一种用于继电保护状态评价的大数据精简方法

第35卷 第3期 538 2015年2月5日 中 国 电 机 工 程 学 报

Proceedings of the CSEE Vol.35 No.3 Feb.5, 2015 2015 Chin.Soc.for Elec.Eng.

(2015) 03-0538-11 中图分类号：TM 77 DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.03.005 文章编号：0258-8013

一种用于继电保护状态评价的大数据精简方法

陈星田1，熊小伏1，齐晓光1，郑昌圣1，钟加勇2

(1．输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)，重庆市 沙坪坝区 400030；

2．重庆市电力公司，重庆市 沙坪坝区 400030)

A Big Data Simplification Method for Evaluation of Relay Protection Operation State

CHEN Xingtian1, XIONG Xiaofu1, QI Xiaoguang1, ZHENG Changsheng1, ZHONG Jiayong2

(1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology

(Chongqing University), Shapingba District, Chongqing 400030, China;

2. State Grid Power Grid Company of Chongqing, Shapingba District, Chongqing 400030, China)

ABSTRACT: Online evaluation is an important mean to make sure relay protection system did the correct action when a fault occurs. Relay protection information system has Big Data characteristics, it's hard to use so much data directly for relay protection system online evaluation, because of data transfer blockage, unsynchronized data source, lack of intelligence analysis tools. Based on the demand of reducing the processing amount of relay protection information data, this paper proposed a state assessment data reduction ideas based on the process information of internal protection, constructed simplified data index set that could reflect the characteristics of relay protection operation state, and built relay protection online evaluation method using simplified data index. By using simplified index and evaluation model, it can provide enough information for master station, and use less information transmission to realize state analysis. While ensuring the effect of evaluation, this method reduces upload amount of data and evaluation time, provides a reference for the further use of Big Data in power transmission and transformation aspects. The proposed method is verified by a typical 220 kV substation, which has proved the superiority on reducing upload amount of data and fast evaluation of relay protection devices.

KEY WORDS: relay protection; big data; state evaluation; reduced index

摘要：在线评价继电保护系统状态是保障继电保护在故障来临时正确动作的重要手段。继电保护信息系统具有大数据特征，但受制于数据传输堵塞、数据源不同步、缺乏智能分析

基金项目：国家863高技术基金项目(2011AA05A107)；重庆市科技攻关项目(应用重点)(cstc2012gg-yyjsB90003)。

The National High Technology Research and Development of China 863 Program (2011AA05A107); Project Supported by the Key Project of Chongqing Science & Technology Commission (cstc2012gg-yyjsB90003).

工具等问题，难以用于进行继电保护状态在线自动评价。基于减少继电保护信息系统数据上传和处理规模的需求，提出基于保护内部加工信息进行保护状态评价数据精简的思路，构建反映继电保护系统状态特征的精简数据指标集，并提出利用该精简指标数据对继电保护进行在线状态评价的方法。利用所提方法可使继电保护子站仅实现少量信息传输即可为主站实现继电保护系统运行状态分析获取足够信息。在保障评价效果的同时，大大减少数据上传量和评价时间，为进一步在输变电环节合理利用电力大数据提供参考。以某典型220 kV变电站为例，验证了所提方法在减少数据上传量、快速完成设备状态评价的优势。

关键词：继电保护；大数据；状态评价；精简指标

0 引言

继电保护是保障电力系统安全运行的重要装备，针对任何类型的故障均应不拒动、不误动，且要求具有设计应达到的灵敏度和快速性。但多年来的继电保护运行实践表明，因继电保护系统硬件(含所有回路)故障及缺陷、软件缺陷、整定错误等问题，导致的不正确动作事件仍时有发生[1-4]。

信息数据在保证电网安全性的过程中起着举足轻重的作用[5]。有效利用继电保护运行数据，在线分析评价继电保护系统运行状态，是减少此类现象发生的有效途径。传统的继电保护状态分析方法通常利用历史统计数据作为数据源来发现已投运继电保护系统的隐患和薄弱环节[6-7]。文献[8]利用了历史统计数据得到继电保护不正确动作概率，可结合不正确动作的后果来定量评估对电网安全的影响。文献[9]利用每次故障信息，采用事件树法分析了电网可能发生的连锁故障。文献[10]给出了线

第3期 陈星田等：一种用于继电保护状态评价的大数据精简方法 539

路保护装置隐患的启发式概率模型。此外，很多情况下需要解决历史数据不全[11]、关键信息缺失[12]、继电保护系统状态评价的有效性不够的问题。

随着智能变电站和智能电网的不断建设与发展，出现了许多基于广域数据的保护形式[13]，继电保护系统运行和监测所产生的数据量也在飞速增长，数据量的急速扩充为满足状态评价等高级应用提供了体量庞大、种类丰富的数据源。例如，线路上经常会发生各种类型的扰动[14]，不仅故障点线路两端的录波装置会启动，相邻多地的继电保护装置也会对该扰动做出反应而产生大量的数据[15-16]，所包含的与继电保护设备状态相关的信息量是极为丰富的。在此大数据背景下，对继电保护在线产生的数据进行挖掘、分析，为在线[17]

判别继电保护状

态提供了新的可行途径。

继电保护信息系统的建设，为获取每一台继电保护设备产生的数据提供了平台支撑[18]。电力系统扰动后，继电保护信息系统主站要同时接收和处理大量的故障录波数据和继电保护装置生成的数据，面临数据通信量大、数据之间时间不同步、数据分析无标准可依等问题。而目前普遍的分析方法是依赖有经验的专业技术人员对部分的数据进行手工分析，还未实现全景智能化分析，不能及时发现继电保护系统中存在的隐藏缺陷。有必要研究在二次系统大数据背景下，实现信息的精简并为继电保护系统在线自动分析与状态评价的新方法。

为此，本文首先分析了继电保护系统运行数据特征，提出了二次系统大数据精简方法，并以精简信息为基础建立了继电保护系统运行状态的在线评价体系。

1 继电保护系统运行状态评价的大数据特征及精简方法

电力系统继电保护是保障电力系统安全的重要装备，其作用原理如图1所示。

继电保护从与一次系统连接的电流互感器、电压互感器及其他传感器获取信号，进行处理后判断

图1 继电保护系统作用原理

Fig. 1 Action principle of relay protection system

一次系统是否发生故障，然后确定是否给出报警信号或是跳闸、合闸命令。

过去对继电保护装置进行评价时常常将保护装置当作一个近似黑箱系统，仅通过其输入和输出来评价其动作行为。即，通过故障事件发生并结束后利用故障录波装置记录的数据进行事后分析，来评价继电保护装置是否正确反应了故障。继电保护信息系统体系架构如图2所示。系统由各调度中心的继电保护信息主站和各变电站的保护信息子站组成。主站收集各变电站的故障录波数据、保护装置动作信息及其内部自检等信息，获得继电保护装置的输入、输出信息。

变电站 1

变电站 n

图2 继电保护信息系统结构

Fig. 2 Structure of relay protection information system

继电保护信息子站目前采集用于保护状态分析的数据分为2类.

1）周期性数据。指的是正常情况下保护设备定时发送给本地监控的开关状态信息和模拟量数据等，该类数据一般为继电保护装置的自检信息、定值信息等，用于监控系统监视保护设备的状态。由于继电保护装置的自检目前多停留在对装置部分硬件的完好性监视方面，此类信息不能用于预测保护装置在下一次系统扰动中的反应行为。

2）事件驱动数据。指的是在一次系统扰动情况下上传的动作信息和波形数据。对于较大故障或扰动，顺序动作的事件数较多，系统不经过就地分析的过程，直接将采样点波形完全储存、上送。由故障或扰动驱动的数据，其采样密度远高于无扰动期间，每个变电站的数据量均十分庞大。

一次系统扰动期间，利用录波数据分析保护性能的流程如图3所示。

由于电力系统规模庞大，每条输电线路、变压

器、母线等一次设备均装设了多套继电保护装置，对所有继电保护装置进行状态分析所需的数据量巨大，并且会占用大量的通信通道、消耗大量的人

540

中 国 电 机 工 程 学 报 第35卷

图3 基于录波数据的保护行为分析 Fig. 3 Protection action analyze based on

recorded wave data

工或计算机分析处理时间。

以单个线路阻抗保护为例，分析其状态需要三相电流电压及零序电流电压波形数据，时间窗至少

1个周波。以智能变电站每周波80点采样计算，则需要的数据为8个量 × 2周波 × 80点 × 2个字节 =

2 560字节。

某一设备故障后，一次系统的多个变电站均会受扰动影响产生大量的录波数据，因此主站要在短时间内收集如此大量的子站数据进行处理分析是十分困难的。

随着启动录波的条件越来越宽，采集、储存的波形也会越来越密集，录波器单次单台录波器所录波形可能达到十几Mb[19]

，符合大数据种类多、体

量大的特点。

由上可见，一次系统故障将触发产生海量的故障波形数据，利用这些海量数据作为输入去分析数千套继电保护装置的性能，将是一件难以完成的工作。由于此原因，目前对故障后的继电保护装置 性能分析往往仅局限于故障设备的保护装置，并未充分利用故障扰动信息去分析评价非故障元件的保护。

为了充分利用一次系统每一次扰动或故障带来的“宝贵”激励，评价各继电保护装置在“实战”环境下的状态反应，必须对继电保护状态评价所依赖的数据和流程进行精简。

进行继电保护状态评价数据精简的基本思想是：利用一次系统的固有连接关系以及继电保护装置之间的固有配合关系作为已知条件，当故障区域的继电保护切除故障后，扰动源的位置即可确定，系统中任意位置的继电保护装置的预期行为结果即可确定，因此只需要知道各保护装置对这一扰动的反应结果(即保护装置内部的中间计算结果)，就

可对比分析保护的行为是否正确。这种方法利用了保护装置的内部加工数据，而不是利用其原始的波形输入数据，因此数据量大大降低。

如图4所示，当保护M、保护N之间的线路M侧故障时，保护M、N动作切除故障，保护1后备保护的第1段测量值应在其动作区外，而其第2段测量值则应在动作区内。可直接读取保护1的测量值与整定值，观察其是否符合前述规则，而不需要读取保护1的电流电压波形来分析。这样大大减少了用于保护分析的数据量。

l1

ΙΙ

图4 继电保护装置相互关系示意 Fig. 4 Schematic of relationship between

protection devices

按上述思路进行继电保护状态分析时，数据流的逻辑关系如图5所示。数据传输和数据处理均 是基于特征量的精简数据。与目前的基于故障录波数据的分析处理模式相比，从基于波形全数据的分析比较(图6(a))变成了基于精简数据的相对比较 (

图6(b))。

事实上，评价继电保护状态不仅要看其是否动

图5 基于精简特征数据的保护系统状态分析 Fig. 5 Protection system status analyze based on

simplified feature data

(a) 目前分析方法 (b) 本文方法

图6 本文方法与目前已有方法的对比

Fig. 6 Differences between used method and new method

第3期 陈星田等：一种用于继电保护状态评价的大数据精简方法 541

作，还要观察其反应故障的速度与灵敏度，更要评价其在不同运行环境下的可靠性，因此保护装置内部特征量的选取方法应简单、有效，必须提出一组能完整反应保护状态的精简数据指标集。

2 用于继电保护运行状态评价的精简指标数据

2.1 继电保护运行评价功能要求

继电保护运行状态是指继电保护能否满足保护一次系统的能力，而继电保护运行状态评价则是对处于上岗运行的继电保护装置(系统)维持这种能力的判断。

将继电保护系统工作状态划分为4个工作区域，如图7所示。定义继电保护工作1区和2区为正常运行区和故障状态区；将1区和2区的过渡过程定义为3区和4区，3区为故障启动区，4区为故障恢复区。

保护

图7 继电保护工作区

Fig. 7 Work area of relay protection

从继电保护的基本原理及对继电保护的要求出发，对处于上岗运行的继电保护装置进行状态评价应包含如下任务：

1）分析继电保护装置在1区不动作的可靠性(体现不误动要求)，识别在1区可能会发生的动作(误动作)风险。

2）分析继电保护装置在2区的动作行为的正确性(体现不拒动要求)，包括：

①各类保护对故障的反应敏感度；

②区外故障时的不动作可靠性，或误动作风险； ③区内故障时动作的可靠性； ④作为后备的灵敏性；

3

）分析继电保护系统在1区向2区转换(3区)时的安全性。

4）分析继电保护系统在2区向1区转换(4区)时的安全性。

在对继电保护系统进行分析评价时，不仅应重点关注故障元件的继电保护动作行为，还应分析非故障元件的继电保护系统

[20-21]

，因为在故障或扰动

的冲击下，其反应过程也表征了他们应对扰动的 能力[22]。

利用扰动激励评价各继电保护装置工作状态的原理如图8所示。

图8 基于扰动激励的继电保护隐藏故障识别 Fig. 8 Hidden fault identification of relay protection based

on disturbance

图8中故障发生在保护3与保护4之间，由保护3与保护4切除故障，其他保护返回。但可利用在故障持续期间保护1到保护6之间的动作行为分析其内部反应是否满足设计要求，是否存在隐藏故障。例如，K点故障，除保护3、4外，保护1、2、

5

、6均应进入故障启动区，在保护3、4正常动作后返回，若保护1、2、5、6未启动，则存在隐藏故障。

2.2 继电保护运行状态评价的精简指标

能否建立一组反映继电保护运行状态的指标体系，是能否实现继电保护信息精简传输进而实现保护系统在线评价的前提。

为此，本文从继电保护的动作原理出发，建立如下可量化、数值型精简指标体系。

1）反映继电保护动作可能性的指标。 定义1 启动距离DS，指继电保护装置测量值与保护启动值之间的相对差异。

设Fsm表示保护装置测量值，Fss表示保护装置启动值，则启动距离为

D−Fss

S=

FsmF×100% (1) ss

对于过量保护，式(1)为正表示保护装置可能启动，为负表示未到达启动条件，如图9所示。

t

图9 继电保护启动距离

Fig. 9 Started distance of relay protection

542 中 国 电 机 工 程 学 报 第35卷

对于欠量保护，式(1)为负表示保护装置可能启动，为正则表示未达到启动条件。

在一次系统正常无故障情况下，启动距离反映了保护测量值或测量噪声的相对大小；在一次系统存在扰动情况时，反映保护启动元件的灵敏度。 定义2 动作距离DO，指继电保护测量值与保护动作边界之间的相对差异。

设Fsd表示保护装置的动作值，动作距离为

Dsm−Fsd

O=

FF×100% (2) sd对于过量保护，式(2)为正表示保护装置可能动作，为负表示未达到动作条件，如图10所示。

t

图10 继电保护动作距离

Fig. 10 Operation distance of relay protection

对于欠量保护，式(2)为负表示保护装置可能动作，为正表示未达到动作条件。

由于动作距离是一个相对值，且在每个继电保护装置内部可以计算生成，因此上传至保护评价系统后可仅用这一个指标即可评估保护是否达到动作条件。更重要的是可以判断与动作边界的远近，由此可量化评价保护动作的可能性。

对于不同的保护装置，其具有不同的动作边界，因此其动作距离应是测量值与边界的最小距离。如果测量值是矢量，动作距离则是测量矢量与动作边界之间的距离矢量的模值。

2）反映继电保护动作速度的指标。

定义3 启跳时间Tso，指从继电保护装置启动元件动作到保护发出跳闸命令的时间。

设保护启动时刻为Ts，保护发出跳闸命令的时刻为To，则保护启跳时间为

Tso=To−Ts (3)

启跳时间反映了保护装置从启动到发出跳闸

命令之间过程的长短，可用于判断继电保护算法、

时间设定值是否合理等。对于要求快速切除故障的

主保护，启跳时间主要受保护判据计算过程的影

响；对于与相邻线路配合的后备保护，除判据计算

过程影响外，还要考虑时间配合的问题。由于指标的计算是由保护装置内部的时钟确定，因此与保护装置是否有统一的时钟同步系统无关，无需建立统一的时钟基准来分析保护的动作特性。

3）反映继电保护装置对故障测量的灵敏度 指标。

定义4 穿越频率FT，指继电保护装置在从保护启动到故障恢复时间内测量值穿越动作边界的次数，

如图11所示。

图11 继电保护穿越频率 Fig. 11 The FT of relay protection

设Sing为符号函数，当函数DO由正到负或由

负到正时，Sing(DO)加1，则：

FT=∑Sing(DO) (4)

穿越频率表现了保护装置对故障的反应灵敏度。当保护可靠反映故障时，穿越频率很低；反之，当保护测量值处于动作边界时，穿越频率则较高。 定义5 穿越时间Tsi，指从保护启动到装置第一次越过整定值之间的时间差。

设保护装置测量值第一次大于整定值的时刻为Ti，则穿越时间为

Tsi=Ti−Ts (5)

穿越时间反映了保护装置信号采集、模数转

换，测量值计算的灵敏度，算法越灵敏，穿越时间越小。

定义6 动作区持续时间Tip，指保护装置测量值进入动作区内并维持在动作区内的时间。

设系统故障期间保护装置测量值越过边界后第一次低于返回值的时刻为Tp，则动作区持续时间为

Tip=Tp−Ti (6)

定义7 跳闸回路动作时间Top。设保护装置发出跳闸命令的时间为To，则Top为从保护发出跳闸命令

到断路器断开、保护测量值第1次低于返回值的时

间差：

Top=Tp−To (7)

Top反映了跳闸回路的特性，包括跳闸命令的接

第3期 陈星田等：一种用于继电保护状态评价的大数据精简方法 543

收时间与断路器的动作时间。对于通过智能IED接口的断路器，跳闸命令的接收处理环节是新增加的环节。

上述所列的继电保护状态评价精简指标，可用离满足：

m⎧DS

i>0⎪m

⎪DOi>0

(8) ⎨b

于反映保护装置在一次系统出现扰动激励时的动作行为，与保护原理和类型无关，可由制造商在保护软件设计中轻易完成，如图12所示。

图12 精简信息产生流程

Fig. 12 Generating process of simplified information

需要指出的是，这些指标计算所依据的数据均是继电保护装置自身计算所产生的，不会带来附加的过多的计算量。以电流保护动作距离指标的计算为例，其电流测量值保护自己会计算得到，整定值已存储于保护存储器中，仅需按文中式(2)简单计算即可得到。

目前已投运微机保护装置无法直接运用上述方法，只能在软件升级时实现。而新建智能变电站或新开发的保护装置则可方便地仅靠增加软件模块获得前述精简指标数据。

3 基于精简指标数据的继电保护运行状态评价方法

继电保护系统的运行状态评价是利用一次系统故障前和故障后的信息，对保护的动作行为进行评判的过程。其目的在于识别保护系统内有无隐藏故障、有无整定错误、性能是否达到设计要求。

通过上述精简指标，可从以下方面实现对继电保护系统的运行状态评价。

1）继电保护系统可靠性评价。

从切除故障的充裕度和选择性要求出发，继电保护系统的可靠性表现在当一次系统故障后，故障处保护装置能发出跳闸命令，而相邻非故障元件的后备保护要求能启动并进入动作区。利用前述精简指标，只需做如下逻辑判断即可(以过量保护为例)：

①故障元件的保护装置i的启动距离和动作距

⎪D⎪Si

>0⎩DbOi

>0此时，保护装置i的主保护(上标为m)、后备保护(上标为b)的启动距离和动作距离都大于零，都可发出跳闸命令。

②相邻非故障元件(近电源侧)保护装置i − 1，其动作距离需满足：

⎧⎪⎨Dm

Oi−1

⎪⎩Db

Oi−1

>0 (9) 即保护装置i − 1的主保护动作距离(Dm

Oi−1)小于零，后备保护的动作距离(Db

Oi−1)大于零，

可提供系统故 障后的后备保护。

③远离故障元件保护装置的主保护动作距离需满足：

Dmmm

Oi−2,DOi−3,",DO1

电力系统各继电保护装置处于可靠运行状态是式(8)—(10)成立的充分条件。因此式(8)—(10)不成立则继电保护装置可能存在隐藏故障，用文氏图表示，如图13所示。

满足 ⑤② ⑥

满足 式(8)

①

式(10)

④

③

⑦ 满足 式(9)

图13 继电保护可靠性评价

Fig. 13 Reliability evaluation of relay protection

图13中，各区域表示的含义如下：

区域①(满足式(8)、(9)、(10))：系统内各保护设备正常运行。

区域②(满足式(8)、(10)，不满足式(9))：相邻继电保护设备可能存在主保护误动作或后备保护拒动作。

区域③(满足式(9)、(10)，不满足式(8))：故障元件保护设备可能拒动作。

区域④(满足式(8)、(9)，不满足式(10))：远离

544 中 国 电 机 工 程 学 报 第35卷

故障元件的继电保护设备可能存在误动作。

区域⑤(仅满足式(8)，不满足式(9)、(10))：非故障元件继电保护设备可能存在误动作。

区域⑥(满足式(10)，不满足式(8)、(9))：故障元件与故障相邻元件保护可能存在隐藏故障。

区域⑦(满足式(9)，不满足式(8)、(10))：故障元件保护与远离故障元件保护可能存在隐藏故障。

2）继电保护系统快速性评价。

图14表示出了保护装置的穿越时间、启跳时间、动作区持续时间和跳闸回路动作时间的关系，

Ts时刻保护元件启动，Ti时刻保护元件测量值超过动作整定值，To时刻保护元件发出跳闸命令，Tp时刻保护元件测量值低于返回值(保护返回)。

tTTTT图14 继电保护快速性评价

Fig. 14 Speed evaluation of relay protection

图15和16分别给出了故障元件主保护、后备保护以及相邻非故障元件远后备保护的4个继电保护状态时间指标的数量关系。

t

图15 故障元件主保护和后备保护的快速性评价 Fig. 15 Speed evaluation of main protection and backup

protection of fault component

规程规定主保护的整组动作时间应约束在一定时间Tgc内，考虑到通道时间，对220 kV线路近端故障：Tgc ≤ 20 ms；对远端故障：Tgc ≤ 30 ms。

满足快速性要求则需满足：

Tmso

由图15和16可知，当主保护(后备保护)正确动作时，后备保护(相邻非故障元件的远后备保护)

图16 后备保护快速性评价

Fig. 16 Speed evaluation of backup protection and remote

backup protection

的动作区持续时间和主保护的动作区持续时间接近；当主保护(后备保护)无法正确动作时，后备保护(相邻非故障元件的远后备保护)的动作区持续时间应满足相关规定要求，否则无法满足保护装置快

速性要求。

3）继电保护系统整定选择性评价。

以过量保护为例，为保证继电保护选择性要求，除满足可靠性要求外(式(7)—(9))，还需要满足

时间配合的要求：

①对于故障元件的继电保护装置：满足后备保护的启跳时间大于主保护。

Tbi>Tm

sosoi

(12) ②相邻非故障元件的继电保护装置：相邻后备保护若动作，其启跳时间应大于故障元件的后备保护启跳时间。

Tbb

soi−1>Tsoi

(13) ③远离故障元件的继电保护装置：相应继电保护装置的主保护应满足式(9)。

4）灵敏性评价。

根据电力系统继电保护灵敏性的要求，当系统故障时故障元件和相邻故障元件的继电保护装置都能敏锐感觉、正确反应。此时应满足如下逻辑判断。

①故障元件的继电保护装置灵敏性评价：

⎧⎪⎨Fm

Ti=1

⎪⎩Fb

(14) Ti=1

系统故障期间，保护装置i主保护、后备保护

的穿越频率应大于等于1。

②相邻非故障元件后备保护装置的灵敏性 评价：

第3期 陈星田等：一种用于继电保护状态评价的大数据精简方法 545

持为大于等于1。

FTbi−1=1 (15) 根据继电保护配置的规范和要求[23-24]，该典型

保护装置i − 1的后备保护在故障发生后应保③远离故障元件后备保护装置的灵敏性评价：

变电站的220 kV出线设置两套独立的闭锁式距离纵联保护作为主保护，由三段式相间和接地距离及

2个延时段零序方向过流保护构成后备保护，同时

配备断路器失灵保护作为辅助保护；110 kV出线设

D>D>">D (16)

b

Oi−2

bOi−3

bO1

远离故障元件继电保护设备的后备保护离故障元件越远，动作距离越小，灵敏性越差。

5）跳闸回路完好性评价。

故障元件继电保护装置的跳闸回路动作时间

(Top)越小，断路器跳闸回路动作越快。

如图17，比较各保护装置的跳闸回路动作时间，可以得到各跳闸执行回路的时间差异，可由此判断断路器跳闸回路是否存在隐藏故障。

T图17 不同保护装置跳闸回路动作时间差异 Fig. 17 Time difference of Top between different relay

protections

4 实例分析

4.1 典型220 kV变电站保护及故障录波配置

以某典型220 kV实际变电站为研究的原型。该变电站的一次接线如图18所示。母线等级分为220、

110、10 kV共3个等级。220和110 kV侧采用双母线带旁路母线的方式供电，10 kV侧采用单母线分段的方式供电。

220旁母

220

220I 母II 母

110I 110II 110图18 变电站电气接线图

Fig. 18 Diagram of substation electrical wiring

置相间距离保护和零序接地电流保护作为主保护，

后备保护为零序过流保护；10 kV出线设有过流保

护、速断保护；1#和2#主变压器主保护为瓦斯保护、纵差动保护，后备保护为零序电流保护和过电流保护；母线保护为母联电流比相式母线差动保护和断路器失灵保护。

故障录波的数据通常采用COMTRADE暂态数据交换通用格式，以文件方式存储。根据

COMTRADE 1999标准，模拟量信号按照故障开始

的顺序分5个时段进行采样(如图19所示)，其中A和B时段分别记录故障前大于(或等于)0.04 s和故

障后大于(或等于)0.1 s的波形；C时段大于0.1 s，

记录每一个周期的工频有效值；D时段大于20 s，每0.1 s记录一次工频有效值；E时段大于10 min，每1.0 s记录一个工频有效值。

图19 故障录波时段 Fig. 19 Record time of fault wave

通常情况下5个时段并不用全部记录，本文以记录A和B时段为例说明。以WDGL-V/X微机电力故障录波监测装置为例，在A时段(6个工频周波)和B时段(10个工频周波)每个工频周波64点采 样值。

微机保护中的保护录波以LFP-900系列微机保

护装置为例[25]，保护录波取扰动前3个工频周波，

扰动后5个工频周波，共96个采样值。

保护录波或故障录波的上传数据计算公式为

n=kNma (17)

式中：n为上传数据的容量；k为需要记录的电气

量数；N为每工频周波采样点数；m为采样周波数；

a为每个采样值的数据字长，Byte。在下文计算过

程中，n1表示故障录波的上传数据，n2表示保护装置的保护录波。

4.2 采用精简数据后的上传数据量比较

以1#主变压器故障切除为例，此时断路器202、

101、801将会动作于跳闸。变压器各电压等级母线

546 中 国 电 机 工 程 学 报 第35卷

及出线上的保护装置将启动。

′ kV 站=51×7a=357a (27) n220

1）1#主变压器上传数据量。

1#主变压器保护装置和录波装置要分别采集220 kV/110 kV/10 kV侧的三相电流和三相电压，并在220和110 kV中性点处采集零序电流。

通过对比可知，上传精简数据只需占用很少的通信资源，且主站仅利用上传的精简数据，即可实现对保护运行状态的自动在线评价，无需人为干预。

继电保护运行状态直接影响到电力系统运行2

n1#=[(3×3×2)+2×1]×96a (19)

1

n1#=[(3×3×2)+2×1]×64×(6+10)a (18)

5 结论

2）220 kV母线及出线上传数据量。 220 kV母线含2条进线、2条出线，各进(出)

线分别采集三相电压和电流；采集各条母线的三 相电压和零序电压；母联断路器处采集三相电压、电流。

n1220=[(4×3×2)+2×4+3×2]×64×(6+10)a (20)

n2

220=[(4×3×2)+2×4+3×2]×96a (21)

3）110 kV母线及出线上传数据量。

和220 kV侧分析相同，可得到110 kV侧上传数据量：

n1

110=[(4×3×2)+2×4+3×2]×64×(6+10)a (22)

n2

110=[(4×3×2)+2×4+3×2]×96a (23) 4）10 kV母线及出线上传数据量。

10 kV母线含2条进线和4条出线，其采集数

据量为

n1

10=[(6×3×2)+2×4+3×2]×64×(6+10)a (24)

n2

10=[(6×3×2)+2×4+3×2]×96a (25) 综上所述，故障事件发生后，为判断该220 kV

变电站继电保护设备运行状态，信息子站将向调度

中心(信息主站)上传的数据总量为

n220 kV 站=163 520a (26)

采用基于精简指标集的继电保护状态评估只需将每套继电保护设备的7个状态指标上传。由4.1节关于该220 kV变电站保护配置的介绍可知，1#变压器配置主保护2套(双重化)，后备保护2套(双重化)；220 kV母线配置母差保护1套，220 kV出线配置距离纵联保护2套(双重化)，后备保护2套；

110 kV母线配置母差保护1套，110 kV出线配置相间距离保护和零序保护各1套，零序过电流后备保护1套；10 kV母线保护1套，出线设过电流保护和速断保护各1套，综上所述，该220 kV变电站需上传的状态指标为

安全，快速简洁地进行继电保护状态评价是保障电

力系统安全的直接需求。在信息系统数据量激增的

前提下，研究有效数据构建、有用信息筛选将是电

力系统必须研究的关键技术。

本文从对继电保护的核心要求出发，基于避免无效数据占用资源、实现数据高效利用的思路提出了反映继电保护状态特征的精简指标概念并构建了精简指标数据集，运用精简指标数据可实现继电保护状态的在线评价，可提高继电保护状态辨识效率，解决大量录波信息上传引起的通道堵塞、数据不可用等问题。主要结论如下：

1）为了实现继电保护状态在线分析评价目的，基于采用继电保护装置加工信息实现数据精简的

思想，提出了反映各变电站继电保护状态的特征指

标集。使用该指标集对继电保护状态进行评价，改

变了过去依赖故障波形数据进行分析评价的方法，

可大幅降低数据量，减少对数据通道的占用和数据

处理时间。即一次系统遭受扰动后，各变电站保护

信息子站仅上传反映各保护装置扰动处置过程中

的特征指标数据，即可实现主站对各保护动作行为

的评价；既保障了对故障元件保护和非故障元件均

进行评价，又减少了上传信息量，降低了对通道的

要求。

2）将继电保护状态分为4个区域，分别从保

护的可靠性、选择性、灵敏性、快速性要求出发，

提出了启动距离、动作距离、穿越频率、穿越时间等反应继电保护在扰动激励下动作行为的七大特征量，可满足继电保护运行状态的在线评价要求；所提的精简指标无需各变电站数据同步，指标计算仅使用继电保护装置内部中间计算结果即可，计算量小，不影响保护装置故障分析处置功能。

3）从保护的4个要求出发，建立了基于继电保护精简指标数据的继电保护状态评价方法。

4）以一个220 kV变电站的保护配置为例，分析了该保护信息子站的信息量以及采用本文精简指标数据的信息量，可见采用本文方法在不丢失关

第3期 陈星田等：一种用于继电保护状态评价的大数据精简方法 547

键信息的前提下可大大缩减上传的数据量。在大数据背景下，为实现继电保护运行状态的快速在线评价提供了可能。

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收稿日期：2014-06-07。 作者简介：

陈星田(1971)，男，博士研究生，主要研究方向为智能变电站、电力系统保护与控制，[email protected]；

熊小伏(1962)，男，博士，教授，博士

陈星田

生导师，主要研究方向为智能电网、电力系统保护与控制，[email protected]；

钟加勇(1981)，男，硕士，研究方向为数字化变电站。

(责任编辑 张玉荣)

一种用于继电保护状态评价的大数据精简方法

作者：作者单位：

陈星田， 熊小伏， 齐晓光， 郑昌圣， 钟加勇， CHEN Xingtian， XIONG Xiaofu， QI Xiaoguang，ZHENG Changsheng， ZHONG Jiayong

陈星田,熊小伏,齐晓光,郑昌圣,CHEN Xingtian,XIONG Xiaofu,QI Xiaoguang,ZHENG Changsheng(输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 重庆大学,重庆市 沙坪坝区,400030)， 钟加勇,ZHONG Jiayong(重庆市电力公司,重庆市 沙坪坝区,400030)中国电机工程学报

Proceedings of the CSEE2015(3)

刊名：英文刊名：年，卷(期)：

引用本文格式：陈星田.熊小伏.齐晓光.郑昌圣.钟加勇.CHEN Xingtian.XIONG Xiaofu.QI Xiaoguang.ZHENG Changsheng.ZHONG Jiayong

一种用于继电保护状态评价的大数据精简方法[期刊论文]-中国电机工程学报 2015(3)