繼電保護整定計算系統(tǒng)研究

王一杰

【摘 ?要】隨著城市電網(wǎng)的擴大，電站電力系統(tǒng)面臨的壓力越來越大。繼電器保護是整個電氣系統(tǒng)的關鍵，其整定計算設計是維護的基礎。本文對目前開發(fā)的系統(tǒng)進行了介紹，并對其基本結構進行了分析。結合繼電保護和繼電保護的計算工作，分析了應用過程計算系統(tǒng)所涉及的問題。

【關鍵詞】發(fā)電廠;繼電保護;整定計算

隨著城市化的發(fā)展，城市的用電量越來越大。其結果是城市電網(wǎng)的擴展，對電站電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提出了更高的要求。繼電器保護是電站整個電力系統(tǒng)運行的基礎，其整定計算直接關系到電站運行和電力傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性。

一、整定計算系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀

雖然發(fā)電廠整定計算系統(tǒng)已在發(fā)電廠使用多年，但仍有一些問題阻礙其推廣，包括：

1.智能化程度依然不高。還是不夠聰明。對于電廠的整定計算人員，最好盡量少操作，使用整定計算系統(tǒng)。然而，目前的整定計算系統(tǒng)操作較多，需要建模。短路電流計算后，需要對保護裝置進行匹配，并設置設置規(guī)則。對于整定計算人員來說，這一過程有時比手工計算更為復雜，甚至需要經(jīng)過專業(yè)培訓才能完成操作，這無疑嚴重制約了系統(tǒng)的使用。具體來說，圖形化建模工作包括繪制幾十個部件，并輸入?yún)?shù)，利用圖形元素逐一構建電廠電氣主系統(tǒng)模型。對于工廠系統(tǒng)，模型中需要包含數(shù)百臺電氣設備，這使得建模工作成為整定計算系統(tǒng)中最繁瑣的工作。

2.系統(tǒng)的維護工作量大。由于各種類型的電氣設備在電廠繁多，其相應的多樣性保護裝置強，與電廠的發(fā)展，手術后也會有新的設備或保護裝置的操作，這就產(chǎn)生了相應的設置計算系統(tǒng)維護工作，如果工作人員通過設置計算，毫無疑問，它添加了一個額外的負擔，如不設整定計算，則不能保證整定計算系統(tǒng)的更新是可靠的。如何找到適合電廠的維修模式，成為整定計算推廣應用中必須解決的問題。

3.整定計算系統(tǒng)的通用性不高。當前整定計算系統(tǒng)基本采用專家系統(tǒng)的方式構建，即構建適用于我廠的整定規(guī)則，并結合我廠繼電保護裝置的特點，運用規(guī)則計算整定計算結果。由于發(fā)電廠的發(fā)展和新設備的運行，將整個電力系統(tǒng)中所有設備的設置規(guī)則和特點全部羅列出來是不現(xiàn)實的。因此，目前開發(fā)的整定計算系統(tǒng)在投入使用前往往需要在工程現(xiàn)場進行一定程度的修改。

4.定值單管理系統(tǒng)功能依然不夠?qū)嵱谩６ㄖ当砉芾碜鳛楸Ｗo管理的基本內(nèi)容，涉及整個保護定值的計算、審核、發(fā)放、執(zhí)行和變更保存。因為這個過程涉及到許多人在不同的時間參與，如何實現(xiàn)不同人員簽名文件，如何確保科學合理的整個過程成為系統(tǒng)設計的困難，仍沒有很好的解決，使得當前的診斷計算定值單管理模塊系統(tǒng)往往無法發(fā)揮作用。

二、系統(tǒng)總體設計

在系統(tǒng)設計中，強調(diào)了系統(tǒng)的模塊化和可視化特點。模塊化使得系統(tǒng)內(nèi)容易于擴展。該系統(tǒng)提供了盡可能多的保護設置模塊，以滿足大多數(shù)電廠用戶的需要。可視化的特點是用圖形、文本等直觀易懂的方式表達抽象原理。它不僅便于用戶了解保護的整定原理，而且整定原理依據(jù)《大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算指南》，可以保證整定過程的正確性。該系統(tǒng)為用戶提供了一個可用于電廠故障分析和設備保護設置的開放平臺。系統(tǒng)總體結構由五個模塊組成：圖形建模模塊、故障分析模塊、設置計算模塊、故障仿真模塊和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）模塊。每個模塊由幾個子模塊組成，如圖1所示。

DBMS模塊是一個具有中心作用的模塊，其他模塊需要與雙向信息交互。圖形化建模模塊的各個子模塊需要在數(shù)據(jù)庫中存儲各種信息，如組件的原始參數(shù)信息、保護配置信息等。當用戶需要查看某些信息時，可以將其從數(shù)據(jù)庫中取出，通過人機界面與用戶進行通信。故障分析模塊需要將短路計算結果存儲在數(shù)據(jù)庫中，故障分析所需元件的原始參數(shù)需要從數(shù)據(jù)庫中讀取。還需要使用設置計算模塊用戶選擇的保護的集合計算結果存儲在數(shù)據(jù)庫中，并在輸出集合值時從中讀取。故障仿真模塊需要從數(shù)據(jù)庫中讀取元件的原始參數(shù)，并將仿真結果存儲在數(shù)據(jù)庫中，為保護配置和保護定值的靈敏度驗證提供參考。圖形化建模通過圖形化操作界面與用戶直接交互。除了與數(shù)據(jù)庫管理模塊的連接，與其他模塊的連接也非常緊密。由于每個模塊都需要用戶的實際參與和決策，用戶的決策通過人機界面反映在設置系統(tǒng)中，最終的參與結果通過人機界面反饋給用戶。用戶可以通過人機交互不斷地設置所需的參數(shù)，直到得到滿意的結果。故障分析模塊、整定計算模塊和故障仿真模塊是整定計算系統(tǒng)的三個重要組成部分。故障分析模塊為整定計算模塊提供故障電流數(shù)據(jù)，故障仿真模塊為整定計算提供保護配置參考和靈敏度標定參考。系統(tǒng)選擇W indows2000作為開發(fā)平臺，利用AutoCAD繪圖工具，畫圖畫公共接口AutoCAD DXF文件格式，與面向?qū)ο蟮某绦蛟O計方法的接口程序，讀取AutoCAD DXF文件，圖紙在V視覺Basic6.0重新繪制圖形編輯環(huán)境，編制表單元素圖形數(shù)據(jù)庫的基本單位。考慮到電廠設備的設置計算公式簡單形式的特點，大量和類似的計算公式相同類型的保護，相同類型的保護可以被定義為一個類，設置計算公式是用XML編寫的，并設置計算公式可以計算通過使用VB編程從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)和相應的變量賦值的公式。由于整定計算涉及很多設備參數(shù)，以及故障分析、整定計算和故障仿真的中間和最終結果，本系統(tǒng)采用SQL Server2000作為可編程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)標準。

三、系統(tǒng)功能分析

上述的五個模塊分別完成特定的任務，同時又相互聯(lián)系、相互依賴，組成一個有機整體。

1.圖形建模模塊。圖形建模是可視化編程的一種表達。還提供了一個具體的繪圖工具，使用戶可以畫一個圖表來系統(tǒng)的圖形操作界面，輸入原始參數(shù)（由計算機自動識別系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構和構造，如電力系統(tǒng)網(wǎng)絡的一個數(shù)學模型。通過人機界面，用戶可以選擇保護配置，定義類型和故障點，選擇用于保護的CT和PT信息。圖形模型是缺陷可視化分析和調(diào)整計算的基礎。在圖形建模中實現(xiàn)的功能包括：（2）系統(tǒng)圖的總體運行情況。包括系統(tǒng)圖的創(chuàng)建、保存、存儲、刪除、滾動、縮放等。（3）圖形編輯的一般操作。這包括一般的操作，如選擇新創(chuàng)建，切割，復制，粘貼，刪除，移動，縮放和布局。（4）設備可在保護配置中輸入或修改參數(shù)。輸入或修改后，將數(shù)據(jù)輸入相應的數(shù)據(jù)庫，計算參數(shù)的單位值。當您刪除設備時，您將從數(shù)據(jù)庫中刪除相應的數(shù)據(jù)。（5）設備連接功能。指導各設備之間的連接的是方便易用的操作說明書并符合電氣布線系統(tǒng)的規(guī)格，例如檢查電壓等級在兩點之間的連接是一致的，避免錯誤的或無效的連接。布線系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲是根據(jù)設備之間的連接關系建立的，為節(jié)點輸入矩陣的自動形成和故障的計算做準備。（6）圖形元素的維護。每種類型的設備都對應于一個圖形元素。該系統(tǒng)提供以下圖形元素編輯操作：圖形元素導航、圖形元素外觀編輯、與設備對應的圖形元素連接點設置、與圖形元素對應的設備類型選擇。（7）操作方式。用戶可以通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)外部阻抗的大小和斷路器的子狀態(tài)來調(diào)節(jié)幾種系統(tǒng)運行模式。（8）建立系統(tǒng)圖之間的所有權關系。不可能在一個接口中表示一個工廠的所有系統(tǒng)模式，特別是對于工廠系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)圖之間存在一種屬性關系，允許用戶進行關聯(lián)。

2.故障分析模塊。故障分析模塊的主要目的是在電站設備出口出現(xiàn)各種故障時，實現(xiàn)短路電流的計算功能。具體實現(xiàn)的功能如下：故障位置用可見圖形表示，故障類型和各種故障由人機界面調(diào)節(jié)。（2）既可以解決幾個簡單的缺陷，例如多種類型的缺陷為單個故障點或同一類型的許多方面出現(xiàn)故障，為了滿足用戶的選擇和計算結果的比較。（3）故障分析方法是根據(jù)系統(tǒng)的性質(zhì)自動選擇的。在總線自動啟動的情況下，也可以為發(fā)電系統(tǒng)計算不同的數(shù)據(jù)。（4）自動顯示和打印節(jié)點編號和阻抗圖。（5）序列網(wǎng)絡圖的自動生成。對于不對稱故障，自動生成正、負、零三階網(wǎng)絡圖。（6）缺陷分析結果的輸出，要么是結果集，即缺陷報告（以表格形式），要么是為保護缺陷集而計算的單個數(shù)量。

3.整定計算模塊。整定計算模塊是整定系統(tǒng)的核心，它根據(jù)保護配置從原始參數(shù)庫中提取與整定計算有關的原始數(shù)據(jù)，根據(jù)保護裝置的整定原理計算保護整定值存儲在值數(shù)據(jù)庫中，用于查詢和輸出。電廠設置計算及保護類型如圖2所示。

設置計算模塊的功能如下：（1）用戶根據(jù)實際經(jīng)驗確定的參數(shù)（如可靠性系數(shù)等）由用戶選擇或輸入，實時提示選擇范圍和一般情況，給出默認值。（2）設備參數(shù)（如額定電流等）由程序自動填寫。（3）對于通過短路計算得到的數(shù)據(jù)，用戶應選擇短路計算的條件，并在故障分析模塊中進行計算。（4）各數(shù)據(jù)之間的操作關系由程序完成。用戶只需確保所有數(shù)據(jù)完整有效，設置計算自動完成即可。設置結果以設置值的形式顯示。

4.故障仿真模塊。建主接線圖，故障仿真模塊可以根據(jù)需要在公共汽車或設備終端設置任何類型的故障，保護定值模擬，檢查固定值，防止操作中不匹配的繼電保護設置，計算和靈敏度不足的問題可以根據(jù)故障仿真結果與繼電保護設置的值來判斷繼電保護裝置的作用。仿真完成后，自動生成完整的仿真報告，包括系統(tǒng)運行方式、故障位置、故障類型、相位差、各故障數(shù)量、固定保護運行時間等。故障仿真模塊解決了系統(tǒng)在發(fā)生故障前，經(jīng)過多年工作計算出的值無法得到驗證的問題。同時，可以分析繼電保護裝置在故障過程中的動作行為，預測事故。可大大提高工作效率和工作質(zhì)量，為繼電保護提供先進的管理手段。

5.數(shù)據(jù)庫管理模塊。不同廠家、不同機組的電廠設備及保護類型和保護設定值需要保留;用戶根據(jù)數(shù)據(jù)庫提供的信息選擇的保護信息也應保存下來作為設置計算的依據(jù)。此外，為了與用戶有良好的交互，需要提供原始保護設定值計算結果的查詢，以便將擴展后的設備設定值與原始設定值進行比較。數(shù)據(jù)庫管理模塊還實現(xiàn)了用戶對數(shù)據(jù)進行有效的管理功能。其管理功能主要包括數(shù)據(jù)查詢、打印和數(shù)據(jù)備份和刪除等。另外，為了保證系統(tǒng)的安全性，需要對用戶權限進行管理，即不同的用戶權限具有不同的系統(tǒng)使用范圍。

四、整定計算系統(tǒng)的發(fā)展前景

目前，繼電保護整定計算系統(tǒng)的研究與開發(fā)還處于起步階段。隨著該系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的實際應用，需要解決的問題也越來越多。隨著相關技術的發(fā)展，繼電保護整定計算系統(tǒng)具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1.推廣系統(tǒng)網(wǎng)絡。隨著網(wǎng)絡技術和通信技術的發(fā)展，設置計算系統(tǒng)需要與之相結合，從本地化向網(wǎng)絡化發(fā)展，實現(xiàn)網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)交換和信息共享。一方面，可以減輕當?shù)氐墓ぷ髫摀?另一方面，信息共享和交互有利于規(guī)則判斷的準確性，提高繼電保護的穩(wěn)定性。

2.實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的可視化。目前繼電保護整定計算的信息和數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中以單一的形式呈現(xiàn)，不利于數(shù)據(jù)處理、規(guī)則判斷和整定策略的制定。下一階段，利用可視化技術對各種計算數(shù)據(jù)進行可視化和轉(zhuǎn)換。這樣可以大大提高人機交互體驗，提高繼電保護配置的效率。

3.提高系統(tǒng)的通用性。目前，適應性差的主要原因是數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫單一。下一步，我們可以在網(wǎng)絡的基礎上建立網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫。因此，在電廠安裝的繼電保護整定計算系統(tǒng)僅供配置客戶端使用，采用通信技術與終端庫進行數(shù)據(jù)通信。這樣可以實現(xiàn)計算數(shù)據(jù)的本地化和處理操作的網(wǎng)絡化，大大提高了系統(tǒng)的適應性。

4.系統(tǒng)控制智能化。在當今世界，越來越多的技術變得智能化。各子模塊的嵌入式連接和自動匹配，大大減少了系統(tǒng)的運行步驟。同時，還節(jié)省了時間和人力，減少了操作系統(tǒng)中人為操作的誤差，提高了繼電保護整定計算的準確性。

綜上所述，能夠?qū)嶋H應用的電廠繼電保護整定計算系統(tǒng)的研究與開發(fā)將成為下一階段的研究重點。

參考文獻：

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[2]李東熊.發(fā)電廠繼電保護整定計算系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀分析[J].江西電力，2017（01）：48-50

（作者單位：內(nèi)蒙古大板發(fā)電有限責任公司）