（电气工程专业论文）大庆油田电网继电保护整定系统研究.pdf

中文摘要 继电保护是电力系统安全运行必不可少的技术措施和重要手段，保护定值的 准确整定又是继电保护装置正确动作的关键。而现有的地区电网继电保护整定 系统存在通用性和可维护性差、管理麻烦、操作不方便等缺点。本文在深入分 析大庆油田电网的自身特点和目前使用的继电保护整定系统的不足基础上研制 了大庆油田电网继电保护整定系统。 要成功开发继电保护整定系统，必须构建合适的电网数学模型和短路电流计 算数学模型，本文在分析大庆油田电网自身特点基础上，构建了11 0 k v 、3 5 k v 和6 10 k v 大庆油田电网数学模型、短路电流计算模型和各种保护整定计算数学 模型，提出了系统阻抗自动计算算法。 为满足大庆油田电网实际工作需要，对继电保护整定系统所需具备的各种功 能进行了分析，给出了系统结构框图，确定了系统的主要功能模块及其实现方 法，明确了数据库的主要结构，提出了提高整定系统安全性的具体措施。 软件开发是继电保护整定系统的核心，在分析系统功能需求基础上，采用 m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o2 0 0 5 中的v b n e t 和s q ls e r v e r2 0 0 0 研制开发了具有拓扑 分析、短路计算、保护整定、图形建模、日志文件自动生成和数据库文件定期 自动备份等功能的大庆油田电网继电保护整定系统，通过实例和实际应用对采 用整定系统进行保护整定进行了验证。 关键词：继电保护整定；系统阻抗自动计算；拓扑分析；短路计算；图形建 模 a b s t r a c t r e l a yp r o t e c t i o ni sa ne s s e n t i a lt e c h n i c a lm e a s u r ea n di m p o r t a n tm e a n sf o rs a f e o p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m t h ep r o t e c t i o no ff i x e dv a l u ea c c u r a t es e t t i n gi st h ek e yt o t h ec o r r e c t o p e r a t i o no fr e l a yp r o t e c t i o nd e v i c e h o w e v e r , t h e r ea r es o m e d i s a d v a n t a g e si n t h e e x i s t i n gp o w e rg d d sr e l a yp r o t e c t i o ns y s t e m ，s u c ha s i n c o n v e n i e n to p e r a t i o n ，p o o rm a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n t t h i st h e s i sd e v e l o p s d a q i n go i lf i e l dp o w e rg r i dr e l a yp r o t e c t i o ns e t t i n gs y s t e mb a s e do nd e e pa n a l y s i so f d a q i n go i lf i e l dp o w e rg r i dc h a r a c t e r i s t i c sa n ds h o r t c o m i n g so ft h ec u r r e n tr e l a y p r o t e c t i o ns e t t i n gs y s t e m i no r d e rt od e v e l o pr e l a yp r o t e c t i o ns e t t i n gs y s t e m ，i ti sn e c e s s a r yt ob u i l d a p p r o p r i a t ep o w e rg r i dm a t h e m a t i c a lm o d e la n ds h o r t c i r c u i tc u r r e n tc a l c u l a t i o n m a t h e m a t i c a lm o d e l b a s e do n a n a l y s i s o fd a q i n go i lf i e l d p o w e rg r i d c h a r a c t e r i s t i c s ，t h et h e s i sb u i l d s11 0 k v , 3 5 k va n d6 1 0 k vd a q i n go i lf i e l dp o w e r g r i dm a t h e m a t i c a lm o d e l ，s h o r t - c i r c u i tc a l c u l a t i o nm o d e la n dv a r i o u sm a t h e m a t i c a l m o d e l so fp r o t e c t i o ns e t t i n gc a l c u l a t i o n a n da u t o m a t i cc a l c u l a t i o na l g o r i t h mo ft h e s y s t e mi m p e d a n c ei sa l s op r e s e n t e d t os a t i s f yt h ea c t u a lw o r kn e e d so fd a q i n go i lf i e l dp o w e rg r i d ，t h i st h e s i s a n a l y z e sv a r i o u sf u n c t i o n sw h i c ha r er e q u i r e dt or e l a yp r o t e c t i o ns e t t i n gs y s t e m t h e s y s t e mb l o c kd i a g r a mi sg i v e n t h em a i nf u n c t i o n a lm o d u l e so fs y s t e ma n dt h e i r i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d sa r ei d e n t i f i e d t h em a i ns t r u c t u r eo ft h ed a t a b a s ei sd e f i n e d a n dt h e s p e c i f i cm e a s u r e so fi m p r o v i n gt h es e c u r i t yo ft h es e t t i n gs y s t e ma r e p r e s e n t e d s o f t w a r ed e v e l o p m e n ti st h ec o r eo ft h er e l a yp r o t e c t i o ns e t t i n gs y s t e m b a s e d o na n a l y s i so fs y s t e mf u n c t i o nr e q u i r e m e n t s ，v b n e ti nm i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o2 0 0 5 s q ls e r v e r2 0 0 0a r eu s e d ，a n dd a q i n go i lf i e l dp o w e r 鲥dr e l a yp r o t e c t i o ns y s t e m w i t ht h ef u n c t i o no ft o p o l o g ya n a l y s i s ，s h o r t c i r c u i tc a l c u l a t i o n ，p r o t e c t i n gs e t t i n g ， g r a p h i c a lm o d e l i n gt od e v e l o pt h ep r o t e c t i v er e l a y ss e t t i n gs y s t e mo ft h ed a q i n g a u t o m a t i c a l l yg e n e r a t e dl o gf i l e sa n da u t o m a t i cb a c k u po fd a t a b a s ef i l e s ，e t ch a sb e e n d e v e l o p e d t h es y s t e mh a sb e e nt e s t e da n dv e r i f i e dw i t he x a m p l e sa n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：p r o t e c t i v er e l a y ss e t t i n g ；a u t o m a t i cc a l c u l a t i n gi m p e d a n c eo f p o w e r s y s t e m ；t o p o l o g ya n a l y s i s ；s h o r t c i r c u i tc a l c u l a t i o n ；g r a p h i c a lm o d e l i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂或其他教育机构的学位或证书使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 学位论文作者筝名痞函妨签字r 期枷9 年y 月弓r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授 权丞洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用于本授权说明) 学位论文作者签名绥隧专争 导师签名： 签字同期：如。了年p 月弓7 同 习蚀废 签字r 期：_ 计肿 | 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究的目的和意义 当系统由于设备故障、自然的或人为的原因，导致电网中的某处发生故障 或处于非正常工作状态时，需要继电保护装置能迅速、准确的将故障部分切除， 以保证电网的稳定运行，并最大限度的保证非故障地区的连续、可靠供叫1 , 2 1 。 大量实例表明，几乎所有的大范围停电都与继电保护装置的误动作有直接或间 接的关系【”】。因此，继电保护装置是电力系统安全运行的重要保- 证1 6 , 刀。 为了满足电网对继电保护装置提出的可靠性、灵敏性、选择性和速动性要 求，充分发挥其保护性能，必须合理地选择保护定值。所以，继电保护定值的 准确整定是电力系统安全运行的必要条件p ，j 。然而，继电保护定值的整定计算 又是一项十分复杂的工作，需要考虑很多因素，尤其是需要考虑运行方式和接 线方式对整定定值的影响i 胁1 3 j 。电力系统的运行方式又受到负荷变化、设备轮 换检修等因素的影响而不断变化，必须对各种可能的运行方式和设备故障情况 进行统计和周密的考虑，所以精确的整定计算需要处理大量的数据【1 4 j 5 。另外， 电力系统还存在着各种复杂、不规则接线方式，如多重互感线路、多重t 接线 路变压器等，增添了网络拓扑识别以及整定配合的难度l 1 8 】。 大庆油田电网现有1 1 0 k v 变电所3 1 座，3 5 k v 变电所2 5 9 座，1 1 0 k v 输电 线路6 5 条，3 5 k v 输电线路3 7 6 条，1 0 k v 和6 k v 配电线路5 0 0 0 多条，是全国 最大的企业网。油田电网的骨干3 5 k v 输电线路已成环网运行，有t 接、双t 接、双回线与单回线、单回线与双回线的配合，对这种复杂的电网，继电保护 整定计算是一项十分繁杂的工作。由于产能建设需要，油田电网发展很快，网 络结构经常发生变化。微机保护在油田电网中己逐渐大量应用，目前已有1 2 座 1 1 0 k v 变电站，1 1 3 座3 5 k v 变电站采用了微机保护。这些因素都增加了继电保 护整定工作的难度及工作量，仅靠人工手动计算来完成全网继电保护整定已非 常困难。 在这样的时代背景下，在计算机软硬件技术特别是w i n d o w s 技术发展的推 动下，充分利用现有计算机的计算能力，实现继电保护整定计算的自动化，为 整定计算人员提供更强大的计算能力和更便捷的操作管理手段，迸一步提高整 定计算的精度和效率，从根本上把整定计算人员从繁杂的计算中解放出来，成 为必然要求和新的研究热点【1 7 2 0 j 。国内许多电力部门已逐渐开始采用计算机来 第一章绪论 进行继电保护的整定计算工作，但由于各地区电网结构不同，采用继电保护装 置的类型不刚2 1 ，2 2 】，到目前为止，国内还没有一个通用的继电保护整定系统【2 3 甜】。 因此，有必要开发种适用于大庆油田电网的继电保护整定系统。 本文开发的大庆油田电网继电保护整定系统可对油田电网11 0 k v 、3 5 k v 及 1 0k v 6 k v 各电压等级的输、变、配电设备进行保护定值整定。该系统通过建 立、优化大庆油田电网数学模型及各种继电保护整定计算数学模型，可大大减 小整定计算量，提高整定速度：实现各种保护上、下级之间的配合，并具有良 好的可扩充性和对新型保护装置的适应性。其应用可大大降低继电保护工作人 员的劳动强度，提高其工作效率，对于提高继电保护整定水平和保证电网安全、 稳定运行具有重要意义【2 5 2 r 1 。 1 2 继电保护整定的研究现状和发展趋势 早期保护定值的整定计算主要依靠人工并辅以专用的计算工具( 如各种类 型的短路计算台) 来完成。用人工方法进行继电保护整定计算一般要经过以下 步骤： ( 1 ) 绘制电力系统接线图； ( 2 ) 绘制电力系统阻抗图，包括正序、负序、零序三个序网： ( 3 ) 对设备参数进行标幺值计算，建立电力系统设备参数表； ( 4 ) 确定继电保护整定需要满足的电力系统规模及运行方式变化限度： ( 5 ) 根据故障计算结果、保护原理、运行经验进行保护整定计算，并进行 校验，建立各种继电保护整定技术表； ( 6 ) 对设备参数和定值数据的进行人工管理； ( 7 ) 按继电保护功能分类，分别绘制出整定值图； ( 8 ) 编写整定方案报告书，着重说明整定原则、整定结果评价、存在的问 题及采取的对策等。一般应包括：方案编制时间、电力系统运行方式选择原则 及变化限度，主要的、特殊的整定原则等 2 8 2 9 】。 这种整定方法计算量大，工作时间长；在计算时只能考虑少数几种有代表 性的运行方式【3 0 川；对一些复杂的计算，往往要做若干简化或根本不予考虑。上 述缺点都使保护定值的计算速度和精度受到限制，无法满足生产的需要。 3 2 , 3 3 】 从2 0 世纪7 0 年代开始，人们开始利用计算机来进行保护定值的整定计算。 在这方面，国外学者起步较早，并己开发出一些商用软件1 3 4 , 3 5 】。最早见诸文献的 是g e p h a d k e 的“利用计算机计算过流保护定值的方法”一文( 1 9 6 3 年) 。相对 而言，国内继电保护整定计算软件的研究起步较晚 3 6 , 3 7 。2 0 世纪7 0 年代及以前， 2 第一章绪论 保护的定值计算主要依赖人工，计算工作相当繁琐，工作效率十分低下 3 s , 3 9 。2 0 世纪8 0 年代开始，保护的定值计算开始向利用数字计算机的方向发展，进入了 人工计算加电流程序的阶段，即短路计算部分由人工转为由计算机完成【4 0 啦】。 这种方式在算法上虽然可以计算很多以往用计算台难以计算的问题，使定值计 算的速度和精度都发生了质的变化【4 3 , 4 4 1 ，但是人工利用通用短路电流计算程序的 定值计算方法仍然需要计算者用人工方式调整计算内容、查找计算结果、并用 人工方法最后算出保护定值【4 5 斯】。 2 0 世纪9 0 年代，计算机软硬件技术与数据库技术的快速发展为继电保护整 定计算软件的开发提供了良好的软硬件支持【4 7 4 8 1 。同时，继电保护整定计算算法 的研究也取得了长足的发展。这都为新一代继电保护整定计算软件的开发与推 广奠定了坚实的基础。主要表现在： ( 1 ) 数据库技术的引入 整定计算软件涉及的数据量大、种类繁多，且用户对数据的管理要求越来 越高。数据库技术的引入，对于满足用户需求、保证软件数据调用的可靠性和 快速性，起到了至关重要的作用 4 9 , 5 0 。目前，o r a c l e 、s q ls e r v e r 、a c c e s s 等大 中型数据库系统在继电保护整定计算软件的开发中得到了广泛地应用 5 1 , 5 2 。 ( 2 ) 人机交互图形界面的引入 文献【5 l 】介绍了华东电网图形方式短路电流计算软件。该软件具有单独的图 形显示系统、图形编辑系统、坐标定位系统、图形打印系统等配套程序，在图 形功能方面较完善。文献 5 2 】提出了一种界面图形化的电力系统短路计算智能系 统，它以电网拓扑结构数据库为基础，采用了图形界面，这种方法的优点是人 机界面友好，易于操作。但均没有进一步将图形功能与整定计算结合起来，还 不够完善。 ( 3 ) 模块化与面向对象编程技术的引入 模块化编程的基本思想是将一个大的程序按功能分割成一些小模块，其特 点是各模块相对独立、功能单一、结构清晰和接口简单。这种编程思想降低了 程序设计的复杂性，可缩短开发周期，避免程序开发的重复，易于维护和功能 扩充。其开发方法为自上向下、逐步分解和分而治之。 面向对象( o b j e c to r i e n t e d ，o o ) 是2 0 世纪9 0 年代软件开发方法的主流。 面向对象的概念和应用已超越了程序设计和软件开发，扩展到数据库系统、交 互式界面、应用结构、应用平台、分布式系统和网络管理结构等领域【5 3 1 。面向 对象的程序设计方法是进行软件开发的最好方案，它解决了传统软件开发中难 以实现的代码共享程序没有可移植性等问题，允许开发者可以在同一系统的不 同应用中可以共享代码，极大地提高开发效率。 第一章绪论 目前，国内一些公司和科研院所相继推出了各自的产品，有代表性的有北 京中恒博瑞数字电力科技有限公司的“继电保护故障分析整定管理及仿真系 统”、华中理工大学的“继电保护整定计算管理软件”和山东中调的“继电保护 整定计算软件”等。这些软件与以往的整定方法相比，功能相对完善，且整定 计算的精度和效率均得到了一定程度的提高，已在一些地区获得成功应用，并 在生产中产生了良好效益。 但这些整定软件一般都是按照部颁规程和各种保护的通用整定方法，在故 障分析基础上进行计算分析，并输出整定计算结果。目前来看，这些整定软件 还存在如下不足： ( 1 ) 电网内各个电力元件( 包括母线、线路、变压器等) 最大、最小运行 方式下的系统阻抗信息均需人工计算后输入，这种人工计算方式不但增加了继 电保护整定人员的工作量，而且容易产生计算错误； ( 2 ) 只能适用于某一地区电网的某些类型电力设备，所针对的以及所考虑 的情况十分有限，通用性差，很难普遍适用； ( 3 ) 针对某一固定电压等级电网设计，适用范围有限： ( 4 ) 在程序的开发过程中不能充分发挥继电保护整定工程师的作用； ( 5 ) 没有建立合适的电网数学模型，整定计算工作量大，整定实时性较差； ( 6 ) 一个电网多个整定系统，数据库不统一和信息管理麻烦； ( 7 ) 系统软件操作不方便和响应时间长； ( 8 ) 数据库文件过多，导入、导出时很不方便； ( 9 ) 系统缺乏良好的可维护性及可扩充性。 随着我国电力系统的快速发展，地区电网规模愈来愈大，接线方式和运行 方式日趋复杂，国内众多继电保护装置生产厂家生产的产品五花八门，保护原 理及其配置方案也不尽相同，因此，开发一套具有通用性、实用性、可维护性 和可扩充性且能克服上述不足的地区电网继电保护整定系统具有很高的实用价 值。 1 3 主要研究内容 本文以继电保护整定为研究对象，在分析大庆油田电网特点和目前使用的 继电保护整定系统的不足基础上，研制大庆油田电网继电保护整定系统。主要 研究内容包括： ( 1 ) 分析大庆油田电网基本情况，构建适用于l1 0 k v 、3 5 k v 和6 1 0 k v 等 多电压等级的大庆油田电网数学模型、短路电流计算数学模型和各电力元件各 4 第一章绪论 种保护整定计算数学模型，给出系统阻抗自动计算算法和短路电流计算算法； ( 2 ) 在分析整定系统所需各种功能基础上，给出系统结构框图，确定系统 主要功能模块及其实现方法，建立大庆油田电网各电压等级线路、变压器等电 力元件的电气参数、继电保护方案的信息管理数据库，给出合法用户检查、输 入参数和图形完整性检查等提高整定系统安全性的措施； ( 3 ) 以m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o2 0 0 5 为开发平台，以s q ls e r v e r2 0 0 0 为底 层数据库，编写软件，研制大庆油田电网继电保护整定系统，并进行软件调试， 通过实例和实际应用验证采用整定系统进行保护整定的正确性。 5 第二章大庆油田电网整定计算数学模型的建立 第二章大庆油田电网整定计算数学模型的建立 2 1 大庆油田电网简介 大庆油田电网现有1 1 0 k v 变电所3 l 座，3 5 k v 变电所2 5 9 座，1 1 0 k v 输电 线路6 5 条，3 5 k v 输电线路3 7 6 条，1 0 k v 和6 k v 配电线路5 0 0 0 多条，是全国 最大的企业网。 大庆油田电网位于黑龙江电网西部，担负着大庆石油石化生产建设、大庆 市地方工业和城市居民生活发电、供电及供热任务。现有1 1 0 k v 变电所3 1 座， 3 5 k v 变电所2 5 9 座，1 1 0 k v 输电线路8 8 8 4 千米，3 5 k v 输电线路2 1 7 8 2 2 千 米，1 0 k v 和6 k v 配电线路4 0 4 千米。供电网覆盖大庆油田、大庆市区及大庆 周边地区。近年来，供电公司大力实施“科技兴电”战略，加大电网技术改造 力度，做精做强电网核心技术，稳步推进“开关无油化、保护微机化、检修状 态化”管理，在供电自动化控制、等电位带电作业、线路氧化锌防雷、降阻模 块、在线检测技术应用等方面，均处于全国石油系统领先地位，继电保护动作 正确率达9 9 5 ，供电可靠率达9 9 9 ，变电所由“少人值班”逐步向“无人 值守”过渡。 油田变电站不仅数量多而且分布广泛，由于大庆油田的地理位置基本上是 一个由西北到东南的狭长地带，南北长2 0 0 多公里，东西宽4 0 多公里。在油田 的中心地区油井密度高、负荷重、线路短；在油田的边缘地区负荷较轻、线路 较长。这样使继电保护整定计算具有更多的特点，要考虑长线与长线、长线与 短线、短线与短线的配合问题。 按照规定，大庆油田电网采用2 2 0 k v 环网、11 0 k v 开环接入的方式。根据 电量的供需关系，经过分析和计算，l1 0 k v 变电站分别以辐射网的形式连接于 各个2 2 0 k v 变电站。也就是说，正常运行方式下每条11 0 k v 母线只能通过一个 2 2 0 k v 变电站与系统联系。 由于电网中有多条双回线、t 接线以及双回t 接线，这使得运行方式的调度 比较灵活。运行方式的灵活性对保护的整定工作带来很多问题，对某些保护在 不同运行方式下不得不采用多套定值。运行方式尤其对零序电流保护带来很大 的影响。整定保护定值的难点还不仅在于运行方式的多变，电网结构的不合理 也造成了保护定值难以满足各种规定。当长线路保护作为短线路保护的后备时， 在保护定值的选择上很难同时满足选择性和灵敏度的要求。 6 第二章大庆油田电网整定计算数学模型的建立 2 2 大庆油田电网数学模型的建立 电力系统2 2 0 k v 及以上电压等级的电网是环网运行的，因此，根据电网结 构确定了描述该电网的数据模型为网状模型。大庆油田供电网已经构成了一个 庞大的电网，各种保护的整定计算都在该网上进行，建立什么样的数学模型以 便于计算机能够正确识别这个电网，如何建立规范的数据库都将直接影响到各 种算法，并影响到整个程序的性能，因此，必须加以认真分析。 油田电网正常运行时呈辐射状运行，某一个一次变电所可以同时带多个二 次变电所，但是某一个二次变电所不可能有两个一次变同时向其供电。继电保 护计算时也需与下一级变电所相配合。采用树状模型从文件的存储、查询操作 看也比较简单。因此，采用树状模型描述该电网似乎是必然的。然而，通过实 际应用，发现采用树状模型存在两个方面的问题，以图2 1 为例说明。图中变电 所1 、4 、6 均为一次变，变电所2 、3 、5 、7 、8 为二次变，开关2 0 6 和5 0 7 是 常断点。 图2 - 1大庆电网局部系统图 ( 1 ) 常态方式下，一次变电所1 通过变电所2 向变电所8 供电。非常态运 行方式时，变电所8 也可以分别由其它一次变4 或6 向其供电。所以，变电所8 分别存在于一次变电所1 、4 、6 为根节点的三棵树中。根据这一原则，网络中 有多少一次变电所就要建立多少棵树。从图中可以看出，采用树状模型描述这 个简单的电网就需建立三棵树，而且这三棵树很多结点是相同的。这样在建立 这些棵树时，就会有大量的数据重复输入，存在着大量的数据冗余。 第二章大庆油田电网整定计算数学模型的建立 ( 2 ) 与手工计算相比增加了工作量。手工计算时只需画出系统总体配置图、 阻抗图。若采用树形结构描述，则还必须画出每一棵树，增加了几倍的绘图工 作量。 出现上述问题的本质，是没有按照电网实际接线结构选择模型，而是根据 所要解决问题的性质选择数学模型，这样就无法描述出电网的真实结构。图2 1 中的电网接线结构已经构成了环状网络，应该用网状模型来描述。这样，数学 模型与实际电网结构才能一致，并减少数据冗余。对于各种运行方式选取以及 如何进行短路和保护计算，可以采取从网络图中抽取某一“树”的方法进行计 算。本文采用了“网状模型”来描述大庆油田电力网。 由于配电网结构复杂，保护种类繁多，同时不同变电所的保护种类也不尽 相同，这就给我们的软件设计工作带来了极大的困难，如何合理的建立数据库 就显得尤其重要。经过反复论证，决定在描述电网阶段以电网的基本参数为基 础建立最简单的数据库结构，把“t ”接线在“t ”接点处分成3 条分支线路， 其中对每一条分支线路不作特殊处理，只对“t ”点进行特殊标识。把复杂的数 据关系留在具体的功能中实现，以便于清晰的描述网络结构。通过研究分析， 确定首先建立三个数据库：线路参数数据库、变电所参数数据库和整定计算结 果数据库，然后软件系统自动生成两个拓扑结构数据库。二个节点之间的参数 均在线路参数数据库中，变电所参数均在变电所参数数据库中，整定计算结果 数据库用来存放各种保护计算结果，两个拓扑结构数据库用于描述变电所之间 的关联关系。 1 线路参数数据库 建立线路参数数据库前应找出能描述线路全部情况并满足计算需要的数 据，并尽量减少与电网基本结构无关的数据项。 为能快速查询线路参数，决定采用随机文件，每条线路参数在文件中存储 的记录号代表该线路的编号，不需要计算人员对线路进行编号。 2 变电所参数数据库( z b c s ) 变电所参数数据库也采取随机文件存储，且随机文件的记录号与变电所编 号相对应。酲口编号为2 5 的变电所参数就存在变电所参数数据库的第2 5 记录中， 这样做对查询变电所参数极为方便。 上述两个数据库的数据均为电网结构的基本参数，应由用户手工输入。 3 网络拓扑结构数据库的形成和应用 通过线路参数数据库，计算机已经可以识别这个电网的连接情况，但还不 能进行快速查询。因为在计算过程中一般是以变电所编号来查询线路，例如计 算图2 1 中线路保护1 0 6 ，计算时只给出该线路两端节点号，若查找该线路 第二章大庆油田电网整定计算数学模型的建立 参数仍需一个记录一个记录地读线路参数数据库，直到取出的线路参数节点号 与相等才算找到该线路。查询速度受线路的多少和存储的位置影响较大。 为了计算机调用的方便，再建立两个反映线路存储位置和节点关联情况的 数据库( i j l 和u 2 ) ，称为拓扑结构数据库( 相当于压缩的关联矩阵) 。网络拓扑结 构数据库的形成不需要人工输入数据，可以由程序调用线路参数数据库自动生 成。这二个数据库也采用随机文件存储。 ( 1 ) 类型：随机文件，记录宽度2 0 ，数据项1 5 个； ( 2 ) 文件的意义：这二个随机文件的记录号均与变电所编号相对应。数据 库i j 2 中的每个数据项的数值分别表示与该变电所相连的另一变电所编号，即： 如果数据项的值不为0 ，则在这二个变电所之间就存在一条线路。数据库i j l 中 对应的数据项值的绝对值表示该线路在线路参数数据库中的存储位置，也就是 记录号。由于计算过程中需要区分每条线路二侧的参数，将i j l 中的数据项设计 成有符号的。 如图2 - 2 所示网络，已知线路参数存储在线路参数数据库x l c s 中，利用线 路参数数据库x l c s 形成拓扑结构数据库。 变电所 变电所变电所 图2 - 2 电网网络 网络拓扑结构数据库的应用主要有以下二个方面： 应用实例一：已知线路两端节点号i 和j ，查找线路参数记录号c 的算法。 分析：当已知两个节点号时，可先查看一下数据库i j 2 ，判断出是否这两个 点相关联，即：是否存在一条线路。若在这两个节点间存在线路，则到i j l 文件 中取出该线路参数在x l c s 文件中的记录号，这样就可根据记录号查到该线路 的参数：若在这两个节点间不存在线路，则程序发出出错信息。 应用实例二：已知某变电所节点号i ，将该节点连接的所有线路的对侧编号 存入数组j ( p ) 。 分析：当已知某变电所节点号时，可先查看数据库i j 2 ，判断是否与其相关 9 第二章大庆油田电网整定计算数学模型的建立 联的节点，若没有则程序返回；若有则将所关联节点号存放在数组j ( p ) 中。 可以看出，用这种方法建立的网络，读取网络的连接情况的时间只与本身 线路复杂程度有关，而与网络中总线路数无关。另外，线路参数文件中没有该 线路所装设的保护类型标记，每线路所装设的保护类型在计算时输入。这样 不仅使线路参数文件容易建立，并且使程序具有良好的扩充性，在后续的编程 中可方便地增加距离保护、横差、平衡保护等其它各种类型的保护模块，只需 做很少的改动。 2 3 大庆油田电网短路电流计算模型 在电力系统继电保护定值整定计算中，短路电流计算是一项不可缺少的基 本计算，为了合理地配置各种继电保护装置并使它们正确地动作，必须对电力 网中发生的相应短路进行计算和分析。在这些计算中不但要知道故障支路中的 电流值，还必须知道电流在网络中的分布情况。有时还要知道故障支路中的某 些节点的电压值。短路电流计算也为后面的保护定值计算提供了重要的参数。 目前，在高压电网短路电流计算时，普遍采用导纳矩阵的方法，但由于大 庆油田结构复杂，节点众多，若采用矩阵算法是相当麻烦的，因此，人们也一 直在寻求一种适用于配电网的简单方便的计算机算法。 2 3 1 短路电流近似计算算法 通过分析大庆油田1 1 0 k v 及以下电压等级配电网的情况可知，其电源是由 2 2 0 k v 电压等级电网通过变压器向这个地区网络供电的，整个电网呈辐射状运 行，因此可认为短路发生在离电源点较远的地方，短路电流周期分量的幅值是 不随时间而改变的。 计算时略去负荷，选定基准功率和基准电压v n = v a ，为短路处电压等 级的平均额定电压，算出电源对短路点的综合电抗的标么值妨幸，电源的电势 标么值取作l ，于是短路电流周期分量厶奉的标么值为 l p 奎= 1 x i z 凇 ( 2 - 1 ) 有名值为 易5 易2 溉宰 ( 2 2 ) 厶为所选基准功率岛对应于短路处电压等级的基准电流。相应的短路功率 为 s = s b x 龙幸 ( 2 3 ) 这样算出的短路电流( 或短路功率) 要比实际的略大些，但是它们的差别 l o 第二章大庆油田电网整定计算数学模型的建立 随短路点距离的增大而迅速地减小。因为短路点愈远，电源电压恒定的假设条 件就愈接近实际情况，尤其是当发电机装有自动励磁调节器时，更是如此。 实际计算时把系统等值成一个无限大功率的电源经一个电抗供电的网络。 例如，在图2 3 所示的电力系统中，母线c 左边的部份实际包含有许多发电厂、 变电所和线路，可以表示为经一定的电抗憨接于c 点的无限大功率电源，题可 由在母线c 发生三相短路时系统提供的短路电流l s ( 或短路功率风) 利用公式 ( 2 2 ) 或( 2 3 ) 推算出来： x s 奉= b 仫= s b s s ( 2 - 4 ) 式中，尽和风为有名值，木是以岛为基准功率的电抗标么值 2 3 2 配电网短路电流计算 图2 - 3 电力系统图 大庆油田1 1 0k v 及以下电压等级配电网结构复杂，节点较多，正常运行方 式呈辐射状运行，配合保护整定工作用到的运行方式较多，如果应用矩阵方法 计算该电网的短路电流是相当复杂的。本文针对短路电流计算的目的，提出了 与继电保护整定计算相结合的同步计算短路电流的方法。现以图2 4 与图2 5 所 示的大庆油田电网的局部网络为例，分别介绍短路电流计算的几种方法。图中 每一个节点代表一个变电所( 或t 接点) ，变电所编号用卜3 0 0 表示，“t ”接点 编号用3 0 1 3 5 0 表示。 1 短路电流手工计算方法 手工计算就是根据电网保护配合情况，从一次变开始计算，将电源等值阻 抗、线路阻抗逐级相加并进行比较，取最大运行方式下最小的短路阻抗和最小 运行方式下最大的短路阻抗，便可计算出某一节点最小和最大方式的短路电流。 如计算经过节点3 2 4 到7 4 的短路阻抗，通过观察，根据继电保护配置情况，就 可判断出有两条线路向其供电，一条是节点2 5 l 一3 2 4 7 4 ，另一条是节点 2 6 2 _ 8 4 3 2 4 _ 7 4 。因此，将节点2 5 1 和2 6 2 的系统等值阻抗分别加上相应的 线路阻抗，便可计算出二个电源到“t ”节点3 2 4 在最大方式和最小方式下的短 路阻抗，然后再加上节点3 2 4 至7 4 的线路阻抗，便能够得到经过节点3 2 4 到节 1 1 第二章大庆油田电网整定计算数学模型的建立 点7 4 的最大方式和最小方式的短路阻抗。 南五一次变遑多杏北一次变拶 1 i 段 1 秒 5 秒 图2 - 4 网络配置图 2 短路电流的计算机算法 手工计算工作量大，重复性计算多，常常因为工作人员的疏忽造成计算错 误。为了减轻工作人员的工作量，提高短路电流计算的正确性，可以通过计算 机模拟手工计算方法对短路电流进行计算。 采用计算机计算短路电流通常的办法是按照运行方式的情况，将每座一次 变均作为一个根节点，把与其相连的二次变作为叶节点，将整个电网分割成多 个向下生长的树，一棵树一棵树地进行计算，经比较后求出各节点的最大和最 小短路阻抗。可将图2 - 4 的电网分成如图2 6 所示的三棵树。 计算机可以根据可能出现的运行方式，先从节点2 5 1 开始，计算出2 5 1 _ 3 2 4 的电流，然后分别计算3 2 4 - - , 8 4 和3 2 4 7 4 _ 7 6 的电流；第二步从2 6 2 开始， 计算2 6 2 - 8 4 _ 3 2 4 的电流，然后分别计算3 2 4 _ 2 5 1 和3 2 4 _ 7 4 等等，由于 3 2 4 - - - * 7 4 已经在另一个树中计算出结果，可以把这二次的结果相比较；第三步从 2 5 6 开始继续进行计算，直到所有的树计算完毕，最后得到经过节点3 2 4 到 节点7 4 的短路阻抗。 1 2 第二章大庆油田电网整定计算数学模型的建立 南五一次变适多 、 杏北次交电乡 7 、 图2 5 网络阻抗图 9舀 图2 - 6 用于短路电流计算的“树” 1 3 系统最小 大短路阻 0 17 4 l 和 9 归算至该 最小和最 路阻抗分 o 3 2 0 5 和 5 4 第二章大庆油田电网整定计算数学模型的建立 这种方法对于节点数较少的电网来说是比较实用的，但对于节点数多，结 构复杂的电网而言，由于要进行复杂的逻辑判断、循环和存储，在程序的编制 和调试方面都要投入很多的时间和精力，而且不能与继电保护整定计算结合起 来。 3 短路电流与继电保护整定计算相结合的同步计算法 上述短路电流的计算机算法存在着以下不足： ( 1 ) 计算电网中某一节点的短路电流，要对电网中所有的树进行计算，计 算量很大，需要花费较长的时间，浪费计算机资源。 ( 2 ) 当电网中有线路参数变化时，若需计算某一保护整定值，就要重新计 算整个电网的短路电流。 ( 3 ) 短路计算的结果不能被保护方案计算程序直接使用。例如计算节点2 5 1 到3 2 4 的线路保护时，需要用节点3 2 4 到7 4 的短路阻抗检验灵敏度，因为该短 路阻抗是由节点8 4 计算过来的，因此得出的灵敏度是不正确的。 通过对该类电网结构的研究，提出了短路计算与保护整定计算相结合的同 步计算法，从而有效地解决了上述短路电流 计算方法的缺陷。具体原理如下： 首先将被计算的线路的末端节点作为 根节点，以该线路本身作为树干，向该线路 首端逆向查询，根据可能的图2 - 6 用于短路 电流计算的“树”运行方式，将与之相连的各 变电所作为叶节点，形成一个向上生长的 树。例如计算节点7 4 到7 6 的短路阻抗，可 以把节点7 6 作为根节点，逆向查询到节点 7 4 ，再判断节点7 4 连接哪些变电所。利用 一吠 图2 7 计算树模型 深度优先原则，对图2 - 6 进行遍历，首先从节点7 6 7 4 3 2 4 2 51 ，找到第一 个一次变，将路径的总阻抗和一次变2 5 1 的最大、最小系统阻抗相加得出的结 果保存下来，第二步从节点2 5 1 退回一节点3 2 4 ，再到节点8 4 。由于杏十八变 电所4 1 8 3 6 保护与杏六4 6 3 6 保护动作时间相同，即：没有通过节点8 4 向7 4 供 电的运行方式，因此，不需要计算从此分支过来的短路电流。最后形成图2 7 所 示的树。 由此可见，这种方法是针对计算某种保护而进行的短路电流计算，不需要 对全网所有的树进行计算，因此，短路电流计算的结果可直接用于继电保护整 定计算。 1 4 第二章大庆油田电网整定计算数学模型的建立 2 4 大庆油田电网继电保护整定数学模型 2 4 1 1 1 0 k v 电网继电保护整定数学模型 1 1 0 k v 电网被保护的电力元件有单回线、双回线、两绕组变压器、三绕组 变压器和母线等。 ( 1 ) 1 1 0 k v 单回线方向电流电压保护 电流保护： 按保证线路末端变压器l l o k v 母线两相短路可靠动作， 定： 压一 i s 2 石两氮翻 且灵敏度为，整 ( 2 5 ) 式中，。一基准电流，由，。= 告可知( 对于1 1 0 k v 系统而言基准容量 j ur s s = i o o m v a ，基准电压u b = 1 1 5 k v ) ，1 b 为5 0 2 a ： 一电流元件灵敏系数； ，一电流互感器的变比； z 一一最小运行方式下，系统的等值阻抗标幺值； 互一本线路阻抗标幺值。 对应一次测值为：疋：生莓盟 1 b 电压保护： 按躲线路末端变压器二次侧母线短路整定： ：垒监竿坐 ( 2 - 6 ) 式中 z 一本线路电抗，标幺值； 磊劬一最大运行方式下，线路末端变压器短路时，系统加上变压器的等 值阻抗标幺值； u 。一二次例电压基准值，i o o v ： k ；一可靠系数。 按最大运行方式下线路末端三相短路检验电压元件的灵敏度： 7 + 螂5 意 q 。7 一 o dzk t , , v2 i - 一 u “m “ 式中 乏血一最大运行方式下，系统的等值阻抗标幺值； u 嘣一最大运行方式下线路末端短路，保护测得的线路最大差压标幺 值： 第二章大庆油田电网整定计算数学模型的建立 吒一电压整定值，标幺值； 一电压元件的灵敏系数。 ( 2 ) 1 1 0 k v 单回线方向过流保护 按躲开最大负荷电流整定： ，缸j 历。 。丽 式中 k 。一可靠系数； j | ，一返回系数； k 一一最大负荷电流； ，一电流互感器的变比。 时间整定比下一级线路整定值大一个时间级差， 端两相短路检验： 瓦2 矗 。 鱼2 乞 l2 瓦j i 式中 j 。一基准电流； k 一电流整定值； ( 2 8 ) 按最大运行方式下线路末 ，一电流互感器的变比； 乏一阻抗整定值的标幺值； 互一一系统的等值最大阻抗： z ? 一本线路阻抗。 按最小运行方式下线路末端单台变压器运行，二次侧母线两相短路校验： k m 2 - t f 拿乏 式中 z 一变压器短路电抗。 ( 3 )1 1o k v 单回线零序i 段保护 按线路末端单相接地短路有灵敏度整定： 叫d 1 ) 2 南 式中 互一系统对短路点的正序输入阻抗； 互一系统对短路点的零序输入阻抗； 巧一短路点故障相电流。