（电力系统及其自动化专业论文）继电保护整定计算专家系统的开发与应用.pdf

华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文目录 第一章引言 1 . 1 课题的背景及意义 继电保护是保障电力系统安全稳定运行的重要防线，电力系统对继电保护提出 了严格的 “ 四性”要求，即选择性、速动性、灵敏性、可靠性，除可靠性要依赖于 继电保护装置外，继电保护的选择性、速动性、灵敏性则要依赖于整定值的准确、 可靠，因此电网中继电保护定值的整定计算工作，一直是继电保护人员的一项重要 工作，它直接关系到电网运行的安全性。 长期以来，继电保护整定处于手工计算的落后局面，其落后性主要表现在以下 几个方面: . 故障分析计算工作量大，计算故障电气量所需时间长，易出错; . 故障分析与运行方式结合紧密， 手工计算不能适应各种运行方式下的故障分 析计算的要求; . 整定计算受人工控制影响较大， 由于整定计算原则较多， 计算结果取舍不规 范，因此不同的定值计算人员会得出不同的、甚至差别较大的计算结果; . 不能适应不同型号、类型的保护装置的定值计算要求; . 手工方式下定值单的出具与管理效率低。 从上世纪七十年代，国内外开始了应用计算机辅助完成整定计算，并出现了一 些基于d o s 系统实现的故障计算软件。由于其建模方法落后、功能单一等原因，只 能起到辅助性的作用，没有从根本上解决问题。 进入上世纪九十年代，随着计算机软件技术的快速发展和故障分析计算技术的 成熟，继电保护整定开始广泛应用软件技术实现电网故障计算、保护定值整定，继 电保护整定软件进入了一个蓬勃发展的时期，其中代表性的整定软件有北京四方博 瑞数字电力科技有限公司的 “ 继保整定系统”和山东电力中调的 “ 电网继电保护整 定系统” 。相对与早期 d o s版本的软件，以上整定软件在功能和性能上更加完善和 先进，达到了实用化的程度。它们具有如下共同特点: . 基于w i n d o w s 构建，人机界面友好。 . 应用数据库技术，数据分类、管理、查询、维护更加合理科学。 . 应用m形技术建模，真实直观地反应一次系统接线。 . 应用了当今先进成熟的故障计算技术，能够完成各种复杂情况的故障计算 及在运行方式海量组合中快速选择整定方式，基本能满足实际应用的要求。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文目 录 尽管如此，当前的整定软件在实际应用中仍然存在一些不足，归纳如下: .适用性差 目前普遍采用的方法整定原则程序法，就是根据应用要求归纳总结所有可能涉 及到的整定原则，再按照这些整定原则进行编程实现。实际应用时，先根据整定对 象对整定原则进行选择组合，计算得到若干定值，再根据整定对象的具体情况输出 一个确定的定值， 这种方法存在问题较多。 首先， 虽然整定原则是通用的、 规范的， 但具体应用时，不同的场合、不同的的应用对象在统一的整定原则框架内总存在一 些特殊应用或调整，要求对整定原则进行某些修改。而整定原则程序法必须通过修 改程序才能实现，适用性差;其次，半导体、计算机等基础技术的发展，造成其它 领域的同步快速发展，微机保护硬件平台的发展更是如此。在微机平台上各种新原 理、新算法易于实现，使得新原理保护更新换代愈加频繁。这就要求整定计算软件 必须适应这种不断的变化，整定原则程序法只能不断地修改程序，不仅适用性差且 软件的生命周期大大下降。 . 单机作业方式落后 电力企业信息化网络化为信息共享提供了有力的物质基础，而当前整定软件普 遍采用的是单机作业方式，即在一台计算机上运行一套程序，无法做到数据共享， 而且当多人进行一个工程的整定计算时， 要做许多不必要的重复性工作， 时效性差。 由于继电保护整定是电力系统一项重要的、复杂的工作，对它的研究对于保证 电力系统的安全稳定运行有着非常重要的技术、经济和社会意义，因此电网保护整 定计算系统是现代电力系统运行、设计实现综合自动化的一个重要的研究课题，专 家系统、软件技术日 新月异的发展为解决上述问题提供了基础。因此，在现有基础 上研究如何利用专家系统、网络技术实现一套智能性强、功能完善、应用灵活的保 护整定软件具有重要的学术价值和现实意义。 1 . 2 课题内容、现状 继电保护整定软件完整的体系包括:模型的建立、故障分析计算、定值整定计 算、定值校验仿真和输入输出数据的管理五个部分，而其中故障分析计算、定值整 定计算是其关键研究内容。 1 . 2 . 1 故障分析计算 电力系统故障计 一 算模型有节点导纳模型和节点阻抗模型，这两种模型在电力系 统分析计算中均得到了应用，具体到继电保护整定，后者更具优越性，在继电保护 整定软件普遍采用。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文目 录 对继电保护最首要的要求是保证 “ 选择性” ，即在任何运行方式保护不能误动 或拒动，应有选择性地切除故障元件。这就要求在进行保护定值整定时，穷尽系统 运行可能出现的运行方式，按最不利的情况进行整定。所以保护整定中的故障计算 是一种在计及网络操作的条件下进行的故障计算，需要考虑电力系统运行方式的变 化，诸如系统元件的投入、切除、参数变化、互感线路挂地检修、以 及它们的各种 组合形式等; 另外， 电力系统发生的各种故障也会造成电力网络拓扑结构局部变化。 因此，继电保护整定计算中故障计算的关键在于如何模拟网络操作和故障。 经典计算 17 - a 方法对于网络拓扑结构与阻抗参数变化的处理，是采用支路追加 法进行网络节点阻抗矩阵的修正计算;然后，再采用复合序网法进行故障解算。先 计算出故障点各序电气量，再回溯求出全网各序的分布，进而求出全网各支路的相 分量。 经典计算方法的缺点在于: . 对于具有互感祸合线路的电力系统计算，其计算过程变得相当繁琐和复杂 化，运算量大:另外，由于每进行一次网络操作都需要重新修改原网数学 模型，计算量大而且麻烦，尤其是对大型电力系统进行多次操作时，这一 问题更加突出。 . 只能计算一般性复杂故障，如两重故障;对任意复杂故障如两重以上故障 的计算无能为力。 为了解决经典算法存在的问题，专家学者们进行了不断的研究，取得了令人满 意的成果，这些成果使得故障分析计算达到了成熟实用的程度。 文献 5 1 - 7 1 对于运行方式变化的处理， 统一处理成向原网追加一组等值链支的问 题，导出了反映网络拓扑结构与阻抗参数变化的修正因子，既可用它来修正节点阻 抗阵或其中任何元素，也可用它修正节点电流源，计算网络结构变更后的情况，这 给按计算目的选择计算方法带来了极大方便;对由故障引起网络拓扑结构变化提出 了简便模拟方法，解决了互感线路上非对称断相故障引起的网络拓扑结构局部变化 问题，计算过程简便，计算量小。这些方法为拓扑结构与阻抗参数变化的电力网络 的故障分析计算的研究提供了理论基础。 其次在故障分析算法方面， 文献- 1 - 1 1 2 】 提出了基于对称分量与故障口相序参数变 换技术相结合，采用补偿法进行复杂故障计算的方法。补偿法是一种模拟无源网络 元件参数变化的有效方法。 电力系统虽是有源的， 但故障电路本身是无源的。 因此， 可以把故障处理成对网络结构的修正。由于任何故障所涉及到的支路数都远小于系 统规模，补偿法能明显提高复杂故障分析与计算的速度和效率。补偿法无需形成复 合序网，取消了对故障类型的限制，可以计算任意复杂的故障情况，且易于编程。 华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文目 录 1 . 2 . 2专家系统在继电保护整定计算中应用 人工智能 ( a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e )是一门新的技术学科。它研究如何用 人工的方法和技术，即用各种自 动机器或智能机器 ( 主要指计算机或智能机)模仿 延伸和扩展人的智能，实现某些 “ 机器思维”或脑力劳动。 专家系统是人工智能应用领域的一个重要分支。一方面它是人工智能的理论和 方法 ( 如知识表示、搜索策略)的应用环境，另一方面它的研究和发展又不断丰富 和发展了人工智能学科。它和模式识别、智能机器人一起被列为人工智能发展的三 大前沿课题。随着专家系统在各个领域的成功运用，很快发现专家系统在电力系统 应用潜力也是很大的，比较成熟的是故障诊断、经济调度、负荷预测等。 专家系统在继电保护整定计算中的应用也日益增多、发展也较快。应用于定值 整定的专家系统，主要着重以下三方面的处理: ( 1 ) 复杂情况下整定计算的方法。 ( 2 )各种不同保护装置的协调配合。 ( 3 ) 整定定值的智能化处理。 目 前专家系统理论日益完善，为保护定值整定计算软件智能化的研制提供了理 论依据。专家系统最大的优点是可以模拟人的思维过程，把经验知识存放于计算机 内，由 经验完成必须由 人干预才能完成的工作。 本文所附文献 1 9 ) - 15 3 采用专家系统 实现了继电保护整定的一些应用。 1 . 3 本文主要工作 本文主要工作如下: 1 . 3 . 1 运用成熟的电力系统故障分析理论，实现继电保护整定的故障量计算，它采 用补偿法进行运行方式变化时的简单故障计算， 以求取整定用运行方式， 采用故障 口相序变换技术实现通用的复杂故障求解，为整定计算奠定基础。 1 . 3 . 2研究专家系统在继电保护整定中的应用，并提出应用专家系统方法的继电保 护整定实现模型。 1 . 3 . 3通过对电力系统继电保护及其整定原则的分析、总结、抽象，设计实现一套 完整开放的知识建立、知识表达方法，提高整定计算软件的实用化水平。 1 . 3 . 4 针对单机版继电保护整定软件应用中存在问题， 提出采用c s 模式系统结构， 解决多用户同时使用及数据共享等问题。 开发完成的网络版继电保护整定软件己在北京电力公司投入使用， 在减轻继电 保护整定人员的工作负担、提高继电保护整定智能化水平等方面作出了新的贡献。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文目 录 第二章 电网故障分析计算模块的实现 2，电力网络数学模型 通过支路信息及支路间关联信息可以得到电力系统故障计算的两种数学模型， 节点导纳方程和节点阻抗方程，分别如式 ( 2 - i ) 和 ( 2 - 2 ) 所示。 i二y u( 2 - i ) u二2 7 ( 2 - 2 ) 节点导纳矩阵y 描述了网络的短路参数。它与电力网络之间有简单的对应关系， 可以通过扫描网络中的支路，根据支路在网络中的连接关系直接形成自 导纳和互导 纳，最后建立节点导纳阵。 节点阻抗阵z 描述了网络的开路参数。 它与电力网络间的关系比较复杂， 可以通 过支路追加法直接建立，也可以利用己形成的节点导纳矩阵的因子表用连续回代法 建立。 节点导纳阵y 的优势首先在于它容易建立。 它可以通过扫描网络中的支路， 根据 支路在网络中连接关系直接形成自导纳和互导纳，最后完成节点导纳阵的建立。同 时，节点导纳阵是稀疏矩阵，因此可以采用稀疏矩阵技术进行存储，节省计算用内 存。 与节点导纳矩阵相比，节点阻抗矩阵的参数节点阻抗阵形成起来比较困难，无 论是支路追加法还是在节点导纳矩阵因子表基础上的连续回代法，其工作量要多出 很多。同时，节点阻抗阵是一个满阵，其非对角元一般不等于零，每个元素都包含 了全网的信息，对计算机有较高的内存要求。 但正是“ 节点阻抗阵中的元素包含了全网的信息” 这一特性，使得节点阻抗阵在 电力系统故障分析中应用得十分普遍。利用电力系统的节点阻抗方程，可以由给定 的节点注入电流便捷地得到各母线电压，它比利用节点导纳方程便利得多，这是它 的独特优点。在进行各种故障计算时，可直接取用有关节点阻抗元素进行运算，因 此在多次重复使用时，计算速度快，占用机时少。而利用节点导纳阵进行故障分析 时，每进行一次计算，都必须用因子表进行回代运算，等效于通过注入单位电流求 节点电压而得到节点阻抗阵的一列向量。当对某一特定网络进行大量故障计算时， 就会出现重复形成节点阻抗列向量的情况。无谓的重复计算，浪费了机时。而保护 定值的整定计算程序，恰恰要对电网进行反复的、多点的故障计算，这样看来，以 节点导纳阵为网络的数学模型进行故障分析就不足取了。 在故障计算时，特别是在保护整定计算时，需要对同一个电力网络反复进行大 华北电 力大学 ( 北京) 硕士学位论文目 录 量的短路计算时，应用节点阻抗矩阵就有一定优势。本文基于面向继电保护整定的 故障分析，因此选用节点阻抗方程作为电力网络的数学摸型研究电力系统故障计 算。 2 . 2变结构电网的统一求解 继电保护整定计算中的故障计算，其特殊性在于要频繁地考虑电力系统运行方 式的变化，诸如系统元件的投入、切除、参数变化、互感线路挂地检修以及它们的 各种组合形式等。下面就介绍解算伴有拓扑结构与参数变化的大型电力网络的方 法。 原网络新网络 y = z i 犷， =z7 z 。 = z i 厂11，.，.。.1.!.枯 图2 -1向原网络接入等值支路的 链支乙 如图2 - 1 所示， 若欲向 独立节点数为n 的原网络接入m ( m? 1 ) 条链支， 其支路阻 抗矩阵z c 为m x m 方阵。 原网 络接入z c 后的网 络叫 新网络。 根 据欧 姆定 律可得新网 络中的z c 的 支路电 压v 和支路电 流i c 之间的关系为 凡= z c 几( 2 - 3 ) 设在接入z 。 之前， 原网 络的节点 阻抗矩阵2 为， x n 阶矩阵; 节点 注入电 流源 为i ，为， x 1 阶列矩阵。根据基尔霍夫定律可得原网络的节点电压y为 y=z i ( 2 - 4 ) 式 ( 2 - 4 )为原网络的节点阻抗矩阵方程。 现着重讨论利用支路追加法向 原网 络接入z c 时， 如何建立新的 节点阻 抗矩阵 方 程， 用以 反映z g 接入原网络的 影响。 根据基尔霍夫第一定律可得新网络的节点等效电流源i r 为 i = i 一 a e i , ( 2 - 5 ) 式中i 为 新网 络的节点电流 源;a c 为网 络节点与z c 支路间的关联矩阵， 为n x m 矩 阵 ， 其中 任 何 元 素a f t 取 值为 华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文目 录 0一一节旬与 支 路 i 无关 联; 1一一节岛与 支 路 隋关 联， 其 参 考方向 背高点 1一一节旬 与 支 路氏关 联， 其 参考方向 指rb y 点 护1于、1ji 一一 夕 a 再根据基尔霍夫定律可得到新网络的节点电压v 为 v 二 z ( i 一 a c j c ) 将 式( 2 - 3 ) 中 的玲用 节点电 压v 表 示， 可 得 a t v = z c i c 式 中 a ct 为 a c 的 转 置 矩 阵。 将式 ( 2 - 6 )代入式 ( 2 一 7 ) ，经整理后得 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) i c = 比 z a c + z c 工 i a t z i ( 2 - 8 ) 将王 代入式 ( 2 - 6 ) ，得 。 二 z i 。 一 、 a tt 、十 z a t z 式中u 为单位阵。式 ( 2 - 9 a )便是向原 ( 2 - 9 a ) 络接入z c 后所得新网 络的 节点阻 抗矩阵 方程的统一计算公式。它既可用于形成网络的节点阻抗方程，也适用于网络拓扑结 构与参数发生变化时对原网节点阻抗方程的修正计算。 将式 ( 2 - 9 a ) 右端的跨弧部分称为修正因子，并用符号f m表示，即 、= u 一 a , a t z a , + z , 1 i a t z 则式 ( 2 - 9 a )变为如下形式 v = z f m i ( 2 - 9 b ) f m与z 属同阶矩阵。 由 式 ( 2 - 9 b ) 可知，z , 对原网络的影响，既可用于修改z 来响应，即新网络的节点 阻抗阵与节点阻抗方程分别为 z , = z f m ( 2 - 1 0 a ) v =z7 ( 2 - 1 0 b ) 也可仅用修改i 来响应，即新网络的等效节点电流源尸与节点阻抗矩阵方程分别为 i = 凡w i ( 2 - 1 1 a ) v =z i ( 2 - 1 1 b ) 显然，当目的旨在获得新的2 尹 ( 即修改z)时，宜于按下式计算 z = z 一 、 la st z a e + z c 1 a t z ( 2 - 1 2 ) 当目的旨在获取新的i ( 即修改i )时， 宜于按下式计算 i ， 一 ， 一 a , la g z a p + z c 1 1 a t z i ( 2 - 1 3 ) z , 接入原网络， 既可以仅用修正z ， 也可 仅用修正i 来建 立新的节点阻抗方程， 这给根据实际需要更合理地选择计算方法带来了极大方便。 显然， 修改节点阻抗阵z的运算量正比于矛， 修正节点电流源i 的计算量正比于 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文目 录 n 2 。 因 此，采 用修正节点电 流源比 修正节点阻 抗阵的 算法能显著减少计 算量。 2 . 2飞等值链支支路阻抗矩阵的计算 由 2 .2 节可知， 该 算法关键问 题是如何得出z c ， 下面就根据不同的 网 络操作介 绍 等值链支支路阻 抗矩阵z 。 的 计算 方法。 2 . 2 . 1 . 1 接入或断开无互感链支: 或完整的互感支路组“ m z c = 1 z ( 2 - 1 4 a ) 或z c = 1 z m ( 2 - 1 4 b ) 当z 。 中 包含有原网 络未包括的新节点时， 可将这些新节点分别 用支路阻抗为1 的 接地树支与之联接， 并用z 的 增广矩阵表示， 然后在z c 中 对应于这些节点 接入支 路阻抗为一 1 的链支连消去其影响。 2 . 2 . 1 . 2接入或断开某互感支路组中一条或多条互感支路 设某互感支路组的支路阻抗矩阵为z m r 的 支 路 阻 抗 矩 阵 为 z m ， 可 用 下 述 方 法 求 z c a 方法一 支路导纳差值矩阵求逆法 a y 一 z 一 一 z m 则z c - a y - 1 当a y 为 奇 异矩阵 时， 宜 用 方法二 _ 。 方 法二 先 断 开2 、 ， 再接 入z m 从中接入或断开一条或多条互感支路后 ( 2 - 1 5 a ) 二 一 !- zm : 0 0 zm ( 2 - 1 5 b ) 2 . 2 . 1 . 3互感支路组中出现一条或多条支路挂地检修 设某互感支路组的支路阻抗矩阵为z ， 若将z m 按挂地检修与不挂地检修进行分 块，则根据欧姆定律可得: m 的支路电压矩阵方程为 iv ., l 一 阵: 一 z nr-gr 1n_ lvl z g r - . , i z a r _ g , 上, g , j 由上式可得 华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文目 录 式中 v n。 二 1- - -; 一 : - g , : 一 ，g ,- g , z 。 一。. i inr = z = . 2 公 = z . . - . . 一 z . , - g , z 一 ，。 一 。 z c . - . r ( 2 - 1 6 ) z m 即 为 原 互 感 支 路 组中 出 现 挂 地 检 修 后的 等 值 支路 阻 抗 矩阵 。 然 后 再 按式 ( 2 - 1 5 )处理。 2 . 2 . 1 . 4非对称断相故障的模拟 为恢复因非全相断相造成网络拓扑结构的变化，将图2 -2 恒等变形成图2 -3 . 首先在图2 -2 中的b 节点加入一个阻抗为一 1 . 0 的支路， 然后在.f 和t 节点间加入两条 阻抗分别为1 . 0 和一 1 . 0 的并联支路，这两种变换对外界没有影响。 图2 -2非对称断相故障示意图图2 -3变形后的等值网络图 由图2 -3 可知，网络将增加2 个新节点，故新网络的z ， 将比原网络z增加两行 两列。 为便于一次算出最终结果， 将新增的2 个节点归属于原网络部分， 即z 增广为 ( 由节点阻抗阵的对称性，只给出下三角元素) ztt 际介 znnzfnztn 肠znz知ztz z i l z 2 1 ，12 z = ( 2 一 1 7 a) z n l f i z f l z t 1 为了反映断相故障，向原网增加新的等值链支为 z 。 一 - 1 .0 增广矩阵中新增元素可由原节点阻抗矩阵中的元素求得。 ( 2 一 1 7 b) 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文目 录 2 . 3电力系统复杂故障的统一求解方法 复杂故障造成电力系统网络拓扑结构局部发生不对称变化。 为确保在计算中不 修改原网数学模型，将任意复杂故障分解成对原各序网的对称修正与不对称修正的 组合， 即， 首先向 原网 接入相应的 等值链支z , ， 模拟因断 相故障造成网 络拓扑结构 的变化，然后再接入反映故障特征 ( 故障类型、故障特殊相、故障过渡电阻)的故 障类型导 纳矩阵 y n ， 见图2 - 4 0 图2 - 4任意复杂故障的模拟 假设网络中发生了h 重故障 ( h = m + x , m 重纵向故障，x 重横向 故障且其中 的1 ( 1 !5; _ x ) 重发生在线路内) 。 为了恢复因断相造成的网络拓扑结构的变化， 反映m重 纵向故障，根据上节非对称断相故障的模拟方法可知，对原网络进行变形。这样， 发生m重纵向故障和1 重线路内的横向故障， 节点阻抗阵z 将增加2 m十 1 行2 m + 1 列。 即2增广为 ，.1.ee一十.一习 dl dl z z 2 2 zn勺么 峨dl 妈，为 zz 编编偏 气弘瓶 标，:zf-zt-际标 弧勺编ztan锄骊 znn协孙zfas娜标标 z f m f . z im f . ， . z d f zf;却邹 z d t 2 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文目 录 要反映m重纵向故障，只需向原网追加新的链支z , z c = d ia g ( - 1 .0 一 1 .0 ) (m x m ) 根据第二章的介绍，z ， 对原网的响可用补偿电流i 。 来等效，其中 i 。 一 (i a tl h 影娜 i f . , . 根据欧姆定律， 等值 链支2 。 两端的电 压: v= - z j , 而根据叠加原理: 代= a t z ( i ld l + a i , ) 则 i 。 一 (i f ,。 一 i i rm )= - a t z a + z 。 r 1a t z i (d )c ( 3 一 1 ) 式中，a 为网络中的 所有节点 ( 原网络节点与新增节点) 与z 。 的关联矩阵; z为增广的节点阻抗阵，新增元素的计算可通过对角元素、非对角元素的物理 意义，利用原节点阻抗阵各元素和支路阻抗直观获得，此处不赘述。 2 . 3 . 1故障边界条件方程 2 . 3 . 1 . 1简单故障边界条件方程 v,丫 v z ,! ! z b i i z -zs乙 日十占日 叽- ( a ) 横向故障 ( b )纵向故障 图2 -5简单故障示意图 简单故障边界条件示意图如图 2 -5所示。为避免因过渡电阻为零时，边界节 点 导 纳 矩 阵 中 出 现 无 穷 大 元 素， 引 入 附 加 阻 抗z , 。 图 中 ， z a . z b , z 。 和z s 分 别 为 过 渡电 阻 和接 地电 阻;心、咋、咬为 故障 端口 电 压，i q . i b i i 。 为 端口 电 流， 参考方 向如图中所示。 华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文目 录 将一 z : 支路 并 入 故障 前 端口 网 络， 将z : 支路 与相 过 渡电 阻 和 接 地电 阻 一 起组 成 故 障电 阻 。 下 面 按 接 地电 阻 z g 的 取 值以 及 故 障 类 型 分 析 故 障 边 界 条 件。 ( 1 ) z g # 0 ( 包 括 z g 为 无 穷 大 ) 的 横 向 故 障 对 于z a * 0 的 横向 故 障 ， 由 相 节 点 导 纳 矩 阵 方 程 可 得 吮几性愧 1 z , + z a 1 2 : +z b 1 z s + z q 1 z s + z b 1 z , + z c 00 1 z , +z q 1 z , + z b 1 z , + z c 1 z s +z c rll|月eses!es 一- 1.，.lesesj 几好ic几 式中: 1 1 z e z g 1 1 1 + + + z , . + z a z s + z b z s + z , 消去无源节点g，得 峪咋岭 i ( _ 1xz , + z n (z e 一 z 1, + z n 1 z ., + 1 -x z a z , 十 z b2 ， 十 z n i x 一 z , + z , 裁 x 六裁 x (z i - 裁 ，一 裁 x 裁 i 一 盆 一1 / 1 1 1 一 iz .,+ z , x z , + z b i s + z c x (z e - z , + z n 1 艺 z 一 -一 阮卜风卜匡 z , + t . c z , + z n ( 2 ) 纵 向 故 障 和 z g 一 0 的 横 向 故 障 对 于 纵向 故 障以 及z a 一 0 的 横向 故 障 ， 同 样由 相 节 点 导 纳 方 程 求 得 ，.月，卫lesesesesesj va气，凡 一一，il leswelesl胜11.j 1 2 ， +2 。 1 z , + z , 1 z , + 凡 一!.!. - -一 门lesesesesesesesesesj 几几几 将 ( 1 ) , ( z )两种情形的相节点导纳方程记为: i ( 3 ) a b c = 一 y ( 3 x 3 ) a b c v ( 3 ) a b c 式中 : 长 3 x 3 ) a b 。 的 取 值 根 据 情 况( 1 ) , ( 2 ) 决 定 。 ( 3 一z ) 华北电 力大学 ( 北京)硕士学位论文目 录 例 如 对 于 过 渡电 阻 相 等 的 三 相 不 接 地 故 障， 此 时z g = m，设z a = z , =z , = z f “ 恤abc 飞 反 二 1a y(3x3)abc = 3(z ,. + z f ) ，这是一个奇异矩阵:对于非接地故障，故障 -12-1 2- 一一.，.l 三相 和 地 之 间 无 电 流 通 路 ，节 点 电压 不 定 ，故 障 类 型 阻 抗 矩 阵 az (3 x 3 )a b 。 一 ( a y (3 x 3 )a b c ) 1 无 定 义 ， 但 导 纳 y (3 x 3 )a b 。 可 以 写 出 。 因 此 为 使 电 路 参 数 有 定义，同时为了保持电路模型的通用性，故障电 路模型采用导纳参数矩阵表示。 la护 1护a t - 1对 ( 3 -2 )式作如下变化: 1护“ 1“护 山.工一飞 令t t l (3 )a b , t 一 t = - t o y (3 x 3 )a b c v (3 )a b c t - ， = - t a y (3 x 3 )a b c ( t - 1 t ) v (3 )a b , t - 1 一(t a y (3 x 3 ) a b c t - 1 ) ( t v (3 )a b , t _ 1 ) 即转换为序分量: 1 ( 3 ) 0 1 2 = 一 y ( 3 x 3 ) 0 1 2 v ( 3 ) 0 1 2 ( 3 - 3 ) 式 中 : 袄 3 x 3 )0 1 : 一 t o 长 3 x 3 )a b c t 一 1 ， 表 示 故 障 类 型 序 导 纳 矩 阵 ; 1 (3 ) 0 1 2 表 示 故 障 口 序 电 流 ， v (3 )0 1 2 表 示 故 障 口 序 电 压 。 可见， 只 要简单 地将故障分为 上述两 类， 即 可根据各 个故障过渡电阻z a . z b , z 。 及 z 8 的 值 ， 简 便 求 解 故 障 类 型 导 纳 矩 阵 y (3 x 3 ) a b c ， 进 而 求 得 其 序 分 量 几 x3 )0 12 不但解决了任意过渡电阻的故障计算问题，拓宽了故障计算的范围，还省去了程序 实现中根据故障类型存储、检索故障类型导纳矩阵 ， 的步骤，简化了编程;而且由 于 引 入 附 加 阻 抗z s ， 即 使出 现 过 渡电 阻 为 零 的 情 况， a y ( 3 x 3 ) a b 。 中 也 不 会出 现 无 穷 大元素。 例如: 当z a = 0 时 1 z s + z a * 0 0 ; 当z a = 。 时， 一生 一= 0 z s + z a 2 . 3 . 1 . 2跨线故障边界条件方程 ig 2 . 3 . 1 . 2 . 1跨线故障特点 同杆两回线跨线故障示意图见图2 -6 。 图 i s a刁 勺 _艺 口 八 春b +w . r a . 书氏口左力1 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文目 录 中 ， z a l z b l z c l 和z a 2 . 4 2 1 z c 2 分 别 为 故 障 点 f l . f 2 处 的 过 渡 电 阻 ， z : 为 接地电 阻; 与一 般简单故障处理方 法相同， 串 入附 加阻 抗z : 和一 z ,. ， 防 止因 过渡电 阻为0 相节点导纳矩阵中出现无穷大元素。 故障类型有以下几种: ( 1 )两回 线均为单 相接地故障。 表示为a 1 一 凡- g , a 1 一 q- g 等 ( 2 )两回线均为两 相接地短路故障。 表示为b j c 1 一 b 2 c 2 一 g , b i c 1 一 c 2 a 2 一 g 等。 ( 3 )一回线为单相接地，另一回线为两相接地短路。 表示为a 1 一 b 2 c 2 一 g 等。 ( 4 )一回线为不对称故障，另一回线为对称故障。 表示为a l - a 2 b 2 c 2 - g 等。 以 上 为 跨 线 接 地 故 障 ， 即z g # 0 0 当 z g = 0 0 ， 即g - g 支 路 断 开 时 ， 就 成了 跨 线不接地故障，同理分析其故障类型。 可以看出，跨线故障有以下特点: ( 1 )各 相过 渡电 阻z a l z b l z c l 和z a 2 z b 2 z c 2 接 地电 阻z : 取 值 任 意; ( 2 )当z g # 0 时( 包 括z g = c o ) , f l - g 和f 2 一 g 两 故 障口 边 界 条 件 不 独 立。 下面分析如何解决这些问题 。 2 . 3 . 1 . 2 . 2边界条件方程 对 于 z g 一 0 的 跨 线 故 障 ， 故 障 边 界 条 件 独 立 ， 相 当 于 两 重 横向 故 障 的 叠 加 ， 可 以用处理一般简单故障的方法得到故障边界条件方程，在 3 . 3 . 1 节中已介绍过。下 面 主 要 针 对z g * 0 ( 包 括z g 为 无 穷 大) 时 ， 分 析 以 f l - g . f z - g 为 故 障 端口 的 边 界条件方程。 根 据z g 护 0 , 由 相 节 点 导 纳 方 程， 有 z , + z . , 与晰与墩吸吸一份 2一2百奋.一2一 +1一+1-+1-+1一 2-2一2.-2一 z , + z b l 1 z , + 7 , l 凡 + z a 2 z , + 42 网日回圈囚 z , + z s + z1 z s + z b lz .硕士学位论文目 录 第三章 基于专家系统的整定计算 31引言 在继电保护整定计算过程中， 要求考虑的因素很多， 增大了工程人员的工作量. 整定中，在遵循整定计算基本原则和有关规程规定的前提下，还紧密依赖于整定人 员的实际经验和整定技巧。 其主要问题表现在以下几个方面: ( 扮 保护定值的计算 以相间距离保护整定计算为例，其整定计算严格遵守部颁规定的兰段式逐级配 合原则，计算结果同部颁要求比较，发现有些线路的灵敏度不足，或时间过长，或 两者均不合格。而二段定值的结果又使三段定值出现连锁反应。现有程序的处理方 法很难解决这个问题，而定值的确定又涉及到保护范围的求解。目前定值的确立还 要靠保护整定工程师的人为千预来完成。 c 2 )后备保护的选择 在复杂环网中， 后备保护的配合会出现循环矛盾， 若不能很好地选择保护配合 起点 ( 解环点) ，结果将会使后备保护之间的配合关系恶化，线路越复杂，此问题 越突出。这一问题解决的好坏，直接关系到全网保护定值的质量。 c s 选择性和灵敏性 由于电力系统运行变化的影响，使得保护整定选择性和灵敏性成为一对矛增。 使用计算程序进行保护的配合，要回答的问题是:计算机对电力系统保护设计和整 定的选择后果，是否比 现有的设计和整定的更好?与原来定值比较，它们之闻谁优 谁劣?优劣程度又如何?为了解决此类问题，大多数情况要依赖保护工程师多年来 的实际运行经验取得最后的结论。 c 4 )应用的灵活性 保护定值是同系统稳定性、负荷类型、系统振荡等多方面因素同时考虑的综合 值。定值的最终确立，还需增加很多的人为因素在内，要求运行人员对计算进行适 当的干预，做到保主舍次，保全局丢部分，要有比较权威的处理方法。 解决以上问题， 应用人工智能 专家系统技术是最佳的选择。日 前专家系统理 论日益完善，为保护定值整定计算软件智能化的研制提供了理论依据。专家系统最 大的优点是可以模拟人的思维过程，把经验知识存放于计算机内，由经验完成必须 由人干预才fp k 完成豹工作。 与常规的整定原则程序法比较，定值整定计算专家系统具有d显的优点，可以 华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文目 录 较好地解决整定原则程序法存在的问题。在依靠确定计算原则的基础上，结合了启 发性过程。相对来讲有两个特点; ( 1 )试探性 采用了在保证定值正常配合情况下， 调用某条原则进行定值的调整，当此规则 执行失败时，可采用其他方法再进行试探，直到定值合格为止。 ( 2 )针对性 利用求解问题的一些特殊原则，而这些特殊原则的使用，往往能够大大简化问 题求解过程的复杂性。这样，既提高了保护定值自 动整定的可靠性;还大大减少了 手动整定时人工干预的工作量。 专家系统要求有详细的、完备的、不矛盾的、反应人的思维过程的规则，用这 些规则进行推理。如果这些规则具有专家水平，则它的推理结果就可以达到专家水 平。保护整定计算的专家知识除来自相关部门颁布的国标部标外，还有来自电力系 统调度局继电保护科运行人员的经验知识及该领域权威专家提供的知识，其应用对 象是调度部门保护专业整定人员。整定规则构成了整个专家系统的核心，这部分内 容为专家系统的实现提供了必要的知识准备。 实现专家系统的工具语言目 前常用的有 l i s p 和p r o l o g 。这两种语言推理功能 强，但计算能力 ( 程序设计)差，难以胜任大规模的数值计算。采用v i s u a l b a s i c 语言，采用面向对象技术，实现模块化设计，既可以胜任大规模数值计算，又可以 实现专家系统所需要的推理功能。 3 . 2定值整定计算专家系统的总体设计 继电保护整定计算软件完整的功能体系包括: 模型的建立、 故障分析计算、 定 值整定计算、定值校验仿真和输入输出数据的管理五个部分，该功能体系的实现及 相互间的关系如下图3 -1 所示，说明如下。 1 )人机界面:用户通过人机界面完成整定软件系统的设置、输入输出。 2 )模型建立: 继电保护整定的对象模型包括一次电网模型和继电保护配置模型， 由用户通过人机界面建立。 3 )故障分析计算:通过故障分析计算模块为继电保护整定进行数据准备，其实 际应用过程包括对原始物理模型进行拓扑分析生成抽象的数学模型，为减少 直接操作数据库速度慢加快运行速度，在故障计算之前，将数学模型直接镜 像到内存。 4 )整定计算;利用故障计算输出的整定参量、预置的相关系数、整定规则，计 算输出定值。 5 )仿真计算:利用故障分析计算模块强大的复杂运行方式处理能力和复杂故障 华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文目 录 的计算能力， 对定值进行各种情况的仿真校验， 检验定值的选择性、 灵敏性。 6 )数据管理:数据包括输入的、输出的、中间的三种，应用数据库管理，清晰 明了。 故 障 分 析计算 生 成 内 存 镜 像 库 模型 建立 定 值 仿 真 整 定 计 算 拓扑亡 3 kt 数据库 图3 -1系统结构图 可以看出， 专家系统在整定软件系统中的应用实际上就是专家系统在软件功能 体系中整定计算模块的应用，保护配置规则、保护整定规则、运行方式处理规则形 成了专家系统的知识库，整定过程中对选择性灵敏性发生矛盾时的取舍、各种运行 方式的筛选实际上就是专家系统的推理过程。 图3 -2 给出了基于专家系统的整定计算模块的系统结构。 图3 -2专家系统的工作机理 知识库由部版整定规程、专家规则组成，知识表示法采用产生式规则。 2 4 华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文目 录 推理机采用反向式推理，用 “ 深度优先法”来搜索知识库和数据库。 由于知识库或推理机存在不完备性，为了防止出现死循环，当规则中的规则全 部使用后，仍可能不满足系统要求，还需设计一个干预解除机制，使程序从整个推 理过程中退出，继续运行，这也是对知识库的一种维护措施。 数据库存放输入输出数据，包括网络参数、整定参量、计算定值。 提供两种手段:自 动整定和手动整定。自动整定由软件自 动完成保护定值的整 定;而手动整定采用软件菜单和窗口及人机对话方式，模拟整定人员思维过程完成 整定，使用户对知识库和数据库进行可视化的操作，增强透明度，实现人为干预。 3 . 3定值整定计算专家系统知识获取设计 专家系统三个要素知识库、推理机、学习能力当中，推理机在整定计算系 统中易于实现而且尤其易于使用软件实现，核心问题是知识库的建立维护、知识的 学习能力如何实现。常规做法采用的是整定原则程序法，就是根据应用要求归纳总 结所有可能涉及到的整定原则，再按照这些整定原则进行编程实现。实际应用时， 先根据整定对象对整定原则进行选择组合，计算得到若干定值，再根据整定对象的 具体情况输出一个确定的定值，这种方法无学习能力可言，存在问题较多。具体应 用时，不同的场合、不同的的应用对象在统一的整定原则框架内总存在一些特殊应 用或调整，要求对整定原则进行某些修改。而整定原则程序法必须通过修改程序才 能实现，适用性差;同时新原理保护更新换代愈加频繁。要求整定计算软件必须适 应这种不断的变化，整定原则程序法只能不断地修改程序，不仅适用性差且软件的 生命周期大大下降。 就此问题本文着重对知识表达进行了研究并提出了一套全新的知识表示获取 方法，抛弃了常规的保护配置规则、整定规则程序化的做法，设计实现了一个开放 的知识获取系统，较好地解决了这一问题。 3 . 3 . 1 知识获取的抽象设计 1 、知识的获取机制 在整定专家系统中， 专家知识可抽象为规则、 参量、 数值， 通过人机接口输入， 保存至数据库，再进行数学解析，为保证这些知识是正确的、详细的、完备的、不 矛盾的，要对上述三个步骤每一步进行检测，如图3 -3 所示。 华北电 力大学 ( 北京) 硕士学位论文目 录 图3 一3知识获取机制 2 、数据流说明 知识获取过程中对应的输入数据、中间数据、输出数据，相互间的关系如图 3 -4所示 图3 -4数据流 3 . 3 . 2 详细设计 知识表示的恰当与否对专家系统的效率、质量及可扩充性都至关重要，从整定 计算、专业管理、现场实际几个方面考虑，知识表示应满足下面的要求: 应当能清晰地描述保护系统各层次之间的关系，如整个保护系统，针对某种故 障类型的保护，保护方式，保护装置。 能明确地描述二次保护系统与一次系统之间的结合关系，包括对应操作的断路 器，保护的对象，c t , p t变比，保护的安装位置。 由此建立的保护系统应能方便地进行各种保护的整定计算。 华北电力大学 北京)硕士学位论文目 录 为满足上述要求，本文采用了层次结构来描述保护系统， 将保护系统划分为五 级，如图 3 -5 0 系统级 设备级 类型级 功能级 公式级 图3 一5保护系统框架描述 从上图可看出，每一级层次均具有相同的结构。首先不同的设备类型配置相应 的保护功能，保护功能又包括不同厂家提供的各种保护型号，确定的保护型号中又 包含各种不同的保护原理，每种保护原理对应其整定原则。下面以线路距离保护整 定计算为例说明层次结构的应用过程: 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文目录