（电力系统及其自动化专业论文）图示化短路计算与保护整定一体化软件研究.pdf

图示化短路计算与保护整定一体化软件研究 ! i , ,i i l ! = ! = = ! ，= = 目= = = = ab s t r a c t f a u l ta n a l y s i so rs e t t i n go fr e l a yp r o t e c t i o nisaw o r ko f t e nd o n eb yp r o t e c t i o n c a l c u l a t i o np e o p l e ，w h i c hism i s c e l l a n e o u sa n de a s ym a k eam i s t a k et o d a y ，c o m p u t e r i su s e d w i d e l y ，t h o s e w o r ki s c o m p l e t e dn e c e s s a r i l y a n d p o s s i b l eu s i n g t h en e w c o m p u t e rt e c h n o l o g y i nr e c e n t y e a r s ，s o m es i n g l e f a u l t a n a l y s i s s o f t w a r ea n d p r o t e c t i o ns e t t i n gp r o g r a m i sm a d e b u tt h e s es o f t w a r ei si n d e p e n d e n ta n dc a n tl i n ku p a u t o m a t i c a l l yw h i c ht h ep r i m a ld a t as u c ha ss h o r tc u r r e n tf o rp r o t e c t i o ns e t t i n gi sg e t f r o ms h o r tc u r r e n tc a l c u l a t i o na n dt h e ni n p u ti n t op r o t e c t i o ns e t t i n gp r o g r a mb yh a n d w h i c hl e a dt oaw h o l ew o r ki sd o n ei naf e ws e c t i o n sa n dt h ec h a n g er a t i oc a n ta d j u s t f r e e l ya i m i n g a tt h el i m i t a t i o no ft h ep r e s e n ts o f t w a r ea n dc o m b i n i n gt h ep r a c t i c eo f e n g i n e e r i n g ，t h er e a l i z a t i o no f t h eg r a p h i ca n di n t e g r a t i v ep r o g r a mo f f a u l ta n a l y s i sa n d s e t t i n go fr e l a yp r o t e c t i o ni sa m p l yd e s c r i b e da n ds t u d i e di nt h i sa r t i c l e t h ep r i n c i p l e ， m a t h e m a t i c sm o d e la n ds o f t w a r e sr e a l i z a t i o no fs h o r tc i r c u i tc u r r e n ta n db r a n c h f a c t o r sc a l c u l a t i o n ，a l s o ，t h ep r i n c i p l ea n dm o d u l ef r a m ei s e x p a t i a t e di nd e t a i l i nt h e s a m et i m e ，t h ep r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o nm e t h o do f g r a p h i cf u n c t i o nf o rt h es o f t w a r ei s a n a l y z e dt o ou s i n ga d v a n c e dv i s u a lp r o g r a m m i n ga n do o ew ed e s i g na n dr e a l i z ea n i n t e g r a t i v es y s t e mt h a ti n t e g r a t e st h es h o r tc i r c u i t c a l c u l a t i o na n dp r o t e c t i o n s e t t i n g i n t oaw h o l e t h i ss y s t e mt a k e sd a t a b a s ea si t sc o r ea n dl i n k se a c hf u n c t i o nm o d u l ei n t o a no r g a n i ca n di n t e g r a t e dw h o l e t h eo v e r a l ls o f t w a r ed e s i g na n dt h ef u n c t i o no fe a c h m o d u l ei si n t r o d u c e d t h ec a l c u l a t i o no fb r a n c hf a c t o r si st h eb a s ea n dd i f f i c u l to f d i r e c t i o n a l r e l a y ss e t t i n g t h ec a l c u l a t i o no fb r a n c hf a c t o r si s p r e d i g e s t e d f u r e n g i n e e r i n gb a s e do nh i sc a l c u l a t i o np r i n c i p l e ，w h i c hr e a l l ym e e t st ot h ee n g i n e e r i n g c a l c u l a t i o n t h es e l e c t i o no fb r a n c hf a c t o r sf u rd i r e c t i o n a lr e l a y si s a n a l y z e dt o o t h e r e a l i z a t i o na n dc h a r a c t e ro f g r a p h i c sw h i c hi sr e a l i z e dt h r o u g ht h es e c o n de x p l o i t a t i o n o fa u t o c a d f i n a l l y ，a ne x a m p l ec a l c u l a t i n g t h ec h e n z h o ua r e a p o w e rs y s t e m p r o t e c t i o ns e t t i n gs h o w s t h ev a l i d i t ya n dt h er i g h to ft h es y s t e mm o d e r na n dp r o g r a m t h ef a u l ta n a l y s i s 、p r o t e c t i o ns e t t i n ga n dd o c u m e n tm a n a g e m e n t i n t e g r a t i v es y s t e mc a n e v i d e n t l yi m p r o v et h ee f f i c i e n to ft h et e c h n o l o g ym a n a g e m e n ta n dr e d u c et h el a b o ro f p r o t e c t i o ns e t t i n gp e o p l e ，w h i c hi sad e v e l o p i n gd i r e c t i o no fp o w e rs y s t e ma n a l y s i sa n d p r o t e c t i o n k e y w o r d s ：d e f a u l ta n a l y s i s ； g r a p h i cf u n c t i o n ； b r a n c hf a c t o r s ；p r o t e c t i v e r e l a y i n g d o c u m e n t m a n a g e m e n t i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本入在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：簖；张：分日期：帏年月，r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 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和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：两、i 椒i 任日期：2 ，啤年年月心目 翩虢犸坍年眺婶午月日 硕十学位论文 第一章绪论 1 1 短路计算、保护整定应用软件的现状 电力系统是我国较早应用计算机的部门之一，已有近3 0 年的历史。在电网 计算和工程设计、分析以及辅助设计、辅助试验、仿真、在线监控等方面都有很 广泛的应用。对电网的分析计算是计算机应用较早和较成熟的领域，其中潮流计 算、短路计算和稳定计算是电力系统经常要进行的三大基本分析计算项目。这些 计算如用手工进行，即使是很小的电网也很困难。而计算机具有内存大，计算速 度快、结果精确等优点，已经成为电力系统中有效的计算工具。 在电力系统长期应用计算机的过程中，开发了大量的电力系统分析程序，在 实际生产中发挥了巨大的作用，很好的满足了用户的需求。由于软件技术发展水 平的限制，这些程序多数是使用f o r t r a n 、b a s i c 等基于结构和过程的编程语言 开发，并在d o s 环境下运行的；而且现有的电力系统分析程序大多数不包含数据 库接口，不支持网络工作方式，落后于计算机应用的发展。另一方面，由于计算 机硬件的限制，使得交互式的基于图形方式的用户界面很难实现，这些程序基本 上都是采用文本进行交互，这就降低了程序的用户友好性，功能操作和结果显示 都不直观，用户必须用很大的精力来熟悉和掌握这类软件的使用。 在d o s 时代，传统的电力系统应用软件是以文本、数据文件等方式进行输入、 输出，对用户来说是极不方便。进入9 0 年代，随着w i n d o w s 操作系统和面向对 象编程方法( o o p ) 的风行，可视化方法越来越成熟，可视化是电力系统分析、 仿真发展的必然趋势。同时，随着数据库技术的发展，数据的管理更加有序、方 便。这为电力应用软件的图示化、分析计算及图形与数据库操作的一体化提供了 理论基础和技术支持。 短路计算和继电保护整定是电力生产中的一项经常性工作，也是保护计算人 员繁杂而又责任重大的工作。这些工作历来由技术人员手工计算完成，误差失误 较难避免。近年来，国内已陆续有这方面的研究文章，文献 1 2 阐述了编制继电 保护计算程序的过程，同时对于短路计算部分几个易混淆的几个问题进行了分 析。文献 5 7 对继电保护运行管理专家系统的数据引擎，网络拓扑绘图模块和短 路计算模块的开发和应用做了简单的介绍。文献 2 1 则讨论了发电厂继电保护可 视化整定计算与定值管理系统的功能要求、实现方法和核心问题。提出了面向单 一继电器仿真的思想。但这些论述多限于短路计算和继电保护整定各自的独立考 斟示化短路计算与保护整定一体化软什研究 虑，保护整定也多限于电网保护部分，至于发电，变电及用户主要设备保护涉及 较少。也有一些独立的短路计算软件与保护整定计算程序出现。”1 ，但往往短路 计算与保护整定是各自单独运行的；保护整定所需的短路电流等原始数据由短路 计算得到后再由人工输入到保护整定程序中，缺乏自动衔接功能，使一个完整的 工作分段进行，造成了工作量大、调整不灵活等缺点。 随着现代计算机技术的发展及其在电力系统中的广泛应用，使用现代的计算 机技术，像采用面向对象的方法，可视化的编程技术和数据库技术等；结合理论 分析和工程实际，研究出新一代的图示化短路计算和保护整定一体化管理软件是 切实可行，有着极其重要的理论意义和实践意义。 1 2 研究短路计算、保护整定一体化软件的背景和意义 短路计算和继电保护整定是电力系统生成中的极为重要的工作。电力系统的 继电保护整定与定值管理是一项重要的技术基础工作，其内容复杂，技术要求高。 短路电流计算和继电保护整定计算正确与否，直接关系到电网的安全运行。随着 电力系统的发展，地区电网在同益扩大，近年来更是超常规地快速发展，系统的 扩大、运行方式的频繁变更，使短路计算和继电保护整定这一项经常性工作变得 更加繁重。现有的这方面的电力系统应用软件大多是短路计算与保护整定功能分 离，各自单独运行，保护整定所需的电网原始数据、各运行方式下的短路电流等 数据需要手工输入，使个完整的工作分步进行，极易带来误差，甚至造成误差。 同时文档管理功能差，不能生成保护整定工作实际所需的各种格式的管理文档和 图形，给继电保护整定技术人员带来了极大的不便。 电力系统是一个具有庞杂数据的大系统，它的数据一般是离散分布的、具有 一定的随机性和模糊性，将现代计算机技术应用到电力系统，可以满足电力系统 分析计算的需要，从而推动电力系统工程的发展，提高计算机在电力工业的应用 水平。面向对象编程方法、可视化技术和数据库技术是现代计算机的新技术”。 面向对象技术( o o t o b j e c to r ie n tt e c h n o l o g y ) 包括三部分内容：面向对象分 析、面向对象设计和面向对象编程。面向对象技术的基本概念包括：对象、类、 封装、继承和派生等。可视化技术，又称科学可视化( s c i e n t i f i cv is u a l i z a t i o n ) ， 融合了计算机技术中的多个分支一图形学、图像处理、计算机辅助设计、人机界 面研究等领域并和相关的应用科学领域相结合。它的主要目的是更加有效地处理 和分析越来越多的科学和工程数据，将计算中所产生的数字信息转变成直观的图 形或图像形式表示的信息，而不是以冗长的数据列表形式表现出来，使用户对计 算的对象有形象而全面的了解，以利于深入洞察实验数据或计算结果，捕捉它们 之间的内在关系，提高科学研究和工程设计的效率。数据库技术是现代计算机的 2 - 硕十学位论文 一门新兴技术，它能将大量的数据有机的组合起来，便于用户查询、修改和维护。 任何一个大型的分析计算程序都离不开数据库技术的支持。 应用面向对象技术、可视化技术和数据库技术，结合地区电网短路计算和保 护整定的工作实际，开发一套面向工程、完整的短路计算与继电保护整定图示化 综合管理程序，实现短路计算、保护整定和文档管理的一体化是非常有意义的工 作。一体化软件解决了过去那种计算器式繁重的半手工劳动，大大减轻保护整定 人员的工作强度，对提高保护计算的工作效率和准确性，避免手工计算差错，具 有及其重要的现实意义和理论意义。 1 3 本文主要内容和研究工作 本文针对目前电力系统短路计算和保护整定软件相互独立，不能适应规模日 益扩大的电网需要的缺点，应用现代的计算机技术，结合理论分析和工程实际， 研究出面向地区电网l i o k v 及以下系统图示化的短路计算和保护整定一体化管理 软件。 一体化软件是一个集合图形功能、分析计算功能以及文档管理功能于一体的 综合系统。软件以微软的v is u a lb a s i c6 0 作为编程工具，a c c e s s2 0 0 0 作为数 据库，a u t o c a d2 0 0 0 作为图形平台，同时运用a c t i v e x 自动化技术和a d o ( a c t i v e x d a t a b a s eo b j e c t ) 等来实现系统功能。软件的重点是计算功能，即电网的短路 电流计算、保护整定计算以及两者之间的连接，系统以数据库为核心，通过数据 库将短路计算与继电保护连成一个有机、综合的整体，实现一体化。详细阐述了 电力系统短路电流和分支系数计算的原理和数学模型及程序实现方法、地区电网 继电保护整定的原理和模块框图。对软件所需图形功能的原理及实现方法进行了 分析研究。同时，利用微软的o f f i c e 软件对v b a 的支持，通过a c t i v e x 自动化 技术生成了实际工作中所需的各种图表和技术文档。系统使用面向对象设计方法 和可视化编程技术，使系统具有很好的可扩张性和通用形，人机界面好，交互性 强，操作简单。 本文所作的主要研究工作如下： l 、实现电网参数的图形化输入、输出以及图形与数据的链按。利用图形方 式能清晰直观地体现短路电流分布和保护定值的配合关系。本文通过对a u t o c a d 的二次开发实现了地区电网短路电流分布、保护配合等图形的自动生成和显示。 2 、对电力系统各种接线方式、网络拓扑及其模型进行了分析，形成短路计 算所需的数据结构、并自动形成计算所需的正序、负序和零序网络。 3 、实现不同运行方式下的各种短路类型的短路电流计算。短路计算模块计 算出了短路点及各支路的短路电流，生成了短路电流总表和分布表，为故障分析 一3 幽示化短路汁算与保护整定一体化软件研究 和保护整定提供所需的数据。 4 、在对分支系数计算模型分析的基础上，结合短路计算，对分支系数的计 算做了工程简化，并生成了方向保护所需的分支系数计算模块。并对方向保护分 支系数的选取做了分析。 5 、实现各种结线方式下线路继电保护定值的整定计算，重点探讨了1 1 0 k v 及以下线路距离保护、零序保护、阶段式电流保护的整定，给出了各种保护的整 定条件和公式，并以流程框图的形式直观的表示出来。同时对1 1 0 k v 环网的方向 保护做了初步的探讨。 6 、利用a c t i v e x 自动化技术，自动生成各种图表、技术文档，实现系统的 文档管理功能。 - 4 一 硕十学位论文 第二章短路电流与分支系数的数学模型及程序实现 短路电流计算是电力系统最常用的计算之一，发电厂、变电所以及整个电力 系统的设计、运行均以短路电流计算结果作为依据。短路电流计算结果是选择电 气设备( 如电器、母线、瓷瓶、电缆等) 的依据，也是电力系统保护设计和调整 的基础。短路共分为四种简单的故障类型：三相短路、两相短路、单相短路和两 相短路接地。其中三相短路称为对称短路，其余三种为不对称短路。 随着计算机技术的发展，计算机在各个行业得到了广泛的应用。电力系统是 我国较早应用计算机的部f 1 之一，在电力生产中，计算机正在扮演日益重要的角 色。电力系统的计算，如潮流计算、短路计算、稳定计算，如用手工进行，即使 是很小的电网，计算也十分困难，而计算机具有内存大、计算速度快、计算结果 精确等优点，现已成为电力系统中有效的计算工具。在运用计算机求解某一问题 时，一般都需要按照以下几个步骤进行：建立数学模型；确定解算方法；制订计 算流程；编制计算程序并调试、检验。 短路电流计算是电力系统经常进行的三大基本分析项目之一。针对不同电压 等级和电网结构，人们提出了不同的计算方法。如文献 1 中利用6 6 k v 以下电网 环网比较少的结构特点，提出了6 6 k v 及以下电网短路计算的新方法：直接利用 支路阻抗参数计算电网短路的新方法。在文献 2 中则提出了一种通用的新的短 路电流计算方法：复数短路容量法，可代替常规的标么值法。针对地区电网既含 有环网又台有大量的放射式负荷分支路的特点，文献 3 采用复合数学模型，及 将网络中的不同部分分别进行处理，构成复合式数学模型，对放射式分支支路较 多的电网能显著节约计算时间和内存，具有实用意义。电网的短路计算常用的方 法是节点导纳矩阵法，该方法可实用于任何电压等级的电网短路计算n ，。本系统 的短路电流计算采用节点导纳矩阵法。 2 1 电网数学模型 电力系统由电源、电力网络、负荷三部分组成，它们按一定的形式联结成一 个整体，达到输送和分配电能的目的。对电力网络而言，包含了两个内容：元件 以及元件之间的联结。电力网络模型可用网络元件参数和网络元件的连接关系确 定。电力网络的数学模型是由网络的有关参数和变量及其相互关系组成的可反应 网络性能的数学方程组，即电力网络方程。在电力网络中，符合这种关系的方程 组有节点电压方程、回路电流方程等。但在实际电力系统的等值网络中有较多的 - 5 - 图示化短路计算与保护繁定一体化软件研究 接地支路，采用节点电压方程比回路电流方程可减少方程式的数目，并且对于具 有交叉跨接的非平面网络建立节点方程非常方便，甚至在网络结构改变时也可方 便地修改方程。因此，在电力系统的各种计算中较多地采用了节点方程。在实际 电力系统网络计算中，我们希望有更为简单的网络模型的描述方法，即用一个既 包含网络元件参数又包含网络元件的连接关系的矩阵来描述电力系统网络模型。 节点导纳矩阵和节点阻抗矩阵具有这样的特点，他们是电力系统网络计算中使用 最为广泛的网络矩阵。节点导纳矩阵描述了网络的短路参数，它通常是稀疏矩阵； 节点阻抗矩阵描述了网络的开路参数，对于连通的电网它一般是满矩阵。 2 1 1 网络模型及化简 融邻北 亿z ， ；。y。if，。1=。，ro。 cz ， = ( 2 一6 硕+ 学侥论文 y ? d g = y d g - y d jh 时h g y ：g d = v g d - 3 , g h y j h h y h d y 一v d d y d r 矿：；4 h y h d i g l g y g 够1h h i h l1 d = i 畔d n y h h i d b 】为消去负荷与联络节点后的导纳矩阵，称为保留短路节点( 或相关节点) 与电源节点的转移导纳矩阵。令 z i ，_( i - l ，2 ，m ) ( 2 5 ) y 谴 y 耐为陟】中元素，称为转移导纳，z i a 为节点i 与短路点d 间的转移阻抗。 各电源供给短路点的短路电流，可按电源类型分别计算。d 点总短路电流为各电 源供给短路点的短路电流之和，对无穷大电源，短路电流为： 五f 老 2 - 6 ) d 点短路总电流为： 厶= 厶 ( 2 7 ) 1 = 1 短路电流计算遵照3 1 l o k v 电网继电保护装置运行整定规程中的规定， 做出以下的假设条件： 1 、忽略发电机、调相机、变压器、1 1 0 k v 架空线路和电缆线路等阻抗参数的 电抗部分，6 6 k v 及以下的架空线路和电缆，当电抗与阻抗之比r x o 3 时，宜采 用阻抗值z = 置2 + x 2 ，并假设旋转电机的负序电抗等于正序电抗，及x 2 ：x l 。 2 、发电机及调相机的正序电抗可采用t = o 的初瞬态值x ”的饱和值。 3 、发电机电势可以假设均等于1 ( 标么值) 且相位一致，只有在计算线路全 相振荡电流时，才考虑线路两侧发电机综合电势有一定的相角差。 4 、不考虑短路电流的衰减，对利用机端电压励磁的发电机出口附件的故障， 应从动作上满足保护可靠动作的要求。 5 、各级电压可采用标准电压值或平均电压值，而不考虑变压器分接头实际 位置的变动。 7 图示化短路计算与保护粘定体化软f ，i = 研究 b 、 8 、 2 1 2 不计线路电容电流和负荷电流的影响。 不计故障点的相间电阻和接地电阻。 不计短路暂态电流中的非周期分量。 节点阻抗矩阵的形成 保护整定中需同时计算许多个节点的对称与不对称短路电流及其在各支路 中的分布，故短路电流计算采用节点阻抗矩阵较为方便迅速。形成节点阻抗矩阵 的方法有多种，常用的有支路追加法和导纳矩阵求逆”1 。 支路追加法形成节点阻抗矩阵是与按照定义直接形成节点导纳矩阵相对应 的、根据自阻抗和互阻抗的定义直接求取节点阻抗的方法。该法计算上比较直观， 形成的过程是一种动态过程，比较容易实现对阻抗矩阵的修改。 节点阻抗矩阵是节点导纳阻抗的逆矩阵，但在较为复杂的网络中不能像节点 导纳矩阵那样按照定义直接求取自阻抗和互阻抗。节点阻抗矩阵可以利用节点导 纳矩阵求逆的方法形成，线性代数中任意一种矩阵求逆的数学方法都可以应用。 但在电力系统计算中比较常用的方法是解线性代数方程组的方法。线性代数组求 解的数学方法很多，电力系统计算中常用的有高斯消去法及由此派生的因子表 法、三角分解法、分块矩阵法等。 本系统采用导纳矩阵求逆法一次性形成节点阻抗矩阵。用于求取节点阻抗矩 阵的节点导纳矩阵与( 2 1 ) 式中以电源电势为端节点的导纳矩阵【y 】不同，而是以 电源母线为端节点，而将电源内电抗作为对地导纳，因此较后者减少了m 个电源 电势节点，阶数降低了m 阶。此节点导纳矩阵可直接由( 2 1 ) 式中 y 矩阵，去掉 其中所有单端电势节点所在的行和列的剩余部分组成，记为 y ” ，再由全主元高 斯一约当消去法对节点导纳矩阵求逆，就形成了短路计算用的节点阻抗矩阵。 z = y ” 。( 2 8 ) 计算电网的不对称短路时，则要按对称分量法分别形成正、负、零序各序 的节点阻抗矩阵。 2 2 短路电流及其分布计算 f 点短路时短路电流的正、负、零序分量分别为 k j 以z z ir 严k 2i f l 一8 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 硕十学位论文 i f 俨koi f ( 2 1 1 ) 其中z 为不对称短路时的附加阻抗，k 2 、k o 分别为负序、零序电流相对正 序电流的倍数，z 。、 短路类型 三相短路 两相短路 单相接地短路 两相接 地短路 髟、的值见下表： zx 2 0 1 l k o 0 0 1 z f f 2 z f f o z f 。( z 2 + z 。) 一z 矿2 ( z f 2 + z 。) 其中锄、砀、孙分别为短路点，处的正序、负序、零序自阻抗，_ 们为短路 ( o ) 前，点的电压， 。1 。网络中任一点的电压为： 吒= k 。- z f ，l j ，l ( 2 i 2 ) 吐2 2 一z f 2 i f 2 口i o 2 一z f l f a ( 2 13 ) ( 2 1 4 ) 其中。为短路前i 节点的电压，z f f i 、z 眇锄分布为节点，对短路点的各序互 阻抗。任一支路玎中各序的电流为： i 。o c q ) - 等睁川 z 。例为节点i j 问q 序阻抗。各种短路故障时i ，j 支路电流 毛= 三( 2 1 6 ) ( 1 ) 三相短路电流及其分布 总电流 j ，口= l z 支路电流分布系数 c # 3 1 = ( - z 矿( 1 ) + z 矿( 1 ) ) z 口( i ) 一9 一 ( 2 17 ) ( 2 1 8 ) 。急 幽示化短路计算与保护整定体化软什研究 支路电流 j 口= c 口扪j f ，3 ( 2 ) 两相短路电流及其分布 总电流 j f = 可( z 仃( 1 ) + z ( ：) ) 支路电流分布系数 c 口2 = ( - z j ，( 1 ) + z 矿( ”) z 口( 支路故障相电流 j 口2 = q 舶2 1 ( 3 ) 单相接地短路电流及其分布 短路点总电流 1 ，u = 3 1 ，( 1 ) u = 3 ( z 扩( o ) + z ( 1 ) + z 盯( 2 ) ) 短路点零序电流 j f ( 。) ”= 1 ( z 仃( 。) + z 矿( 1 ) + z f ( 2 ) ) 零序电流分布系数 c # ( o ) ( i = ( - z 矿( 。) - z 扒。) ) z f ( 。) 支路零序电流 j 口( 。) ”= c 口( 。) ”j f ( 。) 1 ( 4 ) 两相节点短路电流及分布 故障相总短路电流 支路电流 j 口1 ”= 一j 殂，n 1 1 零序电流与分布系数 c 口( 。l 1 1 ”= ( - z f ，( 0 ) + z 上r ( 。1 ) z 口( 。 支路零序电流 j 口( 。 ”= c ) 1 j 九。) 1 ” = ，瓦南) 1 0 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) 吣一 堡 一+ 啦一 卦盘 矿 矗 = f r l ： = 硕十学位论文 2 3 分支系数的计算 在方向保护( 距离保护、零序电流保护) 中，上下级线路相互配合时，整定 前必须整定计算线路的分支系数，因此分支系数的计算是正确整定方向保护的前 提。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。由于系统存在多种运行方式， 每种运行方式下的分支系数不同。因此求取分支系数摄值最常用的方法是穷举 法，即分别求取不同运行方式下的分支系数，通过判断比较求取分支系数最值。 但这种方法的缺点是运算量大，对于复杂的大系统，计算十分复杂。现通过分支 系数的定义获得种简单有效的分支系数最大值的计算方法。 分支计算的原理图如图2 1 ： 1 1a b 图2 1 分支系数计算系统原理图 在图2 1 中，当我们整定保护2 的方向保护时，必须与保护l 相配合，而此 时保护安装点与短路点之间存在电源或线路( 通称为分支电路) 。j 如i 西，因 此保护2 与保护l 整定配合时必须乘上一个系数置止，五止就是分支系数，其定 义为： k 。： 塑堕垡堕堕塾塑堑堕鱼堕 一冉 前一级保护所在线路上流过的短路电流 姻际耻每 ( 2 3 2 ) 方向保护整定中需求取分支系数的最值，距离保护整定需计算最小正序助增 系数，零序电流保护需计算最大零序分支系数，现讨论怎样简单有效的求取分支 系数的最值( 最小值) 。 在图2 一l 中，设系统电源a 和线路a b 归算到母线b 的等值阻抗为z ，分支 ， 线路电源a 归算到母线b 的等值阻抗为z ，采用标么值归算，根据短路计算 削示化短路计算与保护牲定一体化软什研究 的假设条件，电源a 和a 的电压都为单位电压。则有i 曲= z z r _ 下b c z e + z ( 2 3 4 ) 此时分支系数的计算由短路电流的计算转换为等值阻抗的计算，由式( 2 3 4 ) 可 得，当z 。取最小值而z 。取最大值时分支系数置。为最小值，由此得出分支系 数取最小值时的电网运行条件：系统电源a 为最大运行方式，同时分支电源a 为最小运行方式。 分支系数的计算经过简化转化为等值阻抗的归算和计算，这样能快速的计算 出常用运行方式下的最小分支系数，简单有效。在距离保护整定中，计算的是最 小正序助增系数，在( 2 3 4 ) 式中，归算阻抗分布用正序阻抗代替及可，此时最 小正序助增系数k z 。1 ，当分支线路电源不存在时，k z = l 。在零序电流 1 保护整定中，计算的是最大零序分支系数，k ，= 产， 归算阻抗用零序阻 f z ( o ) 抗代替，此时最大零序分支系数k f 。l ，当分支线路不存在时，k ，。a x = 1 。 2 。4 短路计算程序设计 短路计算模块是程序的一个重要组成部分，它具有通用短路计算的功能，能 计算出电网对称短路和非对称短路时短路点的短路电流，短路点可以是指定母 线、全部母线或线路中的任一点。根据继电保护整定模块的需要，短路计算模块 同时还计算出各分支的短路电流及其分布，各条支路的等值阻抗。短路电流计算 处理后，程序将计算结果自动填入短路电流总表和短路电流分布结果表。短路电 流总表和短路电流分布表是数据库中的两个表，它们分存储短路点电流和各支路 电流，这两个表能通过数据控件显示或通过表报打印出来。这两个表也是保护整 定模块需经常检索的部分。短路计算部分采用对称分量法，程序先求出网络的各 序阻抗，先根据正序等效定则求出各序的短路电流，然后利用叠加法计算出短路 点的电流和各支路的段电流及其分布。分支系数的计算也在短路计算部分实现， 在短路计算模块的基础上，依照分支系数计算的原理和其简化，设计了分支系数 计算模块，准确的计算出方向保护整定所需的分支系数。根据短路计算模块的功 - 1 2 冬毛，等 z k k 的 置 硕r ：学能论文 能及结构，设计了短路计算的程序框图，其框图如图2 2 。 电网原始数据输入 上 支路阻抗计算，数据规范化处理 上 l 垄塑皇 i 上 短路计算类型指定 j 短路点 j r 指定母线全部母线线路中间某一点 0 形成各序网的节点导纳矩阵与节点阻抗矩阵 上 计算短路电流及其分布并写入数据表 上 返回主界面 图2 2 短路电流计算程序框图 短路电流计算程序采用对电网节点与支路数字编号的方法来识别网络。电网 原始数据输入后，程序对节点与支路进行自动编号，然后对电网的原始数据进行 规范化处理，根据网络拓扑自动形成电网各序的节点导纳矩阵和节点阻抗矩阵， 然后根据选定的短路点和短路类型计算出短路点和改点短路时各支路的短路电 流及其分布。 在短路计算中，计算电网对称短路时仅需形成正序网络，而计算不对称短路 时除了需形成正序网络外，还需形成负序网络和零序网络。对于负序网络，其结 构与f 序网络相同，电网中所有静止元件的正序、负序阻抗相同，仅需将旋转元 件的电抗以其负序电抗代替j 下序电抗，即可形成负序网络。而零序网络完全不同 于正序网络，它只含有电网的部分元件，需要单独识别。零序网络由通过零序电 流的支路构成，决定于网络及中性点接地状况，是全网支路的一个子集。其形成 步骤如下： 1 3 幽示化短路计算与保护整定一体化软r 卜研究 ( 1 ) 由短路点所在的电压等级所接的变压器中性点接地状况确定预选零序 支路； ( 2 ) 对预选零序支路进行筛选，排除非零序支路； ( 3 ) 对确定的零序支路计算零序电抗，重新记录、编号、形成零序网络节 点导纳矩阵。 2 5 实际算例 下面以郴州地区电网为例，通过系统中的短路计算模块计算其中“城一大一宜 杨瑶一花一麻”分区电网的短路电流及其分布。在继电保护实际整定过程中，对于 大电网，为了整定配合关系的简化，可将大电网分成若干个分区电网，对每个分 区电网分布进行短路电流计算和保护整定。整个郴州电网的接线图如图2 3 所示： 壤 直播窟花廓 图2 - 3 郴州地区电网结线图 电网原始参数输入后，形成所要计算的分区电网，然后对该电网各节点进行 短路计算。计算后得到“城一大一宜一杨一瑶一花一麻”分区网部分在系统最大运行方 式下，各节点的三相、单相接地短路时的部分计算结果如图2 - 4 、2 - 5 所示，三 相及单相短路电流分布图如2 6 、2 7 所示： 1 4 - 图2 4 分区电网短路电流结果总表 图2 5 分区电网短路电流分布表 - 1 5 - 幽示化短路1 ；t + 算与保护帮定体化软什研究 图2 6 分区电网三相短路电流分布图 图2 7 分区电网单相短路电流分布图 - 1 6 硕十学位论文 第三章计算机辅助继电保护整定原理及模块框图 3 1 电力系统继电保护概述 电力系统运行中，可能发生各种故障和不正常的运行状态，最常见同时也是 最危险的故障是发生各种类型的短路。当系统发生故障或不正常运行状态时，都 会危及系统安全，引发事故，有时还可能造成人身和设备安全事故。电力系统故 障一旦发生，必须迅速而有选择性地切除故障元件，这依赖于继电保护装置的正 确动作。因此，合理地选择保护方式和正确地进行继电保护整定计算，对保证电 力系统的安全运行有非常重要的意义“。 选择保护方式时，希望全面满足继电保护可靠性、选择性、灵敏性和速动性 的四项基本要求”“。继电保护的可靠性是指继电保护装置规定的保护范围内发生 了它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作，而在任何其他保护不应该动作的情 况下，则不应该误动作。继电保护的选择性则是指首先由故障设备或线路本身的 保护切除故障，当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时，才允许由相邻设 备、线路的保护或断路器失灵保护切除故障。为了保证选择性，对相邻设备和线 路有配合要求的保护和通一级保护内有配合要求的两元件，其灵敏系数和动作时 间，在一般情况下应相互配合。继电保护的灵敏性指对于其保护范围内发生故障 和不正常运行状态的反应能力。满足灵敏性要求的保护装置应该是在事先规定的 保护范围内故障时，不论短路点的位置、短路的类型如何，以及短路点是否有过 渡电阻，都能敏锐感觉，正确反应。保护装置的灵敏性，通常用灵敏系数来衡量。 继电保护的速动性指发生故障时，应力求保护装置能迅速动作切除故障。继电保 护的整定，主要考虑继电保护的选择性和灵敏性。对于方向保护，相邻线路的配 合动作值和动作时间都要相互配合，以满足选择性和灵敏性的要求。 电力系统的安全运行是一个综合整体，继电保护与电网的接线方式以及调度 运行密切相关”。合理的电网结构是电力系统安全稳定运行的基础，继电保护装 置能否发挥积极作用，与电网结构和电力设备的布置是否合理有密切关系，因此 必须把它们作为一个有机整体统一考虑，全面安排，对严重影响继电保护装置保 护性能的电网结构和电力设备的布簧，应限制使用”。 电力系统中的继电保护是按断路器的配置装设的，因此继电保护必须按照断 路器分级进行整定。继电保护的分级是按保护的j 下方向来划分的，要求按保护的 正方向各相邻的上、下级保护之间实现配合协调，以达到选择性的目的。这是继 电保护整定配合的总原则。 - 1 7 剧示化短 | ! 计算，保护整定一体化软仆研究 在继电保护整定计算时，应按该保护在电力系统运行全过程中均能正确工作 来设定整定计算条件。举例来说，对于相电流过电流保护，其任务是切除短路故 障，但它在电力系统运行中将会遇到各种运行状态( 包括短路、振荡、负荷自启 动、重合闸等) ，除了在其保护范围内发生短路故障时应该动作外，在其他运行 状态下它都不应动作。因此，在进行相电流过流保护整定计算时，就必须考虑并 满足可能遇到的各种运行状态。当保护装置已经具有防止某种运行状态下误动作 的功能时，则整定计算就不再考虑该运行状态下的整定条件。 继电保护的整定计算方法按保护构成原理分两种。第一种是以差动为基本原 理的保护，包括发电机、变压器、母线等差动保护，各种纵联方式的线路保护， 如高频保护。它们在原理上具备了区分内、外部故障的能力，保护范围固定不变， 而且它们的整定值与相邻保护没有配合关系，具有独立性，整定计算也比较简单。 第二种是阶段式保护，它们的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电力系统运行方式的改变而变化，所以阶段式保 护的整定计算是比较复杂的，整定计算的可选择性也是比较多的。本文着重讨论 1 l o k v 及以下地区电网各种阶段式线路保护的整定计算。 3 2 阶段式保护的整定原则及程序框图 阶段式保护的整定配合原则主要有以下几个方面： 1 、相邻上、下级之间的配合有三个要点：第一，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； 第二，在保护范围上有配合，即对同一故障点而言，上一级保护的灵敏系数应低 于下一级保护的灵敏系数；第三，上、下级保护的配合一般是按保护正方向进行 的，其方向性一般由保护的方向特性或方向元件来保证。对于电流保护，为了提 高其保护的可靠性，对其中的某一段保护如果它的整定值已能和反方向相应保护 段配合时，应该取消方向元件对该段保护的控制。 2 、多段保护的整定应按保护段分段进行。第一段( 一般指无时限保护段) 保护通常按保护范围不伸出被保护对象的全部范围整定。其余各段均应按上、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i i 段于下一级保护 的i 段相对应。同理类推其他保护段。当这样的整定结果不能满足灵敏度的要求 时，可不按对应保护段整定配合，即上一级保护的i i 段与下一级保护的i i 段配合， 或与i i i 段配合。同理，其余各段保护亦按此方法进行，直至各段保护均整定完毕。 应当提出，多段式保护的最后一段，还可以采用各级保护最后一段之间相配 合的方法。这种方法的优点是提高了保护的远后备性能，缺点是整定时间过长， 甚至达到不可接受的程度。特别是在环网中还有循环配合无终止的弊病，以至无 一1 8 - 硕十学位论文 法取得整定结果。实际上，为了取得较好的整定方案，以上几种整定配合方法总 是交错使用的，经过分析比较后才能最后确定整定值。所以，这也是多段式保护 整定比较复杂的原因之一。 3 、一个保护与相邻的几个下一级保护整定配合或一种保护需按满足几个条 件进行整定时，均应分布进行整定取得几个整定值，然后在几个整定值中选取最 严重的数值为选定的整定值。具体来说，对反应故障量增大