改进距离继电器中功率摆动阻塞和解阻塞功能的新方法附Matlab代码-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/matlab_dingdang/article/details/148342635

作者简介：热爱科研的Matlab仿真开发者，擅长数据处理、建模仿真、程序设计、完整代码获取、论文复现及科研仿真。

🍎 往期回顾关注个人主页：Matlab科研工作室

🍊个人信条：格物致知,完整Matlab代码及仿真咨询内容私信。

🔥 内容介绍

在现代电力系统中，距离继电器作为保障电力系统安全稳定运行的关键设备，其性能的优劣直接影响着系统的可靠性。功率摆动现象在电力系统运行过程中较为常见，它可能由系统故障、负荷突变、大型机组投入或退出运行等多种因素引发。当功率摆动发生时，距离继电器的测量阻抗会随时间周期性变化，这极有可能导致距离继电器的误动作，进而破坏电力系统的正常运行秩序，甚至引发大面积停电事故。因此，如何有效改进距离继电器中功率摆动阻塞和解阻塞功能，使其能够准确区分功率摆动与故障状态，成为电力领域亟待解决的重要课题。

二、传统功率摆动阻塞和解阻塞功能剖析

2.1 传统阻塞功能原理与不足

传统距离继电器的功率摆动阻塞功能主要基于简单的电气量判据。常见的是利用电流、电压幅值以及它们之间相位差的变化情况来判断是否发生功率摆动。在正常运行状态下，电力系统的电流、电压幅值和相位相对稳定，距离继电器的测量阻抗也处于正常范围。一旦系统出现功率摆动，电流、电压的幅值和相位会发生周期性变化，测量阻抗随之在阻抗平面上做圆周运动。传统阻塞功能正是依据测量阻抗的这种变化特征，设置相应的动作门槛值。当测量阻抗超出正常范围且呈现周期性变化时，认为系统发生功率摆动，进而启动阻塞功能，防止距离继电器误动作。

然而，这种传统的阻塞功能存在明显的局限性。在复杂的电力系统运行环境中，存在诸多干扰因素，例如系统中的谐波、噪声以及某些特殊故障（如振荡性短路故障）。这些干扰可能导致电流、电压的变化特征与功率摆动时极为相似。当出现这些干扰时，传统的功率摆动阻塞功能可能会将其误判为功率摆动，从而错误地阻塞距离继电器的正常动作。在真正发生故障时，距离继电器由于被错误阻塞而无法及时动作，延误了故障切除的最佳时机，可能会使故障范围扩大，对电力系统的安全运行造成严重威胁。

2.2 传统解阻塞功能原理与缺陷

传统解阻塞功能的实现原理相对简单，主要依赖于对测量阻抗恢复到正常范围这一单一条件的判断。当功率摆动结束后，电力系统逐渐恢复稳定运行状态，测量阻抗也会随之回到正常区域。传统解阻塞功能通过监测测量阻抗是否小于预先设定的正常运行门槛值，来决定是否解除对距离继电器的阻塞。一旦测量阻抗小于该门槛值，就认为功率摆动已经结束，随即解除阻塞，使距离继电器恢复正常工作状态。

这种传统解阻塞功能存在严重的缺陷。一方面，其解阻塞判据过于单一，仅仅依据测量阻抗幅值的恢复情况来判断功率摆动是否结束，没有充分考虑电力系统的动态特性和其他相关电气量的变化。在实际运行中，功率摆动平息后，电力系统可能需要一段时间才能完全恢复到稳定状态，期间测量阻抗可能会出现短暂的波动。如果仅以测量阻抗幅值是否小于门槛值作为解阻塞依据，可能会在系统尚未真正稳定时就过早解除阻塞，导致距离继电器在不稳定状态下再次投入运行，增加了误动作的风险。另一方面，当电力系统发生一些特殊情况时，例如系统参数发生缓慢变化或者存在持续的小干扰，测量阻抗可能会在正常门槛值附近徘徊，使得传统解阻塞功能难以准确判断功率摆动是否已经彻底结束，从而导致距离继电器长时间处于阻塞状态，无法及时对后续可能出现的故障进行有效保护，严重影响电力系统的安全性和可靠性。

三、改进的功率摆动阻塞功能

3.1 多维度特征融合判据

为了克服传统功率摆动阻塞功能的局限性，引入多维度特征融合判据是一种有效的改进思路。在电力系统中，除了电流、电压的幅值和相位信息外，谐波分量、负序分量等电气量特征也蕴含着丰富的系统运行状态信息。当系统发生功率摆动时，这些多维度电气量特征会呈现出特定的变化规律，并且与故障状态下的变化规律存在明显差异。

以谐波分量为例，正常运行时电力系统中的谐波含量较低且相对稳定。但在功率摆动过程中，由于系统元件的非线性特性以及功率振荡的影响，谐波分量会发生显著变化，尤其是高次谐波的含量会明显增加。同时，不同类型的功率摆动（如单机对无穷大系统的功率摆动、多机系统的功率摆动等），其谐波分量的变化特征也有所不同。对于负序分量，正常运行时电力系统基本处于三相对称状态，负序分量很小。而当发生功率摆动时，系统的对称性可能会受到破坏，导致负序分量增大。并且在某些故障情况下（如不对称短路故障），负序分量同样会增大，但功率摆动和故障时负序分量的变化速率、持续时间等特征存在差异。

通过综合分析电流、电压幅值、相位、谐波分量、负序分量等多维度电气量特征，可以构建更加准确的功率摆动判别模型。利用机器学习算法（如支持向量机、随机森林等）对大量的电力系统运行数据进行训练，让算法学习不同工况下多维度电气量特征的模式。在实际运行中，将实时采集到的多维度电气量数据输入到训练好的模型中，模型能够快速、准确地判断系统是否处于功率摆动状态，以及区分功率摆动与各种故障情况，从而有效避免传统阻塞功能因单一判据导致的误判问题，提高功率摆动阻塞功能的可靠性和准确性。

3.2 基于动态时间序列分析的阻塞策略优化

在确定功率摆动阻塞的时机和持续时间方面，采用动态时间序列分析技术可以实现阻塞策略的优化。电力系统的运行状态是一个动态变化的过程，其各种电气量参数随时间呈现出特定的变化规律。通过对这些电气量参数（如电流、电压、功率等）进行连续监测，形成时间序列数据。

在功率摆动发生初期，动态时间序列分析技术能够实时跟踪电气量参数的变化趋势，通过计算时间序列数据的自相关函数、互相关函数以及其他相关统计特征量，准确判断功率摆动的起始时刻。在功率摆动持续期间，持续监测时间序列数据的变化特征，根据预先设定的阻塞持续时间判据（如基于功率摆动的周期数、振荡幅度的衰减情况等），动态调整阻塞功能的持续时间。当功率摆动接近结束时，利用时间序列分析技术对电气量参数的变化进行预测，提前判断功率摆动即将结束的时刻，以便在合适的时机解除阻塞，避免过早或过晚阻塞距离继电器，提高距离继电器在功率摆动期间的动作性能。

例如，当检测到功率摆动开始后，通过分析电流时间序列数据的自相关函数，发现其周期逐渐稳定且振荡幅度呈现一定的衰减趋势。根据预先设定的规则，当振荡幅度衰减到一定程度且经过若干个稳定周期后，判断功率摆动即将结束，此时可以提前准备解除阻塞，确保距离继电器能够及时恢复正常工作状态，同时又不会因过早解除阻塞而导致误动作。

四、改进的功率摆动解阻塞功能

4.1 基于智能算法的解阻塞判据优化

智能算法在改进功率摆动解阻塞功能方面具有显著优势。以自适应神经模糊推理系统（ANFIS）为例，它结合了神经网络强大的自学习能力和模糊逻辑灵活的推理能力。通过对大量电力系统在功率摆动平息过程中的运行数据进行学习训练，ANFIS 能够自动提取功率摆动结束时电气量参数变化的特征模式，并构建相应的模糊推理规则和隶属度函数。

在实际应用中，ANFIS 实时接收电力系统的各种电气量数据（如电压、电流、频率等），将这些数据作为输入变量。根据预先学习到的模糊推理规则，对输入数据进行模糊化处理，通过模糊推理过程判断功率摆动是否已经结束。例如，当功率摆动结束时，电压幅值会逐渐恢复到正常范围且波动较小，频率也会趋于稳定。ANFIS 能够综合考虑这些电气量的变化情况，通过模糊推理输出一个准确的判断结果。如果判断功率摆动已经结束，则发出解阻塞信号，解除对距离继电器的阻塞。相比传统单一判据的解阻塞功能，基于 ANFIS 的解阻塞判据能够更全面、准确地识别功率摆动结束的状态，有效避免过早或过晚解阻塞的问题，提高距离继电器的动作可靠性。

4.2 考虑系统动态恢复过程的解阻塞策略

电力系统在功率摆动结束后，其恢复到稳定运行状态是一个动态的过程，需要考虑多个电气量参数的协同恢复情况。改进的解阻塞策略应充分考虑这一系统动态恢复过程。除了关注测量阻抗的恢复情况外，还应监测电压、电流的谐波含量、负序分量、频率稳定性等多个电气量参数的变化。

例如，当功率摆动结束后，首先观察电压幅值是否逐渐恢复到正常额定值范围内，并且电压的波动是否在允许的范围内。同时，监测电流的谐波含量是否迅速降低至正常水平，负序分量是否减小到接近零值。此外，关注系统频率是否稳定在额定频率附近，且频率的变化速率是否在正常范围内。只有当这些多个电气量参数都满足预先设定的恢复条件时，才认为电力系统已经恢复到稳定运行状态，此时再解除对距离继电器的阻塞。这种考虑系统动态恢复过程的解阻塞策略，能够确保距离继电器在电力系统真正稳定后才恢复正常工作，有效避免因系统尚未稳定而导致的距离继电器误动作，进一步提高电力系统运行的安全性和可靠性。

五、硬件升级对改进功能的支持

5.1 抗干扰硬件设计

为了确保改进后的功率摆动阻塞和解阻塞功能能够准确可靠地运行，对距离继电器的硬件进行抗干扰设计至关重要。在硬件电路设计方面，采用高可靠性的电磁屏蔽材料对整个距离继电器进行全方位屏蔽。通过在外壳、电路板等关键部位使用优质的电磁屏蔽材料，能够有效阻挡外界电磁干扰信号的侵入，减少其对内部电路中信号采集和处理的影响。

在电源模块设计上，采用先进的滤波和稳压技术。电源是距离继电器正常工作的基础，电源的稳定性直接影响设备的性能。通过使用高性能的滤波电路，能够去除电源中的高频噪声和杂波，保证输入到距离继电器内部电路的电源纯净稳定。同时，配备高精度的稳压芯片，实时监测电源电压的变化，当电压出现波动时能够迅速进行调整，确保电源输出电压始终保持在稳定的范围内，避免因电源波动导致的距离继电器误判。

5.2 高性能计算硬件配置

改进后的功率摆动阻塞和解阻塞功能涉及到多维度特征融合判据、智能算法等复杂的计算过程，对硬件的计算性能提出了更高的要求。因此，需要选用高性能的微处理器和数字信号处理器（DSP）。

新型的多核微处理器具有强大的并行处理能力，能够同时处理多个任务。在距离继电器中，多核微处理器可以将不同的电气量数据采集、多维度特征计算、智能算法推理等任务分配到不同的核心上进行并行处理，大大提高了数据处理的速度和效率。数字信号处理器（DSP）在数字信号处理方面具有独特的优势，其专门设计的硬件结构和指令集能够快速完成复杂的数字信号运算。在处理电力系统的电气量数据时，DSP 能够高效地进行快速傅里叶变换（FFT）、滤波、相关计算等操作，为多维度特征提取和智能算法的运行提供有力的支持。通过合理配置高性能的微处理器和 DSP，能够满足改进功能对计算资源的需求，实现功率摆动阻塞和解阻塞功能的快速、准确响应，提升距离继电器在复杂电力系统工况下的性能表现。

六、结论与展望

本研究提出的改进距离继电器中功率摆动阻塞和解阻塞功能的新方法，通过多维度特征融合判据、基于动态时间序列分析的阻塞策略优化、基于智能算法的解阻塞判据优化以及考虑系统动态恢复过程的解阻塞策略，并结合硬件抗干扰设计和高性能计算硬件配置，有效克服了传统功能的局限性，显著提高了距离继电器在功率摆动情况下的动作准确性和可靠性。

然而，电力系统的运行环境日益复杂，未来仍有诸多挑战需要进一步研究和解决。一方面，随着新能源大规模接入电力系统，系统的动态特性将更加复杂多变，功率摆动的形式和特征可能会发生新的变化。因此，需要持续深入研究新能源接入对功率摆动的影响机制，进一步优化改进方法，以适应这种变化。另一方面，智能电网的发展对距离继电器的智能化水平提出了更高要求，如何将改进后的功能与智能电网的通信、控制等系统更好地融合，实现电力系统的全方位智能监测和保护，也是未来研究的重要方向。通过不断探索和创新，有望进一步提升距离继电器的性能，为现代电力系统的安全稳定运行提供更加坚实的保障。