的动态状态估计的表现从统计的角度来看同样良好。具体而言，数值实验表明，这三种方法提供几乎相同的估计和各自的方差性能（状态估计的不确定性）是比较有区别的。文中给出了算法 (c) 的计算结果。为此, 我们提供了这个算法的简明描述。

算法（C）：利用代数的同伴形式约束优化方法。这种方法使平等约束并将其作为一个非常小的误差测量（非常小的标准偏差）。估计问题如下所述：

最小化 （3）其中,...,是仪表误差标准偏差包括对应于内部约束放松测量。请注意，估计是常用的加权最小二乘算法。测量模型是线性模型, 如果保护区域是线性的或者是二次模型。在线性模型的情况下（例如传输线、电容器组），直接得到解（无迭代）。在二次测量模型的情况下, 解是迭代 [12]。我们在两次迭代中观察到了收敛。这一经验与理论一致：求解方法是牛顿方法的一个变种，具有二次收敛性质，测量模型为二次型。这意味着快速收敛。

估计状态来进行卡方检验，以确定测量到保护区模型的“拟合优度”。具体来说，卡方检验量化概率（置信水平），残差（测量值减去模型）分布在微米精度的预期范围。高置信水平意味着测量拟合模型，因此部分受保护的健康状况良好，而低置信水平意味着内部故障。EBP继电器问题跳闸命令包括一个用户定义的意向性延迟和复位时间。它的定义如下：

其中P_conf是置信水平， T_delay是故意跳闸延迟, T_reset是复位时间。

基于DSE保护的实现如图2所示。注意我们建议使用合并单元, 因为此技术消除了长控制电缆和负担 (仪表变压器错误仍然存在) 中的检测错误。建议的方法的优点是:（a）速度运行的样本值和检测异常与故障少数样本内，（b）检测的准确性，(c) 不需要与其他保护职能协调。缺点是分析对保护区的精确动力学模型要求的复杂性。分析的复杂性对用户是透明的。动态模型的精度可以解决在线参数估计的动态状态估计是用来确定动力学模型参数的正确值 [15]。图2. 基于屏幕保护方案的实现

该方法的另一个优点是它能够可靠地检测隐藏故障和更换受影响的数据和估计值的能力（这是一个新的能力，没有任何遗产保护系统）。该方法的组成部分在第四部分更详细地介绍。

1. 数值实验

提出了一些具体事件的说明性例子。对于每一个 EBP 的性能都是由传统的保护功能所缩减的。比较是基于以下标准：（a）安全（b）可靠性（c）速度（d）的选择性。这一事件被模拟的结果被存储在COMTRADE文件以每秒4800个样本的速度。动态状态估计执行时间只有两连续性样本的一小部分时间（416mu;S）使用高端个人电脑。

示例测试用例 1: 传输线保护。实例测试系统如图3所示。线下保护500 kV，135.22英里长的线。这条线的电流额定值是5千安。使用下列遗留保护功能保护线路：(a) 1 边的距离保护(b) 线路差动保护。下面提供了这些函数的设置。图3. 线路保护示例测试系统

距离保护设置：传输线的序列参数见表1。选定的设置为该继电器在线路侧：1区：55.0 88.16,延迟0.02s，2区：85.94 88.16,延迟0.15s,3区：178.75 88.16延迟0.5s(阻抗设置分别对应于正序阻抗的80%、125% 和 260%)。补偿因子是k   z0  z1 |z1  2.39-19.05.

表1.序列中的保护线路的