繼電保護省地一體化整定計算系統建設與應用

李 靖，范榮奇，王安寧，朱倩茹，黃德斌

（1.山東電力調度控制中心，濟南 250001；2.山東容弗新信息科技有限公司，濟南 250001）

繼電保護省地一體化整定計算系統建設與應用

李 靖1，范榮奇1，王安寧1，朱倩茹1，黃德斌2

（1.山東電力調度控制中心，濟南 250001；2.山東容弗新信息科技有限公司，濟南 250001）

電網規模的不斷擴大使得元件間的保護配合越來越復雜，傳統的人工手動整定計算繼電保護定值已經無法承受日益增大的工作量，單機版的整定計算軟件也逐漸凸顯出了無法協同工作、數據交互困難、計算模型受限等缺陷。為此，山東省調建立了一套省地一體化整定計算系統，利用分布式構架進行基礎數據資源共享和模型數據拼接；根據流程實現整定計算業務多方參與、有序協作；計算模型不受限制，實現整定配合原則、保護定值算法等可視化配置及統一管理。該系統根本改變了山東電網整定計算人員的工作方式和方法，極大程度地提高了繼電保護整定計算工作效率，保證了電網安全穩定運行。

繼電保護；省地一體化；整定計算；數據共享；協同工作

0 引言

整定計算工作是電網繼電保護系統協調動作的基礎，通過整定計算得出的定值單把獨立、分布式的保護裝置通過動作值、動作時間相互配合起來有序統一工作，保證在電網故障情況下，主保護和后備保護協調一致，以最短的時間、最小的代價、最優的方案切除故障，保護電網和設備，最大限度地保障電力供應。

傳統的繼電保護整定計算大多依靠手工計算進行，計算機普及后逐漸轉變為利用單機版的計算機軟件進行整定計算，減輕了手工計算的工作量，但也存在著無法多人同時工作、數據維護量大、專業要求高、數據交互易出錯、整定原則及定值格式不夠統一等問題，嚴重制約了整定計算人員的工作效率。

近年來，不少專家學者對分布式整定計算系統或軟件進行了研究開發。在10年之前，一些專家就分別從平臺、一體化、流程和與其他系統集成等方面對多用戶協同工作的整定計算系統提出了概念性設計［1-5］；近五年來，隨著計算機技術的飛速發展，一些學者從數據處理、模型拼接、圖形化建模、自動配合計算等技術角度對整定計算系統進行了深入探討［6-12］。到目前為止，已經有一些一體化整定計算軟件實現了實用化［13-17］，但在實現方式和功能應用方面存在較大差異，部分功能仍需優化。

針對單機版整定計算軟件的缺陷，基于建立模型可視化、數據交換自動化、整定原則統一化、計算功能實用化的建設思路，結合多年的技術積累和電網運行管轄特點，研究出一套省地一體化整定計算系統。該系統采用省、地調分布式架構，基礎數據資源交互共享，用戶通過客戶端登錄的方式參與工作，不受人數限制；采用圖模一體化建模，融合了一、二次數據，并根據模型自動生成系統和廠站方式；使用嚴格規范的整定計算原則和流程，保證計算結果準確可靠；進行保護版本管控和定值清單制作，統一規范定值單模板并實現定值自動計算；定值單輸出格式多樣，同時實現與流轉流程的無縫銜接。

省地一體化整定計算系統規范了整定計算工作的全過程，通過技術手段保證了數據的安全性和定值的正確性，同時改進了整定計算人員的工作方式，提高了工作效率。

1 系統架構

省調、地調均配置雙套專用數據服務器，一主一備，存儲相關電網整定計算基礎數據和各類應用數據。省調、地調用戶可以分別通過安裝在工作站上的客戶端連接對應的本地服務器進行相關操作，如建立管轄電網一次模型，維護管轄電網設備參數、更新配置保護裝置、設置廠站方式和系統方式、編制裝置定值單等，并通過調度數據網進行省地調間、地調相互間的整定計算基礎數據交換。

圖1 省地一體化整定計算系統架構

系統架構優點：不同調度機構擁有各自的數據服務器，通過調度數據網形成跨地域的分布式應用系統，利用數據交換和整合機制實現了基礎數據的“源端維護，全網共享”。允許多用戶同時通過工作站上的客戶端連接本地服務器使用程序，從而同步進行工作且互不干擾，提高工作效率。數據更新和計算模型拼接可選擇。若大電網分區界限明顯，子區域電網在計算時可以只選擇對自己計算結果存有影響的相鄰子區域的有關數據進行拼接和計算，較拼接全網數據能夠減小模型，進而縮短計算時間。

2 主要功能

2.1 圖模一體化的一次建模

可視化建模。通過符合SVG國際標準的圖形系統進行可視化建模，包括變電站主接線圖、電網一次接線圖、定值配合圖，如圖2～4所示。

圖2 變電站主接線圖（局部）

圖3 山東電網一次接線圖（局部）

變電站主接線圖和電網一次接線圖均與能量管理系統（Energy Management System，EMS）的圖形保持一致，變電站主接線圖還增加了對繼電保護保護有重要意義的電流互感器（TA）位置及相關參數的圖形顯示。

圖4 定值配合圖（局部）

自動生成拓撲結構。以圖形為基礎，可以根據相應的設備模型自動生成對應的電網網絡拓撲結構，用于配合計算和故障計算，并能自動檢驗電網網絡拓撲結構的正確性和合理性。

電網設備參數及臺賬管理。規范化命名的設備模型與ID符合IEC61970-CIM標準模型，保證了廠站和設備名稱的唯一性，可與其他符合該標準模型的系統共享和交換數據，同時可以按電壓等級及地域分類對一次設備臺賬進行管理。一次設備信息的內容可涵蓋所有電力系統設備元件，設備參數既可以輸入銘牌參數、實測參數也可以選擇設計參數或典型參數，程序會自動根據用戶的選擇換算出相應參數的有名值或者標幺值。

數據展示方式多樣化。支持對數據的多層次、多視角瀏覽，具備樹形圖、文本視圖、數據報表、圖形等多種瀏覽方式；提供多種可自定義的檢索、統計方式，如可以導出一次設備臺賬信息、設備參數報表，格式、內容以及樣式均可自定義。

2.2 裝置類型管理

電網中運行的保護裝置種類繁多，廠家各異，保護版本不同，因此在系統內設置了專門的裝置類型庫，用來管理和維護電網中所用保護裝置的型號、版本、校驗碼、說明書及定值清單等相關信息，產品信息按生產廠家、型號、版本進行分類管理，還可按系列分域管理，便于查詢、共享和維護；支持模塊化保護裝置入庫，數據模型兼容IEC61850標準模型，標準ICD文件可直接導入、導出。裝置類型庫可作為電網基礎數據供其他應用軟件或系統使用。裝置類型庫管理如圖5所示。

圖5 裝置類型庫管理

2.3 保護配置管理

在變電站主接線圖基礎上，可以進行圖形化的保護配置管理：選取相關一次設備，簡單配置保護屏和保護裝置的相關信息，可將傳統的文字或列表展示保護配置轉化為圖形，并標示在一次設備圖形元件附近，使一次設備、保護屏、保護裝置的關聯關系一目了然；還可按地域、廠站、電壓等級和間隔等對二次設備臺賬進行分類排序，文本視圖中則顯示保護裝置型號、版本、校驗碼等相關具體信息，便于查看和管理。500 kV變電站線路、母線、斷路器保護配置如圖6所示。

圖6 500 kV變電站保護配置

2.4 電網運行方式設置

整定計算需要考慮發電廠和變電站的多種廠站運行方式，以及整個電網的大、小系統運行方式。一體化整定計算系統以一次建模應用為基礎，可以直接在主接線圖上管理和維護變電站正在運行或可能出現的運行方式。例如，設置開關斷開或閉合、變壓器接地方式等，并為故障計算進行數據預處理和檢查。廠站方式設置完成后，可經數據交換至全網交換數據庫，供相關區域電網整定計算調用。變電站的廠站方式設置界面如圖7所示。

圖7 變電站廠站方式設置

電網系統方式變化多樣，對整定計算結果影響較大，正確設置電網系統方式對計算結果的準確性和適應性至關重要。一體化整定計算系統可以針對整個電網設置其各種不同情況下的運行方式，例如：大小方式、電源小方式、各種供電方式等，且方式組合靈活方便，方式個數不受限制。可通過劃分與其他地方交換過來的數據的邊界來獲得本地區需要使用的數據范圍。系統方式設置如圖8所示。

圖8 系統方式設置

2.5 整定配合計算

基于模型驅動概念，整定配合計算程序能夠自動識別用戶自定義的配合規則來完成原理級定值的計算，自定義的內容包括：計算范圍、保護原理類型、保護段數、配合關系、配合方式、計算公式、取值方案、定值顏色等。在整定原則發生變化時，僅需修改配合規則定義即可進行重新計算，無需修改程序從而保證程序的穩定性和規則的可擴展性。定值的顯示、調整和計算范圍的選擇均能通過圖形界面進行瀏覽、展示和操作。

定值計算過程采用自動計算與人工干預相結合的方式，程序自動計算完成后，用戶可根據計算結果結合電網實際情況和用戶經驗進行人工干預，包括調整配合關系、配合計算條件以及最終定值，調整配合關系時程序會自動檢查出無限循環并提示用戶修改。程序始終遵循人工操作優于計算機操作的原則，即人工調整的結果不會被程序的自動計算過程所修改，且計算過程中用戶所做調整均會記錄。電網發生變化時，程序還可根據電網變化情況自動調整或繼承已有的配合方案。

配合定值一旦計算完成程序還可自動生成整定計算書，方便用戶查看計算過程，分析判斷。計算書內容包括本保護段需要計算的配合原則、配合保護、計算條件（即所要考慮的方式），以及不同的配合原則對應的計算條件的結果和最后的定值取值及建議范圍等。計算書的格式用戶可自定義。

智能定值管理。整定計算人員可以根據定值執行情況將現有運行的定值存為原定值，下次進行定值計算時，程序會自動考慮原定值，如果新定值在原定值一定范圍內，程序將自動選取原定值為新定值，盡量減少運行定值的變化，保證電網穩定運行。

2.6 故障計算

用來模擬所有電壓等級和規模電網的故障情況，并分析其各種故障后的電氣量及變化量。計算核心基于復數計算，支持簡單故障、復雜故障（包括短路故障、斷線故障、跨線故障之間隨意組合）以及電網邊界等值計算（包括單點等值和多點等值），并支持過渡電阻的輸入，還可計算開關等無阻抗元件的電氣量。

支持各種運行方式和系統方式的組合，方式組合靈活方便，方式個數不受限制，支持線路停用或掛檢、線路輪斷、指定廠站方式、輪變廠站方式、輪變系統方式等。故障計算設置案例如圖9所示。

圖9 故障計算設置案例

支持計算分析電氣量的自定義和分析結果的篩選，可根據設置對分析計算結果進行篩選或統計列表輸出。計算設置和計算結果均可通過圖形進行操作和展示。

2.7 裝置定值計算與管理

定值單模板。保護配置完成后，根據裝置類型庫中對應的保護裝置型號的定值清單，經簡單操作可建立自定義格式的標準化定值通知單模板，同一個型號、版本和校驗碼的保護裝置僅對應一個模板，保證了定值單模板的通用性和唯一性，通過模板共享功能可實現一人制作，全網使用。定值單模板設計界面如圖10所示。

圖10 定值單模板設計界面

定值條目算法配置。針對不同的定值條目，通過讀取一次建模中相關參數、設置典型數值、建立和編輯計算公式、調用故障計算模塊實時計算等途徑，對定值單中每一個條目配置算法，實現定值的一鍵自動計算，供人工檢查和校核；算法經省調審核后統一發布保存在算法庫中，可供不同廠家、型號裝置同一意義條目調用；同時自動生成整定計算書，每一個定值條目的計算方法可見可追溯。

定值單臺賬管理。定值單可按廠站、電壓等級、被保護設備、保護類型、定值單編號和日期、定值單狀態、采用的定值單模板等進行分類查詢和管理，歷史定值單可永久保留，不隨保護更換而刪除。還能夠以多種常用格式導出定值單，方便查看和使用。定值單臺賬管理如圖11所示。

圖11 定值單臺賬管理

定值單生成后即可自動唯一編號，經手動上傳至調度管理應用系統 （Operating Management System，OMS）后可將定值單送入編制、校核、審核、批準、發布、執行、核對、歸檔等標準SOP流轉流程。定值單上傳、導出等功能如圖12所示。

圖12 定值單上傳、導出等功能

3 關鍵應用技術提升

省地一體化整定計算系統覆蓋了整定計算從建模到下發定值單的全過程，從計算模型大小、操作使用人員數量、計算模型拼接自動化程度、配合規則適應能力、裝置定值計算過程可視化等多個應用層面上徹底消除了之前單機版程序存在的缺陷，從根本上改變了整定計算人員的工作方式和方法。一體化整定計算系統與單機版軟件的對比見表1。

表1 一體化整定計算系統與單機版軟件對比

受程序限制，單機版軟件計算模型節點最多不超過800個，而一體化系統則不受節點數量限制；單機版軟件對不同區域電網模型的拼接需要手動進行，一體化系統則完全自動進行；單機版軟件僅能一個人操作使用，一體化系統實現了多用戶同時操作互不影響；單機版軟件的整定配合計算規則固化在程序中，非專業編程人員不便修改，而一體化系統則對配合計算模塊增加了規則配置層，由使用人員根據本地的配合規則和使用習慣即可進行自定義配置，即使不懂編程也完全能夠進行此項工作；最終得到的裝置定值計算結果，單機版程序是通過腳本的形式展示，不方便查看和校核，而一體化系統則是以計算書的形式將計算過程和公式展示出來，便于追溯和校核。

4 省地一體化特點體現

實現數據的“源端維護、全網共享”。制定了“誰管轄，誰維護、誰負責”的原則，電網基礎數據按照調度管轄范圍維護，使用統一的設備信息填報界面，保證了全網設備名稱、參數、管理屬性等一致。本地基礎數據（包括一次建模數據、保護配置數據、廠站方式設置等）維護好后通過數據管理工具以數據包的形式發送給相關單位，接收單位視工作情況、范圍和進度有選擇地進行模型拼接和數據整合，繼而參與配合計算或故障計算。

保護裝置類型的統一管理。保護廠家按照省調相關規定提供準確資料，進行保護入網登記，只有經入網登記后的保護裝置才能進入系統，由省調審核過后以裝置類型庫的形式統一發送給地調更新使用。

全網整定原則統一，定值單模板、算法統一。各個地區保護定值計算均基于本區域電網的全模型數據，不再使用系統等值；保護配合整定原則統一，由省調統一維護，統一發布供全網使用，保證了全省內配合整定原則的一致、規范、標準；定值單模板、算法統一，入網后的保護裝置由最初使用單位維護定值單模板、配置算法，經省調審核后統一發布，全網共享。

提供了與其他保護技術支持系統的接口，將全網基礎數據整合后，可以向保護信息系統、故障全息系統提供模型參數及圖形數據，保證了保護專業各個系統模型的一致性，實現橫縱向各個系統之間的無縫銜接和互聯互通，提高保護基礎信息的維護、共享、交互和使用效率。

5 應用實例

500 kV新泰站位于泰安、濟寧、萊蕪、臨沂4個地區交界位置，與4個地區的220 kV電網均有直接聯系，500 kV新泰站周邊電網結構如圖13所示。

圖13 500 kV新泰站周邊電網結構

建立模型：省調建立500 kV新泰站模型，維護主接線圖、設備參數及系統和廠站方式；泰安、濟寧、萊蕪、臨沂地區在相應廠站上建立新泰站220 kV出線模型并維護參數，同時發送數據交換請求；省調接收數據，將4個地區電網的線路拼接到新泰站內對應間隔并返回完整數據。

保護配置：保護廠家在保護裝置入網時根據現場裝置錄入保護版本信息及定值清單；按照調度管轄范圍，二次班組在一次模型基礎上維護好二次保護配置參數；通過數據交換得到相鄰地區設備的保護配置。

配合計算：根據確定的配合計算規則，省調在500 kV電網范圍內計算新泰站500 kV系統保護定值，地調計算本地區220 kV電網范圍新泰站出線保護定值。220 kV新泉雙線的配合定值計算結果如圖14所示。

圖14 220 kV新泉雙線配合定值計算結果

裝置定值：根據裝置型號和定值清單，建立定值單模板并配置定值算法，編制調管范圍內保護裝置的定值單，并發送至OMS系統進入定值單流轉流程。

6 結語

目前已推廣應用的省地一體化整定計算系統規范了繼電保護整定計算的全過程；分散了電網基礎數據維護的工作量，保證了數據維護的準確性；整合了全網的數據用于精確計算，統一了全網系統方式、廠站方式的設置原則，為保護定值的正確性提供了安全保障；制定了標準化的配合規則、定值單格式、模板和算法，并且能夠共享，減少了全網整定計算人員的重復工作；同時還有效管控了在網運行的繼電保護版本數量，并且為其他相關技術支持系統提供了強大的基礎數據支撐。

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Construction and Application of Province-Prefecture Integrated Relay Protection Setting Calculation System

LI Jing1，FAN Rongqi1，WANG Anning1，ZHU Qianru1，HUANG Debin2
（1.Shandong Electric Power Dispatching and Control Center，Jinan 250001，China；2.Shandong Roof Innovation Technology Co.，Ltd.，Jinan 250001，China）

With the continuous expansion of the scale of the power grid，the cooperation of protection between power components are becoming more and more complexity.The traditional manual calculation has been unable to bear the increasing grid workload，the stand-alone setting calculation software also gradually highlights defects such as the lack of cooperative work，the difficulty of data exchange and the limitation of a computational model.Therefore，a province-prefecture integrated relay protection setting calculation system has been established.This system uses distributed architecture for basic data resource sharing and model data splicing.According to the process，the multi-party participation and orderly cooperation are realized. The calculation model is not limited，and it can realize the visual configuration and unified management of the setting and matching principle，the protection value setting algorithm and so on.The system has been fundamentally changed working methods of relay protection setting personnel in Shandong power grid，which greatly improves the work efficiency of relay protection setting calculation and ensures the safe and stable operation of the power grid.

relay protection；province-prefecture integrated；setting calculation；data sharing；cooperative work

TM771

A

1007－9904（2017）03－0031－07

2016-10-01

李 靖（1985），男，工程師，主要從事電力系統繼電保護工作。