何佳佶 呂飛鵬 王玉財 陳星欣

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基于改進(jìn)免疫算法的分層次廣域保護(hù)系統(tǒng)

何佳佶 呂飛鵬 王玉財 陳星欣

（四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610065）

本文在分層次保護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種基于免疫算法的分層次廣域保護(hù)系統(tǒng)。根據(jù)功能和范圍不同，將系統(tǒng)分為測量與監(jiān)控層、區(qū)域決策層和系統(tǒng)監(jiān)控層3個層面。文章對免疫算法進(jìn)行了改進(jìn)，實現(xiàn)了系統(tǒng)監(jiān)控層面疑似故障點的快速定位，并提出了基于免疫算法的分層次系統(tǒng)決策方案。最后通過大量仿真算例對比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的保護(hù)算法，該系統(tǒng)在系統(tǒng)監(jiān)控層上保證了故障識別的準(zhǔn)確性，同時有更高的計算效率和更加合理的算法流程。

廣域保護(hù)；免疫算法；分層次；誤動；拒動；故障元件識別

隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)后備保護(hù)的整定配合也愈發(fā)復(fù)雜，特別是當(dāng)發(fā)生潮流轉(zhuǎn)移時保護(hù)整定值無法及時調(diào)整，存在連鎖跳閘的風(fēng)險[1-2]。另一方面，廣域保護(hù)故障識別算法的日趨完善[3-6]為建立更完善的廣域后備保護(hù)系統(tǒng)提供了有力保障。

廣域保護(hù)系統(tǒng)根據(jù)所基于的結(jié)構(gòu)不同，可分為分布式、集中式和分層式3類[7]。分布式結(jié)構(gòu)由分布式智能電子設(shè)備（intelligent electronic device, IED）互相協(xié)助完成整個保護(hù)功能，但獲取的信息有限，區(qū)域邊界問題明顯；集中式結(jié)構(gòu)通過收集大量信息分析并做決策，更能體現(xiàn)廣域保護(hù)的優(yōu)勢；分層式結(jié)構(gòu)結(jié)合兩者的優(yōu)點，是廣域保護(hù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。

文獻(xiàn)[8]闡述了三層式結(jié)構(gòu)的可行性與優(yōu)勢，但具體通信與保護(hù)算法并未說明。文獻(xiàn)[9]將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為本地測量層、區(qū)域決策層和系統(tǒng)監(jiān)控層三層。該方式具備一定的容錯能力，但對于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域劃定不易實現(xiàn)，且信息采集并不夠充分。文獻(xiàn)[10]提出一種基于免疫算法的廣域保護(hù)識別算法，該算法具備很高的容錯性，但算法計算量較大，無法直接運用到分層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中。

結(jié)合分層式結(jié)構(gòu)與免疫算法故障識別的優(yōu)點，本文提出一種基于免疫算法的分層次廣域保護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)分為測量與執(zhí)行層、區(qū)域決策層和系統(tǒng)監(jiān)控層3個層面。通過改進(jìn)免疫算法實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控層面疑似故障點的快速定位，區(qū)域決策層依然采用傳統(tǒng)算法保證足夠的容錯率。系統(tǒng)在基于SDH光網(wǎng)絡(luò)的通信網(wǎng)下[11]，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)信息互聯(lián)。

1 分層次廣域保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分層次廣域保護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。最低層由安裝在各個變電站內(nèi)的IED組成。智能變電站的IED通過加載不同保護(hù)算法實現(xiàn)所在元件的故障識別。各IED實時測量元件的電氣信息，同時收到上層動作信號后迅速跳開斷路器。中間層是區(qū)域決策層，由系統(tǒng)內(nèi)各變電站子站組成。子站實時收集站內(nèi)IED信息，若該子站收到IED跳閘信號，則上傳該站所有IED信息。同時，子站接受到上層疑似故障點信號后起動算法精確定位故障點，并做相應(yīng)后備操作。選擇區(qū)域內(nèi)調(diào)度通信中心作為中心站構(gòu)成頂層系統(tǒng)監(jiān)控層。中心站快速識別疑似故障點并排除拒動等擾動，同時協(xié)調(diào)區(qū)域負(fù)荷與電網(wǎng)穩(wěn)定控制。

圖1 分層次廣域保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 故障區(qū)域自適應(yīng)識別

目前大多數(shù)廣域保護(hù)算法都是以某一故障為目標(biāo)進(jìn)行計算，所謂某一故障就是以一個具體電氣節(jié)點為目標(biāo)進(jìn)行模擬故障計算，未考慮故障點的隨機性。因此，區(qū)域內(nèi)發(fā)生故障時，為保障結(jié)果的可靠性，系統(tǒng)需要收集大量信息。通過故障區(qū)域自適應(yīng)識別方法，可以有效解決邊界問題，減小系統(tǒng)的通信量[12]。

本文采用層次化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，區(qū)域劃分所需時間要盡量的少，因此，區(qū)域自適應(yīng)識別算法需要做一定簡化。傳統(tǒng)區(qū)域的廣域保護(hù)識別算法有大量無效計算數(shù)據(jù)，計算區(qū)域故障點時僅需包含疑似故障點相鄰近、遠(yuǎn)后備保護(hù)范圍內(nèi)的線路。因此，中心站搜集廣域信息并識別出疑似故障點后，以該疑似故障點為中心，將故障點相鄰線路及其近、遠(yuǎn)后備范圍內(nèi)的線路劃定為疑似故障區(qū)域。以該疑似故障區(qū)域進(jìn)行后備保護(hù)算法，實現(xiàn)故障區(qū)域的自適應(yīng)識別。

以圖2的IEEE-30節(jié)點系統(tǒng)為例，將該30節(jié)點系統(tǒng)作為廣域保護(hù)系統(tǒng)的一個集中結(jié)構(gòu)。假設(shè)L20點發(fā)生短路故障，若中心站能識別到L20為疑似故障點，則以L20為中心，選擇相鄰母線B16、B17以及其他近、遠(yuǎn)后備范圍內(nèi)的母線與連接線路構(gòu)成疑似故障區(qū)域，見圖中虛線所示區(qū)域。

圖2 IEEE-30節(jié)點系統(tǒng)圖

2 基于免疫算法的故障識別與決策算法

本文采用具有高容錯性的免疫算法作為故障識別算法。考慮到重要元件保護(hù)的可靠性較高，在信息采集時收集發(fā)電機、變壓器等信息，有利于提高故障判斷的準(zhǔn)確性，同時有利于中心站潮流轉(zhuǎn)移算法的識別。

2.1 采集信息編碼

故障元件的識別主要依靠不同算法的IED采集到的信息，主要有3大類：①基于傳統(tǒng)繼電保護(hù)的就地主保護(hù)元件，如基于雙端信息的主保護(hù)元件、基于單端信息的距離保護(hù)等；②基于廣域后備保護(hù)算法的故障識別元件，如基于電流比較原理的故障識別元件、基于故障電壓比較的故障識別元件、基于故障電流分布的故障識別元件等；③基于方向判別算法的故障方向判別元件。

本文將收集的信息規(guī)范為3類，主保護(hù)動作信息、廣域后備保護(hù)算法信息和方向元件信息?？紤]到?jīng)Q策信息的獨立性，保護(hù)范圍內(nèi)不同的信息采用不同信道的IED收集。根據(jù)免疫算法的要求對信息進(jìn)行編碼，原則如下：

1）主保護(hù)動作IED輸出1，未動作輸出0。

2）廣域保護(hù)算法識別到該元件故障輸出1，未識別輸出0。

3）方向元件識別故障時的故障電流方向，電流流出母線為1，流入母線為-1，無故障電流輸出0。

4）系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)以母線為單位，按照發(fā)電機、變壓器、線路、輸出端的順序組成抗原矩陣，根據(jù)線路重要程度安裝不同數(shù)量、不同算法的主保護(hù)與后備保護(hù)元件，經(jīng)過決策輸出IED動作值，數(shù)據(jù)畸變或接收失敗以數(shù)值2代替。

編碼時，母線上第元件的IED輸出記為：

母線上各元件按發(fā)電機、變壓器、線路、輸出端的順序排序，對于任意一個參數(shù)發(fā)生變化整個站點信息都傳入數(shù)據(jù)中心，生成抗原矩陣，即

式中，B表示以母線為單位生成的抗原矩陣。發(fā)生故障時，中心站接收到不同子站的抗原矩陣的集合作為抗原。

2.2 故障識別原理

基于免疫算法的故障定位主要由建立抗體庫、免疫操作和譯碼等部分組成。

首先要建立相應(yīng)容量的抗體庫，即理想情況下所屬區(qū)域內(nèi)的所有元件出現(xiàn)故障時各IED應(yīng)該接收到的狀態(tài)矩陣。同時，實時監(jiān)視各IED的情況，當(dāng)有故障信息出現(xiàn)時立即讀取含有故障信息的狀態(tài)矩陣生成疑似故障抗原。通過免疫操作計算抗體的親和度，最后決策機構(gòu)譯碼并向相應(yīng)的斷路器發(fā)出動作跳閘命令或者閉鎖命令。

（3）

式中，為抗體N對位的位數(shù)。

中心站在識別故障時需要保證一定程度的準(zhǔn)確性，同時更應(yīng)滿足時效性，而子站的故障識別首要滿足準(zhǔn)確性。因此，決策算法分別如下：

1）識別疑似故障點

對于區(qū)域中心站應(yīng)實時更新網(wǎng)內(nèi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成該區(qū)域的抗體庫。中心站一旦收到故障信號，系統(tǒng)立即做出結(jié)論并將信息傳回子站。為了保證時效性，同時快速判斷疑似故障點，識別算法應(yīng)盡量簡單。

定義抗體N與抗原的沖突因子N：

沖突因子N反映了不同元件對采集信息的沖突強度，N越小，N對應(yīng)的元件故障可能性越高。

在決策時，為保證系統(tǒng)能正確識別誤動以及故障點判斷的準(zhǔn)確性，需要設(shè)置一定的閾值。決策結(jié)果N為

式中，N為1時，系統(tǒng)判定元件N疑似故障，閾值N與元件N性質(zhì)和相鄰?fù)負(fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)。

閾值N取值過大或過小都會導(dǎo)致決策易發(fā)生誤判。若被保護(hù)元件的相關(guān)主保護(hù)IED全部失效，即發(fā)生變電站全站掉電的極端情況，該算法已失去意義。因此，N取值在保證盡量小的情況下，不應(yīng)小于對應(yīng)元件N相關(guān)主保護(hù)數(shù)。如圖2中，20的故障閾值L20為3，B16的故障閾值B16為4。

2）疑似故障區(qū)域內(nèi)故障點識別

系統(tǒng)根據(jù)疑似故障點生成疑似故障區(qū)域，為了保證準(zhǔn)確性，在區(qū)域內(nèi)要使用完整的免疫算法計 算[13]。通過免疫算法計算得到區(qū)域內(nèi)不同元件的親和度，決策元件根據(jù)免疫算法結(jié)果做出相應(yīng)動作。

2.3 廣域保護(hù)跳閘策略

廣域保護(hù)主要實現(xiàn)電網(wǎng)近后備、遠(yuǎn)后備等后備保護(hù)功能，在跳閘策略上要區(qū)別于主保護(hù)功能。本文從結(jié)構(gòu)上把廣域保護(hù)系統(tǒng)分為3個層面，因此算法流程分為中心站和子站流程。

1）中心站流程

作為區(qū)域監(jiān)控層面，中心站收集的數(shù)據(jù)量極大，系統(tǒng)面臨較大的數(shù)據(jù)失真考驗。同時，由保護(hù)整定不協(xié)調(diào)、區(qū)域潮流變化等原因易引起元件誤動?？紤]以上兩方面，系統(tǒng)加入防誤動模塊。

中心站運行時，實時加載電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并生成抗體。斷路器動作或信號丟失后，中心站接收到抗原信號。系統(tǒng)立即執(zhí)行疑似故障點識別算法，得到識別結(jié)果N。若N=0，則判斷元件誤動，系統(tǒng)返回不動作指令，同時加載潮流轉(zhuǎn)移算法并在線調(diào)整保護(hù)整定值。若N=1，則排除元件誤動，立即向子站發(fā)送故障元件信息。中心站流程圖如圖3所示。

2）子站流程

廣域保護(hù)作為后備保護(hù)，主保護(hù)正確動作時應(yīng)及時閉鎖避免擴大停電范圍，主保護(hù)未能正確動作時加速臨近后備保護(hù)以減小停電造成的影響。因此，系統(tǒng)加入防拒動模塊增強后備保護(hù)功能。

圖3 廣域保護(hù)中心站流程圖

子站運行時，實時加載附近區(qū)域的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并生成抗體庫。收到中心站的疑似故障信號后，根據(jù)疑似故障點生成疑似故障區(qū)域并起動免疫算法。根據(jù)算法結(jié)果可以得到具體故障元件，若故障元件兩側(cè)有主保護(hù)IED顯示未動作，則判定該IED所控制的斷路器拒動，命令相鄰后備保護(hù)加速動作并將信息傳遞給中心站；若保護(hù)正常動作，閉鎖相鄰后備保護(hù)，調(diào)整跳閘后的保護(hù)整定值并將信息返回給中心站。子站流程圖如圖4所示。

圖4 廣域保護(hù)子站流程圖

3 算例分析

中心站作為系統(tǒng)監(jiān)控層，是分層次廣域保護(hù)系統(tǒng)的核心，需要保證其能正確識別故障，而子站在排除誤動干擾后可以有效判斷元件情況，即使判斷失效也能快速動作減小停電范圍。因此在這里通過常規(guī)后備保護(hù)和容錯性分析中心站識別故障能力。

3.1 中心站常規(guī)后備保護(hù)算例分析

本文仍以圖1所示的IEEE-30節(jié)點為例。分別在線路L20、母線B30上發(fā)生故障時，考慮誤動、拒動。通過快速識別算法分析分別可以得到故障抗原與相關(guān)抗體的沖突因子，表1至表3分別為L20故障時線路正常情況和拒動情況的沖突因子表。

表1 L20故障正常情況下沖突強度表

表2 L20故障單側(cè)斷路器拒動時各抗體與故障抗原沖突強度

表3 L20故障兩側(cè)斷路器拒動時各抗體與故障抗原沖突強度

從表中可以得知，在兩側(cè)斷路器都拒動的情況下L20的疑似故障判斷依然有很大的裕量。同理可以得到B30故障時最嚴(yán)峻的情況發(fā)生在母線側(cè)斷路器全部拒動，此時中心站快速判斷的準(zhǔn)確性依然有一定裕量，結(jié)果見表4。

表4 B30故障斷路器全部拒動時各抗體與故障抗原沖突強度

若某元件誤動，以抗體庫中L20附近抗體為例，各抗體與抗原沖突因子如下，不滿足閾值條件，中心站判定為元件誤動，計算結(jié)果見表5。此時中心站只需將信息傳遞給誤動子站，不需要進(jìn)一步的計算，同時避免了極端條件下傳統(tǒng)算法誤判造成的停電范圍擴大等情況。

表5 某元件誤動時各抗體與故障抗原沖突強度

文獻(xiàn)[13]提及一種超過傳統(tǒng)免疫算法容錯能力的情況，通常會得到兩個相鄰元件故障的結(jié)論。若只是由于某一斷路器拒動引起此現(xiàn)象，則勢必導(dǎo)致判定結(jié)果嚴(yán)重錯誤。通過子站的算法流程可以有效區(qū)分此情況。

與傳統(tǒng)免疫算法相比，中心站在一般故障拒動、誤動識別功能的準(zhǔn)確性方面一致。

3.2 中心站容錯性與計算性能分析

以母線故障為例，通過對IEEE-30節(jié)點系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點的模擬故障分析，記錄每個節(jié)點受數(shù)據(jù)失真影響所允許的最高沖突因子與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的免疫算法對比，如圖5所示。對30個節(jié)點加權(quán)平均計算可以得到，最嚴(yán)重情況下，中心站改進(jìn)免疫算法的容錯性能相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)免疫算法減少了35.12%。

圖5 30節(jié)點故障的沖突因子對比圖

同時分析了使用兩種算法對B1～B10節(jié)點的計算時間，對比如圖6所示。對10個節(jié)點加權(quán)平均計算可以得到，中心站改進(jìn)免疫算法的計算時間相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)免疫算法減少了81.47%。

圖6 10節(jié)點故障的計算時間對比圖

通過算例分析可知，該改進(jìn)算法在保證有足夠容錯率的情況下，大幅提高了后備保護(hù)的速動性。

4 結(jié)論

廣域保護(hù)的根本目的在于防止連鎖跳閘事故、改善后備保護(hù)性能。對此，本文提出基于免疫算法的分層次廣域保護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用改進(jìn)的免疫算法，調(diào)和了通信量與數(shù)據(jù)容錯性的矛盾。IEEE-30節(jié)點系統(tǒng)的多組案例計算表明，該系統(tǒng)在各類極端工況下均能有效判斷故障位置，排除擾動影響，與傳統(tǒng)分層次系統(tǒng)相比，保證了算法的容錯性和準(zhǔn)確性；與傳統(tǒng)免疫算法對比，該系統(tǒng)顯著提高了計算效率，算法流程更為完善。為防范大規(guī)模潮流轉(zhuǎn)移引起的連鎖跳閘事故以及后備保護(hù)的在線整定提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

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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，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)微機保護(hù)及控制。