（电力系统及其自动化专业论文）输电系统反时限过流保护动作特性的协调优化.pdf

c o o r d i n a t e do p t i m i z a t i o no fo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f o v e r c u r r e n tp r o t e c t i o nf o rt r a n s m i s s i o ns y s t e m s a bs t r a c t t h r e e z o n eo v e r c u r r e n tp r o t e c t i o n sa r ew i d e l ya p p l i e di nd i s t r i b u t i o ns y s t e m s i nc h i n a t h es t e p p i n g - u po p e r a t i o nt i m ef o rs e l e c t i v i t ym a yr e s u l ti n l o n g o p e r a t i o nt i m e ，a n dt h ei n c r e a s e dc l e a r i n gt i m em a yl e a dt ou n e x p e c t e dd a m a g e i n v e r s e - t i m eo v e r c u r r e n tr e l a y sa r eo f t e nu s e da b r o a d w i t hf a u l t sn e a rt h ep o w e r s o u r c e s ，t h eo p e r a t i o nt i m ef o rb a c k u pp r o t e c t i o nm a yb em u c hs h o r t e rt h a nt h a to f 3 一z o n ec u r r e n tp r o t e c t i o n h o w e v e r ，c o m p a r e dw i t hi t sd e f i n i t e t i m ec o u n t e r p a r t ， t h er e l a ys e t t i n gf o ri n v e r s e t i m eo v e r c u r r e n tp r o t e c t i o na n di t sc o o r d i n a t i o nw i t h o t h e rp r o t e c t i o ns c h e m e sa r ec o m p l e x i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n t e g r a t e dc i r c u i ta n dm i c r o c o m p u t e r ，i e e ea n dc i g r ee s t a b l i s hs t a n d a r do f i n v e r s e t i m ec h a r a c t e r i s t i c sf o ro v e r c u r r e n t r e l a y s i nc h i n a ，i n v e r s e t i m e o v e r c u r r e n tp r o t e c t i o nh a sb e e ng r a d u a l l ya p p l i e df o rp o w e re q u i p m e n ta n d d i s t r i b u t i o nl i n e s i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n v e r s e - t i m eo v e r c u r r e n tp r o t e c t i o n w e r ed i s c u s s e d ，a n do p t i m i z a t i o nm o d e li sb u i l tf o rt h ec o o r d i n a t e dr e l a ys e t t i n g t oa v o i dc r o s so fo p e r a t i o nc u r v e so ft h em a i n b a c k u pr e l a y s ，ac r i t i c a li m p e d a n c e isn e w l yp r o p o s e d d i r e c t i o no fs h o r tc u r r e n ti sa d d e da sc o n s t r a i n t sf o rp a i r so ft h e p r i m a r y b a c ku pr e l a y s t h et i m ei n t e r v a l sa r ei n c l u d e di nt h eo p t i m i z a t i o nm o d e l f u r t h e r m o r e ，c o o r d i n a t i o nw i t ho t h e rp r o t e c t i o ns c h e m e se g z o n e2d i s t a n c e p r o t e c t i o n ，a n db e t w e e no v e r c u r r e n tp r o t e c t i o n sw i t hi n s t a n t a n e o u su n i t s ，a r e s t u d i e d i n f l u e n c eo fp o s t - f a u l tt r a n s i e n tt o p o l o g yo fp a r a l l e ll i n e si sa n a l y z e dw i t h i n c r e a s e dt i m e - i n t e r v a l sc o m p a r e dw i t ht h a to ft h es i n g l el i n e t r a c e so fc u r r e n t s a n dv o l t a g e sw i t ht r a n s i t i o nr e s i s t a n c ea r es h o w nb yp h a s o r d i a g r a m ，a n d s u m m a r i z ef o rt h a t n u m e r i c a la n a l y s i sf o rt h ep r o p o s e dm o d e li se x e c u t e do ns e v e r a lt e s ts y s t e m s ， w i t hr e a s o n a b l er e s u l t s ，w h i c hs h o w st h e f l e x i b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t y f o rt h e o p e r a t i o na n dc o n t r o lo fd i s t r i b u t i o ns y s t e m s k e y w o r d s ：i n v e r s e t i m eo v e r c u r r e n tp r o t e c t i o n ；c o o r d i n a t e ds e t t i n g ；t r a n s i t i o n r e s i s t a n c e ；o p t i m i z a t i o n ；d i s t r i b u t i o nl i n e 插图清单 图2 1 常规反时限过流保护的时间电流特性曲线9 图2 2 网络接线1 0 图2 3 反时限过流保护整定值的选择与配合关系1 0 图2 4 主后备保护协调限制1 3 图2 5 主后备保护曲线交叉1 4 图2 6 电流方向与保护对关系1 5 图3 1 距离保护的阶梯时限特性1 7 图3 2 过流保护与距离保护配合的协调限制1 9 图3 3 含加速元件主后备保护协调限制2 0 图3 4 系统示意图2 1 图3 5 继电器时间和圆盘转动角度的关系示意图2 2 图3 - 6 流程图2 4 图3 7 双回线网络示意图2 5 图4 1 单相接地系统接线图2 6 图4 2 单相接地短路k 点电流电压向量图2 8 图4 3 单相接地短路m 点电流电压向量图2 9 图4 4 单相接地短路h 点电流电压向量图3 0 图4 5 两相相间短路系统接线图3 0 图4 6b c 两相短路时短路点的电压相量图3 1 图4 7b c 两相短路时短路点的电流相量图3 1 图4 8b c 两相短路时m 点的电压相量图及其变化轨迹3 2 图4 9b c 两相短路时h 点的电压相量图3 2 图4 1 0b c 两相短路时h 点的电流相量图3 3 图4 1 1 两相接地短路系统接线图3 3 图4 1 2b c 两相接地短路时相量f 的变化轨迹3 5 图4 1 3b c 两相接地短路时相量端点随变化的轨迹3 5 图4 1 4b c 两相接地短路时k 点的电压相量3 6 图4 1 5b c 两相接地短路时k 点的电流相量3 6 图4 1 6m 点的电压相量及其变化轨迹图3 7 图4 一l7h 点的电压相量及其变化轨迹图3 9 图4 18h 点的电流相量及其变化轨迹图3 9 图5 1 辐射状网络示意图4 0 图5 27 节点测试系统4 2 图5 3 系统接线图4 7 表格清单 表2 一l 式( 2 - 4 ) ，( 2 - 5 ) 中对应的标准参数9 表5 1 图5 - 1 中发电机变压器参数4 0 表5 2 图5 - 1 中线路参数4 0 表5 - 3 图5 1 中保护时限系数整定结果4 1 表5 4 短路时保护的动作时间( s ) 4 1 表5 5 反时限过流保护动作时间4 l 表5 6 线路参数4 2 表5 - 7 未加方向限制主后备保护对4 2 表5 8 加方向限制后的主后备保护对4 3 表5 9 图5 - 2 中保护t d s 整定结果4 3 表5 1 0 未经修正时发生三相短路时的动作时间4 4 表5 1 1 修正后发生三相短路保护的动作时间4 4 表5 1 2 修正前保护的动作时间4 5 表5 1 3 修正后保护的动作时间4 5 表5 一1 4 线路调整后t d s 整定结果4 5 表5 - 1 5 按线路调整后协调整定结果保护的动作时间4 5 表5 1 6 非线性整定4 6 表5 - 17 非线性整定结果发生两相相间短路动作时间4 7 表5 1 8 发电机参数4 7 表5 - 1 9 变压器参数4 8 表5 - 2 0 线路参数4 8 表5 - 2 1 反时限与距离二段配合整定结果4 8 表5 - 2 2 图3 - 7 整定结果。4 9 表5 - 2 3 图3 7 中保护动作时间4 9 表5 2 4 不同过渡电阻下保护的动作时间5 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，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 金月曼王些态堂 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 明并表示谢意。 学字：彩难 签字日期：刀厂d 脾矽, e l 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金胆王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 张峰 签字日期：加夕年徊汐日 f 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 翩躲气 签字日期： 哆年z 月，6 日 7 电话： 邮编： 致谢 本文j i i 页n 完成离不开我的导师丁明教授的悉心指导，教诲和帮助。导师渊 博的学识、严谨的治学，为人豁达使我受益匪浅。研究生期间，导师在学习和 生活上给我很多的关怀、帮助和鼓励，在此学生表示衷心的感谢和深深的敬意。 同时感谢大学时代的所有老师对我学业的指导。 论文工作得以顺利完成还要特别感谢李生虎老师的指导，此外还要感谢课 题组成员的愉快合作，尤其是王京景、郑杨斌、刘征凯、杨振林、张征凯、韩 平平、杨之俊、严流进、丁银、李小燕、杨为、高研、郭学风，张颖媛等同学 和朋友给予我的鼓励和帮助，在此深表谢意。 最后，衷心感谢我的家人多年来在生活和精神上给予我的支持和帮助! 作者：张维 2 0 0 9 年3 月 第一章绪论 1 1 选题背景和意义 现代电力系统是一个庞大而复杂的系统，随着经济与社会的发展，电力系 统的规模越来越庞大，系统的容量和覆盖区域日趋增大，复杂性越来越高，大 面积停电事故带来的损失也越来越大。人们在研究反事故措施时发现，电网的 故障波及和事故扩大，往往是由于保护的不正确动作或电网调度员错误操作和 延误处理引起的。 2 0 0 3 年8 月1 4 日的美加大停电事故，波及美国中西部和东北部的大部分区， 以及加拿大安大略省，影响人口约5 0 0 0 万，停电负荷约6 1 8 0 万k w ，美国某些地 区停电达四天，加拿大安大略省部分地区最长停电时间达一周多。美国停电损 失估计4 0 一1 0 0 亿美元，加拿大经济损失估计约2 3 亿加元。 在美国和加拿大联合事故调查组公布的美加大停电中期报告中称，停电事 故的最主要原因是美国“第一能源”公司，大停电最初的起因是第一能源公司 的3 条输电线跳闸，导致大量电流突然涌入相邻线路心3 。由于在输电线跳闸后运 行调度人员未及时做出反应，这些线路也由于不堪负荷而停止运转，最终酿成 美国历史上最大的停电事故。 而与美国相比，我国电网结构较薄弱，规模也较小( 装机容量约是美国的 1 2 ) ，却能维持当前如此大负荷下的稳定运行，这与我国目前“统一调度、分 级管理的调度管理体制密切相关，采用二次设备和管理上的优势来补足一次 设备的薄弱，对确保电网安全起到了非常重要的作用。但近年来随着我国国民 经济的快速发展，对电力的需求日益增长，电力系统的规模日益扩大，每年、 每天电网高负荷运行的时间越来越长，网络结构更加庞大更加复杂化，对系统 运行安全性和可靠性的要求也在不断提高。电力系统继电保护作为电力系统的 必不可少的组成部分，它在保证电力系统安全、经济和稳定运行等方面担当着 非常重要的角色，同时作为基础产业，电力系统安全稳定运行对国民经济和人 民生活极其重要。继电保护需要及时准确判别并切除故障元件，确保电网未故 障分布安全运行和正常负荷供电。为降低保护拒动和误动的可能性，需要协调 输电线路主保护和后备保护的整定参数。由于输电系统结构复杂，同时线路故 障位置和故障参数多变，同时为提高系统的稳定性，对保护快速性要求越来越 高，使得保护协调问题更加困难。另外，根据一次大电网会议的调查表明，由 于保护装置的不正确动作引起的电力系统事故占全部事故的比例最高，在发生 的大面积停电事故中，继电保护的不正确动作也是最主要的原因。因此，保证 准确快速的切除故障，避免或减少保护的误动和拒动对系统的安全性是非常重 要的。 电力系统继电保护整定计算结果关系到电力系统运行的安全性。继电保护 装置是电力系统最重要的二次设备之一，其可靠动作对电力系统的安全稳定运 行起着重要的作用，正确的保护定值是防止事故发生和扩大的基础，在电力生 产运行工作和电力工程设计中，继电保护整定计算是一项必不可少的内容。 随着电力系统网络规模的不断扩大，继电保护整定值的计算与保护配合的工作 量越来越高，所以，对电网保护间的协调整定研究也是非常必要的。 1 2 电力系统继电保护的作用 1 2 1 电力系统故障和不正常运行状态及引起的后果 在电力系统中，由于自然条件( 如雷击或鸟兽跨接电气设备) 、设备制造上 的缺陷、设计和安装的错误、检修质量不高或运行维护不当等诸方面因素，使 电力系统中各组成部分( 发电机、母线、输电线、电抗器、电容器、电动机等) 发生短路故障或异常运行情况是不可能完全避免的。最常见的同时也是最危险 的故障是各种形式的短路。其中以单相接地最为常见1 。此外，输电线路有时 可能发生断线故障或几种故障同时发生的复合故障。 发生故障可能的后果是： 1 、故障点通过很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障设备烧坏。 2 、系统中设备，在通过短路电流时产生的热和电动力使设备缩短使用寿命。 3 、因电压降低，破坏用户工作的稳定性或影响产品质量。 4 、破坏系统并列运行的稳定性，产生振荡，甚至使整个系统瓦解。 最常见的不正常工作状态是过负荷。所谓过负荷就是电气设备的负荷电流 超过了额定电流。此外，发电机有功功率不足所引起的频率降低，水轮发电机 突然甩负荷所引起的过电压，系统发生振荡等属于不正常运行状态。由于过负 荷，加速了设备绝缘材料的老化和损坏，甚至引起事故扩大造成严重故障。总 之，不正常工作状态往往影响电能的质量、设备的寿命、用户生产产品的质量 等。 1 2 2 继电保护装置及任务 为防止电力系统中发生事故一般应采取如下对策阳1 ： l 、改进设计制造，加强维护检修，提高运行水平和工作质量。采取各项措 施消除或减少发生故障的可能性。 2 、一旦发生故障，迅速而有选择地切除故障元件，保证无故障部分的正常 运行。 继电保护装置，就是指反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行 状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。 它的基本任务是： l 、发生故障时，有选择地将故障元件从电力系统中快速、自动地切除，使 其损坏程度减至最轻，并保证最大限度地迅速恢复无故障部分的正常运行。 2 、反应电气元件的异常运行工况，根据运行维护的具体条件和设备的承受 能力，发出警报信号、减负荷或延时跳闸。 3 、根据实际情况，尽快自动恢复停电部分的供电。 可见，继电保护实际上是一种电力系统的反事故自动装置，它在电力系统 中的地位十分重要。继电保护装置的投资占电站和电网总投资的比重较小，在 满足技术要求的前提下，一定要保证继电保护装置性能的完善，以免因保护装 置性能不佳，出现拒动或误动所造成的巨大经济损失。 1 3 继电保护的构成、基本要求及整定 1 3 1 继电保护的构成 继电保护的种类虽然很多，但在一般情况下，继电保护装置包括测量部分、 逻辑部分、执行部分，测量部分从保护对象输入有关信号，再与给定的整定值 相比较，决定保护是否动作，根据测量部分各输出量的大小、性质、出现的顺 序或它们的组合，使保护装置按一定的逻辑关系工作，最后确定保护应有的动 作行为，由执行部分立即或延时发出警报信号或跳闸信号h 1 。 1 3 2 继电保护的要求 电力系统继电保护装置为能保障电网的安全正常运行，就必须在技术上满 足以下四个基本的要求怕一1 ： 1 、可靠性。即当故障发生在该保护装置的保护范围内时，不应拒绝动作： 在任何其它该保护不应该动作的情况下，则不应误动作。 2 、选择性。即要继电保护在可能最小的范围内将故障部分自电网中断开， 最大限度保证非故障部分继续供电。有时当遇到保护装置拒动或断路器失灵时， 需要采用后备保护。 3 、速动性。指继电保护以可能最短的时限将故障或异常情况自电网中切除 或消除，快速性不仅能减轻故障设备的损坏程度，加快非故障部分的恢复供电， 更重要的是提高超高压电网系统运行的稳定性。 4 、灵敏性。即对保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。满足 要求的保护装置是在规定的保护范围内故障时，无论短路点的位置以及短路类 型如何，它都能敏锐感觉，正确反应。保护装置的灵敏性通常用灵敏系数衡量， 灵敏系数越大，保护的灵敏度就越高，反之则越低。 四个基本要求之间，有的相辅相成，有的相互制约，需要针对不同的使用 条件，分别地进行协调。 1 3 3 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 有最少基数的保护集合，即最小断点集( m i n i m u mb r e a kp o i n ts 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 le 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 es e q u e n c ev 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对的概念和求法， 为线路保护整定算法的提出打下了基础哺8 3 。 19 8 8 年，b a p e s w a r ar 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 1 。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 ld e p e n d e n c y ) 的概念随1 ，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3 ，用布尔法求解，并在文献 1 0 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。 针对反时限过流保护，其动作时限与被保护线路( 设备) 的电流大小有关， 它的时限特性通常是一条曲线，因而整定配合比较复杂。手工进行反时限过流 保护的配合整定不仅繁琐，需要查阅各种手册，而且很不直观，需要有一个合 适的方法来完成这项工作。1 9 8 8 年u r d a n e t aaj 等人首次提出了基于最优化理 论的方法对反时限过流保护进行协调配合整定，他阐述了最优化用于保护整定 的原理，给出了最初的线性计算模型，对反时限过流保护的时限系数和动作电 流分别进行优化n 。为了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 2 在1 9 9 6 给出了以这种要求为优化目标的反时限过 流保护整定算法，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，并将主后备保护对的概念引入进来。2 0 0 4 年文 1 3 1 4 给 出了反时限过流保护动作电流为离散量时协调整定的方法。文 1 5 还提出了用 遗传算法对保护进行协调整定。近年来针对保护的动作曲线交叉问题，文 1 6 提出利用对两条交叉曲线在某一点求导数的方法，不断调整反时限保护的时限 系数，使得两曲线的切线向趋于平行的趋势调整，以消除曲线的交叉。 1 4 过流保护概述 电力系统中的短路是不可避免的。短路必然伴随着电流的增大，因而为了 保护发电机等设备免受短路电流的破坏，首先出现了反应电流超过某一预定值 的过电流保护n 。熔断器就是最早的、最简单的过电流保护。这种保护方式时 至今日仍广泛应用于低压线路和用电设备。随着电力系统的发展，熔断器己不 能满足选择性和快速型的要求，于是出现了过电流继电器。过电流继电器的发 展经历了感应型过电流继电器、晶体管式过电流继电器、集成电路型过电流保 护等几个阶段，直至今日的微机保护装置。 所有这些过流保护都可分为定时限过流保护和反时限过流保护7 1 。定时限 过流保护的动作时间与短路电流的大小无关，按照其动作电流躲过负荷电力来 整定，并以时限来保证动作选择性的一种保护。电网正常运行时它不应该动作， 而发生短路时，则都反应电流的增大而动作，在保护启动后出口的动作时间是 固定的动作时间，动作时间与输入量的大小无关，它的整定配合比较简单：而反 时限过流保护其动作时间与输入量动作值的大小成反比，输入量越大，动作时 间越快，输入量越小，动作时间越慢( 输入量的大小必须满足动作条件) ，动作 时间的快慢与系统或电气元件故障的严重程度成正比，这种保护具有某种自适 应功能的特性。 随着国内微机保护的发展，更多的微机保护中都增加了反时限功能，从而 反时限过流保护在发电厂、各种工矿企业、配电网等场合得到更广泛的应用。 于是在保护装置选型、保护与保护之间的配合、保护与被保护设备之间的配合 等方面，需要处理大量的过流保护整定配合。 1 5 反时限保护的概述 常用的反时限过流保护继电器有电磁型、静态型和数字式等型式。在电磁 型继电器中，热积累过程是圆盘的转动来完成，圆盘转动速度与定子电流数值 的平方成正比，转盘在电流达到启动电流值时开始转动，转动中圆盘的位置对 应于热积累的输出n 引。静态型继电器是通过对电容的充放电来模仿定子绕组或 转子的发热和散热过程。数字式保护能利用其强大的数值运算能力，实现反时 限特性既简单又精确，而且可以将新的原理和方法很容易地实现。 随着发电机变压器微机保护技术的不断成熟，数字式反时限过流保护也不 断得到应用。很多学者和专家对反时限也做了大量的研究和探讨。文 1 9 给出 了针对北美已广泛应用的c o ，i a c 系列反时限继电器的特性来实现相应的微机 保护的标准方程。文 2 0 给出了配电系统微机反时限过流保护的标准反时限， 强反时限和极强反时限的特性及数学模型和整定计算方法，以实例说明了配电 系统发展和推广反时限电流保护的可能性和必要性。文 2 1 探讨了配电网输电 线路反时限过流保护的实现方法，论述了一种用d s p 技术实现反时限特性曲线的 技术给出了在d s p 技术下，计算动作时限的方法。文 2 2 针对反时限特性曲线中 的指数运算转换为微处理器能够处理的运算的问题，提出了利用t a ilo r 展开 和数据存储相结合的方法拟合反时限特性曲线的方法。文 2 3 针对传统反时限 过流特性曲线计算微机反时限保护延时，存在与定时限保护的配合以及计算延 时不准等缺陷。提出了对反时限特性曲线进行分段计算处理的方法，改进了与定 时限的配合，提高了时限的精度。文 2 4 针对小电流时动作时间长的特定缺陷， 提出了一种新型的电流时间函数，可以改变动作曲线的形状接近线性。 此外，对反时限保护的配合问题也有了很多研究进展。文 2 5 和 2 6 研究 探讨了反时限过流保护与定时限过流保护的整定和配合方法，文 2 7 分析比较 了不同平坦度特性的反时限电流保护特点并提出其适用范围，讨论了反时限电 流保护之间、反时限和定时限保护之间的整定配合问题。文 2 8 给出了采用最 优化单纯形法对环网下的反时限方向过流保护协调整定的方法。文 2 9 和文 3 0 提出了针对双回线环网在故障时形成暂态的拓扑结构的情形，进行反时限方向 过流保护的协调整定方法。文 3 1 提出了反时限过流保护与距离保护配合的协 调整定方法，文 3 2 对带有电流限抗器的网络中反时限方向过流保护的协调整 定进行了研究。本文将采用基于最优化理论的方法对保护进行协调配合整定。 世界各国在发展配电系统微机保护时，都大力发展反时限过电流保护， 美国、g e 、a b b 和b b c 和三家公司研制和生产的配电系统微机保护装置提供多 达4 8 种时间过电流保护特性供选择，除定时限过电流保护外，其余3 - 7 种均 为各种反时限保护特性，供不同场合选用近几年，我国不少厂商也开发和生 产了各种配电系统微机保护装置，其时间过电流保护除深圳、南京自动化研究 所的产品具有一种反时限过电流保护外，其它产品一般只有定时限过电流保护 功能这也是我国在微机保护领域与世界水平的差距。 反时限过流保护在国外已获得较广泛地应用，而国内的中低压配电网中主 要以定时限保护为主，这是由于传统的感应型反时限保护与定时限之间难以配 合，从而限制了它的应用。而定时限保护的保护范围不确定，受到电网运行方 式的严重影响，即受到电源阻抗、线路阻抗和故障阻抗的影响。对于零序定时 限电流保护，如果定值考虑了高接地电阻而实际接地过渡电阻较小，则保护 可以延伸出被保护线路很长范围。相对，反时限保护本身所具有的自适应性和 受运行方式影响小的优点得以体现，目前我国的一些地区也有了采用反时限保 护作为线路保护方式。因此，反时限电流保护的相关整定配合是一个值得进一 步研究探讨的问题。 1 6 本文研究工作简述 本文主要目的是分析反时限过流保护的协调整定，在分析了反时限过流保 护的基本原理和动作特性的基础上，进一步阐述了基于最优化理论的协调整定 方法，反时限过流保护与其他保护配合的协调整定等，并针对模型中的一些问 题进行了讨论和解决，并利用m a t l a b 编写程序验证模型和结论的正确性。 本文的主要研究内容： ( 1 ) 研究基于最优化理论的反时限过流保护的最优协调整定方法，并编 写程序实现该算法。 ( 2 ) 针对研究发现的反时限过流保护协调整定模型中的问题，如，方向 性反时限过流保护的方向性限制问题，最小时间间隔问题，曲线交 叉问题等，提出了对模型的改进方法。 ( 3 ) 研究反时限过流保护与距离二段保护及含加速元件的反时限过流保 护问配合的协调整定，并实现算法。 ( 4 ) 实现非线性反时限过流保护的最优协调整定。 ( 5 ) 研究双回线供电时，其中一条线路上故障，保护不同时动作造成的 暂态拓扑结构情况下协调整定的数学模型，本文采用了靠提高与双 回线保护配合的时间间隔来保证选择性的简化方法。 ( 6 ) 研究过渡电阻对电流电压分布的影响。 第二章反时限过流保护间的协调整定 2 1 反时限过流保护的基本概述 在电力系统领域中反时限特性继电器的使用已有5 0 多年的历史，从感应型 继电器一直到后续的固态继电器、微机型继电器，其优点就是根据过流( 过压、 过励磁等) 的程度来决定故障切除时间，故障越严重切除时间越短，它可以和相 邻设备的保护进行配合来保证动作的选择性。与定时限继电器相比，反时限特 性继电器一是在需要和相邻设备配合时级差较小，灵敏性好，另一个是反时限 特性更适应设备的自身特性要求，如设备的过励磁特性、温度特性等，为设备 提供快速保护。 2 1 1 反时限特性及标准介绍 随着电力系统的发展，对继电保护提出了新的要求，各种不同特性的反时 限过电流继电器广泛用于输电线路、发电机、变压器、电动机等，带有方向元 件的反时限过流继电器还可用于并联线路和环形网络线路。迄今为止，关于反 时限特性继电器的标准有i e c 2 5 5 - 0 3 ，i e e es t dc 3 7 1l2 - 1 9 9 6 两种，论述如下： 1 i e c 2 5 5 0 3 ( 1 9 8 9 0 5 ) 规定的反时限标准方程8 3 3 。3 6 3 ： 一般反时限( f s x t x = i 0 ) 的标准方程为： 随啾鬲t d s ( 2 1 ) p u 。 非常反时限( f s x t x = 2 0 ) 的标准方程为： f 1 3 5 害墅( 2 2 ) 表卜1 极端反时限( f s x t x = 3 0 ) 的标准方程为： 瑚0 譬( 2 - - 3 ) 壶严。1 式中f 一继电器的动作时间； t d s 一继电器延时整定系数； i 一加入继电器的实际电流值： 勿“一继电器的整定动作电流值( 保护的起动电流) ； 2 i e e e s t dc 3 7 1 1 2 一1 9 9 6 “i e e es t a n d a r di n v e r s e - t i m ec h a r a c t e r i s t i c e q u a t i o n sf o ro v e r c u r r e n tr e l a y s ”规定的标准方程是针对北美已广泛应 用的c o ，i a c 系列反时限继电器的特性来实现相应的微机保护，特别注重其返回 特性，主要是考虑更换时和传统继电器的匹配、重合闸的配合等n 引。 i e e es t dc 3 7 11 2 1 9 9 6 规定的标准方程： 彬) = t d s ( 志- 1 ) ，o 揪1m p ( 2 4 ) t ( i ) = t d s ( + 召) ，o m _ a t( 2 1 8 ) 式中，七为在第k 条支路发生故障继电器母的后备保护尺，动作时间。r 为主 后备保护配合的时间间隔，一般取0 1 0 5 ( s ) ，这里丁是保护范围内允许后 备保护切除故障的最小时间间隔，它包括断路器的跳闸时间，时间继电器可能 出现的提早闭合触点的时间和考虑计算短路电流可能产生的误差留有一定的裕 度。 为保证在k 线路首端和末端短路主后备保护都不失选择性，选择首末两点 短路情况作为其的限制约束，如下图所示： 图2 - 4 主后备保护协调限制 具体表示如下： t i ( 巧) 一t i ( f 1 ) a t ( 2 一】9 ) ，( 乞) 一( 乞) r ( 2 )继电器参数上下限 其中对于启动电流勿“，为了确保继电器不误动和不限制线路的载荷能力， 最小的启动电流应大于最大负荷电流。同理为使继电器不拒动，最大的启动电 流不应大于流过继电器的最小短路电流。具体如下式所示： | 竭疏翊嚼盈嚼n 取 i 缸n 面鼠磷 ( 2 2 0 ) 上述算法不但适用于环网状态时的反时限过流保护协调整定应用，对于辐 射状网络同样适用，本部分内容将在算例分析中进行讨论。 2 4 协调整定模型问题分析 由优化模型可知，优化结果受短路电流、启动电流和拓扑结构等的影响。 以下本文对其中主要的几个问题进行讨论研究。 2 4 1 曲线交叉问题 若已经根据不拒动、不误动的原则，确定启动电流锄，保护动作时间可表 示为1 ： t = f ( m ) x t d s 式中厂( m i i 磐石为m 的函数。短路点确定时，( m ) 为常数，上式为变量 t d s 的线性方程，可代入式( 2 1 7 ) 式，采用线性优化算法求解。 -，1 叮r 图2 5 主后备保护曲线交叉 对图2 5 线路，在c d 段保护j 和保护i 仍有失配的可能。当0 2 0 ，有： 竭t d s f研t d s f ( ) 一1 ，) k 2 1 ( 2 2 2 ) p t d s i 叩锄= p t d s j 岬物， ( 2 2 3 ) 将( 2 1 3 ) 式带入( 2 2 2 ) 式得： r d s i 木( a + b m ，+ 谢二，) 一t d s j 拳( a + b m i + c m 二f ) = 0 ( 2 2 4 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 联立可求的m i ，m ，。 根据补偿法叫，假设开断b e 段线路，线路阻抗为z b c ，并换入阻抗为z b c 。的 线路b c ，此时： i b c = 甓蛔辫。= 1 (225a z k k + z k k bbz b c ) 砀c t 一 - 7 式中： a；z+z c 一2 z b c ccc z b cccd c b = z b c z c c c = z z c cc cc c 其中z x y ( x = a ，b ，c ：y = a ，b ，c ) 均为阻抗矩阵中元素。 从而由m i - ，口“i = i b 小( 2 2 5 ) 可展开为2 次方程： m ( z b c , ) 二+ n z b c t = g 式中： m = m 番，木z z p u l c c n = m 曩i蠢a zm 毒i卑b b b l p “z c cz p u l g = b a c - b + b - b ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 由( 2 2 9 ) 得到锄。 z 6 c t 就为保护i 于保护j 能否保证选择性的临界阻抗值，当b c7 阻抗大于 此值时就会出现动作曲线交叉，即短路点在c 以后，保护i 保护j 失去选择 性。 从已有文献看，都在对继电器参数进行整定后，并没有进行保护曲线是否 交叉的检验，实际在复杂的电力网络中，比较容易出现保护失配现象，为了保 证保护间的选择性，并且避免由选择过多的短路点造成的计算复杂性，本文提 出临界阻抗概念，可根据临界阻抗值，将b c 线路阻抗值换为z b c ，同时c d 段 线路阻抗值减少z b c - z b c ，求的在等值线路下c 短路，流过保护所在线路的最 小短路电流，根据该电流值调整增大动作电流枷，进而保证选择性。也可以对 线路调整后，重新进行协调整定计算，这样以不增加多余的短路点作为限制条 件为前提，消除动作曲线的交叉，并且避免了由选取过多短路点作为限制约束 点带来的计算复杂性。 2 4 2 方向性限制条件的引入 为保证继电保护动作的选择性，优化模型限制条件之一是主后备保护间的 动作时间配合。从文献 1 2 2 8 看都是利用图论的方法找到拓扑结构上的所有 主后备保护对，并以其确定主后备保护的约束数目，然而实际只有流过正方向 的故障电流时，方向过流保护才动作。图2 - 6 中，电流流向如图中箭头所示方 向，f 点发生短路，当保护l 故障而不动作，此时因流过保护2 ，3 的电流为反 方向，不能作为保护1 的后备保护，因此，主后备保护对不能够单纯依照拓扑 关系确定，本文加入判断方向的限制条件n7 4 1 4 引： 9 0 。川鹕考9 0 。吨 ( 2 3 3 ) 式中矽，、t ，为功率方向继电器加入的电压和电流，a 为功率方向继电器的 内角。 这样，式( 2 3 3 ) 和( 2 2 9 ) ，( 2 2 0 ) 共同构成了目标函数式( 2 17 ) 的限 制条件。 u 夕。 ) 唰 2 几_ r _ 图2 - 6 电流方向与保护对关系 2 4 3 最小时间间隔丁问题 为确保选择性，主后备保护的动作时间必须有r 的时间间隔，a t 可根据继 电保护规程确定，但如果丁确定为定值，在进行协调整定的过程中常常出现整 定无结果或得不到可行解的情况，因此，为避免此情况，将a t 变量化，使a t 作 为变量参与运算，并且有多少对主后备保护就有多少个a t 变量，在计算模型中 加入a t 的限制条件： 蝎l n i n 螂螂m 驭 ( 2 3 4 ) 2 4 4 启动电流厶。的选取问题 为了保证选择性，下一级保护的灵敏度一般大于上一级保护的灵敏度，随 着短路点远离电源点，短路电流减小，会出现流过后备保护的短路电流小于启 动电流的情况，而使得计算模型中得不到正确限制条件的个数，因此易得出错误 的结果。对于此问题可以使启动电流枷也作为变量，并加入式( 2 3 5 ) 所示 限制条件，这时模型就变成了以t d s 和枷为变量的非线性方程，所以要采用非 线性算法对其求解，现代计算机技术发达，是可以实现的。 勿嗨瑚i n 嘲鳓f m 醒 2 5 小结 本章阐述了反时限过流保护的基本原理及其动作特性，并根据其动作特性 和继电保护的要求，讲述了基于最优化理论的保护协调整定的原理，给出了反 时限过流保