（电力系统及其自动化专业论文）电网故障分析及继电保护整定相关问题的研究.pdf

侧卜o口 尸明 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文 电网故障分析及继电保护整定相关 问题的研究 ，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 : 里 兰 宜 车日 期 : y w 6 ij - 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:3 7 4 2 牟 些 哗 五 少 导 师签名 : 日期 :日期 : 拓* )c ， 7 . . 少 华北电力大学硕士学位论文 第一章 引言 课题背景及意义 在电力系 统的规划、设计、 运行、事故分析、继电 保护与自 动装置的整定计算 和工况分析中，均需要快速和足够精确地进行大量的故障数值计算和分析。随着计 算机技术的飞 速发展，现在普遍采用计算机进行故障分析。 电 力系统继电保护装置在系统发生故障时切除故障设备， 起着保证电力系统安 全稳定运行的作用。电力系统继电保护装置的可靠运行涉及到继电 保护装置的配置 设计、安装制造、整定计算、运行维护等诸多方面，其中合理的保护配置和正确地 进行整定计算对保证继电 保护装置的可靠运行具有十分重要的作用。为了满足电网 对继 电保护提出的可靠性、选择性、灵敏性、速动性的要求，使继电保护达到最佳 的配合状态，必须做好电网继电保护的整定计算。 综上，对电网故障分析及继电保护整定相关问题进行研究非常有意义。 1 . 2国内外研究现状 2 . 1故障分析 电力系统故障分析 ( 计算机算法) 经历了一个不断发展的过程。文献 1 1 总结 并论述了故障计算的 基本方法。 它以 对称分量法为理论基础， 从故障点入手， 将故 障点不对称的三相电压和电流分解为正、负、零相序分量，从而将故障点不对称三 相电路的计算转化为对称的三个相序等值电路的计算。其核心是将称作端子方程的 故障点相序电压和电流的关系式作为网络方程的三序网络方程联立求解。文献 幻 在处理复故障计算时，提出了 “ 故障修改导纳矩阵”的概念，即将故障情况下导致 的网络结构变更用一矩阵来表示。对于不同的故障情况，只变更 y 中的 元素然后 由程序统一处理，但在处理断线情况时，修改导纳矩阵比较复杂。 为了更适合计算机求解，人们不断研究，提出了许多适合计算机求解的故障分 析计算方法， 如文献 3 1 和文献 4 1 中所作的工作被认为是那段时间故障分析的新突 破。其基本思想是 “ 任何故障都可看作一种网 络结构的变更” 。 1 . 2 . 2继电保护整定 国外在整定算法的研究方面起步较早，早在六十年代初，就有人从事这方面的 工作. 其中值的一提的是针对复杂环网中方向电流和距离保护的最优配合问题的网 络图论算法，该算法的核心是确定作为整定配合计算的起始点，且具有最少基数的 华北电 力大学硕士学位论文 保护集合，即最小断开点集( m i n i m u m b r e a k p o i n t s e t , m b p s ) ，从而确定保护整 定的相对顺序。1 9 6 7 年 k n a b l e 首次提出以网络图论为基础，寻找断开点的思想。 1 9 6 9 年， k n a b l e 又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 e s 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。在此基础上，给出了确定环网中保护相对顺序序列的方法:首次将网络图 论和保护配合关系联系起来，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 r i m a r y - b a c k - u p , 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【 0 1 9 8 8 年， b a p e s w a r a r a 等人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。j e n k i n 等人提出了 保护 “ 基本后备” ( f o u n d a t i o n a l d e p e n d e n c y ) 的 概念 “ ， ， 并由 此导出 一 个判 断给 定 保 护集 合是 否能 断 开所有有向回路的准则。 1 9 9 2 年， 王旭蕊等对简单回路矩阵l 的 求法作了改进工作， 进一步完善了l 的 求法。 陈允平等提出通过构造s 函数【” ， 用布尔法求解， 并在文献 8 1 中 对己 有的网 络图论算法进行了总结，给 出了搜索简单回路的算法;同时为了解决 t接线网络中 保护相互配合的问题，提出了虚拟支路与虚拟保护的概念，并完善了求取相邻保护 配合关系的算法。 以上的 方法都要求找到全部的简单回路， 在简单回路的基础上进行b p s 的搜索. 由 于网 络简单回路是基本回路( 数目 为 n ) 的任意组合，其组合方式可达2 v - 1 种。 m a d a n i 等用 “ 不相关树”的搜索【 . ， ， 代替简单回路的搜索，同时通过网络化简和分 割，把对全网最少断开点的搜索化为对多个子网最少断开点的搜索，使问题得到简 化。但该方法没有给出网络分割和子网不相关树搜索的有效算法，这种搜索的复杂 性降低了该算法的效率。 在电网发生事故时，不但要求保护能尽快动作，而且在电网结构发生变化时， 能以尽量少的保护定值改动，来满足新的配合关系。文【 1 0 给出了以 这种要求为优 化目 标的整定算法。该文用线性规划方法，以满足配合关系为约束， 求出满足上述 目标的保护定值. 随着新型保护的不断研制和电网自 动化水平的提高，能根据电网运行情况自 动 调整其定值的自 适应保护己经实现。文 1 1 给出了一种能根据电网 运行情况实时调 整保护定值，以使各个运行方式下的保护定值均达到最优的算法。 1 . 2 . 3目 前故障分析及继电保护整定计算软件的不足 从以 上国内 外的研究动态来看， 针对故障分析及继电保护定值计算的研究取得 了非常多的 成果， 并推出了一批相应的软件。 如湖南省中调开发的短路程序和东北 电院开发的整定程序. 这些软件己经可以自 动计算一些专门 类别的故障， 但是在使 华北电力大学硕士学位论文 用过程中也存在较大的缺陷: ( 1 )由于f o r t r a n 语言编制，在d o s 环境下运行，采用数据文件的形式输入数据， 对使用人员要求较高。 ( 2 )采用的是面向过程的开发工具和方法，通用性，扩展性差二 ( 3 )没有完备的数据库，数据管理，结果输出不直观，易出错。 近年来，基于面向对象的开发方法逐步在电力系统应用，并有一些相关的软件 投入应用。 但当应用于高压电网时，如果对全网 进行故障分析计算，耗时长，不能 完全满足快速精确计算的要求。 这些软件的研究和实现主要都是单纯的集中在定值本身的计算和管理上，对于 面向整个系统定值的计算和管理，特别当系统网络拓扑方式、系统运行方式、新的 保护投切以后，如何维持整个系统所有元件和设备继电保护定值的完整性和可靠性 方面，存在着明显的待完善之处。 1 . 3本文的主要工作 在分析研究国内外各种研究成果及已有自 适应保护理论1 x 1 0 1 的基础上， 本文主 要工作如下: 1 、对常见电网故障进行分析，故障包括三相短路、单相接地、两相接地、两 相短路、单相断线、两相断线及双重复故障。阐述故障分析的软件实现方法; 2 、 继电保护运行整定结果关系到电力系统运行的安全性。 对反应被保护元件单 侧电气量的继电保护如零序电流保护、距离保护等，其运行整定的关键在于计算最 大和最小分支系数。重点讨论最大零序电流分支系数计算方案、计算最大零序电流 分支系数时运行方式和短路点位置选择的原则、 距离保护最小助增系数的计算方案、 计算助增系数时系统运行方式和短路点位置的选择原则。 3 、根据自 适应系统的观点，讨论一种线路保护定值计算的自 适应模型.利用 图论对复杂环网保护定值配合整定进行分析，求简单回路，确定断开点，搜索 p / b 关系，形成整定相关顺序阵: 4 、进行电力系统的面向对象的建模，力求使所建模型有着较强的通用性和可 扩充性，以进一步开发其他高层应用软件。 5 、在所建模型的基础上， 开发一个面向对象的电力系统网络接线编辑器，以方 便与各种功能进行接口，为它们提供一个方便统一的人机界面。 6 、 对电力系统故障计算及继电保护整定的有关算法进行面向对象实现，用 v c + + 开 发面向对象的电 力系统故障分析及继保整定计算软件， 与开发的系统图 编辑器的 连接实 现故障分析及整定计算的可视化。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 电网故障分析的 数学模型【1 14 (15 ) (16 1 2 . 1有互感线路电网导纳矩阵的处理 节点导纳矩阵易于形成，能方便地随电路结构变化而修正，并且一般情形下电 力网络给定的运行信息都是节点信息 ( 如节点电压、节点功率)。如果电网中不存 在互感线路，导纳矩阵的形成比较容易。 2 . 1 . 1互感线路无公共节点 在输电线路中，当两回或多回线路很邻近时，相邻线路间有磁联系存在。当三 相电流通过时，由于三相电流之和为零，所以三相电流产生的合成磁场认为接近于 零。故在正、负序网络中，一般可不考虑两回路或多回路相邻线路间由于磁的联系 而对序网参数的影响。当三相导线中有大小和相位都相同的零序电流通过时，所产 生的磁场将在邻近线路上产生感应电势。故当零序电流通过双回或多回相邻线路 时，由于各回线路间的互感，将使每回线路的电压和电流关系发生变化。 i 一三二二业 - 一 一 一 。 .l 一瓜 图2 - 1相互间有互感的线路 如图2 - 1 所示线路， 其中p 9 可以 理解成单一支路或支路组， 为不失一般性以 下 认为是支路组。 支路电压和流过支路的电流可用矩阵来描述: ( 2 - 1 ) -lesesesesesesj q 口p .1。1 res月esl.j ，.!二 z ,i z 一 p 9 v v 一 i% z p 9 一 p 4 z ij - p 9 为i 一1 支 路 和p - 4 支 路 组的 互 阻 抗是 一 行向 量 ; 孔 。 一 ， ; 由 p - 9 支路组自阻抗和互阻抗所组成的方阵; 可以用导纳形式来描述: ( 2 - 2 ) ，!lesesj 口. ijp .y.犷 尸!.lwel ，.j y q y 1j 一 /q fl i 一 1l y p 4 - d 4 y -.leswel = -.!j q “p ，11 r月1.l 将 上 式 展 开 ， 并 用 i l l 1 , , 毛 ， 凡 分 别 表 示 注 入 节 点i + i + p , 4 的 电 流 ， 通 过 推 .华北电力大学硕士学位论文 算可得等值电路网络方程式: y u - y u y u - ， - y u - . - y u y u - y u , y u - w y-， 一 芍 一 ， 爪一 ， - y c w - . - y r - . y s - ， 一 叹- p 9 权一 ， ( 2 - 3 ) -1月esee.j k-称气气 一11.几se.l -卫.1.iwe，ee.esj r.，es.1月.l 一ee .1胜月刀.sel.11 几-毛-毛心 至此，得到了有互感无公共节点线路对应的导纳矩阵 ( 上式等号后的第一个矩 此方法可以推广到任意支路之间有互感联系时的情况。 2互感线路有公共节点 、.了j卫. 阵2. 两条有互感的线路有一个公共节点i 时，如图2 - 2 所示，据追加支路形成零序 导纳矩阵的方法，可以将公共节点看作两个节点i 和p 的合并。此时的节点方程: 图2 - 2有公共节点的互感线路 ，三!卫llesj k价气 rlee.胜se ，llesij 几十 2 几 一 ， ， 十 几 9 - 0 9 一 ， 。 )一 ( y , + y lj - n 一 ( y 9 - v 。 十 y v a 一 ( y , + y , - , , ) y ii y j/ - p 4 一 ( y 1/ - v v + y v v - v s ) 几 - p 4 y v ; 一 ， . ( 2 - 4 ) 一 ，) r.we.l - ，.1.j i，毛几 r.es.l 式 中 : 4 , = 4 4 , 。 在 遇 到 这 样 的 互 感 线 路 时 ， 将 相 应 公 共 节 点 的 各 行 和 各 列 元 素分别相加，就可得到导纳矩阵中公共节点的行和列的元素。 两条互感线路的每一侧都是公共节点时，也就是常见的双回线路，如图2 - 3 0 z , - z . 九 ， z o - z . ( b ) 图2 - 3双回线路及其等值电路 心=z , i , + z , i u=z ,. i ， 十 z u l u z , 、z， ， 分别为不计双回线路间互感时第一回和第二回线路的阻抗， ( 2 - 5 ) z是 两 回 线 路 间 的 互 感 抗 ， i , 、 i u 分 别 为 流 过 第 一 回 线 路 和 第 二 回 线 路 的 电 流 。 华北电力大学硕士学位论文 将上式简单变化一下: 称= ( z ， 一 么) i f + z . ( i , + i , ) 心=z m ( i t + i ii ) + ( z 。 一 z . ) i ir 以上两式可用图2 - 3 ( b ) 所示的等值电路来表示 增加一个节点，但计算会变得简化。 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 。可见此时的互感的处理需要 2 . 2利用节点导纳矩阵求取故障口相关阻抗元素 故障计算时往往需要求得故障口自阻抗 ( 输入阻抗)和互阻抗 ( 转移阻抗) 。 虽然采用节点阻抗矩阵对这些元素的求取比较方便，但直接形成节点阻抗矩阵的方 法比较复杂，而且节点阻抗矩阵是满阵，随着网络规模的增大，对存储空间的要求 也大大增加，影响了大规模解题。再考虑到多数故障计算的情况下仅仅需要求得与 故障口 有关的阻抗元素即可，并不需要求出节点阻抗矩阵的全部元素，因此，在程 序实现中通常采用先形成节点导纳矩阵，再利用节点导纳矩阵求取所需的与故障口 有关的阻抗矩阵元素的方法。 2 . 2 . 1节点自阻抗和互阻抗的求取 网络中发生某点短路故障时，需求得该节点的自阻抗和该节点与其它节点之间 的互阻抗，也就是求节点阻抗矩阵中与该节点对应列的所有元素。设节点号为 .i , 则求解下面方程组: ( 2 - 8 ) 其中:y 为节点导纳矩阵，+ - j 求 出 的 z i 即 为 节 点 阻 抗 矩 阵 的 第j 列 元 素 ， 其 中 几即 节 点 的自 阻 抗 ， z y 即 为 节点i 和节点.% 之间的 互阻抗。顺次令j = 1 , 2 , . . . , n ，解 ( 2 - 8 ) 式即可求出 节点阻抗 矩阵的全部元素。某些情况下，需要求解节点阻抗矩阵的全部元素时，采取适当的 方法可以大大提高形成节点阻抗矩阵的速度。具体做法可以参见文献【 1 4 1 ，这里不 做详细介绍。 2 . 2 . 2端口输入阻抗和端口间转移阻抗的求取 在断线故障或复故障计算时，需要求某端口的输入阻抗及该端口与其它端口之 华北电力大学硕士学位论文 间的转移阻抗。 例如， 设端口1 由 节点1组成， 端口2 由 节点k . 1 组成， 则解下 面方程: y v = 凡 ( 2 - 9 ) 奋 其中:y 节点导纳矩阵， +- .1 求出各节点电压向量犷，则端口卜j 的输入阻抗为 2 奋 ， = 犷 - v j 端口k - l 对端口i - l 的转移阻抗为: ( 2 - 1 0 ) z - 1 = v f - v l 2 . 2 . 3线型方程组a x = b 的解法 ( 2 - 1 1 ) 在求解方程 ( 2 - 8 )和方程 ( 2 - 9 )时都涉及到求解形如a x = b的线性方程组的 问题。由于在实际故障计算中常常只是等号右边的常数项发生变化， 而等号左边的系数 矩阵 ( 导纳矩阵) 是不变的，为了提高计算速度， 一般采用因子表法对上述线性方程组 进行求解。考虑到导纳矩阵是对称正定矩阵，程序中对节点导纳矩阵的因子分解采用 l d l t 分解法。在具体的计算机实现时，为了节约存储空间和提高计算速度，要同时考 虑导纳矩阵的稀疏性、 算法的易于实现， 这涉及采用合理的数据结构和编程的技巧， 这 些内容将在第六章中详细介绍。 2 . 3应用叠加原理进行对称故障分析 匕 . 一州一 t“ d ( s ) 图2 - 4叠加原理的应用 对于三相对称短路， 将故障后的网络看作是两种状态的叠加: 一种是故障前的 状态，即正常运行方式下的状态:另一种状态是个发电机电 势取零，而仅在故障点 加一电 势，该电势在数值上等于第一种状态下故障点的电 压值，但极性相反，如图 华北电力大学硕士学位论文 2 - 4 所示。 已 知 故 障点 在 短路 发生 前 的电 压v ( 0 )s， 根 据 故 障点d 的自 阻 抗z d d ， 就 可 求出 故障点的短路电流: ( 2 - 1 2 ) 望气 故障电流在全网各个节点产生的故障电压分量为: : 一y to ) - _ v i(d ) = “ l 一 兹l dr(i = i,l ,n ) ( 2 - 1 3 ) 其中 ， n 为网 络 节点 数; 几 为 节点i 与 短 路点d 之间 的 互阻 抗。 利用 叠 加 原 理， 将 求 得 的 各 个 节 点 的 故 障 电 压 分 量 ; td ， 与 故 障 前 该 节 点 的 电 压刁 o ) 相 加 ， 即 得 到 短 路故障后的节点电压: 杭= v 1 ( 0 ) + v ;(d ，( 2 - 1 4 ) 然后，就可以利用下式求得故障后任意一条支路的电流: i “= v， 一v， z ( 2 - 1 5 ) 其 中 凡 为 节 点i 和 节 点j 间 支 路 阻 抗 值 :叱， 咋 分 别 表 示 节 点i 和 节 点j 的 电压。 2 . 4对称分量法分析不对称短路故障 _ i . 0 leewe.eseslesl甲 2 气 z u o ) 一1 . 2 二 几 z u 2 ) 心 几 ( a ) 零序( b ) 正序( c ) 负序 图2 - 5等值相序网络 电网发生不对称故障 ( 单相接地短路、两相接地短路、两相短路)时三相电流、 三相电压不对称，直接求解故障后的原始网络相当困难。可以利用对称分量法将相域 中不对称问题转换成序域中的对称问题来求解， 然后再利用反变换将结果转换为相量， 如此就将复杂问题简单化了。 首先要求出故障点的各序等值阻抗，画出各序网的等值网络，如图2 - 5 所示。然 后根据等值相序网络列出各序的电压平衡方程: 华北电力大学硕士学位论文 凡。 =0 一 z d d o l a 0 y a l = j; t oa l 一 z d d ll a l v a t =0 一 z d d 2 l a 2 ( 2 - 1 6 ) 其中:z d d o z d d l z d d 2 各 序网 故 障口 的电 流; y o 开路电压。 为 各 序网 从 故 障口 看 进去的 等 值阻 抗; l o i i i . 2 为 、v i y 2 为 各 序网 故障口 的电 压; v 罗 为 正 序网 络的 再结合不同类型故障相应的各种边界条件，可以求解得到故障口的各序电压和 电流。 户气 根据故障点故障电流分量 叱 ， = 叱 lo )v l - y 1+ 利用叠加原理可求得全网各节点的各序电压 = j lo ， 一 a l a lz pd l 1 vi 2 = v (d ) 2 - - a . 2 42 珠- 气 d ) 0 = - a i a 0 z 1d o ( 2 - 1 7 ) 、lwel.，es 乱 其 中 : 咤 : 、 y 2 氏 分 别 表 示 第i 个 节 点 的 正 序 、 负 序 和 零 序 电 压 ; y 拼i 图3 - 1分支系数分析计算 i dz ( o i i * (2， 一 k k 4 (2) ( i ) 甲 ( z ) ( 3 - 2 ) 式 中 k h - ” “ 系 数 _ 今 )i(o + i(2) ( 3 - 3 ) 当要取得保护1 与保护2 的选择性时，必须使上一级保护 1 的保护范围缩短，有: 华北电力大学硕士学位论文 i m= k , 无 户 1 , 2 ) ( 3 - 4 ) 3 . 2 . 2距离保护中的分支系数 对于图3 - 1 的系统，当1 d l 与2 d l 装设了距离保护时，则 1 d l 处的距离保护测 量阻抗: z. = 取 = 取 i 2 , i, = i , + i (2 )i z (2 ) + i (i)z u 入 : ， =z i , ) + i) +i ( 2 ， z c 2 ) =z , + ( 3 - 5 ) 式中 :k二 : 一助增系 数， 盆 n = k h ( 3 - 6 ) 助增系数等于电流分支系数的倒数。助增系数将使距离保护测量到的阻抗增 大 ， 保 护 范 围 缩 短 。 在 整 定 配 合 上 应 选 取 可 能 出 现 的 最 小 助 增 系 数 。 当 k 2 1 1 的 情况刚好相反， 但在整定配合上汲出 系数也应选取可能的最小值。 3 . 3距离保护和零序保护中的分支系数2 ,1 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。 3 . 3 . 1助增系数 助增系数的正确计算，直接影响到距离保护定值及保护范围的大小，也就影响 了保护各段的相互配合及灵敏度。 选择计算助增系数， 要紧密结合系统的运行方式， 要在可能的运行方式下，选取较小的助增系数。 以大电流接地系统的相间距离保护i i 段为例，由规程整定原则2 2 1 如下: * 与 相邻线路相间 距离i 段配合z d , s k , z , + k k k _, z , . o z , 为 本线路正 序阻 抗， k 2 为 助增系数，z d 2 7j 为相邻线路相间 距离i 段定 值，凡，暇为可靠系 数。 * 本 线路 末 端 故 障 有足够 灵 敏度z o 7 s k , ,z , e z , 为 本 线 路正 序阻 抗. * 躲 过 变 压 器 其 他 侧母 线故 障z d z i, 5 k a+ k k t k _, z i. , z , 为 本 线 路 正 序阻 抗， k 2 为 助增系数，z t 手为 相邻变压器正序阻 抗，k k , k k t 为可 靠系数。 * 与 相 邻 线路 相间 距离1 1 段 配 合z o n , 5 k kz , + k k k 2 z d zu z . 为 本 线路正 序阻 抗， k 2 为 助增 系 数， z d 2 71, 为 相 邻 线 路 相间 距 离i i 段定 值，凡， 暇分为 可靠 系 数. * 上述原 则中， 助增系数k z 应该选取可能的 最小 值. 华北电力大学硕士学位论文 3 . 3 . 1 . 1计算助增系数时运行方式和短路点位置的选择 、辐射状结构电网的线路保护配合时 助增系数与故障点的位置无关。计算时故障点可取在线路的末端，主电源侧采 取最大运行方式，分支电源采用最小运行方式，如图3 - 2 所示。 一 爷于 主 电俘 分 究 电翻 健只) 图3 - 2辐射状电网助增系数计算 二、环形电力网中线路保护间助增系数的计算 这种电力网中的助增系数随故障点位置的不同而变化。图3 - 3 所示的电网，在 计算时，应采用开环运行的方式，以求出最小助增系数。按图中应将断路器1 d l 断 开，电源a 和b 一般应采用最大运行方式，电源c 采用最小运行方式。 图3 - 3环状电网助增系数计算a 三、单回辐射线路与环网内线路保护相配合时 如图3 - 4 所示，当 线路抓 与 线路lu， 相配合时， 应按环网为闭 环运行方式下， 在线路末端故障时计算。电源a 采用最大运行方式，电源b 采用最小运行方式。当 电 源b 向 线路双台 送短路电 流时，肛3 应按断开 方式计算。 .8、 。/. 份，门， x ， 州 饱公to 曰 自. 目 口 咬 洲 图3 - 4环状电网助增系数计算 b 四、环状电网对环网外辐射线路保护间相配合时 如图 3 - 5所示， 环网内 线 路抓 与 环网 外线 路lu， 配合， 助增系数计 算按 环网 开环，即开关 1 d l 断开的方式下计算。电源a , b 均采用最大运行方式，电 源 c 采 用最小运行方式。 华北电力大学硕士学位论文 x l z 图3 - 5环状电网助增系数计算c 五、单回线路对相邻为双回线路的保护相配合时 如图3 - 6 所示的电网，进行助增系数计算时，应按双回线并列运行的方式下， 故障点可近似取在双回线路的末端( 这样助增系数偏小于最小值) 。 电源八 图3 - 6环状电网助增系数计算d 六、双回线对单回线保护相配合时 如图3 - 7 所示，进行助增系数计算时:若双回线路上装设 “ 分”电流保护，则 按双回线在单回线路运行方式下( 即一回线停电) 考虑，而助增系数按照单回线与单 回线配合时的情况计算;若双回线路上装设 “ 和”电流的保护装置，则按双回线路 并列运行的方式下计算，故障点可取在线路末端。 电 派 b 图3 - 7环状电网助增系数计算e 3 . 3 . 1 . 2最小助增系数的计算【n j 为讨论问题的方便，将系统运行方式作统一规定. * 允许停运的变压器:在轮停支路进行计算时，对变压器支路进行判断，如人 为设定可以停，则参与轮停支路，否则不停该支路。 * 系统大方式:系统全网开机运行。 * 系统小方式:系统部分发电机停运，这些可停的机组由小方式人为给定。 * 系统其它方式是指:系统部分发电机停运，这些可停运的机组由其它方式人 为给定。 根据上述原则，计算机整定计算中，最小助增系数的计算方案可以 考虑如下。 ( a ) 系统小方式下，短路点取在被配合支路末端;分别考虑正常接线，停一条 华北电力大学硕士学位论文 时计算，对求得的值比较后取最小值。如图3 - 8 所示。 图3 - 8最小助增系数计算方案a ( b ) 系统小方式下，考虑相继动作计算;考虑相继后，再轮停一条计算，对求 得的值比较后取最小值。如图3 - 9 所示。 图3 - 9最小助增系数计算方案b 将( a ) , ( b ) 计算结果进行比较，取最小值作为最小助增系数。 * 图标的说明: 月 一 相 继 动 作 时 要 跳 开 的 开 关 : 哥与 之 配 合 的 保 护 ; 番需 要 整 定 的 保 护 ; 香轮 停 支 路 时 可 停 运 的 支 路 ; 公与 整 定 无 关 的 保 护 : 唯表 示 轮 停 支 路 计 算 时 ， 该 母 线 可 以 轮 停 除 口 和 一以 外 带 ， 标 志 的 支 路 该支路可以是线路支路、发电机支路、允许停运的接地变压器支路。 3 . 3 . 2零序分支系数 以 大电 流接地系统的零序电流保护h段为例，由 规程整定 原则川 如下: * 躲开本线路末端母线上变压器的另一侧母线接地短路时流过的最大零序电流 整定。 * 和下一级线路的零序 i段或零序 i i段保护配合i d z d 2, k k k , i n z .，或 i d z j7 k k k p i d z a 0 k k 为 可 靠系 数， k f 为 零 序分 支 系数， i d z j 爪二 为 下 一 级线 路 的零序 i 段、h 段动作值。 * 保证线路末端接地故障有一定的灵敏度。( 对5 0 千米以上的线路不小于 1 . 3 ; 对2 0 - 5 0 千米的线路不小于 1 . 4 ;对2 0 千米以下的线路不小于1 . 5 ) * 上述原 则中， 零序分 支系数k f 应该 选取可能的 最大 值. 3 . 3 . 2 . 1计算零序分支系数时运行方式和短路点位孟的选择 为了 得到最大零序分支系数，应考虑运行方式和故障位置的选择: ( 1 ) 辐射形电网中线路保护的分支系数与短路位置无关。如图3 - 1 0 中的a 曲 线 所示， 保护1 和保护2 的分支系数凡沿线路x l 上各点为一恒定值。 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 环状电网中线路的分支系数随短路点的移远而逐渐减小，如图3 - 1 0 中b 曲 线。但实际上整定需要最大分支系数，故还是选择开环运行方式。 ( 3 ) 单回线路对双回线路中一回的分支系数与短路点位置有关，如图3 - 1 0 中的 c曲线所示。当短路点在其中一回线上移远时，分支系数逐渐增大;当短路点移到 线路末端时，分支系数达到最大值。 ( 4 ) 双回线路对单回线路的分支系数，在双回线路停用一回时最大。 ( o ) 环外线路对环内线路的分支系数也与短路点有关，随着短路点的移远，分 支系数逐渐增大，可以增加到很大，但具体整定并不是一个最大值，而应按实际整 定配合点的分支系数计算。 卞。 川 o _ 6 0 .5 o _ s 冬 ( ， 一3 o _ 2 o a )1奋 图3 - 1 0分支系数与短路点位置的关系 a 一 辐射形电网中的分支系数曲线;b 一 环状电网中分支系数曲线 e - 单回线对双回线路中一回线的分支系数曲线 3 . 3 . 2 . 2最大零序分支系数的计算 ( a ) 系统大方式下，短路点取在被配合支路末端;分别考虑正常接线，停一条 计算，对求得的值比较后取最大值。如图3 - 1 1 所示。 图3 - 1 1最大零序分支系数的计算方案a ( b ) 系统大方式下，考虑相继动作计算;考虑相继后，再轮停一条计算，对求 得的值比较后取最大值。如图3 - 1 2 所示. 图3 - 1 2最大零序分支系数的计算方案b 将( a ) , ( b ) 计算结果进行比较，取最大值作为最大零序分支系数。 华北电力大学硕士学位论文 第四章 线路保护定值的自适应计算及复杂环网整定方法 4 . 1线路保护定值的自适应计算 4 . 1 . 1继电 保护定值计算自适应的定义 继电保护定值计算自 适应是指:当电力系统发生变化后，系统中的各个元件( 线 路) 的继电保护定值都能适应这种变化而保持完整性。 从定义可以看出继电保护定值计算中的自适应理论和技术具有如下的主要特 点: * 通过离线计算来维持整个电力系统的完整性。 * 核心是计算系统内所有继电保护元件整定值。 * 目的是为了保证整个电网所有继电保护元件定值的准确性和完整性，能充分 适应随着电力系统网络的发展而造成的保护定值变更。 4 . 1 . 2输电线路保护的自适应整定计算模型 输电线路的保护牵涉到不同线路保护各段定值的配合、时间的配合以及主/ 后 备保护配合等问题，在建立自 适应输电线路整定计算模型时，要考虑到断点的选择 以及相邻线路保护定值的配合。 本文建立的模型是假定起始整定点已经找到后，对全网里的开关所对应的继电 保护装置进行定值整定计算。至于如何寻找全网内最优的整定断点，将在后续内容 中描述。 输电线路的继电保护装置的整定主要包括两类整定: * 继电保护装置在开关所对应的输电线路故障时，在保护区范围内能可靠地动 作，这可以按照本线路末端发生金属性故障时有足够的灵敏度整定或者按可靠地躲 过本线路末端保护区外故障时所产生的变化量来整定，具体的选择标准依据继电保 护装置作用原理的不同而变，将这一类整定值定义为本线路定值( p e r s e v a l u e s , 简称为:p ) ， 它的保护范围 通常不超出被保护对象的自 身全部范围。 * 可靠地躲过相邻输电线路或者是相邻元件故障时所产生的电压、电流对本输 电线路的影响，保护装置动作仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩 小，以保证系统中无故障部分仍能继续安全运行，亦即通常所说的主/ 后备的配合 问 题， 将这一 类整定 值定义为配合定值( c o o p e r a t e d v a l u e s ， 简称为几) . 不管基于何种保护原理的输电线路保护，在求整定值集( r e l a y p r o t e c t i v e s e t t i n g s , 简 称 凡) 的 时 候 ， 实 际 上 都 是 求 取 集 合 几和气. r vs 叹 p v s , c vs ( 4 - 1 ) 华北电力大学硕士学位论文 对于原理上根本不反应被保护线路以外故障的保护，在定值的选择上不需要与 相邻线路或者元件配合， 只需 求p y s 。 比如 输电 线路纵联保护， 该保护以差动为基本 原理，具备了区分内、外故障的能力，保护范围仅限于本段线路，整定值无须与相 邻保护配合。 对于反应相邻线路或元件的保护，如电流保护、电流电压保护、距离保护、零 序电流保护等，通常是采用分段式。这些保护整定值要求与相邻的上、下级保护之 间有严格的配合关系，而它们的保护范围又随着电力系统运行方式而变化。该类保 护的第一段定值对应p i s ， 这段定值主要用于保护本段线路; 第二、 三或四 段定值对 应c y s 。以 下就是把输电 线路的保护按上述的两个方面来分别讨论。 一、 求取本输电 线路定值( p s ) 求取本输电 线路定值( p . ) ，也就是求取分段式保护的 第一段定值， 或者是求 取只反应本线路故障量保护装置的定值。 此时所求取的定值主要与该段输电线路本身有关，在处理这类定值时，用一个 函数描述。 凡= .f ( k , . k z . . . . , k , , . . . 叭 , m s ， 一 、 气 ， 气. . . , x. . .) ( 4 - 2 ) 其中: 气 ( i e n ) 为继电保护定值整定计算人员根据整定计算条 件、 继电器类型、 保护方 式的不同以及该输电线路在系统里不同的运行情况，结合某类继电保护的整定计算 导则里需要的系数得出的数据，这些数据包括不同的整定导则里对应的不同的各种 系数. m t ( i e n ) 包括该段输电 线路 本身的参数以 及和该 段母线所相邻的线路或者元件 的自身固有参数，不会随着电力系统运行的改变而变。如输电线路的正序、负序、 零序阻抗;输电线路的长度;关联变压器阻抗等。 x , ( i e n ) 为该保护装置 所 保护输电 线路在 末端发 生短 路故 障后， 在 本保护安装位 置感受到的电流( 电压) 的变化量或者对于延伸到下一级元件( 比如:变压器) 的保 护，当变压器其它侧发生故障的时候本线路感受到的电流( 电压) 的改变量。 二、 求输电 线路 配合定值( c , ) 相邻上、下级保护之间的配合有三个要素: ( 1 ) 在时间上应有配合，即上一级保护的整定时间应比与其配合的下一级保护的 整定时间大一个时间级差a t . ( 2 ) 在保护范围上有配合，即对同一个故障点而言，上一级保护的灵敏系数应低 于下一级保护的灵敏系数。 ( 3 ) 上、下级保护的配合一般是按照保护正方向进行的。 据以 上三个要素可知， 所要 求的配合定 值味包括两 个方面: 一是反应故障量的 定 值凡( f a u l t s v a l u e ) ， 比 如: 电 流、 电 压、 阻 抗; 二是 时 间 定 值爪( t i m e v a l u e s ) . 华北电力大学硕士学位论文 喻 = 凡， 爪( 4 - 3 ) 下面 对凡和t v s 分别建立整定计算模 型。 * 求取f ,s 由 于存在着配合关系( c o o p e r a t e d r e l a t i o n ) ， 首先必须先 求出 全网 的凡， 其 余各段定值f ,s 均 应按照上、 下级保护的 对 应段进 行整定 配合. 所谓对 应段是 指上一 级保护的二段与下一级保护的一段相对应。同理类推其它保护段。 找到的 关联线路或者元件关联配合定值d , 以 后， 可以 定义 一个函 数来 求取本 线路的 配合定 值f , f , = h ( d, b , , b 2 , . . b- . c c , ) ( 4 - 4 ) 这里: 几( d e p e n d e n t v a l u e s ) 是己 经求 取并 存 储 在 节点 上的 配 合定 值， 它 可以 是电 压、 电 流或者是阻抗， 依 赖于基于不同故障 量的 保护 类型( d的 求法 在下一 章中 给出 ). b , 是 本保护整定计算导 则里所需 要的 各 种系数， 依赖于保 护整定导则 本身的 需 要以及继电保护整定计算人员根据现场的具体情况所选择的值。 c , 是计算的 本段输电 线路的各种参数。 从上面建立的关于求取系统内设备或者是输电线路保护定值的自适应计算模 式可以看出，所有的这些整定计算实际上都是对一个函数关系h 的计算。不同的地 方就在于函数关系表达的不同，以及其中自 变量的求取的不同。这样就可以把计算 保护定值整个统一起来，便于通过编程的方式来实现。 三、 求t s 时间配合非常重要，为了取得定值之间配合的选择性，需要保证有时间级差， 保护不能越级跳闸，时间上必须予以配合。通过下面一个简单的电力系统图来说明 t v s 的求取【川 。 mnp 1d l 一一月 2d l- i lil 图4 - 1原始系统 at , 萝 卜 ( ， ) t 6 ( 2 ) 图4 - 2定时限保护时间级差 华北电力大学硕士学位论文 坛) ) 如) 图4 - 3定时限保护与反时限保护时间级差 坛2 ) /了 甸/ 图4 - 4反时限保护时间级差 由 图4 - 1 一 图4 - 4 可见， 这里是 求的 两 个开关1 d l 和2 d l 的几的 配合。假设 开 关1 d l 的 保 护 动 作 时 间 为 ( 1) ， 开 关2 d l 的 保 护 动 作 时 间 为tt k (2 ) ， 则由 图 可 知 : t b h 0 ) = t b h ( 2 ) + t s ( 1 ) + t , ( 2 ) + t d t( 2 ) + t y = t b h ( 2 ) + a t ( 4 - 5 ) a t = t b h ( 1 ) 一 t b h ( 2 ) =t , ( 1 ) + t ( 2 ) + t d t ( 2 ) + t y ( 4 - 6 ) 式 中 : t s (l ) i t s ( 2 ， 分 别 为 保 护1 及 保 护2 的 时 间 继 电 器 的 正 、 负 误 差 ; t d t( 2 ) 为 保护 2 的断路器跳闸时间: 称 为 裕 度时 间: 一 般 对定 时限 保 护 取0 . 1 秒; 对 反时限 保护 取0 . 3 秒; 如时 间 继电器和测试仪器的精度较高，可取0 . 0 5 秒。 如果需要配合的定 值是与相 邻下一 级瞬时 段保护( 也 就是所求的p中 的定 值一 段) ，则时间级差的计算式为: e t = t b h ( 2 ) + t s ( () + t d t ( 2 ) - f t y( 4 - 7 ) 瞬时 段保 护的 动 作时 间( t b h (2 ) ) ， 即 为 该 保 护装置的 固 有 动 作时间 ， 对 于不同 原 理的保护装置其固有时间是不同的。比如:电磁型保护固有动作时间约为0 . 1 一 0 . 2 秒;晶体管型、集成电 路型保护的固 有动作时间约为:0 . 0 2 - 0 . 0 5 秒。 在选择时间级差时须注意下面的情况: ( 1 ) 时间继电器的整定范围越大，误差也愈大。随着保护整定时间的加长，时 间级差应选择较大值。 ( 2 ) 当保护装置中时间继电器精度较高时，可选择较小的时间级差。 ( 3 ) 当相邻下一级保护在故障情况下可能产生相继动作时，则上一级保护应增 大时间级差。 ( 4 ) 反时限保护的延时误差较大，应选择较大的时间级差。 ( 5 ) 保护装置的工作逻辑无论如何复