徐 寧，劉金官，嚴(yán)國平

（江蘇電力調(diào)度通信中心，江蘇南京210024）

隨著電網(wǎng)不斷發(fā)展，電網(wǎng)設(shè)備檢修次數(shù)的增加，調(diào)度運行人員在檢修方式下進(jìn)行繼電保護定值校核的工作量也越來越大，由此產(chǎn)生了繼電保護定值校核自動化的問題。國家電網(wǎng)公司在2007年1月召開的繼電保護工作會議中指出：“對于正常運行的系統(tǒng)，要定期對保護整定計算方案的整體性和適應(yīng)性進(jìn)行評估。在特殊檢修方式下，要隨著電網(wǎng)運行方式變化，校核保護定值的配合問題”[1]。最近，江蘇電力調(diào)度通信中心開發(fā)了一套適應(yīng)于電網(wǎng)檢修方式下保護定值靈敏度校驗的系統(tǒng)，提高了檢修方式下保護定值校驗的效率。

1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

保護定值靈敏度校驗系統(tǒng)的主要用途之一是讓繼電保護運行人員根據(jù)未來幾天電網(wǎng)運行方式的變化，快速方便地調(diào)整計算模型參數(shù)，進(jìn)行全網(wǎng)各種類型的故障計算，再將計算結(jié)果與裝置運行保護定值做比較，找出保護定值可能存在的隱患，最后做出定值調(diào)整策略。

根據(jù)系統(tǒng)的實現(xiàn)目標(biāo)，分析繼電保護定值靈敏度校驗系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)是電網(wǎng)參數(shù)，因此該系統(tǒng)除了實現(xiàn)保護定值靈敏度校驗的功能以外，其主要功能還應(yīng)包括：網(wǎng)絡(luò)參數(shù)維護、數(shù)據(jù)有效性檢查、簡單計算任務(wù)管理、簡單故障分析、短路容量計算、保護靈敏度校驗、等值線計算，并輔助有用戶管理及計算結(jié)果查詢。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)依據(jù)通用性、實用性、可靠性的設(shè)計準(zhǔn)則，采用B/S結(jié)構(gòu)，由1臺調(diào)度服務(wù)器、1臺數(shù)據(jù)服務(wù)器和若干臺仿真計算服務(wù)器組成，其中調(diào)度服務(wù)器安裝Web應(yīng)用程序和計算任務(wù)調(diào)度程序，實現(xiàn)電網(wǎng)數(shù)據(jù)的維護、計算任務(wù)管理調(diào)度等工作。計算服務(wù)器上安裝有電力系統(tǒng)仿真程序（PSS/E），負(fù)責(zé)計算用戶提交的各種仿真計算任務(wù)。通過有效的任務(wù)管理，實現(xiàn)Web環(huán)境下PSS/E仿真應(yīng)用的擴展，建立繼電保護定值適應(yīng)性校驗平臺，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

1976年P(guān)SS/E問世以來，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在電力系統(tǒng)仿真、分析、優(yōu)化等方面[2]。此外，PSS/E還向研究人員提供了二次開發(fā)的接口，允許研究人員通過二次開發(fā)接口開發(fā)腳本程序，以便擴充模型自動完成大批量的仿真計算以及結(jié)果分析[3]。本系統(tǒng)所有的仿真計算均通過調(diào)用PSS/E程序完成。

3 關(guān)鍵技術(shù)介紹

3.1 PSS/E二次開發(fā)技術(shù)

PSS/E提供了3種方式實現(xiàn)用戶程序與PSS/E的接口，它們分別是：批處理方式、IPLAN語言以及Python語言。30.0以上版本的PSS/E程序支持Python開發(fā)語言，Python是一種跨平臺的、面向?qū)ο蟮?、通用的、開放的編程語言[4，5]。 Python的設(shè)計目標(biāo)之一就是成為一種“膠水”語言，利用Python開發(fā)PSS/E的高級應(yīng)用程序具有結(jié)構(gòu)開放、開發(fā)周期短、易于擴展等優(yōu)點，特別適合于開發(fā)大型、復(fù)雜的高級應(yīng)用。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Python能直接調(diào)用PSS/E內(nèi)部提供的豐富的API函數(shù)，PSS/E與Python之間的接口函數(shù)主要有以下幾類[6]：(1)潮流計算API；(2)讀取潮流計算結(jié)果 API；(3)最優(yōu)潮流 API；(4)動態(tài)仿真 API；(5) 定義子系統(tǒng) API；(6)繪圖 API；(7)數(shù)據(jù)讀取 API；(8)PV/QV/POLY打印API；(9)系統(tǒng)API。利用這些API函數(shù)，用戶編制的程序可完全控制PSS/E，實現(xiàn)各種短路、潮流計算等仿真分析功能，并獲取計算結(jié)果。相比其他任何程序設(shè)計語言，Python允許軟件設(shè)計者更關(guān)注于問題本身而不是實現(xiàn)細(xì)節(jié)。

PSS/E程序提供一個可被Python程序調(diào)用的對象模塊——Psspy。通過Psspy對象提供的屬性和方法，Python程序就可以調(diào)用PSS/E程序內(nèi)的各種計算功能并獲得結(jié)果。

3.2 多機多任務(wù)協(xié)同管理機制

系統(tǒng)基于B/S結(jié)構(gòu)，所有的仿真計算均在計算服務(wù)器上完成。雖然一次故障計算所花費的時間有限，通常幾秒鐘左右，但是，當(dāng)有很多用戶同時使用系統(tǒng)，或者做輪斷組合故障計算時，系統(tǒng)需要做上百個故障計算，所花費的時間就相當(dāng)可觀。因此，為了解決計算速度問題，系統(tǒng)中的計算服務(wù)器可以設(shè)計為任意多臺，并且引入了多機多任務(wù)協(xié)同管理機制，來協(xié)調(diào)多臺計算服務(wù)器的工作。系統(tǒng)的故障計算功能是通過調(diào)用PSS/E開發(fā)的接口實現(xiàn)，通過Python與PSS/E之間的接口和利用Python嵌入式語言的優(yōu)勢，可以建立起WEB程序和PSS/E之間的橋梁。為了充分發(fā)揮多機協(xié)同計算在計算速度上的優(yōu)勢，將系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)服務(wù)器、調(diào)度服務(wù)器和計算服務(wù)器，通過它們之間的協(xié)調(diào)完成計算功能。

這篇故事其實是在嘲諷那些質(zhì)量低劣的畫作，而陳譯本非常恰當(dāng)?shù)貜馁澝涝~的角度傳譯出實實在在的鄙視和嘲諷，譯文如下：

數(shù)據(jù)服務(wù)器：平臺的數(shù)據(jù)服務(wù)器用于集中管理電網(wǎng)數(shù)據(jù)和實現(xiàn)平臺計算功能所需要的臨時數(shù)據(jù)。由于PSS/E本身沒有數(shù)據(jù)庫管理功能，它是通過讀入的文本文件實現(xiàn)計算功能，會給用戶帶來數(shù)據(jù)管理上的不便。通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)可以實現(xiàn)電網(wǎng)參數(shù)的集中管理以提高辦公自動化程度。在使用平臺計算功能時，程序首先根據(jù)任務(wù)的類型，結(jié)合電網(wǎng)參數(shù)庫和各個計算任務(wù)的參數(shù)表形成PSS/E的數(shù)據(jù)文件（如：raw文件、seq文件），PSS/E將這些文件讀入后進(jìn)行計算，完成后將計算結(jié)果寫回到數(shù)據(jù)庫中。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理和仿真計算功能，平臺數(shù)據(jù)庫分為兩類，一類是電網(wǎng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫，用于存儲電網(wǎng)參數(shù)，同時在仿真計算時利用參數(shù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)生成PSS/E的計算文件；另一類是參數(shù)數(shù)據(jù)庫，包括用于儲存臨時停運設(shè)備的臨時停運設(shè)備表，用于做電網(wǎng)等值計算時存放要進(jìn)行等值的母線的等值母線表，用于存放保護整定值的電網(wǎng)整定表，用于存放仿真計算結(jié)果數(shù)據(jù)的結(jié)果數(shù)據(jù)表，用于存放用戶提交的計算任務(wù)表等。

調(diào)度服務(wù)器：任務(wù)調(diào)度模塊為Web應(yīng)用程序和Python之間搭起聯(lián)系的橋梁。當(dāng)用戶提交了某個計算任務(wù)，就會在計算任務(wù)表中增加一條任務(wù)信息。調(diào)度服務(wù)器監(jiān)測計算任務(wù)表，如果出現(xiàn)新的任務(wù)，將生成與該任務(wù)對應(yīng)的任務(wù)控制塊，并將其加入任務(wù)隊列。調(diào)度服務(wù)器從注冊到本機的計算服務(wù)器中查找到空閑的計算服務(wù)器，將該計算任務(wù)提交給該計算服務(wù)器。計算任務(wù)完成后，從計算任務(wù)列表中刪除該任務(wù)控制塊，并將計算任務(wù)表中的任務(wù)狀態(tài)更改為已執(zhí)行。

調(diào)度服務(wù)器工作方式如圖3所示。

圖3 調(diào)度服務(wù)器工作方式

計算服務(wù)器：平臺的計算功能是通過計算服務(wù)器實現(xiàn)的。PSS/E開放了與Python之間的接口，以故障計算為例，調(diào)用接口函數(shù)SCMU就可以計算出當(dāng)前電網(wǎng)中指定位置的故障電流電壓。Python程序通過其與PSS/E之間的接口，利用PSS/E的計算功能，實現(xiàn)電力系統(tǒng)仿真計算。通過計算服務(wù)器可以實現(xiàn)包括簡單故障計算、節(jié)點等值計算、短路容量計算、保護靈敏度校驗、計算文件下載等在內(nèi)的一系列計算功能。當(dāng)計算服務(wù)器接受到調(diào)度服務(wù)器提交的計算任務(wù)后，計算程序根據(jù)參數(shù)庫中的電網(wǎng)參數(shù)形成PSS/E的計算文件。在使用PSS/E相關(guān)模塊進(jìn)行計算后，將計算結(jié)果寫入結(jié)果數(shù)據(jù)庫中。

采用CPU為P42.4GHz，內(nèi)存512MB。以PSS/E的Sample網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)為例，考慮校驗?zāi)妇€154到母線155之間的線路154側(cè)開關(guān)的保護靈敏度，校驗范圍為1，即停運母線154，155以及他們相鄰母線上的所有設(shè)備時，通過計算得到24個停運設(shè)備。如果采用3臺計算服務(wù)器時耗費的計算時間為25 s，采用單臺計算服務(wù)器時耗費的計算時間為63 s。以江蘇電網(wǎng)數(shù)據(jù)為例，考慮校驗線路晉陵到魏村線路2Y83（母線30910～母線33580）晉陵側(cè)開關(guān)的保護靈敏度，停運級別為1級，進(jìn)行計算得到52個停運設(shè)備，如果采用3臺計算服務(wù)器時耗費的計算時間為55 s，采用單臺計算服務(wù)器時，耗費的計算時間為137 s。采用單機計算與采用三機計算所花費的時間比較見表1。

表1 單機計算與三機計算耗費時間比較

3.3 孤島自動檢測方法

孤島自動檢查模塊的主要功能是在使用PSS/E的網(wǎng)絡(luò)故障分析計算或網(wǎng)絡(luò)等值功能之前對當(dāng)前電網(wǎng)模型進(jìn)行檢查，確保該模型是一個連通的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以免導(dǎo)致PSS/E計算時出現(xiàn)異常。

導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑霈F(xiàn)孤島主要有2種情況：一是在建立網(wǎng)絡(luò)模型的時候出現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入的錯誤；二是臨時指定停用設(shè)備后導(dǎo)致原來連通的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生孤立節(jié)點。因此，對于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錂z查不僅要能對完整網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)錂z查，同時還要實現(xiàn)在指定臨時停用設(shè)備時的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錂z查。

分治算法的基本思想是將一個規(guī)模為N的問題分解為K個規(guī)模較小的子問題，這些子問題相互獨立且與原問題性質(zhì)相同。求出子問題的解，就可得到原問題的解。分治法解題的一般步驟如下。

（1）分解。將要解決的問題劃分成若干規(guī)模較小的同類問題。

（2）求解。當(dāng)子問題劃分得足夠小時，用較簡單的方法解決。

（3）合并。按原問題的要求，將子問題的解逐層合并構(gòu)成原問題的解。

分治算法可以有2種表示形式，即“自頂向下”的分解自治算法和“自底向上”的聚合分治算法[7]。本系統(tǒng)采用“自底向上”的聚合分治算法和集合劃分的結(jié)合進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)孤島自動檢查。首先以線路和變壓器為單位把電網(wǎng)分為不可再分的若干最小母線集合，再觀察2個集合是否存在共有的母線，如果存在共有母線，則將2個集合合并，如此反復(fù)，直到2個母線集合之間不存在共有的母線，得到的最終集合即網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)果。

集合劃分法：集合被定義為成員（即對象，或稱元素）的1個群集。集合的成員可以是原子 （單元素），也可以是集合。集合劃分的基本思想就是把同屬性的元素歸并到同一集合中去。算法的基本流程是依據(jù)待劃分的元素與現(xiàn)有集合之間的關(guān)系來處理待劃分的元素，管理集合。算法的最終輸出結(jié)果是若干集合，每個集合中的元素具有某種相同屬性。設(shè)現(xiàn)有N（N≥0）個集合，待劃分的元素為X，其與現(xiàn)有集合的關(guān)系可以列舉出以下3種情況。

以上列舉的3種情況及由此對于待劃分元素X的相應(yīng)處理描述如下。

（1）待劃分元素X在現(xiàn)有的集合i中命中，對于元素X不做處理；

（2）待劃分的元素X滿足同時屬于m（1≤m≤N）個集合 Seti1，Seti2，…，Setim （i1＜i2＜i3＜…＜im）的條件。Seti1=X∪Seti11∪Seti2∪…∪Setim，刪除集合 Seti2，…，Setim，N=N-m+1，文章稱之為集合的歸并。當(dāng)m=1時，僅有Seti1=X∪Seti1，可以看成集合歸并的特例。

（3）待劃分的元素X與現(xiàn)有集合之間沒有直接聯(lián)系，動態(tài)創(chuàng)建1個集合，在該集合中加入元素X。N=N+I。

需要特別指出的是，當(dāng)劃分第一個元素的時候，尚未有任何集合存在（N=0），所以滿足上文所述的第三種情況[8]。

4 結(jié)束語

文章介紹的保護定值靈敏度校驗系統(tǒng)是1個基于B/S模式的系統(tǒng)。系統(tǒng)由1臺調(diào)度服務(wù)器、1臺數(shù)據(jù)服務(wù)器和若干臺仿真計算服務(wù)器組成。系統(tǒng)利用PSS/E二次開發(fā)技術(shù)，通過Python與PSS/E之間的接口建立起Web程序和PSS/E之間的橋梁。為解決系統(tǒng)采用B/S模式后，集中計算可能出現(xiàn)計算速度下降的問題，本系統(tǒng)采用多機多任務(wù)協(xié)同管理機制，采用分布式計算系統(tǒng)的構(gòu)架，可管理任意多臺計算服務(wù)器并行進(jìn)行仿真計算，大大提高計算速度。系統(tǒng)應(yīng)用在江蘇省電力調(diào)度通信中心，并取得了良好的效果。

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