繼電保護在線校核系統的研究

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(國網保定供電公司，河北 保定 071000)

0 引 言

繼電保護裝置在電力系統中起著非常重要的作用，它能夠保證電網安全、穩定的運行。而保護定值的準確性又決定著設備故障是否能夠靈敏、可靠、選擇性地切除[1]。在傳統離線整定系統中，在最大運行方式下整定、最小運行方式下校驗靈敏性的方法已經很難滿足所有運行方式的要求，因為容易導致某些保護發生誤動或者拒動的情況，這將影響電網的穩定性，造成供電可靠性能的降低。

1 在線校核的優勢

在線校核模式較離線整定計算模式的優點在于以下兩點。

(1)傳統的整定計算在運行方式的選擇上，給出的定值只是考慮了系統基本的運行方式和正常的檢修方式。當電網的運行方式比較特殊時，調度就要專門另行計算保護定值。而保護定值的在線校核只對系統當前運行方式下定值的合理性進行考慮，能夠適應當前電網存在多運行方式變化的需求[4]。

(2)在大多數運行方式下，離線整定的繼電保護定值都不是最合理、最精確的保護定值，這就必然造成保護的范圍縮小、保護的延時變長和保護的失配率升高[5]；而在線校核模式所校核的保護定值是針對于當前的運行方式，它能夠對不滿足保護要求的定值發出報警信號，從而有效地避免保護誤動或拒動。

下面將介紹繼電保護在線校核系統的功能與結構，并就其實現的關鍵技術的解決給出了解決方法。

2 在線校核系統

所謂在線校核系統，就是從EMS系統中獲取電網運行的實時狀態來實現在線校核。當監測到系統運行方式發生變化后，在線校核系統就會針對變化后的電網結構進行故障計算并校核保護定值。在定值不能滿足保護的選擇性或靈敏性要求時，在線校核系統會報警并生成定值計算書供工作人員查看閱讀[8]。在線校核系統擁有完全支持電網拓撲結構的圖形環境(系統提供圖形編輯環境，在制圖的過程中同時自動生成描述電網構架的網絡拓撲數據)，在系統運行時僅需獲得EMS/SCADA的遙測和遙信數據，即可完成系統實時狀態的獲取功能，為系統在實時狀態下獲取在校校核關心的數據及基于網絡模型部分個性化的處理方法奠定了基礎。

在線校核系統采用模塊化的設計，它利用圖形工具和電網資源模型[12]來分析電力系統故障并整定保護定值。該系統模塊主要包括了故障計算模塊、系統維護模塊、在線分析故障集模塊、仿真校驗模塊和整定計算模塊[1]。其整體結構如圖1所示。

圖1 系統結構

2.1 系統維護模塊

系統維護模塊利用計算機來實現電網結構和電網資源的錄入。電網中的母線和各節點的位置由用戶合理設置，各母線和節點之間的連接要求設置合理的路徑，用來自動生成電力系統網絡拓撲圖和各個廠站圖。并且可以自動生成保護配置圖、各序網圖和主接線圖，同時可根據用戶的實際需求對其進行打印輸出和修改等操作。

2.2 故障計算模塊

故障計算模塊既可以單獨分析電網的故障，又可以和保護定值作比較，成為在線校核系統的一個模塊。使用該模塊，用戶可以通過故障計算的界面來設置不同的故障類型、故障點位置以及電網的運行方式，并能利用其強大的故障計算功能，輸出故障計算結果。

2.3 整定計算模塊

整定計算模塊的整定界面是根據保護定值的整定原則來設計的[4]，并且遵守《220～500 kV電網繼電保護裝置運行整定規程》和《3～110 kV電網繼電保護裝置運行整定規程》的相關規定。而且，該模塊允許用戶憑借以往的系統運行經驗參與保護定值的整定計算過程，這使得系統能夠兼顧專業性和通用性。整定計算模塊由整定計算和保護配置兩部分組成，可以實現設備的保護定值管理和保護定值的整定計算。

2.4 在線分析故障集模塊

在線分析故障集模塊[4]可以依據電網當前運行方式和電網配置的保護類型，針對電網不同電壓等級對應的常見故障過渡電阻或用戶設置的典型過渡電阻的范圍值等信息，自動針對保護校驗生成相應的故障集，通過啟動仿真功能模塊完成故障集下的電網保護整定情況分析，將存在運行隱患的保護整定項以報告的形式給出，為用戶進一步分析和調整保護整定值提供依據，使得保護整定值在當前運行方式下處在合理的配合狀態。

2.5 仿真校驗模塊

在線校核系統的核心組成模塊就是仿真校驗模塊。該模塊作用是將整定計算模塊所提供的保護整定信息和故障計算模塊所提供的故障量信息進行比較，從比較結果來判斷保護裝置的動作是否具有合理性。而且，在系統的各種運行方式下，該模塊可以設置不同的故障類型、電網故障點和保護拒動情況。當仿真校驗完成之后，用戶就可以很直觀地檢查系統內各保護裝置動作是否正確。并且，仿真校驗報告的輸出有圖形和文字兩種方式可供選擇。

3 關鍵問題的解決

3.1 關于實時狀態的獲取

在線校核系統從監視控制與數據采集系統中獲取電力系統的實時數據。當系統的運行方式改變后，在線校核系統就會發出報警信號而且自動啟動保護定值整定計算。其中，對定值有影響的主要運行方式的變化包括如下。

(1)發電機、線路、變壓器等一次設備的投退和由設備故障所引起的斷路器跳閘。

(2)發電機出力和負荷的變化，這主要表現于電力系統潮流的改化。

其中，線路電流的變化可以通過定值的比較來實現。對于開關位置的變化，由實際分析可知，在實時數據里只有少數斷路器或隔離開關的狀態發生了變化，這時的電網結構相對于前一次的狀態并沒有完全發生改變，只是局部發生了變化。

在電力系統中，一定電壓等級下斷路器狀態的變化所造成的網絡物理結構的改變，不會產生跨電壓等級的影響，只能影響到本電壓等級下母線的模型。可以結合電力系統的這種特點，采取適當的方法來縮小拓撲掃描的范圍，并對網絡進行局部拓撲處理，從而避免全網拓撲關系重新形成，進而準確、快速地來反映網絡的接線狀態。

系統采用靜態形成拓撲結構和動態修改拓撲結構的方法追蹤開關發生變化后的實時拓撲結構。

靜態拓撲分析主要完成對電網初始狀態進行全網的拓撲分析，形成電網的初始拓撲結構。靜態拓撲分析包括等值節點的形成和電氣島的形成兩部分。采用廣度搜索的思想，以等值節點的形成為例，其流程圖如圖2所示。

圖2 靜態拓撲分析流程

動態拓撲分析主要是搜索狀態變化的開關或者刀閘，并考慮其電壓等級的因素對初始拓撲結構進行快速的局部修改。動態拓撲分析主要分為無阻抗設備的合上和無阻抗設備的斷開兩種情況。其無阻抗設備操作合上的情況處理比較簡單，只需通過判斷無阻抗設備兩端的節點所屬的等值節點是否是同一個等值節點、兩端的節點所屬的電島是否為同一個電島即可。即等值節點和電氣島的變化。對于無阻抗設備斷開的情況則復雜一些，動態拓撲追蹤需要分析兩個層次：①等值節點分析；②等值電島分析。以斷路器的分閘操作為例說明動態拓撲追蹤算法流程圖如圖3所示。

3.2 啟動在線校核的方法及影響域的確定

在線校核系統的啟動模式不僅可以采用定時間間隔啟動和指定時間啟動，而且可以采用事件啟動模式，即保護投退的變化和電網運行方式的變化所觸發的啟動方式。這種啟動方式能夠實時地反應保護投退的變化及電網運行方式的變化所引起的繼電保護定值的改變。

圖3 動態拓撲分析流程程

在電力系統的實際運行中，電網拓撲結構的變化大都是小范圍的，是局部的。所以這種變化影響繼電保護定值的程度并不大，并且具有一定的局限性。而且這一范圍之外的繼電保護定值仍保持著相對良好的配合關系。因此，最好能確定拓撲結構變化影響的保護范圍，即擾動域的范圍。

3.3 環網系統的在線校核

研究發現，對保護影響較大的元件主要分布在保護所在線路對側母線和背側母線及其配合保護所在線路的對側母線上。

大小環交錯的環網結構中某些線路的投切操作也可能大幅度地變更電力系統局部網絡間的物理拓撲結構，并對一定范圍內的保護定值及正確動作產生較大的影響。實際復雜電力系統中，對保護影響較大的環網開斷線路絕大部分仍然分布于保護所在線路兩側母線以及配合保護所在線路兩側母線連接的線路中。

若同時將主保護以及配合保護兩側母線上連接的線路加入到開斷的線路范圍中，必須考慮到大部分環網開斷對保護定值的影響。

為此，可以采用自動擴大搜索和確定環網涉及的保護相結合的方法來解決環網的在線校核問題。其基本思想是：以電力系統拓撲結構變化部分為中心，自動搜索其外層三層元件和確定與其構成環路的元件，校核以上闡述所涉及的保護。此研究可以避免搜索全網所有范圍，避免對滿足靈敏性和選擇性的保護定值進行校核，這樣大大減少計算時間，并且能夠滿足實時性的要求。

4 結 語

通過對繼電保護在線校核系統的軟件功能分析，給出了其系統的結構設計和各模塊的實現功能設計，并就其中的關鍵技術進行了研究。該方案結合了許多工程實際，能夠為在線校核軟件的應用提供很大的參考價值。

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