（电力系统及其自动化专业论文）新型配电网继电保护的研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n de l e c t r i cp o w e rd e m a n di n c r e a s e sq u i c k l y ， d i s t r i b u t i o nn e t w o r kb e c o m e sm o r ec o m p l e x i t y ，a n dc o n v e n t i o n a lp r o t e c t i o nc a n n o tm e e tt h e n e e do ft h ep r o t e c t i o ni nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h er e a s o n sa r e ：1 t h er e l a ys e t t i n g sa r en o tb e s t s e t t i n g su n d e rd i f f e r e n tm o d eo fo p e r a t i o n ( i n c l u d i n gt h em a i nm o d eo fo p e r a t i o n ) c a s e db y c h a n g e so ft h en e t w o r k ；2 t h ep e r f o r m a n c eo fp r o t e c t i o nb e c o m ew o r s ea n dr e j e c ta c t i o nw h e n m o s td i s a d v a n t a g ef a u l to c c u ru n d e rt h el e a s tm o d eo fo p e r m i o no ft h en e t w o r k t os o l v et h e s e d e f e c t s ，a d a p t i o np r o t e c t i o ni sb r o u g h tf o r w a r da n du s e dw i d e l y f i r s t l y ，t h ep a p e ra n a l y s e st h eo r i g i na n dd e v e l o p m e n tc o n d i t i o no fa d a p t i v ep r o t e c t i o n ； a n a l y s e st h es t r u c t u r e 、s t a r t - u pm o d e la n di m p l e m e n t a t i o nm o d e lo f t h ec o m p u t i n gr e l a ys e t t i n g s ； a n da n a l y s e st h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h ep r o t e c t i o ni nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k 、t h ea p p l i c a t i o no f a d a p t i v ep r o t e c t i o ni nd i s t r i b u t i o nn e t w o r kp r o t e c t i o na n dt h er e s e a r c h e si nt h ew o r l d s e c o n d l y ，t h ep a p e rs y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e st h et h e o r yo fg e n e t i ca l g o r i t h ma n d i n t r o d u c e st h em a i nm o d i f i e dm e a s u r e st o w a r d st h eg e n e t i ca l g o r i t h m sd e f e c t so fp r e m a t u r e c o n v e r g e n c e ，l o wa b i l i t yo fl o c a ls e a r c h i n g ，n on o l t n s i ne n c o d i n ga n df a i l i n gt o e x p r e s s c o n s t r a i n tc o n d i t i o n so fp r o b l e m s ，a n di m p r o v e sg e n e t i ca l g o r i t h m ss e l e c t i o no p e r a t o r ，g e n e r e o r g a n i z a t i o no p e r a t o ra n dg e n em u t a t i o no p e r a t o r f o l l o w i n ga r et h es p e c i f i ci m p r o v e m e n t s ：1 a d o p t i n gt h es e l e c t i o nw a y so f t h eb e s ts a v es t r a t e g ya n dt w o t w oc o m p e t i t i o n 2 a d o p t i n gt h e h y p e r b o l i cc u r v er e o r g a n i z a t i o np r o b a b i l i t ya n de x p o n e n tm u t a t i o np r o b a b i l i t yi n c r e a s i n gw i t h t h er e l a t i v em a i n t e n a n c eg e n e r a t i o no f t h eb e s ti n d i v i d u a l f i n a l l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h em a t h e m a t i c sm o d e lo fg e n e t i ca l g o r i t h ma p p l i c a t i o ni n a d a p t i v ep r o t e c t i o ni nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k i t so b j e c tf u n c t i o ni sm i n i m i z i n gt h es h i l l - o ft h e o p e r a t i o nt i m e so fr e l a y s t h ep a p e rd e f i n e st h es t a r t u pc o n d i t i o n ( t h em o d eo fo p e r a t i o na n d p r o t e c t i o na c t i o n ) ，a n da n a l y s e st h er e s t r a i n t sp a r t i c u l a r l y t h er e s e a r c h e su s i n gm a t l a bi n d i c a t e t h a tt h ea p p l i c a t i o no ft h em o d i f i e dg e n e t i ca l g o r i t h mi nd i s t r i b u t i o nn e t w o r kp r o t e c t i o ni s e f f i c i e n c ya n df e a s i b l e k e y w o r d s ：a d a p t i v ep r o t e c t i o n ，c o m p u t i n gs e t t i n g so n - l i n e ，s t a r t - u pm o d e l ， i m p l e m e n t a t i o nm o d e l ，g e n e t i ca l g o r i t h m 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，沦文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 乍的同事对本研究所傲 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全 部责任。 论文作者( 签名) ：j 搏夕萨7 年 ? 月芦日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期干玎( 光 盘舨) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阕。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：j 孚辑钟 ? 月日 河海大学硕上学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 配电网继电保护的重要地位 配电网在整个电力系统中的范围是中、低压电网及深入到其中的高压电网，分界点 在高压中压变压器的高压侧，但不包括高压侧的断路器和隔离开关。配电网是电力系 统中i 刊电力用户的关系最密切、最直接的部分，与人们的， 活、牛产息息相关；安全 q - 靠供电是配电网自动化的主要任务之一。 配电网的保护功能是指柃测和判断故障区段，弗隔离故障区域，恢复正常区域供电 。1 。随着人民卜活水平的提高和经济的发展对配电嘲继电保护有很高的要求。配电网继 电保护向多功能、智能化、网络化方向发展，能快速、准确定位配电网故障，迅速隔 离故障并恢复非故障区域供电，为提高配电i 嘲自动化、保障供电可靠性提供了前提。 1 2 配电网继电保护的发展和现状 配电网中的电力设备和线路应装设反映系统故障和异常运行的继电保护和自动装 置，实现智能化和体化，以保证配电网的安全运行。由于中低压配电例规模大、结 构层次复杂、信息采集j i 多，因此继电保护自动装置分布于城市配电删中的不同层次， 范同包括变电站内与配电系统相关的设备、中压配电馈线、开闭所、配变站以及低压 配电网等。 配电网中的继电保护与整个电力系统的继电保护一样，历经了电磁型、晶体管型、 集成电路型、微机型的发展过程，不同形式的保护至今还在配电系统中广泛存在并发 挥作用。微机型继电保护装置由丁性能优越、运行可靠，越来越得到用户的认可而在 配电系统中大量使用。同时，由丁用户对供电质量要求不断提高和制造厂家的努力， 继电保护技术在配电刚巾得到很大的发展，并且超越原有的行业范围，走向多功能智 能化。而传统意义上的独立的继电保护装置正在消失。继电保护装置和设备必须遵循 配电系统的发展规划和建设要求，具有合适的环境适应能力，同时配置有必要的通讯 接口，支持多种介质的通讯方式，实现运行监视控制和数据采集，具备与调度控制中 心通信的功能。 随着微机继电保护在高压电网推广成功，其优良的性能、方便的操作和简单的维 护在电力系统巾深得人心。随后，制造工艺成熟、性能优越、价格适宜的继电保护产 品逐步在中低压电网推广，并在实践应用过程中不断发展。1 。 1 、微机型继电保护扩展成综合测控装置 河海大学硕士学何论文第一章绪论 近年来微电子技术的高速发展，高性能、低价格的c p u 及外围器件不断推出，c p u 强大的计算能力在完成继电保护功能之外，还有较多的能力去处理传统上由另外一些 装置完成的或者过去没有实现的功能，形成了一个融合保护、测量、控制、通讯等功 能在一起的综合装置。在这种装置罩，保护功能得到较大的发展，并可能会发展并研 究出更适用于配电网的保护方法。 这种趋势和要求反过来也对装置制造提出了很高的要求。例如，装置要适应较宽 的温度范围，耐受较强的电磁辐射和干扰水平，要求装置有更强的自检和互检能力。 目前，在城市配电系统新建的丌闭所和配电站中，中低压开关设备就地安装并通过通 信构成自动化系统已成为一个潮流。 2 、l o k v 柱上开关及配电开关智能化 除上述城市配电系统中采用就地安装的综合测控装置外，原来为手动操作的柱上 丌关及配电开关，由于微机保护装置的介入，出现了全新的变化。目前已有开发并使 用的有两大类柱上装置：类是f t u ( 现场远方终端) 和柱上开关分离，各自独立工 作，完成自身功能；另类足将f t u ( 现场远方终端) 与柱上开关组合在一起，成为 一个机电一体化的设备。使用这些具有良好通信能力的智能化设备，可以完成许多在 以前无法完成或者要有很多装置才能完成的任务，同时也给配电网继电保护系统注入 新的内容，即保护的设计和整定需要考虑馈线开关的控制方法。 3 、继电保护自动装置的就地化 继电保护自动装置的就地化使接线简化、间隔清晰、操作更可靠。就地装置通过 通信与集控中心联系，大大减轻了集控中心的空间压力和接线复杂性。而且随着电子 器件和电路设计技术不断更新，装置硬件已经能够适应户外环境的要求。可以预见， 就地化的继电保护自动装置将向较高电压等级发展。 1 3 本论文的来源和主要工作 电力系统继电保护的主要任务是切除系统中的故障设备以保证系统的正常运行。由 于技术等方面的原因，由常规的继电保护装置构成的继电保护系统是一种非白适应继 电保护系统，其动作特性不能随着电力系统的运行方式的变化而自动改变。常规的继 电保护的整定值是按离线最严重的情况进行的，而且在运行中基本保持不变。因此， 在常规继电保护整定计算过程中不得不按每套保护对应的电力系统最大运行方式来计 算保护的动作值，按每套保护对应的电力系统最小运行方式来校验保护的灵敏度。这 种按最严重的运行条件确定保护整定值的方法，虽然可保证在电力系统各种运行方式 下发生故障时，继电保护都能正确动作，但存在着两个缺点：一是按该方法确定的继 电保护整定值，对电力系统其他运行方式( 包括电力系统的主要运行方式) 来讲不是 最佳的整定值；二是在电力系统最小运行方式下最不利的故障时，继电保护系统的性 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 能会严重变坏甚至发生拒动现象。这两个缺点不但限制了电网运行的灵活性，而且降 低了电网运行的稳定性。配电网系统由为数众多的电力设备、线路和各；f 中用户组成， 其运行状态( 包括用户负荷的变化、设备的投切等) 处于频繁的变化中，同时配电网 还可能发生各种类型的故障，故障可能是瞬时性的或永久性的，也可能是金属性的或 非金属性的故障，而土土电力系统还可能出现各莉极端运行方式，所以这些都可能导致 保护在莱种运行方式下会严重变坏甚至出现拒动现豫。 正是在这样的背景下提出了自适应保护的概念”“。自适应保护是指根据电力系统 运行方式和故障状态的变化能实时改变保护性能、特性或定值的保护。随着具有高速 运算和逻辑判断能力、强大的记忆& 力以及其固有的可编程性的微机保护在电力系统 中的广泛应周和通信技术与通信手段的不断进步与发展，实现自适应继电保护已成为 l u 能。 搴论文结合南瑞城乡电网基于封愈控制技术的城市电阏囊动化系统项目，提出 了坪十新型配电网继电保护方案。该保护具有如下特点：支持网络技术，能收集广域 信息；采用区域性自适应技术，自动适应电网运行状态；具有在线整定功能。 本论文的主要工作是： 】、介绍自适应保护、保护定德的在线整定和配电网白适应保护的现状和发展，以 及对自适应傈护系统进行了一定c f 尊探讨。 2 、对遗传算法基本理论作了介绍和对遗传算法作了一些改进，综述了遗传算法在 电力系统中f 勺应用。 3 、根据配电网特点，提出了基于遗传算法的配电网自适应保护的原理，并建立数 学模型以及约束关系。 4 、编写m a t 曲程序，仿真了该遗传算法的配电网自适应保护的有效性和可行性。 1 。4 本章小结 简要说明配电潮继电保护的重要 乍用；介绍配电网继电保护的现状帮发展以及本 论文的来源和主要研究内容。 河海大学硕士学位论文第二章白适应保护系统 2 1 自适应保护 第二章自适应保护系统 自适应继电保护是在上世纪8 0 年代提出的一个较新的研究课题。自适应继电保护 可以定义为能根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或 定值的保护。这种新型保护的出现引起了人们的极大关注和兴趣“1 3 3 。 白适应继电保护的基本思想是使保护尽可能地适应电力系统的各种变化，进一步 改善保护的性能。电力系统由为数众多的电源设备、送变电设备、线路和各种用户组 成，其运行状态( 其中包括用户负荷的变化、设备的投切、发电机的出力变化等) 处于 频繁的变化之中，除上述正常运行情况外，电力系统中还可能发生各种类型的故障，故 障可能是瞬时性或永久性的，又可能是金属性短路或经过渡电阻短路，因此要适应电力 系统的变化，的确是一项十分困难的工作。 事实卜，传统的继电保护也力图适应系统运行方式的变化和故障状态，例如电流速 断保护的整定值，按系统最大运行方式下，线路末端发生三相短路考虑，过电流保护按 线路的最大负荷考虑。这种按最严重的条件确定保护定值的方法，能保证所有可能的正 常和故障条件f ，保护都不会错误地切除被保护的线路，但却存在以下两个缺点；一是 按该方法设定的定值，在其它运行方式( 其中包括系统的主要运行方式) 下不是最佳的； 另外在最小运行或最不利的条件下，保护可能失效或性能严重变差。同时应该指出的 是，在传统保护中也有许多自适应性能，例如过电流保护的反时限特性、差动保护中的 制动特性，在距离保护中考虑了转换性故障以及防止系统振荡误动的方法等。由此可 见，自适应保护并不是个新提出的概念，它早已存在于传统继电保护之中。日前计 算机在电力系统保护和控制中的应用以及相关技术的发展，更为自适应继电保护的发 展提供了前所未有的良机。 电力系统继电保护实质上属于电力系统自动控制的范畴，它的主要作用是切除发 生故障的设备以保证电力系统的正常运行，同时也包括自动重合闸。当我们考虑自适应 保护时，就必须进一步考虑电力系统运行状态和故障过程的变化。从这一观点看来，自 适应保护实质上是一个具有反馈的控制系统。在自适应继电保护中，系统运行状态和故 障过程变化的信息，可以就地获得或利用各种通信方式从相邻变电站或调度得到。电网 调度自动化和变电站综合自动化以及微机的智能作用为获得更多的有用信息并加以实 时处理提供了有利条件。就地获取信息简单易行，应首先予以考虑。利用通信由远端获 取信息比较复杂，对快速传送数据信息的要求也较高，但如能显著改进保护性能，且通 河海人学硕士学位论文第二章自适应保护系统 道能满足要求，用这种方式实现自适应保护也是合理的。 2 1 1 自适应继电保护的作用和意义 众所周知，继电保护的作用足在电力系统中电i 元件发生故障时将故障元件从电 力系统中切除，使故障元件免于遭受更大破坏，并保证电力系统尽快恢复正常运行。数 十年来，继电保护技术总足存适应电力生产的需求和应用帽邻学科中的新理论、新技 术、新器件的条件下不断取得进步和发展，基本上满足了电力系统提出的要求，目前已 迈入了计算机保护的新时代。 l o 余年来，微机保护得到了飞速发展，它所具有的一系列优点使继电保护装置在性 能上、可靠性和方便性上都远远超过了传统保护，受到了用户的欢迎和信赖，与半导体 集成电路式的保护装置相比，微机保护的优越性己无可置疑了。 尽管目前微机保护已取得如此迅猛的发展，大有全面取代传统保护的趋势，然而 仍应冷静地看到，在微机保护装置中，计算机潜在的智能作用还有待进一步发挥。虽然 计算机保护具有高速运算和逻辑判断能力、强大的记忆能力以及其固有的可编程特点， 可是如何更充分地在继电保护技术中发挥其智能作用，仍然是当前一个有待深入研究 的重要领域，而自适应继电保护是其巾一个充满希望的研究方向。 如上所述，随着计算机保护的发展，自适应保护的研究已丌展多年，取得了令人 注日的丰硕成果。但使保护的整定值与系统运行方式能够完美协调一致的保护还需要 进行深入的研究，无论从理论卜还是实践上都需要探讨。 研究自适应继电保护的首要任务是解决现有的继电保护中存在的问题，而其最终 目标则是使继电保护更趋于完美。从1 9 8 4 年原华北电力学院推出第一套微机距离保护 装置以来，国内各高校、科研、生产单位已陆续研制和牛产出适用于线路和元件的各种 微机保护装置，它们已完全有能力取代传统的模拟式保护装置，从而使我国的微机保护 进入当前国际先进行列，但不应忽视目前微机保护存在的问题。不少微机保护装置的原 理和性能基本上与传统保护一样，只是传统保护的翻板，传统保护中已经存在的问题， 在微机保护中依然存在，并未得到改进或解决。所以出现这种情况，其原因之一是对微 机的智能作用认识不足或没有找到有效的方法进一步发挥其智能作用：其次是受长期 形成的模拟式保护思维方式的束缚。为了使我国的微机保护进一步提高智能化的水平， 取得突破性的进展，自适应保护是一条正确有效的途径。 2 1 2 自适应继电保护发展的条件 1 、微机式继电保护技术的进步 微机保护技术的进步是自适应继电保护发展的基础，脱离计算机的应用，自适应继 电保护也无法实现。为了适应电力系统运行情况和故障条件的变化，自适应保护有必要 河海大学硕士学位论文第二章自适应保护系统 获得更多的信息，并对它们进行分析处理，这就要求微机保护的硬件具有更快的运算速 度和更强的记忆能力。近年来，国内微机保护硬件系统还在不断更新和改进，自适应继 电保护研究工作的进一步深入，必将对微机保护硬件系统提出新的要求，+ 个满足自适 应继电保护要求的硬件系统是其发展的必要条件。 长期以来，计算机保护的大量研究成果以及与计算机保护技术密切相关的其它科 技领域中的新技术和新概念，例如自适应控制理论、神经网络和模糊控制以及小波变换 理论和全球定位系统( g p s ) 的应用，都将促进自适应继电保护进一步发展。 2 、电网调度自动化技术的发展 电恻调度白动化技术在6 0 年代开始由模拟式转向数字式，这种转变有着划时代的 意义。在7 0 年代中期由s c a d a 、a g c 和网络分析汇集成为能量管理系统( e m s ) ，8 0 年代 中期又借鉴e m s 技术，由s c a d a 、网络分析和负荷控制汇集成配电管理系统( d m s ) 。自适 应继电保护完全有可能依此途径进一步发展。 近年来，为适应电力工业的发展和电网运行的需要，在“八五”期间我国己卓有成 效地建设发展了电力专用通信网和电网调度自动化系统“。1 。特别值得提出的是电网调 度自动化系统在实用化上取得了重大进展，现在我国9 0 以上的电网运行实时信息得到 有效和准确的采集，厂站基础自动化设备可靠性和管理水平大大提高，其提供的准确而 有效的实时信息已成为调度员进行电网安全、优质、经济调度的主要依据，对电网凋度 运行管理起到不可替代的作用，同时也为自适应继电保护提供所需的信息创造了条件。 3 、电力系统自动化技术发展的需要 继电保护技术是电力系统自动化技术的一个分支，随着电力系统自动化中电网调 度自动化系统的建设和实j h j 化，采用变电站综合自动化技术和实现无人值班运行方式“7 3 如雨后春笋般地发展起来。这种现实一方面对继电保护技术的发展是一种新的机遇，另 一方面电是一种挑战。继电保护是一门综合性的学科，回顾继电保护技术的发展史，电 力系统通信技术的重大进展和新的电子器件的出现都会引起继电保护装置的革命。自 适应继电保护有能力迎接这一新的挑战，并且还将使继电保护技术提高到一个更高的 水平。 2 2 保护定值的在线整定 继电保护整定计算是保障现代大型电网安全运行的基础性工作，现有保护定值均 是通过离线计算予以确定，为适应实际运行时系统可能出现的各种运行方式，在离线 整定计算中必须进行大量的方式组合，并采纳其中最苛刻的值作为保护的定值。这种 整定计算方式不可避免地具有以下缺点： 1 ) 确定的继电保护整定值，对电力系统大多数运行方式( 可能包括电力系统的主要 运行方式) 来讲不是最佳的整定值，必然降低了保护的性能。 河海人学硕+ 学位论文第二章自适应保护系统 2 ) 某些特殊系统运行方式在整定中不一定完全考虑，而在生产实际中却可能发生， 如电力系统最小运行方式下发生最不利的故障，此时保护性能可能会严重变坏甚至发 生拒动或者误动现象。 3 ) 离线整定需要对电网”t 能出现的各种运行状态及其多种故障进行周密的计算， 整定工作相当复杂，使整定工作者在工作中面临越来越大的挑战和压力。 整定的离线实现，是当时条件下的必然选择。现阶段，电力系统各领域都得到了 飞速发展，整定的存线实现得到广泛关注“，而且在线实现的条件已经取得了新的发 展，主要体现在三个方面：首先，微机保护在电力系统中得到广泛应用，正在逐步替 代传统的模拟保护，为在线修改定值打下了基础；其次，电力通信技术与通信手段的 不断进步，整定所需要的电刚信息和保护信息能快捷有效地聚集和传送；同时，现有 在线实时应用软件的成功开发和应用，为在线整定系统的开发积累了丰富经验。 事实上，在线整定作为自适应继电保护系统重要组成部分已得到深入研究和广 泛应用”3 。 继电保护定值在线整定的内容是：随着系统运行方式的变化，对所关心的保护定 值进行在线整定计算，特别是实现所关心区域保护定值的配合调整，且针对修正后的 保护定值仅进行当前运行方式下的灵敏度校验，同时将计算好的定值反馈给现场保护。 定值的在线整定避免了运行方式的不确定性对保护灵敏度的不利影响，可以明显提高 保护的灵敏度。 保护定值的在线整定全面实现整定计算的智能化和网络化，原理上能保征保护性 能的应用最优化。继电保护在线整定的实现是继电保护应用领域极具挑战的研究方向 之一。 2 2 1 在线整定系统结构的探讨呦 在线整定系统要豁视所管辖电网的运行状态，根据电网运行状态的改变实时做出 响应而且及时将修改信息反馈给现场运行的保护装置，因此，在线整定系统中不仅需 要有现场数据的采集装置，而且需要有控制装置，能够将修改的定值可靠地传给保护。 在线整定系统可以将数据的采集和信息的下发等交互工作交给现有的e m s s c a d a 系统 处理，也町以采用专有系统进行。下面介绍采用专有系统时的一些初步构想： 在线整定系统在硬件结构上主要由主站系统和子站系统组成。子站系统是整个系 统处理实时数据的基础，将置于厂站端，与现场装置通信，发送实时数据和接收实时 数据；主站系统将置于调度端，接收予站系统的实时数据，并根据实时数据计算保护 定值，并将新定值实时反馈给现场的保护装置。实时数据接收与分析处于中心地位，它 驱动整个主站系统的运行，是在线整定核心功能实现的关键。 在线整定可以按电压等级分层进行。把变电所联络变压器作为分界点，这样就可以 河海大学硕十学位论文第二章自适应保护系统 把同一电压等级电网作为一一个相对独立的系统来处理，同时，可以根据电网的管理区域 实现分区整定。因此，在线整定中，将一个大型电网按电压等级以及管理区域分解为若 干个小型网络进行，这样减少每次整定所需处理的数据量，提高系统处理的速度。 为了实现在线整定分层分区构想，将一个互联的电力系统按其计算要求，划分为研 究系统和外部系统两部分。研究系统就是要求整定计算的部分，包括边界系统和内部系 统；外部系统就是用户不关心的部分，u f 以采用等值法替代，通过网络等值将外部系统 等值到边界系统上。在线整定中，将外部网络等值( 甚至可以是在线等值) ，采用分层、 分区实现，可以降低全网网络方程矩阵的维数，减少在线整定交换的信息，从而大大提 高在线整定的速度。 2 2 2 在线整定系统的启动模式 在线整定的优势在于能实时监测电力系统的运行状态，当系统运行方式变化时能 及时响应，凶此整定的启动方式不仅可以采用指定时间启动或者是定时间间隔启动，而 且可以采用系统运行方式变化和保护投退变化触发的启动模式，即事件启动的模式。当 系统采用事件启动时，能实时响应系统运行方式变化和保护投退变化所引起的保护定 值的变化，真正体现在线整定的优越性。计及潮流的系统运行方式的变化包括两个方 面：一方面是电力系统发电机、变压器、线路、母线等各类元件的投停和检修，以及 由故障引起的断路器跳闸操作，可以归纳为系统网络结构的变化和厂站内部接线的变 化，主要体现在断路器的开合以及隔离开关的倒闸操作中；另一方面是系统出力的变 化与负荷的变化，主要体现在系统潮流量的变化，由于系统潮流变化是连续的，细微 的潮流变化不会对保护定值造成较大的影响，因此在线整定时可以设置启动门槛值， 以判断潮流变化的程度。 网络局部的变化对于定值的影响范围是有限的，往往就是扰动区域附近的保护定 值影响比较大而远离扰动区域的保护影响较小，远离一定程度后扰动的影响可以忽略 不计，也不需要整定，因此，此时只需要对特定的区域进行保护定值的重新整定当在线 整定采用事件启动时，系统可以自动搜索影响区域，确定整定范围，此时不仅可以准确 确定所影响保护的定值，也避免了全网整定，节约了时间，进一步满足在线整定对运行 速度的要求。 2 2 3 在线整定系统的实现模式 在自适应整定系统中，一般采用“离线计算，分散存储，实时匹配”的方法，即以电 力系统主要运行方式作为初始方式，采用继电保护整定计算的常规方法，离线完成系统 多种可能状态下的整定计算，并将计算出每一种状态下继电保护装置新定值以及对应 的保护检测到的信息特征，分散存储在相应保护装置的子自适应控制器的数据库中，形 河海大学硕十学位论文 第二章白适应保护系统 成整定值存储表。系统运行时，可以根据保护检测到的信息特征匹配最佳定值，并通过 子白适应控制器，渊整保护定值，使之实时适应电力系统运行方式的变化。这种实现方 法显然只是局部的调整和改善，不能从全局的角度进行定值的配合和计算，而目预先计 算的方式总是有限的，不能满足系统多种运行方式的要求。 在线整定理想的方式足对系统的工况进行实时测量，所有的计算与分析在此基础 上集中处理，并实时反馈给现场装置，这一方案不妨称为“实时分析集中决策，实时控 制”。对于。个稍大规模的电力系统来说，在当前电力系统的计算规模，计算机实现的计 算速度以及网络传输水平等条件下，要做到实时是很困难的。 在线整定实现中，可以根据整定量或者预备量的实际情况采用多种实现模式的结 合： 在某一些量的整定上可以借鉴自适应保护实现的思想，采用“离线计算，实时整定” 方法，如零序补偿系数k 的计算，它的变化只是针对于某几种预先可知的、只随互感线 路本身的运行方式的变化而变化，因此可以离线地计算对应几种方式下的k 值在线整定 中可以根据线路运行方式的不同采用不同的k 值进行整定。 某一些不需要与相邻保护配合的量或者某一些量的某个相对独立的整定原则，不 需要网络其他信息就可以整定，则可以采用“实时检测，就地处理”的方法。如相间距 离i i i 段。”整定时，有一项黎定原则要求躲开负荷阻抗，该原则的整定不存在配合关系 也不需要得到电网其他点的相应信息，只需实时检测本线路潮流即可完成。凶此，当 不能满足卜述原则时，可以进行就地调整，保证系统的实时性。 而对于整定所需要的某些计算量较大的工作，如外部系统的等值等，这些星的变 化则是根据系统的变化而实时变化的，在某种意义上是不可预知的，可以采用“在线 预计算，实时整定”的方法，该方法在线跟踪实际工况，由于系统的正常运行时变化总 是相对平稳的，假定在一个合理的时间内( 如5 m i n ) 实际工况不会有明显的改变，在线 计算得到相应的值并保存。在线整定中，可以利用已经计算好的某些值，结合系统的 实时状态，从全局的角度上，实现实时状态下保护定值的计算与配合。 新方案在一定程度上协调了需要实时响应以适应系统运行状况的要求和在线整定 计算过于复杂不能满足实时性这两者之间的矛盾，提供了一条实现在线整定实用化的 新思路。 2 3 配电网自适应保护 2 3 1 配电网常用保护及存在的问题 根据电气与电子工程师协会电力系统继电保护分会配电保护工作组的调查报告 “1 ，供电企业在配电网的变压器和馈线上正广泛使用多功能保护装置，几乎所有的此 河海大学硕士学1 1 ：) = 论文第啊二章自适应保护系统 类保护装置中均配置了电流速断保护、过电流保护、单相接地保护。但是，瞬时跳闸 的相电流过电流保护的应用面减少，一般倾向于只允许单次瞬时跳闸。在馈线保护的 整定问题上多采用整套的时问一电流特性的相电流保护整定配合方式。 按照保护针对的故障类型来划分，配电网保护主要包括短路保护和接地保护两大 类。 短路保护：一般情况下，短路故障的故障电流大于负荷电流，较易检测，通常采 用定时限的相电流过电流保护，通过延时实现变压器、母线、馈线之问的相互配合。 采用距离保护则可以在检测短路故障的同时测量故障电流和故障电压计算故障阻抗， 实现故障定位。 接地保护：电网故障绝大部分是单相接地故障或由单相接地故障发展而来的其它 故障，单相接地电阻町能比较大，需要用专门的单相接地保护来检测。单相接地保护 不需监视正常的相电流，定值整定可以不考虑负荷电流的影响，灵敏度有了提高。但 是根据不同原理，需要检测的量( 如配电网总的接地电容电流) 可能比较小，信号检 测难度增大。 对一些小电阻接地系统的单相接地故障，多采用时间一电流继电器来检测故障。而 对于高阻故障( 可能达到几千欧) ，则利用反时限、零序量( 功率、电流、电压) 、 距离、中性点电压等原理来检测。保护延时动作也可以减少瞬时性接地故障时的馈线 开关分断。 电流保护是配电网最常用的保护方式，目前最常见的是过电流保护( o v e r c u r r e n t r e l a y s ) ，根据保护的动作量分类，可以划分为单相过电流、残流过电流、负序过电 流等。它们作为主保护和后备保护被广泛用于电力系统中。2 “2 “。 单相过电流保护是线路的常用保护，可以节省熔断器投资、避免设备损伤、缩短 停电时间和电压跌落过程，且整定方法简单。2 。为了和下方保护配合，其定值必须高 于最大负荷电流”，因而降低了保护的灵敏度。 与单相过电流保护不同，负序过电流保护不受三相平衡的负荷电流的影响，其定 值可远低于负荷电流的水平”。但是负序过电流保护不能反应三相对称的短路故障。 过电流保护有速断、定时限、变时限等多种动作特性，微机保护更可以提供多种 时间一电流特性，便于和其它保护及熔断器配合。瞬时过流保护( 速断) 在个周波 ( 2 0 m s ) 左右出口，其保护区的大小受系统阻抗( 尤其是背后系统阻抗和下方负荷侧 阻抗的比值) 影响。定时限过电流保护引入延时，保护之间按时问阶梯配合，距离电 源越远则保护延时越短，不足之处是近电源处发生故障时，故障电流水平高、保护延 时长，不能及时保护一次设备，保护与下端的熔断器配合时也存在困难。采用变时限 的过电流保护可以根据故障电流水平决定保护动作延时，能够很好地解决近电源点保 护的快速动作问题，反时限过电流保护即是最常用的一种变时限保护。 河海大学硕士学位沦义 第二章i j 适应保护系统 2 3 2 配电网自适应保护及其研究现状 配电网拓扑结构复杂( 一般具有环状结构、开环运行的特点；虽存在着大量的不 确定性( 包括随机性、模糊性等) 信息，例如系统负荷随时问在某一范围内的上卜- 波 动；落事故或检修等原因，网络的连结方式发生随机变动；而且配电网的节点数目众 多) 、电力市场体制的建立以及分布式发电系统的逐渐兴起使得系统运行方式复杂多 变，潮流方向、系统阻抗乃至故障时流过故障点的故障电流也随之变化。“，以及本节 所述配电丽继电保护的缺点使得传统的继电保护系统已经越来越不能满足系统对于保 护的要求，在输电网中广泛运用的自适应控制理论由于较好的适应这些变化运行状况 和自动在线调整定佳，必将在配电网中的广泛运用。 国内外在自适应控制理论用于配电网继电保护作了理论和实践两方面探讨。自 适应继电保护具有改善系统的响应、增强可靠性和提高经济效益等优点，考虑了电力 系统频率变化、单相接地短路时过渡电阻、电力系统振荡以及故障发展问题对保护的 影u 眦文献。7 1 提出了配电网自适应保护系统，形成了配电网自适应保护系统一般结构， 即整个系统分为3 层：中央控制层、变电站控制屡和继电器层。变电站的控制计算桃 将该变电站的各开关负荷状态上传给中央计算机。中央计算机根据电力系统电源及上 层网终状态以及各变电站上传的状态信息综合分专厅计算出影响各保护继电器的主要因 素，以至具体整定值，张通过网络下传至各继电器。各继电器就能以适应当前电力系 统状态的整定值( 包括方向继电器的投切) ，在保证选择性的前提下获得最赢的灵敏 度和最快的动作速度。配电网自适应系统在国外受到比较大的应用。2 + ”1 ，国内有待进一 步的研究和应用。 2 4 本章小结 本章介绍了自适应保护的起源、作用和发展的条件；归纳和总结了保护定值在线整 定的概念和实现的关键技术( 保护定值在线整定及其启动和实现模式) 及难点( 数据 量、计算量大，不易实现) ；在前两者的基础上，介绍了配电网自适应保护，以及国内 外研究现状。 河海大学硕十学位论文 第三章遗传算法的基本知识 3 1 遗传算法概述 第三章遗传算法的基本知识 3 1 1 遗传算法的形成与发展 遗传算法( o e n e t i ca l g o r i t h m ，简称g a ) 是建立在达尔文( c r d a r w i n ) 的生物 论和盂德尔( m e n d e l ) 的遗传学说基础上的一种借鉴牛物界自然选择和自然遗传机制 的高度并行、随机、白适应搜索算法，具有坚实的生物学基础。 1 9 6 7 年j d b a g l e y 在其博士论文中首次提出了“遗传算法”一词，他发展了复制、 交叉、变异、显形、倒位等遗传算法，在个体编码上使用双倍体的编码方法。但是具 有开创意义的遗传算法理论和方法则是由美国密歇根( m i c h i g a n ) 大学的心理学教授、 电工和计算机科学教授j o h n h h o l l a n d 和他的同事、学生在研究人工自适应系统过程 中，受到这种生物模拟技术的启发，共同研究出来的，先后提出了模式定理、位串编 码技术。1 9 7 5 年，h o l l a n d ，出版了 a d a p t a t i o ni nn a t u a la n da r t c i a ls y s t e m ( 自然系统和人工系统的自适应性) ，全面系统的论述了遗传算法。h o l l a n d 对遗传 算法的发展起到了极大作用。他的许多概念直沿用至今。 1 9 7 5 年k a d ej o n g 在其博士论文中结合模式定理进行了大量函数优化的研究， 建立了遗传算法的工作框架，设计了一系列遗传算法的执行策略性能评价指数。这包 括著名的d ej o n g 测试五函数。他的在线和离线指标是衡量遗传算法的主要手段。 在此之后，遗传算法经历了一个平稳的发展期，逐步被人们了解、接受和应用。 上个世纪八十年代以来，遗传算法的研究和应用进入了一个高潮期，研究深度不断加 深，广度不断扩大，应用成果不断出现。1 9 8 9 年，d j g o l d b e r g 出版了搜索、优化 和机器学习中的遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m si ns e a r c h ，o p t i m i z a t i o na n d m a c h i n el e a r i n g ) 。他在书中详细总结了遗传算法的主要研究成果，全面完整的论述 了遗传算法的基本机理及应用，奠定了现代遗传算法的应用基础。 遗传算法作为一种有效的全局搜索方法，从产生至今不断扩展应用领域，具有广 泛的研究价值。最近十多年来，遗传算法在我国也得到重视和推广”。遗传算法在电 力系统的应用始于1 9 9 1 年。“。到目前为止，已经涉及到电力系统规划、运行、故障诊 断、潮流计算和控制等许多领域。 河海大学硕+ 学位论文第三章遗传算法的基本知识 3 1 2 遗传算法的基本原理 遗传算法是用生物群体的观点来看待优化问题，它将待求问题空间中的任何一点 看作是一个个体，一定数量个体的结合构成了一个群体，因此，群体中的每一个个体 都代表了优化问题的一个可行解，但不一定是最优解，处于某时段的群体也称为代。 在遗传算法中，用位串结构来表示待优化的参数，以便于遗传算子的操作，这个过程 称为编码；反之，由某一位串求得其表示的具体参数值的过程称为解码。位串也称为 染色体，染色体中的每一个元素称为一个基因。针对具体问题，遗传算法通过定义一 个适应度函数来模拟生物界中的环境，而每个个体所刈j 虹的适应度函数值就代表了 该个体对环境的适应程度，适应度值越高，就表明该个体适应环境的能力越强。确定 遗传算法的第一代群体后，在各种遗传算子( 如常用的选择、交叉、变异等) 的作用 下，将按照类似于自然选择的过程一代一代向前进化，经过逐代遗传，最终会产生山 一批适应度函数值很高的染色体，最后，将这些染色体解码还原就可以获得原问题的 解。当染色体域足够大和遗传代数足够多时，从理论上讲，遗传算法一定可以给出原 问题的最优解。遗传算法允许所求解的问题是非线性的和不连续的，并能从整个可行 解空间寻求最优解。遗传算法的特点可以从它和传统优化方法的对比与分析中充分体 现出来。与传统的优化方法相比，它主要有以下几个特点： 1 ) 遗传算法的处理对象不是参变量本身，而是对参变量集进行了编码的个体。这 使得遗传算法可以直接对结构对象( 泛指集合、序列、矩阵、树、图、链和表等各种 一维、二维或三维结构形式的对象) 进行操作。这一特点，使得遗传算法具有广泛的 应用领域。 2 ) 遗传算法具有多路径搜索的特点。传统的数学优化方法( 如线性规划、非线性 规划、混和整数规划、动态规划等) 都是单途径搜索算法，问题的解从搜索空间中的 当前解移动到另解。这种点对点的搜索方法，对于多峰分布的搜索空间常常会陷于 局部单峰最优解，获得的仅是局部最优解而非真正全局最优解。相反，遗传算法采用 的是同时处理群体中多个个体的方法，它像撒网一样同时对搜索空间不同区域中多个 个体进行采样评估，更形象地说，遗传算法是沿