距離保護整定計算研究綜述

沈陽工程學院 魏琳洹 尹常永

輸電線路距離保護對于整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行以及被保護的電氣設備都是重要的，同時選擇合適的整定計算系統(tǒng)，對電力系統(tǒng)繼電保護裝置的可靠運行具有十分重要的作用。本論文主要是針對輸電線路距離保護的形式、發(fā)展現(xiàn)狀進行分析，并對其整定計算的系統(tǒng)和核心內容進行總結，并提出了展望。

隨著國民經濟的飛速發(fā)展，電網越來越龐大，其復雜的架構也是我們研究的難題。高壓的輸電線路可能出現(xiàn)的故障情況也就越來越多。在這種情況下，在線路距離保護技術方面，要解決以下幾個問題：

第一，要準確地辨別出問題的線路，并且快速地將它們移除，最大化的縮小停電范圍；第二，要能非常好的調整線路狀態(tài)以應對環(huán)境的改變，并且保持其穩(wěn)定的特性；第三，巡檢人員可以方便地檢查，維修。

輸電線路距離保護整定計算必須滿足“四性”的要求。即“可靠性”、“選擇性”、“快速性”和“靈敏性”。對高壓電網輸電線路進行整定計算，為了滿足上述要求，裝設的距離保護裝置要合理選擇和配合，這些工作都是不容易的。

1 距離保護研究現(xiàn)狀

距離保護是利用短路時電壓、電流在同一時間發(fā)生變化的特征，測量計算出U與I的比值，反應發(fā)生故障的位置到保護架設處的距離，并根據該數值的大小而確定動作時間的一種保護裝置。

距離保護原理根據數據處理方式的不同可分為頻域距離保護和時域距離保護。

1.1 頻域距離保護

侯俊杰、樊艷芳、王一波等人介紹了頻域距離保護利用工頻量計算測量阻抗。但風電、光伏發(fā)電等新能源接入系統(tǒng)時其不同于傳統(tǒng)電網輸電線路的故障特性，使得頻域距離保護可靠性受到影響，保護可能無法正確動作。

雙饋型電源存在頻率偏移的故障特性，一般采用傅里葉算法提取電壓、電流相量，導致線路故障電壓、電流頻率不一致，使傅里葉算法無法準確提取工頻量，繼而求得的測量阻抗存在較大誤差，頻域距離保護在雙饋型風電場并網后聯(lián)絡線上不能準確動作。而逆變型電源雖不存在頻率偏移的問題，但其弱饋性的故障特性同樣使得頻域距離保護在直驅型風電場及光伏電站并網后聯(lián)絡線上不能準確動作。

1.2 時域距離保護

裘愉濤、潘武略、倪傳坤等人介紹了時域距離保護，即基于R-L模型算法的距離保護，其基本思路是在輸電線路短路情況下，忽略線路分布電容產生的高頻分量影響，用一個電阻和電感的串聯(lián)電路等效故障點到保護安裝處的線路，根據該模型列寫出KVL方程，求解得到與測量阻抗對應的電阻和電感。

R-L模型算法不需要濾除非周期分量，并且不受電網頻率變化的影響，同時具有很好的頻帶適用范圍。但當線路長度增加時，頻帶適用范圍變窄，當線路長度達到500km時，其適用頻帶小于124Hz，因此需要根據線路長度調整濾波器的性能。R-L模型算法只需在其適用頻帶內，即可準確的計算出測量阻抗，其受新能源發(fā)電故障特性的影響比頻域距離保護小。但是R-L模型算法由于忽略了輸電線路分布電容，應用于長輸電線路時可能存在較大誤差。

2 整定計算研究現(xiàn)狀

2.1 整定計算系統(tǒng)

繼電保護整定計算系統(tǒng)發(fā)展至今，按其發(fā)展歷程大致可分為全人工整定計算、半人工整定計算和計算機整定計算三個階段。

Elias先生指出：“工程木協(xié)會(APA)最初是代表制作汽車門板和踏腳板的標準花旗松膠合板行業(yè)，5家小公司認識到他們可以作為一個整體推銷自己而不是單個公司產品。今天已經增加到172個成員工廠。”

2.1.1 全人工整定計算

70年代之前，設置數值的整定都是以手工計算的方式確定的，整定計算人員首先通過Y/△轉變對所研究的框架做一定的簡化處理，然后通過不正常計算時所獲得的整定時短路電流，最后被保護計算的數值是由相應整定方法并加以計算所得到的。

該方式計算內容多、計算過程需要的時間較長、整體計算效率低下并且給不出最終精確的結果，因此，該方法只能被單層架構且小范圍的配電型網絡所采用。

2.1.2 半人工整定計算

70年代之后，計算機逐漸開始被投入于整定計算的項目中。從那時起，工作者就可以通過計算機來完成不正常工作情況下的計算，減少了工作人員的工作量，整定參數計算的速度和準確程度得到了提升。雖然借助計算機軟件的幫助完成了大部分工作，但剩余部分仍需要人們手工來計算結果，并沒有根治問題，效率依舊低下。

2.1.3 計算機整定計算

R.H.Cauthenge,W.P.Mccanne介紹了80年代初，Internet技術極大地發(fā)展，速度迅猛，各地的電氣行業(yè)人員與技術研究人員接連對計算機計算保護整定的數值工作開創(chuàng)研究，各種整定數值計算系統(tǒng)應運而生，這也說明了自動化大時代的到來，因此，大大提高了整定數值計算工作的速度以及準確性。

R.Albre,M.J.Nisja,W.E.Feero,et al介紹了從90年代初到現(xiàn)如今，電氣行業(yè)的不斷進步，對于應用計算機所涉及的計算軟件需求更多，更加精細。為此工作人員通過不懈的努力與探索，想出了各類新的計算方式以及參數設定形式，并嘗試于在整定計算工作之中用到這些創(chuàng)新。在這一大環(huán)境下，也說明了計算機參與整定數值設定的軟件迎來了新時代。

隨著電網發(fā)展，整定計算系統(tǒng)所要開發(fā)的功能種類越來越多、定制開發(fā)帶來的功能差異也愈加復雜。為了解決這個問題，原有的方法是系統(tǒng)后端同前端一樣通過模塊化，使業(yè)務分離，代碼層次化，但是大量的層次會使得系統(tǒng)縱深過大，冗余且復雜，維護性降低，系統(tǒng)運行效率受影響。

目前應用較為廣泛的系統(tǒng)，采用私有云系統(tǒng)，即系統(tǒng)部署在安全可靠的Linux系統(tǒng)中，使用docker技術進行模塊化管理，Docker技術是一種更加精細、可控、基于微服務的技術?；贒ocker的容器可將部署時間縮短到幾秒，通過為每個進程構建容器，可以快速將這些類似進程應用到新的應用程序中。而且，由于無需啟動操作系統(tǒng)即可添加或移動容器，因此大幅縮短了部署時間。

系統(tǒng)使用neo4j、mysql、mongodb數據庫作為系統(tǒng)數據底層支撐。NoSQL的Neo4j圖數據庫是以圖的結構形式來存儲數據的，它所存儲的是聯(lián)系的數據，是關聯(lián)數據本身，對于構建電網模型具有前所未有的優(yōu)勢。其主要的工作流程為：

（1）客戶端發(fā)送請求：用戶在客戶端瀏覽器頁面提交表單操作，向服務器發(fā)送請求，等待服務器響應；（2）服務器端處理請求：服務器端接收并處理請求，應用服務器端通常使用服務器端技術，對請求進行數據處理，并產生響應；（3）服務器端發(fā)送響應：服務器端把用戶請求的數據（網頁文件、圖片、聲音等等）返回給瀏覽器；（4）瀏覽器解釋執(zhí)行HTML文件，呈現(xiàn)用戶界面。

2.2 整定計算核心內容

繼電保護整定計算以電網參數作為計算基礎，通過電網數據預處理將電網拓撲及設備參數等基礎數據轉換為計算模型數據，并通過廣播機制將數據自動云同步至所有云服務器中，為后續(xù)計算工作提供數據基礎。

當用戶進行一個電網工程整定時，需要先創(chuàng)建一個計算工程，將需要計算的廠站線路加入工程中，選擇要計算的保護類型開始進行整定計算，同時客戶端自動向負載均衡器發(fā)送計算請求，負載均衡器的任務代理服務器自動將整個計算工程作為一個主任務下發(fā)至后端框架中的主服務器進行處理。

主服務器進行任務分析，判斷主任務是否需要拆分，如果計算量較小，不需要考慮過多的方式及算法，則直接調用主服務器中的云組件進行計算并返回結果；如果計算量較大，需要計算大規(guī)模電網或多種配合規(guī)則，主服務器則將主任務根據保護觀測點、配合規(guī)則、預算分析量、計算案例進行逐層拆分。

方子領和楊洋、王慧芳、時洪禹介紹了對于任務拆分方面，首先主服務器根據主任務中的保護觀測點進行任務拆分，將一個工程中的所有觀測點拆分成多個子任務，并將子任務上交至任務代理服務器進行單一隊列算法分發(fā)任務，后臺框架中所有上線的云服務器主動向任務代理服務器索要子任務，然后根據配合規(guī)則進行任務拆分并上交至任務代理服務器；后臺框架中所有上線的云服務器主動向任務代理服務器索要子任務，然后根據預算分析量進行任務拆分并上交至任務代理服務器；后臺框架中所有上線的云服務器主動向任務代理服務器索要子任務，然后根據具體計算案例進行任務拆分，當子任務拆分成具體計算案例時，該子任務拆分已達到最小顆粒度，無法再進一步拆分，每個云服務器則調用故障計算云組件進行并行計算；當最小顆粒度的子任務計算完成后，系統(tǒng)將計算結果按云服務器——任務代理服務器——主服務器的順序進行回執(zhí)操作。主服務器匯總所有子任務的計算結果提交至任務代理服務器，最終匯總結果被轉發(fā)至數據存儲代理服務器，再由所述數據存儲代理服務器廣播至后臺框架中所有上線的云服務器進行云存儲，同時任務代理服務器將匯總結果返回至原客戶端顯示，整定計算過程結束。

總結：本論文主要針對輸電線路距離保護配置和整定計算來討論，選擇合理的保護方式和整定計算系統(tǒng)，對電力系統(tǒng)可靠運行具有十分重要的作用。在做整定計算工作時，需要更深入地研究和探討各種裝置的各項定值如何整定才能使保護的動作行為更符電網的安全運行需要。相信在不久的將來，會有一套更為成熟高效的整定計算平臺可以實現(xiàn)一體化的快速整定計算。