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华中科技大学 硕士学位论文 电力系统继电保护运行管理系统及其相关问题研究 姓名：曾耿晖 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：段献忠;何仰赞 2002.5.7 华中科技大学硕士学位论文 摘要 继电保护运行管理工作是电力生产部门极为重要且又繁琐复杂的工作之一，实现 继电保护运行管理工作的自动化是电力工作者长期以来追求的目标a 本文讨论的电力系统继电保护运行管理系统，是一个图形化、网络化的自动化支 持系统。该系统采用图形化的人机交互界面，提供风格统一的交互手段，而且采用 现代数据库技术，在统一的数据平台上实现各种继电保护应用软件的集成。该系统 的开发，实现了继电保护管理的网络化，工作的自动化，为继电保护的管理和决策 提供一个全新的支撑平台0 本文的主要内容集中在整个运行管理系统的设计以及定 值校核和在线整定功能的研究三个方面。 首先，根据运行管理系统的基本要求，本文提出了运行管理系统的设计目标，并 设计了系统的总体结构，同时就系统的图形化界面，数据库设计，网络化运行，可 靠性研究以及人工智能技术的应用做了初步探讨。 其次，本文提出了定值校核的定义和基本功能，总结了保护校核原则，详细分析 了保护选择性校核方法的可行性，同时完成了定值校核系统详细设计，分析了在线 校核实时数据获取的实现方法，并详细推导了基于阻抗矩阵的保护范围快速求取的 算法。 最后，本文还探讨了基于全网概念的在线整定，分析了接地距离保护整定计算公 式，其中重点考虑了互感线路方式变化时零序补偿系数的求取，并分析了潮流对保 护定值的影响。( 在考虑在线整定的整体结构的基础上，提出了一种提高在线整定速 度的实现模式，同时还就在线整定的实用化做了一定的探讨。气 关键词：继电保护运行管理，定值校核，在线整定，保护范围7 一一 结束 图3 4 定值校核主流程 亟 华中科技大学硕士学位论文 开始 ! 一 校验】段保护范围 结束 图3 5 各类保护校核计算流程 2 6 塑半 一 华中科技大学硕士学位论文 3 4 定值校核相关问题的研究 3 4 1 在线校核实时数据的获取 e m s s c a d a 提供的开关信息和量测数据，能准确而完整地确定实时网络接 线和运行状态，这是在线校核功能实现的基础。 在现有e m s s c a d a 系统与在线校核系统的数据传送中，在线校核系统只需 要接受其实时的系统运行状态数据，而且其数据传送是单方向的，可以采用通讯 转发机实现该功能，采用通讯转发机可以隔离两套不同系统，保证系统的独立运 行，避免校核系统中机器随意破坏实时系统运行的可能性。通讯转发机可以利用 一台普通微机实现，完成数据接受与转发工作，其中数据的传送格式可以采用数 据文件形式，也可以采用其他方式实现数据共享。 在线校核系统提供专用功能模块进行数据处理，通过接线检查和拓扑分析， 形成一个完整的系统运行方式。数据处理中不仅需要能识别通讯转发机传送的数 据格式，而且需要能快速处理数据，结合电网参数，形成定值校核所需要的系统 运行方式，同时还应有一定的纠错功能，如进行数据可靠性和完整性校验。 3 4 2 保护范围的快速求取 在选择性的校核过程中，需要多次准确快速确定保护的保护范围。若采用折 半法或插值法，则存在计算量过大的问题，无法满足系统要求特别是在线校核对 速度的要求。因此，必须寻求一种快速、准确的保护范围确定算法。 由于校核面向的系统对象在校核的故障计算过程中是保持不变的，其阻抗矩 阵在整个校核过程是保持不变的，因此可以采用阻抗矩阵法确定保护的保护范围 4 6 1 。该方法利用当前系统对应的阻抗矩阵和保护的定值，通过简单的代数运算， 可以确定保护准确的保护范围。下面以零序电流保护i i 段描述该方法的实现步骤。 图3 - 6 为1 3 节点电力网络的部分示意图，节点a 处零序电流保护i i 段保护范 围的求取可以转化以下命题： 假定点k 处发生接地故障时流过节点a 的零序电流为节点a 处零序电流保护 i i 段的定值，由，求取点k 的所在位置，即求取线路b k 长度与线路b c 总长的比r 。 华中科技大学硕士学位论文 ： # ： 、。， 图3 - 6 保护范围求取示意图 由于故障前电网是已知的，假定其各序节点阻抗矩阵为z ( ，) ( 此处的z 【) 指采 用节点电流注入模型形成的阻抗矩阵) ，其中s 可为1 ，2 ，o ，分别表示正序，负 序和零序阻抗矩阵。当点k 处发生接地故障时，可以视为点k 为网络的新增节点， 包括节点k 在内的节点阻抗矩阵z 。，比z 。增加一阶，即： fz 。：z 邮 z 。= ：i l z ) ：z 帅) j 因为发生短路之前节点k 是开路的，节点k 对全网电流、电压分布没有影响， 故z 。中除新增的第k 行、k 列元素以外的子矩阵仍等于z ( 所以只需计算其新 增的第k 行( 列) 元素z ，和z 。m ，( 由于阻抗矩阵为对称矩阵，满足z m ，) ：z 。) ， 其计算公式为： z 。 = ( 1 一r ) z 。 ( 。) + r z 。小) ( 3 - 8 ) z 址( 。) = ( 1 一厂) 2 z 曲( ，1 + r2 z 叫。) + 2 r ( 1 一r ) z 6 。( ：1 + r ( 1 一r ) 2 6 。【，l ( 3 9 ) 公式( 3 8 ) 和( 3 - 9 ) 的详细推导参见文献 4 7 】。 所以，在零序网络中，阻抗矩阵方程可以表示： z o ( o ) = u f o ) ( 3 1 0 ) 由零序网络性质可得，式中零序电流列向量除了最后一项外其余都为零： ，1 0 1 = 【o 0 ，i k ( o ) r ( 3 1 1 ) u b ( o ) u k ( o ) 。 ( 3 1 2 ) ( 3 卫3 ) ( 3 1 4 ) 虬 压电宁零的占节得求 删篇删 、， = = = 1 孓l 和 州岬 ，z z z 式由 华中科技大学硕士学位论文 由题设已知可得 1 2 ( “) 一u h l o i ) ： 将式( 3 - 1 2 ) 和( 3 - 1 3 ) 代入( 3 - 1 5 ) ，可得： ，止：甜= z 础( 0 】x 1 t ( o 一z o ) ，“o 同理，在负序网络中，存在公式： z f2 15 “2 l f 序网络中，则存在 ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( z 。) = m = 1 2 ，“k ( 3 18 ) 假定点k 的接地故障类型为单相接地故障，由于单相接地故障是串联复合故 障，则可由边界方程可得【4 8 ： + “( 1 1 + “( 2j = 0 ( 3 - 1 9 ) ，( 0 1 = ，( = ( 2 ) ( 3 - 2 0 ) 将式( 3 1 4 ) 、( 3 1 7 ) 、( 3 - 1 8 ) 以及( 3 - 2 0 ) 代入( 3 1 9 ) ，可得： e ( z m 。1 ) ，州1 ) + z ( ，1 i ( 。) + z 。( 2 1 ，。( 。) + z 。f 。) 。) = o m 2 1 ，2 ，1 1 ( 3 - 2 1 ) 其中，正序网络中，。( m = 1 ，2 ，n ) 均是已知的，且由式( 3 - 8 ) 可知，上 述所有等式中z 。，( m = 1 ，2 ，n ，k ) 均是含有变量r 的函数。 联立求解式( 3 - 1 6 ) 和( 3 - 2 1 ) ，即可解出关于r 和。，的值，从而可以得到 零序电流保护i l 段的保护范围。 在上述推导中假设了点k 发生的是单相短路故障，对于两相接地故障，同样 可以利用相应的边界方程得到r 值，即发生两相接地故障时保护i i 段的保护范围， 显然，发生不同类型故障时i i 段保护范围不同。 同理，对于零序电流保护其他各段的保护范围同样可以采用上述方法求取。 由于该方法中保护范围的求取可以通过简单的代数计算实现，不需要象折半法等 方法进行反复多次的试探获取，因此不仅能精确求取范围，而且能大幅度地提高 计算速度。 在传统的考虑中，首先求取保护的不同类型故障时最小保护范围，然后再比 较两者保护范围的关系，由于配合两保护检测到的肯定是同一类型故障的电流， 传统的方法会存在一些偏差。因此，在本系统中进行定值选择性判断时，计算不 凰娄型放瞳的儇控范围t 盆别比较丕回娄型盐瞳吐配金埕控的堡控范围芸系：县 华中科技大学硕士学位论文 有在不同类型故障保护范围关系全部满足要求才能保证配合保护的选择性。 3 5 小结 定值校核系统实现电力系统中保护定值的校验，可以进一步提高电力系统的 安全性。本章阐述了实现定值校核的意义，给出了定值校核的定义和定值校核的 基本任务，并根据部颁整定规程，制定了零序电流保护和距离保护的校核方法和 校核规则。在定值校核系统的整体设计中，重点考虑了系统的基本结构、工作模 式、管理模式、计算流程以及系统所管理的数据等。本章还就在线校核实时数据 的获得以及保护范围的快速求取进行了探讨，最后详细推导了基于阻抗矩阵的保 护范围求取算法。 定值校核系统在线模块可以成为e m s 系统的组成部分，这是因为，校核系统 数据来自e m s 系统，其校核结果也会发布到e m s 系统中，为调度运行人员在线 决策提供保护运行信息；定值校核系统离线模块，对于整定计算人员，特别是从 事日方式整定和校核的人员，具有一定的参考价值，因此，定值校核系统应该与 整定计算系统结合，作为整定计算的审核依据，或者与继电保护运行管理系统进 行集成，实现保护定值校核结果的网上发布，为整定计算人员制定整定计算方式， 确定整定计算结果提供参考。 华中科技大学硕士学位论文 4 1 引言 4 在线整定问题的探讨 现有保护定值均是通过离线计算予以确定，为适应实际运行时系统可能出现 的各种运行方式，在离线整定计算中必须进行大量的方式组合，并采纳其中最苛 刻的值作为保护的定值。这种整定计算方式不可避免地具有以下缺点： 1 ) 确定的继电保护整定值，对电力系统大多数运行方式( 可能包括电力系统 的主要运行方式) 来讲不是最佳的整定值，必然降低了保护的性能。 2 ) 某些特殊系统运行方式在整定中不一定完全考虑，而在生产实际中却可能 发生，如电力系统最小运行方式下发生最不利的故障，此时保护性能可能会严重 变坏甚至发生拒动或者误动现象。 3 ) 离线整定需要对电网可能出现的各种运行状态及其多种故障进行反复而且 周密的计算，整定工作相当复杂，使整定工作者在日常工作中面i 临越来越大的挑 战和压力。 整定的离线实现，是当时条件下的必然选择。现阶段，电力系统各个领域都 得到了飞速发展，整定的在线实现得到广泛关注，而且在线实现的条件已经取得 了新的发展，主要体现在以下三个方面： 首先，微机保护在电力系统中得到广泛应用，正在逐步替代传统的模拟保护， 为在线修改定值打下了基础。 其次，电力通信技术与通信手段的不断进步，整定所需要的电网信息和保护 信息能快捷有效地采集和传送。 同时，现有在线实时应用软件的成功开发和应用，为在线整定系统的开发积 累了丰富经验。 事实上，在线整定已经得到了初步的应用，其中自适应继电保护系统的研究 和应用最为突出 4 9 - 5 3 】。所谓自适应继电保护系统，是指能根据电力系统运行方式 变化信息在线修改继电保护整定值，以获得最佳保护性能的继电保护系统。自适 应继电保护系统在选择性、快速性和灵敏性方面明显优于常规继电保护系统，这 不仅使现有电力网络能传送更多的功率，而且还可以改善电力系统运行的灵活性 和稳定性。实现自适应继电保护系统的关键在于如何构成自适应继电保护系统和 3 1 华中科技大学硕士学位论文 以何种工作机制在线运行，微机保护中自适应策略的应用直是电气工程师的研 究热点之一。文献 4 3 1 提供了一种有限范围内自适应的在线整定方法，该方法提 供离线状态下整定的多种运行方式的保护定值，以及对应方式下保护所在点的等 效电源电压e 和电源到保护安装处的等效阻抗乙，并形成定值表存储于微机保护 装置内，保护实时检测所在点的电压电流值，计算对应条件下的等效电压和阻 抗z 。，将其与定值表中所列值进行比较，并选用最匹配的定值当作保护的运行定 值，该方法实现的关键在于如何在线正确识别系统的运行方式。文献 5 4 1 将扰动 域和系统运行方式集合起来，构成模式空间，并根据电力系统的固有分散性，将 各模式及其整定定值分散存储于各子自适应控制器中，子自适应控制装置根据运 行信息变化，在线更改扰动域内的保护定值，同时从控制系统的角度，将分散的 子自适应控制装置有机结合起来构成分布式自适应控制系统。 在上述基于单个保护的自适应功能基础上，结合传统离线整定方法，本文探 讨了基于全网概念的继电保护在线整定。继电保护定值在线整定的内容是：随着 系统网络接线的变化即运行方式的变化，对所关心的保护定值进行在线整定计算， 特别是实现所关心区域保护定值的配合调整，且仅针对修正后的保护定值进行当 前运行方式下的灵敏度校验，同时将计算好的定值反馈给现场保护。定值的在线 整定避免了运行方式的变化对保护灵敏度的不利影响，可以明显提高保护的灵敏 度。 保护定值的在线整定全面实现整定计算的智能化和网络化，原理上能保证保 护性能的最优化。继电保护在线整定的实现是继电保护应用领域极具挑战的研究 方向之一，随着该方向研究的深入，在线整定系统在适当的时候可以成为继电保 护运行管理系统的重要组成部分。 4 2 接地距离保护在线整定 近年来，电力系统飞速发展，电网结构日益复杂，由于输电走廊的限制，平 行架设的双回或多回线路情况十分普遍，平行线路必然存在零序互感耦合，这将 给接地型保护带来严重问题，尤其是对接地距离保护产生不利影响，情况严重时， 可能使接地距离保护越级误动或拒动会给电力系统安全稳定运行带来威胁 5 5 】。 受整定计算工具的限制，以前的接地距离保护整定方法采用了一些措施简化 整定计算，降低了保护的灵敏度。随着计算机技术的发展，目前，针对零序互感 线路中接地距离保护的整定问题，提出了多零序补偿系数的整定方法l “ ，蜘以及隐 3 2 华中科技大学硕士学位论文 形助增系数法【5 7 】等多种改进算法，采用了基于感受量的整定计算方法【，”。对于互 感线路，由于系统运行方式的变化，零序补偿系数会发生相应的变化，给整定带 来较大的困难，现有的研究在规程给定原则基础上，主要考虑零序补偿系数的改 进，尽量减少系统运行方式变化带来的影响，以提高定值的灵敏度。但是，这些 研究只能在一定程度上消除系统变化带来的不利影响，而不能从根本上解决这一 难题。如何正确选用零序补偿系数，正确反映接地故障点至保护安装处阻抗值仍 然是研究的重要内容。在线整定中，能在线获取系统运行方式，可以在线修正零 序补偿系数，使保护定值符合电力系统安全运行的要求。 4 2 1 接地距离保护定值的在线计算公式 在线整定时，对于接地距离保护的整定，部颁规程中关于保护配合的整定原 则可以采用感受量整定的计算方法实现。下面以接地距离保护i i 段为例，描述其 优化的整定计算公式及其不同情况下的取值情况。 五w = k k 再蟊 。 感受量计算公式如( 4 1 ) 所示，式中玑，。，分别为保护安装处故障相电 压，相电流以及零序电流：k 为零序电流补偿系数。 当与相邻接地距离i 段配合时，感受量在相邻线路i 段保护范围末端发生 接地故障时取得。 当与相邻线路纵差保护配合时，感受量在相邻线路末端发生接地故障时取 得。 当与相邻变压器配合时，感受量在躲相邻变压器其他侧( 大电流接地系统) 母线接地故障取得。 当与相邻线路i i 段配合时，感受量在相邻线路i i 段保护范围末端发生接 地故障时取得。基本公式可以做以下变形： k ，“x 毒瓦 呱糌= k k z l + k k 篇盎 咆孙畦等- z ， z ， 3 3 华中科技大学硕士学位论文 其中，u ：，：，e ，足7 为相邻保护i i 段保护范围末端接地故障时，相邻保 护安装处的相电压，相电流，零序电流和相邻保护的零序补偿系数；z 为相邻保 护的感受阻抗。 当相邻保护所在线路末端故障时，有下述等式成立： ，7i1 矿r 膨，= l = k z ，+ k 。二 l 二二二二二旦z ： ( 4 - 3 ) ，_ + 3 k o 4 t + 3 k o 其中，u 。，。，。，k 分别为相邻配合保护所在线路末端接地故障时，保护 安装处的相电压，相电流，零序电流和保护的零序补偿系数；，：，“，k 为相邻 保护所在线路末端接地故障时，相邻保护安装处的相电流，零序电流和相邻保护 的零序补偿系数；z ：为相邻线路的阻抗值。 由于相邻线路i i 段保护范围的确定比较繁琐，计算量较大，不能满足在线整 定对速度的要求，程序采取一定的工程简化。假定相邻保护所在线路末端故障和 相邻保护i i 段保护范围末端故障时，保护所在线路和相邻保护所在线路助增系数 相同。这种假设对于辐射型网络是准确的，对于环网存在一定的误差，该误差在 工程允许范围内。根据上述假设，结合式( 4 - 3 ) 和式( 4 - 2 ) ，可以获得适合工程 应用的接地距离保护配合的整定公式： = 屹盎+ 嵫篇訇 。， 其中，u 。，j ，。，k ，二，“，k ，z 幺，互分别为相邻保护所在线路 末端接地故障时，保护安装处的相电压，相电流，零序电流和零序补偿系数以及 相邻保护安装处的相电流，零序电流和零序补偿系数，相邻保护的配合定值，相 邻线路的阻抗。 同理，该方法适合于所有与后备段配合时的感受量整定，如接地距离i i i 段与 相邻线路i i 段或i i i 段配合，均可以采用该简化公式。 4 2 2 零序补偿系数k 的计算 由上可知，零序补偿系数k 的计算直接影响定值的大小以及接地距离保护性 能的发挥，因此，准确地计算零序补偿系数成为接地距离保护定值在线整定的重 点。当线路无互感时，零序补偿系数是与线路的正、零序阻抗值有关的一个定值， 但当有互感时，零序补偿系数则随着互感线路运行工况( 这里的运行工况特指互 感线监直丘投退独挂捡2 酸丕圃面銮丝坚兰：垄垡墼定量蛊堡墼窒星盔盟匡型塾星! 华中科技大学硕士学位论文 在线整定能实时获取互感线路的运行状态，得到不同状态时的零序补偿系数，并 能根据状态的变化在线修正保护的定值。 线路无互感时，k 值计算公式为： k ：l o 一l ( 4 - 5 ) 3 z ， 线路存在互感时，k 值计算公式如下所示， 当互感线路为两回时： k ：生量兽盛盥( 4 - 6 ) 式中z ，z 。，。分别为保护所在线路的正序阻抗，零序阻抗以及零序电流； z 。为保护所在线路与其他线路的互感值，l 为对应互感线路的零序电流值：且 假定，。与。同方向( 若方向相反，则应加上负号) 。 当互感线路为多回时： 一z 0 _ 孙( z 一。等 ( 4 - 7 ) a 一 3 z t 下面以两线互感为例，推导上述公式。 a b 图4 - 1 互感线路示意图 如图4 1 所示，线路1 与线路2 存在互感z 。，为了得到线路1 的a 端感受量 计算的零序补偿系数，假定当线路1 末端发生接地故障时，线路1 电流为，。，线 路2 电流为j 。，则保护安装处a 点故障相相电压，相电流可表示为： 广 u 州= ，( 1 ) za ( 1 ) + ，月【2 1 za ( 2 ) + ，( o ) z a ( o ) + ，b ( o ) z 帅 ( 4 - 8 ) lk = l + ，即) + ，圳) ( 4 - 9 ) 将式( 4 9 ) 代入式( 4 - 8 ) ，得到： u c a = 屯z 删+ 3 k 删z ( 4 1 0 ) 华中科技大学硕士学位论文 其中，k 为零序补偿系数，其公式表示为： k ：塾! 二血! 塾当型型 3 z a l l ) 通过公式( 4 - 6 ) 的分析，不难看出： 当线路没有互感时，即z 。= 0 ，可得到公式( 4 - 5 ) ； 当互感线路停运时，即一= o ，其计算公式同( 4 - 5 ) 当互感线路挂捡时，对于图4 1 ，存在公式： i 0 1 z 。m + 1 口( 0 1 z b ( o ) = 0 将公式( 4 1 2 ) 代入( 4 6 ) ，得到公式( 4 1 3 ) 。 ，z j 一z l z 二z 自( o 3 z ( 4 1 1 ) ( 4 1 2 ) ( 4 一】3 ) 由上可知，在互感线路投运、停运与检修等不同系统运行方式下，k 值的计 算将采用不同的计算公式，在线整定计算时，可以考虑零序互感及其网络结构的 变化，在线修改保护的定值，提高保护的灵敏度，确保接地距离保护的正确动作。 4 3 潮流对保护定值的影响 现有保护整定方法中，潮流的影响是忽略不计的，主要体现在以下两方面： 1 ) 在短路计算确定定值时做了一些简化假设，如假定所有发电机电势同相位， 忽略负荷的影响，忽略发电机、变压器等阻抗参数的电阻部分等； 2 ) 在确定某些元件保护启动量时整定一般采用潮流极限，避免保护误动，以 提高保护可靠性。 这些方法的采用，主要是基于这样的考虑，即系统实际潮流对整定值的影响 不是很大，而且考虑潮流影响的整定计算条件也不成熟。事实上，系统潮流的影 响还是存在的，图4 2 给出了一个算例简单予以说明。 该图为一大型电力系统部分示意图，其发电机和线路标么值在图上已标明， 假定发电机a 和b 相位相同，当线路末端k 点发生三相接地故障时，流过保护c 点的短路电流为： l ：是+ 善冬：生+ 旦一8 z - 9 0 0 x 1 + z 3x 2 + x 3j ( o 1 5 + o 1 ) j ( o 1 5 + 0 1 ) 当考虑发电机相角差时，为了论述的方便，假定发电机b 超前发电机a 角度 一一 华中科技大学硕士学位论文 3 0 。，仍然忽略输电线路的电阻，此时k 点发生三相接地故障流过c 点的短路电 流为： ，：墨+ 兰! ： ! 兰! ： + ! 兰! ! ：7 7 2 7 2 7 5 。 。 x ，+ 彳；，+ x 、j ( o 1 5 + 0 1 )j ( o 1 5 + 0 1 ) 图4 2 电力拓扑示意图 通过上事例计算可得，当发电机相角差为3 0 。时，流过保护c 点短路电流下 降了34 ，系统潮流对故障计算的影响是存在的，整定中考虑潮流的影响必定会 更加符合系统的实际运行。在线整定中，完全可以在线获取系统的潮流情况，考 虑实际潮流对保护定值的影响已经成为可能。当然，全面计及潮流影响的在线整 定是项复杂的工作，本节仅探讨实际潮流对保护定值和元件启动量的影响。 4 3 1 潮流对线路保护定值的影响 4 3 1 1 潮流对相间距离保护i i i 段定值的影响 线路相间距离保护整定中，根据部颁规程4 2 3 9 条规定，相间距离i i i 段定值 按可靠躲过本线路的最大事故过负荷电流对应的最小阻抗整定，躲最小负荷阻抗 公式为： z l l | sk ( z f 1 ( 4 1 4 ) 式中可靠系数k 。般取o 7 ，z m 按可能最不利的系统频率下阻抗元件所见到 的事故过负荷最小负荷阻抗整定。 而离线整定时最大事故负荷电流。和最小事故负荷阻抗z m 的求取，利用以 下公式： 1 t h = , 3 xu 刍x 些c o s o ( 4 1 5 ) z m ：u 2 _ x - c o s c p ( 4 - 1 6 ) m 。f l珥j m “ 式中最大事故负荷功率p m 。由运行方式科给定，一般来说为该线路的暂稳极 华中科技大学硕士学位论文 限，电压u 取线路首端额定电压的9 0 - 9 5 ，功率因数c d 印取0 8 5 离线整定中为了满足规程的要求，采用相应极值进行计算，没有考虑系统运 行的实际情况，可能会导致保护性能的下降。在线运行时，可以针对当前系统运 , t 2 2 z 式- f i 拘负荷功率及其对应的线路电压值和功率因数，同时考虑裕度进行计算， 并且根据潮流的变化在线更改。 某省局所管辖的一条5 0 0 k v 线路，2 0 0 2 年度该线路负荷潮流预测为9 6 0 m v ， 极限潮流为17 0 0 m v ，取功率因数为o 8 5 ，按公式( 4 1 6 ) 分别估算负荷阻抗实 际值z 、，和最小值z 。 z ：u 2 x c o s q o ：垒堕! 盟：! ! ：堕：2 4 4 0 4 d ” 尸 9 6 1 0 6 乙，：( u x 0 9 ) 2 x c o s o ：! 型堕型翌辈：川6 3 q z m 2 f 一2 了瓦而广一“j l 。0 3 s 2 该5 0 0 k v 线路阻抗值为8 2 7 7 q ，为了保证其线路灵敏度( 假设该线路灵敏度 要求为1 4 ) ，其整定值应该至少为1 1 5 8 8 q 。在离线整定中，由于整定值必须小 于最小负荷阻抗z 。( 同时还要考虑可靠系数) ，此时整定结果不可能满足灵敏度 要求；在线整定时，整定值只需要小于实际运行的负荷阻抗z 。即可，由于z ，远 远大于为满足灵敏度所需要的最小值( 即使考虑z 。，乘以一个可靠系数o7 ，此结 论仍然成立) ，在离线整定中不能满足灵敏度的矛盾得以圆满解决。 上算例表明，由于保护整定必须躲过最大过负荷电流，保护定值的灵敏度要 求不一定能满足，在线整定时，采用实际潮流进行计算，保护灵敏度将会得到改 善。当然，在大多数保护的整定中，线路阻抗值较小，同时定值还受其他整定原 则的限制，定值不可能达到这么大，定值小于最小过负荷阻抗一般都能满足，但 是考虑潮流影响在某种意义上解放了相间i i i 段定值整定的约束。 当系统变化导致线路潮流突变时，考虑到相间距离i i i 段的动作时延以及在线 整定的实现速度( 在线整定速度的考虑在本章第四节讨论) ，在时间上可以避免相 间距离i i i 段的误动，保证了该方法的可行性。 4 3 1 2 潮流对反时限过电流保护定值的影响 由于传统过电流保护必须按躲过最大负荷电流整定，最大负荷电流的计算考 虑了最严重的一些运行方式，如双回线中一回断开、备用电源自投、环网解环等， 从而限制了保护的灵敏度。在传统的离线整定方法中，定值必须满足式( 4 1 7 ) 。 如z k x l 。 ( 4 1 7 ) 3 8 华中科技大学硕士学位论文 式中，。表示最大负荷电流，根据上式可以选用条反时限特性，表示为： ，= ，( 。) ( 4 - 1 8 ) 当线路故障时，如果短路电流小于定值。，按上述特性动作的过电流保护将 会有较长的时延，可能无法满足保护快速切除故障的要求。 当采用在线整定时，通过对负荷电流的实时监视，电流保护能够根据负荷电 流，。的变化自动改变定值，由于实际电流值。远小于最大负荷电流，。、，因此 保护具有更灵敏的另一条反时限特性曲线1 6 。 i ? ! 口2 k x lh 4 1 9 ) ，= 中( ，品) ( 4 2 0 ) 此时，过电流保护将有可能更灵敏地检测到故障，更好地发挥反时限电流保 护的优越性，更快地切除系统故障。 4 3 2 潮流对元件保护定值的影响 在元件保护整定中，如变压器保护、母线保护、断路器保护等，均存在一些 整定量与系统潮流有着密切的关系，潮流的变化直接影响定值的取得。表4 - 1 列 举了几种元件保护装置中与潮流有关的整定项。 由表4 - 1 可知，在元件保护整定中存在许多整定量与系统运行状况( 潮流) 有密切的联系，整定原则中规定考虑相应的极值，如最大不平衡电流，最低工作 电压等，以适应电力系统运行方式变化和故障类型变化，保证系统保护的选择性。 在实际整定中，这些量的整定一般按经验以相关的额定值为基础或者经验值进行 整定，但是，由于系统运行状况经常变化，这种整定方式得出的整定值，在变化 的运行方式下不一定是最佳整定值。在线整定中，可以对整定原则进行相应的改 动，采用实时获取系统潮流的状态进行整定，并在线检测相应量的变化，在线修 正定值，使其适合电力系统的实时运行状况，如l f p 9 2 1 b 断路器保护中零序启 动电流量，直接按躲实际运行零序不平衡电流整定，而不再取其零序最大不平衡 电流，此时对提高该整定量的灵敏度是显而易见的。该方法使与潮流相关的保护 整定量得到优化，保证了保护定值一直处于最佳状态，更好地为保障电力系统安 全运行服务。 一 3 9 华中科技大学硕士学位论文 表4 i 与潮流相关的部分元件保护整定量 类型整定项及意义 整定原则备注o l f p 9 2 1零序启动电流按躲过正常运行零序最大不平衡电流整 按经验公式 b 断路 l o o z d定o 1 o 5 1 n 确定 器保护三相不一致零 1 躲正常运行时线路零序不平衡电流一般按一次值2 5 0 a 序过流定值l 0 22 线路非全相运行时最小负荷电流下有整定 足够灵敏度 低功率因素角躲最大负荷功率因素角 一般取经验值 整定值p l z d 4 5 0 9 0 0 j d b 5 0 0 手合开关加速躲正常运行时的最低电压 一般取0 9 u 。 断路器回路： 保护电压元件u e w m z 一 c t 断线定值接于零序差回路的电流回路断线闭锁元 最大不平衡电流一 4 1 母线 l 0 8件，按躲过正常运行时的最大不平衡电 般按经验公式取： 保护 流整定 ( 0 i o 2 ) i l h 。 i l h 。为电流互感器 额定电流。 b p 2 b母差差动复合 1 母线对称故障时有足够的灵敏度来整母线最低运行电压 微机母电压闭锁：差定， 一般取6 5 线保护动保护低电压 2 在母线最低运行电压不动作，而在故7 0 u e 障切除后能可靠返回 4 4 在线整定相关问题的探讨 4 4 1 在线整定系统结构的探讨 在线整定系统要监视所管辖电网的运行状态，根据电网运行状态的改变实时 做出响应而且及时将修改信息反馈给现场运行的保护装置，因此，在线整定系统 中不仅需要有现场数据的采集装置，而且需要有控制装置，能够通过接口将修改 的定值可靠地传给保护。在线整定系统可以采用本文第三章探讨均定值校棱系统 。表中备注所列举的取值原则来源于华中电力调度通信中心，其他网省调可能存在差异 4 0 华中科技大学硕士学位论文 的实现模式，将数据的采集和信息的下发等交互工作交给现有的e m s s c a d a 系 统处理，也可以采用专有系统进行。下面介绍采用专有系统时的一些初步考虑： 在线整定系统在硬件结构上主要由主站系统和子站系统组成。子站系统将置 于厂站端，与现场装置通信，接收实时数据；主站系统将置于调度端，集中分析、 处理和存储实时数据，并根据实时数据计算保护定值，并将新定值实时反馈给现 场的保护装置。主站系统和子站系统时间通过g p s 保持一致，子站和主站通讯网 络可以是电力专用网，也可以通过公众电话网拨号实现。其基本结构图4 - 3 所示。 幽4 - 3 在线整定系统结构不意图 子站系统是整个系统处理实时数据的基础，它对实时数据的处理可以分为五 个部分： 保护信息传送：按一定周期读取保护装置的运行信息，并将各种保护定值 信息发送保护装置； 规约转换：子站管理机将不同规约的数据和内部的实时数据进行相互转 换； 网络数据发送：将规约转换后的实时数据向主站系统发送以及向局域网上 的其他结点广播； j 丑上塑强基型塾噬蝗圭堂垂鱼叁鲎笪枣笪堡：垦：篁堕塑鳌圭基丝鱼直塑堕 4 l 华中科技大学硕士学位论文 消息； 就地信息的整定：对于不与其他量配合的且整定不需要知道其它信息的量 实现就地整定和反馈。 主站系统接收子站系统的实时数据，存入专用数据库中，供在线整定系统分 析使用。实时数据接收处于中心地位，它驱动整个主站系统的运行，是在线整定 核心功能实现的关键。主站系统从功能上可以分为两个任务： 从局域网上接收子站系统传送数据，将数据保存于数据服务器，并能处理 相关信息，触发相应模块的处理( 如下一小节所探讨的在线整定事件启动) ； 实现在线整定计算，并将所得结果发送给对应的子站系统。 在主站和子站数据传送和处理过程中，需要交换的信息量是比较大的，传统 的单任务串行处理机制不能满足系统传送数据的要求。在线整定系统利用现有操 作系统多任务处理机制，采用并行处理方法，将需要交换数据的多个任务分为操 作系统的多个线程，由操作系统自动调度，多任务同时并列运行1 6 “，缩短系统的 处理时间，提高数据的处理效率，以满足在线整定对运行速度的要求。 4 4 2 在线整定的事件启动模式 在线整定的优势在于能实时监测电力系统的运行状态，当系统运行方式变化 时能及时响应，因此整定的启动方式不仅可以采用指定时间启动或者是定时间间 隔启动，而且可以采用系统运行方式变化和保护投退的变化触发的启动模式，即 事件启动的模式。当系统采用事件启动时，能实时响应系统运行方式变化和保护 投退的变化所引起的保护定值的变化，真正体现在线整定的优越性。计及潮流的 系统运行方式的变化包括两个方面：一方面是电力系统发电机、变压器、线路、 母线等各类元件的投停和检修，以及由故障引起的断路器跳闸操作，可以归纳为 系统网络结构的变化和厂站内部接线的变化，主要体现在断路器的开合以及隔离 开关的倒闸操作中；另一方面是系统出力的变化和负荷的变化，主要体现在系统 潮流量的变化，由于系统潮流变化是连续的，细微的变化显然不会对保护定值造 成较大的影响，因此在线整定时可以设置门槛值，以判断潮流变化的程度。 网络局部的变化对于定值的影响范围是有限的，往往就是扰动区域附近的保 护定值影响比较大，而远离扰动区域的保护影响较小，远离一定程度后扰动龄影 响可以忽略不计，也不需要整定，西此，此时只需要对特定的区域进行保护定值 的重新整定。当在线整定采用事件启动时，系统可以自动搜索影响区域，确定整 定范围，采用以下步骤进行： 一 4 2 华中科技大学硕士学位论文 1 ) 搜索系统中断路器开合和隔离开关变化的位置，投退变化的保护所在的位 置，以及潮流变化超过门槛值的区域，确定所直接影响的元件，如线路两端断路 器的开断决定了线路的投退，线路连接双母线的倒闸直接影响母线的运行等。 2 ) 整定所有受影响的元件，对于存在配合关系的保护，则需要向外一级扩大 范围，判断存在配合关系的上一级保护影响大小，当影响大于某一指定量时，则 还需进一步外扩范围，直至影响小于指定量。 采用自动确定整定范围时，不仅可以准确确定所影响保护的整定值，同时也 避免了全网整定，节约了时间，进一步满足在线整定对运行速度的要求。 4 4 3 整定的分区分层 现有部颁整定规程规定：上一级电压系统的保护装置尽量不伸出下一电压等 级母线，不同电压等级的保护装置之间相互配合，应满足逐级配合关系。如不满 足，上一级系统应给下一级电压系统规定整定限额，下一级系统必须遵循，以确 保电网的安全运行。因此，在线整定可以按电压等级分层进行。把变电所联络变 压器作为分界点，这样就可以把同一电压等级电网作为一个相对独立的系统来处 理。 现有电力系统管理中，基本采用分区管理的制度，全国电力系统按地理区域 分成了六大区域网局和几个独立省局，它们之间可能通过有限的联络线实现联网。 各个区域只关心所管辖系统的保护运行，分区整定已经在实际操作中普遍应用。 因此，在线整定中，将一个大型电网按电压等级以及管理区域分解为若干个小型 网络进行，这样减少了每次整定所需处理的数据量，提高系统处理的速度。 为了实现在线整定分层分区构想，将一个互联的电力系统按其计算要求，划 分为研究系统和外部系统两部分。研究系统就是要求整定计算的部分，包括边界 系统和内部系统；外部系统就是用户不关心的部分，可以采用等值法替代，通过 网络等值将外部系统等值到边界系统上。在线整定中，将外部网络等值( 甚至可 以是在线等值) ，采用分层、分区实现，可以降低全网网络方程矩阵的维数，减少 在线整定交换的信息，从而大大提高在线整定的速度。 4 4 4 整定中故障计算数学模型的选取 电力系统定值整定和校核过程中，需要足够快速和足够精确地进行大量的故 障计算和分析，而故障计算在数学上归结为对故障状态下网络方程的求解。网络 华中科技大学硕士学位论文 方程有阻抗型网络方程刀= 和导纳型网络方程】v = ，两种形式，其中矿为节点 电压列向量，为节点注入电流列向量，z 为节点阻抗矩阵，y 为节点导纳矩阵， z 与y 互为逆矩阵。故障计算在算法原理上可以描述为：当系统故障后，根据故 障位置和故障参数修改系统正常状态下的矩阵，得到故障状态下的网络方程，并 通过故障类型获得边界方程，然后联立求解网络方程和边界方程，得到故障状态 下的电压和电流。 节点导纳矩阵是稀疏矩阵，很容易形成，应用节点优化编号技术和稀疏技术 存储时所占内存少，网络变化时修改快，但在故障计算中需要解出节点方程的所 有变量，存在大量计算。节点阻抗矩阵一般都是满阵，形成速度慢，占用内存多， 但节点阻抗矩阵一旦形成，便能迅速、方便和直观地进行任意位置的故障计算， 每次故障只需进行少量的计算即可求解，在需要进行反复多次故障计算的应用场 合( 如整定和校核计算) 中速度优势明显，但是在处理多重复杂故障和网络中存 在多重互感线路时显得较为复杂，计算机实现困难。 定值整定和校核计算的速度很大程度上取决于故障计算的速度，而故障计算 的速度又很大程度上取决于计算用数学模型的选取。y 阵和z 阵在故障计算中的 应用各有优缺点，为了保证整定在线应用速度的要求以及编程的实现，可以结合 y 阵和z 阵的优势，在整定计算中同时应用y 阵和z 阵，即在普通故障计算中， 采用z 阵进行计算，而当计算互感线路发生故障时，则采用】，阵进行计算。故障 计算中采用y 阵与z 阵的结合，在最大程度上满足了在线整定对计算速度的要求。 4 4 5 在线整定的实现模式 在现有自适应整定计算中，一般采用“离线计算，分散存储，实时匹配”的 方法，即以电力系统主要运行方式作为初始方式，采用继电保护整定计算的常规 方法，离线完成系统多种可能状态下的整定计算，并将计算出每一种状态下继电 保护装置新定值以及对应的保护检测到的信息特征，分散存储在相应保护装置的 子自适应控制器的数据库中，形成整定值存储表。系统运行时，可以根据保护检 测到的信息特征匹配最佳定值，并通过子自适应控制器，调整保护定值，使之实 时适应电力系统运行方式的变化，这种实现方法显然只是局部的调整和改善，不 能从全局的角度进行定值的配合和计算，而且预先计算的方式总是有限的，不能 满足系统多种运行方式的要求。 在线整定理想的方式是对系统的工况进行实时测量，所有的计算与分析在此 基础上集乌丘腿。燕实畦反馈给现场装置，这= 左塞丕垃猛教：塞盟盆扳：塞虫 华中科技大学硕士学位论文 决策，实时控制”。对于一个稍大规模的电力系统来说，在当前电力系统的计算规 模，计算机实现的计算速度以及网络传输水平等条件下，要做到实时是很困难的。 在线整定实现中，可以根据整定量或者预备量的实际情况采用多种实现模式 的结合： 在某些量的整定上可以借鉴自适应保护实现的思想，采用“离线计算，实 时整定”方法，如零序补偿系数k 的计算，它的变化只是针对于某几种预先可知 的、只随互感线路本身的运行方式的变化而变化，因此可以离线地计算对应几种 方式下的k 值，在线整定中可以根据线路运行方式的不同采用不同的k 值进行整 定。 某一些不需要与相邻保护配合的量或者某一些量的某个相对独立的整定原 则，不需要网络其他信息就可以整定，则可以采用“实时检测，就地处理”的方 法。如相间距离i i i 段整定时，有一项整定原则要求躲开负荷阻抗，该原则的整 定不存在配合关系也不需要得到电网其他点的相应信息，只需实时检测本线路潮 流即可完成。因此，当不能满足上述原则时，可以进行就地调整，保证系统的实 时性。 而对于整定所需要的某些计算量较大的工作，如外部系统的等值等，这些量 的变化则是根据系统的变化而实时变化的，在某种意义上是不可预知的，可以采 用“在线预计算，实时整定”的方法，该方法在线跟踪实际工况，由于系统的正 常运行时变化总是相对平稳的，假定在一个合理的时间内( 如5 m i n ) 实际工况 不会有明显的改变，在线计算得到相应的值并保存。在线整定中，可以利用已经 计算好的某些值，结合系统的实时状态，从全局的角度上，实现实时状态下保护 定值的计算与配合。 新方案在一定程度上协调了需要实时响应以适应系统运行状况的要求和在线 整定计算过于复杂不能满足实时性这两者之间的矛盾，提供了一条实现在线整定 实用化的新思路。 4 5 小结 本章就继电保护在线整定的特点以及实现中的相关问题进行了初步探讨，其 中，讨论了考虑互感线路运行方式变化的接地距离保护感受阻抗计算公式，并分 析了潮流对保护定值的影响，而且提出了在线整定系统的系统结构和启动模式， 考虑了整定分层分区思想的实现和整定中故障计算数学模型的选取，并提出了一 华中科技大学硕士学位论文 种为提高处理速度的在线整定实现模式。 当然，做到真正意义的在线整定，在实时数据的来源，实时计算和操作的可 靠性，以及如何考虑人工干预等方面还有许多工作要做，其实现的技术难度也比 较大。而且，现有电力系统中微机保护和传统保护共存的局面必将长时间存在， 这同样是在线整定实用化不得不面临的难题。但是随着网络技术和计算机技术的 进步，特别是电力系统继电保护信息网的形成和发展，以及新型微机保护装置的 广泛应用，可以预见，在线整定计算研究必将更加深入，实用化成果也将会得到 应用和推广。 4 6 华中科技大学硕士学位论文 5 全文总结与展望 继电保护运行管理工作是电力生产部门极为重要且又繁琐复杂的工作之一， 实现继电保护运行管理工作的自动化是电力工作者长期以来追求的目标。目前国 内已经开发的相关应用软件，在实际应用中发挥着重要作用，但也存在着不足和 制约，本文提出的继电保护运行管理系统，在已有软件的基础上，在统一的数据 库平台中集成各类应用软件，实现了整个继电保护工作的自动化。本文所做的工 作总结如下： 1 ) 分析了现有继电保护应用软件的不足，提出了新代继电保护运行管理系 统的要求和基本设想。 2 ) 根据运行管理系统的基本要求，提出了系统的设计目标，设计了系统的总