（电气工程专业论文）继电保护整定计算及定值管理系统设计.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 针对电力系统继电保护整定计算的特点和要求，并遵循山西电网继电保护整定 原则，本文研究了继电保护整定计算及定值管理系统的设计开发。该系统基于 m i c r o s o f tw i n d o w sx p 操作系统，采用d e l p h i 作为开发语言，由关系型数据库软件 m i c r o s o f ta c c e s s 提供数据库支持，是一个用c o r b a 构建的数据库服务器 应用 服务器 客户程序三层结构模式的系统。具备可视化的操作界面，操作简便易行。 实现了基础数据维护、电网建设、定值计算、通知单管理、查询通知单等功能，为 继电保护的计算和管理工作带来了全新的局面和更高的效率。 关键词：继电保护，整定计算，定值管理，d e l p h i a b s t r a c t o b e y i n gw i t ht h ep r i n c i p l eo fr e l a yp 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 t h i sd i s s e r a t i o n p r o p o s e st h ed e s i g no fs e t t i n gc a l c u l a t i o na n ds e t t i n gm a n a g e m e n ts y s t e mi nr e l a y p r o t e c t i o na r e a b a s e do nt h eo p e r a t i n gs y s t e mo fw i n d o w sx pa n da d o p t e dt h ed e l p h ia s i t sd e v e l o p m e n tl a n g u a g ea sw e l la ss u p p o r t e db yt h ed a b a b a s eo fm i c r o s o ha c e s s ，a t h r e e l a y e rs t r u c t r es y s t e mh a sb e e ns e tu pw h i c hi sc o n s i s t e do fd a t a b a s es e r v e r ， a p p l i c a t i o ns e r v e ra n dc l i e n tp r o g r a ma st h ec o n s e q u e n c ef r o mt h ef i r s tl a y e rt ot h el a s t w i t ht h ev i s u a li n t e r f a c e ，t h e s y s t e m i se a s i l y a p p l i c a b l et ot h ec u s t o m e r t h e s y s t e mm e e t st h ed e m a n d so fb a s i cd a t am a i n t e n a n c e ，p o w e rl i n ec o n s t r u c t i o n ，s e t t i n g c a l c u l a t i o n ，m a n a g e m e n ta n dq u e r yo fs e t t i n gl i s t s ，s o 、v i t ht h ea s s i s t a n c eo ft h e s y s t e m ，t h ec a l c u l a t i o na n dt h em a n a g e m e n ti nt h er e l a yp r o t e c t i o nc o u l db ec o n d u c t e d w i t hm o r ee f f i c i e n c ya n ds t e po nan e wp h r a s e s h iw e n z h a n g ( e l e c t r i ce n g i n e e r ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gj u k e y w o r d s ：r e l a yp r o t e c t i o n ，s e t t i n gc a l c u l a t i o n ，s e t t i n gm a n a g e m e n t ，d e l p h i 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文继电保护整定计算及定值管理系 统设计，是本人在华北电力大学攻读工程硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： e t 期： 导师签名： 日期： 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 课题的意义 1 1 1 继电保护的重要性 第一章引言 继电保护是电力系统不可分割的一部分，它的基本任务是“1 ： ( 1 ) 当电力系统发生故障时，迅速地有选择地将故障设备从电力系统中切除， 保证系统的其余部分快速恢复正常运行。 ( 2 ) 当发生不正常工作情况时，迅速地有选择地发出报警信号，由运行人员手 工切除那些继续运行会引起故障的电气设备。 可见，继电保护对保证系统安全、稳定和经济运行，阻止故障的扩大和事故的发生， 发挥着极其重要的作用。因此，合理配置继电保护装置，提高整定和校核工作的快 速性和准确性，以满足现代电力系统安全稳定运行的要求，理所当然地得到了国内 外继电保护工作者的重视和研究。 1 1 2 对继电保护的基本要求 根据电力系统继电保护的任务，从电网安全运行的角度出发，对动作于跳闸的 继电保护装置必须满足以下四点基本要求“1 。 1 可靠性 继电保护装置都具有明确的保护范围，如果某一保护装置对保护范围内的故障 未响应，则称为拒动“”；如果保护装置在正常运行情况下动作或者对保护区外的故 障响应，则称为误动“。任何一种情况发生，都将严重威胁电力系统的安全运行。 所以应增加装置的可靠性，防止拒动和误动的发生。 2 。选择性 电力系统发生故障时，继电保护装置的动作应该具有选择性，保证仅仅将故障 部分切除，而非故障部分能继续运行。 3 快速性 电力系统发生故障后，为了提高电力系统运行的稳定性、限制故障设备的损坏 程度，缩小故障波及范围，要求继电保护装置尽快动作，切除故障部分。 4 灵敏性 灵敏性指继电保护装置对其保护范围内的故障的反应能力，一般以灵敏系数的 华北电力大学工程硕士学位论文 大小来衡量。对不同类型的继电保护灵敏系数的计算方法和数值要求是不同的， 1 1 3 应用计算机进行继电保护定值计算的必要性 为了满足电网对继电保护提出的四性要求，充分发挥缝电保护装置的效能，必 须合理地选择保护的定值，以保持各保护之间的相互配合关系可以说做好电网继 电保护定值的整定计算工作是保证电力系统安全运行的必要条件。 目前，由于电子信息技术、电力电子技术、自动控制理论等高新技术的进步， 超高压大容量火电网互联发展趋势明显，使得现代电力系统网络发展迅速，规模日 益扩大，接线方式和运行方式日趋复杂，其中，大环和小环相互重叠，长线和短线 交错连接的状况已经比较普遍，这些都使继电保护整定值的计算与配合的工作量增 多，复杂程度也大大提高，传统的手工整定方法无法满足新时期系统的需求因而 采用先进的计算工具，对于提高整定计算的速率及效率，保证计算结果的准确性和 解除整定计算人员繁重的劳动具有重要意义。 电子计算机是信息时代的先锋，我国电力工业从上个世纪6 0 年代开始应用电子 计算机，在过去的几十年里，整定计算的微机化得到了长足的发展，可是目前，国 内还有很多电力生产、设计部门( 包括我们山西省电力调度中心保护处) 仍然采用 手工进行保护定值的整定计算，微机仅被用于故障计算，因而整定计算周期长、效 率低，容易由人为因素导致错误。因此，有必要研制实用的计算机继电保护整定计 算软件，以提高整定计算的工作效率和正确性。 1 2 继电保护整定计算的目的与基本任务 1 2 1 继电保护整定计算的目的 继电保护整定计算是继电保护工作中的一项重要工作。不同的部门其整定计算 的目的是不同的。对于电力生产的运行部门，例如电力系统的各级调度部门，进行 整定计算的目的是对电力系统中已经配置安装好的各种继电保护装置，按照具体电 力系统的参数和运行要求，通过计算分析给出所需的各项整定值，使全系统中各种 继电保护装置协调工作，正确地发挥作用。对于电力系统的设计部门，其整定计算 的目的是根据安全稳定运行的要求分析计算，选择和论证继电保护的配置及选型的 正确性。 1 2 2 继电保护整定计算的基本任务 继电保护整定计算的基本任务“1 ，就是要对系统装设的各种继电保护装置进行 整定计算并给出整定值。任务的实施需要对电力系统中的各种继电保护，编制出一 个整体的整定方案。整定方案通常按两种方法确定，一种是按电力系统的电压等级 华北电力大学工程硕士学位论文 或设备来编制，另一种按继电保护的功能划分方案来编制。 因为各种保护装置适应电力系统运行变化的能力都是有限的，所以继电保护整 定方案也不是一成不变的。随着电力系统运行情况的变化( 包括基本建设发展和运 行方式变化) ，当其超出预定的适应范围时，就需要对全部或部分保护定值重新进 行整定，以满足新的运行需要如何获得一个最佳的整定方案，要考虑到继电保护 的快速性、可靠性、灵敏性之间求得妥协和平衡。因此，整定计算要综合、辨证、 统一的运用。 1 。3 国际国内研究历史、现状和发展 利用计算机进行继电保护整定计算，在理论上最早见诸文献的是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) 。其发展历经几十年而不 衰，无论是在国内的核心学术期刊上还是国际上的i e e e 上，同继电保护整定计算相 关的新技术、新应用层出不穷。 1 3 1 继电保护整定计算发展阶段 继电保护整定计算的工具和方法随着科学技术的不断进步而不断地改进。无论 国际还是国内，就其发展历程而言，大致可归纳为三个阶段： 第一阶段是全人工计算阶段。整定人员通过y 变换简化网络，计算出分支 系数和短路电流，在按照整定规则对各种继电保护装置逐一整定，工作难度很大， 效率十分低下。 第二阶段是半人工计算阶段即：人工计算+ 故障电流计算程序。保护定值计 算中各种故障电流的分析计算用计算机来完成，保护定值的计算还需要整定人员手 工完成 第三阶段是计算机整定阶段。较为成熟可靠的整定计算程序完全取代了整定人 员的手工劳动，使继电保护整定计算工作变得准确和快捷。 1 3 2 继电保护整定计算经典理论 最初，人们采用离线批处理的方法解决保护整定问题，随后逐步发展了人机交 互式的方法，使保护工程师们能对计算机整定的过程进行人工干预。在保护的整定 配合问题上，引入了图论方法进行分析。其中，1 9 6 9 年，k n a b l e 首次把保护整定计 算与相关顺序矢量r s v ( r e l a t i v es e q u e n c e v e c t o r ) 联系起来，他采用试探法确定 r s v ，并且提出，r s v 序列中的起始点保护就是断开点：1 9 8 0 年，d w a r a k a n a t h 和n o w i t z 提出了运用网络图论的概念确定环网中顺序序列的方法，这是第一篇将网络图论和 保护配合关系联系起来的文献，可以说是经典之作，以后的其他工作大多是在他的 3 华北电力大学工程硕士学位论文 基础上加以改进的。在这篇文献里，作者首次对简单回路矩阵l ，有向简单回路 矩阵l d 以及r s v 的形成进行了推导，并提出了选择断开点的条件和计算方法；1 9 8 4 年，b a m b o r g 、r a m a s w a m l 和v e n d a t a 等人针对网络中存在的t 接线情况，提出了虚拟 节点的概念还指出了主保护后备保护( p b ) 对的概念和求法，为线路保护整定 算法的提出打下了基础：1 9 8 8 年，b a p e s w a r a g a o 和s a n k a r a r a o 进行了进一步的改进 工作，提出了一种可减小工作量、提高计算速度的求取简单回路矩阵l 的新方法， 并且运用布尔法研究了最小断开点集的求法；1 9 9 1 午，陈允平等提出通过构造s 函 数，用布尔法求解最小断点集( m b p s ) ；1 9 9 2 年，陈允平等针对l 求法作了改进工 作，澄清了简单回路的概念，改正了求l 的错识，进一步完善了l 的求法；吕飞 鹏等提出了一种利用方向保护之间的主后备配合依赖关系和深度优先搜索回 溯技术，建立搜索所有有向基本回路的新方法，降低了问题的复杂性，弥补了现有 指数复杂性方法的不足。 这些经典的继电保护整定计算理论的丰富和完善，为现代计算机辅助整定计算 理论的发展构筑了坚实的基础，也为该技术的进一步发展提供了丰富的源泉。 1 3 3 继电保护整定计算的新理论 近年来，随着各种新技术的不断涌现，为计算机辅助整定计算的发展提供了 新的契机，应用这些新技术开发出来的新一代整定计算软件，功能更加强大，整定 速率和整定效率都极大的提高，很好的满足了当今电力系统飞速发展而对继电保护 整定工作提出的新的要求。 目前这些新技术主要涉及以下八个方面； 一、自定义规则的实现。由于在电力系统中，电网结构复杂多变，保护配置和 系统运行方式也不是一成不变的，因此，整定规则也日趋复杂很多规则都带有一 定的个性，无法适用于所有的电网，整定计算人员希望整定计算软件能够提供一定 的人机干预功能，使整定工作变得更加灵活，可靠。例如：可以人为干预网络的断 点、保护整定顺序，可靠系数、分支系数等。 二、数据库技术的应用。由于整定计算软件在工作的过程中需要处理形形色 色的数据，保存并输出中间计算结果和最终定值，应对用户的各种添加、查询、修 改、删除等数据操作，这就要求软件必须具备一个强大的稳定的数据库引擎，再辅 以合理的数据结构，来保证这些数据调用的可靠性和快速性。日前，o r a c l e ， s q l s e 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 泛的应用。 三、专家系统。专家系统作为人工智能的一个重要的实际应用手段，在继电 保护整定计算领域获得了成功的应用。它用计算机来模拟人类专家的推理决策过 4 华北电力大学工程硕士学位论文 程，从而用电脑代替入脑来完成继电保护整定计算工作。整定计算专家系统与一般 的整定计算软件的不同之处在于：一般的整定计算软件将整定计算需要用到的一部 分知识隐含的编入程序中，另一部分知识保存于操作人员的脑子里，需要人们凭经 验手工操作；而专家系统则可以将所有知识存放在一个可以扩充修改的知识库中， 并用一个具备推理决策能力的推理机来专门管理使用这些知识。由此可见，继电保 护整定计算专家系统的研制和应用，可以极大的提高继电保护整定计算的灵活性和 可靠性，具有巨大的经济效益和社会效益。 四、人工神经网络。随着人工神经网络在电力系统中逐渐广泛的应用，文基 于神经优化计算原理，提出t m b p s 问题的神经计算方法，将m b p s 的计算归结为解不 等式欠定方程组，建立了相应的0 - 1 整数二次规划a n n 模型，也从一定程度上降 低了大规模复杂环网m b p s 问题计算的复杂性。a n n 为我们提出了解决问题的新的思 路。 五、在线自适应d ”继电保护整定技术。文1 从控制系统的角度，基于模式识别 原理和扰动域的概念研究了大电网分布式自适应继电保护系统的实现方法。根据扰 动域的概念，提出了计算机系统对于自适应控制器的局部控制方式。基于模式识别 原理，介绍了将电力系统运行方式变化变换成相应的运行模式的方法，在此基础上， 提出了扰动域内子自适应控制器的整定值按模式离线计算、分散存储、在线运行的 工作机制。这种分布式自适应继电保护系统具有在线整定计算速度快、所需存储与 交换信息量少、可人工干预自适应继电保护系统的整定计算过程、在线整定计算速 度与电网规模基本无关等特点。 六、图形化操作技术。文。”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，采用了图形界面和人工智能的广度优先搜索 技术，这种方法的优点是人机界面友好，易于操作。另外文。”介绍了华东电网图形 方式短路电流计算软件。该软件在图形功能方面较之前者更完善，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，未来需要进 一步将图形功能与整定计算结合起来。 七、最优化技术的应用。引入最优化技术解决最优保护定值的选取问题，使得 整定计算软件遵循最优化原则确定的整定值更加可靠，更加符合网络的实际情况， 更具使用价值。该技术的难点在于最优化规则的确定，一个好的解决办法是将最优 化技术跟专家系统结合起来，将这些最优化规则，看作是专家经验，作为知识库的 一部分存储起来，允许用户根据网络实际情况增添修改这些规则。 八、基于w e b 的继电保护整定计算。随着i n t e r n e t i n t r a n e t 技术的普遍应用， 越来越多的应用系统正朝着基于w e b 的方向发展，电网管理信息系统的发展也要求 将各类信息公开化。因此基于w e b 技术的继电保护定值整定和信息管理系统就很好 华北电力大学工程硕士学位论文 的满足了这一需求，它可以实现继电保护配置信息，定值单和工作组信息的网络化 管理，且允许i n t e r n e t 用户通过防火墙访问。 总之，继电保护整定计算软件正朝着在线实时化、可视化、智能化、网络化、 最优化方向发展，开发人员的任务就是朝着这一目标努力，开发出最能满足用户需 求，最能适应现代电力发展的新一代功能强大的继电保护整定计算软件。 1 4 本文所做的主要工作 本文所做的主要工作如下； 1 ) 编制继电保护整定计算及定值管理系统的总体方案。根据我单位对继电保护 整定计算功能的需求，结合现有的一些整定计算软件的特点制定软件系统的总体方 案。 2 ) 设计基于d e l p h i 语言的短路电流计算软件系统，实现短路电流计算功能，满 足我省电网故障计算的要求。 3 ) 开发和设计继电保护整定计算及定值管理系统中图形建模模块。实现原始数 据( 包括元件、线路参数等) 输入、序网图生成、短路电流计算、建立定值配合关 系、生成定值计算单、查询通知单等一系列的功能。 4 ) 针对一典型的环网进行短路电流计算，并给出相应的结果。 5 ) 在论文的基础上对该软件系统的迸一步研究指出前进的方向。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章短路电流与分支系数的d e ip hl 程序实现 短路电流计算是继电保护整定的依据。它不仅决定保护装置整定值的正确性， 同时也影响到对现在保护的正确评价，因此，必须十分重视这一环节。 2 1 电网数学模型 电力系统由电源、电力网络、负荷三部分组成，它们按一定的形式联结成一个 整体，达到输送和分配电能的目的。对电力网络而言，包含了两个内容：元件以及 元件之间的联结。电力网络模型可用网络元件参数和网络元件的连接关系确定。电 力网络的数学模型是由网络的有关参数和变量及其相互关系组成的可反应网络性 能的数学方程组，即电力网络方程。在电力网络中，符合这种关系的方程组有节点 电压方程、回路电流方程等。但在实际电力系统的等值网络中有较多的接地支路， 采用节点电压方程比回路电流方程可减少方程式的数目，并且对于具有交叉跨接的 非平面网络建立节点方程非常方便，甚至在网络结构改变时也可方便地修改方程。 因此，在电力系统的各种计算中较多地采用了节点方程。在实际电力系统网络计算 中，我们希望有更为简单的网络模型的描述方法，即用一个既包含网络元件参数又 包含网络元件的连接关系的矩阵来描述电力系统网络模型。节点导纳矩阵和节点阻 抗矩阵具有这样的特点，他们是电力系统网络计算中使用最为广泛的网络矩阵。节 点导纳矩阵描述了网络的短路参数，它通常是稀疏矩阵：节点阻抗矩阵描述了网络 的开路参数，对于连通的电网它一般是满矩阵。 2 1 1 网络模型及化简 节点导纳矩阵可以通过扫描网络中的支路，根据支路在网络中的联接关系直接 形成自导纳和互导纳，最后建立节点导纳矩阵。当电力网络用节点导纳矩阵描述， 电源用暂态电抗后的恒定电势表示，对含有个电源节点( 包括附加电源) ，f 个负荷 节点与联络节点的电网，对含有“1 个节点的主干网络( 其中包括n 个非电源节点，m 个电源节点) 的节点导纳方程为： 【y 】 v 】- 【i 】( 2 - 1 ) 式中 y 】为f + m 阶网络导纳矩阵； 【v 】、【i 】为f + m 维节点电压和电流列矢量。 按类分块展开如下： y n o g y m 2 2 1j 如易 ， ，l = 1j屹 。，l1l，j 肠 华北电力大学工程硕士学位论文 式中，下标h ，g ，d 分布表示与非电源节点、电源节点、短路节( 或相关节点) 有 关的量。腑与肠分别为厂一1 阶m 阶子矩阵，与肠分别为o r 一1 ) x m 和肌( 厂一1 ) 阶分块矩阵，如和为厂一1 维列矢量，6 和为m 维列矢量。 式( 2 2 ) 中消去负荷节点与联络节点得 枷y o & 玎。l 圈 式( 2 - 3 ) 可以简写成： ( 2 - 3 ) 【y 】【v ，】= ，】 ( 2 - 4 ) 其中：如= - y g n y 一_ y 册 = y 。g - - y d h y 。1 y 【i g y 岛= y g d y d g 矿日y i d t d d = y d d y d h 矿日yl i d i ：= i g y g h y - l i h i t d = i n y d h y m i d l y 7 】为消去负荷与联络节点后的导纳矩阵，称为保留短路节点( 或相关节点) 与电源 节点的转移导纳矩阵。令 乙= 万1 ( f = 1 ，2 ，聊) ( 2 5 ) 儿为【y 】中元素，称为转移导纳，z 0 为节点i 与短路点d 间的转移阻抗。各电源 供给短路点的短路电流，可按电源类型分别计算。d 点总短路电流为各电源供给短路点 的短路电流之和，对无穷大电源，短路电流为： ， 屯= ( 2 6 ) 厶m d 点短路电流为： 乞 i = l 2 1 2 节点阻抗矩阵的形成 ( 2 - 7 ) 保护整定中需同时计算许多个节点的对称与不对称短路电流及其在各支路中的分 布，故短路电流计算采用节点阻抗矩阵较为方便迅速。形成节点阻抗矩阵的方法有多种， 常用的有支路追加法和导纳矩阵求逆。 支路追加法形成节点阻抗矩阵是与按照定义直接形成节点导纳矩阵相对应的、根据 自阻抗和互阻抗的定义直接求取节点阻抗的方法。该法计算上比较直观，形成的过程是 一种动态过程，比较容易实现对阻抗矩阵的修改。 8 华北电力大学工程硕士学位论文 节点阻抗矩阵是节点导纳阻抗的逆矩阵，但在较为复杂的网络中不能像节点导纳矩 阵那样按照定义直接求取自阻抗和互阻抗。节点阻抗矩阵可以利用节点导纳矩阵求逆的 方法形成，线性代数中任意一种矩阵求逆的数学方法都可以应用。但在电力系统计算中 比较常用的方法是解线性代数方程组的方法。线性代数组求解的数学方法很多，电力系 统计算中常用的有高斯消去法及由此派生的因子表法、三角分解法、分块矩阵法等。 本系统采用导纳矩阵求逆法一次性形成节点阻抗矩阵。用于求取节点阻抗矩阵的节 点导纳矩阵与( 2 1 ) 式中以电源电势为端节点的导纳矩阵 纠不同，而是以电源母线为端 节点，而将电源内电抗作为对地导纳，因此较后者减少了m 个电源电势节点，阶数降低 了m 阶。此节点导纳矩阵可直接由( 2 - 1 ) 式中 y 矩阵，去掉其中所有单端电势节点所在 的行和列的剩余部分组成，记为 y 。】，再由全主元高斯哟当消去法对节点导纳矩阵 求逆，就形成了短路计算用的节点阻抗矩阵。 z 】= 陟】- 1 ( 2 8 ) 2 1 3 不同环境下数学模型的选取 节点导纳方程与节点阻抗方程相比较来说，y 阵稀疏，占用内存少，z 为满阵，占 用内存多。形成y 阵容易，速度快，形成z 阵较难，速度慢；节点导纳方程解算较难， 节点阻抗方程解算较易。所以实际应用时，常常是同时利用y 阵的稀疏性和z 阵计算的 方便性。 在具体的程度实现上，采取了多种方案。针对故障计算的不同用途，分别给于不同 的处理，如表2 - 1 所示 表2 - 1 不同故障计算所采取的方案 不同的计算环境 不同的处理方法 原始网络部分矩阵求逆法形成节点导纳阵，形成导纳阵的因子表 专用故障计算( 指以故障计 ( 1 ) 利用因子表回代求解电力网络 ( 2 ) 当系统运行方式变化或设备检修时，利用补偿 算为最终目的) 法对原网因子表进行快速修正。 ( 1 ) 利用导纳矩阵因子表，用连续回代法形成并存 储最大运行方式的节点阻抗矩阵。 对于保护整定过程中的故 ( 2 ) 故障计算时，直接取用有关节点阻抗元素计算。 障计算( 3 ) 当系统运行方式变化或设备检修时，利用支路 追加去对与所整定保护相关节点处，互阻抗进行修 正。每次修正不破坏原始节点阻抗矩阵。 9 华北电力大学工程硕士学位论文 2 2 分支系数的计算 在方向保护( 距离保护、零序电流保护) 中，上下级线路相互配合时，整定前必须整 定计算线路的分支系数，因此分支系数的计算是正确整定方向保护的前提。在距离保护 中，计算的是线路的正序助增系数，而在零序电流保护中，计算的是线路的零序分支系 数。实际整定中主要求取距离保护整定中的最小正序助增系数和零序电流保护整定中的 最大零序分支系数。由于系统存在多种运行方式，每种运行方式下的分支系数不同。因 此求取分支系数最值最常用的方法是穷举法，即分别求取不同运行方式下的分支系数， 通过判断比较求取分支系数最值。但这种方法的缺点是运算量大，对于复杂的大系统， 计算十分复杂。现通过分支系数的定义获得一种简单有效的分支系数最大值的计算方 法。 分支系数的计算原理如图2 - 1 2 一1一口口 呻 a - + 伊 i b c - - j i a b 图2 - 1 分支系数的计算原理图 在图2 - 1 中，当我们整定保护2 的方向保护时，必须与保护1 相配合，而此时保护 安装点与短路点之间存在电源或线路( 通称为分支电路) k k ，因保护2 与保护1 整 定配合时必须乘上一个系数，j | l 麓就是分支系数，其定义为： ，故障线路流过的短路电流，。n 、 5 丽二i 瓤孬砺衣橐豇丽面獗蟊面i 肾w 如图所示：如= 乞 方向保护整定中需求取分支系数的最值，距离保护整定需计算最小正序助增系数， 零序电流保护需计算最大零序分支系数，现在讨论怎样简单有效的求取分支系数的最值 ( 最小值) 。 在图2 1 中，设系统电源a 和线路a b 归算到母线b 的等值阻抗为磊，分支线路电 源彳7 归算到母线b 的等值阻抗为z ，采用标么值归算，设电源a 和a 的电压都为单位 7 ， 电压。则有：乙= 南k 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 账如= 丢= 警小乏z _ _ k z ( 2 _ 1 0 ) 此时分支系数的计算由短路电流的计算转换为等值阻抗的计算，由式( 2 - 1 0 ) 可得， 当磊取最小值而乏取最大值时分支系数五。为最小值，由此得出分支系数取最小值时的 电网运行条件：系统电源a 为最大运行方式，同时分支电源a 为最小运行方式。 分支系数的计算经过简化转化为等值阻抗的归算和计算，这样能快速的计算出常 用运行方式下的最小分支系数，简单有效。在距离保护整定中，计算的是最小正序助增 系数，在( 2 1 0 ) 式中，归算阻抗分布用正序阻抗代替及可，此时最小正序助增系数 岛曲1 ，当分支线路电源不存在时，也曲= l 。在零序电流保护整定中，计算的是最 大零序分支系数，砗= ，归算阻抗用零序阻抗代替，此时最大零序分支系数 k 声( o ) 坼。s i ，当分支线路不存在时，睇一= l 。 2 3 网络变更时节点方程的快速修正 在电力系统继电保护装置的整定计算中，常常要计算检修某条支路、断开故障点相 邻支路和运行方式变化下的系统电气参数。从故障分析的角度看，就是不仅要进行网络 结构不变时节点方程的求解，还要经常考虑断开和投入部分支路电力网络的计算。 电力系统网络结构的变更，要造成网络的节点导纳矩阵和节点阻抗矩阵相应的变 化。对于这种情况，有以下两种处理方法 ( 1 ) 根据网络结构的变更情况，修正原有节点导纳矩阵或节点阻抗矩阵，最后根据 新的节点网络方程，进行有关电路的计算。 ( 2 ) 以原有网络的节点导纳矩阵或节点阻抗矩阵为基础，用补偿法或局部修正节点 阻抗矩阵的方法，计算网络结构变更后的情况。 其中前一种方法计算量大，用于网络结构变化后不再恢复的场合。后一种方法计算 量小，用于网络结构变化后还要恢复的场合比较理想。 补偿法或支路追加法，都是以原有节点导纳矩阵或节点阻抗矩阵为基础，计算网络 变更后运行情况的方法。我们从补偿法的讨论入手，进而分析补偿法与支路追加法的关 系。 假定原有网络共有n 个节点，其电路见图2 - 2 ，节点注入电流为： p - - 9 , 厶五扣r ( 2 一1 1 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 + ( a )( b )( c ) 图2 - 2 用补偿法求解追加连支的等值电路 原有网络新追加的连支为乙，若令原网络追加该连支的电流为，则追加连支乙 后，从原网节点注入网络的电流为： ，= 【t 厶( 五0 + 毛) ( t 一毛) t r = ，o + ( 2 1 2 ) 式中，_ 【五妒毛0 厶】r j ( f = 【o 0 0 1 00 0 1 00 o 】( 2 1 3 ) ”) 根据重迭原理，图2 - 2 ( a ) 可以看作图2 - 2 ( b ) 与( c ) 的迭加。其中图( b ) 可以用节点 注入电流，w ，对原网因子表进行计算，求出： u 。= 【玩。玩泖谚柳d ，o 玩r ( 2 1 4 ) ； 在图2 2 ( c ) 中，连支电流。，是未知量。因此在求解图2 2 ( c ) 之前，应先求出连支 电流1 ，。为此可以利用图2 - 2 ( a ) ，用等值发电机原理来求。具体步骤如下： ( 1 ) 求等值发电机电势，令图2 - 2 ( a ) 中的气开路，此时图2 - 2 ( a ) 的状况与图2 _ 2 ( b ) 相同，由此有等值发电机电势 应= 口“一d ，( o ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 ) 求等值发电机内阻抗z ：在图2 - 1 各母线电压，可用节点注入电流p ，对原 网因子表进行计算求出： u 憎) - 阢协玩协) 矽博谚埘玩佃r 由此 z = 讲种一奶蚰 从而可以求出连支电流 ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 。一，一， 华北电力大学工程硕士学位论文 言 矽一痧， 勺一酉一酽呵萨丐 厶1 “v ：一u ：t “ 有了厶，图2 - 1 ( c ) 中的各母线电压就可求得，为 ”= u “厶 将式( 2 1 4 ) 与式( 2 - 1 9 ) 迭加，网追加连支后的各母线电压为： u ：u ( o ) + u 7 吐 硗 ： 矾0 ) 玩埘 吼鲫 j 玩臼 ( 2 - 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 用式( 2 2 0 ) 计算追加连支的情况，只需用节点注入电流p 町和，w 分别对原网因子表 进行两次前代、规格化和回代运算。其计算速度明显快于修正节点导纳矩阵的算法。因 此这种方法在电网计算中得到了广泛应用。 归纳上述情况，可以得出网络追加连支时，用补偿法求解电路的数值计算规律： ( 1 ) 用节点注入电流，对原网因子表计算，求各母线电压( ，们。 ( 2 ) 用节点注入电流对原网因子表计算，求各母线电压u w 。 ( 3 ) 求追加连支后网络各母线电压 u = u o + u 9 l 玩0 ) 吼妒 ； 玩一 吐俘) 吼国 ； 吨臼 眵l 玩 1 一i ) 啦+ z i 假定原网络的节点导纳矩阵为y ，节点阻抗矩阵为z ，上述计算规律的第1 步相当 于完成了如下运算 u ( o ) = y - 1 ，( o ) = z ( o ) 第2 步计算相当于 u ( p ) = 刀( ) = 【( z l r z l ，) ( z ；，一z 2 ) ( z 0 一z j ) r = z 工 第3 步计算中的发电机电势e 为 应= 政”一d ：o = z 7 ) 等值发电机的内阻抗z 为 z = 研卵一巧蚰= z l ，+ 乙一2 乙 ( 2 - 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 令 z 口= z h + z h 一2 zq + z 4 q 广2 4 ) 式( 2 2 0 ) 可以改写为 u = u o + u 9 厶 ：刀( 。，一z ，z f f f 。z 址 = z 一去乙乏 ，( o ) z s ， 显然式( 2 2 5 ) 中的z - ：- 1 乙乏就是支路追加法中追加连支节点阻抗矩阵的修正 _ l 【 公式。式( 2 2 5 ) 表明，补偿法与支路追加法实质上是从不同角度阐述了同一个物理过程。 2 4 短路计算d e i p h i 程序设计 d e l p h i 是一个面向对象设计的应用程序语言，可以开发w i n d o w s 3 2 位的应用程序， 而且所开发出来的程序容量小、效率高。它为程序设计者提供了完整的工具，比如设计 界面、开发界面、或是调试界面。同时包含了可视化的窗口设计界面，这使开发的短路 电流计算程序，以及后面的整定计算程序变的井井有条，其面向对象性也使软件的各种 功能模块化，这样既方便了程序的调试又使程序具有了一定程度的可移植性。d e l p h i 是一种语法相对比较严谨的程序设计语言，这也为短路电流计算在安全和准确性上提供 了保证。 短路计算模块是程序的一个重要组成部分，它具有通用短路计算的功能，能计算出 电网对称短路和非对称短路时短路点的短路电流，短路点可以是指定母线、全部母线或 线路中的任一点。根据继电保护整定模块的需要，短路计算模块同时还计算出各分支的 短路电流及其分布，各条支路的等值阻抗。短路电流计算处理后，程序计算结果自动填 入短路电流总表和短路电流分布结果表。短路电流总表和短路电流分布表是数据库中的 两个表，它们分存储短路点电流和各支路电流，这两个表能通过数据控件显示或通过报 表打印出来。这两个表也是保护整定模块需经常检索的部分。短路计算部分采用对称分 量法，程序先求出网络的各序阻抗，先根据正序等效定则求出各序的短路电流，然后得 用叠加法计算出短路点的电流和各支路的段电流分布。分支系数的计算也在短路计算部 分实现，在短路计算模块的基础上，依照分支系数计算的原则，设计了分支系数计算模 块，准确计算出方向保护整定所需的分支系数。根据短路计算模块的功能及结构，设计 了计算的程序框图，其框图如图2 - 3 。 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 图2 3 短路计算流程图 短路计算中，计算电网对称短路时仅需形成正序网络，而计算不对称短路时除了需 形成正序网络外，还需形成负序网络和零序网络。对于负序网络，其结构与正序网络相 同，电网中所有静止元件的正序、负序阻抗相同，只霈将旋转元件的电抗以其负序电抗 代替正序电抗，即可形成负序网络。而零序网络完全不同于正序网络，它只含有电网的 部分元件，需要单独识别。零序网络由通过零序电流的支路构成，决定于网络及中性点 接地情况，是全网支路的一个子集。其形成步骤如下： ( 1 ) 由短路点所在的电压等级所接的变压器接地状况确定预选零序支路； ( 2 ) 对预选零序支路进行筛选，排除非零序支路 ( 3 ) 对确定的零序支路计算零序电抗，重新记录、编号、形成零序网络节点导纳矩 阵。 华北电力大学工程硕士学位论文 2 5 短路电流计算实际算例 本文结合实际电网，计算了一个局部电网2 2 0 k v 母线短路时各条线路流过的短路电 流及母线电压 如图2 - 4 所示为一局部2 2 0 k v 网络，图中所有线路都是投运状态。 2 2 0 k v 图2 - 42 2 0 k v 电网接线图 我们假设4 号节点发生短路，下面是单相短路和三相短路情况下的计算结果。 2 5 1 单相接地故障计算数据 单相短路：假设a 相接地，以下为计算得到的结果。 表2 2 短路点三序电压、电流、阻抗值 序名短路点等值阻抗 短路点三序电流短路点三序电压 正序 0 1 2 9 7 2 2 + j 4 4 6 6 3 4 1q 8 2 9 2 9 1 8 k a8 9 9 6 6 0 2 2 k v 负序 0 1 2 9 7 2 2 + j 4 4 6 6 3 4 1q 8 2 9 2 9 1 8 k a3 7 0 5 3 5 4 6 k v 零序 0 3 3 4 5 8 1 + j 6 3 7 2 3 6 1q 8 2 9 2 9 1 8 k a 5 2 9 1 8 4 9 8 k v 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 表2 3 短路点三相电压、电流、容量值 相别短路点三相电流 锚略点= 相电压 短路点容量 a 相 2 4 8 7 8 7 5 4 k a 0 0 0 0 0 0 0 k v b 相 0 0 0 0 0 0 0 k a1 3 4 7 6 3 9 3 4 k v9 4 8 0 0 7 8 2 2 m f a c 相 0 0 0 0 0 0 0 k a 1 3 6 5 2 9 6 1 6 k v 节点号正序 负序 零序 1 号节点9 4 2 8 9 6 0 2 k v3 2 8 0 2 7 2 2 k v3 9 7 8 7 3 4 k v 2 号节点 2 2 6 6 11 9 7 8 k v2 7 5 0 3 2 0 6 k v6 4 0 1 9 4 2 8 k v 3 号节点9 4 2 8 9 6 0 2 k v3 2 8 0 2 7 2 2 k v3 9 7 8 7 3 4 k v 5 号节点 9 4 2 8 9 6 0 2 k v3 2 8 0 2 7 2 2 k v3 9 7 8 7 3 4 k v 6 号节点9 4 2 8 9 6 0 2 k v3 2 8 0 2 7 2 2 k i 3 9 7 8 7 3 4 k v 7 号节点 8 9 9 6 6 0 2 2 k v3 7 0 5 3 5 4 6 k v 5 2 9 1 8 4 9 8 k v 8 号节点 8 9 9 6 6 0 2 2 k v3 7 0 5 3 5 4 6 k v5 2 9 1 8 4 9 8 k v 9 号节点9 4 2 8 9 6 0 2 k v 3 2 8 0 2 7 2 2 k v 3 9 7 8 7 3 4 k v 表2 - 5 各观察节点三相电压 节点号a 相电压 b 相电压c 相电压 1 号节点 2 3 1 6 0 9 6 k v 1 3 2 0 8 6 8 4 k v 1 2 9 0 9 4 4 5 2 k v 2 号节点1 3 5 。8 4 3 2 4 6 k v2 7 7 4 0 6 0 5 2 k v7 0 5 8 4 9 2 2 k v 3 号节点 2 3 1 6 0 9 6 k v1 3 2 0 8 6 8 4 k v1 2 9 0 9 4 4 5 2 k v 5 号节点2 3 1 6 0 9 6 k v1 3 2 0 8 6 8 4 k v1 2 9 0 9 4 4 5 2 k v 6 号节点 2 3 1 6 0 9 6 i v1 3 2 0 8 6 8 4 k v1 2 9 0 9 4 4 5 2 k v 7 号节点 0 0 0 0 0 0 0 i v1 3 4 7 6 3 9 3 4 k v1 3 6 5 2 9 6 1 6 k v 8 号节点0 0 0 0 0 0 0 k v1 3 4 7 6 3 9 3 4 k v1 3 6 5 2 9 6 1 6 k v 9 号节点 2 3 1 6 0 9 6 k v1 3 2 0 8 6 8 4 k v1 2 9 0 9 4 4 5 2 k v 表2 - 6 各观察支路三序电流 节点号正序电流负序电流零序电流备注 此支路为两卷变压 l 节点与2 节点之阃3 8 3 9 5 1 4 k a3 8 3 9 5 1 4 k a3 9 1 9 1 5 6 k a器，归算到1 节点侧 1 节点与3 节点之间0 0 0 0 0 0 0 k a0 0 0 0 0 0 0 k a0 0 0 0 0 0 0 k a l 节点与9 节点之间0 0 0 0 0 0 0 k ao 0 0 0 0 0 0 k a0 0 0 0 0 0 0 k a l 节点与4 节点之间 1 1 2 7 4 2 4 k a1 1 2 7 4 2 0 k a3 9 1 9 1 5 6 k a 9 节点与7 节