避免線路保護(hù)定值頻繁修改的方法及其實現(xiàn)

任建文，谷雨峰，張 猛，王麗娜

（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003）

0 引言

作為重要的二次系統(tǒng)，繼電保護(hù)能夠快速有選擇性地切除故障設(shè)備，它對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行起著極為重要的作用。國內(nèi)外的很多大范圍停電事故，都與繼電保護(hù)裝置的不正確動作有著直接或者間接的關(guān)系[1-4]，而整定計算直接決定保護(hù)裝置能否正確動作。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，整定計算的工作量也越來越大，傳統(tǒng)的人工整定已無法滿足飛速發(fā)展的電力系統(tǒng)。近年來，研究人員對整定計算軟件進(jìn)行了深入研究，軟件的功能[5-8]、通用性[9-11]等方面得到了很大的提升。 繼電保護(hù)整定計算軟件的出現(xiàn)與發(fā)展提高了工作效率和保護(hù)定值的準(zhǔn)確性。

我國普遍采用離線整定方式，由于負(fù)荷增長、設(shè)備檢修等原因引起電網(wǎng)結(jié)構(gòu)改變時，要及時退出舊的保護(hù)定值，投入一套新的保護(hù)定值。但從定值通知單的下發(fā)到保護(hù)定值更改完畢需要一定的時間[12]，保護(hù)定值無法同時修改完畢，這可能造成失配保護(hù)的出現(xiàn)。如果在這一時段發(fā)生故障，保護(hù)裝置可能出現(xiàn)不正確動作的現(xiàn)象，甚至造成嚴(yán)重后果。保護(hù)定值的頻繁修改會增加出現(xiàn)失配保護(hù)的可能性，因此從保護(hù)定值的穩(wěn)定性角度出發(fā)，新定值投運前要進(jìn)行定值調(diào)整，即通過判斷舊定值在新的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下的適用性，減少修改定值的保護(hù)數(shù)目。現(xiàn)有的整定計算軟件的定值調(diào)整功能尚不完善，定值調(diào)整原則僅從保護(hù)的靈敏性、動作時間和新舊定值的變換率方面進(jìn)行了考慮，修改定值的保護(hù)數(shù)目依舊很大。

本文提出了一種減少線路保護(hù)定值修改次數(shù)的方法，在滿足選擇性和靈敏性的前提下，通過定值偏差率校驗、快速判斷階段和精確判斷階段完成對保護(hù)定值的調(diào)整。算法易于計算機(jī)實現(xiàn)，可最大限度地減少修改定值的保護(hù)數(shù)目。文中將提出的定值調(diào)整算法應(yīng)用到整定計算軟件中，創(chuàng)建了定值調(diào)整模塊并詳細(xì)敘述了模塊的開發(fā)思想和過程。

1 定值調(diào)整算法

定值調(diào)整算法的核心是檢驗舊定值在現(xiàn)有的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下是否適用，即定值是否滿足選擇性和靈敏性。定值調(diào)整算法適用于整定時需要進(jìn)行配合計算的保護(hù)，如零序電流保護(hù)、距離保護(hù)等。定值調(diào)整時要按照逐段調(diào)整的思想，針對不同的保護(hù)段，調(diào)整方法有所不同。

1.1 保護(hù)Ⅰ段的調(diào)整方法

保護(hù)Ⅰ段的整定不需要與其他保護(hù)進(jìn)行配合，而且不需要考慮靈敏性問題，因此可通過偏差率校驗和新、舊定值的比較完成對定值的調(diào)整。

a.新、舊定值偏差率校驗?？紤]到離線整定時保護(hù)定值的靈敏性和選擇性裕度、互感器的測量誤差和短路電流的計算誤差等原因，當(dāng)新、舊定值的偏差不大時，新、舊定值的保護(hù)性能幾乎相同，這時不需改變保護(hù)定值。新、舊定值的偏差率δ定義如下：

若δ≤5%，保護(hù)定值不必修改；否則，繼續(xù)調(diào)整。偏差率的極值也可根據(jù)電網(wǎng)實際情況做適當(dāng)調(diào)整。

電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變可看作是影響線路保護(hù)定值的擾動源，它一般只會對與改變處相鄰的三級線路內(nèi)的保護(hù)定值產(chǎn)生較大影響。本文所提出的5%偏差率校驗可完成對系統(tǒng)內(nèi)大部分定值的調(diào)整，提升調(diào)整效率。以某實際省級電網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，假設(shè)由于用電量需求增加，擬建設(shè)1個220 kV變電站、3條220 kV輸電線路。以距離保護(hù)為例，除了與改變處鄰近的18個整定項外，5%偏差率校驗可完成其余整定項的定值調(diào)整。

b.通過新、舊定值的比較確定Ⅰ段定值。如果舊定值比新定值更嚴(yán)格（對于距離保護(hù)等欠量保護(hù)，舊定值小于新定值；對于零序電流保護(hù)等增量保護(hù)，新定值大于舊定值），說明舊定值的保護(hù)范圍不超出新定值的保護(hù)范圍，即舊定值的保護(hù)范圍不超出線路末端且留有足夠的裕度，舊定值一定滿足選擇性，因此保護(hù)定值不必修改；否則，修改為新定值。如果保護(hù)仍采用舊定值，這時要在最小運行方式下校驗其保護(hù)范圍，當(dāng)保護(hù)范圍過小時，保護(hù)定值也要修改為新定值。

1.2 保護(hù)Ⅱ段及更高段的調(diào)整方法

保護(hù)Ⅱ段及更高段定值的確定需要考慮上、下級保護(hù)的配合，調(diào)整過程較為復(fù)雜。本文將調(diào)整過程分為新、舊定值偏差率校驗，快速判斷階段和精確判斷階段。

a.新、舊定值偏差率校驗。這一步驟和保護(hù)Ⅰ段調(diào)整方法的步驟a相同。

b.快速判斷階段。對不必修改的保護(hù)定值進(jìn)行快速判斷，完成對部分保護(hù)定值的調(diào)整，可大幅減少精確判斷階段的計算量，提高定值調(diào)整過程效率。

在最小運行方式下計算舊定值的靈敏度并判斷是否滿足要求，如果靈敏度過低，保護(hù)更改為新定值。如果靈敏度滿足要求，當(dāng)舊定值比新定值更嚴(yán)格時，舊定值在現(xiàn)有的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下滿足選擇性和靈敏性，因此保護(hù)定值不必修改。舊定值滿足選擇性的原因是：由于新定值與待調(diào)整保護(hù)的相鄰下級保護(hù)配合時滿足選擇性，而舊定值的保護(hù)范圍比新定值更小，因此舊定值同樣滿足選擇性。然而當(dāng)新定值比舊定值嚴(yán)格時，并不能說明舊定值一定不滿足選擇性，這時要繼續(xù)調(diào)整過程。

c.精確判斷階段。對舊定值的選擇性進(jìn)行精確判斷，如果舊定值滿足選擇性，保護(hù)定值不必修改；否則，保護(hù)定值修改為新定值。

本文采用基于保護(hù)范圍的選擇性校驗[13]，當(dāng)待調(diào)整保護(hù)所在線路末端連接著線路時，校驗步驟為：

步驟1搜索相鄰下級保護(hù)的動作時間小于且最接近待調(diào)整保護(hù)動作時間的保護(hù)M（M=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ）段；

步驟2在最大運行方式下計算待調(diào)整保護(hù)的舊定值和相鄰下級保護(hù)M段定值的保護(hù)范圍；

步驟3當(dāng)相鄰下級保護(hù)與待調(diào)整保護(hù)的保護(hù)范圍差大于要求的最小值（這個最小值一般大于20%，以防由于運行方式的變化造成保護(hù)的越級誤動）時，待調(diào)整保護(hù)的舊定值滿足選擇性。

當(dāng)待調(diào)整保護(hù)所在線路末端連接著變壓器時，校驗方法有所不同。當(dāng)距離保護(hù)Ⅱ段、零序電流保護(hù)Ⅱ段及Ⅲ段舊定值的保護(hù)范圍不超出變壓器其他側(cè)母線，距離保護(hù)Ⅲ段舊定值的保護(hù)范圍不超出變壓器過電流保護(hù)的保護(hù)范圍，相間電流保護(hù)Ⅱ段舊定值的保護(hù)范圍不超出變壓器電流速斷保護(hù)的保護(hù)范圍，且均有一定保護(hù)范圍裕度時，舊定值滿足選擇性。

文獻(xiàn)[14-15]給出了快速計算零序電流保護(hù)和相間電流保護(hù)各段保護(hù)范圍的方法，即求取距離保護(hù)的保護(hù)范圍時，根據(jù)保護(hù)接線的不同，假定保護(hù)安裝處的測量阻抗等于保護(hù)定值，從而得到關(guān)于保護(hù)范圍的一元一次方程，解出保護(hù)范圍。

保護(hù)Ⅱ段及更高段定值調(diào)整的流程圖如圖1所示，圖中AP為待調(diào)整保護(hù)的總數(shù)。

圖1 保護(hù)Ⅱ段及Ⅲ段定值調(diào)整的流程圖Fig.1 Flowchart of setting adjustment for protection zoneⅡandⅢ

1.3 對保護(hù)Ⅲ段遠(yuǎn)后備靈敏度的討論

整定計算時保護(hù)Ⅲ段定值僅校驗近后備靈敏度。根據(jù)現(xiàn)場實際需求的不同，有時希望保護(hù)Ⅲ段的定值同樣滿足遠(yuǎn)后備靈敏度要求。針對這種情況，在定值調(diào)整過程中對Ⅲ段定值的近后備靈敏度和遠(yuǎn)后備靈敏度均進(jìn)行校驗，當(dāng)舊定值和新定值都不滿足靈敏性要求時，應(yīng)用基于靈敏度的調(diào)整算法進(jìn)行重新整定，使得定值調(diào)整后輸出的整定值滿足基本要求，即滿足靈敏性和選擇性。該調(diào)整算法也可被整定計算應(yīng)用，以提升整定效率。

首先引入自身靈敏度約束和上級保護(hù)靈敏度約束的概念。

自身靈敏度約束是指為了使待整定保護(hù)滿足近后備靈敏度和遠(yuǎn)后備靈敏度要求，待整定保護(hù)的定值應(yīng)滿足的條件。對于保護(hù)Ⅲ段，距離保護(hù)和零序電流保護(hù)的自身靈敏度約束分別如式（2）和式（3）所示。

其中，Zdz和Idz分別為距離保護(hù)和零序電流保護(hù)的定值；ZL為保護(hù)所在線路的正序阻抗；Ksen為近后備靈敏度要求的最小值；K′sen為遠(yuǎn)后備靈敏度要求的最小值；ZR為距離保護(hù)中校驗遠(yuǎn)后備靈敏度所用的阻抗；I0min為保護(hù)所在線路末端發(fā)生單相或兩相接地短路時流過保護(hù)的最小零序電流；I′0min為保護(hù)所在線路的相鄰下級線路末端發(fā)生單相或兩相接地短路時流過保護(hù)的最小零序電流。

上級保護(hù)靈敏度約束指為了使待整定保護(hù)的相鄰上級保護(hù)與待整定保護(hù)的配合結(jié)果滿足自身靈敏度約束，待整定保護(hù)的定值要滿足的條件。這一約束條件只考慮相鄰上級保護(hù)的Ⅲ段定值對待整定保護(hù)定值的要求。如果待整定保護(hù)存在多個相鄰上級保護(hù)，依次計算對應(yīng)于每個相鄰上級保護(hù)的上級保護(hù)靈敏度約束條件，然后根據(jù)保護(hù)類型，取最嚴(yán)格的約束條件作為待整定保護(hù)的上級保護(hù)靈敏度約束。如果待整定保護(hù)的相鄰上級元件沒有線路，該保護(hù)不受上級保護(hù)靈敏度的約束。距離保護(hù)和零序電流保護(hù)的上級保護(hù)靈敏度約束分別如式（4）和式（5）所示：

其中，Z′sen和 I′sen分別為距離保護(hù)和零序電流保護(hù)相鄰上級保護(hù)的自身靈敏度約束的極值；Z′L為相鄰上級保護(hù)所在線路的正序阻抗；Krel為可靠系數(shù)；KZ為正序助增系數(shù)；K0br為零序分支系數(shù)。

上級保護(hù)靈敏度的設(shè)置可提高整定時的全局性，加快重新整定的速度。如果待整定保護(hù)的定值滿足自身靈敏度約束和上級靈敏度約束（以下簡稱靈敏度約束），那么該保護(hù)定值滿足靈敏性。

引入主配合保護(hù)的概念，當(dāng)待整定保護(hù)與它的某個配合保護(hù)的配合結(jié)果決定待整定保護(hù)定值時，這個配合保護(hù)就稱為待整定保護(hù)的主配合保護(hù)。對于距離保護(hù)，主配合保護(hù)是配合結(jié)果最小的配合保護(hù)；對于相間電流保護(hù)和零序電流保護(hù)，主配合保護(hù)是配合結(jié)果最大的配合保護(hù)。

基于靈敏度的調(diào)整算法的流程如下。

a.取待整定保護(hù)的配合保護(hù)，計算與配合保護(hù)Ⅱ段的配合結(jié)果并判斷該配合結(jié)果是否滿足靈敏度約束。如果滿足，轉(zhuǎn)步驟c；否則計算與配合保護(hù)Ⅲ段的配合結(jié)果并判斷該配合結(jié)果是否滿足靈敏度約束，如果滿足，轉(zhuǎn)步驟c，否則轉(zhuǎn)步驟b。

b.讓該配合保護(hù)的Ⅲ段與其每個配合保護(hù)的Ⅱ段配合，得到配合保護(hù)的新定值及其主配合保護(hù)，并得到待整定保護(hù)的配合結(jié)果。判斷待整定的配合結(jié)果是否滿足靈敏度約束，若滿足，轉(zhuǎn)步驟c；否則，調(diào)整配合保護(hù)與其主配合保護(hù)的更高段配合。重復(fù)該過程直到待整定保護(hù)的配合結(jié)果滿足靈敏度約束。

c.遍歷待整定保護(hù)所有的配合保護(hù)，當(dāng)待整定保護(hù)與每個配合保護(hù)的配合結(jié)果都滿足靈敏度約束時，根據(jù)保護(hù)類型的不同取最大或最小的配合結(jié)果作為待整定保護(hù)的最終定值。

1.4 關(guān)于算法的幾點說明

a.當(dāng)電網(wǎng)中存在復(fù)雜環(huán)網(wǎng)時，要首先獲取整定計算時對斷點的設(shè)置，斷點保護(hù)處只需滿足選擇性或靈敏性[16]；

b.電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變一般只對鄰近線路的定值產(chǎn)生較大影響，可應(yīng)用故障集的思想，只對故障集內(nèi)的保護(hù)進(jìn)行定值調(diào)整，從而提高工作效率；

c.重新整定可能得不到滿足遠(yuǎn)后備靈敏度要求的保護(hù)Ⅲ段，這時將保護(hù)信息傳送給整定工作人員，進(jìn)行人工干預(yù)。

2 定值調(diào)整功能的實現(xiàn)

將本文所提出的定值調(diào)整算法應(yīng)用到整定計算軟件中，創(chuàng)建了定值調(diào)整模塊，本節(jié)詳細(xì)介紹了軟件的總體結(jié)構(gòu)和定值調(diào)整模塊的開發(fā)過程。

2.1 軟件的總體結(jié)構(gòu)

軟件采用3層體系結(jié)構(gòu)，即表示層-業(yè)務(wù)層-數(shù)據(jù)層。表示層負(fù)責(zé)與用戶直接交互，是系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，用于數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)錄入等；業(yè)務(wù)層是軟件的核心，用于實現(xiàn)整定計算軟件的各項功能；數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互。

軟件采用模塊化設(shè)計，其開發(fā)周期短，易于調(diào)試和維護(hù)。軟件主要包括以下模塊：整定計算模塊、潮流計算模塊、故障計算模塊、在線校驗?zāi)K、圖形顯示模塊以及定值調(diào)整模塊。軟件的總體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 軟件的總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall architecture of software

整定計算模塊：完成電網(wǎng)中零序電流保護(hù)、距離保護(hù)等階段式保護(hù)的整定計算，以及對環(huán)網(wǎng)、T接線等復(fù)雜接線的整定，采用自動整定和人工干預(yù)結(jié)合的模式，并輸出保護(hù)定值通知單。

潮流計算模塊：為整定計算模塊和故障計算模塊提供電網(wǎng)潮流數(shù)據(jù)，模塊內(nèi)加入了多種潮流計算的算法，以滿足不同業(yè)務(wù)功能的需求。

故障計算模塊：針對各種類型的故障進(jìn)行計算，包括接地故障、相間故障、跨線故障和多重復(fù)雜故障等；可單獨運行作為系統(tǒng)分析的輔助工具，也可以作為整定計算、在線校驗等模塊的組成部分，提供包括最大/最小運行方式下各支路的序電流和相電流、母線的序電壓和相電壓、分支系數(shù)等必要數(shù)據(jù)。

在線校驗?zāi)K：實時跟蹤網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓斯せ蜃詣訂釉诰€校驗系統(tǒng)；在線獲取電網(wǎng)運行狀態(tài)信息，應(yīng)用故障集的思想減小校驗范圍，優(yōu)化故障計算列表，減少不必要的及重復(fù)的故障計算，提高在線校驗速度。

圖形顯示模塊：用于顯示、編輯電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，查看電網(wǎng)中元件的參數(shù)、運行狀態(tài)等；可自動生成描述電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，并提供與其他模塊的交互接口。

定值調(diào)整模塊：作為整定計算的后續(xù)流程，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)改變后，應(yīng)用定值調(diào)整算法，在保證定值滿足選擇性和靈敏性的前提下完成對保護(hù)定值的調(diào)整。

2.2 定值調(diào)整模塊的開發(fā)

定值調(diào)整模塊的主要任務(wù)是在整定計算得到一套新定值后，應(yīng)用定值調(diào)整算法完成對保護(hù)定值的調(diào)整，減少更改定值的保護(hù)數(shù)目，增強(qiáng)保護(hù)定值的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行水平。

模塊建立輸入接口和輸出接口這2個對外接口。輸入接口用于讀取電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、故障計算的結(jié)果、保護(hù)的新/舊定值等數(shù)據(jù)；輸出接口用于返回定值調(diào)整結(jié)果，調(diào)整結(jié)果以結(jié)構(gòu)體的形式輸出，結(jié)構(gòu)體包含整定項序號、待投入定值、定值改變與否、近后備靈敏度、遠(yuǎn)后備靈敏度、保護(hù)范圍及保護(hù)范圍所在線路等數(shù)據(jù)。

模塊采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?，主要?chuàng)建了保護(hù)類、管理類和定值調(diào)整類，下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

a.保護(hù)類。

模塊中只創(chuàng)建與定值調(diào)整相關(guān)的保護(hù)類。首先創(chuàng)建保護(hù)基類，根據(jù)保護(hù)對象的不同創(chuàng)建線路保護(hù)類和變壓器保護(hù)類，它們是保護(hù)基類的派生類。然后再根據(jù)保護(hù)類型和時序完成對所有保護(hù)類的創(chuàng)建，保護(hù)類中含有整定項序號、關(guān)聯(lián)的電網(wǎng)資源序號、關(guān)聯(lián)端口號、新定值、舊定值、靈敏度要求值等屬性及方法。保護(hù)類的創(chuàng)建結(jié)果如圖3所示。

b.管理類。

管理類用于讀取和存儲模塊接收到的保護(hù)信息、電網(wǎng)的線路和設(shè)備參數(shù)、故障計算結(jié)果、斷點設(shè)置等，它以鏈表的方式進(jìn)行存儲。

c.定值調(diào)整類。

圖3 保護(hù)類的創(chuàng)建結(jié)果Fig.3 Results of protection class creation

定值調(diào)整類是模塊的核心部分，該類繼承于輸入和輸出接口，完成讀取數(shù)據(jù)、計算整定值的靈敏度和保護(hù)范圍、執(zhí)行定值調(diào)整過程、輸出調(diào)整結(jié)果等功能。

定值調(diào)整模塊可作為子程序被整定計算模塊調(diào)用，模塊集成了快速求取各種類型保護(hù)（包括零序電流保護(hù)、相間電流保護(hù)、不同接線形式的距離保護(hù)、低電壓保護(hù)等）的保護(hù)范圍和橫差保護(hù)死區(qū)的方法，這一功能可為在線校驗?zāi)K和保護(hù)定值的性能分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

針對線路保護(hù)定值頻繁修改給電力系統(tǒng)所帶來的問題，本文提出了一種減少線路保護(hù)定值修改次數(shù)的方法，在滿足選擇性和靈敏性的前提下，通過定值偏差率校驗、快速判斷階段和精確判斷階段完成對保護(hù)定值的調(diào)整，可最大限度地減少修改定值的保護(hù)數(shù)目，提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行水平。文中將算法應(yīng)用到整定計算軟件中，創(chuàng)建了定值調(diào)整模塊并詳細(xì)介紹了模塊的功能和開發(fā)過程，整定計算軟件的功能及實用性得以提升。