基于PSS/E的保護(hù)定值靈敏度校驗(yàn)系統(tǒng)的研發(fā)

徐 寧，劉金官，嚴(yán)國平

（江蘇電力調(diào)度通信中心，江蘇南京210024）

隨著電網(wǎng)不斷發(fā)展，電網(wǎng)設(shè)備檢修次數(shù)的增加，調(diào)度運(yùn)行人員在檢修方式下進(jìn)行繼電保護(hù)定值校核的工作量也越來越大，由此產(chǎn)生了繼電保護(hù)定值校核自動(dòng)化的問題。國家電網(wǎng)公司在2007年1月召開的繼電保護(hù)工作會(huì)議中指出：“對于正常運(yùn)行的系統(tǒng)，要定期對保護(hù)整定計(jì)算方案的整體性和適應(yīng)性進(jìn)行評估。在特殊檢修方式下，要隨著電網(wǎng)運(yùn)行方式變化，校核保護(hù)定值的配合問題”[1]。最近，江蘇電力調(diào)度通信中心開發(fā)了一套適應(yīng)于電網(wǎng)檢修方式下保護(hù)定值靈敏度校驗(yàn)的系統(tǒng)，提高了檢修方式下保護(hù)定值校驗(yàn)的效率。

1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

保護(hù)定值靈敏度校驗(yàn)系統(tǒng)的主要用途之一是讓繼電保護(hù)運(yùn)行人員根據(jù)未來幾天電網(wǎng)運(yùn)行方式的變化，快速方便地調(diào)整計(jì)算模型參數(shù)，進(jìn)行全網(wǎng)各種類型的故障計(jì)算，再將計(jì)算結(jié)果與裝置運(yùn)行保護(hù)定值做比較，找出保護(hù)定值可能存在的隱患，最后做出定值調(diào)整策略。

根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，分析繼電保護(hù)定值靈敏度校驗(yàn)系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)是電網(wǎng)參數(shù)，因此該系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)保護(hù)定值靈敏度校驗(yàn)的功能以外，其主要功能還應(yīng)包括：網(wǎng)絡(luò)參數(shù)維護(hù)、數(shù)據(jù)有效性檢查、簡單計(jì)算任務(wù)管理、簡單故障分析、短路容量計(jì)算、保護(hù)靈敏度校驗(yàn)、等值線計(jì)算，并輔助有用戶管理及計(jì)算結(jié)果查詢。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)依據(jù)通用性、實(shí)用性、可靠性的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，采用B/S結(jié)構(gòu)，由1臺調(diào)度服務(wù)器、1臺數(shù)據(jù)服務(wù)器和若干臺仿真計(jì)算服務(wù)器組成，其中調(diào)度服務(wù)器安裝Web應(yīng)用程序和計(jì)算任務(wù)調(diào)度程序，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)數(shù)據(jù)的維護(hù)、計(jì)算任務(wù)管理調(diào)度等工作。計(jì)算服務(wù)器上安裝有電力系統(tǒng)仿真程序（PSS/E），負(fù)責(zé)計(jì)算用戶提交的各種仿真計(jì)算任務(wù)。通過有效的任務(wù)管理，實(shí)現(xiàn)Web環(huán)境下PSS/E仿真應(yīng)用的擴(kuò)展，建立繼電保護(hù)定值適應(yīng)性校驗(yàn)平臺，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

1976年P(guān)SS/E問世以來，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在電力系統(tǒng)仿真、分析、優(yōu)化等方面[2]。此外，PSS/E還向研究人員提供了二次開發(fā)的接口，允許研究人員通過二次開發(fā)接口開發(fā)腳本程序，以便擴(kuò)充模型自動(dòng)完成大批量的仿真計(jì)算以及結(jié)果分析[3]。本系統(tǒng)所有的仿真計(jì)算均通過調(diào)用PSS/E程序完成。

3 關(guān)鍵技術(shù)介紹

3.1 PSS/E二次開發(fā)技術(shù)

PSS/E提供了3種方式實(shí)現(xiàn)用戶程序與PSS/E的接口，它們分別是：批處理方式、IPLAN語言以及Python語言。30.0以上版本的PSS/E程序支持Python開發(fā)語言，Python是一種跨平臺的、面向?qū)ο蟮摹⑼ㄓ玫摹㈤_放的編程語言[4，5]。 Python的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一就是成為一種“膠水”語言，利用Python開發(fā)PSS/E的高級應(yīng)用程序具有結(jié)構(gòu)開放、開發(fā)周期短、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于開發(fā)大型、復(fù)雜的高級應(yīng)用。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Python能直接調(diào)用PSS/E內(nèi)部提供的豐富的API函數(shù)，PSS/E與Python之間的接口函數(shù)主要有以下幾類[6]：(1)潮流計(jì)算API；(2)讀取潮流計(jì)算結(jié)果 API；(3)最優(yōu)潮流 API；(4)動(dòng)態(tài)仿真 API；(5) 定義子系統(tǒng) API；(6)繪圖 API；(7)數(shù)據(jù)讀取 API；(8)PV/QV/POLY打印API；(9)系統(tǒng)API。利用這些API函數(shù)，用戶編制的程序可完全控制PSS/E，實(shí)現(xiàn)各種短路、潮流計(jì)算等仿真分析功能，并獲取計(jì)算結(jié)果。相比其他任何程序設(shè)計(jì)語言，Python允許軟件設(shè)計(jì)者更關(guān)注于問題本身而不是實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

PSS/E程序提供一個(gè)可被Python程序調(diào)用的對象模塊——Psspy。通過Psspy對象提供的屬性和方法，Python程序就可以調(diào)用PSS/E程序內(nèi)的各種計(jì)算功能并獲得結(jié)果。

3.2 多機(jī)多任務(wù)協(xié)同管理機(jī)制

系統(tǒng)基于B/S結(jié)構(gòu)，所有的仿真計(jì)算均在計(jì)算服務(wù)器上完成。雖然一次故障計(jì)算所花費(fèi)的時(shí)間有限，通常幾秒鐘左右，但是，當(dāng)有很多用戶同時(shí)使用系統(tǒng)，或者做輪斷組合故障計(jì)算時(shí)，系統(tǒng)需要做上百個(gè)故障計(jì)算，所花費(fèi)的時(shí)間就相當(dāng)可觀。因此，為了解決計(jì)算速度問題，系統(tǒng)中的計(jì)算服務(wù)器可以設(shè)計(jì)為任意多臺，并且引入了多機(jī)多任務(wù)協(xié)同管理機(jī)制，來協(xié)調(diào)多臺計(jì)算服務(wù)器的工作。系統(tǒng)的故障計(jì)算功能是通過調(diào)用PSS/E開發(fā)的接口實(shí)現(xiàn)，通過Python與PSS/E之間的接口和利用Python嵌入式語言的優(yōu)勢，可以建立起WEB程序和PSS/E之間的橋梁。為了充分發(fā)揮多機(jī)協(xié)同計(jì)算在計(jì)算速度上的優(yōu)勢，將系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)服務(wù)器、調(diào)度服務(wù)器和計(jì)算服務(wù)器，通過它們之間的協(xié)調(diào)完成計(jì)算功能。

這篇故事其實(shí)是在嘲諷那些質(zhì)量低劣的畫作，而陳譯本非常恰當(dāng)?shù)貜馁澝涝~的角度傳譯出實(shí)實(shí)在在的鄙視和嘲諷，譯文如下：

數(shù)據(jù)服務(wù)器：平臺的數(shù)據(jù)服務(wù)器用于集中管理電網(wǎng)數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)平臺計(jì)算功能所需要的臨時(shí)數(shù)據(jù)。由于PSS/E本身沒有數(shù)據(jù)庫管理功能，它是通過讀入的文本文件實(shí)現(xiàn)計(jì)算功能，會(huì)給用戶帶來數(shù)據(jù)管理上的不便。通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)參數(shù)的集中管理以提高辦公自動(dòng)化程度。在使用平臺計(jì)算功能時(shí)，程序首先根據(jù)任務(wù)的類型，結(jié)合電網(wǎng)參數(shù)庫和各個(gè)計(jì)算任務(wù)的參數(shù)表形成PSS/E的數(shù)據(jù)文件（如：raw文件、seq文件），PSS/E將這些文件讀入后進(jìn)行計(jì)算，完成后將計(jì)算結(jié)果寫回到數(shù)據(jù)庫中。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理和仿真計(jì)算功能，平臺數(shù)據(jù)庫分為兩類，一類是電網(wǎng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫，用于存儲(chǔ)電網(wǎng)參數(shù)，同時(shí)在仿真計(jì)算時(shí)利用參數(shù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)生成PSS/E的計(jì)算文件；另一類是參數(shù)數(shù)據(jù)庫，包括用于儲(chǔ)存臨時(shí)停運(yùn)設(shè)備的臨時(shí)停運(yùn)設(shè)備表，用于做電網(wǎng)等值計(jì)算時(shí)存放要進(jìn)行等值的母線的等值母線表，用于存放保護(hù)整定值的電網(wǎng)整定表，用于存放仿真計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)的結(jié)果數(shù)據(jù)表，用于存放用戶提交的計(jì)算任務(wù)表等。

調(diào)度服務(wù)器：任務(wù)調(diào)度模塊為Web應(yīng)用程序和Python之間搭起聯(lián)系的橋梁。當(dāng)用戶提交了某個(gè)計(jì)算任務(wù)，就會(huì)在計(jì)算任務(wù)表中增加一條任務(wù)信息。調(diào)度服務(wù)器監(jiān)測計(jì)算任務(wù)表，如果出現(xiàn)新的任務(wù)，將生成與該任務(wù)對應(yīng)的任務(wù)控制塊，并將其加入任務(wù)隊(duì)列。調(diào)度服務(wù)器從注冊到本機(jī)的計(jì)算服務(wù)器中查找到空閑的計(jì)算服務(wù)器，將該計(jì)算任務(wù)提交給該計(jì)算服務(wù)器。計(jì)算任務(wù)完成后，從計(jì)算任務(wù)列表中刪除該任務(wù)控制塊，并將計(jì)算任務(wù)表中的任務(wù)狀態(tài)更改為已執(zhí)行。

調(diào)度服務(wù)器工作方式如圖3所示。

圖3 調(diào)度服務(wù)器工作方式

計(jì)算服務(wù)器：平臺的計(jì)算功能是通過計(jì)算服務(wù)器實(shí)現(xiàn)的。PSS/E開放了與Python之間的接口，以故障計(jì)算為例，調(diào)用接口函數(shù)SCMU就可以計(jì)算出當(dāng)前電網(wǎng)中指定位置的故障電流電壓。Python程序通過其與PSS/E之間的接口，利用PSS/E的計(jì)算功能，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)仿真計(jì)算。通過計(jì)算服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)包括簡單故障計(jì)算、節(jié)點(diǎn)等值計(jì)算、短路容量計(jì)算、保護(hù)靈敏度校驗(yàn)、計(jì)算文件下載等在內(nèi)的一系列計(jì)算功能。當(dāng)計(jì)算服務(wù)器接受到調(diào)度服務(wù)器提交的計(jì)算任務(wù)后，計(jì)算程序根據(jù)參數(shù)庫中的電網(wǎng)參數(shù)形成PSS/E的計(jì)算文件。在使用PSS/E相關(guān)模塊進(jìn)行計(jì)算后，將計(jì)算結(jié)果寫入結(jié)果數(shù)據(jù)庫中。

采用CPU為P42.4GHz，內(nèi)存512MB。以PSS/E的Sample網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)為例，考慮校驗(yàn)?zāi)妇€154到母線155之間的線路154側(cè)開關(guān)的保護(hù)靈敏度，校驗(yàn)范圍為1，即停運(yùn)母線154，155以及他們相鄰母線上的所有設(shè)備時(shí)，通過計(jì)算得到24個(gè)停運(yùn)設(shè)備。如果采用3臺計(jì)算服務(wù)器時(shí)耗費(fèi)的計(jì)算時(shí)間為25 s，采用單臺計(jì)算服務(wù)器時(shí)耗費(fèi)的計(jì)算時(shí)間為63 s。以江蘇電網(wǎng)數(shù)據(jù)為例，考慮校驗(yàn)線路晉陵到魏村線路2Y83（母線30910～母線33580）晉陵側(cè)開關(guān)的保護(hù)靈敏度，停運(yùn)級別為1級，進(jìn)行計(jì)算得到52個(gè)停運(yùn)設(shè)備，如果采用3臺計(jì)算服務(wù)器時(shí)耗費(fèi)的計(jì)算時(shí)間為55 s，采用單臺計(jì)算服務(wù)器時(shí)，耗費(fèi)的計(jì)算時(shí)間為137 s。采用單機(jī)計(jì)算與采用三機(jī)計(jì)算所花費(fèi)的時(shí)間比較見表1。

表1 單機(jī)計(jì)算與三機(jī)計(jì)算耗費(fèi)時(shí)間比較

3.3 孤島自動(dòng)檢測方法

孤島自動(dòng)檢查模塊的主要功能是在使用PSS/E的網(wǎng)絡(luò)故障分析計(jì)算或網(wǎng)絡(luò)等值功能之前對當(dāng)前電網(wǎng)模型進(jìn)行檢查，確保該模型是一個(gè)連通的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以免導(dǎo)致PSS/E計(jì)算時(shí)出現(xiàn)異常。

導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑霈F(xiàn)孤島主要有2種情況：一是在建立網(wǎng)絡(luò)模型的時(shí)候出現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入的錯(cuò)誤；二是臨時(shí)指定停用設(shè)備后導(dǎo)致原來連通的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生孤立節(jié)點(diǎn)。因此，對于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錂z查不僅要能對完整網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)錂z查，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)在指定臨時(shí)停用設(shè)備時(shí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錂z查。

分治算法的基本思想是將一個(gè)規(guī)模為N的問題分解為K個(gè)規(guī)模較小的子問題，這些子問題相互獨(dú)立且與原問題性質(zhì)相同。求出子問題的解，就可得到原問題的解。分治法解題的一般步驟如下。

（1）分解。將要解決的問題劃分成若干規(guī)模較小的同類問題。

（2）求解。當(dāng)子問題劃分得足夠小時(shí)，用較簡單的方法解決。

（3）合并。按原問題的要求，將子問題的解逐層合并構(gòu)成原問題的解。

分治算法可以有2種表示形式，即“自頂向下”的分解自治算法和“自底向上”的聚合分治算法[7]。本系統(tǒng)采用“自底向上”的聚合分治算法和集合劃分的結(jié)合進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)孤島自動(dòng)檢查。首先以線路和變壓器為單位把電網(wǎng)分為不可再分的若干最小母線集合，再觀察2個(gè)集合是否存在共有的母線，如果存在共有母線，則將2個(gè)集合合并，如此反復(fù)，直到2個(gè)母線集合之間不存在共有的母線，得到的最終集合即網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)果。

集合劃分法：集合被定義為成員（即對象，或稱元素）的1個(gè)群集。集合的成員可以是原子 （單元素），也可以是集合。集合劃分的基本思想就是把同屬性的元素歸并到同一集合中去。算法的基本流程是依據(jù)待劃分的元素與現(xiàn)有集合之間的關(guān)系來處理待劃分的元素，管理集合。算法的最終輸出結(jié)果是若干集合，每個(gè)集合中的元素具有某種相同屬性。設(shè)現(xiàn)有N（N≥0）個(gè)集合，待劃分的元素為X，其與現(xiàn)有集合的關(guān)系可以列舉出以下3種情況。

以上列舉的3種情況及由此對于待劃分元素X的相應(yīng)處理描述如下。

（1）待劃分元素X在現(xiàn)有的集合i中命中，對于元素X不做處理；

（2）待劃分的元素X滿足同時(shí)屬于m（1≤m≤N）個(gè)集合 Seti1，Seti2，…，Setim （i1＜i2＜i3＜…＜im）的條件。Seti1=X∪Seti11∪Seti2∪…∪Setim，刪除集合 Seti2，…，Setim，N=N-m+1，文章稱之為集合的歸并。當(dāng)m=1時(shí)，僅有Seti1=X∪Seti1，可以看成集合歸并的特例。

（3）待劃分的元素X與現(xiàn)有集合之間沒有直接聯(lián)系，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建1個(gè)集合，在該集合中加入元素X。N=N+I。

需要特別指出的是，當(dāng)劃分第一個(gè)元素的時(shí)候，尚未有任何集合存在（N=0），所以滿足上文所述的第三種情況[8]。

4 結(jié)束語

文章介紹的保護(hù)定值靈敏度校驗(yàn)系統(tǒng)是1個(gè)基于B/S模式的系統(tǒng)。系統(tǒng)由1臺調(diào)度服務(wù)器、1臺數(shù)據(jù)服務(wù)器和若干臺仿真計(jì)算服務(wù)器組成。系統(tǒng)利用PSS/E二次開發(fā)技術(shù)，通過Python與PSS/E之間的接口建立起Web程序和PSS/E之間的橋梁。為解決系統(tǒng)采用B/S模式后，集中計(jì)算可能出現(xiàn)計(jì)算速度下降的問題，本系統(tǒng)采用多機(jī)多任務(wù)協(xié)同管理機(jī)制，采用分布式計(jì)算系統(tǒng)的構(gòu)架，可管理任意多臺計(jì)算服務(wù)器并行進(jìn)行仿真計(jì)算，大大提高計(jì)算速度。系統(tǒng)應(yīng)用在江蘇省電力調(diào)度通信中心，并取得了良好的效果。

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