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(hù)系統(tǒng)作為維持電力系統(tǒng)安全可靠運行的第一道防線，繼電保護(hù)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(shè)備的損壞［1?3］。國內(nèi)外無數(shù)實例證明，許多涉及停電范圍較廣的大型系統(tǒng)事故都與繼電保護(hù)的不正確動作有直接或間接的關(guān)系。因此，全方位研究電力系統(tǒng)在不同運行環(huán)境下的繼電保護(hù)動作特性，找到合理有效的繼電保護(hù)整定計算方法，對提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行具有重要意義［4?8］。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)逐漸向智能化方向轉(zhuǎn)變，電網(wǎng)互聯(lián)成為必然趨勢，而在此環(huán)境下電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性日盛，運行方式也呈現(xiàn)出多樣化特點，增加了整定計算的難度。一旦系統(tǒng)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(hù)誤動或者拒動的事故隱患，因此需要研究繼電保護(hù)定值在線整定和校核方法。文獻(xiàn)［9］提出并開發(fā)了一個新的繼電保護(hù)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(shù)和基于多線程和云計算的分布式并行計算架構(gòu)，主要功能模塊有圖形建模、參數(shù)計算、在線整定和系統(tǒng)管理，成功實現(xiàn)了繼電保護(hù)定值在線整定。文獻(xiàn)［10］提出了基于方式變化影響域和故障量排序的繼電保護(hù)定值快速在線預(yù)警方法。以保護(hù)所在位置的短路電流、分支系數(shù)等繼電保護(hù)定值計算相關(guān)故障量的變化率為判據(jù)，確定線路和變壓器等電網(wǎng)元件開斷后，定值將受到顯著影響的保護(hù)集合。上述文獻(xiàn)僅單方面考慮保護(hù)定值的在線整定和在線預(yù)警的功能，以在線整定為例，除了應(yīng)當(dāng)具備在線方式下開展全局定值整定計算的基礎(chǔ)功能，還應(yīng)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(yù)警系統(tǒng)如果能夠?qū)⒉粷M足的定值提交給在線整定系統(tǒng)，形成閉環(huán)校核、整定流程，則更具有實際應(yīng)用價值。

考慮已有文獻(xiàn)研究的不足，充分研究并利用現(xiàn)代計算機分布式并行計算技術(shù)，將保護(hù)定值在線整定和自動校核技術(shù)融合，開發(fā)了繼電保護(hù)定值智能整定及校核系統(tǒng)（以下簡稱智能整定預(yù)警系統(tǒng)）。將保護(hù)定值在線整定與在線校核進(jìn)行閉環(huán)設(shè)計，在線導(dǎo)入電網(wǎng)模型以及實時運行方式，自動獲取保護(hù)裝置定值并進(jìn)行在線校核驗證，計算保護(hù)的靈敏度及上下級保護(hù)的配合關(guān)系等，對現(xiàn)場運行的不滿足保護(hù)規(guī)程要求的定值自動發(fā)出告警提示。同時可自動閉環(huán)調(diào)用整定計算模塊，在線計算保護(hù)定值，最終自動生成定值單。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件設(shè)計

智能整定預(yù)警系統(tǒng)通過設(shè)計與調(diào)度系統(tǒng)接口，周期性獲取電網(wǎng)模型、參數(shù)；與保護(hù)信息系統(tǒng)接口，自動完成保護(hù)模型導(dǎo)入，最終實現(xiàn)保護(hù)定值在線整定的功能。同時，該系統(tǒng)在線獲取電網(wǎng)方式數(shù)據(jù)，基于全網(wǎng)一二次模型數(shù)據(jù)，達(dá)到定值在線校核并預(yù)警的目的，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

出于各業(yè)務(wù)系統(tǒng)安全隔離的考慮，智能整定預(yù)警系統(tǒng)與智能調(diào)度系統(tǒng)、保護(hù)信息系統(tǒng)直接設(shè)置安全防火墻進(jìn)行隔離，僅開通專用端口用于文件傳輸。智能整定預(yù)警系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置1 臺專用數(shù)據(jù)接口服務(wù)器，若干臺用于分析計算的并行計算服務(wù)器，圖1 中服務(wù)器數(shù)量僅作示意，不代表實際服務(wù)器數(shù)量。其中數(shù)據(jù)接口服務(wù)器主要用于電網(wǎng)模型、參數(shù)及實時數(shù)據(jù)獲取與存儲，保護(hù)定值數(shù)據(jù)獲取與存儲以及與智能調(diào)度系統(tǒng)之間的告警交互。并行計算服務(wù)器完成相關(guān)繼電保護(hù)定值在線校核及在線整定任務(wù)，每臺服務(wù)器均配置高性能CPU 和計算內(nèi)容，基于分布式并行計算算法進(jìn)行任務(wù)的智能調(diào)度計算。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.2 軟件設(shè)計

1.2.1 系統(tǒng)流程設(shè)計

智能整定預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入包括電網(wǎng)一次模型和參數(shù)，電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)以及保護(hù)信息系統(tǒng)傳輸?shù)倪\行定值單數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出包括智能整定計算模塊輸出的定值單數(shù)據(jù)、校核結(jié)果數(shù)據(jù)及異常告警信息。具體來說，智能整定預(yù)警系統(tǒng)從智能調(diào)度系統(tǒng)獲取電網(wǎng)的一次模型及參數(shù)，同時周期自動獲取電網(wǎng)運行的斷面信息，開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化模型參數(shù)及方式數(shù)據(jù)導(dǎo)入接口程序。解析電網(wǎng)一次模型和方式數(shù)據(jù)，開發(fā)拓?fù)浞治龀绦颍詣臃治鲂纬呻娋W(wǎng)電氣拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，作為后續(xù)短路電流計算的基礎(chǔ)。智能整定預(yù)警系統(tǒng)的二次定值數(shù)據(jù)來源于保護(hù)信息系統(tǒng)，通過開發(fā)與保護(hù)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，按照規(guī)范解析電網(wǎng)實際定值數(shù)據(jù)，根據(jù)一二次名稱匹配程序，自動將保護(hù)定值單與電力系統(tǒng)一次設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)，形成全網(wǎng)一二次統(tǒng)一模型。

基于全網(wǎng)一二次模型結(jié)構(gòu)，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(fā)送預(yù)警信息給智能調(diào)度系統(tǒng)，同時可觸發(fā)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(fā)，其詳細(xì)的功能設(shè)計流程見圖2。

圖2 系統(tǒng)功能流程

1.2.2 層次數(shù)據(jù)庫

智能整定預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)了專用實時層次數(shù)據(jù)庫，基于實時數(shù)據(jù)庫運行模式能夠極大提升系統(tǒng)運行效率，特別是結(jié)合分布式并行計算算法，常規(guī)省級主站系統(tǒng)全網(wǎng)保護(hù)定值校核一次完成時間可實現(xiàn)在1 min 以內(nèi)。該數(shù)據(jù)庫以層次結(jié)構(gòu)存儲電網(wǎng)一二次模型，包括通用保護(hù)模型，主要考慮電網(wǎng)級別的線路、母線、變壓器等元件設(shè)備保護(hù)以及與該二次模型關(guān)聯(lián)的電力系統(tǒng)一次設(shè)備模型，構(gòu)建成完整一二次統(tǒng)一模型，最終用于保護(hù)定值在線整定和在線校核，該設(shè)計考慮了系統(tǒng)的通用性和可擴展性，其層次數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 層次數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

1.2.3 名稱匹配

智能整定預(yù)警系統(tǒng)的一二次數(shù)據(jù)來源于不同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，其一次模型主要來源于智能調(diào)度系統(tǒng)，二次模型來源于保護(hù)信息系統(tǒng)。不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的元件命名存在一定的差異性和規(guī)律性，研究基于專家系統(tǒng)的名稱自動匹配程序，實現(xiàn)二次模型與一次模型的自動對接，完成系統(tǒng)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(guī)律性，如“××變”與“××站”，“一母”與“I母”，實現(xiàn)基于專家知識庫的模糊匹配。同時對于完全無規(guī)律性的設(shè)備命名，還利用基于電網(wǎng)電氣拓?fù)涞闹悄茏R別技術(shù)，如“××線”在不同系統(tǒng)中名稱無相似性，可結(jié)合其首末端廠站拓?fù)湫畔崿F(xiàn)元件識別，達(dá)到名稱匹配的目的。最后，對于實在無法通過自動程序?qū)崿F(xiàn)名稱匹配的元件，開發(fā)了可操作的人工匹配工具，實現(xiàn)元件名稱的人工匹配。

1.2.4 動態(tài)短路電流計算

短路電流計算是電力系統(tǒng)分析的重要內(nèi)容之一，為電力系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計和運行中選擇和校驗電器設(shè)備、整定繼電保護(hù)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(dāng)前電力系統(tǒng)工程應(yīng)用中的短路電流計算方法主要為靜態(tài)等值阻抗方法，無法考慮短路發(fā)生后系統(tǒng)元件模型、參數(shù)的暫態(tài)過程。本系統(tǒng)考慮并分析潮流情況、負(fù)荷模型、線路零序互感、發(fā)電機參數(shù)、調(diào)壓器、調(diào)速器等各種因素對短路電流計算結(jié)果的影響，實現(xiàn)動態(tài)短路電流計算方法，支持自動掃描全網(wǎng)各節(jié)點處單相和三相短路電流和短路容量，便于后續(xù)計算分析。動態(tài)短路電流計算的本質(zhì)是求解一系列微分代數(shù)方程，其算法流程如圖4所示。

圖4 動態(tài)短路電流算法流程

1.2.5 并行計算

分布式并行計算技術(shù)近年來在電力系統(tǒng)專業(yè)得到了廣泛的研究和應(yīng)用［15?17］。在智能整定預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計過程中，以全網(wǎng)短路電流計算為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)定值整定及校核的計算量巨大，在一臺計算機上無法實現(xiàn)快速計算功能。基于上述因素的考慮，智能整定預(yù)警系統(tǒng)利用分布式并行計算技術(shù)，該技術(shù)能夠充分調(diào)動多核CPU 以及多機計算能力，從而可以降低系統(tǒng)的硬件投資，該分布式并行計算技術(shù)具有如下3個特點。

1）主機調(diào)度：系統(tǒng)配置應(yīng)用級調(diào)度主機，該主機在參與計算的同時也負(fù)責(zé)全局計算任務(wù)分配，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)其他機器負(fù)載現(xiàn)狀自動分配工作任務(wù)。

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

3）異常切換：系統(tǒng)內(nèi)任意機器，甚至是調(diào)度任務(wù)主機發(fā)生應(yīng)用故障，均可以自動切換任務(wù)到其他正常服務(wù)器。

2 功能介紹

基于前述的系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)，智能整定預(yù)警系統(tǒng)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(jìn)行閉環(huán)設(shè)計，在線校核的結(jié)果與電網(wǎng)調(diào)度決策功能進(jìn)行交互，對不滿足校核條件的結(jié)果進(jìn)行告警，輔助調(diào)度員決策以及提醒保護(hù)專業(yè)人員對整定計算結(jié)果進(jìn)行核實。同時在線校核不合格時可自動觸發(fā)調(diào)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(jié)果并生成定值單。

2.1 在線校核

保護(hù)定值在線校核計算是在電網(wǎng)實時運行方式下主要進(jìn)行保護(hù)選擇性和靈敏性的驗證［18?19］。以線路距離保護(hù)為例，選擇性校核的目的是校核保護(hù)在當(dāng)前方式下上、下級保護(hù)之間定值和時間是否仍然滿足保護(hù)配合的要求。因而其校核原則是通過設(shè)定故障，將計算定值與實際保護(hù)定值進(jìn)行比較，判斷校核定值是否在實際整定值的選擇性范圍內(nèi)。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(dāng)前運行方式下區(qū)內(nèi)故障是否靈敏。

智能整定預(yù)警系統(tǒng)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(fā)條件有幾類：第1 類通過實時獲取的電網(wǎng)斷面信息，監(jiān)視電網(wǎng)發(fā)生重要方式變化（如重要開關(guān)變位、新設(shè)備投運等）來決定是否觸發(fā)在線校核計算；第2 類當(dāng)監(jiān)測到實時數(shù)據(jù)庫中保護(hù)定值項發(fā)生批量更改時進(jìn)行一次全局校核工作，如果只是單一裝置或少數(shù)裝置定值發(fā)生更改，則進(jìn)行裝置級參數(shù)校核；第3 類可設(shè)置定值在線校核計算的定時啟動周期，當(dāng)前面的觸發(fā)條件均不具備時進(jìn)入周期性啟動流程。

在線校核模塊最終將不合格的校核結(jié)果生成預(yù)警信息，通過智能告警接口提供給調(diào)度管理系統(tǒng)供調(diào)度、保護(hù)人員進(jìn)行決策分析，同時可設(shè)定自動觸發(fā)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(shù)據(jù)庫中獲取電網(wǎng)當(dāng)前模型、參數(shù)以及斷面信息進(jìn)行保護(hù)定值的在線整定計算。在線整定計算需要一定的觸發(fā)條件，通過關(guān)聯(lián)保護(hù)定值校核結(jié)果來判斷是否觸發(fā)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(shè)置定時啟動在線整定工作；另外，通過與調(diào)度系統(tǒng)的接口，定值在線整定還具備人工干預(yù)的功能，當(dāng)在線校核將預(yù)警信息發(fā)送給調(diào)度系統(tǒng)時，調(diào)度員或保護(hù)專業(yè)人員能夠根據(jù)告警信息人工干預(yù)進(jìn)行整定計算。

智能整定預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行在線整定計算時，能夠根據(jù)用戶指定的方式、設(shè)備和整定原則，結(jié)合預(yù)先設(shè)置的專家?guī)熳詣臃纸狻⒑Y選和歸并需要計算的整定參數(shù)，避免過度計算整定預(yù)備量，提高計算效率。整定計算的臨時結(jié)果自動存儲到智能整定系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫供后續(xù)模塊調(diào)用。

3 結(jié)語

所提出的繼電保護(hù)定值智能整定及預(yù)警系統(tǒng)將保護(hù)定值的在線整定和在線校核技術(shù)進(jìn)行融合，通過獲取電網(wǎng)模型、參數(shù)及實時斷面信息等進(jìn)行保護(hù)定值的閉環(huán)整定、校核工作，具備自動化、智能化特點，極大減輕繼電保護(hù)專業(yè)人員的工作強度，提升工作效率。結(jié)合先進(jìn)的分布式并行計算方法，顯著提升了系統(tǒng)計算性能，增強了對復(fù)雜多級電網(wǎng)的適應(yīng)性，全網(wǎng)計算速度滿足在線使用要求。最后將校核預(yù)警結(jié)果通過智能應(yīng)用接口傳輸給調(diào)度系統(tǒng)，全面提升電網(wǎng)調(diào)度運行管理效率，降低定值誤整定風(fēng)險，避免繼電保護(hù)裝置誤動或拒動，提高繼電保護(hù)運行可靠性和系統(tǒng)運行安全性，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行具有重要的現(xiàn)實意義。