关键词：继电保护; 在线整定; 在线预警; 一体化系统
0 引言
继电保护是保障电力设备安全和防止电力系统长时间、大面积停电的最基本、最有效的技术手段，起着保证电力系统稳定运行的作用[1]。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，明确整定计算安全风险、杜绝整定计算安全隐患、提高继电保护整定计算工作精度和效率，是保障电网安全运行的重要条件。
目前继电保护定值整定多采用离线模式，整定软件系统中的电网模型与调度系统实际运行方式无法完全同步，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，就可能存在保护误动或者拒动的事故隐患[2-3]。为此，众多学者开始研究保护定值在线校核和在线整定[4-8]。文献[4]针对继电保护定值在线整定技术开展研究，依托故障信息系统或定值整定通信单元建设定值远方自动整定系统，读取传输进来的定值单内容，完成定值单内容的解析和比对，但在进行整定计算时采用的是自建电网模型，与实际电网存在模型脱离，这势必会影响整定结果。文献[5]开发一套在线继电保护智能预警系统，基于电网的实时运行方式，在线校核保护的配置与定值。
本文提出并开发了基于分布式云计算的一体化保护定值在线整定及预警系统（后称一体化系统）。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CIM调度模型以及实时运行方式，在线解析基于IEC61850模型的保护装置定值并进行整定计算，并自动生成定值单。同时，通过跟踪电网当前运行方式，对整定计算的结果进行在线校核验证，计算保护的灵敏度及躲负荷能力、上下级保护的配合关系等，对不满足保护配置要求的结果自动发出预警提示给调度系统。
1 系统设计
1.1 硬件结构
一体化保护定值在线校核及预警系统通过设计与调度EMS接口，能够定期获取电网模型和参数，同时可完成基于IEC61850标准的保护装置模型导入，达到保护定值在线整定的功能。此外，一体化系统能够实时跟踪电网当前运行方式，从建立的电网一、二次实时数据库获取设备及装置模型，达到定值在线校核的目的，其硬件结构如下图。
1.2 实时数据库
一体化系统设计了基于实时数据库的通用继电保护系统及装置模型，以及将该模型与系统一次设备模型进行匹配的方法，并进一步用于保护定值在线整定和校核，该模型与方法具有很好的通用性和可扩展性，数据库结构如图2所示。
图2 实时数据库结构图
1.3 分布式并行计算
基于多线程的并行计算以及基于云的分布式计算技术近年来得到了广泛的研究和应用[9-11]。针对一体化保护定值在线整定及预警系统的功能要求，短路电流和继电保护定值整定及预警的计算量会非常庞大，因此在一台计算机上无法实现所有的计算功能；同时为了保证整个系统功能的可用性不受单个计算节点故障的影响，系统的重要设备需要采用冗余配置。基于上述因素的考虑，一体化系统专门开发分布式并行计算技术，该技术能够充分利用多核CPU的计算能力，从而可以降低系统的硬件投资。一体化系统的分布式并行计算结构如图3所示。
图3 分布式并行计算架构
（1）一台主服务：系统中的唯一的“主服务器”负责任务分配、计算节点状态监视、计算结果处理等工作。“主服务器”出现异常后，其管理和计算功能自动由新产生的“主服务器”实现。
（2）节点全参与：一体化系统中的所有计算机都可以执行计算任务，例如数据库服务器和维护工作站，除了完成数据存储和维护工作，还可以参与计算，可通过设置每台计算机是否参与计算。
（3）异常切换：任意一台计算机出现异常，其功能和任务自动由其它计算机代替实现。
（4）负载均衡：“主服务器”根据用户设定的计算任务优先等级来分配有限的计算资源。
最终的计算结果，包括短路电流、灵敏度校核结果等信息可以在一体化系统中的所有计算机上看到。
目前该技术已经在Intel Xeon、IBM P5等多种处理器上进行了测试，系统计算速度得到了非常明显的提升。例如，在安装了四颗Tigertown处理器的Intel最新Caneland系统（该硬件系统拥有16个处理核心）上，某省调电网全网母线等值阻抗扫描耗时仅需6.2秒。
1.4 动态短路电流计算
传统整定或校核系统在进行故障计算时采用的是静态网络阻抗等值方法，没有考虑电力系统的详细暂态模型，没有计及短路故障过程中以及短路故障消失后，电力系统中各类调节控制器的作用，没有获得更加符合工程实际情况的短路电流动态变化过程。
本系统设计考虑负荷功率和负荷模型（感应电动机、恒定阻抗、恒定电流、恒定功率、负荷的频率效应）对于短路电流的影响。使用暂态方法进行短路计算，与实际情况较为吻合。动态短路电流计算流程见图4。
图4 动态短路电流计算流程
2 系统功能
基于前述的系统软硬件结构，一体化保护定值在线整定及预警系统主要分为在线整定和在线校核预警两个功能模块。将这两个功能模块进行闭环设计，在线整定的结果供在线校核模块调用，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，辅助调度员进行整定结果核实和修正。其详细的功能设计流程见图5。
图5 系统功能流程图
2.1 数据接口
一体化保护定值在线校核及预警系统需要从EMS获取电网的一、二次模型及参数，同时还需要实时获取电网运行的断面信息，因此需要针对这类数据进行专门的接口程序开发。系统基于IEC61970标准，开发了可导入标准的CIME电网模型接口程序，可以将电网参数、方式同时导入本系统应用。之后将导入的电网模型、参数进行拓扑分析，形成节点支路模型提供给其他计算程序。最终实现导入模型与厂站单线图一体化建模。
数据导出方面，一体化系统将校核通过的定值进行导出，自动生成定值单。根据符合61850标准的ICD文件及预先定义的公式生成定值单，免除不同型号、不同版本装置级定值单模板的大量维护工作，实现定值项与保护装置的同源匹配，提高保护装置定值单的准确性。
此外，一体化系统还进行了与EMS的应用级接口开发，包括开发了校核预警发送接口以及在线整定模块的决策干预接口。
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，通过实时获取的电网断面信息和对应的在线校核的结果，监视电网发生重要方式变化（如重要开关变为、新设备投运等）和定值校核结果来决定是否触发在线整定计算；同时为确保整定计算时效性，当重要方式的变化条件长时间不具备时，还需要设置定时启动在线整定工作；另外，通过与EMS系统的接口，定值在线整定还具备人工干预的功能，当校核预警发送给EMS时，调度员或继保工作人员能够根据告警信息人工干预进行整定计算。
一体化系统进行在线整定计算时，根据用户指定的方式、设备、整定原则，结合预先设置的专家规则自动分解、筛选和归并需要计算的整定参数，剔除冗余预备量计算。整定计算的临时结果自动存储到一体化系统实时数据库供在线校核模块调用。
2.3 在线校核
与在线整定功能相适应，在线校核模块的触发条件判据更为简单。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；同时，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。
在线校核计算是在单一运行方式下进行保护“四性”的验证。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、下级之间是否仍然满足保护配合的要求。因而其校核原则是将校核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，判断在当前运方下区内故障是否灵敏。
在线校核模块最终将不合格的校核结果生成预警信息，通过应用级接口发送给EMS供调度、保护人员进行决策分析，而将校核准确的整定计算结果存入实时数据库，可用于自动定值单生成的流程。
3 结语
本文所提出的一体化保护定值在线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进行保护定值的一体化整定、校核工作，极大减轻继电保护整定计算人员的工作强度。结合所提出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。同时将校核预警结果通过应用级接口传递给EMS，从整体上提升电网调度运行管理水平，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。
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冷贵峰(1981—)，男，工程师，硕士，主要研究方向：继电保护整定及运行管理。E-mail：lenggf@gzxy.csg.cn
论文作者:冷贵峰1,张正利2,王荣1,毕兆东2,连欣乐1,俞
论文发表刊物:《电力设备》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/7
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