保护定值在线校核与智能整定闭环系统设计

张正利，齐 磊，毕兆东，杨利民，郑杨斌

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211100）

0 引言

继电保护系统作为维持电力系统安全可靠运行的第一道防线，继电保护装置的可靠、选择、速动、灵敏等动作特征能很大程度地减少事故对电力设备的损坏［1−3］。国内外无数实例证明，许多涉及停电范围较广的大型系统事故都与继电保护的不正确动作有直接或间接的关系。因此，全方位研究电力系统在不同运行环境下的继电保护动作特性，找到合理有效的继电保护整定计算方法，对提升电力系统稳定运行具有重要意义［4−8］。

随着互联网技术的不断发展，电网逐渐向智能化方向转变，电网互联成为必然趋势，而在此环境下电网拓扑结构的复杂性日盛，运行方式也呈现出多样化特点，增加了整定计算的难度。一旦系统运行方式超出日常方式安排，即超出了离线整定方式的考虑范围，就存在保护误动或者拒动的事故隐患，因此需要研究继电保护定值在线整定和校核方法。文献［9］提出并开发了一个新的继电保护定值在线整定软件，依托基于云和瘦客户端的在线整定计算技术和基于多线程和云计算的分布式并行计算架构，主要功能模块有图形建模、参数计算、在线整定和系统管理，成功实现了继电保护定值在线整定。文献［10］提出了基于方式变化影响域和故障量排序的继电保护定值快速在线预警方法。以保护所在位置的短路电流、分支系数等继电保护定值计算相关故障量的变化率为判据，确定线路和变压器等电网元件开断后，定值将受到显著影响的保护集合。上述文献仅单方面考虑保护定值的在线整定和在线预警的功能，以在线整定为例，除了应当具备在线方式下开展全局定值整定计算的基础功能，还应该考虑在线定值灵敏度和选择性不满足的条件，再开展在线整定计算，这样才更接近实际在线方式的需要；而在线预警系统如果能够将不满足的定值提交给在线整定系统，形成闭环校核、整定流程，则更具有实际应用价值。

考虑已有文献研究的不足，充分研究并利用现代计算机分布式并行计算技术，将保护定值在线整定和自动校核技术融合，开发了继电保护定值智能整定及校核系统（以下简称智能整定预警系统）。将保护定值在线整定与在线校核进行闭环设计，在线导入电网模型以及实时运行方式，自动获取保护装置定值并进行在线校核验证，计算保护的灵敏度及上下级保护的配合关系等，对现场运行的不满足保护规程要求的定值自动发出告警提示。同时可自动闭环调用整定计算模块，在线计算保护定值，最终自动生成定值单。

1 系统设计

1.1 硬件设计

智能整定预警系统通过设计与调度系统接口，周期性获取电网模型、参数；与保护信息系统接口，自动完成保护模型导入，最终实现保护定值在线整定的功能。同时，该系统在线获取电网方式数据，基于全网一二次模型数据，达到定值在线校核并预警的目的，其硬件结构如图1所示。

出于各业务系统安全隔离的考虑，智能整定预警系统与智能调度系统、保护信息系统直接设置安全防火墙进行隔离，仅开通专用端口用于文件传输。智能整定预警系统内部设置1 台专用数据接口服务器，若干台用于分析计算的并行计算服务器，图1 中服务器数量仅作示意，不代表实际服务器数量。其中数据接口服务器主要用于电网模型、参数及实时数据获取与存储，保护定值数据获取与存储以及与智能调度系统之间的告警交互。并行计算服务器完成相关继电保护定值在线校核及在线整定任务，每台服务器均配置高性能CPU 和计算内容，基于分布式并行计算算法进行任务的智能调度计算。

图1 系统硬件结构

1.2 软件设计

1.2.1 系统流程设计

智能整定预警系统的数据输入包括电网一次模型和参数，电网运行数据以及保护信息系统传输的运行定值单数据。系统的数据输出包括智能整定计算模块输出的定值单数据、校核结果数据及异常告警信息。具体来说，智能整定预警系统从智能调度系统获取电网的一次模型及参数，同时周期自动获取电网运行的断面信息，开发标准化模型参数及方式数据导入接口程序。解析电网一次模型和方式数据，开发拓扑分析程序，自动分析形成电网电气拓扑网络，作为后续短路电流计算的基础。智能整定预警系统的二次定值数据来源于保护信息系统，通过开发与保护信息系统的数据接口，按照规范解析电网实际定值数据，根据一二次名称匹配程序，自动将保护定值单与电力系统一次设备进行关联，形成全网一二次统一模型。

基于全网一二次模型结构，开展在线定值校核工作，有灵敏度或选择性不合格则自动发送预警信息给智能调度系统，同时可触发在线整定计算流程，在线整定计算流程也可由人工有条件触发，其详细的功能设计流程见图2。

图2 系统功能流程

1.2.2 层次数据库

智能整定预警系统开发了专用实时层次数据库，基于实时数据库运行模式能够极大提升系统运行效率，特别是结合分布式并行计算算法，常规省级主站系统全网保护定值校核一次完成时间可实现在1 min 以内。该数据库以层次结构存储电网一二次模型，包括通用保护模型，主要考虑电网级别的线路、母线、变压器等元件设备保护以及与该二次模型关联的电力系统一次设备模型，构建成完整一二次统一模型，最终用于保护定值在线整定和在线校核，该设计考虑了系统的通用性和可扩展性，其层次数据库结构如图3所示。

图3 层次数据库结构

1.2.3 名称匹配

智能整定预警系统的一二次数据来源于不同的业务系统，其一次模型主要来源于智能调度系统，二次模型来源于保护信息系统。不同业务系统之间的元件命名存在一定的差异性和规律性，研究基于专家系统的名称自动匹配程序，实现二次模型与一次模型的自动对接，完成系统全模型的组建。具体而言，名称匹配程序不仅考虑名称上的规律性，如“××变”与“××站”，“一母”与“I母”，实现基于专家知识库的模糊匹配。同时对于完全无规律性的设备命名，还利用基于电网电气拓扑的智能识别技术，如“××线”在不同系统中名称无相似性，可结合其首末端厂站拓扑信息实现元件识别，达到名称匹配的目的。最后，对于实在无法通过自动程序实现名称匹配的元件，开发了可操作的人工匹配工具，实现元件名称的人工匹配。

1.2.4 动态短路电流计算

短路电流计算是电力系统分析的重要内容之一，为电力系统的规划设计和运行中选择和校验电器设备、整定继电保护装置定值、选用限制短路电流的元件、分析事故等工作提供了有效手段［11−14］。当前电力系统工程应用中的短路电流计算方法主要为静态等值阻抗方法，无法考虑短路发生后系统元件模型、参数的暂态过程。本系统考虑并分析潮流情况、负荷模型、线路零序互感、发电机参数、调压器、调速器等各种因素对短路电流计算结果的影响，实现动态短路电流计算方法，支持自动扫描全网各节点处单相和三相短路电流和短路容量，便于后续计算分析。动态短路电流计算的本质是求解一系列微分代数方程，其算法流程如图4所示。

图4 动态短路电流算法流程

1.2.5 并行计算

分布式并行计算技术近年来在电力系统专业得到了广泛的研究和应用［15−17］。在智能整定预警系统的开发设计过程中，以全网短路电流计算为基础的继电保护定值整定及校核的计算量巨大，在一台计算机上无法实现快速计算功能。基于上述因素的考虑，智能整定预警系统利用分布式并行计算技术，该技术能够充分调动多核CPU 以及多机计算能力，从而可以降低系统的硬件投资，该分布式并行计算技术具有如下3个特点。

1）主机调度：系统配置应用级调度主机，该主机在参与计算的同时也负责全局计算任务分配，根据系统内其他机器负载现状自动分配工作任务。

2）智能参与：智能整定预警系统中所有服务器根据主机任务智能参与计算任务，也可以独立配置成指定计算类型服务器，如在线计算或离线分析任务。

3）异常切换：系统内任意机器，甚至是调度任务主机发生应用故障，均可以自动切换任务到其他正常服务器。

2 功能介绍

基于前述的系统软硬件架构，智能整定预警系统主要分为在线整定和在线校核两个功能模块。将这两个功能模块进行闭环设计，在线校核的结果与电网调度决策功能进行交互，对不满足校核条件的结果进行告警，辅助调度员决策以及提醒保护专业人员对整定计算结果进行核实。同时在线校核不合格时可自动触发调用在线整定模型，利用该模块在线计算功能，自动整定实时方式下的定值结果并生成定值单。

2.1 在线校核

保护定值在线校核计算是在电网实时运行方式下主要进行保护选择性和灵敏性的验证［18−19］。以线路距离保护为例，选择性校核的目的是校核保护在当前方式下上、下级保护之间定值和时间是否仍然满足保护配合的要求。因而其校核原则是通过设定故障，将计算定值与实际保护定值进行比较，判断校核定值是否在实际整定值的选择性范围内。灵敏度校核则通过判断计算定值和整定值的计算大小，判断在当前运行方式下区内故障是否灵敏。

智能整定预警系统的定值校核模块具备在线校核和离线校核模块，在线校核模块触发条件有几类：第1 类通过实时获取的电网断面信息，监视电网发生重要方式变化（如重要开关变位、新设备投运等）来决定是否触发在线校核计算；第2 类当监测到实时数据库中保护定值项发生批量更改时进行一次全局校核工作，如果只是单一装置或少数装置定值发生更改，则进行装置级参数校核；第3 类可设置定值在线校核计算的定时启动周期，当前面的触发条件均不具备时进入周期性启动流程。

在线校核模块最终将不合格的校核结果生成预警信息，通过智能告警接口提供给调度管理系统供调度、保护人员进行决策分析，同时可设定自动触发在线整定模块，对不满足的定值项开展自动整定计算。

2.2 在线整定

在线整定模块通过从实时数据库中获取电网当前模型、参数以及断面信息进行保护定值的在线整定计算。在线整定计算需要一定的触发条件，通过关联保护定值校核结果来判断是否触发在线整定计算；同时为确保整定计算的可靠性，在线整定模块还需要设置定时启动在线整定工作；另外，通过与调度系统的接口，定值在线整定还具备人工干预的功能，当在线校核将预警信息发送给调度系统时，调度员或保护专业人员能够根据告警信息人工干预进行整定计算。

智能整定预警系统进行在线整定计算时，能够根据用户指定的方式、设备和整定原则，结合预先设置的专家库自动分解、筛选和归并需要计算的整定参数，避免过度计算整定预备量，提高计算效率。整定计算的临时结果自动存储到智能整定系统实时数据库供后续模块调用。

3 结语

所提出的继电保护定值智能整定及预警系统将保护定值的在线整定和在线校核技术进行融合，通过获取电网模型、参数及实时断面信息等进行保护定值的闭环整定、校核工作，具备自动化、智能化特点，极大减轻继电保护专业人员的工作强度，提升工作效率。结合先进的分布式并行计算方法，显著提升了系统计算性能，增强了对复杂多级电网的适应性，全网计算速度满足在线使用要求。最后将校核预警结果通过智能应用接口传输给调度系统，全面提升电网调度运行管理效率，降低定值误整定风险，避免继电保护装置误动或拒动，提高继电保护运行可靠性和系统运行安全性，对电网的安全稳定运行具有重要的现实意义。