（电力系统及其自动化专业论文）电网继电保护整定计算软件中故障计算的研究.pdf

声明尸明 j j j i | j i i i l l l l f f i i l l | f | i i f i | f i l l i | | i 唧 、t17 8 612 6 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电网继电保护整定计算软件中故 障计算的研究，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。 学位论文作签名：牡日期： 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： 日 期： 导师签名： 日 期：么哆垒刃瑟 ， 一 1， 竺! ! 皇垄奎兰堡主堂垡笙奎塑墨 摘要 本文针对继电保护整定计算的特点，对基于平台化的电网继电保护整定计 算软件进行研究。采用可视化的编程工具d e l p h i 和o r a c l e 数据库相结合的方 法，通过模块化思想实现了软件的整体设计。本文对故障计算中的算法和数学 模型进行了深入研究，采用改进的节点编号优化技术进行网络编号，分析了包 含互感线路在内的模型建立和故障下互感线路的模型修正问题，并完成了故障 计算程序。采用元件参与组合的方法来选择运行方式，增加了保护定值的可靠 性。最后在平台下实现了故障计算、保护定值仿真等模块的功能。 关键字：继电保护，整定计算，故障计算，运行方式，定值仿真 a b s t r a ct i nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i cn e t w o r kr e l a yp r o t e c t i o ns e t t i n g c a l c u l a t i o n ，t h ep a p e rc a r r i e so u tt h es t u d yo nr 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 s o f t w a r ef o rp o w e rn e t w o r kb a s e do np l a t f o r m t h ed e s i g no ft h eo v e r a l lu n i t y s o f t w a r ei sr e a l i z e du s i n gm o d u l a ri d e o l o g y ；i tc o m b i n e dv i s u a lp r o g r a m m i n gt o o l s d e l p h ia n dt h eo r a c l ed a t a b a s em e t h o d t h ep a p e rc a r r i e so u ti n - d e p t hs t u d yo n c a l c u l a t i o nm e t h o do ff a u l tc a l c u l a t i o na n dm a t h e m a t i c a lm o d e l ，u s i n gt h ei m p r o v e d n o d en u m b e r i n go p t i m i z a t i o n t e c h n i q u e s f o rn u m b e ro r d e r i n g ，a n a l y s e sm o d e l b u i l d i n gi n c l u d i n gl i n e sw i t hm u t u a li n d u c t a n c ea n dm o d e lu p d a t i n go fl i n e sw i t h m u t u a li n d u c t a n c ef a u l tl i n e su n d e rf a u l ts t a t e ，c o m p l e t ef a u l tc a l c u l a t i o np r o g r a m u s i n gm e t h o d t h a te l e m e n t si n v o l v e di n p o r t f o l i o m e t h o dt os e l e c tm o d eo f o p e r a t i o n ，c o u l di n c r e a s et h er e l i a b i l i t yo ft h ep r o t e c t i o ns e t t i n g f i n a l l y ，t h e f u n c t i o no ff a u l tc a l c u l a t i o n ，p r o t e c t i o ns e t t i n ge m u l a t i o ne t ca r er e a l i z e do nt h e b a s i so f p l a t f o r m l i uq i m e n g ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i c ) d i r e c t e db yp r o f r e nj i a n w e n k e yw 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 ，f a u l tc a l c u l a t i o n ，o p e r a t i o n m o d e ，s e t t i n ge m u l a t i o n ，- 慷 华北 中文摘要 英文摘要 第一章绪论 1 1 问题的提出1 1 2 继电保护整定计算发展及研究现状2 1 2 1 继电保护整定计算的特点及发展历程2 1 2 2 继电保护整定计算的国内外研究动态3 1 3 现有继电保护软件存在的主要问题及解决方案4 1 4 本文所做的主要工作5 第二章软件总体设计6 2 1 设计思想6 2 2 系统整体结构6 2 3 电力系统一体化平台7 2 4 软件的各模块功能8 2 4 1 图形建模模块8 2 4 2 故障计算模块8 2 4 3 整定计算模块9 2 4 4 定值仿真校验模块9 2 4 5 数据管理模块1 0 2 5 编程语言和后台数据库工具1 0 2 6 小结1 l 第三章电力系统故障计算中的若干问题分析与研究1 2 3 1 节点编号优化算法改进1 2 3 1 1 节点编号优化的三种传统方法1 2 3 1 2 基于传统优化算法基础上的算法改进1 3 3 1 3 算例分析与比较1 4 3 2 故障计算的数学模型和基本算法1 6 3 2 1 故障计算中模型的处理：1 6 3 2 2 故障计算的基本算法1 7 ； i 华北电力大学硕士学位论文目录 3 3 无故障情况下节点导纳阵形成1 8 3 3 1 不含互感线路的节点导纳矩阵的形成1 8 3 3 2 含多回互感线路的节点导纳矩阵的形成1 9 3 4 故障情况下数学模型的修正2 l 3 4 1 短路故障修改导纳矩阵a y u 的求法2 l 3 4 2 断线故障修改导纳矩阵y u 的求法2 3 3 4 3 含互感线路的节点导纳矩阵在故障情况下的处理2 4 3 5 小结2 6 第四章运行方式的选择2 7 4 1 运行方式选择的重要性2 7 4 2 传统运行方式的选择原则2 7 4 3 考虑组合元件的运行方式选择方法2 7 4 3 1 运行方式变化后电气量分析2 8 4 3 1 1 运行方式变化后网络阻抗矩阵元素的修改2 8 4 3 1 2 改变运行方式对线路电流的影响度分析3 0 4 3 2 通过电流和自阻抗变化关系确定运行方式3 1 4 4 实现运行方式选择的步骤和具体流程3 3 4 5 小结。3 4 第五章整定计算软件部分模块实现和应用3 5 5 1 故障计算模块的实现3 5 5 1 1 故障计算程序流程设计3 5 5 1 2 故障计算主程序及各子程序算法解析：3 6 5 1 2 1 原始数据输入子程序3 7 6 1 2 2 故障信息输入和分解故障线路子程序3 7 5 1 2 3 节点编号优化和新旧节点转化子程序3 9 5 1 2 4 形成导纳矩阵子程序4 0 5 1 2 5 初值计算子程序4 l 5 1 2 6 修改支路导纳矩阵子程序4 1 5 1 2 7 网络方程的求解子程序j 。4 l 5 1 2 8 计算结果输出子程序4 2 5 2 故障计算需要的数据结构分析4 2 i i 华北电力大学硕士学位论文目录 5 2 1 支路数据结构4 2 5 2 2 发电机及负荷数据4 3 5 3 算例4 4 5 4 定值仿真模块的实现4 7 5 4 1 仿真原理4 7 5 4 2 定值模块与平台系统之间的连接4 8 5 4 3 定值仿真的实现4 9 5 5 小结5 1 第六章结论和展望j 5 2 6 1 结论5 2 6 2 展望5 3 参考文献5 4 致谢5 7 7 在校期间发表的学术论文和参加科研情况：5 8 m i ， 1 1 问题的提出 继电保护装置是电 统迅速发展，电网结构 安全稳定运行提出了更高的要求。当系统由于人为的、自然的或设备发生故障时， 使电网的某处发生故障或不正常运行状态时，继电保护装置能迅速将故障部分切 除，以保证电力系统和电网运行的稳定性，最大限度地使电网的非故障部分持续可 靠地供电。大量的国内外实例证明，继电保护装置是电力系统安全运行的保证，在 电力系统中发挥着非常重要的作用。保护定值的计算是电力系统继电保护工作的 一个重要组成部分。精确的整定计算对提高保护运行的可靠性具有重要作用，保护 装置的灵敏性、选择性和速动性要靠整定计算获得的合理保护定值来保证。所以必 须合理的选择保护的定值，以保持各保护之间的相互配合关系，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先决条件口1 。 从电网继电保护整定计算的角度出发，需要考虑很多因素，其中电网的接线方 式和运行方式对定值计算的影响最大。随着电网规模愈来愈大，接线方式和运行方 式也日趋复杂。其中大环、小环相互重叠，长线、短线交错连接的状况已经比较普 遍，这些都给保护定值的整定计算工作带来了困难。在保护定值的整定计算时，都 要做一定的处理。比如对于系统运行方式的确定，工作人员无法把所有可能的运行 方式全部考虑在内，只能考虑几种比较有代表性的运行方式( 如夏大、夏小、冬大、 冬小等) ；对于一些复杂故障的计算、多回并行线的零序互感等要做一些简化并且 忽略一些影响因素。由于以上原因计算出来的保护定值的准确性受到了一定的限 制，并且在这些计算过程中会因疏忽出现错误。随着用户对用电质量要求的提高， 人工计算已经无法满足现代电网安全运行的要求，开发一套继电保护整定计算软件 势在必行。 7 0 年代中期，我国开始了应用计算机进行电网继电保护整定计算的研究工作， 并推出了一批软件。但是，这些软件在使用中仍然存在不少缺陷： ( 1 ) 一般采用数据文件的形式输入数据，使的电网故障的分析数据创建输入繁 琐，对工作人员要求较高。 ( 2 ) 继电保护定值整定采用传统的方法，由计算机通过循环分别计算出各段定 值，在电网运行方式设置方面比较死板，定值结果不可靠。 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 定值校验方法只能进行灵敏度校验，无法校验后备、保护定值配合情况。 ( 4 ) 继电保护管理流程控制功能不完善。 另外，由于这些软件只是针对某个电厂或某个地区电网，通用性差，功能单一， 能进行故障计算，在计算保护定值时还要依靠工作人员手工完成，容易出现人为 误整定，还有一些软件用户界面不友好，计算过程比较繁琐，不易掌握和使用哺1 。 对以上问题开发一套整定计算软件不仅可以大大减轻工作负荷，而且可以降低人 误整定而导致保护装置误动作率，提高整个继电保护整定工作的工作质量。因此， 发出一套通用性良好的电网继电保护整定计算软件是非常有意义的。 2 继电保护整定计算发展及研究现状 2 1 继电保护整定计算的特点及发展历程 继电保护的整定计算工作是一项系统工程，而且是一个整体性很强的工作，要 整定人员熟练掌握继电保护知识和操作原理，它的基本任务是要对电力系统中所 设的各种继电保护装置进行整定计算并给出相应的整定值，确保继电保护装置在 统发生故障时快速、准确的切除故障，保证系统的安全稳定运行。保护整定值的 确性决定着保护装置能否快速准确切除故障。因此，获得一套最佳的整定方案， 要在继电保护的快速性、可靠性、灵敏性之间求得协调和平衡嘲。 我国的电力系统继电保护整定计算经历了由低到级的发展过程n 1 。从继电保护 整定计算方法的角度出发，其发展可分为三个阶段： ( 1 ) 全人工计算阶段：5 0 年代初，电网结构比较简单，整定人员通过y 变换 简化网络，计算出短路电流和分支系数，然后按照整定规则对继电保护装置逐一整 定。在考虑各种运行方式及检修情况时，计算工作繁琐、计算工具落后，工作人员 只能依靠一些简单工具的帮助进行计算。 ( 2 ) 半人工计算阶段：即故障电流计算程序辅助人工计算h 】。将短路电流计算程 序应用到整定计算中。短路电流计算程序用来完成计算电网中任意位置、任意故障 时故障电流的求取工作。程序的应用提高了故障电流的计算速度和结果精度。但是， 当系统网络的结构发生了变化或者网络的运行参数改变时，仍然需要工作人员进行 手工修改计算内容，工作量仍然很大。 ( 3 ) 计算机整定阶段：8 0 年代末，出现了基于d o s 操作系统的整定计算软件，但 基于d o s 操作系统的整定计算软件人机界面不友好、交互性差、操作不灵活。另外， 网络的模型的搭建是采用输入数据文件的方法，不仅繁琐、工作量大、对工作人员 的要求也高。9 0 年代以来，w i n d o w s 操作系统的出现及相关支持软件的发展大大简 2 华北电力大学硕士学位论文 化了各种专业应用软件的开发过程。成熟可靠的整定计算程序完全取代了手工劳 动，不仅提高了工作效率，也提高软件计算结果的准确性和快速性。 前两个发展阶段，保护定值的计算主要靠人工或借助专门的计算工具来完成嫡1 。 计算量大、时间长、效率低，无法满足生产的需要。另外由于当时计算机能力的限 制，计算结果的精度往往不高，无法得到最佳的整定方案。电子计算机的出现为提 高整定计算工作的快速性和准确性提供了强力的保证。目前，国内已经利用不同编 程语言开发出了几套继电保护整定计算软件。这些软件的出现，不仅大大减轻了工 作人员的工作负荷，将他们从枯燥的整定计算工作中解脱出来，而且大幅的提高了 整定计算工作的工作质量h 1 。 1 2 2 继电保护整定计算的国内外研究动态 运用计算机软件来进行整定计算是进入2 l 世纪继电保护整定的主流。在这方 面，国外在八九十年代已有研究，当时的研究方向主要利用面向对象的方法以及利 用专家系统的方法来进行整定计算。整定工作智能化和提高整定运算速度为这方面 的主要工作和发展方向。如文e g 报道的输电线路保护整定专家系统，该专家系统 仅限于整定t o s h i b a 和g e 公司的保护产品，其协调继电器配合的能力并不是在全范 围内有效，一些功能还不完善，进一步的工作是将故障计算软件包与专家系统连接 起来，以实现自动的数据输入。文 1 1 在文 t o 的基础上就规则表示方式、规则库 的编写与管理、冲突协调原则等方面作了改进，使系统的运行速度大大提高。 在国内，继电保护整定工作自动化进展较缓慢。7 0 年代中期，我国有关部门陆 续才开展了应用计算机进行电网继电保护整定计算的研究工作，推出了一批相应的 软件。比如湖南省中调开发的短路程序和东北电力学院开发的整定程序是使用 f o r t r a 语言编制，d o s 环境下运行的软件。 而面向对象的计算机开发方法应用于电力系统只在近几年才开始研究。我国在 这方面的研究较国外落后，但各省的研究都有一定的突破性。在国内，对于此课题 研究比较有影响的是华中科技大学所进行的研究与开发。文 7 对继电保护软件功 能作了一个总体的概述，提出了将人工智能技术的最新进展同继电保护整定计算完 美结合，是整定计算软件进一步的发展方向。另外，在i n t e r n e t 技术日益发展的推 动下，继电保护整定软件正在朝着网络化、实时化发展。在这方面虽然国内的研究 还有一定局限性，然而，采用计算机来自动进行整定计算已成为一个不可阻挡的趋 势。 目前整定计算软件发展正在日趋走向成熟，很多系统已用于实际生产中，创造 了不少经济和社会效益。由于整定计算是一项复杂的智能工作，它通常需要拟定运 华北电力大学硕士学位论文 行方式，选择故障计算条件，对各整定原则的计算结果需要进行比较，对出现的矛 盾要进行选择和说明，并形成最终的整定方案，这对软件的实用性是个考验1 。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，编制功能完善、操作简便、具备强大信息处理能力的电网继电保护整定 计算软件成为了开发人员和工作人员共同追求的目标。 1 3 现有继电保护软件存在的主要问题及解决方案 ( 1 ) 关于运行方式的确定 整定计算中运行方式的选择至关重要n 铂，选择的合理与否直接关系到整定计算 结果的正确性。有文献指出整定计算中的所有运行方式由程序自动考虑完成。有文 献 1 3 考虑系统中大电厂和环路上运行方式选择的特殊性问题，能更有效地保证定 值的正确性和合理性。比较而言，利用计算机自动考虑运行方式，采用传统方法过 于简单，定值不可靠l 若考虑所有可能运行方式，组合过于复杂，运行方式数量巨 大本文根据以自阻抗变化量来确定保护的电流变化量的选择方法，它是利用元件 对被保护元件的影响大小来决定该元件对故障电流的影响，可以有效缩小运行方式 的选择范围，并允许用户进行设置和调整n 们。 ( 2 ) 关于整定计算的执行模式 整定计算是要形成最终的整定方案，这一系列智能的工作仅靠基本原则是很难 解决的，依靠全自动整定计算的软件其计算结果的正确性、合理性常遭到用户的置 疑 1 2 o 为了解决定值的可靠性问题，本文提供自动整定和手动整定两种整定方式， 整定计算进程中允许加入用户的实践经验，允许用户根据电网的特点选择相应的模 式，从而增加了计算结果的准确性和可靠性。 ( 3 ) 增加定值校验模块 目前的整定计算系统都是一体化的，一般包括图形建模、故障计算、整定计算、 数据管理。在检验保护定值方面只是利用灵敏度校验，保护定值只能在保护动作后 才能知道是否正确。本文增加了定值仿真校验模块，通过定值仿真能反映现有的整 定值是否能保证装置迅速、有效地切除故障，保护动作配合是否正确，为缩小故障 范围，提供了可靠的依据，比常规的灵敏度校验更多了一种验证手段n 扣1 剖。 ( 4 ) 软件的通用性问题 许多整定软件都是针对具体用户开发的，只能在某个地区、某个电压等级特定 保护配置条件下运用导致软件的生命期短，应用受限。为解决软件的通用性问题， 本文根据用户的不同需求，通过用户选择配置来解决通用性问题，用户在配置整定 4 t ， 华北电力大学硕士学位论文 原则时可以添加新增的和具有地方特色的整定原则，提供最大可能的选择范围。这 种结构不仅保障了软件的通用性，而且使软件的健壮性和可维护性增强阻1 。 1 4 本文所做的主要工作 本文在研究了电力系统继电保护整定计算软件的发展和存在问题的基础上，结 合整定计算工作的特点，遵循简单通用、合理准确的设计原则，采用平台化的思想 来完善软件，利用d e l p h i 提供的可视化的编程环境和o r a c l e 作后台数据库，开发了 一套电网继电保护整定计算软件，保证了系统的通用性、开放性、智能性，软件功 能更加完善，为用户提供一个界面良好、实用性强的整定计算软件平台。本文主要 工作如下： ( 1 ) 完成了软件的总体设计，系统分为图形建模、故障计算、整定计算、数据 管理、定值仿真校验五个主要模块。 ( 2 ) 根据电力系统继电保护中故障计算的特点，提出了结合动态法和半动态法 优点的网络节点编号优化技术，运用该方法进行网络节点编号优化。对电网中互感 情况下零序节点导纳矩阵的形成、电网中任意重互感线路、任意复杂部分互感结构 的处理方法进行了全面的分析与研究。 ( 3 ) 针对目前整定计算中传统运行方式选择的弊端，在运行方式的选择问题上， 通过选择元件投切的组合方式来确定运行方式，采用以阻抗元素变化量对电流影响 的大小为依据，选择参与运行方式组合的元件，从而使得运行方式的选择更加科学 有效。 ( 4 ) 在平台下了建立了故障计算模块，设计了故障计算程序，程序由十个子程 序组成，可以计算指定短路点情况下故障处得短路电流、节点电压、各个支路的电 流，同时为保护的整定和定值仿真校验做好准备。 ( 5 ) 完成了定值仿真校验模块，定值仿真校验模块结合逻辑判断和定值判断法， 引入智能搜索技术和记录数组来实现保护的仿真功能，便于对定值进行验证，使定 值更加准确可靠。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章软件总体设计 继电保护整定计算软件的任务是辅助工作人员制定整定方案。开发一套实用性 强的电网继电保护整定计算软件，首先应该深入了解电力系统继电保护整定人员的 工作特点和流程，结合电网整定计算的特点，对软件的总体结构和实现功能做出合 理的设计分析。本软件通过可视化的图形界面使用户参与其中，使短路电流计算和 保护整定计算变得更易于理解，解决了用户需求和软件开发的难度之间的矛盾。整 定人员参与软件中，将整定经验介入，使计算结果更加准确、可信吲。 2 1 设计思想 在实际应用中，电力系统的保护配置非常复杂，不同保护装置其整定过程也不 同，整定过程中不能完全脱离工作人员的现场经验。依据特定电网所配置的保护进 行整定不能实现软件的通用性，软件开发成本高，所以需要设计一种具有良好扩充 性和通用性的电网继电保护整定计算软件来满足实际要求嘲因此，在设计系统时， 特别强调了系统的模块化和可视化的特点，模块化特点使得软件系统的功能容易扩 充，系统提供尽可能多的保护整定模板，以满足不同用户的需要。可视化的特点就 是将抽象的原理以比较直观的方式表示，不仅方便用户理解保护的整定原理，而且 用户可以参与其中，结合网络的实际情况、相应的整定准则、整定经验来选择保护 的整定原则、设定相应的参数，使得整定结果更加准确可信t 2 2 1 。 2 2 系统整体结构 在平台下通过图形建模模块进行绘图，建立电网模型，绘制出电力系统主接线 图，通过数学模型和数据库模块之间的联系给接线图中的各个电力元件进行参数赋 值，使各个图形元件中包含该元件设备的全部数据信息，通过对元件的操作对接线 图中包含的数据信息进行相应的变化。模型建立后，软件提取各设备元件参数、分 析他们之间的连接关系，将电力网络和图形建模连接后进入故障计算模块，设置故 障点和故障类型进行故障计算，得到的故障计算结果包括各支路电流、各母线电压 以及故障计算产生的相关数据通过调用故障计算接口传递给整定计算模块，并计算 各分支最大最小短路电流、最大分支系数等参量，完成整定计算后，得到整定结果， 各个保护的定值。将整定计算过程中每一步的计算过程都写入到计算书中，供用户 查阅。保护定值确定以后，结合保护装置的定值单模板，自动生成保护装置的定值 单。将故障计算的结果参与仿真，结合各保护的整定值，与故障计算的测量值比较， 判断保护是否该动作，仿真结束后，自动生成仿真报告。总体框图如图2 1 所示。 6 华北电力大学硕士学位论文 2 3 电力系统一体化平台 图2 - 1 软件总体设计框图 电力系统一体化平台是集成企业生产运行、业务处理、决策支持和管理控制等 多个层面的应用平台。一体化的应用实现了“数据集成、业务协同、管理集中的 管理要求，消除了“信息孤岛的起因。有效的利用原有局域网络，将不同类别、 不同标准、不同拓扑结构、不同信息存储方式的异构网络组建成高效的业务平台， 增强网络数据安全性和信息利用率，通过平台进行知识获取与共享，能根据不同用 户的需求提供个性化服务。系统平台的主要功能如图2 - 2 所示。 平台的主要功能 人事 组织 框架 模型 创建 功能 模块 系统 设计 引用 电网 资源 概念 和设 备资 产参 数概 念 系统 业务 功能 模块 集成 环境 配置 功能 模块 系统 权限 安全 配置 及作 用数 据范 围责 任区 配置 功能 模块 系统 流程 控制 平台 配置 功能 模块 动态 业务 配置 工具 功能 模块 图2 - 2 系统平台主要功能 7， 华北电力大学硕士学位论文 平台具有高度的集成性，良好的开放性和扩展性。适应于业务的发展及规模的 扩张。提供了工作流管理平台，利用工作流的技术能够有效的管理各项业务流程， 展现出业务之间良好的协同性及业务管理集中性，真正实现了电力系统业务一体化 的发展要求。另外，平台的应用还增强了网络数据共享及同步的安全性，避免了数 据冗余造成的信息流阻塞或数据信息的丢失与错误，保证了系统运行的可靠性，进 一步提高了系统安全运行能力。 2 4 软件的各模块功能 2 4 1 图形建模模块 图形建模模块用于建立电力系统模型，通过点击工具栏的图标来绘制电网接线 图，由计算机根据节点连接自动完成网络拓扑分析，自动生成并打印主接线图、序 网图、保护配置图，并可以对其修改乜。通过参数输入窗体方输入各元件设备的参 数，用于故障计算和整定计算，如输入原始参数、有名值或标么值，并能将参数入 库，以便查阅。具备完善的元件参数检查功能，对没有输入参数的元件有提示并定 位功能各元件的参数保存在设备参数数据库中恤1 ( 1 ) 能够方便地绘制各种电气元件。 ( 2 ) 元件能很方便地对元件进行复制、粘贴等操作。 ( 3 ) 文字标签能水平或垂直放置，字体、颜色等可设置。 ( 4 ) 提供图形多级缩放，鹰眼功能。 ( 5 ) 具备块选择、块移动、块复制、块粘贴、子图导入、选择移动拷贝功能。 ( 6 ) 有元件定位功能，选择某元件后能够显示窗口定位到以该元件的画面处。 ( 7 ) 能输入、修改、浏览线路的零序互感，零序互感能提供推荐值。 ( 8 ) 支持数据的自动升级和更新。 2 4 2 故障计算模块 故障计算模块提供了强大的故障计算功能，能够计算网络任意节点，支路的各 种简单故障和复杂故障，能够计算包含互感之路在内的短路和断线故障产生的短路 电流及其它支路的短路电流，并将各支路的故障电流分量以表格的形式显示出来。 当系统运行方式变化及设备检修或新添加设备造成网络拓扑结构发生变更的时候， 只需要在一次系统图上断开或合上相应的开关以及输入相应改变的设备参数，重新 计算以后，就可以自动获得新的网络拓扑结构关系下某点发生短路后短路电流在系 华北电力大学硕士学位论文 统内的分布。该模块计算出的短路电流数值存入数据库中，供保护整定模块中的整 定计算和定值仿真校验模块乜2 1 。 ( 1 ) 能进行各种类型的的故障计算。 ( 2 ) 故障点可设置为母线，也可以设在线路上。 ( 3 ) 能对零序互感线路进行故障计算。 ( 4 ) 显示节点号，能清楚地看到各元件的连接情况是否正常。 ( 5 ) 设置系统的运行方式。 ( 6 ) 在某种运行方式下故障设置完毕后，计算结果显示采用表格形式，包括支 路电流和节点电压两部分。 2 4 3 整定计算模块 根据保护装置，确定需要进行整定计算的保护。依据部委颁发的整定规程提供 的整定原则，对线路的相间距离保护、接地距离保护、零序电流保护、阶段式电流 保护进行整定。根据保护装置的信息建立相应的保护设备信息管理库。在建立时， 与保护装置相对应的定值清单列表及整定规则信息都写入库中，将整定规则库函数 做成动态链接库形式，系统需要进行计算时，直接调用此动态链接库中的函数，当 需要添加整定规则时，只要库函数中增加新的保护整定规则或对原来整定规则修改 即可，充分利用了资源，大大提高了程序的通用性和灵活性乜射。 ( 1 ) 提供自动和手动两种整定方式，用计算书同步记录显示整定过程。 ( 2 ) 整定原则丰富，过程灵活，系数均可自行调整。 ( 3 ) 可自动生成定值单，整定结果以定值单形式存入数据库中，方便查询。 ( 4 ) 计算出不同运行方式、不同故障对应的分支系数、助增系数、支路短路电 流、零序电流，可以通过表格进行查询。 ( 5 ) 整定结束时将结果列表显示，用户可以进行修改，修改后，可以全部将定 值存入数据库，也可以将修改过的局部定值存入数据库。 ( 6 ) 整定过程都记录到计算书中，计算书管理可以查看当前计算书、保存、载 入和打印。 2 4 4 定值仿真校验模块 已配置的保护进行相应整定后，便进入系统提供的仿真环境，通过设置故障， 直观的检验系统各保护动作配合的正确性。可以在电网任意位置设置故障、运行方 9 华北电力大学硕士学位论文 ，软件通过调用故障计算模块计算各保护安装处的电气量，进行定值比较决定是 跳闸。根据设置的故障对象搜索对应的保护功能、断路器。对搜索到的保护取出 值和故障计算值，比较定值与计算值判断开关动作情况形成仿真报告。判断仿真 间确定仿真是否结束。仿真结束时根据断路器动作情况进行图形演示。 ( 1 ) 能够在母线或线路设置任意类型的故障。 ( 2 ) 根据用户的设置采用智能搜索技术搜索可能会动作的保护开关。 ( 3 ) 若动作条件满足则跳开断路器，正确切除系统故障，输出仿真报告，结束 真。若没有完全切除故障，则进入下一个动作时间段，启动逻辑判断仿真。 ( 4 ) 设置仿真定时器间隔、仿真时间长度以及故障存在时间、拒动开关等。 ( 5 ) 仿真完成后生成完整的仿真报告，可以保存、打印。 2 4 5 数据管理模块 对继电保护专业整定涉及的全部数据， 线图，各种保护装置的参数表，密码设置， 理功能嘲。 ( 1 ) 设置系统管理员和一般用户 按数据库方式进行管理，提供电气主接 及对用户，计算书，定值单的维护与管 ( 2 ) 提供数据筛选功能，可设置查询条件，便于精确定位数据。 ( 3 ) 数据类型全面，既包含一次设备参数，也包括计算后得到的数据。 ( 4 ) 提供对定值单的维护与管理功能。 ( 5 ) 提供所有数据的二次编辑及打印功能。 2 5 编程语言和后台数据库工具 本软件采用d e l p h i 提供的编程环境进行整个程序的编制工作。d e l p h i 是基于窗 体实现的，采用面向对象的方法，与w i n d o w s 紧密结合，拥有强大而成熟的组件技 术，在界面设计方面，具有快速、灵活的优点。引。同时还提供了各种开发工具以及 开发数据库的各种应用程序。在数据库方面显得尤为突出：适应于多种数据库结构， 因此利用d e l p h i 作为开发工具开发本软件具有无比的优势比9 3 1 | 。 面向对象的程序设计方法是9 0 年代的程序设计方法，它的出现使传统程序设计 思想和设计方法发生了很多变化。在传统程序设计中，数据和操作是相互分离的， 同样的数据可能对应不同的操作，同样的操作又可能作用在不同的数据上。这些问 题使开发人员更加困难；在o o p 方法中，由于数据及操作都直接封装在对象中，避 1 0 华北电力大学硕士学位论文 免了传统程序设计中数据和操作的潜在不一致性，可以把整个软件被看作是对象及 其相互作用关系的组合，便于编程人员进行程序设计。 本文以大型关系数据库o r a c l e 作为后台数据库工具，o r a c l e 数据库是以高级结 构化查询语言( s q l ) 为基础的，利用方便逻辑管理的语言操纵大量有规律数据的集 合。o r a c l e 数据库引入了共享s q l 和多线索服务器体系结构，减少了数据库资源占 用，支持多用户使用，提供了基于角色分工的安全保密管理，并且在数据库管理功 能、完整性检查、安全性、一致性方面都有良好的表现。数据库还提供了与第三代 高级语言的接口软件系列，能在c ，c + + 等主语言中嵌入和操纵s q l 语句及过程化语 句，便于快速开发生成基于客户端p c 平台的应用程序，具有良好的移植性。 2 6 小结 本章分析了电力系统继电保护整定计算的工作特点，提出了基于统一平台开发 继电保护整定计算软件的研制构想。在该平台下实现对继电保护设备信息、系统参 数、图形参数、运行信息、保护定值、专业相关资料等的统一管理；实现故障计算， 整定计算、整定方案和定值通知单生成、保护定值及仿真校验等功能。在保护装置 的整定计算过程中，系统提供了丰富的人工干预手段，满足了通用性和灵活性的要 求，最后阐述了软件开发中的编程语言和后台数据库工具的优越性，为实现整体软 件提供了保障。 华北电力大学硕士学位论文 第三章电力系统故障计算中的若干问题分析与研究 电力系统故障问题是电力系统基本问题，故障计算的结果是合理的配置各种继 电保护装置并整定其定值的重要数据。在电力系统继电保护整定计算中，需要进行 大量的简单故障和复杂故障的分析和计算，所以准确的故障计算是继电保护整定计 算实现的重要前提m 1 。 在故障计算中，网络方程的求解对于提高软件的效率和准确性至关重要嘞】。节 点编号优化顺序直接关系着电力网络方程的求解速度和计算机的内存使用，随着电 网规模的扩大和复杂度日益提高，目前网络节点数目比以往有了大规模的增加，节 点编号的差异会直接影响计算的规模和速度。为此，本文根据电力网络节点编号优 化问题的特点，设计了一套结合动态法和半动态法优点的改进优化方法，来完成节 点编号优化。 电网结构合理的数据建模决定着故障计算的精确性。现代电力系统越来越复 杂，使得故障计算处理方法在对电网进行数据建模时往往做了很多简化，线路间的 零序互感经常被忽略，或者仅仅考虑平行双回线间的全线互感，这些简化使计算结 果的精确性受到影响。因此，为了更准确的建立电力系统的计算模型，本文针对电 网中互感情况在内的零序节点导纳矩阵的形成、故障情况下数学模型的修正以及互 感线路发生故障时模型的处理方法进行了全面的分析泓】 3 1 节点编号优化算法改进 3 1 1 节点编号优化的三种传统方法 节点编号优化的目的就是为了寻求一种使非零注入元素数目最少的节点编号 方案。目前实际工程应用中广泛采用的是求次优编号的方法，如：静态优化法、半 动态优化法和动态优化法三类主要的传统方法口引。 ( 1 ) 静态优化编号方法：由导纳矩阵消去过程可知，导纳矩阵小行号的非零元 素越少，消去过程中注入新的非零元素就越少。导纳矩阵的行号即网络的节点号， 其每行的非零元素就是相应节点所连接的支路数( 非对地支路) 。因此按照连接支路 最少的节点顺序编号，就是静态优化法。编号前，统计网络各节点连接支路数，支 路少的优先编号。若支路相同，紧挨编号。 ( 2 ) 半动态优化法：该方法的思路是寻找连接支路最少的节点进行编号，然后 消去该节点，每消去一个节点，尚未编号节点的支路连接数就会发生变化，从未编 号的节点中查找连接支路最少的节点紧挨编号。如此反复，直到消去所有节点。 1 2 ( 3 ) 动态优化法：动态优化法分为两步，第一步是将网络的所有节点轮流进行 一次消去运算，统计各节点消去后各自增加的新的支路数，将增加新支路数最少的 节点编号为l ，然后消去该节点。第二步是将尚未编号的节点的每个节点依次进行 一次消去运算，统计各节点消去后各自增加的支路数，将增加支路数最少的编号为 2 ，随后消去该节点。依此类推，对所有节点进行上述步骤，完成节点编号优化。 3 1 2 基于传统优化算法基础上的算法改进 在大型的复杂电网中静态法的优化效果差，一般不被采用，传统的方法多采用 半动态法和动态法。半动态法优化效果好，程序简单，速度快，但是相比于动态法 注入元素仍然过多，动态法优化效果最好，注入非零元素最少i 但是每次都要进行 未编号节点的消去运算，运算量太大，速度慢副。为此，本文根据电力网络节点编 号优化问题的特点，设计了一套结合动态法和半动态法优点的改进优化方法，来完 成节点编号优化。改进的编号方法如下： ( 1 ) 对整个电网循环查找出线度( 节点出线数目) 为1 的节点，对该节点进行优化 编号( 因为消去该节点不会产生新的注入元素) ，查找过后，消去该节点，因为该节 点的对端节点的出线度会因为消去该节点而改变，所以消去该节点后重新计算对端 节点的出线度。 ( 2 ) 对电网进行循环查找所有出线度为2 的节点，按消去该节点所产生的注入元 素最少进行优先编号，产生注入元素相同的节点进行随机编号，消去该节点后，重 新计算对端节点的出线度。 ( 3 ) 对电网进行循环查找所有出线度为3 的节点，按消去该节点所产生的注入元 素最少进行优先编号，产生注入元素相同的节点进行随机编号，消去该节点后，重 新计算对端节点的出线度。 ( 4 ) 当所有节点的出线度都大于等于4 后，只按照出线度的多少进行编号，不再 重新计算消去节点后对端节点的出线度。因为导纳阵是稀疏矩阵，在节点出线度为 4 时若考虑消去它产生的注入元素小于3 是没意义的。越是出线多的节点，计算消去 该节点产生注入元素消耗时间越长，当出线度大于4 时则不做考虑。 该方法结合了半动态法和动态法编号的优点，将半动态法中寻找最少出线节点 和动态法中计算消去节点后新增注入非零元素最少的特点融为一体，充分利用了电 力网络的稀疏特性。和半动态法相比，每次编号都是在最少出线度的相同节点中选 择消去该节点后注入元素最少节点进行编号，而不是在出线度相同的情况下随机编 号，所以新的非零注入元素小于半动态法，提高了矩阵的稀疏度，矩阵处理起来比 半动态法容易。和动态法相比，优化效果差不多，但是由于每次编号是在出线度最 华北电力大学硕士学位论文 少的节点中考虑优先编号，而不是对全网络所有节点进行消去，每次循环涉及的节 点数量大大减少，速度明显提高。 3 1 3 算例分析与比较 图3 1 为某电网系统等值电路图( 1 5 个节点，2 0 条支路) ，分别采用动态优化法 和本文所提的改进优化法对其进行节点编号优化并分析优化结果。 图3 - 1 电网系统等值电路图 选用动态法对该网络的优化编号顺序为：l ，2 ，1 5 ，5 ，8 。4 ，3 ，6 ，7 ，1 3 ， 1 4 ，9 ，1 0 ，l l ， 1 2 选用本文算法的优化编号过程具体步骤如下： ( 1 ) 查找出线度为1 的节点，查找结果为1 节点，消去l 节点，计算对端节点2 的出线 度，得2 的出线度为l ，消去节点2 ，计算对端节点3 的出线度为3 ( 2 ) 查找出线度为1 的节点，查找结果为节点1 5 ，消去节点1 5 ，计算对端节点1 2 的出 线度，得1 2 的出线度为3 。此时网络中无出线度为1 的节点，得到优化后的拓扑图 如图3 - 2 ( a ) 所示。 ( 3 ) 查找尚未编号节点中出线度为2 的节点，查找结果为4 ，5 ，8 ，1 3 ，1 4 。由于消去4 ， 5 ，8 ，1 3 ，1 4 ，都产生一个注入元素，故可随机编号，可选取5 节点进行编号，消 去节点5 ，计算对端节点3 ，节点8 的出线度。 ( 4 ) 由于上一步消去后，节点3 ，8 的出线度都不变。故出线度为2 的节点为4 ，8 ，1 3 ， 1 4 。由于消去节点8 没有注入元素，而消去4 ，1 3 ，1 4 ，均产生一个注入元素，所 以消去节点8 。然后计算知节点8 对端节点3 的出线度为2 ，节点6 的出线度为3 。 此时优化拓扑图如图3 - 2 ( b ) 所示。 ( 5 ) 节点3 ，4 ，1 3 ，1 4 的出线度为2 ，并且消去这4 个节点的注入元素均为l ，故可随 机编号，可选取4 节点进行编号，消去节点4 ，计算对端节点3 ，节点7 的出线度。 ( 6 ) 节点7 的出线度为3