（电力系统及其自动化专业论文）dts中继电保护仿真模型的设计.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 定值比较法和逻辑比较法是调度员培训仿真系统( d t s ) 中继电保护仿真的主要实 现方法，当前，单纯的使用其中一种方法很难同时满足继电保护仿真中实时性与逼真性 的要求。采用定值比较法，有些参量( 如零序电流，瓦斯含量等) 难以得到；采用逻辑 比较法，复杂网络线路之间的拓扑关系复杂，线路主保护与相邻线路后备保护之间的逻 辑关系配合难以实现。本文分析了两种继电保护仿真方法的特点，形成了以逻辑法为主， 定值法为辅的继电保护仿真设计思想，并基于该设计思想，按照电力系统不同类型的故 障构建了相应的各类继电保护仿真模块。算例表明，用该方法设计的d t s 继电保护仿 真模型，能较好地满足仿真计算速度和仿真逼真性的要求。 关键词：调度员培训仿真器，继电保护，逻辑比较法，定值比较法 a b s t r a c t t h e6 x e dv 铂u eq l l a ：n t i 枷v ej 嘶n gm e t i l o d 锄d 也el o 西cj u d g em e 川a r c l o s t l y i m p l e m e 哟t i o nw a y si nr e l a yp r o t e c t i o ns i m u l a t i o ni l ld i s p a t c h e rt 谢n i n gs 洫u l a t o r ( d t s ) c u r r e n t i y 也eo i l l yu s co n eo ft h ew a y si sv e 巧m 佑c u l tt 0 鞠r t i s 黟t l l er e a l - t i i n e 托q u i r e i n e n _ t s 髓ds j m u l a 五酬i s t i c 出i n l 批o n0 n ek m 也s o m eo f l ep 嘲锄吼l c h 弱硪一q l j e n c c c l l r r e n t 锄dt h eg 勰c o n t e ma r ev a ym 伍c u l tt 0g e t 、) l ：h e nt h ef e dv a l u eq 啦m t i t a t i v ej u d g i n g m e t l l o d j u s tb ea d o p to nt 1 1 e 湘眦讹e n 勘e 璐j u s tu 龇l o 西c j u d g em 删，i t i s b 脚df l o r 也e1 0 西c a lr e l a ：t i o n s h i po ft h em a i nl i n ep r 蜕e c t i o n 卸dt b ea 由a c e n tl i n 懿s e r v e p r o t e c t i o nt 0c o o p c 栩t cc o r r e c yb e c a 啦蛇o ft l l ec 锄p l e x 玳潮0 i kt o p o l o g yr e l a t i o 璐h i p s i n 也i sp a ：p e r ，血ec b _ a r a c t e d s t i c so ft h et w om c t h o d sa r e 删y z e d 觚dan e wm e t h o dt h a lm 糊y b a s e d0 nt h el o 西cj u d g em e t h o dt o g e l e r 、历t l lt l l ef e dv 缸u eq 啦咀t i t a t i v ej u d g i i l gm e t i 埘i s p r o p 0 9 e d b 鹤e d t l l ep r o p o s e dm 甜州，t h ec 0 m s p o n d i n gv 耐o u s 他l a ys 曲u l a l i o nm i 甜u l 懿 a 坨f o l m d e d e 姗p l e ss h o w l a tt h e r j e l a ys i n l u l a t i o nm o d u l e sc a nb eu s e dt 0m e c tt h e s i m u l a t i o n 跚e d 锄dt l l es i r i l u l a t i o nr e a l i s t i co ft h er e q u i r e m e n t s j i an i n g ( p o w e rs y s t e m 锄di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f c h a n gx i a n r o n g k e y w o i m s ：d i s p a t c h e rt 豫i n i n gs i m u l a t o r 糟l a yp m t e c t i o n ，l o g i cj u d 髀s i m u l a t i o n ， q u a n t i t a t i v ej u d g i n gs i m u l a t i o n 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 查阅了大量的d t s 领域的相关文献，了解了各d t s 厂家产品的特点及应用现状， 对d t s 系统的硬件和软件体系结构作了深入的研究和比较。对电力网络中的各 种故障及保护运行情况进行分析，尤其是对实际电力系统现场保护功能和实现 做出全面真实、覆盖广泛的深入研究，从而筛选出适用于本课题的继电保护模 块相应的保护装置。 介绍d t s 系统中继电保护装置功能的实现，对其仿真方法做出总结，在确立逻 辑判别法和定值判别法外，提出以逻辑判别法为主，定值判别法为辅的仿真方 法，这种方法在节约程序运行时间的同时也保证了仿真的逼真性。 研究了d t s 中继电保护仿真的方法和数学模型，以逻辑判别法为主，定值判别 法为辅的思想设计了继电保护仿真模型，并根据电力系统的不同故障建立起相 应的继电保护仿真模块，分为四大类：线路保护模块、母线保护模块、发电机 保护模块、变压器保护模块。由于实际电力系统继电保护装置形式多样，但原 理基本一致，均可视作测量、判断和动作环节。我们将以此为基本标准建立合 理的具有良好适应性的模型结构。 模拟d t s 中继电保护装置的运行，并运用c + + 面向对象程序设计工具编制继电保 护模块程序。并进行实例分析。建立与d t s 中其它模块的数据及信息的传递与 配合，检验了所编程序的性能，对所开发程序进行完善和修改。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 第二章d t s 继电保护的仿真模型 2 1d t s 继电保护仿真思想的概述 实际电力系统中继电保护装置形式多样，种类繁多。当前国内d t s 继电保护仿 真主要应用以上本文所介绍的两种实现方法以及针对不同的运行方式对保护定值 的关注不相同而采取两种方法交替使用的方式来实现的继电保护仿真( 具体做法是 选出电网中一部分保护用定值判别法，其余用逻辑判别法) 。但在针对某一具体保 护仿真的实现仍是逻辑判别法或定值判别法，且实时性及逼真性这一继电保护仿真 的核心矛盾依然存在。本章提出了一种通用的数学模型，并对这一通用数学模型进 行详细的阐述，建立d t s 继电保护的仿真模型。这个模型设计思想是以逻辑判别法 为主，定值判别法为辅，尽可能的满足继电保护仿真中实时性与逼真性这对矛盾。 以逻辑判别法为主，定值判别法为辅的思想的核心就是在主保护中采用逻辑判 别法，在后备保护中根据实际情况的需要，采用定值判别法或者逻辑判别法。这是 由逻辑判别法和定值判别法的自身特性决定的。逻辑判别法主要是根据故障类型和 保护类型来判断保护动作与否，不涉及保护定值的计算和比较。这就在实时性的问 题上充分的保证了保护动作时间，另外，由于我们的关注对象是保护装置的动作结 果，也就是说在模拟电力系统发生故障时，断路器开关能否准确无误的动作，对其 动作的过程并不十分关心。因此，主保护采用逻辑判别法是一个较为理想的选择。 而在后备保护中，尤其是对于动作时间很短的后备保护也要采用逻辑判断的方法， 这样可以保证保护动作的实时性。在动作时间相对较长的后备保护或二级后备保护 中，采用定值判别法确定保护动作与否。当然，针对到具体某一确定的故障时，在 可以保证实时性的同时，我们不排除主保护采用定值判别法。 本模型主要由测量及信息环节、判断环节及动作环节组成。继电保护装置通过 测量环节子装置采集必要的或能够获得的电气量，将其与整定值相比较判断，故障 信息设定好后，进入判断环节确定故障范围，其中，测量环节中故障时的电气量值 取自故障计算的结果，并与预先设定的整定值进行比较；故障信息包括故障类型和 故障地点，判断环节对故障地点和保护范围的关系进行分析，并考虑开关拒动和保 护拒动的情况，以确定故障范围。例如，故障发生在某条线路上时，那么其它线路 和母线的保护不会动作，只能使本线路保护动作；当本线路的开关或保护拒动时， 将使同一电压等级的变压器及母线的后备保护动作。两者通过逻辑“与的关系来 实现保护是否启动和动作，最后再结合延时及外部信号来启动保护动作发跳闸信 号。 华北电力大学硕士学位论文 图2 一l 继电保护仿真模型 每套保护装置通过建立相应保护原理的保护模块来实现，其中保护模块分为线 路保护模块、母线保护模块、变压器保护模块和发电机保护模块等，在电力系统发 生线路故障、母线故障、变压器故障、发电机故障时启动相应的保护模块，以确保 电力系统的稳定与安全。 2 2 继电保护数据的初始化 工程开发中潮流计算和故障计算有部分数据难以得出或即使全部算出也需要 很大的计算量和占用c p u 较多的运行时间( 如电流、电压的负序及零序分量) ，因 此我们在软件开发时要充分考虑到实现d t s 继电保护功能模块的运行时间和实现 难度。这就要求建立数学模型和编制d t s 继电保护程序时尽量使用现有的较为精确 的电气量和故障发生地点、类型及相关信息作为保护动作的基本数据。从而满足d t s 对实时性的要求又充分体现了调度员培训的逼真性和灵活性。因此，在进行仿真之 前，必须进行数据的初始化，故障仿真还要求进行继电保护数据初始化，把数据文 件中的原始数据( 继电保护装置在网络中的地点数据，一般为线路、节点和断路器 物理编号。比如，在某断路器处设置了零序保护，那么此断路器物理编号即为此零 序电流保护的原始数据) 经过变换，将原始数据的物理编号转变为数字编号，即计 算用编号，然后以数字编号作为继电保护的下标，并赋给这些变量表示它们设置情 况( 比如，零序电流保护的整定值及其投运状态等) 的特征值，装入数据库中，这 些数据即为继电保护初始化数据。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 l 建立保护数据文件 i ( 物理编号) 上 l 打开数据文件 1 l r l 将物理编号转化为数字 i 编号 上 i 给保护赋上表征其特征 i 的数值 上 l 将特征值存入数据库 图2 2 初始化数据结构化框图 图2 3 初始化数据模块图 初始化数据生成后，将其按照故障类型进行划分，分为：线路数据、母线数据 以及变压器数据三类。其中，线路数据又包括：相差高频、高频闭锁、相间距离、 接地距离、零序电流、重合闸以及c t 变比等数据：母线数据包括：动作电流、匝 数及母联、线路电流等；变压器数据包括：主变带间隙、零序电流等数据。 2 3 故障设置 实际电力系统中故障形势复杂多样，因此，在启动保护之前，首先要设置故障， 如线路、元件( 母线、变压器、发电机) 等故障，根据不同故障建立相应的保护模 块，从而在设置故障后，启动相应的保护模型。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 设置故障 ii i 线路故障 i 母线故障变压器故障 l 发电机故障 图2 4 故障设置框图 线路故障：模拟相间短路、接地短路、断相故障。 母线故障：模拟接地短路、相间短路故障。 变压器故障：分内部故障和外部故障两类。 发电机故障：分内部故障和外部故障两类。 误动故障模拟：模拟在系统中任一处发生短路故障时，故障点外任一处的断路 器误动，或者在系统中线路或母线及其他元件处无短路故障时发生保护误动。 拒动故障的模拟：在2 2 0 千伏以上系统中，重要元件都装设两套相互独立的主 保护，互为备用，此外，每个元件都有本元件及相邻元件的近后备和远后备保护， 使得因为保护拒动而不能将故障切除的可能性变得很小，统计资料也表明了这一 点，考虑实际电力系统的复杂性及继电保护模型的完备性，也模拟保护拒动，而断 路器拒动则不然，断路器拒动不仅经常发生，而且经常扩大了停电范围，必须进行 模拟。 2 3 1 线路与母线故障 表2 一l 线路与母线故障 相 类 线路故障母线故障 、惑 接地故障 a bc a 。bb cc a a ，b ，c a b ca 。bb 。cc ，a a ，b ，c 相间短路 a bb cc aa b 吨a bb cc aa b c 断相故障 a b c a b b c c 。aa ，b ，c a b c a b b 。cc 。a a ，b c 1 4 华北电力大学硕士学位论文 2 3 2 发电机与变压器故障 表2 2 发电机与变压器故障 名 类 变压器故障发电机故障 内部故障 油箱，线圈短路，其它定子短路，转子短路，失磁，其它 外部故障 电网接地，相间短路，过负荷过负荷，电网接地，过电流，过电压 2 3 3 误动故障 表2 3 误动故障 。裙 分n 单相两相三相 高频保护a b ca 、bb 、cc 、aa b c 零序保护 abca 、b b 、cc 、aa b c 距离保护 abca 、bb 、cc 、aa b c 母差保护a b c 变压器保护 a b c 发电机保护a b c 失灵保护a b c 1 5 华北电力大学硕士学位论文 2 3 4 拒动故障 表2 4 拒动故障 疮 动 元件 型 保护拒动断路器拒动 量 高频保护 线路故障 零序电流保护 首末端断路器 距离保护 母差保护母联或出线 母线故障 失灵保护断路器 需要说明的是，拒动故障必须与短路故障的发生相结合，否则便无实际意义， 即在设置线路故障时，指定此线路的某一端断路器发生拒动或此断路器所安装的保 护发生拒动，设置母线故障时，设置此母线相连的某一断路器发生拒动或此母线所 安装的母差保护或失灵保护发生拒动。需要特别指出的是：如果设置母线故障时设 置母差保护拒动且同时设置此母线相联的开关拒动是矛盾的。 2 4 以逻辑为主、定值为辅的继电保护模型 根据上一节对故障的划分，在这一节中，我们将重点介绍根据故障划分所建立 的相应的继电保护模块。 2 4 1 线路保护模块的设计 根据继电保护和安全自动装置技术规程，1 1 0k v 及以下中性点非直接接地的电 网，主要采用过电流保护，并列运行的平行线路采用横联差动保护作为主保护，以 阶段式电流保护作为后备保护。1 1 0k v 至2 2 0k v 中性点直接接地的电网，通常采 用距离保护作为主保护，阶段式或反时限零序电流保护、电流速断保护作为后备保 护。2 2 0k v 线路通常装设两套全线速动保护，采用接地距离保护、阶段式或反时限 零序电流保护、电流速断保护等作为后备保护。3 3 0 5 0 0k v 中性点直接接地的电 网，采用两套完整独立的全线速动主保护实现主保护的双重化，要求每一套主保护 对全线路内发生的各种故障均能无时限动作切除故障。每条线路都配置有能反应线 路各种类型故障的后备保护，并有双重的后备措施。鉴于本课题组依据我国某省电 力公司调度中心的数据对d t s 继电保护装置进行开发，所以应结合2 2 0k v 及以上 1 6 华北电力大学硕士学位论文 电网在电网稳定及保护配置方面的特点，来考虑其保护装置的仿真。 在实际系统中，为了确保故障发生后能迅速将故障元件切除，以缩小停电范围， 实现继电保护多重化，在每条线路均装有多重保护，一般为相差高频保护、高频闭 锁距离保护、零序保护、电流速断保护及接地距离保护等，并且保护装置在整定时 考虑尽量满足“四性一：选择性、快速性、灵敏性及可靠性，所以对于本线路故障， 一般均由本线路保护以最短时限动作将故障切除，这也是此继电保护模型的前提假 定。 在d t s 设计时，一般每条线路有首末端两个断路器，但是对于l 三断路器接线 z 方式，线路相关联开关为三个( 只有一端为角形接线方式) ，或四个( 两端均为l 喜的 2 接线方式) ，在程序处理中，可通过支路开关关联表进行查找。 线路发生故障的类型不同，动作的保护类型也不一样，如接地故障由零序电流 保护动作，相间故障由相间距离保护动作，断线故障由零序保护动作，所以可对故 障类型进行划分，调用相应保护动作子程序，如图2 5 所示。 图2 5 线路故障子程序框图 1 7 华北电力大学硕士学位论文 图2 6 接地故障继电保护动作子程序框图 图2 7 相间故障继电保护动作子程序框图 1 8 华北电力大学硕士学位论文 1 ) 高频保护的模拟 高频保护包括相差高频保护、高频闭锁距离保护等，这里只考虑其动作结 果，所以可以粗略地统称为高频保护。 高频保护可反应区内各类故障，保护线路全长，不考虑相差高频保护因存 在闭锁区而出现的相继动作等问题，认为只要为区内故障，则两侧高频保护同 时动作。高频保护在本文中应用原理为：当线路内部发生故障时，两侧距离保 护三段动作，同时向对侧保护发信，而后，两侧距离保护二段判断故障为区内 故障，将本侧停信，此时两侧保护检测不到高频信号，分别发跳闸信号同时保 护动作；当线路外部发生故障时，假设在对侧保护背后母线上发生接地故障， 则两侧距离保护三段动作，向对保护侧发信，则本侧距离保护二段判断故障为 区内故障，同时将本侧停信，而对侧距离保护二段判断故障为区外故障，并不 停信，本侧收到对侧发送的高频信号，启动延时跳闸装置。经延时o 5 s 后，两 侧保护再次判断保护动作条件，若故障仍存在，动作条件满足，本侧保护发跳 闸信号，断开本侧断路器，对侧保护虽然检测不到本侧发送信号，但仍能检测 到自己发出的高频信号，所以不动作。 图2 8 高频保护子程序框图 1 9 华北电力大学硕士学位论文 2 ) 零序保护的模拟 零序电流保护的对象为线路接地短路故障，根据故障发生地点距首端长度 百分比，由逻辑判断决定保护的动作段别。由数据动态库引入线路接地故障标 志( 卜正常，0 一异常) ，当满足零序电流保护方向元件及标志为1 保护启动，如 若开关不拒动( 0 一跳闸，卜合闸，2 一拒动) ，则保护动作并输出结果。如果开关 拒动，则由相邻线路零序保护三段作为本线路的后备保护。 零序保护i 段按保护线路全长8 0 8 5 整定，零序保护段，可保护线路 全长，零序保护段则作为本线路及相邻线路的后备保护。 零序保护i 段接近o 秒速动，i i 段o 5 秒延时动作。 i 读取故障点到保 i 护安装出百分比 彳k 岁0 n 0 1r 1r i 零序写嚣一段 零序保护二段 动作 i1 返回 i i 图2 - 9 零序保护子程序框图 3 ) 距离保护的模拟 a 距离保护 距离保护可分为相间距离保护与接地距离保护，相间距离保护反应相间短 路故障，接地距离保护反应接地短路故障。 距离保护以偏移特性阻抗继电器的原理作为判据，其动作特性阻抗圆过坐 标原点的直径，在第一象限内分别为z 耐和一口z 列。该圆的圆心向量z o = 去z 耐( 1 二 1 一口) ，半径为f 去z 耐( 1 + 口) i 。在圆上任意取一点得到乃，则得比幅式偏移 2 0 华北电力大学硕士学位论文 特性阻抗继电器得动作判据为：卜扣砌叫傩j j z 圳1 即为：卟卧 相应的有比相式的两向量：c = 彳+ b ；d = 么一曰；其动 作判据为：一要么，g 旱要 z c 二 a ) 当口= 0 时，偏移特性变成全阻抗继电器。如图2 1 0 所示。 b ) 当口= 1 0 时，阻抗圆经过坐标原点，第三象限不再有动作保护区，使该 继电器既能测距，又具有方向判别功能，则为方向阻抗继电器。而动作 判据式同与偏移特性判据。如图2 1 l 所示。 j 冬 厂啜。 u 、 弘z - i r 图2 一l o 全阻抗继电器动作阻抗圆 图2 1