保護定值在線校核與智能整定閉環系統設計

張正利，齊 磊，畢兆東，楊利民，鄭楊斌

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引言

繼電保護系統作為維持電力系統安全可靠運行的第一道防線，繼電保護裝置的可靠、選擇、速動、靈敏等動作特征能很大程度地減少事故對電力設備的損壞［1?3］。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。因此，全方位研究電力系統在不同運行環境下的繼電保護動作特性，找到合理有效的繼電保護整定計算方法，對提升電力系統穩定運行具有重要意義［4?8］。

隨著互聯網技術的不斷發展，電網逐漸向智能化方向轉變，電網互聯成為必然趨勢，而在此環境下電網拓撲結構的復雜性日盛，運行方式也呈現出多樣化特點，增加了整定計算的難度。一旦系統運行方式超出日常方式安排，即超出了離線整定方式的考慮范圍，就存在保護誤動或者拒動的事故隱患，因此需要研究繼電保護定值在線整定和校核方法。文獻［9］提出并開發了一個新的繼電保護定值在線整定軟件，依托基于云和瘦客戶端的在線整定計算技術和基于多線程和云計算的分布式并行計算架構，主要功能模塊有圖形建模、參數計算、在線整定和系統管理，成功實現了繼電保護定值在線整定。文獻［10］提出了基于方式變化影響域和故障量排序的繼電保護定值快速在線預警方法。以保護所在位置的短路電流、分支系數等繼電保護定值計算相關故障量的變化率為判據，確定線路和變壓器等電網元件開斷后，定值將受到顯著影響的保護集合。上述文獻僅單方面考慮保護定值的在線整定和在線預警的功能，以在線整定為例，除了應當具備在線方式下開展全局定值整定計算的基礎功能，還應該考慮在線定值靈敏度和選擇性不滿足的條件，再開展在線整定計算，這樣才更接近實際在線方式的需要；而在線預警系統如果能夠將不滿足的定值提交給在線整定系統，形成閉環校核、整定流程，則更具有實際應用價值。

考慮已有文獻研究的不足，充分研究并利用現代計算機分布式并行計算技術，將保護定值在線整定和自動校核技術融合，開發了繼電保護定值智能整定及校核系統（以下簡稱智能整定預警系統）。將保護定值在線整定與在線校核進行閉環設計，在線導入電網模型以及實時運行方式，自動獲取保護裝置定值并進行在線校核驗證，計算保護的靈敏度及上下級保護的配合關系等，對現場運行的不滿足保護規程要求的定值自動發出告警提示。同時可自動閉環調用整定計算模塊，在線計算保護定值，最終自動生成定值單。

1 系統設計

1.1 硬件設計

智能整定預警系統通過設計與調度系統接口，周期性獲取電網模型、參數；與保護信息系統接口，自動完成保護模型導入，最終實現保護定值在線整定的功能。同時，該系統在線獲取電網方式數據，基于全網一二次模型數據，達到定值在線校核并預警的目的，其硬件結構如圖1所示。

出于各業務系統安全隔離的考慮，智能整定預警系統與智能調度系統、保護信息系統直接設置安全防火墻進行隔離，僅開通專用端口用于文件傳輸。智能整定預警系統內部設置1 臺專用數據接口服務器，若干臺用于分析計算的并行計算服務器，圖1 中服務器數量僅作示意，不代表實際服務器數量。其中數據接口服務器主要用于電網模型、參數及實時數據獲取與存儲，保護定值數據獲取與存儲以及與智能調度系統之間的告警交互。并行計算服務器完成相關繼電保護定值在線校核及在線整定任務，每臺服務器均配置高性能CPU 和計算內容，基于分布式并行計算算法進行任務的智能調度計算。

圖1 系統硬件結構

1.2 軟件設計

1.2.1 系統流程設計

智能整定預警系統的數據輸入包括電網一次模型和參數，電網運行數據以及保護信息系統傳輸的運行定值單數據。系統的數據輸出包括智能整定計算模塊輸出的定值單數據、校核結果數據及異常告警信息。具體來說，智能整定預警系統從智能調度系統獲取電網的一次模型及參數，同時周期自動獲取電網運行的斷面信息，開發標準化模型參數及方式數據導入接口程序。解析電網一次模型和方式數據，開發拓撲分析程序，自動分析形成電網電氣拓撲網絡，作為后續短路電流計算的基礎。智能整定預警系統的二次定值數據來源于保護信息系統，通過開發與保護信息系統的數據接口，按照規范解析電網實際定值數據，根據一二次名稱匹配程序，自動將保護定值單與電力系統一次設備進行關聯，形成全網一二次統一模型。

基于全網一二次模型結構，開展在線定值校核工作，有靈敏度或選擇性不合格則自動發送預警信息給智能調度系統，同時可觸發在線整定計算流程，在線整定計算流程也可由人工有條件觸發，其詳細的功能設計流程見圖2。

圖2 系統功能流程

1.2.2 層次數據庫

智能整定預警系統開發了專用實時層次數據庫，基于實時數據庫運行模式能夠極大提升系統運行效率，特別是結合分布式并行計算算法，常規省級主站系統全網保護定值校核一次完成時間可實現在1 min 以內。該數據庫以層次結構存儲電網一二次模型，包括通用保護模型，主要考慮電網級別的線路、母線、變壓器等元件設備保護以及與該二次模型關聯的電力系統一次設備模型，構建成完整一二次統一模型，最終用于保護定值在線整定和在線校核，該設計考慮了系統的通用性和可擴展性，其層次數據庫結構如圖3所示。

圖3 層次數據庫結構

1.2.3 名稱匹配

智能整定預警系統的一二次數據來源于不同的業務系統，其一次模型主要來源于智能調度系統，二次模型來源于保護信息系統。不同業務系統之間的元件命名存在一定的差異性和規律性，研究基于專家系統的名稱自動匹配程序，實現二次模型與一次模型的自動對接，完成系統全模型的組建。具體而言，名稱匹配程序不僅考慮名稱上的規律性，如“××變”與“××站”，“一母”與“I母”，實現基于專家知識庫的模糊匹配。同時對于完全無規律性的設備命名，還利用基于電網電氣拓撲的智能識別技術，如“××線”在不同系統中名稱無相似性，可結合其首末端廠站拓撲信息實現元件識別，達到名稱匹配的目的。最后，對于實在無法通過自動程序實現名稱匹配的元件，開發了可操作的人工匹配工具，實現元件名稱的人工匹配。

1.2.4 動態短路電流計算

短路電流計算是電力系統分析的重要內容之一，為電力系統的規劃設計和運行中選擇和校驗電器設備、整定繼電保護裝置定值、選用限制短路電流的元件、分析事故等工作提供了有效手段［11?14］。當前電力系統工程應用中的短路電流計算方法主要為靜態等值阻抗方法，無法考慮短路發生后系統元件模型、參數的暫態過程。本系統考慮并分析潮流情況、負荷模型、線路零序互感、發電機參數、調壓器、調速器等各種因素對短路電流計算結果的影響，實現動態短路電流計算方法，支持自動掃描全網各節點處單相和三相短路電流和短路容量，便于后續計算分析。動態短路電流計算的本質是求解一系列微分代數方程，其算法流程如圖4所示。

圖4 動態短路電流算法流程

1.2.5 并行計算

分布式并行計算技術近年來在電力系統專業得到了廣泛的研究和應用［15?17］。在智能整定預警系統的開發設計過程中，以全網短路電流計算為基礎的繼電保護定值整定及校核的計算量巨大，在一臺計算機上無法實現快速計算功能。基于上述因素的考慮，智能整定預警系統利用分布式并行計算技術，該技術能夠充分調動多核CPU 以及多機計算能力，從而可以降低系統的硬件投資，該分布式并行計算技術具有如下3個特點。

1）主機調度：系統配置應用級調度主機，該主機在參與計算的同時也負責全局計算任務分配，根據系統內其他機器負載現狀自動分配工作任務。

2）智能參與：智能整定預警系統中所有服務器根據主機任務智能參與計算任務，也可以獨立配置成指定計算類型服務器，如在線計算或離線分析任務。

3）異常切換：系統內任意機器，甚至是調度任務主機發生應用故障，均可以自動切換任務到其他正常服務器。

2 功能介紹

基于前述的系統軟硬件架構，智能整定預警系統主要分為在線整定和在線校核兩個功能模塊。將這兩個功能模塊進行閉環設計，在線校核的結果與電網調度決策功能進行交互，對不滿足校核條件的結果進行告警，輔助調度員決策以及提醒保護專業人員對整定計算結果進行核實。同時在線校核不合格時可自動觸發調用在線整定模型，利用該模塊在線計算功能，自動整定實時方式下的定值結果并生成定值單。

2.1 在線校核

保護定值在線校核計算是在電網實時運行方式下主要進行保護選擇性和靈敏性的驗證［18?19］。以線路距離保護為例，選擇性校核的目的是校核保護在當前方式下上、下級保護之間定值和時間是否仍然滿足保護配合的要求。因而其校核原則是通過設定故障，將計算定值與實際保護定值進行比較，判斷校核定值是否在實際整定值的選擇性范圍內。靈敏度校核則通過判斷計算定值和整定值的計算大小，判斷在當前運行方式下區內故障是否靈敏。

智能整定預警系統的定值校核模塊具備在線校核和離線校核模塊，在線校核模塊觸發條件有幾類：第1 類通過實時獲取的電網斷面信息，監視電網發生重要方式變化（如重要開關變位、新設備投運等）來決定是否觸發在線校核計算；第2 類當監測到實時數據庫中保護定值項發生批量更改時進行一次全局校核工作，如果只是單一裝置或少數裝置定值發生更改，則進行裝置級參數校核；第3 類可設置定值在線校核計算的定時啟動周期，當前面的觸發條件均不具備時進入周期性啟動流程。

在線校核模塊最終將不合格的校核結果生成預警信息，通過智能告警接口提供給調度管理系統供調度、保護人員進行決策分析，同時可設定自動觸發在線整定模塊，對不滿足的定值項開展自動整定計算。

2.2 在線整定

在線整定模塊通過從實時數據庫中獲取電網當前模型、參數以及斷面信息進行保護定值的在線整定計算。在線整定計算需要一定的觸發條件，通過關聯保護定值校核結果來判斷是否觸發在線整定計算；同時為確保整定計算的可靠性，在線整定模塊還需要設置定時啟動在線整定工作；另外，通過與調度系統的接口，定值在線整定還具備人工干預的功能，當在線校核將預警信息發送給調度系統時，調度員或保護專業人員能夠根據告警信息人工干預進行整定計算。

智能整定預警系統進行在線整定計算時，能夠根據用戶指定的方式、設備和整定原則，結合預先設置的專家庫自動分解、篩選和歸并需要計算的整定參數，避免過度計算整定預備量，提高計算效率。整定計算的臨時結果自動存儲到智能整定系統實時數據庫供后續模塊調用。

3 結語

所提出的繼電保護定值智能整定及預警系統將保護定值的在線整定和在線校核技術進行融合，通過獲取電網模型、參數及實時斷面信息等進行保護定值的閉環整定、校核工作，具備自動化、智能化特點，極大減輕繼電保護專業人員的工作強度，提升工作效率。結合先進的分布式并行計算方法，顯著提升了系統計算性能，增強了對復雜多級電網的適應性，全網計算速度滿足在線使用要求。最后將校核預警結果通過智能應用接口傳輸給調度系統，全面提升電網調度運行管理效率，降低定值誤整定風險，避免繼電保護裝置誤動或拒動，提高繼電保護運行可靠性和系統運行安全性，對電網的安全穩定運行具有重要的現實意義。