（电力系统及其自动化专业论文）主设备保护整定计算软件的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文主设备保护整定计算软件的研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，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已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：丝：堑e t 期：望芒5 ：笪 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：丝：塑导师签名： 华北电力大学硕l 学位论文 1 1引言 第一章绪论 发电厂继电保护装置是电力系统安全保障体系的重要组成部分。电力系统的发 展，电网结构的日趋复杂以及大容量机组在系统中的不断应用，都对电网和电力设 备的安全稳定运行提出了更高的要求。继电保护是保证系统安全运行、防止故障的 扩大和事故发生的第一道防线。国内外无数实例证明，继电保护装置是发电厂电力 系统安全运行的保证，它们在电力系统的安全稳定运行中发挥着非常重要的作用。 保护定值的整定计算是电力系统继电保护工作的一个重要组成部分。保护定值 的正确与否决定着保护装置能否发挥作用，从而决定着能否保障设备安全及避免事 故的进一步扩大。文献l ”】表明主设备( 尤其是发电机、变压器) 保护正确动作率不 高，其原因之一就是整定计算人员的误整定。做好继电保护整定计算工作对于提高 保护运行的可靠性、保护装置的灵敏性、选择性和速动性，充分发挥继电保护装置 的性能和保证电力系统的安全运行具有重要意义。 长期以来，继电保护工作者不断探索和总结，使得现有的主设备保护整定计算 的依据不断充实和完善。但是传统的主设备保护整定计算多是手工计算，继电保护 的专职人员往往要进行大量的查询、整定、数据计算、统计和填制各类操作报表， 保护整定的工序复杂。如此多的环节，只要有一个疏漏就可能导致所算结果错误。 而且发电厂的设备多，每种设备配置的保护种类多，使得继电保护人员计算时的工 作量大，大量计算中重复性劳动很多。而且在每一年设备定值校核和保护更新定值 更换时，也会因为整定计算人员的经验和习惯不同，造成一些偏差和不必要的麻烦。 所以利用当前迅猛发展的计算机技术，编制发电厂主设备保护整定计算软件即可以 把继电保护的专职人员从复杂烦琐的工作中解放出来，又可以为确保定值准确可 靠，提高保护整定计算的速度和效率，为电力系统安全运行提供可靠保证。 相对于电网的继电保护，发电厂继电保护的整定计算重视不够，技术力量薄弱。 发电厂一次系统结构复杂，主设备保护配置功能多。现有发电厂主设备保护装置类 型繁多，各保护装置的生产厂家自成体系，缺少统一的标准。部分定值的整定还依 赖于继电保护专职人员的实践、经验以及对一些特殊情况分析的独到见解，使得现 在开发的发电厂继电保护整定软件往往针对某一个电厂的一种主接线方式，开发成 本高、通用性差，可升级性和可维护性不强。而不友好的界面和繁琐的整定计算程 序更造成了发电厂继电保护整定计算软件推广性差。 开发一套既满足继电保护工作人员对于整定计算的可靠性要求，又能提高整定 计算的全自动计算水平、通用性好、操作简单、扩展性好的发电厂主设备继电保护 华北电力大学硕十学位论文 整定计算软件是电力系统继电保护研究中的一个重要课题。 1 2 国内外研究状况 2 0 世纪7 0 年代，国内外一些高校及科研单位就开始了电力系统故障分析及继 电保护整定计算c a d 软件的开发与推广工作【6 。1 “。部分软件在大型复杂电网的继电 保护整定计算工作中取得了良好的经济效益和社会效益。如：东北电力学院研制的 故障计算软件和湖南省中调研制的故障计算软件。但是由于受当时计算机硬件、软 件基础技术条件及经济成本等方面的制约，这些继电保护整定计算软件产品在功能 及性能指标方面离目前现场实际需求尚存在一些差距。 到了2 0 世纪9 0 年代，计算机软件硬件技术、数据库技术的快速发展，为故障 分析及继电保护整定计算c a d 软件技术水平的全面提高提供了良好的外部环境， 同时关于电力系统故障计算算法、整定计算算法的研究也取得了长足的发展，为开 发新一代继电保护整定计算软件奠定了基础。 目前继电保护整定计算软件的研究推广已呈现百花齐放、百家争鸣的局面，国 内一些科研院所推出了各自具有自主知识产权的软件产品，代表性的有华中理工大 学的继电保护整定计算管理软件、山东中调的继电保护整定计算软件等。同时华东 网调在引进国外相关软件基础上二次开发的继电保护整定计算软件也取得了一定 成功 1 2 - 1 3 】。 新代继电保护整定及综合信息管理系统可以实现全网系统参数、继电保护配 置、整定值和定值单的管理，可自动输出全网正、负、零序网络图，可以输出任意 局部网络各保护的定值配置图，可以编制全网等值阻抗表，并可以方便制作全网保 护整定方案。整套程序包括继电保护系统库管理系统、短路电流计算软件、继电保 护整定计算软件和继电保护定值单管理软件等4 部分【l 。 纵观国内外电力科学技术的发展，有关继电保护整定计算自动化的研究正在逐 步深化，并取得了一定的成果。但就现状而言，这些研究多集中于线路和电网，而 对电网相关性不大的发电厂主设备保护整定计算的研究较少。近年来，国内在发电 厂主设备保护整定计算方面做了一定的工作，工作主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 和电网继电保护整定及综合信息管理系统一样，发电厂主设备保护整定计 算系统对系统进行了模块化设计、图形化界面设计、保护整定和定值单管理、 数据库管理等工作【1 4 剀。模块化的特点使得发电厂主设备保护整定计算系统 的整定计算内容容易扩充，系统可以通过整定计算模块的升级满足更多的电 厂用户的需求。可视化的特点可以将抽象的原理以图形、文字等直观易懂的 方式表示出来，方便用户理解保护的整定原则，也由于整定过程是在用户的 参与下完成的，使得整定结果可信。 ( 2 ) 文献幡1 7 1 设计的发电厂主设备保护整定计算系统都是针对某电厂典型的 2 华北电力大学硕t + 学位论文 主接线形式和保护配置情况设计的，已经在电厂应用。文献【l 卅从发电厂继电 保护信息管理的需求出发，提出图纸、数据、元件一体化和面向单一继电器 仿真的思想，体现了继电保护信息管理的无纸化、网络化、可视化、智能化 等发展趋势。 ( 3 ) 为了适应发电厂一次系统结构复杂，主设备保护配置功能多，现有发电 厂主设备保护装置类型繁多，各保护装置的生产厂家自成体系，缺少统 一的标准的特点，因此有必要开发一套通用的主设备保护整定计算系统。 文献【i8 】针对不同厂家生产的同一原理的保护在名称和整定计算方法上的差 别造成的通用性问题，结合数据库提高了软件的通用性。文献【1 9 】采用直接面 向具体的继电保护装置进行整定的设计思想，按照保护装置的不同分别建立 设备信息库。 ( 4 ) 文献【2 0 】提供保护装置的整定计算原则和公式的自定义模版。保护装置自定 义模板包涵一个描述保护元件、基本信息、保护原理及其定值等保护装 置信息的数据库。用户可以通过数据库继承组合已有的保护装置的信息， 定义新的保护装置，然后通过初始化过程指定保护装置接入的c t 、p t 、 保护装置出口方式、保护原理、当前运行定值等，形成一个新的保护装 置整定计算对象。 ( 5 ) 组件技术是计算机技术与网络技术发展的产物，现代电力系统继电保护软件 的一个大趋势是高度集成的同时保持高度开放。文献【2 】提出了一种基于组件 的发电厂定值整定及管理系统软件的设计方案。采用基于组件的分层结构， 将整定计算服务与数据源和用户界面分离，使系统维护及本系统与其他软件 的集成得以简化。 ( 6 ) 整定计算专家系统将整定原则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管理和使用这些知识，可以极大的提高继电 保护整定计算的灵活性和可靠性。文献口2 】提出通过专家系统清晰地描述各保 护设备、各保护组成部分之间以及保护系统与一次接线之间的关系，为整定 计算软件提供了优良的数据库。 但是目前国内已经开发出的发电厂继电保护整定计算软件也存在部分缺点，有的功 能单一，只能进行故障计算；有的虽然能够进行全部自动整定，但往往针对某个电厂或 地区，缺乏通用性。还有一些软件用户界面不友好，计算程序繁琐，不易被一般用户接 受。所以深入研究发电厂主设备保护配置情况、主设备保护装置和主设备保护整定 计算特点，进行主设备继电保护整定计算软件开发，己经成为目前继电保护整定计 算工作者和研究人员的重要课题之一。 华北电力大学硕l ：学位论文 1 3本文的主要工作 本文选择发电厂主设备保护整定计算软件开发作为研究方向，研究工作包括以 下各个方面：在继电保护整定计算及综合信息管理平台的设计思想和总体结构上， 针对主设备继电保护整定计算的特点和需求，即保证定值计算的快速性、科学性和 软件的通用性，重点研究面向装置的实用的整定计算软件，着重从整定计算功能上 分析软件的实现要点及合理的解决方案。本文的主要工作如下： 介绍发电厂主设备保护整定计算系统的设计思想和模块功能。 在发电厂主设备保护整定计算分层的框架结构上，结合整定计算原则和面向保 护装置整定计算任务的过程管理，设计面向装置的整定计算软件的数据结构、程序 流程、程序界面结构以及独立的保护配置模块的实现方法。 编制有较好的通用性、发展性、实用性、人机界面友好的面向装置的整定计算 程序。 变压器差动保护的正确整定是主设备整定计算中的一个难题，本文将重点分析 不同制动电流选取方法对应的变压器差动保护灵敏度和不同比率制动差动保护的 相关分析。 4 华北电力大学硕t 学位论文 第二章系统的总体结构与开发工具 2 1引言 发电厂继电保护的整定计算可以分为三大部分：发电机、变压器主设备保护的 整定计算、高压厂用电系统保护的整定计算和低压厂用电系统继电保护的整定计 算。整定计算的具体任务有以下几点： 1 )绘制发电厂的电气主接线图( 包含高压厂用电系统图和低压厂用电系统 图) ； 2 )绘制发电厂的电气主接线系统阻抗图，有正序、负序、零序三个序网图( 包 含高压厂用电系统阻抗图和低压厂用电系统阻抗图) ； 3 1建立被保护设备参数表； 4 )建立电流、电压互感器参数表； 5 )确定继电保护整定需要满足的运行方式变化限度； 6 1电力系统各点短路计算结果列表； 7 )建立各种继电保护整定计算表； 8 )按照继电保护的功能分类，分别绘制出整定值图； 9 )编写整定方案报告书。 发电厂继电保护整定计算的步骤如下： 1 )按所需整定计算的系统分类( 发电机、变压器主设备保护的整定计算、高 压厂用电系统保护的整定计算和低压厂用电系统保护的整定计算) ，拟订 短路电流计算的运行方式，选择短路点的位置和类型； 2 )进行短路故障计算，录取结果； 3 )按被保护的元件或设备分别进行整定计算，选取整定值并做出定值表； 4 )对整定结果进行分析，以选出最佳方案，最后归纳出存在的问题，并提出 运行要求； 5 )编写整定方案说明书。 2 2系统目标和设计思想 为减轻保护定值计算工作人员的劳动强度，降低设备误动率，提高发电厂的运 作效率而开发的基于新一代继电保护整定及综合信息管理系统的发电厂主设备保 护整定计算系统的具体设计目标如下： i 、完成各类元件继电保护装置的整定计算，编制整定方案，保存整定计算有 关数据；对于新的保护装置和整定算法，能进行简单方便快速的升级。 2 、具有强大的短路计算能力。既能完成继电保护整定计算相关参数的实用短 华北电力大学硕士学位论文 路计算，又能满足复杂电网结构方式和任意复杂故障的计算要求，并能够 对接地系统和不接地系统使用不同的数学模型做准确的计算。 3 、提供一个完整的继电保护信息管理平台，管理发电厂一次系统接线图，相 关的被保护的元件或设备的参数库，保护用电流、电压互感器的参数库， 继电保护的配置情况。 4 、软件具有适应发电厂主接线复杂、主设备保护配置和各个厂家保护装置整 定计算差异的通用性。 5 、软件在进行整定计算时兼顾继电保护专职人员的实际工作经验。 发电厂主设备保护整定计算的设计思想是：在新一代继电保护整定及综合信息 管理系统的总体结构上，以面向保护装置的整定计算和定值管理为最主要的目标， 主要解决主设备保护整定计算中的系统结构和模块化问题，为软件的研究和推广打 下基础。 2 3系统总体结构和功能 发电厂主设备保护整定计算系统是采用面向对象的图形化程序设计方法，结合 数据库的应用设计而成的，系统主要由四大模块组成，它们是图形模块、故障计算 模块、数据库管理模块和整定计算模块。此外，系统还包括继电保护动作仿真模块 和定值通知单管理模块两个应用模块。系统的总体框图如图2 1 所示。 燕形横块il 故障汁铎援班l i 锭定i 辩蠖波li 懿电像护焉匀作协冉壤珧il 窀纳通嚣藏蛰理蠖玻 数报珥檄浃 圈2 - 1 系统总体结构图 2 3 1 图形模块 图形模块是系统可视化的重要表现。它为系统提供一个专用的绘图工具，主要 完成以下两项功能：一、电气主接线图的绘制；二、输入主设备的原始数据。 用户可通过该模块提供的各种电气设备的图元( 图形单元) 绘制发电厂的电气 主接线图。该模块还提供发电厂各种主设备的参数输入窗体，用户在绘制主接线图 的过程中可填入各元件的原始参数，用于故障计算和整定计算，这些参数保存在原 始参数数据库中。 该模块运用面向对象的开发技术，将各种主设备构造成不同的图元类，在图元 类中封装进相关数据和使用该数据的函数，这些函数可以实现图元的绘制、移动、 复制、粘贴、旋转以及设备参数存取等功能；并且通过定义通用类，识别、管理以 上定义的各图元类，使其正确协调工作，使计算机能识别每一个图元。 6 华北电力人学硕f ：学位论文 使用图形模块可以改进以往原始数据和计算结果依赖数据文件输入输出的落 后形式，运用面向对象的技术使图形成为封装数据和数据操作过程的对象，使得用 户的图形和数据不再是分离的，再通过图形数据接口将数据存储入数据库就可以实 现图形化数据库管理。这样就可以为数据在图形模块、故障计算模块与整定计算模 块中建立关联。 用户除了通过图形模块输入主设备的原始参数，也能通过元件列表这种用户熟 悉的表格形式输入、修改、查看主设备的原始参数。由这两种输入方式输入的元件 参数相互关联，随时保持一致。 2 3 2 故障计算模块 故障电流计算是继电保护整定、定值校核的基础和依据，故障计算模块的主要 功能是通过自行设定故障点和故障类型，在发电厂主设备引出端发生三相短路、单 相接地、两相短路和两相接地故障时计算短路电流。故障电流计算的模型可以采用 对故障状态下网络方程的求解，主要步骤【2 习如图2 2 所示。 当前大型发电机内部短路主保护设计时以发电机机端两相短路校验灵敏度系 数，但是发电机定子绕组内部发生相间短路不同于机端保护，不能以机端两相短路 电流作为校验保护灵敏系数。因此故障计算模块还应该在对发电机主保护配置方案 进行深入的分析和研究和全面的内部短路仿真计算的基础上实现对主设备保护配 置方案的定量化设计【2 6 】。 i i f 三成l l - j ，零乎导纳阱秘嘲f 菠i l 圆堕回 l l 议捌抽盼n 息铬茂导纳聃 i 旃肇敞蜂+ p - 杂舨目 厍蕊赢面网陬两藕厕 i 些i 塑! 茎盟曼l ix 的眺抗向麓i ii i 韩 i f ：0 耐馥陌娄叩迓杵if 臻誊稍i 列络i l 小公武术f 盘障磐数li 托扪篾窜簸l l 擞# 移加椒卵索取确斑 的竹点l kj k 和芝辫咀洫 图2 - 2 故障计算流程图 7 华北电力大学硕l 学位论文 2 3 3 数据库模块 发电厂继电保护整定系统的各模块都与数据库模块有着密切的联系，系统中的 数据信息分为原始参数、继电保护信息、继电保护定值和故障信息四大部分。 ( 1 ) 原始参数数据库 1 ) 元件参数； 2 ) 选用的保护装置型号； 3 ) 电流互感器、电压互感器变比。 ( 2 ) 继电保护信息数据库 1 ) 保护装置型号、保护装置配置、保护配置定值信息； 2 ) 导则中保护整定公式、公式参数信息； 3 ) 保护装置说明书保护整定计算公式、公式参数信息； 4 ) 由现场人员经验得出的保护整定计算公式、公式参数信息。 ( 3 ) 继电保护定值数据库 1 ) 保护装置所选配置信息； 2 ) 所选用的整定计算公式及参数信息； 3 ) 定值计算信息。 ( 4 ) 故障信息数据库 1 ) 网络拓扑连接、正( 负、零) 序阻抗； 2 ) 故障电流、电压信息； 3 ) 用于整定计算的分支系数、电流最大值和电压最小值。 其中系统的原始参数数据库是通过图形模块中的图元输入元件参数及其它信 息，继电保护信息数据库是设计时直接写入数据库的信息，继电保护定值数据库是 在整定过程中通过整定计算模块写入的信息，故障信息数据库是由故障计算模块写 入的相应的故障计算结果。 在整定计算过程中各数据库中的信息交换频繁。选择保护配置时，首先从继电 保护整定计算原始参数数据库读取保护装置型号，然后将该信息与继电保护信息数 据库中的保护装置配置信息联系起来，从而确定继电保护定值数据库中的保护装置 所选配置信息。在整定计算时，要将继电保护定值数据库中所选用的整定公式及参 数信息与继电保护信息数据库中保护整定公式、公式参数信息联系起来，然后从继 电保护整定计算原始参数数据库和故障信息数据库中读取相应的参数进行计算，最 后将整定计算的结果存入继电保护定值数据库。 2 3 4 整定计算模块 整定计算模块是整个系统的核心，它为发电厂主设备所配置的保护提供整定工 具。整定计算模块的实质是根据各个主设备所配置保护的整定原则而设计的整定界 8 华北电力大学顾卜学位论文 面，它使整定原则可视化的被用户理解，并允许用户在参与整定过程中加入自己的 经验。目前确定的整定对象主要包括电动机保护、变压器保护和发变组保护。整定 原则是参考保护厂家的装置说明书和现场整定人员的经验和行业导则执行。在整定 计算模块中发电厂主设备保护的整定原则可以用一个函数来描述，该函数可以表示 为： v = f c a l ，a 2 ，口。，b t ，b 2 ，b 。，q ，c 2 ，c 。，) 栉n ( 2 - 1 ) 式中：a i ( f r 1 ) 为保护整定人员根据该设备具体运行情况得出的经验数据；b t ( j n ) 为该设备的参数；c ，( i n ) 为故障计算以及系统运行时所得到的参数。 这样，无论保护整定原则如何复杂，都可以简单地将其看成是多对一的映射。 保护整定过程的实质就是如何获得整定原则中所涉及到的数据，现按照整定原则中 数据的来源介绍保护整定功能的实现。 整定原则中数据可分为三类：一、需要用户根据实践经验决定的参数( 如可靠 系数等) 由用户选择默认值或输入；二、设备参数( 如额定电流等) 由程序自动填入； 三、需要通过故障计算获得的数据，在故障计算模块中进行计算。 在整定计算模块中只需保证所有数据都完备且有效，各个数据间的运算关系由 程序完成，整定结果以文档形式显示，也可以在整定界面中查询。 现有发电厂主设备保护装置类型繁多，各保护装置的生产厂家自成体系，缺少 统的标准，同型号保护装置运用在不同被保护元件时整定原则也有所差异，而新 原理、新型号的保护装置又不断推出。因此，保护装置的可扩展性成为保护计算模 块亟待解决的问题。 保护装置的自定义模板法f 2 0 1 可以使用户自定义保护装置中包含的定值项、采用 的整定计算原则及其公式等，具有很大的灵活性。但是要实现整定计算公式的自定 义，开发可以编辑、解析整定计算公式的公式编辑器是一个很复杂的过程。因此保 护装置的自定义模板法具有开发复杂，而且用户整定计算过程繁杂的缺点。 针对发电厂整定计算的特点，编写整定计算模块时直接面向装置，建立统一数 据结构、定义统一接口函数，根据每一保护装置特定的整定计算原则固定其整定计 算方法和整定计算中的参数。通过组合不同装置的整定计算子模块，形成更具有通 用性的整定计算模块。这样模块化的整定计算模块容易实现，用户使用起来也很方 便。 2 3 5 继电保护动作仿真模块 继电保护动作仿真模块将系统的图形模块、故障计算模块和整定计算模块有机 结合起来，实现保护装置定值校核和保护动作过程仿真。 保护装置定值校核，通过图形模块在电气主接线图上设备保护范围内设置金属 性短路，利用故障计算模块计算出的短路电流，对比整定计算模块计算所得各项保 9 华北电力大学顾l 二学位论文 护配置的电气定值，计算灵敏系数，判断保护定值在灵敏性上是否满足继电保护 和安全自动装置技术规程的要求。如果灵敏度不能满足要求则返回整定计算模块 相应保护定值部分重新进行整定计算，直到计算得到的保护定值满足灵敏度要求。 保护动作过程仿真，在电气主接线图上设置任意类型的故障，面向发电厂主设 备保护装置的电气定值和时间定值进行定值仿真，判断后备保护是否能起到后备作 用。 2 3 6 定值通知单管理模块 定值通知单管理模块主要实现管理和维护所有继电保护设备的定值通知单库， 处理和控制通知单审核和下发的工作流程。 ( 1 ) 定值通知单内容。包括修改定值的装置名称、被保护元件名称、所在厂 名、电压等级、原定值、新定值、修改原因、修改时间等。 ( 2 ) 定值单管理功能。定值通知单按照保护装置进行分类管理，包括当前定 值单、待执行定值单和历史定值单三种类型。 ( 3 ) 定值通知单查询功能。用户可以根据保护类型、保护型号、电压等级、 被保护元件、所属厂站等关键字查询特定的定值通知单的各种信息。 ( 4 ) 定值通知单审批功能。系统按照事先确定的流程或用户自定义的流程控 制定值通知单的审批流程和审批路径；审批完毕以后，以电子邮件和传 真方式向下级厂站发送通知单；下级厂站执行定值通知单回执后，以电 子邮件发送回调度中心，说明完成情况；若执行完成，则将该定值通知 单转为当前定值单，新的保护定值自动替换原定值信息；若未执行，说 明原因并等待批示。 ( 5 ) 定值通知单网上发布功能。当前通知单发布在网上，远程用户可以通过 网络查询保护定值信息。 2 4软件开发工具 本系统采用面向对象的软件开发工具一v i s u a lb a s i c6 0 。原因如下： ( 1 ) v i s u a lb a s i c 采用可视化应用程序环境和可重用性的面向对象的编程语 言，具有很好的w i n d o w s 界面功能； ( 2 ) 代码编译速度快； ( 3 ) v i s u a lb a s i c 控件使用方便，且支持a c t i v e x 、动态链接与嵌入( o l e ) 和 多线程( m u l t i t h r e a d ) 编程等。这样软件就可以方便地使用其它应用程序 提供的功能( 例如m i c r o s o f tw o r d 字处理器，m i c r o s o f te x c e l 电子数据表 及其它w i n d o w s 应用程序) ； ( 4 ) v i s u a lb a s i c 在图形处理方面具有较强的功能，可以很容易地实现图形、 1 0 华北电力人学硕l 学位论文 动画方面的功能； ( 5 ) 由于v i s u a lb a s i c 将许多数据库的通用功能都结合在其数据库组件中， 因此v i s u a lb a s i c 具有极其强大的数据库操作能力，其数据库应用程序 的设计和操作十分简捷方便； ( 6 ) i n t e r n e t 功能强大，容易在应用程序内通过i n t e r n e t 或i n t r a n e t 访问文档 和应用程序，或者创建i n t e r n e t 服务器应用程序； ( 7 ) 完成的应用程序是使用v i s u a lb a s i c 虚拟机的真正e x e 文件，可以自由发 布。 由于本系统涉及到界面设计、图形处理、数据库、网络通讯等多方面的操作， 同时考虑到代码编译速度要快，所以本系统选用v i s u a lb a s i c6 0 作为软件开发工具。 华北电力大学硕+ 学位论文 第三章发电厂主设备保护整定计算模块的程序设计 3 1引言 整定计算模块是发电厂主设备保护整定计算系统的核心，它为发电厂主设备所 配置的保护提供整定工具。它的专业性决定整定计算软件必须与发电厂主设备保护 的实际情况紧密相连。但是发电厂主设备保护原理多样化，保护装置型号多样，整 定原则丰富多样是影响发电厂主设备保护整定计算软件通用性的一道难题。所以本 文选择研究面向装置的继电保护整定计算模块作为课题主要内容，在继电保护整定 计算分层的框架上，研究变压器保护的整定计算原则，根据整定计算的数据结构， 完成面向装置的继电保护整定计算程序。 3 2发电厂主设备保护整定计算框架结构 发电厂一次系统结构复杂，主设备保护配置功能多。现有发电厂主设备保护装 置类型繁多。针对发电厂主设备继电保护具有复杂性和多样性的特点，为了更好地 适应现场实际，清晰展示整个保护系统，保护装置，某种保护配置等各层次之问的 关系，可以将整定计算模块划分为系统层、设备保护层、保护装置层、保护配置层、 保护定值层、保护公式层和保护参数层七层框架，分层描述保护系统，如图3 1 所 示。 每一层都有相同的结构。让不同的主设备对应着设备保护层不同的整定计算子 模块，同一主设备不同型号的保护装置对应着保护装置层的不同的子模块，同一保 护装置不同的保护类型对应保护配置层不同的予模块。开发整定计算程序时，将复 杂的发电厂主设备保护系统从设备保护层开始，根据主设备类型划分出三个结构相 同，整定计算内容相异的部分。首先以变压器保护整定计算程序为主要研究对象， 分析整定计算原则、数据、流程。这样后续研究将依据变压器保护整定计算系统的 结构，完成发电厂其他主设备保护整定计算部分，分步开发，最终实现完整的发电 厂主设备保护整定计算系统。开发变压器保护整定计算程序时，整定计算程序直接 面向保护装置，以各保护配置的整定计算子模块为基本单元进行模块化设计，可以 使得软件具有很强的扩充性和发展性。 c s c 3 1 6 数字式变压器保护是针对发电厂各种类型变压器的特点，适用于电厂 各种电压等级的主变压器、高压厂用变压器、启动备用变压器的数字继电保护装置。 c s c 3 1 6 b 为数字式启动备用变压器保护，其保护配置如表3 1 。 华北f 乜力丈学硕卜学位论文 一次设备保护系统 电动机保护| | 变压器保护l l 发变组保护 差 动 保 护 高 压 侧 复 压 过 流 保 护 缆 差 动 保 护 负序电压定值ff 低电压定值fi 过也流定值 u d i = k m b x u n | ju a = u , i g e 幅 图3 - 1 保护系统分层图 表3 - 1c s c - 3 1 6 b 保护配置表 纵联蔗动保护 主保护 电缆斧动保护 高压侧复压过流保护 高压侧短路后备保护 高压侧速断过流保护 高批侧零序过流保护 高压侧接地后备保护 高侧间隙保护 分支复压过流保护 分支短路后备保护分支速断过流保护 分支后加速保护 低压侧零序过流保护 分支接地后备保护 分支自产零流保护 过负荷告警 过负荷保护过负荷闭锁有载调雎 启动通风 断路器非全相保护 其它保护 断路器启动失灵保护 面向装置的整定计算程序就是从七层框架之中的第三层保护装置层开始，研究 和开发各项保护配置的保护公式层和保护参数层。在程序设计时为每一项保护配置 设计相应的c h e c k b o x 控件表示该项保护是否被配置，用c h e c k b o x v a l u e 属性控制相 应保护配置的整定计算模块和该项保护的保护定值层。c s c 3 1 6 b 保护装置设计的 三 圉圈 蓦 华北电力人学硕+ 学位论文 整定计算程序共有1 6 项保护配置，5 1 个计算定值，许多定值存在多个整定计算公 式。对于存在多个整定计算公式的保护定值，程序设计时在保护公式层使用 c o m b o b o x 控件控制下一层的各个整定计算参数。 利用分层的框架结构思想划分程序的数据，形成一层一层保护配置层数据、保 护定值数据、保护公式数据和保护参数数据，不仅在定值的计算中发挥了重要的作 用而且也为主设备保护整定计算模块的数据结构设计提供依据。 3 3变压器保护整定计算原则 由于发电厂主设备保护的数学模型复杂，整定计算方法各异，了解这些保护的 整定计算原则对整定计算软件的设计和实现有着重大的意义。现有发电厂主设备保 护装置类型繁多，各保护装置的生产厂家自成体系，缺少统一的标准，所以装置说 明书是整定计算的重要依据。面向装置的整定计算软件主要以装置说明书2 7 1 为整定 依据，同时充分考虑现场人员的经验。 l 、差动保护 ( 1 ) 差流速断定值i s d ： l s d = k i 。其中，i t , 变压器高压侧额定电流，k 一般取( 4 8 ) 。 ( 2 ) 差动起动电流定值，c d ： 1 ) i c o = 0 3 1 n + 足耐( u + a m ) x 屯。其中，k 耐通常取2 o ；u 为取调压范 围中偏离额定值的最大值( 百分数) ；a m 初设时取o 0 5 。 2 ) 按经验值整定，c d = k i n 。k 一般取0 4 。 ( 3 ) 比率制动斜率k 。： 1 ) k 6 2 = k k 。k 。髟+ u + ) 。其中，k 通常取1 5 ；k 9 当两侧同为p 级t a 时取2 0 ，两侧同为t p 级t a 时取1 5 ；如= 1 0 ；k 。= o 1 。 2 ) 按经验值整定，一般取o 5 。 ( 4 ) 二次谐波制动比如： 二次谐波制动比如2 ，一般整定为o 1 5 。 2 、电缆差动保护 ( 1 ) 最小动作电流定值，c d ： i c o = k x i u 。其中，k 一般整定为0 3 - 0 5 ，吒为电缆差动保护的二次额定电 流。 ( 2 ) 差动特性制动系数足。，： 建议k 。整定为o 4 。 3 、复合电压闭锁过流保护 1 4 华北电力大学硕十：学位论文 ( 1 ) 过电流保护的电流定值： i g = ( k mx i l e ) ( k ，r t 。) 。其中，b 为可靠系数，k ，为返回系数，。一为 最大负荷电流，为保护安装处t a 变比。 ( 2 ) 低电压定值u 。： 1 ) u 。= u 。( k 。k ，j 。其中，【，m j n ( 折算至t v 二次侧) 为正常运行时可 能出现的最低电压，k 。，为可靠系数，取1 1 1 2 ，k ，为返回系数，取1 0 5 - 1 2 。 2 ) 当低电压取变压器低压侧t v 时u d = k x u u 。其中，为低捱侧 i v 二次 额定电压，k 取0 5 o 6 。 ( 3 ) 负序电压定值以： u 2 = k x u e 。其中，u e 为所用t v 装设侧的变压器二次额定电压，足取0 0 6 - 0 0 8 。 4 、速断过流保护 ( 1 ) 高厂变高压侧速断过流定值，。： 1 ) = k 耐x ( 3 ) 一n 。其中，k 为可靠系数，通常可取1 3 ：，墨为最大 运行方式下，高厂变低压侧母线上三相短路时流过保护安装处的电流值；n a 为高压 侧速断过流保护采用的t a 变比。 2 ) j = k f e 。其中，k 一般取( 4 - 8 ) 。 保护动作电流取上述两计算结果的最大值。 ( 2 ) 分支限时速断过流定值：取以下三个定值的最大值。 1 ) 分支限时速断定值可按照单独一台最大型电动机启动，同时考虑正常的最 大负荷电流进行整定，计算公式：1 。= k m a x ( i o p ，。) + ，“一。式中，口l 为分支限时速断电流定值；k 。为可靠系数，通常考虑1 3 ；l ，一为分支母线上最 大负荷电流，通常可按照各分支额定电流考虑。，。为装设速断保护的电动机速断 保护定值。 2 ) 按照可靠躲过低压厂用变的最大速断保护定值，。，具体见公式； 1 0 r 。b 2 = x m d p r 。 3 ) 考虑电动机成组启动过程中，可靠的躲过电动机自启动电流定值，计算公 式：i 。m = k “k 。， 一。式中，j 。3 为分支限时速断电流定值；k 。为可靠系数， 通常取1 3 ；k 。为分支段全部电动机自启动时的自启动电流与，一之比；，m 。为正 常运行最大负荷电流；由于成组电动机自启动时，对应的母线电噩降低，且对应的 电动机多处于转动状态，不同于静止电动机的自启动，此时k 。在6 1 0 k v 电压级负 荷中，取1 5 - 2 5 ，当综合负荷中动力负荷比重较大时，取较大系数值计算。 ( 3 ) 延时按照与相邻元件的相应段时间配合。 华北电力人学硕l ：学位论文 5 、高压侧零序过流保护 ( 1 ) 零序电流定值，o l ： i o 。= k k 。，。”其中，k d 为可靠系数，取1 1 ；k 为零序电流的分支系数， i o l j 为与之相配合的线路零序过电流保护后备段的动作电流。 ( 2 ) 间隙零序电流电压。： u = k | x u ( 3 ) 动作时间与相邻线路接地距离后备段或零序3 段的最长动作时问相配合， 增加一个a t 。 6 、间隙零流零压保护 ( 1 ) 间隙零序电流i ；： 根据经验，保护的一次动作电流取1 0 0 a 。用户根据采用中性点经放电间隙的 专用零序电流互感器t a 的变比计算可得二次电流定值。 ( 2 ) 问隙零流动作时间： 中性点经放电间隙接地的零序电流保护动作延时按照躲过暂态过电压时间整 定，通常整定为o 3 s 0 5 s 。 ( 3 ) 零序电压定值： ( ，。 0 ) 。则对应的差 动电流和各种方法的制动电流见式( 4 3 ) 。 l = i j 。+ j = ( 1 + g ) 厶 k 批j = 掣l k = 抛i + l t i ) = 半厶 k = n 忆l ，k | _ m a x 以，以 ( 4 。3 ) 比较( 4 3 ) 中j 。，j 。：，。，各制动电流，得，。，m ，。，。取两折线对应 的比率制动特性计算i d 。= l 。+ k 。r ，。一，。j ，则对应的有动作电流满足： i , j 印i l ，则有： l l + i o ( 4 - 5 ) 若 l ，则有： ，。l 一厶 ( 4 6 ) 华北电力大学硕十学位论文 ，- 1 ，“甜 2 ， 磬： ， 一t a 2 ， ，： 一， 图4 2 式( 4 5 ) 和式( 4 6 ) 的比率差动特性 以l 和为直角坐标的两参数，式( 4 5 ) 和式( 4 6 ) 可以表示为图4 2 ，此 即比率差动特性图。图中曲线反映了动作判据在妒= 1 8 0 。时，两端电流l 和l 的关 系曲线。选定，o 后，两比率差动特性线为图4 2 中的阴影线，保护动作区为阴影区。 4 4不同制动电流选取方法对应的差动保护的动作特性 4 4 1 两折线比率制动差动保护的动作特性分析 变压器两折线比率制动差动保护的比率差动判据为 ，j l a _ 叩m l4 2 l d 。m + k 。q m l 。? m 3魏i 2 7 ， 当k k 。l ( 1 ) 变压器区内故障时 差动电流、制动电流的计算见公式( 4 一1 ) ，在如= o 5 ，厶。= o 5 l ，k 一= t 典型定值的情况下，将差动电流和制动电流计算公式代入式( 4 7 ) 中，则可得出两 端电流相位差q = 0 。时变压器比率制动差动保护的临界动作图，见图4 3 。 华北电力大学硕1 ：学位论文 图4 3 区内部故障两折线比率制动纵差保护的比率动作特性 由图4 3 可知，选取两折线比率制动特性时，当变压器内部故障时，等效两侧 制动、模值平均值制动和最大值制动的动作区是一致的。 ( 2 ) 变压器区外故障时 变压器区外故障时，。、。两侧电流相位近似相反，相位差近似p = 1 8 0 。当 q = 1 8 0 0 时，等效两侧制动和模值平均值制动的制动电流相同，其对应的制动临界 动作特性相同。 在k 。= o 5 ，l 。m = 0 5 1 。，。m i l i = l e 典型定值的情况下，将差动电流和制动 电流计算公式代入式( 4 7 ) 中，则可得出两端电流相位差妒= 1 8 0 0 时变压器两折线 比率制动差动保护的临界动作图，见图4 4 。 华北电力大学顾j ? 学位论文 图, i - 4 外部故障时两折线比率制动纵差保护的比率动作特性 外部故障时图4 - 4 中，最大值制动的两折线比率制动纵差保护的制动区大于等 效两侧制动和模值平均值制动。 ( 3 ) 变压器内部轻微故障差动保护有流出电流时 从等效两侧制动和模值平均值制动的比率差动特性( 图4 - 5 ) 中可以看出在 k 。= o 5 ，i d o p m = 0 5 1 。，i 。m = ，。时，图上有一条标为“6 0 流出电流线”的虚 线。它表示f i i i 端电流，。与l 的幅值比q = 0 6 ( 即，。= 0 6 1 。) 的情况。变压器内部发 生轻微匝间短路差动保护仍有流出电流时，从图4 - 5 上可得，若流出电流l 大于流 入电流，。的6 0 ，该保护将拒动。 华北电力人学硕l ：学位论文 圈4 - 5内部轻微故障两折线比率制动纵差保护等效两侧制动、模值平均值制动的比率动 作特性 一般情况下，若整定i d o p 。k 。k ，。，则变压器内部发生轻微匝间短路差动 保护仍有流出电流时，流入电流和流出电流幅值比q 不能超过o b 连线的斜率t a n t z 。； 若整定i d 。m k 。，。m ，q 不能超过b c 段直线的斜率t a n o t ：，否则保护都会拒动。 可以得出在等效两侧制动和模值平均值制动的情况下： 1 ) 当i d 。劬k 。气1 n i n 时， “i z j 7 g g 一一。瓦v e _ = a , m i n 瓦- - l d o p m t n ( 4 - 8 ) 2 ) 当i d o t , 椭k 。k m 时， g q 一- = 甭2 - g = r a ( 4 - 9 ) 口一。为等效两侧制动和模值平均值制动时最大流入流出电流幅值比。 可以得出在最大值制动的情况下： 1 ) 当i d 。m i n k 。，。m i l | 时， g g 。：生告尘( 4 - 1 0 ) 1 ，珂r a i n 华北电力大学硕上学位论文 2 ) 当l 。曲k 。k 自时， q 叮。2 = 1 一- & o ( 4 1 1 ) 譬一：为最大值制动时最大流入流出电流幅值比。 比较式( 4 8 ) 、式( 4 - 9 ) 和式( 4 1 0 ) 、式( 4 1 1 ) ，发现不论，d 。m5 k 。，。曲 或l 。m k 。i 。m i n 时g 一1 恒大于目2 所以，一般情况下，变压器发生轻微匝间短路差动保护仍有流出电流时，等效 两侧制动和模值平均值制动的差动保护允许内部短路时存在更大的流出电流。 4 4 2 三折线比率制动差动保护的动作特性分析 典型的三折线变压器比率制动差动保护的比率差动判据为 i d 置埘l ，掰+ l 母曲 当，w ，删 l、 l l 4 _ + 墨：j 。+ k 。2 ( k 一，。)勤。l ，。 ，。2 4 _ 1 2 ) l j d 印。h + 置肼l j 脯i + x 憎2 ( ，坩2 一，胁i ) 十【懈，( ，肼一，枷) 当，册，埘2 j 式中：k 。、k 。：、k 。分别为第一、第二、第三段比率制动系数斜率；i 。、k ： 分别为第一、第二拐点电流。 ( 1 ) 变压器区内故障时 在k 。l = 0 2 ，k 。l = 0 5 ，k 。，= 0 7 ，l a 。h = 0 5 1 。，j 。l = 0 6 1 ，。2 = 5 1 。的 典型定值的情况下，将各种制动电流计算公式分别代入式( 4 - 1 2 ) 中，得币= 0 。时的差 动动作特性如图4 - 6 。 华北屯力大学硕上学位论文 图4 - 6 区内故障三折线比率制动纵差保护的比率动作特性 从图4 - 6 可见对三折线变压器比率制动差动保护，不同制动电流选取方法对应的 保护动作区不同。等效两侧制动时对应的动作区最大，其次是模值平均值制动，最大值 制动对应的保护动作区最小。 ( 2 ) 变压器区外故障时 在髟。l = 0 2 ，x 2 = o 5 ，k 。3 = 0 7 ，d 。h = 0 5 1 。，。l = o 6 1 。，i r e , 2 = 5 1 。的 典型定值的情况下，将各种制动电流计算公式分别代入式( 4 1 2 ) 中，可得出妒= 1 8 0 0 的 差动动作特性如图4 7 。 与图4 5 类似，区外故障时等效两侧制动和模值平均值制动的差动动作特性是一致 的，最大值制动方法对应的制动区较大，制动性最强。 华北电力大学硕仁学位论文 图4 - 7 区外故障三折线比率制动纵差保护的比率动作特性 4 4 3 二次曲线比率制动差动保护的动作特性分析 典型的二次曲线比率制动纵差保护的动作判据为 e f 芝k 琵鬈0 5 + ( k 乏二。：) n + l d 一釜习 d 。2 ( ，二一疗) +。i + k 。2。m当，二”i 。 式中：e 、1 2 、。分别为变压器纵差保护动作电流、制动电流、最小动作电流 的相对值；k 。为变压器纵差保护最小制动系数斜率；k 。：为