王友怀，杨增力，周虎兵，朱 林，王春艺，范登博

（1.湖北电力调度控制中心，武汉430077；2.强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学），武汉430074）

继电保护是电力系统最重要的二次设备之一，是电力系统安全运行的保障。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。继电保护装置能否满足电网所提出的“四性”要求，很大程度上取决于继电保护整定计算的结果。因此，合理地安排继电保护定值是保障电网安全运行的重要条件。

目前，继电保护定值都是在离线状态下考虑系统的最大运行方式和最小运行方式获得的，并在系统运行中保持不变[1-2]。实际运行中系统运行方式是不断变化的，当电网由于设备检修、新工程投运以及电网事故而处于某些特殊的运行状态时，部分定值可能无法满足选择性和灵敏度的要求，存在保护误动和拒动的可能。目前所采用的定值离线校核，工作效率较低，且难以快速跟踪在线运行方式的变化[3]。随着我国电网的快速发展，电网越来越呈现出网络拓扑结构复杂、系统运行方式灵活多变等特点，运行方式变化而定值不变的整定计算模式所带来的问题也日益突出，亟需找到解决这些问题的新途径。

近年来，能量管理系统EMS（energy management system）和继电保护故障信息系统FIS（fault information system）的广泛应用为解决传统继电保护定值整定及管理存在的问题提供了技术条件。EMS能够有效和准确地采集电网在线运行信息，包括发电机、线路、变压器等元件的投停状态和系统潮流信息，而FIS 可以从远方厂站内的继电保护装置中获取实际运行定值。在这样的技术背景下，可对当前运行方式下的继电保护定值性能进行在线校核，识别存在隐患的运行定值以及可能引起定值性能异常的运行方式，提醒调度运行人员和继电保护专业人员关注，便于继电保护专业人员及时重新整定定值，从而防止因运行方式变化而导致的继电保护不正确动作，对于保障电网的安全可靠运行具有重要的意义[4-7]。

图1 在线校核及预警系统总体结构Fig.1 Architecture of relay setting on-line verification and early-warning system

本文设计了继电保护定值在线校核与预警系统的技术方案，包括总体结构、系统功能和关键技术等。基于该方案设计，开发完成了一套继电保护定值在线校核与预警系统，在实际工程应用中取得了良好的效果。

1 系统功能及总体结构

继电保护定值在线校核及预警系统包括定值校核和定值预警两个主要功能。定值校核是在系统当前运行方式和运行定值的基础上对各类保护定值的性能进行安全校核，包括线路保护、变压器保护、母线保护的后备保护定值、主保护定值及辅助定值等，定值校核内容包括灵敏度、选择性和躲负荷能力等。定值预警可在当前运行方式基础上自动进行事故预想和定值校核，快速识别易受运行方式变化影响的保护装置及可导致定值性能异常的特殊运行方式。

系统总体结构如图1 所示，它包括电网综合模型拼接、运行方式获取及信息融合、运行定值获取及信息融合、运行方式预想、故障计算、潮流计算、校核计算及校核结果输出等部分。各部分的具体功能如下。

电网综合模型拼接模块 本模块可导入EMS提供的电网一次模型，并结合离线整定计算系统中维护的电网零序参数、互感参数及继电保护模型，搭建面向继电保护定值在线校核的电网综合模型。

运行方式获取及信息融合模块 本模块从EMS 中获取在线运行方式，并根据变压器的投停状态修正变压器中性点接地方式。

运行定值获取及信息融合模块 本模块综合FIS 提供的现场运行定值和离线整定计算系统提供的计算定值，为校核计算模块提供待校核的定值。

运行方式预想模块 本模块根据用户设定的预想规则，在当前运行方式的基础上生成N-1 或N-k 预想运行方式，并形成局部校核范围。

计算模块 本模块提供对系统进行故障计算、潮流计算和校核计算等相关分析计算的技术手段。其中故障计算程序可进行定值校核计算所需各种故障预备量的求取，并可根据校核计算的定性校核结果进行保护范围计算。潮流计算程序完成给定运行方式下的潮流计算。校核计算程序完成给定运行方式和定值信息基础上的各类保护定值性能的校核计算。

校核结果输出模块 本模块提供用户进行校核结果的查看、管理和高级分析，采用图、表、曲线、文本等多种形式进行结果的展示和统计分析。

2 关键技术及实现

2.1 电网一二次系统综合建模

继电保护在线校核与预警系统主要是对在线运行方式下的定值性能进行校核，不仅需要电网拓扑、参数及运行状态，还需要继电保护配置和各种定值信息。因此，建立电网一二次系统综合模型是实现继电保护定值在线校核与预警的前提。目前智能电网调度技术支持系统仍处在试点应用阶段，调度中心模型和数据均尚未完全实现一体化，通过与EMS、FIS 以及离线整定计算系统，实现多平台数据集成和信息融合，是一种可行的解决方案。

2.1.1 计及拓扑结构校验的分层分类逐级数据匹配方法

目前EMS、FIS 和离线整定计算系统中同一物理对象（如厂站、一次设备等）名称的表达存在较大差异，建立各物理对象间的对应关系是后续工作开展的基础，为此需要进行各数据源的数据匹配[8]。快速、高效地实现海量数据的匹配是工作的重点和目的。考虑到电力系统的特殊层次关联结构和拓扑连接结构，采用改进编辑距离算法进行字符串的匹配，并加入拓扑关系校验，以提高匹配结果的准确度。名称差异度较大和1：n 对应关系的数据可通过拓扑连接关系搜索处理。电力系统各类设备层次关系描述如图2 所示，需注意的是，FIS 中同一线路在首末端厂站中的命名可能不一致，因此需将线路视为两个线路段，作为首末端厂站内的不同一次设备来处理。分层分类逐级数据匹配既可有效提高匹配效率，同时保证了匹配结果的准确度。逐级数据匹配流程如图3 所示。

2.1.2 电网模型拼接

图2 电力系统各类设备层次关系描述Fig.2 Power system hierarchical description of different equipments

图3 计及拓扑结构校验的分层分类逐级数据匹配流程Fig.3 Flow chart of sequential data matching considering hierar chical classification and topology verification

EMS 中的电网参数中缺少零序参数和互感参数，因此需在数据匹配的基础上，将离线整定计算系统中的零序参数及互感参数附加至EMS 的电网模型中，若EMS 中的正序参数与离线整定计算系统中的正序参数不一致时，应以离线整定计算系统中的正序参数为准。此外，离线整定计算系统中的继电保护模型也需附加到EMS 电网模型中。

由于离线整定计算系统中的电网模型既包括一次系统模型也包括继电保护模型，电网模型拼接也可在离线整定计算系统模型的基础上进行。对于离线整定计算系统中的新建工程，如规划或在建的未投产的厂站、发电机、变压器及线路等，可直接设置为停运。

2.1.3 方式信息融合

EMS 所提供的在线运行方式中缺少变压器中性点接地和互感线路挂检信息，但这两类信息对于继电保护整定和校核计算是必不可少的。在大接地电流电网中，为保证零序网络稳定，各厂站内中性点接地变压器的数目及分布基本保持不变，例如一台中性点接地的变压器停运后，该厂站内仍在运行的一台中性点不接地变压器应转为接地。因此，变压器中性点接地方式有规律可循，可按厂站为单位，根据变压器中性点接地规则及变压器投停状态进行更新。

互感线路挂检是互感线路的一种特殊运行状态。互感线路接地检修时存在零序回路，会对电网的短路电流分布产生影响。但是EMS 仅能提供互感线路的投停两种基本运行状态。因此，可将停运的互感线路分为“停运不挂检”和“停运挂检”两种情况来考虑，寻求更为苛刻的情况对定值进行校核。

2.1.4 定值信息融合

定值信息融合主要是对FIS 运行定值、离线整定计算系统计算定值和人工设置定值进行整合、拼接，形成用于在线校核的待校核定值。其中人工设置定值的优先级最高，其次是FIS 运行定值，计算定值的优先级最低。当人工未设置定值，又无法获取运行定值时，将离线整定计算系统的计算定值作为待校核定值。220 kV 及以上系统一般采用保护双重化配置，存在双套后备保护定值，且大小基本一致。为提高在线校核的计算速度，只取其中一套后备保护定值进行校核。由于两套保护装置的原理可能不同，两套保护装置中的主保护定值、启动定值、与潮流相关定值等均需要校核。

2.2 校核计算方法

校核计算方法是定值校核与预警系统的核心内容。定值校核主要包括3 个方面：选择性、灵敏度和躲负荷（主要是一些与潮流有关的定值）。灵敏度和躲负荷校核可按照其定义进行定量校核，用于灵敏度校核的最小短路电流由故障计算模块给出；用于躲负荷电流校核的负荷电流由EMS 数据或潮流计算模块给出。但是，选择性的定量校核较为复杂，如果定值不满足选择性要求，需要求解其伸出相邻下一线路的范围。目前选择性校核主要有3 种方法：一二次系统联合仿真法[9]、保护范围比较法[10-12]和定值比较法[13]。其中，保护范围比较法是根据“保护范围末端故障时，保护的感受量与其定值相等”的特性，通过精确求取并比较定值的保护范围来判断定值的选择性是否满足要求，保护范围的求解有图解法、逐点逼近循环迭代法、折半法或插值法等，但此类方法通常需要根据已知定值不断变更故障点位置进行多次短路计算。定值比较法是将在线校核看作是整定计算的逆过程，根据在线运行方式并利用整定计算原则求取一个临界定值，该临界定值表示在当前运行方式下仍能满足选择性要求的极值，通过比较临界定值与运行定值来判断定值的选择性是否满足要求。

保护范围比较法和定值比较法具有互补性：保护范围比较法属于定量校核，校核速度较慢，而定值比较法属于定性校核，校核速度快，但校核结果偏保守。如果将这两种方法结合，则可实现大电网继电保护定值的快速定量校核。即采用定值比较法进行初步筛选，再根据校核结果利用保护范围比较法进行定量校核。

图4 所示为一简单示例系统，其中的线路保护均配置了三段式距离保护。以R1 和R2 的配合为例对结合定值比较和保护范围比较的定值校核方法进行说明。设已知R1 距离保护II 段动作时间小于R2 距离保护II 段的动作时间，但大于R1 距离保护I 段的动作时间），则R1的距离保护II 段与R2 的距离保护I 段配合，假设采用基于助增系数的整定原则，则临界定值Zco计算式为

图4 简单示例系统结构Fig.4 Structure of a simple example system

如图5 所示，若Zco≤则R1 保护II 段不满足选择性要求，否则满足选择性要求。定值比较法同样适于电流保护定值的选择性校核，由于属于过量保护，因此待校核定值大于临界定值时可满足选择性要求。

图5 基于定值比较法的选择性校核Fig.5 Selective verification based on setting comparison method

将不满足选择性要求的保护和与临界定值差距小于一定阈值的保护作为应用保护范围比较法定量校核的待校核范围。根据保护范围的定义，系统中某点故障时保护所在位置检测到的电气量与保护动作值相等。对于距离保护这种相等关系可表示为

式中：ZDZ为距离保护定值；r 为k 点距故障线路首端占故障线路全长的比值，即保护范围。求解该等式即可快速、准确地得到保护范围。

仍以图4 为例，假设R1 距离保护II 段不满足选择性要求，k 点发生三相短路故障时R1 的动作值为ZDZ，推导整理等式（2），得到表达形式为

式中，Mik表示节点i（i 表示节点A 或B）与故障点k 之间的互阻抗，且Mik=（1-r）MBi+rMci，代入式（3）整理得

式中：α = ZDZ（MBA+ MCB- MCA）+ ZAB（MCA- MBA）；β =MBA（ZAB-ZDZ）。

对于其他故障类型可按照同样的思路进行推导，并根据相等关系进行保护范围的计算，在此不再详细说明。

上述以距离保护定值选择性校核为例的校核流程如图6 所示。

图6 综合定值比较和保护范围比较的定值选择性校核流程Fig.6 Flow chart of selective verification synthesizing setting comparison and reach point comparison

2.3 定值预警方法

2.3.1 预想运行方式生成方法

预想运行方式可按照一定的规则生成，最为简单的是全网N-1，不仅包括线路N-1 也包括发电机和变压器的N-1。对于N-k（k 大于等于2）可采用以下两种方法：①用户自定义N-k，即设置固定的N-k 故障，如同杆双回线路，以及一些具有运行约束条件的N-k。②两端元件法，以某一待校核的保护为中心，划分一个方式变更范围，如几级母线范围内，按照设定的规则生成预想运行方式。

定值在线预警的关键是快速查找对定值性能影响较大的预想运行方式。

2.3.2 元件开断影响域辨识

根据上述预想规则，可以获得众多的预想运行方式，但是对每个预想运行方式均进行全网定值校核是不必要也是不现实的。根据工程经验，线路开断后的影响范围一般是有限的，且其影响是逐渐减弱的，距离开断线路较远时，这种影响则可忽略不计。定义这个受影响的区域称为“影响域”。确定运行方式变化对应的影响域后，则只需在该预想运行方式下对影响域内的保护进行定值校核。

由于首先采用定值比较法进行定值校核，这种元件开断的变化主要反映在“与相邻保护配合的最小正序分支系数”等故障预备量上，因此可以将故障预备量的变化率作为影响域的辨识指标。对于不同保护原理，若采用不同的整定计算原则，元件开断的影响域也可能是不同的。

2.3.3 故障预备量排序

定值校核计算主要分为两部分：故障计算和校核计算。故障计算主要是计算各种故障预备量，而校核计算则是根据已有的保护动作时间判断保护配合关系，并根据故障预备量计算相应的临界定值，与实际运行定值进行比较。

如果在每种预想运行方式下均对保护定值进行一次校核计算，则对于每个保护需校核多次，计算负担较重。考虑到如果定值性能在故障预备量变化率较大时仍可满足要求，则变化率较小时，定值一定满足要求。因此，对在线预警的流程进行优化，首先对故障预备量进行排序，按顺序对预想运行方式进行定值校核，直至故障预备量的变化不影响定值性能为止。

3 实际应用

根据上述设计方案，基于SQL 数据库用VB.net 开发完成了一套继电保护定值在线校核及预警系统，现以实际的校核结果为例说明该系统的应用情况。图7 所示为湖北电网的局部拓扑结构示意图，待校核保护RL1 及其相邻保护的各段定值如表1 所示。在某校核结果中，根据定值比较法，保护RL1 的相间距离保护II 段与RL4 和RL5 不满足选择性要求。

图7 某电网局部拓扑结构示意Fig.7 Schematic diagram of the partial network of some power grid

根据表1 中的保护动作时间可知，RL1 保护的II 段均与相邻保护的II 段配合，根据式（1）计算满足与相邻保护配合要求的临界定值，其中，可靠系数均取0.8，与相邻保护配合的最小正序助增系数、临界定值及其定值校核结果如表2 所示。其中，与RL4 和RL5 保护配合的临界定值分别为47.85 Ω，47.28 Ω，均小于待校核定值（55 Ω），不满足选择性要求。尽管保护动作定值不配合，但是保护动作时间仍有级差，这种配合关系称之为“不完全配合”。

表1 相间距离保护定值及所在线路正序阻抗Tab.1 Settings of phase-to-phase distance relay and positive-sequence impedance of its transmission line

表2 定值比较法校核结果Tab.2 Verification result using setting comparison

在上述定值比较法校核结果的基础上，进一步应用保护范围比较法进行定量校核。保护范围比较法的校核结果如表3 所示，相同故障类型下，RL1 保护II 段（55 Ω）的保护范围均小于RL4 保护II 段、RL5 保护II 段的保护范围，因此能够满足选择性要求。

表3 保护范围比较法校核结果Tab.3 Verification result using reach point comparison

对该局部电网的所有保护进行定值在线预警，在校核对应的运行方式基础上考虑全网线路N-1，在线预警结果如表4 所示。可以看出，如果此时L2、L3 或L7 发生故障，会导致部分保护定值选择性不满足要求，可能会造成保护的不正确动作，因此继电保护人员需对这三条线路以及保护RL1、RL2、RL3 进行重点关注。

表4 定值在线预警结果Tab.4 Online early-warning result of protection setting

湖北电网全网共有419 条线路，线路后备保护配有零序电流保护、相间距离保护和接地距离保护等。根据该电网的整定计算原则，对全网838个线路后备保护进行一次在线校核计算的总时间为63 s，其中故障预备量计算时间46 s，校核计算时间17 s，在此基础上进行定值在线预警，总时间为282 s，其中故障预备量计算时间210 s，预备量排序时间30 s，校核计算时间42 s。由于在线校核所需的在线运行方式取自EMS 状态估计的结果，更新周期一般为分钟级，且运行方式变化的周期一般在10 min 以上，故本系统可很好地满足工程需求。

4 结语

继电保护定值在线校核与预警系统的应用将为防止继电保护的不正确动作提供一条新的安全屏障，可以弥补现有整定计算和定值管理模式的不足，并使整定计算和定值管理逐步从“离线”走向“在线”。本文对该系统进行了方案设计，着重对其中的关键技术问题进行了分析和探讨，并提出了相应的技术路线。基于该设计方案开发完成了一套继电保护定值在线校核与预警系统，在实际工程应用中取得了良好的效果。

[1]王威，郁惟镛，张沛超（Wang Wei，Yu Weiyong，Zhang Peichao）.面向对象的继电保护整定计算专家系统的研究（Research on object-oriented expert system of relay setting calculation）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2001，12（2）：1-4，15.

[2]周鼎，段理，石东源，等（Zhou Ding，Duan Li，Shi Dongyuan，et al）. 基于混合模式的继电保护整定计算一体化系统（Integrated system of protection setting calculation based on hybrid mode）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2007，19（3）：109-112.

[3]王慧芳，何奔腾（Wang Huifang，He Benteng）.电网继电保护定值校正软件研究（Study on software of relay settings examination and rectification）[J]. 电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2006，18（02）：86-90.

[4]曾耿晖，李银红，段献忠（Zeng Genghui，Li Yinhong，Duan Xianzhong）.电力系统继电保护定值的在线校核（A discussion about online verifying of relay setting in power system）[J].继电器（Relay），2002，30（1）：22-24.

[5]吕颖，张伯明（Lü Ying，Zhang Boming）. 基于集群计算机的保护定值在线校核（Online relay setting check based on computer cluster）[J].电力系统自动化（Automation of Electric Power System），2007，31（14）：12-16，106.

[6]吕颖，孙宏斌，张伯明，等（Lü Ying，Sun Hongbin，Zhang Boming，et al）. 在线继电保护智能预警系统的开发（Research and development of an online intelligent early warning system of protective relaying）[J]. 电力系统自动化（Automation of Electric Power System），2006，30（4）：1-5，53.

[7]谢俊，石东源，杨增力，等（Xie Jun，Shi Dongyuan，Yang Zengli，et al）.基于多代理系统的继电保护定值在线校核预警系统（An on-line verification of relay settings and early warning system of protective relaying based on MAS）[J].电力系统自动化（Automation of Electric Power System），2007，31（13）：77-82.

[8]陶佳燕，李银红，石东源，等（Tao Jiayan，Li Yinhong，Shi Dongyuan，et al）. EMS 与继电保护定值校核系统实时数据匹配新方法（A new method for real-time data matching between energy management system and relay setting verification system）[J].电力系统自动化（Automation of Electric Power System），2012，36（10）：79-85.

[9]张海梁，袁荣湘，庄曰平，等（Zhang Hailiang，Yuan Rongxiang，Zhuang Yueping，et al）. 可视化继电保护定值仿真校核系统的研究与开发（Research and development of visual relay protection setting simulation system）[J].中国电力（Electric Power），2006，39（11）：76-79.

[10]吕飞鹏，李华强，张军文，等（Lü Feipeng，Li Huaqiang，Zhang Junwen，et al）.计算电网电流保护保护范围的新方法（A new method for computing coverage of current protection in power network）[J].电力系统自动化（Automation of Electric Power System），2000，25（6）：42-44.

[11]罗长亮，吕飞鹏，廖小君，等（Luo Changliang，Lü Feipeng，Liao Xiaojun，et al）.计算电网中电压元件保护范围的新方法（A new method for computing protection coverage of voltage element in power network）[J]. 电力系统自动化（Automation of Electric Power System），2009，33（1）：66-69.

[12]李银红（Li Yinhong）.超高压电力系统继电保护整定计算理论研究及系统开发（Relay coordination theory study and system development of ultra-high-voltage power system）[D]. 武汉：华中科技大学电气与电子工程学院（Wuhan：College of Electrical and Electronic Engineering，Huazhong University of Science and Technology），2003.

[13]黄超，李银红，陶佳燕，等（Huang Chao，Li Yinhong，Tao Jiayan，et al）.基于整定逆过程的保护定值在线校核原则（On-line verification principle based on inverse process of protection setting）[J].电力系统自动化（Automation of Electric Power System），2011，35（12）：59-64.