（电力系统及其自动化专业论文）地区电自适应继电保护整定系统的研究.pdf

华南理工大学 学位论文原创性声明 i i ii il il tii i iii i iiiil y 1814 9 0 5 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： f 可俘茁日期：加j 年月 学位论文版权使用授权书 1 7 日 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密回，在乙年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：彳i 1 | 乏麦 导师虢物艺 日期：w 心年月，日 嗍：腓阳r 7 日 摘要 摘要 继电保护装置是电力系统安全运行的保证。为了充分发挥继电保护装置的效 能，必须合理地计算选择各保护的整定值，因此电网继电保护整定计算工作是保 证电网安全运行的关键工作之一。 本文从自适应控制理论的角度分析了地区电网自适应继电保护系统的工作原 理，分类建立了不同元件自适应继电保护定值计算的数学模型及其实现的理论； 解决了环网保护定值相互配合的问题，能够处理t 接线保护的设置及定值计算等 复杂情况；提出了在电力系统故障时为实现对电力系统的最优控制，应将自适应 继电保护系统与电力系统中现有的其它控制系统及s c a d a 系统融为一体作为能量 管理系统( e m s ) 一部分的设想，探讨了在线整定的实现方法。 自适应继电保护的基本思想是使保护尽可能地适应电力系统的各种变化，并 根据变化信息在线修改定值，以达到保护性能的最佳化。实现自适应继电保护系 统的关键在于，当电力系统运行方式变化时如何在线获得继电保护系统的新定值。 因此，继电保护整定计算的过程需要确定合理的运行方式。传统选择方法考虑运 行方式较少，使得整定值过于保守；而考虑所有的运行方式则费时费力。本文在 传统选择方法的基础上，提出了一种基于耦合度的运行方式选择方法。该方法选 择有限种具有代表性的运行方式，组成运行方式组合库进行整定计算。根据局部 控制原理，当系统运行方式改变时，只需对受电力系统运行方式变化影响的部分 继电保护装置整定值做出修正即可，克服了传统方法定值过于保守的缺点，提高 了继电保护定值适应电力系统运行方式变化的能力。 继电保护整定计算软件的研制可以大大提高整定计算的效率，减轻整定人员 的工作量。本文结合地方电网的实际特点，利用面向对象的技术，采用易学、易 于调试、比其它语言更迅速地创建复杂应用程序的m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0 作为编程工具，并结合x m l 技术，以m i c r o s o f ta c c e s s 为底层建立相关的数据库， 开发了具有w i n d o w s 界面风格的简洁、直观的整定计算系统软件平台。并以惠州 地区电网为例说明了软件的功能。 关键词t继电保护；自适应；在线整定；运行方式；耦合度 华南理t 大学硕士学 ) ：论文 a b s t r a c t t h er e l a yp r o t e c t i o ne n s u r e st h es a f eo p e r a t i o no ft h ee l e c t r i cs y s t e m t h er e l a y s e t t i n gm u s tb es e l e c t e dr e a s o n a b l yi no r d e rt oe x e r te f f e c to ft h er e l a yp r o t e c t i o n c o m p l e t e l y s ot h es e t t i n gw o r kw h i c hi sd o n ew e l li st h ek e yi ne l e c t r i cn e t w o r ks a f e o p e r a t i o n i nt h i sp a p e r ，b a s e do na d a p t i v ec o n t r o lt h e o r y ，t h ew o r k i n gm e c h a n i s mo f a d a p t i v er e l a yp r o t e c t i o nf o rl o c a lp o w e rs y s t e mi ss t u d i e d a n di t s e t su pt h em a t h m o d e la n dr e a l i z e dt h e o r yo fa d a p t i v er e l a y p r o t e c t i v e s e t t i n g s c a l c u l a t i o n c a t e g o r i c a l l y i ta l s os e t t l e s t h em a t t e ro ft h ec o o r d i n a t i o nb e t w e e nt h ep r o t e c t i v e r e l a y s ，s o l v e st h es e t t i n ga n dt h ec a l c u l a t i o no ft h et c o n n e c t i o n a ni d e ai sp r o p o s e d f o rr e a l i z i n gt h eo p t i m a lc o n t r o lt op o w e rs y s t e md u r i n gf a u l t ，w h i c ht h ea d a p t i v e p r o t e c t i o ns y s t e ms h o u l db eu n i f i e dw i t ho t h e rc o n t r o ls y s t e ma n ds c a d as y s t e m ， i n t oap a r to ft h ee m s ( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ) ，t h em e t h o do fo n - l i n es e t t i n gi s a l s oa n a l y z e d t h eb a s i ci d e ao fa d a p t i v ep r o t e c t i o ni st oa d a p tt h er e l a yf o rd i v e r s i f i e dp o w e r s y s t e m ，a n da m e n di t sr e l a yv a l u eo nl i n e ，t or e a l i z et h eo p t i m i z a t i o no fp r o t e c t i o n p e r f o r m a n c e t h ek e yt or e a l i z ea d a p t i v ep r o t e c t i o ni sh o wt og e t t h en e w r e l a yv a l u e s w h e nt h es y s t e mo p e r a t i n gm o d eh a sc h a n g e d t h e r e f o r et h ep r o c e s so ft h es e t t i n g n e e d st od e c i d er e a s o n a b l ep o w e rs y s t e m so p e r a t i n gm o d e t h et r a d i t i o n a lw a y s a l w a y s c o n s i d e rs e l d o mm o d e ，w h i c hm a k e st h es e t t i n g t o oc o n s e r v a t i v e b u t c o n s i d e r i n ga l lo p e r a t i n gm o d ei st o od i f f i c u l t t h i sp a p e r , b a s e do nt r a d i t i o n a lw a y s , p r o p o s e sa n e wm e t h o di nc h o o s i n go p e r a t i n gm o d e ，a i d e db yc o u p l ed e g r e e i nt h i s m e t h o dl i m i t e dp r i m a r yo p e r a t i n gm o d e sa r es e l e c t e d ，w h i c hc o m p o s e st h eo p e r a t i n g m o d ec o m b i n a t i o nl i b r a r y a c c o r d i n gt oi n d e p e n d e n tc o n t r o lt h e o r y , w h e ns y s t e m s o p e r a t i n gm o d ec h a n g e d ，w en e e dt or e m a n dp a r t i a lr e l a yv a l u e so n l y , w h i c h a r e e f f e c t e db yt h ec h a n g e t h i sm e t h o do v e r c o m e st h es h o r t c o m i n go ft r a d i t i o n a lm e t h o d a n dp r o m p t st h er e l a y sa d a p t i n gc a p a b i l i t y t ot h ec h a n g e so fp o w e rs y s t e m s o p e r a t i n gm o d e t h es o f t w a r eo fr e l a ys e t t i n gc a l c u l a t i o nc a ni n c r e a s et h ee f f i c i e n c ya n dd e c r e a s e t h ew o r k l o a dg r e a t l y a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h el o c a le l e c t r i cn e t w o r ka n d u s i n go o pt e c h n i q u e ，t h i sp a p e rp r o g r a m ss e t t i n g c a l c u l a t i o nf l a t f o r mw h i c hi s w i n d o w s i n t e r f a c es t y l e ，s u c c i n c ta n da u d i o v i s u a l t h es o f t w a r ei sd e v e l o p e db y v i s u a lb a s i c6 0 ，w h i c he a s i l yl e a r n e da n dt e s t e d ，a n de a s i e rt o c r e a t ef a c i l i t i e s n a b s t r a c t p r o g r a m m o r e o v e r ，x m lt e c h n o l o g yi sa p p l i e da n dm i c r o s o f ta c c e s si su s e dt ob u i l d d a t a b a s ea n dt h es o f t w a r ef u n c t i o ni si l l u s t r a t e db ys e t t i n gh u i z h o ul o c a le l e c t r i c n e t w o r k k e y w o r d s ： r e l a yp r o t e c t i o n ；a d a p t i v e ；s e t t i n go n - l i n e ；o p e r a t i n gm o d e ；c o u p l e d e g r e e i l l 一 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 1i 第一章绪论1 1 1 课题研究的意义和目的1 1 2 自适应继电保护简介1 1 2 1 自适应继电保护的基本概念1 1 2 2 在线整定的思想2 1 2 3 自适应继电保护发展的条件3 1 3 国内外研究现状。4 1 4 本文所做的工作5 第二章整定计算数学模型及系统算法7 2 1 故障计算的数学模型7 2 1 1 节点导纳矩阵与节点阻抗矩阵7 2 1 2 网络结构变更时对阻抗矩阵的修正7 2 2 运行方式变化限度的选择原则9 2 3 分支系数计算1l 2 3 1 分支系数计算的数学模型1 l 2 3 2 分支系数分析1l 2 3 3 故障类型和故障点的选择1 2 2 4 整定计算的自适应模型1 2 2 4 1 非线路元件保护自适应整定计算模型1 3 2 4 2 输电线路保护的自适应整定计算模型1 4 2 5 环网断点集的确定及保护配合对的形成18 2 5 1 最小断点集和相关顺序矩阵的概念1 9 2 5 2 利用网络图论来求取最小断点集2 0 2 6 本章小结。2 5 第三章运行方式组合问题分析2 6 3 1 传统运行方式的选择2 6 3 1 1 传统运行方式的选择原则2 6 3 1 2 最大、最小运行方式的定义2 7 3 1 3 厂站运行方式选择2 7 3 2 传统选择方法的弊端2 7 华南理工大学硕士学位论文 3 2 1 算例l ：电源运行方式的变化对分支系数的影响分析2 8 3 2 2 算例2 ：环网中运行方式的选择2 9 3 3 运行方式选择新方法3 0 3 3 1 运行方式的变化对故障电流的影响3 l 3 3 2 电源运行方式选择3 2 3 3 3 耦合度关系的提出。3 4 3 4 基于耦合度的运行方式选择的实现3 6 3 4 1 利用耦合度形成元件集合3 6 3 4 2 运行方式实现的流程3 8 3 4 3 运行方式的选择实例分析3 9 3 5 本章小结3 9 第四章自适应整定系统的设计与实现4 0 4 1 系统的总体结构及功能模块4 0 4 1 1 子系统结构4 0 4 1 2 系统总体结构。4 0 4 2 控制系统设计4 2 4 2 1 开环与闭环断续控制系统4 2 4 2 2 全局控制方式与局部控制方式4 3 4 2 3 “集中管理、分区控制”的控制方式4 4 4 3 在线整定功能的实现4 4 4 3 1 在线整定系统的结构一4 5 4 3 2 在线整定系统的启动模式4 5 4 3 3 模式空间的建立及定值的分散存储4 6 4 3 4 在线整定的实现4 7 4 4 本章小结4 9 第五章整定计算软件的开发5 0 5 1 编程方法及数据访问的设计5 0 5 1 1 面向对象编程特点及其在继电保护中的应用5 0 5 1 2 数据访问设计5l 5 1 3x m l 技术的应用一5 2 5 2 软件功能介绍5 4 5 3 相间距离保护整定计算实例5 8 5 3 1 整定规则及整定过程5 8 5 3 2 规则库的设计6 l 5 3 3 自适应距离保护整定计算算例6 2 目录 5 4 本章小结6 9 结论7 0 参考文献7 2 攻读硕士学位期间发表的论文7 5 致谢7 6 附录7 7 i l i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的意义和目的 随着国民经济的发展，电力系统的规模越来越大，电网结构也日趋复杂，不 仅造成继电保护整定计算的工作量越来越大，而且使继电保护整定值的配合越来 越困难。一般情况下，系统供电方式的改变、设备检修、新设备的投运等都会引 起保护配置和定值的相应改变，继电保护人员需要重新进行系统分析、短路电流 的计算、保护整定的计算及保护的投退方案的确定工作，需要进行大量的查询、 整定、计算数据、统计及填制各类操作表，稍有不慎就会出现差错和漏洞，影响 到电力系统的安全运行。在整个过程中，很多工作都需要专业人员人工干预才能 完成。二十年来，微机继电保护已取得了飞速的发展，相邻学科中的新技术、新 理论的融入使得它在保护性能上和控制的灵活性方面都远远超过了传统保护，在 国内外已研制出了成套的微机继电保护装置，它们完全有能力取代传统的继电保 护装置。 尽管微机保护具有高速运算和逻辑判断能力、强大的记忆能力以及其固有的 可编程特点，可是如何更充分地在继电保护技术中发挥其智能作用，仍然是当前 一个有待深入研究的重要课题。目前，不少微机保护装置的原理和性能基本上与 传统保护一样，只是传统保护的翻版，传统保护中已经存在的问题，在微机保护 中依然存在，并未得到改进或解决。之所以出现这种情况，其原因之一是对微机 的智能作用认识不足或没有找到有效的方法进一步发挥其智能作用，其次是受长 期形成的模拟式保护思维方式的束缚。为了使我国的微机保护进一步提高智能化 的水平，取得突破性的进展，自适应保护是一条正确有效的途径。 在国内，自适应继电保护的研究已开展多年并以初见成效，但是仍处在初级 阶段，用于实际生产的自适应保护装置更是寥若晨星，因此，开展自适应继电保 护的研究有着重要的理论和现实意义。实践证明，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。 本文的研究目的，就是为了适应在新的形势下继电保护整定计算的需要，面 向整个电力系统，利用计算机来实现保护定值的整定计算和管理，提高保护定值 的准确性、可靠性和完整性，增强保护定值适应电力系统运行方式变化的能力， 使保护性能更加优化。 1 2 自适应继电保护简介 1 2 1 自适应继电保护的基本概念 华南理工大学硕士学位论文 自适应继电保护的概念是在八十年代提出的。1 9 8 6 年，z a b o r s k y 和他的同事 们从不同的角度提出了自适应继电保护的功能，“在研究正常和事故情况下电力 系统计算机控制中，出现了一种全新的选择网络继电保护的方法，这就是基于最 小网络保护单元概念的自适应继电保护系统。这一系统不使用单个的继电器，是 一个以计算机作为工具的广泛交互式系统 1 9 8 7 年，h o r o w i t z 等人在研究使 用数字技术使输电线路保护和控制能适应电力系统实时变化的调查报告中，把自 适应继电保护定义成是一种具有多种保护功能，可进行调整以便更好地适应电力 系统运行方式变化的保护原理1 ，1 9 8 8 年，r o c k e f e l l e r 和他的助手们提出了输 电线路自适应继电保护的概念，把自适应继电保护定义为是一种根据电力系统运 行方式变化或要求来改变继电保护动作行为的在线活动t ，。不难看出，不同的研 究人员从不同的角度对自适应继电保护的概念做出了相应的定义。1 9 8 9 年， j a m p a l a 对自适应继电保护系统的概念和计算方法进行了深入全面的研究，给自 适应继电保护系统下了一个比较完整的定义，“所谓自适应继电保护指的是继电 保护系统能够根据网络拓扑结构变化自动地改变其运行参数以保持最优性能的能 力一。在这里，最优性能的含义是继电保护具有最佳的整定值使其动作速度最快， 同时保护之间仍要满足原有的配合关系这实际上意味着要在尽可能短的时间内 完成对继电保护的重新整定计算，并把新的运行参数传送给继电保护n ，1 9 9 3 年， i e e ew o r k i n gg r o u p 发表了关于自适应继电保护和自适应控制的可行性调查研究 报告”，指出了其广阔的应用前景。1 9 9 4 年，m o o r e 等人提出在电阻性两相接地 短路的条件下，运用自适应原理能够校正被测阻抗，从而提高两相接地距离保护 的性能1 ，另外，j o n g e p i e r 等人在双回输电线路距离保护的研究中通过引入根 据被保护线路的工作状态自动调节保护定值的系数，使得保护定值能够自动适应 电力系统当前的运行方式，以实现双回线路的自适应距离保护系统n ” 经过多年的发展，如今自适应继电保护的概念已经很明确了文献 1 将自适 应继电保护定义为能根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性 能、特性或定值的保护。可见，自适应继电保护的基本思想是使保护尽可能地适 应电力系统的各种变化，并根据变化信息在线修改定值，以达到保护性能的最佳 化。电力系统运行状态( 其中包括用户负荷的变化，设备的投切、发电机的出力变 化等) 处于频繁的变化之中，除此之外，电力系统中还可能发生各种类型的故障， 故障可能是瞬时性或永久性的，也可能是金属性短路或经过渡电阻短路等等。因 此要适应电力系统的变化，的确是一项十分困难的任务。 1 2 2 在线整定的思想 从上面对自适应继电保护的定义可以看到，实现自适应继电保护系统的关键 在于，当电力系统运行方式变化时如何在线获得继电保护系统的新定值。继电保 2 第一章绪论 护整定计算是保障电网安全运行的基础性工作，传统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。例如电流速 断保护的整定值，是按系统最大运行方式下，线路末端发生三相短路考虑，过电 流保护是按线路的最大负荷电流考虑。这种按最严重的条件确定保护定值的方法， 能保证所有可能的正常和故障条件下，保护都不会错误地切除被保护的线路，但 却存在以下缺点： ( 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多种故障进行周密的计 算，整定工作相当复杂，使整定工作者在工作中面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。事实上，传统的继电保护也力 图适应系统运行方式的变化和故障状态的改变，在一定程度上反映了保护的自适 应性，例如过电流保护的反时限特性，差动保护中的制动特性，在距离保护中考 虑了转换性故障及防止系统振荡误动的方法等。 目前，电力系统各领域都得到了飞速发展，在线整定实现的条件已经取得了 新的进展，使得自适应保护的实现成为可能。国内外一些专家学者正进行着在线 整定计算的研究，并取得了一定的成果。从目前的研究成果来看，毫无例外，均 利用电力系统运行方式变化信息通过在线整定计算来获得新定值，文献 1 7 提出 了利用网络原有图形的基本回路来决定最小断点集，以此确定整定过程中的网络 解环位置，逐步快速找出主保护与后备保护之间的时序配合关系的快速算法；文 献 1 9 提出了利用原网节点参数进行继电保护整定计算中各种故障的分析计算方 法。尽管这些研究成果可明显提高继电保护整定计算的速度，但对大电网自适应 继电保护系统进行在线整定仍存在着两个主要问题：( 1 ) 当网络规模复杂到一定程 度，现有的继电保护整定计算方法在计算速度方面难以满足在线整定的要求；( 2 ) 整定计算过程中，往往需要人工干预才能取得满意的整定结果。 1 2 3 自适应继电保护发展的条件 电力系统继电保护实质上属于电力系统自动控制的范畴，它的作用是切除发 生故障的设备以保证电力系统的正常运行，同时也包括自动重合闸。当我们考虑 自适应保护时，就必须进一步计及电力系统运行状态和故障过程的变化，从这一 点看来，自适应保护实质上是一个具有反馈的控制系统。在自适应继电保护中系 3 华南理工大学硕士学位论文 统运行状态和故障过程变化的信息，可以就地获得或利用各种通信方式从调度或 相邻变电站得到。电力系统调度自动化和变电站的综合自动化以及微机的智能作 用，为获得更多的有用信息，并加以实时处理提供了有利条件。就地获取信息简 单易行，应首先予以考虑。利用通信方式由远端获取信息比较复杂，对快速传送 数据信息的要求也较高，但如能显著改进保护性能，且通道能满足要求，用这种 方式实现自适应保护也是合理的。 下面归纳了几点自适应继电保护得以发展的条件： 1 微机保护技术的进步 目前继电保护已经进入了计算机的时代。微机保护技术的进步是自适应继电 保护发展的基础，脱离计算机的应用，自适应继电保护是不可能实现的。微机的 强大的记忆功能和快速运算处理能力为自适应保护的发展提供了硬件保证。 长期以来，微机保护的大量研究成果以及与微机保护密切相关的其它科技领 域的新技术和新概念，如自适应控制理论、神经网络和模糊控制以及小波变换理 论和全球定位系统( g p s ) 的应用，都将促进自适应保护的进一步发展 2 电网调度综合自动化技术的发展 近年来为适应电力工业的发展和电网运行的需要，我国已卓有成效地建设发 展了电力专用通信网络和电网调度自动化系统，电网调度自动化系统在实用性方 面取得了重大进展。现在我国9 0 以上的电网运行实时信息得到有效和准确的采 集，厂站基础自动化设备可靠性和管理水平大大提高，其提供的准确而有效的实 时信息已成为调度员进行电网安全、优质、经济调度的主要依据，对电网调度运 行管理起到不可替代的作用，同时也为自适应保护提供所需要的信息创造了条件 3 电力系统自动化技术发展的需要 继电保护技术是电力系统自动化技术的一个分支，随着电网调度自动化系统 的建设和实用化，采用变电站综合自动化技术和实现无人值班运行方式如雨后春 笋般地发展起来，一方面对继电保护技术的发展是一种新的机遇，另一方面也是 一种挑战。这将为自适应继电保护的发展提供机会 1 3 国内外研究现状 自八十年代自适应继电保护提出开始，国内外就已经展开了自适应继电保护 的研究，迄今为止已取得了一定的成就。 文献 1 介绍的自适应电流保护能自动适应系统运行方式的变化及故障状态， 使保护在线自动整定计算和性能最佳化，该装置已投入运行，结果表明，其保护 范围及性能较传统电流保护都有显著提高；文献 6 考虑到由于双回路输电线中距 离保护的性能受到并行线路的运行方式以及整个电力系统运行工况的影响较大， 需要改变保护系统的特性以适应环境变化，采用了基于人工神经网络的自适应保 第一章绪论 护策略，在荷兰电力系统上进行了仿真实验，表明该方法使距离保护的灵敏性和 选择性都得到了改善；文献 11 运用人工神经网络所具有的自适应能力、学习能 力和模式识别能力提出了一种实现自适应电流保护的神经网络模型；同时针对系 统振荡和过渡电阻对保护的影响进行了研究，提出了自适应距离保护模型，并进 行了大量的仿真计算分析，验证了所提方法的可行性与优越性；文献 1 2 中研制 的大中型电动机自适应继电保护装置从硬件及算法两方面考虑了抗干扰的措施， 采用自适应差动、速断、过流保护原理以满足运行方式变化剧烈的要求，通过对 样机进行试验，证明性能良好；文献 1 8 应用人工神经元网络方法，综合考虑了 线路各种故障状态的特征，提出并建立一个三层前向神经元网络模型，用来实现 线路故障的微机距离保护，并利用a t p 进行了大量的仿真计算，对该模型进行故 障状态测试的结果表明，经充分训练的网络可快速准确地处理故障，受短路处过 渡电阻、系统振荡及系统结构、运行方式变化的影响较小。当然，目前国内外实 现自适应继电保护的例子远不止这些，在这里就不一一列举了。 现已成功投运的自适应保护装置的运行结果已充分证实了它的优越性，它能 克服传统保护长期以来存在的的困难和弱点，是未来继电保护的发展方向。当然， 自适应保护技术的研究尚且处于初级阶段，存在着以下尚待解决的问题： 1 功能不够全面。 目前在国内虽然已有一些自适应继电保护装置投入了使用，但这些装置都只 是针对某种类型的保护开发的( 例如自适应电流保护) ，功能上比较单一 2 适应性不够强。 由于各地的电网情况、使用保护的类型、整定计算时要考虑的运行方式各不 相同，导致为一个地区设计开发的继电保护整定软件，难以在另一个地区应用。 3 在线整定实现困难。 获得自适应继电保护系统整定值的在线整定计算法往往满足不了在线要求， 因为在线整定对信息处理的要求很高，它的速度与网络规模及其复杂程度有关， 而且不能人工干预继电保护的整定计算过程。 4 从真正意义上实现自适应保护是一个长期的过程。 在今后相当长的时间内，电力系统中仍会有大量的电磁式和固态模拟式继电 保护装置存在，这两种继电保护装置不能在线修改整定值。因此，自适应保护与 非自适应保护共存的局面是不可避免的，实现全网的自适应保护将是一个漫长的 过程1 引。 1 4 本文所做的工作 本课题是在广泛研究国内外已有的继电保护整定计算系统的基础上，总结了 现有保护的优缺点，充分利用自动控制理论及计算机新技术，结合现代电力系统 5 华南理t 大学硕士学位论文 前沿技术来进行设计的。主要完成了以下几方面的工作： 1 设计了地区电网自适应继电保护整定系统的结构及控制系统，将地区电嚼 分成若干片区( 子系统) 来管理，采用“集中管理，分区控制一的方式对每一个子系 统进行局部控制；建立了自适应整定计算的数学模型，探讨了在线整定功能的实 现。 2 解决了环网保护定值相互配合的问题，能够处理t 接线保护的设置及定值 计算等复杂情况。在继电保护整定计算中，遇到环网时要求解开环网，以免在整 定计算中发生互锁现象，本文采用了一种确定接近最小断点集( b p s ) 的图论算法来 找出断点，并根据b p s 和主后备保护关系形成整定相关顺序阵。 3 提出了基于耦合度的整定计算运行方式选择的方法。本文引入“耦合度一 的概念来描述元件之问的关联程度，推导出故障电流变化与自阻抗变化的的关系， 从而得到对某一保护定值影响较大的元件范围，将这些元件组成元件集合，与相应 运行方式一起形成运行方式组合库。当系统运行方式改变时，只需对受运行方式 变化影响较大的部分定值做出修正即可。该方法选择有限种具有代表性的系统方 式进行整定计算，克服了传统方法定值过于保守的缺点，提高了继电保护定值适 应电力系统运行方式变化的能力。 4 数据库设计与管理功能模块的实现。数据库管理模块具有电网参数管理、 短路计算结果管理、运行方式库管理、定值管理的功能。采用m i c r o s o f ta c c e s s 关系型数据库，数据输入输出方式灵活，对相关字段建立了索引查询方便。 5 软件开发与核心部分的编程工作。采用v is u a lb a s i c6 0 开发了具有 w i n d o w s 界面风格的简洁、直观的整定计算系统软件平台，具有短路计算和故障计 算两大功能。用户可以选择自动整定来对选定片区中的某一类保护进行整定，也可 以选择手动整定有针对性地整定，手动整定过程中，权限内的用户可采用人工干预 方式对整定规则进行修改、添加、删除等操作。 6 第二章整定计算数学模型及系统算法 第二章整定计算数学模型及系统算法 2 1 故障计算的数学模型 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 障计算和故障分析，而故障计算在数学上可归结为对故障状态下网络方程的求解。 适当地选择计算网络的数学模型，有利于提高计算的速度，这是程序设计中不可 忽视的重点问题。 2 1 1 节点导纳矩阵与节点阻抗矩阵 电力网络的数学模型是指将网络有关参数和变量及其相互关系归纳起来所组 成的、可反映网络性能的数学方程式组，数学模型必须能满足计算要求而且是可 以求解的。由于节点电压方程便于计算机形成、求解，所以在求解电力系统问题 时，通常使用节点电压方程作为电力网络的数学模型。节点电压方程又有两种具 体描述形式：y u = i 和z = u 。前者称为节点导纳方程，后者称为节点阻抗方程。 其中u 为节点电压列向量，i 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。故障计算算法在原理上可以描述为：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。 两者比较来说，y 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，网络结构变更时修改快，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。z 为满阵，形成速度慢，占用内存多，网络结构 变更时修改慢，但z 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。 在实际应用时，常常是同时利用y 阵的稀疏性和z w 计算的方便性。继电保护 计算时需要进行大量的操作和短路计算，采用节点导纳方程作为数学模型，耗时 太多，为提高计算速度，本文采用节点阻抗方程作为电力网络的数学模型。 2 1 2 网络结构变更时对阻抗矩阵的修正 电力系统的网络结构并不是一成不变的，故障计算中需考虑网络结构变更的 情况，如：输电线路的投入与切除；具有零序互感线路两端断开并挂地线检修( 简 7 华南理工大学硕士学位论文 称为线路挂检) 等等。处理这种变化的方法大致有两种： ( 1 ) 根据变化的情况，直接修正原有矩阵，然后根据新的节点网络方程，进行 有关电路的计算。 ( 2 ) 以原有网络矩阵为基础，用补偿法或支路追加法局部修正节点阻抗矩阵， 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。为适应现代大电 网结构的变化的灵活性，本文采用后一种方法来处理网络结构变更的问题：在给 定的基本运行方式的基础上，按结构变更的具体情况，适当修改原网络阻抗矩阵 z ，求得变化后的阻抗矩阵z 。 下面着重讨论零序互感线路操作时，节点阻抗矩阵z 的修正方法。其它各类 操作均可看成是零序互感线路操作的特例。 2 1 2 1 单端切除- j 支路 q 图2 一l 说明图 f i 9 2 一le x p l a n a t o r yd r a w i n g 如图2 1 所示，假定被操作支路i j - q 网络中的其它支路p q y _ 问存在互感。 单端切除i j 互感支路时，对原网络阻抗矩阵修正的公式为： 1 z = z 一上z ，z j ( 2 1 ) 口l o 厶址 式中，z 、z 分别为i - j 支路单端切除前及切除后的节点阻抗矩阵。 z l = 巧叫 z k i z l j z 珏一z l j z 融一z 畸 + 巧一一( z l ，一z l 叮) 巧一舟( z 2 ，一z 2 9 ) 匕一一( 乙一乙) z l ， z 2 ， ： ( 2 2 ) z 比= 匕一驴( z ，一z _ 一1 o ) + 一朋( z 一z 0 ) 单端切除无互感支路时，只要在上述公式中令互导纳巧一丹= 0 即可。 2 1 2 2i j 支路相继动作 互感支路i j 在靠近i 母线的一段发生短路故障时，可能由于保护两侧相继保 护动作时间的不同，使i 侧开关先跳，这就构成了互感线路的相继切除状态。i 端 8 第二章整定计算数学模型及系统算法 跳开后修正阻抗矩阵的公式为： z ，一眵zi一上f钏zlz；j 眩z 】 刀2 l z ；一z 址l 么j 院z j 式中： r 7 i 。l o i7 z ，= ( i - k 忙 i 。 l7 l 厶刖 iz l i7 + 七lz j 。 i ： l 乙 z t f z 2 ， z 哆 ( 2 3 ) ( 2 4 ) z = ( 1 一七) z r + 勉+ 七( 1 一七) 乙叫 z 一= ( 1 一七) ( z | ，一1 ) + k z ， 互、z 比分别与单端切除i j 支路相同。上述公式中，k 代表由i j 支路i 端( 跳开一侧) 算起的故障点位置。 2 1 2 3i j 支路挂检 互感支路i - j 线路挂检，修改节点阻抗矩阵公式为： 7 - 7 一r z 。= z 一三垫 ( 2 5 ) z 乙 式中，z 由单端切除公式确定， z ：= h q 啤t z ：p z ；q 、) 吼一朋( z 知一z 毛) ： 一冈( 乙一乙) z z ；， 乙 ( 2 6 ) z 乙= 1 - 艺一一( z 二一z 0 ) 】巧叫( 2 - - 7 ) 值得指出的是当系统内出现多次操作时，只需利用上述有关公式对原网络节 点阻抗矩阵z 进行重复修正。 2 2 运行方式变化限度的选择原则 确定运行方式的变化限度应以满足常见运行方式为基础，在不影响保护效果 的前提下，适当加大变化范围。其一般原则如下： ( 1 ) 必须考虑检修与故障两种状态的重迭出现，但不考虑多种重迭。 ( 2 ) 不考虑极少见的特殊方式。因为出现特殊方式的几率较小不能因此恶化 了绝大部分时间的保护效果。必要时，可采取临时的特殊措施加以解决。 1 电机、变压器运行变化限度原则 ( 1 ) 一个发电机有两台机组时，一般应考虑全停方式，即一台机组在检修中， 另一台机组又出现故障；当有三台以上机组时，则应选择其中两台容量较大机组 同时停用的方式。对水力发电厂的机组，还应结合水库运行特性选择。 9 华南理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 一个厂、站的母线上无论接有几台变压器，一般应考虑其中容量最大的一 停用。因变压器运行可靠性较高，检修与故障重迭出现的机率很小。但对于发 机变压器组来说，则应服从于发电机的投停变化。 2 中性点直接接地系统中变压器中性点接地