繼電保護定值在線校核及預警系統開發與應用

王友懷，楊增力，周虎兵，朱 林，王春藝，范登博

（1.湖北電力調度控制中心，武漢430077；2.強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學），武漢430074）

繼電保護是電力系統最重要的二次設備之一，是電力系統安全運行的保障。國內外無數實例證明，許多涉及停電范圍較廣的大型系統事故都與繼電保護的不正確動作有直接或間接的關系。繼電保護裝置能否滿足電網所提出的“四性”要求，很大程度上取決于繼電保護整定計算的結果。因此，合理地安排繼電保護定值是保障電網安全運行的重要條件。

目前，繼電保護定值都是在離線狀態下考慮系統的最大運行方式和最小運行方式獲得的，并在系統運行中保持不變[1-2]。實際運行中系統運行方式是不斷變化的，當電網由于設備檢修、新工程投運以及電網事故而處于某些特殊的運行狀態時，部分定值可能無法滿足選擇性和靈敏度的要求，存在保護誤動和拒動的可能。目前所采用的定值離線校核，工作效率較低，且難以快速跟蹤在線運行方式的變化[3]。隨著我國電網的快速發展，電網越來越呈現出網絡拓撲結構復雜、系統運行方式靈活多變等特點，運行方式變化而定值不變的整定計算模式所帶來的問題也日益突出，亟需找到解決這些問題的新途徑。

近年來，能量管理系統EMS（energy management system）和繼電保護故障信息系統FIS（fault information system）的廣泛應用為解決傳統繼電保護定值整定及管理存在的問題提供了技術條件。EMS能夠有效和準確地采集電網在線運行信息，包括發電機、線路、變壓器等元件的投停狀態和系統潮流信息，而FIS 可以從遠方廠站內的繼電保護裝置中獲取實際運行定值。在這樣的技術背景下，可對當前運行方式下的繼電保護定值性能進行在線校核，識別存在隱患的運行定值以及可能引起定值性能異常的運行方式，提醒調度運行人員和繼電保護專業人員關注，便于繼電保護專業人員及時重新整定定值，從而防止因運行方式變化而導致的繼電保護不正確動作，對于保障電網的安全可靠運行具有重要的意義[4-7]。

圖1 在線校核及預警系統總體結構Fig.1 Architecture of relay setting on-line verification and early-warning system

本文設計了繼電保護定值在線校核與預警系統的技術方案，包括總體結構、系統功能和關鍵技術等。基于該方案設計，開發完成了一套繼電保護定值在線校核與預警系統，在實際工程應用中取得了良好的效果。

1 系統功能及總體結構

繼電保護定值在線校核及預警系統包括定值校核和定值預警兩個主要功能。定值校核是在系統當前運行方式和運行定值的基礎上對各類保護定值的性能進行安全校核，包括線路保護、變壓器保護、母線保護的后備保護定值、主保護定值及輔助定值等，定值校核內容包括靈敏度、選擇性和躲負荷能力等。定值預警可在當前運行方式基礎上自動進行事故預想和定值校核，快速識別易受運行方式變化影響的保護裝置及可導致定值性能異常的特殊運行方式。

系統總體結構如圖1 所示，它包括電網綜合模型拼接、運行方式獲取及信息融合、運行定值獲取及信息融合、運行方式預想、故障計算、潮流計算、校核計算及校核結果輸出等部分。各部分的具體功能如下。

電網綜合模型拼接模塊 本模塊可導入EMS提供的電網一次模型，并結合離線整定計算系統中維護的電網零序參數、互感參數及繼電保護模型，搭建面向繼電保護定值在線校核的電網綜合模型。

運行方式獲取及信息融合模塊 本模塊從EMS 中獲取在線運行方式，并根據變壓器的投停狀態修正變壓器中性點接地方式。

運行定值獲取及信息融合模塊 本模塊綜合FIS 提供的現場運行定值和離線整定計算系統提供的計算定值，為校核計算模塊提供待校核的定值。

運行方式預想模塊 本模塊根據用戶設定的預想規則，在當前運行方式的基礎上生成N-1 或N-k 預想運行方式，并形成局部校核范圍。

計算模塊 本模塊提供對系統進行故障計算、潮流計算和校核計算等相關分析計算的技術手段。其中故障計算程序可進行定值校核計算所需各種故障預備量的求取，并可根據校核計算的定性校核結果進行保護范圍計算。潮流計算程序完成給定運行方式下的潮流計算。校核計算程序完成給定運行方式和定值信息基礎上的各類保護定值性能的校核計算。

校核結果輸出模塊 本模塊提供用戶進行校核結果的查看、管理和高級分析，采用圖、表、曲線、文本等多種形式進行結果的展示和統計分析。

2 關鍵技術及實現

2.1 電網一二次系統綜合建模

繼電保護在線校核與預警系統主要是對在線運行方式下的定值性能進行校核，不僅需要電網拓撲、參數及運行狀態，還需要繼電保護配置和各種定值信息。因此，建立電網一二次系統綜合模型是實現繼電保護定值在線校核與預警的前提。目前智能電網調度技術支持系統仍處在試點應用階段，調度中心模型和數據均尚未完全實現一體化，通過與EMS、FIS 以及離線整定計算系統，實現多平臺數據集成和信息融合，是一種可行的解決方案。

2.1.1 計及拓撲結構校驗的分層分類逐級數據匹配方法

目前EMS、FIS 和離線整定計算系統中同一物理對象（如廠站、一次設備等）名稱的表達存在較大差異，建立各物理對象間的對應關系是后續工作開展的基礎，為此需要進行各數據源的數據匹配[8]。快速、高效地實現海量數據的匹配是工作的重點和目的。考慮到電力系統的特殊層次關聯結構和拓撲連接結構，采用改進編輯距離算法進行字符串的匹配，并加入拓撲關系校驗，以提高匹配結果的準確度。名稱差異度較大和1：n 對應關系的數據可通過拓撲連接關系搜索處理。電力系統各類設備層次關系描述如圖2 所示，需注意的是，FIS 中同一線路在首末端廠站中的命名可能不一致，因此需將線路視為兩個線路段，作為首末端廠站內的不同一次設備來處理。分層分類逐級數據匹配既可有效提高匹配效率，同時保證了匹配結果的準確度。逐級數據匹配流程如圖3 所示。

2.1.2 電網模型拼接

圖2 電力系統各類設備層次關系描述Fig.2 Power system hierarchical description of different equipments

圖3 計及拓撲結構校驗的分層分類逐級數據匹配流程Fig.3 Flow chart of sequential data matching considering hierar chical classification and topology verification

EMS 中的電網參數中缺少零序參數和互感參數，因此需在數據匹配的基礎上，將離線整定計算系統中的零序參數及互感參數附加至EMS 的電網模型中，若EMS 中的正序參數與離線整定計算系統中的正序參數不一致時，應以離線整定計算系統中的正序參數為準。此外，離線整定計算系統中的繼電保護模型也需附加到EMS 電網模型中。

由于離線整定計算系統中的電網模型既包括一次系統模型也包括繼電保護模型，電網模型拼接也可在離線整定計算系統模型的基礎上進行。對于離線整定計算系統中的新建工程，如規劃或在建的未投產的廠站、發電機、變壓器及線路等，可直接設置為停運。

2.1.3 方式信息融合

EMS 所提供的在線運行方式中缺少變壓器中性點接地和互感線路掛檢信息，但這兩類信息對于繼電保護整定和校核計算是必不可少的。在大接地電流電網中，為保證零序網絡穩定，各廠站內中性點接地變壓器的數目及分布基本保持不變，例如一臺中性點接地的變壓器停運后，該廠站內仍在運行的一臺中性點不接地變壓器應轉為接地。因此，變壓器中性點接地方式有規律可循，可按廠站為單位，根據變壓器中性點接地規則及變壓器投停狀態進行更新。

互感線路掛檢是互感線路的一種特殊運行狀態。互感線路接地檢修時存在零序回路，會對電網的短路電流分布產生影響。但是EMS 僅能提供互感線路的投停兩種基本運行狀態。因此，可將停運的互感線路分為“停運不掛檢”和“停運掛檢”兩種情況來考慮，尋求更為苛刻的情況對定值進行校核。

2.1.4 定值信息融合

定值信息融合主要是對FIS 運行定值、離線整定計算系統計算定值和人工設置定值進行整合、拼接，形成用于在線校核的待校核定值。其中人工設置定值的優先級最高，其次是FIS 運行定值，計算定值的優先級最低。當人工未設置定值，又無法獲取運行定值時，將離線整定計算系統的計算定值作為待校核定值。220 kV 及以上系統一般采用保護雙重化配置，存在雙套后備保護定值，且大小基本一致。為提高在線校核的計算速度，只取其中一套后備保護定值進行校核。由于兩套保護裝置的原理可能不同，兩套保護裝置中的主保護定值、啟動定值、與潮流相關定值等均需要校核。

2.2 校核計算方法

校核計算方法是定值校核與預警系統的核心內容。定值校核主要包括3 個方面：選擇性、靈敏度和躲負荷（主要是一些與潮流有關的定值）。靈敏度和躲負荷校核可按照其定義進行定量校核，用于靈敏度校核的最小短路電流由故障計算模塊給出；用于躲負荷電流校核的負荷電流由EMS 數據或潮流計算模塊給出。但是，選擇性的定量校核較為復雜，如果定值不滿足選擇性要求，需要求解其伸出相鄰下一線路的范圍。目前選擇性校核主要有3 種方法：一二次系統聯合仿真法[9]、保護范圍比較法[10-12]和定值比較法[13]。其中，保護范圍比較法是根據“保護范圍末端故障時，保護的感受量與其定值相等”的特性，通過精確求取并比較定值的保護范圍來判斷定值的選擇性是否滿足要求，保護范圍的求解有圖解法、逐點逼近循環迭代法、折半法或插值法等，但此類方法通常需要根據已知定值不斷變更故障點位置進行多次短路計算。定值比較法是將在線校核看作是整定計算的逆過程，根據在線運行方式并利用整定計算原則求取一個臨界定值，該臨界定值表示在當前運行方式下仍能滿足選擇性要求的極值，通過比較臨界定值與運行定值來判斷定值的選擇性是否滿足要求。

保護范圍比較法和定值比較法具有互補性：保護范圍比較法屬于定量校核，校核速度較慢，而定值比較法屬于定性校核，校核速度快，但校核結果偏保守。如果將這兩種方法結合，則可實現大電網繼電保護定值的快速定量校核。即采用定值比較法進行初步篩選，再根據校核結果利用保護范圍比較法進行定量校核。

圖4 所示為一簡單示例系統，其中的線路保護均配置了三段式距離保護。以R1 和R2 的配合為例對結合定值比較和保護范圍比較的定值校核方法進行說明。設已知R1 距離保護II 段動作時間小于R2 距離保護II 段的動作時間，但大于R1 距離保護I 段的動作時間），則R1的距離保護II 段與R2 的距離保護I 段配合，假設采用基于助增系數的整定原則，則臨界定值Zco計算式為

圖4 簡單示例系統結構Fig.4 Structure of a simple example system

如圖5 所示，若Zco≤則R1 保護II 段不滿足選擇性要求，否則滿足選擇性要求。定值比較法同樣適于電流保護定值的選擇性校核，由于屬于過量保護，因此待校核定值大于臨界定值時可滿足選擇性要求。

圖5 基于定值比較法的選擇性校核Fig.5 Selective verification based on setting comparison method

將不滿足選擇性要求的保護和與臨界定值差距小于一定閾值的保護作為應用保護范圍比較法定量校核的待校核范圍。根據保護范圍的定義，系統中某點故障時保護所在位置檢測到的電氣量與保護動作值相等。對于距離保護這種相等關系可表示為

式中：ZDZ為距離保護定值；r 為k 點距故障線路首端占故障線路全長的比值，即保護范圍。求解該等式即可快速、準確地得到保護范圍。

仍以圖4 為例，假設R1 距離保護II 段不滿足選擇性要求，k 點發生三相短路故障時R1 的動作值為ZDZ，推導整理等式（2），得到表達形式為

式中，Mik表示節點i（i 表示節點A 或B）與故障點k 之間的互阻抗，且Mik=（1-r）MBi+rMci，代入式（3）整理得

式中：α = ZDZ（MBA+ MCB- MCA）+ ZAB（MCA- MBA）；β =MBA（ZAB-ZDZ）。

對于其他故障類型可按照同樣的思路進行推導，并根據相等關系進行保護范圍的計算，在此不再詳細說明。

上述以距離保護定值選擇性校核為例的校核流程如圖6 所示。

圖6 綜合定值比較和保護范圍比較的定值選擇性校核流程Fig.6 Flow chart of selective verification synthesizing setting comparison and reach point comparison

2.3 定值預警方法

2.3.1 預想運行方式生成方法

預想運行方式可按照一定的規則生成，最為簡單的是全網N-1，不僅包括線路N-1 也包括發電機和變壓器的N-1。對于N-k（k 大于等于2）可采用以下兩種方法：①用戶自定義N-k，即設置固定的N-k 故障，如同桿雙回線路，以及一些具有運行約束條件的N-k。②兩端元件法，以某一待校核的保護為中心，劃分一個方式變更范圍，如幾級母線范圍內，按照設定的規則生成預想運行方式。

定值在線預警的關鍵是快速查找對定值性能影響較大的預想運行方式。

2.3.2 元件開斷影響域辨識

根據上述預想規則，可以獲得眾多的預想運行方式，但是對每個預想運行方式均進行全網定值校核是不必要也是不現實的。根據工程經驗，線路開斷后的影響范圍一般是有限的，且其影響是逐漸減弱的，距離開斷線路較遠時，這種影響則可忽略不計。定義這個受影響的區域稱為“影響域”。確定運行方式變化對應的影響域后，則只需在該預想運行方式下對影響域內的保護進行定值校核。

由于首先采用定值比較法進行定值校核，這種元件開斷的變化主要反映在“與相鄰保護配合的最小正序分支系數”等故障預備量上，因此可以將故障預備量的變化率作為影響域的辨識指標。對于不同保護原理，若采用不同的整定計算原則，元件開斷的影響域也可能是不同的。

2.3.3 故障預備量排序

定值校核計算主要分為兩部分：故障計算和校核計算。故障計算主要是計算各種故障預備量，而校核計算則是根據已有的保護動作時間判斷保護配合關系，并根據故障預備量計算相應的臨界定值，與實際運行定值進行比較。

如果在每種預想運行方式下均對保護定值進行一次校核計算，則對于每個保護需校核多次，計算負擔較重。考慮到如果定值性能在故障預備量變化率較大時仍可滿足要求，則變化率較小時，定值一定滿足要求。因此，對在線預警的流程進行優化，首先對故障預備量進行排序，按順序對預想運行方式進行定值校核，直至故障預備量的變化不影響定值性能為止。

3 實際應用

根據上述設計方案，基于SQL 數據庫用VB.net 開發完成了一套繼電保護定值在線校核及預警系統，現以實際的校核結果為例說明該系統的應用情況。圖7 所示為湖北電網的局部拓撲結構示意圖，待校核保護RL1 及其相鄰保護的各段定值如表1 所示。在某校核結果中，根據定值比較法，保護RL1 的相間距離保護II 段與RL4 和RL5 不滿足選擇性要求。

圖7 某電網局部拓撲結構示意Fig.7 Schematic diagram of the partial network of some power grid

根據表1 中的保護動作時間可知，RL1 保護的II 段均與相鄰保護的II 段配合，根據式（1）計算滿足與相鄰保護配合要求的臨界定值，其中，可靠系數均取0.8，與相鄰保護配合的最小正序助增系數、臨界定值及其定值校核結果如表2 所示。其中，與RL4 和RL5 保護配合的臨界定值分別為47.85 Ω，47.28 Ω，均小于待校核定值（55 Ω），不滿足選擇性要求。盡管保護動作定值不配合，但是保護動作時間仍有級差，這種配合關系稱之為“不完全配合”。

表1 相間距離保護定值及所在線路正序阻抗Tab.1 Settings of phase-to-phase distance relay and positive-sequence impedance of its transmission line

表2 定值比較法校核結果Tab.2 Verification result using setting comparison

在上述定值比較法校核結果的基礎上，進一步應用保護范圍比較法進行定量校核。保護范圍比較法的校核結果如表3 所示，相同故障類型下，RL1 保護II 段（55 Ω）的保護范圍均小于RL4 保護II 段、RL5 保護II 段的保護范圍，因此能夠滿足選擇性要求。

表3 保護范圍比較法校核結果Tab.3 Verification result using reach point comparison

對該局部電網的所有保護進行定值在線預警，在校核對應的運行方式基礎上考慮全網線路N-1，在線預警結果如表4 所示。可以看出，如果此時L2、L3 或L7 發生故障，會導致部分保護定值選擇性不滿足要求，可能會造成保護的不正確動作，因此繼電保護人員需對這三條線路以及保護RL1、RL2、RL3 進行重點關注。

表4 定值在線預警結果Tab.4 Online early-warning result of protection setting

湖北電網全網共有419 條線路，線路后備保護配有零序電流保護、相間距離保護和接地距離保護等。根據該電網的整定計算原則，對全網838個線路后備保護進行一次在線校核計算的總時間為63 s，其中故障預備量計算時間46 s，校核計算時間17 s，在此基礎上進行定值在線預警，總時間為282 s，其中故障預備量計算時間210 s，預備量排序時間30 s，校核計算時間42 s。由于在線校核所需的在線運行方式取自EMS 狀態估計的結果，更新周期一般為分鐘級，且運行方式變化的周期一般在10 min 以上，故本系統可很好地滿足工程需求。

4 結語

繼電保護定值在線校核與預警系統的應用將為防止繼電保護的不正確動作提供一條新的安全屏障，可以彌補現有整定計算和定值管理模式的不足，并使整定計算和定值管理逐步從“離線”走向“在線”。本文對該系統進行了方案設計，著重對其中的關鍵技術問題進行了分析和探討，并提出了相應的技術路線。基于該設計方案開發完成了一套繼電保護定值在線校核與預警系統，在實際工程應用中取得了良好的效果。

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