（电力系统及其自动化专业论文）调度员培训模拟系统（dts）中继电保护仿真的研究.pdf

东北电力大学硕七学位论文 a b s t r a c t w i t hp o w e rs y s t e me x p a n d e da n db e c o m i n gm o r ec o m p l e xi nc h i n a , i ti s c o m m o n l ya c c e p t e dt h a td i s p a t c h e rt r a i n i n gs i m u l a t o r ( d t s ) i st h eb e s tt o o lf o r t r a i n i n gd i s p a t c h e r s i m u l a t i o no fr e l a yp r o t e c t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t o fd t s ，a n di th a sg r e a ts i g n i f i c a n c eo nt h eq u a l i t yo ft h a td t ss i m u l a t et h er e a l p o w e rs y s t e m t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri ss i m u l a t i o no fr e l a yp r o t e c t i o n t h ep a p e r a n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f d t s ，a n di te x p r e s s e st h ep r o j e c to f t b ed e s i g n s a f t e r d i s c u s s i o no ft h em a j o rm e t h o d so fs i m u l a t i o no fr e l a yp r o t e c t i o n ，t h ec o m b i n a t i o n o fl o g i c a lj u d g m e n ta n dq u a n t i t a t i v ec o m p a r i s o na r ep r e s e n t e dt or e a l i z et h e s i m u l a t i o no f r e l a yp r o t e c t i o n t h ep a p e rd e s c r i b e st h ep r i n c i p l eo f l o g i c a l j u d g m e n t a n di t si m p l e m e n t a t i o n , w h i c hi st h ef o u n d a t i o no f t h es i m u l a t i o no f r e l a yp r o t e c t i o n i nt h ep r o c e s so fr e a l i z a t i o no fq u a n t i t a t i v ec o m p a r i s o n , t h ep a p e rd e s i g n st h e m a t h e m a t i c sm o d e l t oi m p r o v et h eq u a l i t yo fr e a lt i m ei nt h eq u a n t i t a t i v e c o m p a r i s o n , t h em e t h o do ff a u l tc a l c u l a t i o nb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fc o m p e n s a t i o n i sa p p l i e di nt h eu n i to f f a u l tc a l c u l a t i o n t or e d u c et h er u n n i n gt i m eo f j u d g m e n t , t h e b u i l d i n go f a c ta l - e ai sp r e s e n t e di nt h eu n i to f j u d g m e n t t h et a p o dp r o g r a mo ft h i sp a p e ri su s e di nj i a x i l l gd t s t h er e s u l t so ft h i s p r o g r a md e m o n s t r a t et h a t t h i sm o d u l e o fr e l a yp r o t e c t i o nh a st h eq u a l 姆o f s p e e d i n e s sa n dn i c e t y i tc a ns a t i s f yt h er e q u e s to fp r a c t i c a l i t y t h em e t h o d so ft h i s p a p e rc a ns o l v et h ec o n t t a d i c t i b e t w e e nr e a l - t i m ea n dr e a l i t y k e y w o r d s ：d i s p a t c h e rt r a i n i n gs i m u l a t o r ；r e l a yp r o t e c t i o ns i m u l a t i o n ； l o g i c a lj u d g m e n t ；q u a n t i t a t i v ec o m p a r i s o n - - 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： i 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉： 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 tk 论文作者签名： 缝! 至日期：2 丝 年立月五日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名： 导师签名： 季孟墨 日期：2 童2 年月丝日 日期：逾2 年月日 第1 章绪 论 第1 章绪论 1 。1 课题研究背景和意义 随着电力工业的发展，电网规模日益扩大，对供电可靠性的要求也越来越 高。电力系统故障是由调度员统一协调、指挥处理的，如果处理不当可能会发 展成大面积、灾难性故障。为实现电力系统的经济安全运行，一方面要求组成 电力系统的元件和自动装置可靠性高；另一方面在目前调度自动化尚不能很好 处理系统中所有故障的情况下，要求有高水平的调度人员。对许多重大事故的 分析表明：运行人员l 临时慌乱傲出错误判断和处理不当，往往是事故扩大的主 要原因之一。提高调度员的调度水平，增强反事故能力成为很迫切的任务。 电力系统早期采用物理模拟，如直流计算台、交流计算台和动态模拟实验 室，它们依据的是相似原理，将实际电力系统的各种元件对应缩小为模型放入 实验室，应当注意的是：这里所说的相似原理是物理上或电气上的相似，而不 是几何上的相似。物理模拟的优点比较直观，但要配置大量价格昂贵的专用设 备，并占用巨大场地、动用大量实验人员。随着计算机技术的飞速发展的以及 电力系统数学模型的完善和分析方法的进展，7 0 年代以后发展的主要是电力系 统的数学模拟，不仅可以利用计算机重现各种运行状态，而且可以人工制造出 来尚未出现过的运行状态，这就为调度员培训模拟器的研究奠定了基础。 调度员培训模拟器的概念是1 9 7 6 年l a t i m m e r 在明尼苏达电力系统会上首先 提出来的。1 9 7 7 年纽约大停电和佛罗里达大停电的灾难，使人们更加认识到对 反事故措施的研究及对调度员进行培训的重要性。1 9 8 4 年，美国电力科学研究 院( e p r i ) 提出了电力系统调度员培训模拟器的设计规范和要求；美国电力系 统计算机应用公司( e s c a ) 研究开发的调度员培训模拟器己基本实现了所有预 想功能，为培训调度员完成系统正常和非正常操作提供了实时环境；另外，美 国控制数据公司( c d c ) 和日本的东京电力公司也先后推出了调度员培训模拟 器，使其成为提高电网运行水平、防止发生事故的有力工具i a 东北电力大学硕士学位论文 现在，电力系统调度是在控制中心里进行的，调度员处在e m s 这种高科技 环境之中，以此来观察、分析和控制时刻变化的复杂而又庞大的电力系统。调 度员培训模拟器能够模拟电力系统的静态和动态响应以及控制中心环境，使调 度员在与实际控制中心完全相同的调度环境中熟悉掌握能量管理系统的各项功 能，增强使用能量管理系统的信心，同时演习系统在正常和故障情况下的操作 任务。使调度从“经验型”提高到“分析型”。因此，调度员培训使电力系统安全、 经济运行的基本要求 3 1 。 目前，d t s 不仅用于调度员的培训，以提高调度员的水平，而且要作为电网 运行支持人员和决策人员的研究工具，如运行方式人员通过d t s 制定合理的运 行方式，以便研究电网的特殊运行方式，对规划中的电网进行研究分析；继电 保护人员通过d t s 进行合理的继电保护整定配置、反事故措施的研究，利用远 程通信，在上下级调度配置远程终端进行协调性培训和联合反事故演习等。为 此，d t s 需要全面仿真电力系统的稳态及动态运行状况，特别是事故情况下电 力系统的稳态及动态运行。在事故条件下，继电保护和安全自动装置如何动作、 何时动作直接影响到电力系统的安全稳定及运行状态，继电保护和安全自动装 置的仿真是关系到d t s 能否成功实用的至关重要的问题【4 j 。 1 2 国内外现状与发展 调度员培训模拟系统是一套数字仿真系统，它运用计算机技术，通过建立 实际电力系统的数学模型，再现各种调度操作和故障后的系统工况，并将这些 信息送到电力系统控制中心的模型中，为调度员提供一个逼真的培训环境，以 达到既不影响实际电力系统的运行而又使调度员得到身临其境的演练的目的。 d t s 是计算机软硬件技术和现代电力系统分析技术相结合的产物。它应用了计 算机工业发展的最新成就，如开放式系统、r i s c 工作站、图形技术、数据库等 【舅。传统的电力系统分析技术侧重描述电网的一次设备，侧重描述电力系统的稳 定和暂态过程。而d t s 要求全面模拟电力系统及其保护、自动装置；要求模拟 电力系统暂态、中期和长期过程。学员要能随时干预、控制电网进程。它涉及 的内容比较宽、难度比较高。因此自d t s 产生之日起，就吸引了国内外的许多 第1 章绪论 专家来研究，至今成果丰富，已使d t s 的各项理论逐渐完备，d t s 的应用也 积累了丰富的经验。 目前，国内d t s 用户主要为网省调和大中型地调，其中有少量进口系统。 国产d t s 根据与s c a d a e m s 的关系，可分为统一平台的一体化系统和不同 平台的异构系统，异构系统中有与国外e m s 系统接口的，有与国内不同e m s 厂家接口的。国内d t s 的最早产品是东北网调d t s 、华北网调d t s 和华东 网调d t s ，前= 者可以认为是第一代的，分别由清华大学和中国电科院开发， 华东网调d t s 由于加入了全网继电保护的逻辑判断和电力系统全动态过程仿 真，可认为是是第二代的，由南京电自院开发。这三套系统都是在引进系统上 另外开发的独立型d t s ，包括静态仿真和动态仿真，并都通过了鉴定，为国内 d t s 的研究和建设取得了宝贵的经验【6 】。目前，早期的东北和华北的d t s 已 经退役，华东d t s 升级后还在运行，成为华东电网联合反事故演习不可缺少的 工具。从这几套系统的运行情况看，异构系统数据维护和教案生成比较困难， 需要开发单位协助用户的专责维护人员才能正常使用d t s t t j 。 继电保护仿真作为d t s 一个重要的组成部分，它模拟系统在事故情况下的 继电保护装置动作情况，其对于d t s 是否能逼真地模拟真实电力系统的实际运 行情况有着重要的意义。保护装置的仿真原理是讨论建立怎样的模型以及如何 建立模型来准确描述保护装置。这里的模型既包括通常的用方程式表示的数学 模型，又包括逻辑模型 8 1 。保护装置仿真的基本要求是正确性、实时性和适用 性。正确性的内涵随着保护装置仿真的使用环境的变化而变化。譬如，d t s 中 保护装置的正确性的含义是外部特性与实际保护装置的一致性；为了测试一套 保护装置性能而实现的仿真，其正确性是指内部特性与实际的保护装置具有相 同的数学模型。实时性是保护装置仿真在线应用最具挑战性的要求。譬如，为 了满足实时性要求，d t s 中的保护装置仿真就必须选用合适的仿真方法和高效 率的算法。适应性是指对于不同的电网结构、不同的运行状态和不同的一次系 统仿真环境都能够客观再现各种保护装置的静态特性和动态特性。当然，d t s 中保护装置仿真只关心保护装置的静态和动态的外部特性，而对保护装置内部 的实现细节不感兴趣恤“j 。 根据原理不同，用于d t s 的保护装置仿真主要有两种：逻辑判别法和定 东北电力大学硕t 学位论文 值判别法。逻辑判别法是从d t s 的特点出发，考虑到在d t s 中故障是由教 员设置的，保护在动作之前可以知道故障信息。定值判别法来源于微机保护的 实现方法，根据故障仿真的计算结果去比较每一继电保护装置的测量值和条件 值i l “。逻辑比较法通过设定从故障点向外围的开关逻辑和继电保护装置动作时 延的配合来反映选择性，易于满足速动性的要求，但不能反映保护装置的灵敏 性要求，必须依靠教练员设置保护的拒动和误动来弥补灵敏度的不足，某些运 行条件下仿真结果与实际情况有较大的差别。定值判别法以数学模型具有的定 值配合和动作时延配合来反映选择性，靠自身的模型来反映灵敏性要求，但难 以做到实时【l 引。相对于保护的要求而言，一次系统的数学模型十分粗略，保护 参量的计算结果与实际情况有较大差别，导致仿真结果与实际情况也有相当大 的距离。况且，对保护装置的模拟并不仅仅是看保护单元的动作方程是否满足， 还要涉及启动及选相等多方面的问题，这些问题使定值比较法在开发方面遇到 了极大的困难。两者均通过设置保护装置的拒动和误动进行可靠性模拟。 d t s 模拟的电力系统通常都有几千套甚至上万套的继电保护和安全自动装 置。继电保护和安全自动装置的定值是d t s 的重要的基础数据之一，但定值的 整定却是一项非常烦琐和费时的工作。以湖北省电网为例，依靠现有的整定手 段，完成一次全省2 2 0 k v 电网的整定需要2 0 多人耗时一个月，在考虑与地调联 合调度时，地调的整定工作量也不容忽视【1 4 1 。更有甚者，湖北省电网正在不断 交化之中，每次新厂站的投运都意味着保护定值的调整，甚至是全网保护定值 的重新整定。逻辑比较法和定值比较法分别采用不同的定值体系，而且针对不 同的运行方式，某些保护往往需要不同的定值，因此，d t s 至少需要两套继电 保护的定值，而且处于经常变化之中。另外，对于相同的保护原理，不同厂家 的模型、实现方式及整定方法都有一定的区别，现有d t s 对同一种保护原理通 常只有一个模型，使得实际电网的定值在d t s 中不能直接使用。所有这些给保 护定值整定人员和d t s 的运行维护人员带来了极大的工作量，是d t s 实用化的 难点所在。实际上，d t s 的不同应用对保护定值的关注并不相同，针对不同的 应用和保护类型进行定值比较法和逻辑比较法的合理选择，是简化d t s 的系统 实现及运行维护、使d t s 成功实用化的关键问题之一f l 。 第1 章绪论 1 3 本课题目标及主要工作 本课题的目标为完成继电保护模块的开发，实现继电保护仿真的各项功能。 具体将逻辑判断法和定值判断法相结合，应用各自特点实现d t s 中继电保护的 仿真。解决实时性与逼真度之间的矛盾。 主要完成的工作： 1 系统设计广泛阅读相关文献，掌握d t s 软、硬件基本结构，提出d t s 整体设计方案。 2 故障计算分析不同故障计算方法的特点，将补偿法故障计算引入继电 保护仿真。给出补偿法原理故障计算的实现方法，编写程序并通过1 l 节点算例 验证其准确性。 3 逻辑判断结合d t s 故障特点，根据故障信息及动作规则，给出实现 继电保护逻辑判断的方法，绘制程序流程图并编写逻辑判断保护程序。 4 定值判断根据各保护原理建立定值判断保护模型。给出定值判断保护 的实现过程，绘制程序流程图并编写定值判断保护程序。 5 混合编程由于模块由c 语言编写，在与d t s 系统结合时出现混合语 言编程问题。在附录中给出如何实现d t s 中f o r t r a n 语言与c 语言混合编程的 实用方法。使旧代码的利用率得到提高，节省软件再开发的资源。 6 实际工程完成嘉兴电网的画面编辑、数据入库、系统调试及继电保护 的调试工作。将所开发继电保护模块应用于实际，验证其实用性。 东北电力大学硕 学位论文 第2 章系统环境及结构设计 本套d t s 主要针对地区电网调度的特点，准确模拟其各项任务职能。本 章将提出整个系统的结构设计方案，明确继电保护仿真在d t s 系统中的具体位 置及作用。 2 1 d t s 系统描述 在调度员培训模拟系统通过电力系统模型p s m 和控制中心模型c c m 为 调度员提供了一个逼真的环境见图2 1 ，以便培训调度员在系统正常、故障和恢 复操作情况下的快速决策能力。教员在教员室依靠i s 对培训过程进行控制( 如 启动、暂停、恢复、评估、结束) 和操作( 扮演外网调度员和厂站值班员执行 被演调度员下达的各种调度命令、设置各种电力系统故障) ；被演调度员在学员 室根据s c a d a 采集到的p s m 信息对被演电力系统进行调度管理，对演习中出 现的故障现象进行快速决策，以避免事故的进一步扩大，并尽快隔离故障元件， 恢复系统用户的供电【1 7 1 9 1 。 在培训过程中，学员只能从模拟的控制中心环境即s c a d a 和a g c 等中 观察电力系统的运行状态，不能直接看到电力系统模型。正如图2 1 所示，在 学员和p s m 之间有一个单向透明的玻璃墙，教员能看到学员，以便观察学员的 操作和表情，而学员看不到p s m 和教员，这种模型更符合电力系统调度中心的 实际环境。 2 2 系统结构设计 2 2 1d t s 软件结构 实际电网中遥测、遥信数据由r t u 采集，经s c a d a 前置机传送至主机。 第2 章系统环境及结构设计 通过人机界面m m i 将电力系统状态在c r t 上显示出来，使调度员了解电网 状态。调度员的操作命令同样通过人机接口送至s c a d a 主机、前置机、r t u 以完成对设备的操作。而d t s 以数学方程模拟实际系统行为，与实际系统相 对应1 2 0 1 。 一i 一 _ 一 冈一 目 琵一 戳m 却g m ：i ， s l ：i 几 v ii a c o c i = 到 8 c n s c d i l 强 支持景烧 操作景统 t 矗 计算机 图2 1 调度员培训模拟系统示意图 图例：e m s 能量管理系统；d t s 调度员培训模拟系统；p s 实际电力系统；p s m 电力系统模型；c c c 计算机控制中心；c c m 控制中心模型：n a 网络分析应用软件；a g c 自动发电控制；s c a d a 监视 控制和数据采集系统；s s f 教员台仿真支持功能软件。 1 控制中心模型( c c m )c c m 应与实际控制中心的环境一致，并且具 有e m s 的各种功能，可对e m s 其他应用软件进行完整的模拟。c c m 是培训模 拟系统中学员所面对的环境，包括实时系统具有的网络分析( n a ) 、数据采集 和监控( s c a d a ) 、自动发电控制( a g c ) 等c o p y 件的功能。 2 电力系统模型( p s m ) p s m 模拟电力系统网络及各种设备的静态和 动态响应，包括发电机组、输电线路、负荷、变压器和继电器等。对p s m 的要 求是真实，要协调好计算速度和模型精度之间的关系。该模块为一后台实时运 行模块，内包含有稳态培训、稳态运方、离线动态、在线全动态四种，可通过 东北电力大学硕 学位论文 切换方式进行选择，由教员给定的模型标志值进行判断。 继电保护模块作为p s m 的子模块，为反事故演习营造了一个逼真的环境， 可较好地模拟系统故障时的二次设备正常或误拒动的动作情况，取得较好的培 训效果。d t s 中的继电保护在判别方法上有逻辑判断和定值比较两种方法。如 对定值完备的内网部分采用定值比较结合逻辑判断法，对缺少定值的外网部分 采用逻辑判断法。逻辑判断法用于静态及动态仿真中，主要针对保护导致的电 网结构的快速变化。定值比较法用于动态模型中，更符合电力系统的真实情况。 3 仿真支持功能( s s f )s s f 提供了监视和控制培训过程的功能，包括 初始化和调整控制参数、设置事件序列、与学员通信及干预培训进程等。 调度员培训模拟器给用户提供了两种运行环境，控制中心环境和电力系统 模拟环境。其中控制中心模型应该是能量管理系统的完整拷贝，而电力系统模 型应该是对电力系统高度逼真的模拟。教员可以面对两种环境，而学员只能面 对控制中心环境。 4 在线系统实时数据接口( 啪t i )从安全等级考虑，s c a d a s e 放 在i 区，d t s 放在i i 区，为了从i 区得到s e 后的数据，且不影响s c a d a s e 的安全运行，需要编写专用的数据访问接口。调度员培训模拟系统是e m s 的一 个有机组成部分，d t s 通过“在线系统实时数据接口”可获取实时数据( 见图 2 2 ) 。 图2 - 2 软件功能结构图 c c m ：c o n t r o lc e n t e rm o d e l ；p s m ：p o w e rs y s t e mm o d e l ；s s f ：s i m u l a t o rs u p p o r tf t m t i m l 第2 章系统环境及结构设计 2 2 2d t s 硬件结构 d t s 硬件可参见图2 - 3 d t s 硬件配置示意图。 图2 - 3d t s 硬件配置示意图 2 2 3d t s 图形数据支撑平台 d t s 采用图形数据库一体化的c c 2 0 0 0 v 2 0 平台可满足用户维护方便的基 本要求，c c - 2 0 0 0 d t s 调度员培训模拟系统与s c a d a s e 共享一套数据和画面， 大大减少了维护工作量。t t s 实时数据库是一个层次型数据库，数据的查找可 通过窗口应用程序d b v i e w 实现，整个数据库存放于计算机内存中，因此能够 快速进行数据库的访问、查找、修改等操作，完全满足系统实时性的要求。其 数据结构图2 - 4 所示。数据库中n d 表、c b 2 表、l n 2 线路表、x f 2 表不需要 用户填写，由数据库应用程序根据其他表自动形成。 东北电力大学硕士学位论文 。 l ， 卜 l 一 廿t o c g 图2 - 4t t s 数据库数据结构图 口伽n a o t u , t , o t 雌 口1 a 口- 图例：c o 公司表；d v 区域表；s t 厂站表；k v 电压等级表；c b 开关刀闸表；u n 机组表；b u s 母 线表 x f 变压器表；l n 线路表；l d 负荷表：c p 电容器、电抗器表；a u x 厂用电负荷表ip r o t u n 发电机保护装置表；p r o t l n 线路保护装置表；a u t o s t d b y 备用电源自投装置表；p r o t c p 电容器 保护装置表；p r o t x f i n 变压器主保护装置表；p r o t k f o u t 变压器后备保护装置表；a u t o l d s d i 低 周减载频率时限表；a u t o l d s d 2 低周减载装置表；b o i t u r b 4 经典发电机模型表；t a f f y 变压器分 接头类型表；l d t y p e 负荷类型表；p a s s l j p 仿真站旁路开关压板表；l i m i t 限值表；g l o b a l 系统 全局表；n d 节点表；c b 2 双端开关和刀闸表；l n 2 双端线路表；x f 2 双端变压器表。 2 3 小结 本章主要介绍了d t s 的主要构成，描述了本套d t s 系统的模块组成及功 能。本套调度员培训模拟系统与s c a d a e m s 共享一套数据和画面，大大减少 了维护工作量，并具有人机接口友好，使用方便、容易掌握等特点。 t 0 一 至：主墨2 蚕鎏兰壁芝三盐兰 第3 章电力系统故障仿真计算 实现d t s 中的定值判断保护仿真的前提是在保护模型动作之前进行电力 系统故障仿真计算。本章将引入基于补偿法原理的故障仿真计算方法，应用于 继电保护仿真。 3 1 基本假设与序网形成 3 1 1 假设条件 在大电力系统中，电气量的变化过程是一个比较复杂的过程，其影响因素 非常多，要进行十分精确的计算较为困难，尤其是在进行故障仿真计算时本文 要求有更快的计算速度，因此化筒了些工作条件，在允许的误差范围内针对不 同的特点要求，提供了某些相应的假设条件。 1 不计变压器分接头在实际运行中的变动情况。 2 发电机的正序阻抗，采用超瞬时变电抗。并认为发电机q 轴次暂态 电势e 恒定。发电机负序阻抗等于正序阻抗。 3 假设电网三相系统完全对称；输电线路完全换位； 4 不计线路电容电流和变压器的励磁涌流。 5 不计故障时产生的各种谐波分量和直流分量，只计算短路电量中的工 频分量。 ，6 不计短路电流工频分量在短路故障后的衰减过程和在强行励磁后的变 化过程i z l j 。 3 1 2 零序网的形成 本文故障计算中零序网采用自动形成的方法。由于在电力系统中，零序网 东北电力大学硕t 学位论文 电源点即为故障点，而零序电流为三个同相位电流量。同时由于发电机及负荷 一般经过三角形接法的变压器于系统相联系，所以在系统发生不对称故障时， 零序电流不流经发电机和负荷。因此零序网于正序网不同。 形成零序网有两种方法。因为零序网的节点数一般比正、负序网的节点少 多，所以可使零序网和正序网按各自网络本身的特点分别构成和编制节点号。 两者的节点不对应。这样使零序网的网络阶数于实际节点数一致，但在计算中 将给数据的准备和计算结果整理工作带来不便。同时在计算中还要输入正序网、 零序网的节点对应信息。不便于用户使用，因此本文采用下面第二种方法。使 正序网的节点编号与零序网的节点编号完全一致，这样就没有两种不同序网节 点编号问题。对于输电线路( 2 2 0 k v ) ，线路正序、零序阻抗间有一定关系，一 般近似认为x o “3 x , 。所以对于输电线路仅需输入正序参数。当然随正、零序 阻抗比与上述相差很大者在后面也可处理。 对于变压器则零序与正序就差别很大了。变压器零序参数取决于铁芯结构 形成，中性点接地情况，绕组接线方式不同而不同。提出了接地零序，不接地 零序电抗的概念。如y o ，升压变，图3 - 1 ( a ) 所示，这样变压器支路就称为接 地零序变压器支路。场1 称为接地零序电抗。如wy o 变压器，图3 1 ( b ) 所示， 称为不接地零序变压器支路。x 0 2 称为不接地零序电抗。对三卷变压器的处理例 如y o y 变压器，图3 1 ( c ) 所示。x l o 、x 2 0 被看作不接地零序电抗。其中 恐。在实际中是断开的，因此，处理上此电抗填上一个很大的数。例如：x 2 0 = 9 9 9 9 9 9 。蜀。为接地零序电抗。 一母_ i 静一啦 一卜强f _ 一 ( b ) 图3 - 1 变压器零序电抗图 i r 蔫，r。 卜 国 一 第3 章电力系统放障仿真计算 在接地零序变压器支路中。一端接零序接地电抗，另一端悬空的浮游节点。 因此，在接地这一端加上变压器零序电抗，而原正序变压器支路仍按零序线路 处理，但由于另一端是悬空的，所以实际上该支路无零序电流流通。在输入线 路和变压器正序参数以及零序变压器接地和不接地数组，零序网就可形成【2 2 】。 3 2 补偿法故障计算 故障仿真计算与故障整定计算，由于用途不同，因而对其要求也不同。后 者只需计算某些方式下的某些故障，而前者则要能够计算各种方式下的各种故 障。以往的故障计算方法总不能脱离这样一种处理：将故障点视为一个新的节 点，然后求出这个节点与原节点的相关系数，如转移阻抗等。这样每次在一个 新故障点上，就必须重新形成节点导纳阵或修正已形成的节点导纳阵。然后进 行l u 分解，求出节点阻抗阵中的相应列，按边界条件求解电量分布。每进行 一次故障计算，都要重复一次上述工作田】。 实际上，电网中发生的故障只涉及到了极少节点，比如在线路上发生故障， 一般只涉及两个节点，因此在节点导纳阵中只有少数元素受到影响，而绝大多 数元素，则未受到影响。如果每换一个故障点，就要重新进行一次节点导纳阵 的l u 分解，势必有很多的重复工作在里头。此外，对于多重故障，一般故障 方法要依故障条件而将故障端口参数分为z 型参数、y 型参数和h 型参数，从 而将故障分为两类：串联型和并联型。当故障重数增加后，运算参数的选择是 比较麻烦的。因此，按上述方法进行故障计算，只能说理论上行的通，但在应 用起来，却不是那么得心应手。 k 图3 - 2 补偿法原理图 銮：皇盘查兰2 ：兰竺兰三 采用补偿法原理的故障计算方法，将网络中发生的各种故障对网络拓扑结 构的影响，均转化为现有节点上的补偿电流。因而可以避免新增节点及对原节 点阻抗矩阵的修改。此算法具有很快的运算速度，较以往的故障程序，速度至 少提高4 倍口。更加适应继电保护仿真对实时性的要求，整个计算过程见图3 3 。 补偿法基本公式： 图3 3 补偿法故障计算流程图 u f = u q z x l k l k = 1 l i fx u f i k = ! # 一l k = ( 弓- r ：”) 蚂 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 第3 章电力系统故障仿真计算 现对补偿法基本公式进行简单说明，其中u ，为故障节点电压；u ，。为故障 前节点电压；z t 为代氏阵；k 为节点补偿电流；耳为计算导纳阵1 ；，l ，为故 障等效电流；岛为线路假想电流：耳为欧氏阵；耳为计算导纳阵2 。 在基本公式中，故障前节点电压可由潮流计算直接求出，为了方便计算本 文也可以取故障前各点电压标么值为1 。代氏阵可由网络节点导纳阵中相应元 素直接形成。不同故障类型形成不同的欧式阵，将多重故障形成的欧式阵累计 形成总的欧式阵。形成欧式阵之前需将故障节点重新变化，以防不同支路相同 节点的多次累计。待所有矩阵形成完毕，便可求出故障电流和故障电压。由于 本文未对补偿法故障仿真计算进行近一步的研究比较，具体公式推导及仿真计 算时间曲线见文献 2 1 1 。 本文将故障类型分为以下三种： 1 短路故障根据不同的短路类型可得到不同的边界条件，形成k 阵。 k 阵是一个三乘三的矩阵，不同短路故障具有不同的矩阵参数。如图3 - 4 所示， 本文在程序中设有r 。、且。为很小的数，为的是在形成k 阵时能有统一的形 式编余计算机运算。其中飓为接地电阻，调整它可改变接地电阻的值，模拟不 同接地故障。在所有故障形成k 阵，由叠加原理经过矩阵运算最终形成欧氏阵， 计算出故障结果。 b c a b c 嚣 a 图3 4 短路故障示意图 a b c 2 断线故障形式同短路故障，根据不同故障类型，形成类似于y k 阵的 w r 阵，但对故障点位置没有要求。最终形成欧氏阵，计算出故障结果。本文 在这里模拟故障三相断线故障，是为了在之后的定值判断保护仿真中开关误动 节：亨： 亏 下 东北电力大学硕士学位论文 作后形成新故障信息作准备。 a b c a b c 两相断线 三相断线 图3 5 断线故障示意图 3 短路断线故障考虑为短路故障和断线故障的叠加。线路i i 发生接地故 障，线路两端断路器i 侧b 相单相动作，j 侧a 、c 两相动作。这时将故障线路 看成由三部分构成如图3 6 所示，由虚线内三部分叠加构成短路断线故障。短 路断线故障是一种复杂的二重故障。当考虑到零序互感时，故障计算更加复杂， 文中只是介绍其原理，具体内容不是简单的语言可以表述清楚，由于文章篇幅 有限，详情请见文献 2 1 】。 3 3 故障计算算例 图3 - 6 短路断线故障示意图 本文以l l 节点的网络为例进行故障计算程序的校验。假设各点电位为1 0 。 不计线路电阻、电容。不计负荷电流，且正序网和负序网参数相同。正序网参 数及结构如图3 7 所示，零序网参数如图3 8 所示。分别模拟了节点2 发生三 相短路，计算结果见表3 - 1 。节点1 发生单相短路，计算结果见表3 - 2 。节点7 发生两相短路，计算结果见表3 3 。 第3 章电力系统故障仿真计算 图3 - 7 正序网阻抗图 0 1 9 2 图3 - 8 零序网阻抗图 1 7 一 东北电力大学硕士学位论文 表3 - 1 三相短路数据表 故障节点短路电流 短路电流短路电流短路电压短路电压短路电压 正序 负序零序正序负序 零序 节点22 4 2 10 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 相邻节点正序电流 负序电流零序电流正序电压负序电压 零序电匝 节点1 0一0 3 2 2o o o o0 ，0 0 00 0 0 0o 0 0 0 0 0 0 0 节点1一o 8 5 8o o o o0 0 0 00 2 4 10 0 0 0 0 0 0 0 节点3 一o 1 0 2o 0 0 0 o o o oo 3 1 70 0 0 0o o o o 节点4 一o 3 5 3o 0 0 0 0 0 0 00 4 1 00 0 0 00 0 0 0 节点6 一o 4 8 6o o o o 0 0 0 00 3 1 l0 0 0 00 0 0 0 节点1 1 0 3 0 00 0 0 0 0 0 0 00 9 9 90 0 0 00 0 0 0 表3 - 2 单相短路数据表 故障节点 短路电流 短路电流 短路电流短路电压短路电压短路电压 正序 负序零序正序 负序零序 节点l 0 9 1 50 9 1 5o 9 1 50 6 7 8一o 3 2 1 0 3 5 7 相邻节点正序电流负序电流零序电流正序电压负序电压零序电压 节点2一o 1 5 7一o 1 5 7一o 1 4 00 7 3 6一o 2 6 3一o 2 0 7 节点60 3 2 40 3 2 4一o 3 4 90 7 1 30 2 8 60 2 4 9 节点1 10 4 3 40 4 3 40 4 2 50 9 9 90 0 0 1o 0 0 0 表3 - 3 两相短路数据表 故障节点短路电流短路电流短路电流短路电压短路电压短路电压 正序 负序零序正序负序零序 节点70 4 5 50 4 5 50 0 0 00 5 0 00 5 0 00 0 0 0 相邻节点正序电流负序电流零序电流芷序电压负序电压零序电压 节点8 一o 1 9 0一o 1 9 00 0 0 00 6 4 30 3 5 7 0 2 0 7 节点6一o 1 5 0一o 1 5 00 0 0 00 8 9 30 1 0 7 一o 2 4 9 节点1 10 1 1 50 1 1 50 0 0 01 0 0 00 0 0 0 0 o o o 以上故障计算结果于文献【2 2 】所给出数据基本一致，可以验证本程序的正 确性，为接下来的保护仿真奠定了一定的基础。 第3 章电力系统故障仿真计算 3 4 小结 本章首先介绍了故障计算的基本流程，提出故障仿真计算的假设条件。接 下来本文引入接地零序电抗的概念，为序网的形成及之后的故障仿真计算带来 了便捷。在比较了故障仿真计算与故障整定计算各自特点之后，提出将补偿法 原理故障计算引入d t s 中，以满足系统对实时性的要求。并详细给出了在故 障计算中不同类型故障的处理方法。最后，通过1 1 节点算例验证了此方法的 正确性。 东北电力大学硕七学位论文 第4 章继电保护仿真实现 本章将针对继电保护仿真不同的模拟方法分别进行深入研究。根据两种方 法的各自特点并结合d t s 故障仿真的要求，实现继电保护模块的开发。 4 1 保护仿真分析 故障培训是调度员培训的重点之一。当系统正常运行时，运行人员只需进 行正常的操作和调度控制，培训较易达到要求。但当系统出现故障时，系统受 到大的扰动情况复杂，需要调度人员在故障情况下，根据获得的故障信息，迅 速判明故障原因、找到对策、果断正确的处理、防止事故范围扩大。故障消除 后及早恢复供电。只有正确处理故障，才能保证系统尽快返回安全运行状态使 经济损失限制在最小。如果处理不当或误处理，那将给系统稳定带来严重影响， 蒙受交大的经济损失，甚至危及人身安全，所以随故障作出正确有效的仿真， 并加强运行人员在处理故障方面的培训就显得十分重要和非常关键【2 ”。 4 1 1 主设备保护及其仿真 根据继电保护和安全自动装置技术规程，发电机保护主要有：发电机纵差 保护或发电机一变压器组纵差保护、1 0 0 定子接地保护、横差保护或其他专用 的匝间保护、负序过电流保护、定子绕组过电压保护、定子绕组过负荷保护、 转子表层过负荷保护、励磁绕组过负荷保护、励磁回路一点接地保护、失磁保 护、过励磁保护、逆功率保护、低频保护及失步保护等。变压器保护主要有： 瓦斯保护、纵差保护、过电流保护、零序电流保护或过励磁保护等。瓦斯保护 动作于信号，而纵差保护、过电流保护等则动作于断路器的跳闸。此外，对于 并联电容器、并联电抗器、调相机、电动机等主设备，根据继电保护技术规程， 都配置有相应的继电保护装置。发电机纵差保护、变压器纵差保护及发电机一 第4 章继电保护仿真实现 变压器组纵差保护等要求故障后瞬时动作，故障发生时，通常动作量比制动量 大得多，灵敏度的问题并不突出。另外，1 0 0 定予接地保护、转子表层过负荷 保护、定子绕组过电流保护、定子绕组过电压保护、转子一点及两点接地保护、 横差保护等匝间保护及瓦斯保护等，d t s 的仿真模型不能获得判断保护能否动 作的电气量。因此，这些保护以采用逻辑比较法为宜，其余保护都有一定的动 作条件和动作时延。根据应用的需要，可以采用定值比较法，也可选用逻辑比 较法。 4 1 2 线路保护及其仿真 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，某些情况 下采用距离保护，甚至是纵联保护，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 0 k v 2 2 0 k v 中性点直接接地 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，有些l1 0k v 线路也装设一套全线速动保护。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 k v 5 0 0 k 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。后备保护采用近后备 方式，保护装置采用距离保护，并辅之以阶段式或反时限零序电流保护。保护 安装处短路还可采用电流速断保护。根据一次系统过电压的要求，还应装设过 电压保护。鉴于2 2 0k v 及以上电网与1 1 0k v 及以下电网在电网稳定及保护配置 方面的不同特点，其保护装置的仿真也应有不同的考虑。2 2 0k v ，3 3 0k v 和5 0 0 k v 电网继电保护的运行整定，以保证电网全局的安全稳定运行为根本目标。继 电保护的整定应满足速动性、选择性和灵敏性要求。速动性是其主保护的最重 要的指标。选择性和灵敏性靠相间和接地故障的延时后备保护来保证。仿真时， 主保护采用逻辑比较法，某些特殊运行方式带来的对主保护灵敏度的影响通过 设置保护的拒动或误动进行弥补。后备保护根据应用的不同选用定值比较法或 东北电力大学硕_ 卜学位论文 逻辑比较法。1 1 0k v 及以下电网的故障通常对整个电网稳定性的影响不大，除 特殊情况和少数有稳定问题的线路外，线路保护动作时间的整定应以保护电力 设备的安全和规程要求的选择性为主要依据，不必要求过分的快速性。从调度 及运行方式研究的角度来讲，电网潮流是关注的重点，逻辑比较法可以很好地 满足要求。但从研究保护定值配合的角度来说，定值比较法却是必须采用的方 法。 4 1 3 母线保护和断路器失灵保护及其仿真 尽管发电厂和各级变电所、变电站的母线接线形式复杂，但母线保护基本 上以采用母差保护为主。母差保护反应的母线故障是一种非常严重的故障，故 障发生后应瞬时切除，从动作特性来讲，动作量通常远大于制动量，不存在灵 敏