（电气工程专业论文）基于psse的电网继电保护仿真应用研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h er u l e so fr e l a ys e t t i n gi nj i a n g s ue l e c t r i c a lp o w e rd i s p a t c hd e p a r t m e n ti st om e e tt h er e l a y s r e q u i r e m e n to fc o o p e r a t i o na n ds e n s i t i v e n e s si nn o r m a lc a s ea n dn - 1c a s e n o wt h es c a l eo f t h ej i a n g s u p o w e r 鲥di sm o r ea n dm o r el a r g e a n dc o m p l e x s o m e t i m e s ，n e t w o r kw i l lb er e g u l a t e dt e m p o r a r i l y b e c a u s eo f d e v i c ei n s p e c t i o na n dr e p a i r , l o a dc o n t r o l l i n g ，p o w e rf l o wr e s t r i c t i n g , t h el i m i t a t i o no f n - 1c a s e m a yb eb r o k e nt h r o u g h i ti sn e c e s s a r yt ov e r i f yt h ea p p l i c a b i l i t yo ft h er e l a ys e t t i n gv a l u e si nt h i sc a s e r a p i d l y t h ep o w e rs y s t e ms i m u l a t ef o re n g i n e e r ( p s s e ) w a sap o w e r f u ls i m u l a t o r m e a n t i m e ，i tp r o v i d e s s e c o n d a r yd e v e l o p m e n ta p it o r e s e a r c h e r s i th e l p su s e r si n t e g r a t et h ea d v a n c ep r o g r a ml a n g u a g e f u n c t i o n so ft h ep o w e r f u ld a t ap r o c e s sa n df l o wc o n t r o lw i t ht h ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o na b i l i t yo fp s s e s oi tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n tm o r ea n dm o r et oa p p l i c a t i o nu s e r s f i r s t , t h ed a t ac a t e g o r i e sa n dt h et y p eo fd a t af i l ei np s s e ，t h ea p p l i c a t i o nf u n c t i o n sa n ds e c o n d a r y d e v e l o p m e n ts k i l l sa r es t u d i e di nt h et h e s i s t h es t r u c t u r eo fn e t w o r kd a t a b a s eb a s e do nd b 2d a t a b a s ei s e s t a b l i s h e d 1 1 1 en e t w o r kd a t a b a s eb a s e do np s s e2 5 4i su p g r a d e dt op s s e3 0 0 t h es y s t e m a r c h i t e c t u r eb a s e do n 、他ba p p l i c a t i o na n dt h ec o o p e r a t i o nm e c h a n i s mo fm u l t i m a c h i n ea n dm u l t i - t a s k a r ed e s i g n e d , t h es e t t i n gv a l u ev e r i f y i n gp l a t f o r mo np a r t i c u l a rr u n n i n gc a s eb a s e do n 、e ba p p l i c a t i o ni s d e v e l o p e d 1 1 1 ep o w e r f u lf u n c t i o n so fp l a t f o r mi n c l u d e ：d e v i c ep a r a m e t e rm a n a g e m e n t , s i m p l es h o r t - c i r c u i t f a u l tc a l c u l a t i o n , s h o r t - c i r c u i tf a u l tc a p a c i t i e sc a l c u l a t i o n , e q u i v a l e n tn e t w o r k sa n a l y s i s ，d a t av a l i d i t yc h e c k , r e l a y ss e n s i t i v e n e s sc h e c ka n dc a l c u l a t i o nt a s km a n a g e m e n t t h ed i v i s i o na l g o r i t h ma n ds e tp a r t i t i o n m e t h o da r ea p p l i e dt od i s c e r n i n gi s l a n di nt h en e t w o r k n 圮m a n a g e m e n to fm u l t i - t a s ki sr e a l i z e db y s e a r c h i n gn 1c a s ea n dm u l t i m a c h i n ea n dm u l t i - t a s kc o o p e r a t i o nm e c h a n i s m t h ed i s t r i b u t i o n c o m p u t a t i o nh a si m p r o v c dc a l c u l a t i o ns p e e dg r e a t l y i th a sb e e np r o v e dt h a tt h es e t t i n gv a l u ev e r i f yp l a t f o r mb a s e do nw e bi np a r t i c u l a rc a s ei s s u e db yt h e t h e s i sc a ns c o u tr e l a ys e t t i n gv a l u e sp r o b l e m sr a p i d l y i tc a l lh e l pr e l a yc a l c u l a t o ra n dm a i n t a i n e rt of i n d o u tw a yt os o l v er e l a ys e t t i n gp r o b l e m s i ta l s oc a ni m p r o v ep o w e r 鲥dr e l a ym a n a g e m e n tl e v e lg r e a t l y k e y w o r d s ：p s s e ；p y t h o n ；s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ；m u l t i - m a c h i n ea n dm u l t i t a s k ；p o w e r r e l a ys e t t i n gv a l u e s ； 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 型7 27 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 逸日 期：哩：多! 丝 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着电网不断发展，电网设备检修次数的增加，调度运行人员进行检修方式下继电保护定值校 核的工作量也越来越大，由此产生了继电保护定值校核自动化的问题。国家电网公司在2 0 0 7 年1 月 召开的继电保护工作会议中指出：“对于正常运行的系统，要定期对保护整定计算方案的整体性和适 应性进行评估。在特殊检修方式下，要随着电网运行方式变化，校核保护定值的配合问题。对长时 间未改动的保护定值，也要定期进行验算”。为此，迫切需要开发一套适应于电网检修运行的软件， 提高继电保护检修方式定值校验的效率。 电力系统仿真程序是电力系统设计、分析的重要工具，在电力系统规划、运方、稳定计算、潮 流计算、保护定值计算中都有广泛的用途。使用好电力系统仿真程序，深入研究它，挖掘其潜力对 于构建一个可靠的电网有积极的意义。目前国内广泛采用的电力系统分析软件有电力系统潮流及暂 态稳定分析程序( b p a ) 、电力系统分析综合程序( p s a s p ) 。其中“b p a 电力系统分析程序”由中国电 力科学研究院从美国b p a ( b o n n e v i l l ep o w e ra d m i n i s t r a t i o n ) 三j i 进，电力系统分析综合程序( p s a s p ) 是 由中国电力科学研究院自主研发的电力系统综合仿真程序【1 】。国内一些电网公司及研究机构为了提 高自己电网的分析仿真能力，又先后从国外引进了一批新的电力系统仿真软件作为自己验证计算的 后备软件。这对于确定分析计算的准确性，保证软件的可靠性上还是很有必要的。 p s s e 是美国s h a wp o w e r t e c h n o l o g i e s 公司出品的著名电力系统仿真软件。自从1 9 7 6 年p s s e 电力系统仿真程序问世以来，已经广泛的应用在电力系统仿真、分析、优化等方面，被认为是全面 的、经过检验的、性能优秀的商业软件。已经有4 7 0 0 0 份p s s e 软件许可应用在1 2 3 个国家。它拥 有丰富的模块模型，能为用户提供诸如潮流计算、短路计算、动态模拟仿真( 包括长过程稳定) 、小 干扰信号分析、优化潮流及线性网络等方面的分析功能。此外，p s s e 还向研究人员提供了二次开 发的接口，允许研究人员通过二次开发接口开发脚本程序，以便扩充模型自动完成大批量的仿真计 算及结果分析。江苏省调自1 9 9 7 年引进了p s s e 程序运用至今已有十多年。目前该程序主要应用于 江苏省调运方与继电保护处的短路容量计算与整定计算的两方面，其功能强大，计算速度高效，容 错性良好。p s s e 程序已经过多次升级，目前最新版为3 0 0 ，从p s s e 2 7 版本以上开始支持网络边 界等值线的计算，而江苏省调继电保护目前使用的p s s e 程序版本仍为2 5 4 ，与其配套的p s s e 整 定计算参数库也沿用p s s e 2 5 4 版本格式，不支持网络边界等值线的计算，因此，也迫切需要对新 版p s s e 程序进行研究，升级相应程序及其配套数据库。 p s s e 高速的计算速度和强大的二次开发能力使它成为一个具有强大生命力的计算平台，但是 它仍然有以下几个缺点： 1 它的人机交互界面还有待提高。虽然p s s e 是3 2 位w i n d o w s 软件，并且常用的操作都可 以在菜单或工具条中找到，但其本质上仍然是命令行式的操作方式。这给用户学习和使用 该软件带来了很大的困难。 2 p s s e 缺乏数据库管理能力。缺乏数据库管理能力。就无法保证数据的共享性、完整性、一 致性、安全性以及检索的高效性。 3 p s s e 缺乏灵活、方便的图形输出能力。 以上缺点限制了p s s e 的推广使用，尤其是数据管理能力。因为目前，我们处在电力信息化的 年代，随着各个时期的技术水平不同，开发方式不同，造成了目前很多计算机系统之间的信息资源 的分散，形成信息孤岛网。同一类应用系统之间的数据不能有效联通，系统中存在不同的平台、不 同的应用系统、不同的数据格式，不互联、不互遁，尤其对电力集团公司，从上到下没有统一的资 源规划和应用系统，数据得不到有效共享，更做不到越层穿透。针对以上的问题，迫切需要各个系 东南大学工程硕士学位论文 统之间的资源整合和沟通，实现数据资源的共享【1 】。所以，对p s s e 进行二次开发，加强其数据管 理能力，保证数据的共享性显得很重要。 p y t h o n 是一种近年来流行起来的跨平台的、面向对象的、通用的、开放的编程语言。p y t h o n 的 设计目标之就是成为一种“胶水”语言，利用p y t h o n 开发p s s e 的高级应用程序具有结构开放、 开发周期短、易于扩展等优点，特别适合于开发大型、复杂高级应用。p y t h o n 还支持各种数据库应 用和网络应用，从而实现数据的高效存储管理以及数据的传输和共享。 1 2 继电保护仿真应用及p s s e 二次开发情况 继电保护是保障电力设备安全和防止及限制电力系统长时间大面积停电的最基本、最重要、最 有效的技术手段。继电保护的基本任务包括两个方面： ( 1 ) 当被保护的电力系统元件发生故障时，应该由该元件的继电保护装置迅速准确地给距离故 障元件最近的断路器发出跳闸命令，使故障元件及时从电力系统中断开，以最大限度减少对电力元 件本身的损坏，降低对电力系统安全供电的影响，并满足电力系统的某些特定要求( 如保持电力系统 的暂态稳定性等) 。 ( 2 ) 反应电气设备的不正常工作情况，并根据不正常工作情况和设备维护条件的不同( 例如有无 经常值班人员) 发出信号，以便值班人员进行处理，或由装置自动地进行调整，或将那些继续运行而 会引起事故的电气设备予以切除。 许多实例说明，继电保护装置一旦不能正确动作，往往又会扩大事故甚至酿成严重后果。因此， 加强继电保护监督，实行全过程管理，不断提高继电保护人员素质与继电保护技术及其装置的运行 管理水平，应当成为电力企业的重要工作。几十年来，随着我国电力系统向高电压、大机组、现代 化大电网发展，继电保护技术及其装置的应用水平获得很大提高。多年实践证明，继电保护装置正 确动作率的高低，一方面取决于装置本身的质量，另一方面更大程度上取决于设计、安装、调试和 运行维护等继电保护分析工作的自动化水平。 随着计算机技术的发展和普及，各种与继电保护分析相关的软件和系统陆续在电力行业中得到 应用。 1 继电保护整定计算软件 继电保护整定计算软件基于一定的整定原则，对各类继电保护装置进行定值的计算。在这类软 件中都包括了故障计算模块，用以提供整定计算所需的各种短路电流数据。近年来，专家系统被引 入到整定计算软件中，提高了软件的智能水平【4 】。继电保护整定计算软件主要供电力系统调度部门 的继电保护管理人员使用。 2 继电保护图纸管理系统 继电保护图纸管理系统主要用于对电力系统运行所需的二次图纸进行管理。这类系统通常基于 计算机网络，采用浏览器服务器( b s ) 的运作模式，与a u t o c a d 二次开发技术相结合，实现了继电 保护图纸的新建、审批、归档等流程，并具备了浏览、搜索等功能【5 j 。继电保护图纸管理系统主要 供电力系统运行部门的继电保护技术人员使用，能够较大程度地提高工作效率。 3 继电保护动作仿真软件 继电保护动作仿真软件用于分析在给定的运行方式和故障条件下继电保护装置的起动和动作情 况，进而评价继电保护配置方案和定值的正确性1 6 j 这类软件通常具有较好的图形界面，能够形象直 观地反映继电保护动作的情况。继电保护动作仿真软件主要供电力系统运行部门的继电保护管理人 员使用。 4 继电保护动作测试系统 继电保护动作测试系统主要用于对实际运行中的继电保护装置进行定期检测，以保证其运行可 靠性。这类系统一般都采用继电保护测试仪产生模拟电力系统的电流、电压，用以考验继电保护装 置的动作效果【7 j 。继电保护动作测试系统主要供电力系统运行部门的继电保护定检工作人员使用。 2 第一章绪论 继电保护在电力系统的安全运行过程中起着不可替代的作用。然而随着电网规模的不断扩大， 继电保护日常运行管理工作日益繁重复杂。系统运行方式变化、设备检修、新设备投运等都会引起 保护配置和定值的相应改变。由此带来的繁重的管理决策过程耗费了大量的人力、物力，使得运行 管理人员难以抽出时间对电力系统进行更深层次的研究，而且这种依靠人力进行的决策安排也难以 实现决策问题的最优化，有时会导致决策失误。随着计算机系统的普及和应用，电力系统的工作在 很多方面都实现了自动化，同时也有继保部门实现了管理信息系统来辅助进行整定计算，但是普遍 存在计算规模偏小、不同网架之间很难移植等缺点。9 0 年代后期，华东电网调度局从美国p t i 公司 引进了p s s e 软件包，它是一个可以进行系统稳态和暂态分析的通用计算平台，具有计算速度快， 规模大等特点，但是易用性较差，数据管理也极为不便。 为了完善p s s e 的各项功能，国内研究人员已经对p s s e 进行了一系列的二次开发。p s s e 允 许研究人员通过二次开发接口开发脚本程序，以便扩充模型自动完成大批量的仿真计算及结果分析。 对于二次开发，p s s e 自带有i p l a n 语言，以及丰富的应用程序接口a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e f f a c e ) - , p f i 数t a 。 华东电力调度通信中心和上海交通大学合作开发了基于p s s e 2 7 的大型电力系统故障分析平台， 就是通过i p l a n 语言进行二次开发【3 1 ，增加了交互式绘图功能及全中文、图形化的操作界面，实现 了一系列高级故障分析功能，大大提高了分析计算的自动化程度。利用该系统，华东总调及“三省 一市”正在建立2 2 0 k v - - 5 0 0k v 高压电网统一的系统参数、故障分析、整定计算、网络拓扑库、报 表输出等计算分析平台【z j 。 文献【9 】也是通过i p l a n 语言对p s s e 进行了二次开发，同时也在开发中引入了u m l 建模语言 进行了系统分析和设计，将p s s e 故障计算模块，整定计算模块和将来的专家系统模块无缝集成进 来，从而构成一个良好的继电保护日常管理专家系统，并且使大规模网络的计算和网络之间的移植 成为现实。由于引入了u m l ( 通用建模语言) 进行系统的总体设计，整个系统具有良好的可修改性 和扩展性 但是i p l a n 存在两大问题：一、不支持面向对象开发，二、不支持数据库、网络等应用。因此 i p l a n 是p s s e 独有的、封闭的开发语言。但是在p s s e 3 0 版本中，支持p y t h o n 开发语言，通过 这一面向对象的语言，上面提到的i p u n 所存在的两大问题就可以得到解决。 在文献【1 0 】中，阐述了如何利用p y t h o n 和面向对象的方法建立电网模型，并在此电网模型的基 础上实现p s s e 的各种高级应用的方法，如电网孤立岛的判断和线路定步长等高级故障分析。在该 文献中，通过p y t h o n 语言，采用面向对象的方法建立了高级故障分析模型，并且，若需扩展新的故 障分析功能，只需在高级故障类下面派生新的故障分析类即可。 在文献【1 1 】中，阐述了基于p s s e 求解静态电网稳定裕度的方法，该方法就是通过p s s e 提供 的函数模块，采用内嵌的p y t h o n 语言进行编程，采用不断增加负荷的方法来逼近电压崩溃点。在该 程序中，包含了对三绕组变压器和潮流初值回存的处理语句，大大增强了对大电网的适应性。 由于p y t h o n 是一种解释型、面向对象、动态语义、通用的、开放的编程语言，所以通过p y t h o n 语言进行p s s e 的二次开发更具有优势性。这标志着电力系统仿真软件的二次开发正向着面向对象、 通用以及开放的方向发展1 6 j 。 1 3 本文的主要工作 本文研究了p s s e 的二次开发技术，采用p y t h o n 语言进行编程，设计并实现了电网继电保护定 值校验平台。论文的主要工作内容如下： 1 、提出了基于w e b 的p s s e 扩展应用体系结构，系统具有多服务器的分布式计算的架构，服 务器分为数据服务器，调度服务器和计算服务器，通过它们之间的协调工作，完成计算功能； 2 、研究p s s e3 0 0 版本数据文件，利用数据库技术构建电网模型数据库，将目前省调p s s e 2 5 4 版本数据库升级到3 0 0 版本，同时实现w e b 浏览器方式下对这些参数的管理，实现对p s s e 3 东南大学工程硕士学位论文 程序支持的所有一次设备参数的网络共享； 3 、研究了基于p y t h o n 的p s s e 二次开发技术。通过p y t h o n 不仅可以调用p s s e 提供的丰富的 函数，还能利用p y t h o n 对数据库操作和网络操作的支持，实现对p s s e 的扩展应用； 4 、实现了基于数据库的p s s e 计算文件生成，通过对多个样本网络的潮流计算、故障计算，以 及与原有的整定计算应用软件的比较，误差满足应用要求，说明论文工作的正确有效性； 5 、采用分治算法和集合划分的方法进行电网的孤岛检测。孤岛自动检查模块的主要功能是在使 用p s s e 的网络故障分析计算或网络等值功能之前对当前电网模型进行检查，确保该模型是 一个连通的拓扑结构，以免导致p s s e 计算时出现异常； 6 、设计并实现了多机多任务协同管理机制。采用s o c k e t 的通信模式，实现了多任务管理功 能。采用分布式计算系统的构架，可以多机同步进行计算，系统可自动根据各计算服务器的 负荷情况分配计算任务，可以有任意多台计算服务器并行进行仿真计算，大大提高计算速度。 7 、采用p s s e 二次开发技术，设计并实现了开发了“基于p s s e 及w e b 浏览器的特殊方式下 继电保护定值校验软件”。该软件以自动化的操作，快速寻找出电网运行保护定值方面的隐 患，帮助整定运行人员及时做出定值调整的决策。系统的功能包括：网络设备参数模型库管 理、数据有效性检查、简单故障分析、短路容量计算，网络等值、保护灵敏度校验等； 4 第二章系统总体设计 第二章系统总体设计 目前江苏电网规模大，运行方式的组合复杂多变，有时因为设备检修、负荷控制或者潮流越限 而临时调整运行方式可能突破n 1 的限制。当系统出现特殊运行方式时，需要调度运行人员能快速 校验这些运行方式下保护整定值的适应性。另外，华东网调每年要求江苏省调提供边界等值线资料， 以江苏省调目前使用的程序，很难快速、准确提供网调所需资料。论文在对p s s e 系统建模方法及 二次开发技术研究的基础上，开发一套基于p s s e 程序及w e b 浏览器的特殊方式下继电保护定值 校验软件，用于继电保护人员校验保护定值适应性。 根据系统软件的设计要求，在本章中主要介绍系统的总体设计。 2 1 系统设计原则 在系统设计中，需要特别注重软件系统的模块化和可视化特点模块化的设计结构使得各个模块 可通过数据库有一定的关联，但又互不影响功能的实用，模块化的特点使得软件的功能容易扩展和 兼容，软件的升级和维护也易于实现；可视化的特点则将电网结构、运行方式、保护配置等信息用 直观的表示出来，这有利于便于用户对系统参数的输入、运行方式的设置【1 2 l 。 考虑到电网结构、保护配置的复杂性、差异性等，因此系统设计必须具有良好的通用性、实用 性和可扩展性。 通用性设计： 具有通用性的电网保护定值校验平台应该能适应不同的电网结构、不同的保护配置，不同用户 的特殊情况。要满足此功能，设计时需要实现： 1 允许用户自行确定运行方式；既能自动设置故障点和故障类型，又能由用户自行设置故障 点和故障类型。 2 管理各类不同保护装置的定值以及对定值进行检验所需要的各种数据。 3 既包括整定计算规程通用的整定计算原则，又能由整定计算者根据整定经验或特殊情况自 定义整定计算原则 实用性设计 要有一个方便、人性化的用户操作环境。系统一般由多个模块组成，因此要考虑各模块之间 的关联、协调运行，尽量减少用户界面的切换，各类数据的输入和查询应该尽可能都通过人机界面 来完成，此外要保证数据的一致性、继承性和安全性，这都是实用性需要考虑的重点。考虑到软件 用户个体的差异性，该系统软件还要考虑对运行环境的要求、可维护性和个性化问题等。 可扩展性设计 电网继电保护定值校验平台是一项长期性的系统工作，因此该系统软件不宜经常更换或者进行 大的变更。但为了适应电网结构的发展、保护配置的变更等不断发展的因素，这就要求设计系统软 件时考虑以下可扩展性问题。 ( 1 ) 随着电网结构的发展，电网一次设备的增加和多样化，电网的各类参数也随着增加和多样 化，这就要求该系统软件的数据库的结构和容量都具有可扩展性。 ( 2 ) 随着保护装置的配置变化、保护装置功能的多样化，以及工作管理的发展，这就要求该系 统软件的功能具有可扩展性。 ( 3 ) 随着电力系统中各类系统、软件的应用，为了实现该软件与相关系统、软件之间的数据共 享，系统设计时应该具有提供标准数据接口的可扩展性功能。 5 东南大学工程硕士学位论文 2 2 系统需求分析及功能设计 根据系统的实现目标，分析继电保护定值适应性校验平台的核心数据是电网参数，该平台的核 心操作包括：网络参数维护、数据有效性检查、简单计算任务管理、简单故障分析、短路容量计算、 保护灵敏度校验、等值线计算，并辅助有用户管理及计算结果查询。系统的数据流图如图2 1 所示。 r i ， 管理员 i j ：。一 用户信息用户权限任务信息设备参致 查询要隶 ：童主童! 用户信息库计算任务库电罔参数库计算结果库 t _ p 。l ?m h f 保护灵敏度j f 等值 0 j 图2 1 系统数据流图 系统的用户分为管理员和普通用户类。由于本系统属于内部网站，用户不能自由注册，由管理 员进行用户维护工作。管理员主要负责用户管理，包括增加用户，修改用户的密码，修改用户的权 限，删除用户等操作。按照系统应用的需求，把普通用户类又分为仿真分析员，数据管理员，管理 分析员。 用户分类及操作权限如表2 1 所示。 表2 - 1 用户权限描述 权限 i d 身份 数据浏览数据管理仿真分析任务管理 用户管理 0 仿真分析员 0 t_ l数据管理员 - 2 管理分析员 -j 3 系统管理员 _-_ 通过电网参数管理模块用户可以实现对电网参数库的管理；当用户提交了计算任务后，系统调 用相应得计算模块进行计算，计算模块从电网参数库中取出相应的数据，形成计算文件，在计算完 成以后将最终结果写入结果数据库中。 2 3 基于w e b 的p s s e 应用系统结构 根据本项目的实现目标，经过详尽的系统分析、系统设计，将系统按功能进行划分。系统的主 要功能模块包括：电网参数维护、数据有效性检查、简单故障分析、短路容量计算、保护灵敏度校 验、等值线计算、计算任务管理、用户管理及计算结果查询。系统采用b s 结构，服务器端由一台 调度服务器、一台数据服务器和若干台仿真计算服务器组成。调度服务器安装w e b 应用程序和计算 6 第二章系统总体设计 任务调度程序，实现电网数据的维护，计算任务管理调度等工作。计算服务器上安装p s s e ，负责 计算用户提交的各种仿真计算任务。通过有效的任务管理，实现w e b 环境下p s s e 仿真应用的扩展。 系统结构如下图所示： 图2 - 2 系统结构图 7 东南大学工程硕士学位论文 2 4 本章小结 本章主要介绍了电网继电保护定值校验平台系统的总体设计方案，该系统依据通用性、实用性、 可靠性的设计准则，采用b s 结构，由一台调度服务器、一台数据服务器和若干台仿真计算服务器 组成，其中调度服务器安装w e b 应用程序和计算任务调度程序，计算服务器上安装p s s e ，负责计 算用户提交的各种仿真计算任务。通过有效的任务管理，实现w e b 环境下p s s e 仿真应用的扩展， 建立继电保护定值适应性校验平台，该平台的核心数据是是电网参数，该平台的核心操作包括：网 络参数维护、数据有效性检查、简单计算任务管理、简单故障分析、短路容量计算、保护灵敏度校 验、等值线计算，并辅助有用户管理及计算结果查询。 8 第三章电力仿真软件p s s e 及其二次开发技术研究 第三章电力仿真软件p s s e 及其二次开发技术研究 p s s e 不仅功能强大，而且提供了相应的二次开发接口。为了实现论文的工作要求，首先需要 分析电网元件模型和相关的仿真功能，下面重点分析p s s e 数据文件的结构，研究p s s e 的二次开 发技术。 3 1p s s e 3 0 电网元件建模 p s s e 3 0 数据分为潮流数据和序网数据，其中潮流数据主要分为以下几种类型： 算例识别数据 母线数据 负荷数据 发电机数据 非变压器支路数据 变压器数据 区域交换数据 双端直流传输数据 v s c 直流线路数据 可投切并联支路数据 变压器阻抗修正表 多端直流线路数据 多段线路组数据 地区数据 区域转移数据 所有者数据 f a c t s 设备数据。 序网数据主要分为以下几种： 短路变化编码 正序发电机阻抗数据 负序发电机阻抗数据 零序发电机阻抗数据 负序并联负载数据 零序并联负载数据 零序非变压器支路数据 零序互感系数数据 零序变压器数据 零序可投切并联支路数据。 p s s e 数据模型的最大特点就是以母线为中心，其他所有元件都与母线相连。为了使所有元件 都连接到母线上，p s s e 引入了虚拟母线的概念，例如在变压器与普通支路的连接处加入一条母线， 在分段线路每段之间加入一条虚拟母线。这种模型最大的好处是网络拓扑结构一目了然，由于任何 元件( 母线除外) 只与母线连接，因此通过遍历母线和母线上连接的元件就可以得到整个网络的拓扑 结构。 p s s e 计算的正确与否，直接与数据的正确性直接相关，与故障计算和网络等值有关的数据有 9 东南大学工程硕士学位论文 两大类：r a w 数据文件和s e q 数据文件嘲。用文本编辑器生成即可后缀必须为r a w 和- s e q 。 3 2p s s e 故障分析 故障分析是p s s e 另一项基本功能。由对称分量法理论可知，不对称故障计算除需潮流计算中 的正序网络外，还需系统负、零序网络。p s s e 提供了丰富的故障和开关操作类型，可对各种结构 的变压器精确模拟。此外可将短路计算的结果直接送给继电保护整定模块( r e c a p ) ，二者配合使用， 可易实现继电保护装置的整定、核对【1 4 】。 p s s e 故障分析与p s s e 潮流计算功能配套使用，它利用p s s e 潮流计算的结果进行故障电流 计算，可以考虑变压器的移相作用。短路电流计算结果可以直接显示在单线图上。运行方式可以考 虑三相故障、单相故障、相间故障。另外还可以自动对全系统或指定的地区进行母线短路电流计算。 p s s e 短路计算模块具有1 2 项功能【1 5 】。 ( 1 ) 序网文件输入、输出( i n p u t o u t p u t ) ； ( 2 ) 序网参数编辑( e d i t ) ； ( 3 ) 分类列举序网参数( s q l i ) ； ( 4 ) a n s i 短路电流计算； ( 5 ) 短路电流扫描计算( a s c c ) ； ( 6 ) 图形化显示短路计算结果( s c g r ) ； ( 7 ) 建立三序网络矩阵( s e q d ) ； ( 8 ) 详细短路电流计算( s c m u ) ； ( 9 ) 输出s c m u 的计算结果( s c o p ) ； ( 10 ) 线路断路器开断计算( b k d y ) ； ( 1 1 ) 正序p i 等值阻抗( s p c b ) ； ( 12 ) 简单短路电流计算( f l a t ) p s s e 不对称故障类型见下图，s c m u 可以直接计算以下几种不对称故障。母线单相接地故障 l - g ( 见图a ) ，母线两相接地故障l l g ( 见图b ) ，母线两相闭合故障( 见图c ) ，单相闭合故障 ( 见图d ) 以及线路闭合故障( 见图e ) ，线路开断故障( 见图f ) 。 丸单相接地故障 1 二) 一 _ 二) 一 c 两相闭合 1 0 1 一 ! ： b 两相接地故障 d 一相闭合 第三章电力仿真软件p s s e 及其二次开发技术研究 f 线路开断故障 图3 1 不对称故障类型 因为各种不对称故障发生时的阻抗可能从零到无穷大。s c m u 允许用户选择不对称故障类型和 输入接地阻抗大小，来求解各种对称故障和不对称故障。在进行不对称故障分析时应遵循以下原则： 1 两相故障时，设定接地阻抗z g 为无穷大值。 2 三相故障时，s c m u 同时使用单相故障和两相故障来处理 3 当在输电线路上发生单相故障和两相故障时，s c m u 自动在故障点设置虚拟母线，母线代 号为9 9 9 9 9 。此时故障电流可能由线路两侧或一侧流到故障。 4 在线路末端或线路中发生不对称故障，如果用户选择开断故障，s c m u 自动开断线路一端。 5 单相和两相闭合不对称故障应用在如串联电容，串联电抗，变压器星型侧接地支路的单独 元件，不适合输电线路。 6 每次执行s c m u 时，会清除以前的不对称故障设置，并且会删除系统中的虚拟母线9 9 9 9 9 。 7 对于在线路上发生不对称故障，需要用户输入距离因数。该距离因数表示从首端母线到故 障点的距离。该因数就等于从首端母线到故障点的距离与线路全长的比值。在线路两端不 远处故障时，用户应注意距离因数靠近0 或l 。 根据以上原则，可以直接处理：母线单相接地，两相短路，两相接地，三相短路( 其中两相短 路接地阻抗是无穷大值) ；线路单相接地，两相短路，两相接地，三相短路。线路上发生故障一侧三 相跳闸的情况也可以直接计算。 在系统设计中，简单故障计算模块使运行人员可以指定一些简单故障进行计算，考察继电保护 定值的适应性。故障类型包括： 母线故障： 单相短路，两相短路，三相短路 一相闭合，两相闭合 线路故障 一 单相短路，两相短路，三相短路 一 k i 加三跳，k 2 加三跳，k 3 加三跳 故障分析时，对于单相故障，缺省为a 相，对于两相故障， 对于线路故障，需输入故障点位置。 下面以经典短路计算为例简单介绍p s s e 的故障分析功能， 缺省为b c 相。可设置过渡电阻， 流程如下： 东南大学工程硕士学位论文 e 输入髓w 文件和s e q 文件蚕 上 旷“ 。灞 ： 在f a u l t s e t u pf o rs p e c i a lf a u l t i 搋c a 瑚u l a 沁n s 中选择典型模式g 上 i 执行s e q d 功能，初始化序网数 b j 据 ，。l 上 影。 ”7 ：彻 ； 芒e s o l v ea n dr e p o r tn e t w o r kw i t h i 墓硼b a k n c 髓对话框守选择故障类等，l j r 匿。拿出计算结嚣j 3 3p s s e 网络等值功能 图3 - 2 故障分析计算流程图 随着电力事业的发展，电网逐步变成巨大的互联系统，以提高电能质量和运行的经济性并获得 较高的供电可靠性，但是互联系统却使运行方式的计算更为复杂。用等值方法取代系统中某些不感 兴趣的部分，可以大大地缩小问题的计算规模。 此外，当电力系统进行在线计算时，往往难以在调度中心获得整个系统的全部实时信息，而系 统数学模型的规模又必须与所得到的实时信息相一致。因此，也不得不把系统中的某些不可观察部 分通过等值方法来处理。 一般来说，一个互联的电力系统按其计算要求，可以划分为研究系统和外部系统两部分。所谓 研究系统也就是指感兴趣的区域，或者说是要求详细计算模拟的电网部分。而外部系统则是指不需 要详细计算的部分，或是可以用某种等值方法来取代的电网部分。研究系统又可以分为边界系统和 内部系统两部分。所谓边界系统就是指内部系统与外部系统相联系的边界点( 或边界母线) 。内部系 统与边界系统的连接支路称为联络线。任何一种将外部系统简化成外部等值的方法必须保证，当研 究系统区内运行条件发生变化( 例如出现预想事故) 其等值网的分析结果应与未简化前由全系统计 算分析的结果相近。网络等值后，整个网络被分为研究系统和外部系统两大部分。 1 2 第三章电力仿真软件p s s e 及其二次开发技术研究 保窿 图3 - 3 网络等值 户可以 定保窝 网络等值是通过对外部系统的导纳矩阵进行缩减操作而实现的。外部系统的导纳方程以分块矩 阵的形式可写为： 乏 = 乏薏 夏 c 3 ， 其中， 和n 是要保留节点的电流和电压，厶和圪是要消去节点的电流和电压。 网络等值所需要的形式是一个仅包含 和所的方程，2 和圪变量假定被五和巧线性表示。等 值可以通过重排( 3 1 ) 式的第二行而获得 = 巧1 ( 厶一e 巧) ( 3 - 2 ) 并且取代( 3 1 ) 式中第一行的圪得到 厶= ( i e 玎1 e ) k + e r i l 厶 ( 3 3 ) 在( 3 3 ) 式中的第一项表示一组等值分支和与保留节点相连的静态并联元素；第二项表示一组 等值电流，使保留节点重新生成消去节点的负荷电流的影响。这些等值电流可以被转化为等效常数 资源和保留母线的无功负荷。通过转化( 3 3 ) 式的两项为等效的分支、并联支路和负荷而获得的网 络等值对计算电流矢量五的算例是精确的。当边界母线的电压情况改变时，网络等值会近似给出外 部系统潮流的改变。只要改变较小，这种近似还是可行的；但是当边晃母线电压和外界系统的潮流 背离基准值较大数值时，这种近似就会变得不可靠。 在p s s e 中，网络等值模块共有以下几种功能【1 q ： 1 边界母线平衡功能( b g e n ) ，将边界母线上的不匹配转换为等值负荷和或出力。 2 辐射型母线等值功能( e q r d 和r d e q ) ，它用来等值工作算例中的指定子系统中的辐射型母 线。 3 三序网等值功能( s c e q ) ，它用来创建正序网络和零序网络的等值网络。 4 潮流等值创建功f l 皂( e e q v ) ，它用来创建包括在工作算例中的子系统的等值网络。 5 发电网罗功能( g n e t ) ，把用户指定的子系统中网罗所有类型2 和类型3 的母线上的工作发 电机出力改变为负的m v a 负荷。 6 发电出力网罗功能( n e t g ) ，把除了用户指定的子系统中的所用类型2 和类型3 的母线上的 工作发电机出力改为负的m v a 负荷。 根据应用的需求，本论文采用的是三序网等值功能s c e q ，下面对该等值功能做简要介绍。 1 3 东南大学工程硕士学位论文 s c e q 是p s s e 为故障分析应用而提供的一种创建短路等值方法，这种方法对三序采用相同的 拓扑边界定义，如图3 _ 4 所示。它自动处理了等值过程的所有步骤以致它的单独执行就可以有效完 成如下工作： 分离潮流算例中的外部系统 创建等值 用等值取代详细的外部系统 将研究系统重新加入等值中 p o s i t i v e s e q u e n c e z e r o s e q u e n c e 图3 4 等效序网的图形显示 这种短路等值方法在不考虑负荷、变压器周相移动或事前电压的情况下执行简单的网络简化。 外部系统中的所有发电机通过简单的诺顿等效被重新显示，以使它们的有效阻抗( 如诺顿并联导纳) 和正序源电流可以通过标准的网络数学被转化到边界母线上。 s c e q 等值在p s s e 故障分析中可以对网络进行等值计算，而且可以指定等值如下子系纠1 7 】： 指定a r e a 指定z o n e 指定o w n e r 指定电压等级 指定一组节点 网络被等值后，可以降低网络规模，从而提高计算速度。同时还可以使注意