硕士论文-基于人工智能技术的电力系统母线保护的应用研究.pdf

分类号： U D C Y 9 1 1 2 j 7 学校代号：1 1 9 l l 密级：学号：2 2 4 0 3 0 4 1 8 8 广东工业大学学位论文 基于人工智能技术的电力系统 母线保护的应用研究 指导教师： 学科门类： 专业名称： 申请学位级别： 论文提交日期： 论文答辩日期： 学位授予单位： 郑帅 隧尘生熬攫 王堂 皇左丕煎巫甚自弛丝 硕士 Z Q Q 生目 2 Q Q 生旦 亡峦王些左堂 摘要 随着现代电力系统的发展，尤其是三峡电厂的发电及“西电东送”速度的加 快，超高压、远距离、大容量输电及全国性联网已成为必然，因而，对保证电网 安全与稳定运行的继电保护技术提出了更高的要求。一些传统的继电保护和故障 诊断技术己不能满足电力系统不断发展的要求。研究可靠性高、选择性好、动作 速度快的母线保护一直为继电保护工作者们所关注。目前，基于人工智能技术的 继电保护系统越来越受到重视，本文对此展开了研究工作。 母线是电力系统厂站最重要的设备之一，母线保护是保障母线安全和可靠运 行的保护设备。寻找性能完善、功能强大、可靠性高及智能化程度高的母线保护 是母线保护研究的方向。 本文分析了传统的母线继电保护所存在的不足，运用人工智能技术所具有的 自适应、自学习能力，提出基于人工智能技术的母线继电保护的概念，并建立了 相关的保护模型。全文包括两大部分，第一部分是基于人工神经网络的母线保护 的研究，第二部分是基于多A 2 e n t 技术的母线保护的研究。 本文第二章阐述传统母线保护的发展过程和其优缺点。从母线实现方式、实 现原理和实现结构上阐述了母线保护的发展状况，并提出了母线保护的几个关注 问题。传统的母线保护大多采用电流比相原理或带比率制动的电流差动原理来实 现，这两种原理保护的主要缺点是抗电流互感器饱和的能力较差。第三章介绍人 工神经网络及多A g e n t 系统的概念、特点和结构。第四章详细介绍基于人工神经 网络的母线保护的研究。对母线保护人工神经网络模型的构建、模型参数的学习 估计算法等进行了研究分析，并进行母线保护人工神经网络模型的实例训练，验 证该保护的可行性。第五章介绍基于多A g e n t 技术的母线保护系统的研究。利用 A g e n t 的自治、协调和分布特性，提出了基于多A g e n t 技术的母线保护系统，该 保护系统由协调层A g e n t 和执行层A g e n t 构成，通过各变电站之间的光纤通信网 进行通信，该保护系统相对于传统的母线保护具有不受电流互感器饱和的影响， 能够自适应被保护母线的各种运行方式，运行可靠，保护动作速度快( 动作时间 广东工业大学工学硕士学位论文 在3 0 m s 左右) 等优点。并对此进行了仿真实验，验证该保护的可行性。 论文最后总结了全文的工作，并提出下一步的研究方向。 关键诃：继电保护，母线保护，人工神经网络，多A g e n t 系统，分布式保护 I I A b s t r a c t A b s tr a c t T h et h e s i sa n a l y z e st h es h o r t c o m i n ge x i s t i n gi nt r a d i o n a lr e l a y i n go f b u sp r o t e c t i o n ，p u t sf o r w a r dt h ei d e ao fu s i n gt h ea r t i f ic i a li n t e l l i g e n c e t e c h n o l o g yi nt h es c h e m eo fb u sp r o t e c t i o na n de s t a b l i s h e st h er e l a y i n g m o d e l A r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c et e c h n o l o g yh a s t h ec a p a b 儿i t yo f s e l f s t u d y i n ga n ds e l f a d a p t i v i t y T h et h e s i sc o m p r is e st w op a r t s ：t h ef i r s to n eist h er e s e a r c ho fb u s D r o t e c t i o nb a s e do na r t i f i c i a lN e u r a lN e t w o r k ( A N N ) ：t h es e c o n do n ei st h e s t u d yo fb u sr e l a y i n gs y s t e mb a s e do nm u l t i a g e n tt e c h n o l o g y C h a p t e r2e x p o u n d sb a s i sc o n c e p ta n dn o r m a lp r i n c i p l e so ft r a d i o n a l b u sp r o t e c t i o na n di n d i c a t e st h ed e f e c to ft h e s ep r o t e c t i o n s C h a p t e r3i n t r o d u c e st h ec o n c e p t ， c h a r a c t e r i s t i ca n ds t r u c t u r eo f a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k( A N N )a n dm u l t i a g e n ts y s t e m ( M A S ) C h a p t e r4i n t r o d u c e st h er e s e a r c ho fb u sp r o t e c t i o nb a s e do na r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r ki nd e t a i l F o ri m p r o v e m e n to fb u sp r o t e c t i o n ，i ti s n e c e s s a r yt oi n t r o d u c en e wt h e o r ya n dt e c h n o l o g y A sam a t h e r n a ti ct o o l w i t hh i g hi n t e l l i g e n c e ， A N N ( A r t i f i c i a lN e u r a lN e t w o r k ) i ss u i t a b l e f o r t h er e s e a r c ho nn e wp r o t e c t i o n F o ra1 0 n gw h i l e ，t h ea p p l i c a t i o no fA N N t or e l a yp r o t e c t i o ni sb a s e do nc l a s s i f i c a t i o na b i l i t y A N Nist r a in e db y s a m p l ed a t a ， w h i c hc a nc h a r a c t e r i z ef a u l t T h ev a r i o u sf a u l t so fp o w e r s y s t e mc a nb ed is t i n g u is h e da n dj u d g e db yt h et r a i n e dA N N U n f o r t u n a t e l y ， l a c k i n go fs a m p l ed a t ar e s t r i c t st h ea b r o a da p p li c a t i o no fA N Np r o t e c t i o n t op o w e rs y s t e m T h er e l a y i n gs y s t e mh a sm a n yp r o T l l i n e n ta d v a n t a g e sc o m p a r e d t ot r a d i t i o np r o t e c t i o n Al o to fs i m u l a t i n gc a l c u l a t i o n sh a v eb e e nd o n e T h er e s u l t so fm o d e lt e s ts h o w e dt h e i rf e a s i b i l i t v C h a p t e r 5i n t r o d u c e st h es t u d yo fb u sr e l a y i n gs y s t e mb a s e do n m u l t i a g e n tt e c h n o l o g y M a k i n gu s e t h e a g e n t sc h a r a c t e r i s t i c so f I 广东工业大学工学硕士学位论文 a u t o n o m y ，c o o p e r a t i o na n dd i s t r i b u t i o n T h et h e s i sp u t sf o r w a r dt h es t u d y o fb u sr e l a y i n gs y s t e mb a s e do nm u l t i a g e n tt e c h n o l o g y T h er e l a y i n gs y s t e m c o n s i s t so fc o o r d ir a t i o na g e n ta n de x e c u t i o na g e n t S i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h er e l a y i n g s y s t e mh a st h ea d v a n t a g eo fi n s t a n t a n e o u s o p e r a t i o no ft h e h o lel i n ec o 皿p a r e st ot r a d i t i o np r 。t e c t i 。n ， a n dt h e a d V a n t a g eo fe c o n o m i z i n gt h ec h a n n e li n v e s t m e n tc o m p a r e st op i l o tr e l a y i n g T h ep r o j e c ti sf e a s i b l e a n dc a nb e c o m et h em a i np r o t e c t i o no fd i v e r s e V o l t a g eg r a d e A tt h ee n do ft h et h e s i s ， s o m ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n sa n df u t u r e r e s e a r c hd i r e c t i o n sa f t e rt h i sr e s e a r c ha r eg i v e no u t b r i e f l y K e yw o r d s ：R e l a y i n g ；B u sp r o t e c t i o n ；A r t i f i c i a lN e u r a lN e t w o r k ( A N N ) M u l t i a g e n ts y s t e m ； D i s t r i b u t e dp r o t e c t i o n 第一章绪论 第一章绪论 基于人工智能技术的母线继电保护是随着电力技术的进步、人工智能理论的 发展及其在电力系统中的应用，为了满足电网结构和规模的快速发展对继电保护 所提出的更高要求的基础上产生的。本章主要介绍了继电保护技术的发展过程、 基于人工智能技术的母线继电保护系统产生的必要性和国内外研究现状，并阐述 本文所研究的主要内容+ 。 1 1 电力系统继电保护概述 电力系统是国民经济的基础工业，电力系统运行生产的安全性和可靠性对国 民经济发展起到重要的作用，一旦在电力系统运行中出现恶性事故，将会造成国 民经济的重大损失，并对国家政治和人民生活产生严重的影响。 电力系统的运行要求安全可靠、电能质量高、经济性好。但是，电力系统的 组成元件数量多，结构各异，运行情况复杂，覆盖的地域辽阔。因此，受自然条 件，设备及人为因素的影响，可能出现各种故障和不正常运行状态。故障中最常 见，危害最大的是各种型式的短路。发生短路时可能造成的危害是： 1 故障点的很大的短路电流燃起的电弧，使故障设备损坏。 2 从电源到短路点问流过短路电流，它们引起的发热和电动力将造成在该路 径中有关的非故障元件的损坏。 3 靠近故障点的部分地区电压大幅度下降，使用户的正常工作遭到破坏或影 响产品质量。 4 破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使该系统瓦解和崩 溃。 所谓不正常运行状态是指系统的正常工作受到干扰，使运行参数偏离正常值， 如一些设备过负荷、系统频率或某些地区电压异常、系统振荡等。 本论文受广东省教育厅基金项目资助，项目编号z 0 2 0 3 3 广东工业大学工学硕士学位论文 故障和不正常运行状态若不及时处理或处理不当时，就可能在电力系统中引 起事故。事故是指人员伤亡和设备损坏、对用户停电或少送电、电能质量降低到 不能容许的程度。 故障和不正常运行情况常常是难以避免的，但事故却可防止。电力系统继电 保护装置就是装设在每一个电气设备上，用来反应它们发生的故障和不正常运行 情况，从而动作于断路器跳闸或发出信号的一种有效的反事故的自动装置n - 。它 的基本任务是： ( 1 ) 自动、有选择性、快速地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件损坏 程度尽可能减轻，并保证该系统中非故障部分迅速恢复正常运行。 ( 2 ) 反应电气元件的不正常运行状态，并依据运行维护的具体条件和设备的承 受能力，发出信号、减负荷或延时跳闸。 应该指出，要确保电力系统的安全运行，除了继电保护装置外还应该设置电 力系统安全自动装置。后者是着眼于事故后和系统不正常运行情况的紧急处理， 以防止电力系统大面积停电和保证对重要负荷连续供电及恢复电力系统的正常运 行。如自动熏合闸、备用电源自动投入、自动切负荷、快关汽门、电气制动、远 方切机、在选定的开关上实现系统解列、过负荷控制等。 随着电力系统的扩大，对安全运行的要求也更高。为此，还应设置以各级计 算机为中心，用分层控制方式实施的安全监控系统，它能对包括正常运行在内的 各种运行状态实施控制。这样才能更进一步地确保电力系统的安全运行。 动作于跳闸的继电保护，在技术上应满足四个基本要求，即选择性、速动性、 灵敏性和可靠性。 1 2 继电保护技术的发展史 继电保护技术是随着电力系统的发展而发展起来的。电力系统的飞速发展又 对继电保护不断提出新的要求。同时，电子技术、计算机技术与通信技术的飞速 发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力。 电力系统中的短路故障是不可避免的，短路必然伴随着电流的增大，因而为 了保护电力设备免受短路电流的破坏，首先出现了反应电流超过一预定值的过电 第一章绪论 流保护。熔断器就是最早的、最简单的过电流保护。1 9 世纪9 0 年代出现了装于 断路器上并直接作用于断路器的一次式( 直接反应于一次短路电流) 电磁型过电 流继电器。 1 9 0 1 年出现了感应型过电流继电器，1 9 0 8 年提出了比较被保护元件两端电流 的电流差动保护原理，1 9 1 0 年方向性电流保护开始得到应用。2 0 世纪2 0 年代初 出现了距离保护装置，随着电力线载波通信的发展，在1 9 2 7 年出现了利用输电线 本身传送和比较输电线两端功率方向和电流相位的高频保护装置。2 0 世纪5 0 年 代出现了利用微波传送和比较输电线两端故障电气量的微波保护。现在，随着光 纤通信在电力系统中的广泛采用，利用光纤传送和比较输电线两端电流幅值和相 位的光纤保护成了电力系统中主要的纵联保护方式。 与此同时，构成继电保护装置的元件、保护装置的结构形式也发生了巨大的 变革。2 0 世纪5 0 年代以前的继电保护装置都是由电磁型、感应型或电动型继电 器组成的，这些继电器都具有机械转动部件，统称为机电式继电器，由这些继电 器组成的继电保护装置称为机电式保护装置。自5 0 年代末，由于半导体晶体管的 发展，开始出现了晶体管式继电保护装置，6 0 年代中期到8 0 年代中期是晶体管 继电保护蓬勃发展和广泛采用的时代。这种保护装置体积小，功率消耗小，动作 速度快，无机械转动部分，称为电子式静态保护装置。从7 0 年代中期，基于集成 运算放大器的集成电路保护己开始研究，到8 0 年代末集成电路保护已形成完整系 列，逐渐取代晶体管保护，到9 0 年代初集成电路保护的研制、生产、应用仍处于 主导地位，这是集成电路保护时代。在6 0 年代末，有人提出用小型计算机实现继 电保护的设想，在7 0 年代后半期，出现了比较完善的微机保护样机，并投入到电 力系统中试运行，8 0 年代微机保护在硬件结构和软件技术方面已趋成熟，并已在 一些国家推广应用。 微机保护具有强大的计算、分析、逻辑判断能力和存储记忆功能，因而可用 于实现任何性能完善且复杂的保护原理。微机保护可以实时的对自身的工作情况 进行自检，工作可靠性高。此外，可用同一硬件实现不同的原理保护，这使保护 装置的制造大为简化，也容易实现保护装置的标准化。微机保护除了保护功能外， 还可兼有故障录波、故障测距、事件顺序记录、与调度计算机交换信息等辅助功 能，这对简化保护的调试、事故分析和事故后的处理等都有重大意义n “，。 广东工业大学工学硕士学位论文 我国从2 0 世纪7 0 年代末即已开始了计算机继电保护的研究n ，高等院校和 科研院所起着先导的作用。华中科技大学、东南大学、华北电力大学、西安交通 大学、天津大学、上海交通大学、重庆大学和南京电力自动化研究院都相继研制 了不同原理、不同型式的微机保护装置。1 9 8 4 年原华北电力学院研钳的输电线路 微机保护装置首先通过鉴定，并在电力系统中获得应用”，揭开了我国继电保护 发展史上新的一页，为微机保护的推广开辟了道路。在主设备保护方面，东南大 学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护和发电机一变压器组保护 也相继于1 9 8 9 、1 9 9 4 年通过鉴定，投入运行。南京电力自动化研究院研制的微机 线路保护装置也于1 9 9 1 年通过鉴定。天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制 的微机相电压补偿式方向高频保护，西安交通大学与许昌继电器厂合作研制的正 序故障分量方向高频保护也相继于1 9 9 3 、1 9 9 6 年通过鉴定。至此，不同原理、不 同机型的微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了一批新一代性能优 良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。随着微机保护装置的研究，在微机保 护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。可以说从2 0 世纪9 0 年代开始，我 国继电保护技术已进入了微机保护的时代。 1 3 基于人工智能技术的电力系统母线保护 1 3 1 基于人工智能技术的电力系统母线保护的提出 尽管微机保护在性能、功能及可靠性等方面都远远超过了传统的晶体管型和 集成电路型保护，但其并没有充分发挥计算机所具有的智能作用。继电保护技术 的未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体 化发展”1 ，在2 0 0 2 年举行的国际大电网会议上就提出了“系统保护”的概念”， 即要求尽可能的将保护、监控、测量、远动、通信等功能集成在一个装置内，以 便减少设备的投资及提高设备运行的可靠性。 目前，随着计算机技术和通讯技术的快速发展，人工智能技术的发展也迈上 了一个新的台阶，并在很多领域得到了应用。人工智能中的神经网络所具有的并 行运算能力、极强的自适应性、高度的鲁棒性和容错能力“o - ，对于非线性系统的 求解比传统计算方法有着无与伦比的优势，它弥补了传统方法的单纯依靠数学求 4 第一章绪论 解的不足，解决了某些传统计算方法难于求解或不能求解的问题，很适合于处理 电力系统这样复杂的非线性大规模动态系统，存在着许多极为复杂的工程计算和 非线性优化问题。作为分布式人工智能技术的一个分支，多A g e n t 系统( M A s M u l t i a g e n tS y s t e m ) 具有自治、协调和分布特性。”1 ，并具有自组织能力、学 习能力和推理能力，已经引起电力系统研究人员的高度重视，并取得一些成果。 基于电网发展的要求和人工智能技术所具有的优越性，本文提出将人工智能 技术应用于电力系统继电保护领域，以适应现代化电网的安全、稳定、可靠和经 济运行。 1 3 2 国内外研究现状 人工智能在电力系统中的应用研究始于上个世纪8 0 年代，根据其在电力系统 中解决问题的特性，可以将其分为实时控制( 继电保护、切负荷、励磁控制、故 障诊断等) “3 1 和管理规划( 自动发电控制、安全评价、故障恢复、负荷预测等) 两个部分”7 “。 为了解决传统的继电保护所存在的不足，满足电网发展对继电保护的新要求， 国内外的学者在将人工智能技术应用于电力系统继电保护方面展开了大量的研究 工作，并取得了很多技术成果。文献 2 1 提出将人工神经网络( A N N A r t i f i c i a l N e u r a lN e t w o r k ) 技术用于数字距离保护整定，以自动适应网络运行条件的变化。 文献 2 2 ，2 3 提出的基于神经网络的电流保护相对于传统的电流保护，具有明显 的优点，网络能够自动的识别各种故障情况，保证8 5 的保护范围内的正向故障 均能可靠的动作，使得电流保护打破了受电网接线方式和系统运行方式影响的缺 点，还使得电流保护不仅适用于低压网络，还可以作为高压网络的主保护。 将A g e n t 技术引入继电保护领域始于1 9 9 5 年。文献 2 4 阐述了A g e n t 根据保 护方案库中已有的例子来进行保护方案设计的过程，其示例系统可以设计单个母 线或线路的简单保护，也可在线路或母线之问实现简单的配合。文献 2 5 探讨了 在三端电源网络接线的距离保护中应用A g e n t 实现自适应整定的可能性，文中由 整定A g e n t 收集运行电量监测A g e n t 和断路器状态监测A g e n t 的信息，与离线计 算所得的多套定值进行比较，取相对理想的定值作为结果，从而实现一定程度的 定值的自适应调整，缩短了故障切除时间。文献 2 6 提出了A g e n t 技术在后备保 广东工业大学工学硕士学位论文 护中的应用方案，研究表明，通过不同地点之间的保护的信息交互和协作，可以 缩短后备保护动作时间，从而提高远后备保护性能。 1 4 论文的主要工作 电力系统是由发电设备、变压器、输配电线路和用电设备等诸多单元组成的 复杂的非线性动态系统。针对不同的电力设备，有不同原理的保护方式，如母线 保护、输电线路保护、发电机保护、变压器保护、电抗器保护等等。但由于撰写 学位论文的规定完成时间和篇幅，不可能将每一种电力设备的保护都与人工智能 技术相结合，来一一验证其可行性。所以本文仅以母线为研究对象，阐述基于人 工智能技术的母线继电保护系统。研究内容分为两个部分，第一部分是基于人工 神经网络的母线保护。第二部分是基于多A g e n t 技术的母线保护。 全文共分为六章： 第二章介绍传统的母线保护的工作原理及其所存在的不足。 第三章介绍人工神经网络和多A g e n t 系统的模型、结构和特点。 第四章给出基于人工神经网络的母线保护的整体构成方案，设计了柑应绗神 经子网络，并利用电磁暂态计算程序( E M T P E l e c t r o m a g n e t i c T r a n s i e n t s P r o g r a 【1 1 ) 和M A T L A B 中的神经网络工具箱进行了仿真验证。 第五章提出基于多A g e n t 技术的母线保护系统的应用方案，阐述该保护系统 的结构和决策过程，并用E M T P 仿真软件进行了仿真验证。 总结部分概括全文和本人所做的工作，并阐述对未来研究工作的展望。 第二章传统的母线保护简介 第二章传统的母线保护简介 随着社会的发展和科技的进步，我国的电网结构和规模已经从过去的区域性、 小容量、低电压等级发展到了现在的大容量、远距离、超高压和全国性联网的大 规模系统。与此同时，作为电力系统安全运行“守护神”的继电保护装置也从电 磁型、晶体管型、集成电路型发展到了现在的微机型。其作用也从原来的单一性 的保护发展到了具有测量、事件记录以及故障录波等强大的辅助功能。 2 1 母线保护的发展状况概述 随着母线保护实现技术原理的不断完善和实现技术手段的不断发展，保护的 性能和可靠性不断地得到提高，主要表现在：功能上从单一向完善发展；可靠性 上从低向高发展；从完全靠人的干预向高度智能化的发展。下面从保护实现方式、 实现原理和实现结构对母线保护的发展状况进行概述。 2 1 1 母线保护在实现方式上的发展状况 母线保护的实现方式主要分为电磁型、集成电路型和微机型母线保护。 电磁型母线保护 电磁型母线保护是最早的实现方式，保护原理简单，实现容易。但是，保护 性能不是很高，在灵敏度、动作速度、抗T A 饱和能力等方面有明显的不足，缺 乏对母线运行不同条件的适应能力。随着世界上新技术和新器件的发展，电磁型 母线保护已逐渐被集成电路型或微机型母线保护所取代。 集成电路型母线保护 集成电路型母线保护在灵敏度、动作速度、抗T A 饱和能力等方面有了相当 的改善，其主要的代表一一中阻抗母线保护己在电力系统中得到了广泛的应用， 成为现在母线保护的主选产品。目前在我国电力系统中使用的国外公司中阻抗型 母差保护产品主要有A B B 公司的R E B1 0 3 型，G E 公司的B U s1 0 0 0 型。国内厂 广东工业大学工学硕士学位论文 家的产品主要有上海继电器厂组装生产的P M H1 5 0 ( R A D S S ，s ) ，南京电力自动化 设备总厂生产的J M z ，H M z ，J c M z 系列，许昌继电器厂的P M H1 4 0 系列，阿城 继电器厂的P M H4 0 系列。这些国内产品均属于仿A S E A 公司( 现A B B 公司) 的中 阻抗集成电路母差保护，在2 2 0 k v 及以下系统有较成熟的运行经验，但在5 0 0 k v 系统使用较多的仍是进口产品n “。 文献 2 9 ，3 0 】就中阻抗母线保护的原理进行了分析，指出中阻抗型母线电流 差动保护将高阻抗的特性和比率制动特性两者有效结合，显著降低了母差回路的 负载阻抗值，较好地保证了区外故障T A 饱和不误动，区内故障正确快速动作。 它以电流瞬时值作测量比较，测量元件和差动元件多为集成电路或整流型继电器， 当母线内部故障时，动作速度极快，约为l 3 m s 。而在1 ，4 周期以前T A 不会1 0 0 饱和，能较好地传变一次侧电流，对T A 无特殊要求，变比可以不一致。这是目 前国内各电网的主要选择。 集成电路型母线保护在适应母线运行不同情况条件方面还存在某些不足。 微机型母线保护 微机型母线保护采用功能强大的中央处理器( C P U ) 来提高母线保护的保护性 能。文献 3 1 ，3 2 就数字式母线保护的性能进行了分析，比较了数字式与模拟式 母线保护之间的特点，指出数字式保护在适应母线运行方式、保护灵敏性及可靠 性都具有显著的特点。 文献【3 3 ，3 4 ，3 5 详细给出了微机母差保护的实现原理。微机母差保护的最 主要特点是充分利用计算机进行数字计算的能力，方便地实现带比率制动特性的 电流瞬时值差动原理、复式比率差动原理等。微机母差对T A 饱和具有独特的检 i 贝| f 方法，抗T A 饱和能力强，国外有的厂家采用波形判别或补偿法来消除T A 饱和 的影响，即利用1 4 周期前T A 线性传变的采样点，用一定的算法进行波形处理 或判别，以保证保护的选择性。国内的做法，多用同步识别法来克服T A 饱和的 影响，通过判别差动动作与故障发生是否同步来识射饱和情况。微机母差保护还 具有自适应能力，可识别母线运行方式，从理论上可省略引入隔离刀闸辅助触点 的麻烦( 对双母线接线而言) 。同时微机母差保护具有自检功能，可靠性进一步得 到提高。更重要的是，微机母差具有通信接口，可方便地与监控系统互联、完成 信息的远传与远控，实现自动化。当然，微机母差保护具有调试整定方便的优点 8 第二章传统的母线保护简介 是不言而喻的。 随着微机型保护性能和可靠性的不断提高，微机型母线保护的使用现已不断 扩大。现主要使用的有R E B 5 0 0 型、M B P D 型、w M Z 一4 l 型、B P 一2 A 型、L F P 一9 1 5 A 型保护装置n “。 2 1 2 母线保护在实现原理上的发展状况 母线保护在实现原理上分为差动原理和方向原理母线保护。 差动原理母线保护 差动原理母线保护认为在母线正常运行或外部故障时母线上各回路的同一时 刻的电流和应为零，在母线内部故障时母线上各回路的同一时刻的电流和应大于 零，母线上各回路的同一时刻电流和又称为母线保护的差动电流。差动原理母线 保护的母线内外故障特征明显，保护实现容易，判断清楚，一直是母线保护的主 流。而在现场实际运行时，由于母线上各个T A 的变比误差和特性误差的存在， 使差动原理母线保护在母线正常运行时的电流和不为零，即存在一个不平衡电流。 为了保证差动原理母线保护具有足够的灵敏度，要采取一些相应措施将不平衡电 流调节到最小，目前应用最多的措施是通过加装中间变流器和通过软件修正系数 进行调节。在母线区外故障时，由于T A 特性误差的存在，使母线保护不平衡电 流快速增加。为了保证差动原理母线保护在区外故障时不误动，采用了带制动的 差动保护，制动原理就是随着不平衡电流的增加，母线保护的动作阐值也增加， 但要求在区内故障时母线保护动作闭值的增加幅度始终小于保护差动电流的增 加。 在母线出现故障时，特别是区外故障时，电流互感器的饱和对保护的性能影 响甚大，文献【3 6 】就电流互感器的饱和对母线保护的性能影响进行了详尽的分析。 分析结果表明：在母线出现故障时，特别是区外故障时，电流互感器的严重饱和 会造成保护的误判，母线保护必须具有抗T A 饱和的能力，以保证保护性能的优 良。中阻抗母线保护依据T A 饱和时二次回路阻抗减小的事实，使差动回路流过 的差流减小，以躲过T A 饱和的影响n7 - 2 。在母线出现故障时，T A 饱和的时间一 般出现在故障发生的1 ，4 周期( 5 m s ) 后，依据这一T A 饱和时间特征，可以实现具 有抗T A 饱和能力的微机母线保护。主要的抗T A 饱和的方法有：通过判别差动动 9 广东工业大学工学硕士学位论文 作与故障发生是否同步的同步识别法n 7 - 2 飞只以电流量作为判别量，利用波形 相位的比较关系来进行判别的波形判别法n 7 ，；利用工频变化量差流元件I 和阻 抗元件z 与电压元件U 动作的相对时序关系来判别T A 饱和的自适应阻抗加 权法n ”。文献【3 7 】提出一种基于系统阻抗测量的T A 饱和检测算法，随着测量阻抗 的变化，算法可以检测出T A 饱和，并闭锁母线差动保护。文献【3 8 l 从电流互感器 饱和的物理本质出发，提出了基于电流互感器磁链的饱和判据，从理论上找到了 解决电流互感器饱和引起母线差动保护误动问题的可靠方法。并在此基础上提出 了一套基于电流互感器线性区的母线差动保护方案。 对于母线区外故障T A 饱和时，区外故障转区内故障的情况，差动原理母线 保护将在T A 饱和闭锁解除后才能判断内部故障，这使差动原理母线保护的保护 性能降低。文献 3 9 】利用T A 饱和时电流在过零点附近有一段真实传变区的性质进 行区外故障转区内故障的判断。对于T A 断线的情况，差动原理母线保护需退出 运行。 文献【4 0 ，4 l ，4 2 】就采样值电流差动保护的原理进行了研究和分析，提出了 采样值电流差动保护的算法，特别是采样点数和保护判断点数之间的关系，并且 给出了采样值电流差动保护的具体实现方法。依据文献的介绍，采样值屯流差动 保护具有快速灵敏的保护性能，具有较高的抗T A 饱和能力，是目前数字式母线 差动保护的主要实现方法。 方向原理母线保护 方向原理母线保护认为在外部故障时母线上总有一回路的故障电流方向流出 母线，在内部故障时母线上各回路的故障电流方向总是流向母线。若在出现故障 很短时问内就能计算确定出母线上各回路的故障电流方向，方向原理母线保护相 比差动原理母线保护来说具有诸多优点，如不需调节不平衡电流、不考虑T A 特 性不一致和饱和的问题、可适应母线区外故障转区内故障的情况、在T A 断线时 还可继续运行等。但是，若在出现故障很短时间内不能计算确定出母线上各回路 的故障电流方向，则方向原理母线保护还受到T A 饱和的严重影响，会造成保护 的误判。通常情况下要在故障发生后5 m s 内就得计算确定出母线上各回路的故障 电流方向，方向原理母线保护的特点才能体现。 在不考虑T A 饱和的情况下，一些文献提出了利用线路保护的潮流方向来实 l O 第二章传统的母线保护简介 现方向母线保护的方法m ，。最近几年国内外开展了对T A 饱和情况下的方向原理 母线保护的研究，重点是如何在母线出现故障很短时间内就能计算确定出母线上 各回路的故障电流方向。文献【4 4 ，4 5 提出依据故障电流行波和故障电压行波的 极性来确定故障电流方向的方法：文献【4 6 】提出依据故障瞬态能量来确定故障电 流方向的方法；文献【4 7 】提出一种不需要电压信号的电流比相方向原理。 2 1 3 母线保护在实现结构上的发展状况 母线保护在实现结构上分为集中式和分布式母线保护。 集中式母线保护 集中式母线保护将信号的采集和处理、保护的判断、保护的出口等所有功能 全部集中在一起，优点是结构简单，实现容易。目前国内生产的基本都是集中式 母线保护。但集中式母线保护具有许多缺陷，如间隔到保护装置之间的二次电缆 过多，保护装置的扩展性不强，保护装置的体积大等。 分布式母线保护 分布式母线保护将信号的采集和处理、保护的出口等功能放在母线上的各个 间隔单元中，各个间隔单元分布安装，各个间隔单元处理后的数据信息通过光纤 传送到保护的中心单元，进行保护的判断处理，判断后的结果再通过光纤传回到 各个间隔单元，进行保护出口操作。分布式母线保护相比于集中式母线保护来说 更符合电力系统母线设备的运行特点，能节约大量的二次电缆，具有很强的扩展 性，只需要很小的安装空间。国外已在分布式母线保护的研究和应用上做了许多 工作，并于1 9 8 9 年在日本东京电力公司投运了第一套具有抗T A 饱和影响的基于 光纤通信的分布式母线保护n ”。文献 4 8 ，4 9 ，5 0 】就分布式母线保护的研究和应 用给出了许多的研究结果，表明了分布式母线保护是母线保护的发展方向。对于 分布式母线保护的研究和应用，国内也有一些研究工作结果n 。 虽然分布式母线保护具有诸多优点，但实现困难，技术要求高。数据同步采 集和数据同步传输是分布式差功原理母线保护能否实现的两项关键技术。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 2 母线保护的几个关注问题 母线保护关注的主要问题归纳如下： T A 饱和影响 在母线发生故障时，特别是区外故障时，某些T A 可能会出现饱和，将影响母 线保护的故障判断，严重时会造成误判断。如何可靠地有选择性地躲过T A 饱和的 影响一直是母线保护关注的重点问题。抗T A 饱和的方法主要有：( 1 ) 选用线性工作 区大的T A 或选用光电原理的T A 是一种有效的手段，但目前这种手段还受到经济 上或技术上的制约。( 2 ) 中阻抗母线保护依据T A 饱和时二次回路阻抗的减小，使 差动回路流过的差流减小，以躲过T A 饱和的影响，这一方法已在国内外电力系统 得到普遍应用。( 3 ) 同步检测法是目前微机母线保护常用的一种抗T A 饱和影响的 方法，其原理是通过检测故障启动时刻和差动保护启动时刻的不同步，来确定差 流是否由T A 饱和造成，有效地防止母线区外故障时T A 饱和所造成的保护误动。 实现同步检测法的具体方法有多种，如自适应阻抗加权法、小波变换法等。虽然 抗T A 饱和影响的研究己取得了许多实际应用成果，但抗T A 饱和的影响目前还是 微机母线保护关注的重点，其研究的目标是寻找更加可靠健全的抗T A 饱和影响方 法。 最小不平衡电流调节 差动原理母线保护在投入运行前需调节差动不平衡电流，使其达到最小，这 是母线保护最小动作电流的整定依据。目前最小不平衡电流的调节工作还需人工 完成。由于母线保护的至关重要性，使最小不平衡电流的调节工作具有相当的责 任度；随着母线上T A 数量的增加，最小不平衡电流调节工作的复杂度也增加；每 当母线运行方式的改变，如增加一回线路，其母线保护的最小不平衡电流又需重 新调节，这显然增加了母线保护运行工作者的工作难度。因此如何减轻母线保护 运行工作者的劳动强度和心理负担，智能化地适应母线运行的不同条件，使母线 保护尽量不受人为因素的影响，这是母线保护关注的问题，研究的目标是寻找一 种高度智能化的最小不平衡电流调节方法。 区外故障转区内故障识别 在T A 饱和情况下，母线区外故障转区内故障时，差动原理母线保护将在T A 第二章传统的母线保护简介 饱和闭锁解除后才能判断内部故障，若T A 饱和闭锁解除不及时，则使差动原理母 线保护的保护性能降低。在此种情况下，母线保护如何及时地解除T A 饱和闭锁是 母线保护关注的问题，研究的目标是在T A 饱和情况下母线区外故障转区内故障 时，寻找及时解除T A 饱和闭锁的方法。 T A 断线处理 T A 断线后无法传变电流，严重时将会影响母线保护的故障判断，造成保护的 误动或拒动。为了消除T A 断线的影响，在发生T A 断线时差动原理母线保护应闭 锁运行。但是，一旦母差保护被闭锁，则母线将在无保护配置情况下运行，这是 极其危险的。在T A 断线后，是否能找到一种保护方法使母线保护继续运行，并且 在母线故障时能区分母线的区内外故障，这显然是人们关注的重要问题与研究的 目标。方向原理母线保护在经过一系列逻辑判断后，可以对T A 断线后的母线区内 外故障进行判断，这也是近几年研究方向原理母线保护的原因之一。 故障电流方向求取 在考虑T A 饱和的情况下，实现方向原理母线保护的关键是出现故障很短时间 内( 5 m s ) 计算出母线上各回路的故障电流方向。找到一种在很短时间内( 5 m s ) 就能 可靠求取故障电流方向的方法是母线保护研究的目标之一。 数据同步采集和数据同步传输 虽然国外已有分布式母线保护投运的实例，并在分布式母线保护的应用上取 得了经验，但国内在分布式母线保护的应用上还未有成功的例子。数据同步采集 和数据同步传输是实现分布式差动母线保护的两个关键技术，这两个技术实现的 优劣将决定分布式差动母线保护实现的优劣。对于分布式差动母线保护来说，计 算差流的数据是母线上各个T A 的同一时刻的电流采样值。如何保证母线上各个 T A 电流值的采样时间同一性和传输时间同一性，这是实现分布式差动母线保护所 关注的重点问题，其研究目标就是获得性能优良的数据同步采集和数据同步传输 技术方法。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 3 本章小结 发电厂和变电所的母线是电力系统中的一个重要组成元件，母线工作的可靠 性直接影响着发电厂和变电所工作的可靠性。因此，要求在母线上发生故障时， 能够快速、可靠的将故障点隔离，以保证系统的安全稳定运行。现有的母线保护 大多采用电流比相原理或带比率制动的电流差动原理来实现，这两种原理保护的 主要缺点是抗电流互感器饱和的能力较差。 1 4 第三章人工神经网络和多A g e n t 系统简介 第三章人工神经网络和多A g e n t 系统简介 3 1 人工神经网络概述 神经网络泛指生物神经网络和人工神经网络。 生物神经网络主要指人的大脑以及脊髓的中枢神经系统，同时还包括感觉神 经、运动神经、交感神经、副交感神经等周围神经系统。这些神经系统负责人类 机体各种活动的管理。 人工神经网络n o ，是在对人脑组织结构和运行机制的认识理解基础上模拟其结 构和智能行为的一种系统工程，由大量的处理元件( 如电子元件) 互相连接而成 的网络。它是一种具有大脑风格的信息处理，其本质是通过网络的变换的动力学 行为获得某种并行分布式的信息处理功能，并在不同层次和程度上模仿人脑神经 系统的信息处理功能。人工神经网络是神经科学、思维科学、人工智能、计算机 科学等多个领域的交叉学科。 3 1 1 人工神经元模型 人脑是人工神经网络的基础和原型。根据生物神经元的机理和功能，心理学 家w M c C u l l o c h 和数学逻辑学家w P i t t s 在1 9 4 3 年提出了简化的神经元模型， 即M P 模型。在这个模型的基础上，又发展了许多其它的模型，图3 一l 是最典型 的人工神经元模型。 该神经元模型的输入输出关系为 s ，= 一目，= 玉( = 目，= 一1 ) ( 3 1 ) l = l