（电力系统及其自动化专业论文）高压电网继电保护装置故障仿真系统研究.pdf

a b s t r a c t t h i sp a p e ri sp o i n tt ot h ep r a c t i c a lr e l a yp r o t e c t i o nw o r ko f p r o v i n c i a lp o w e r s y s t e ma n a l y s e st h ef e a t u r eo ft h ed a t am a n a g e m e n ti nr e l a yp r o t e c t i o nw o r ka n d c o n c e i v e st h ei d e ao f u s i n gt h er e l a t i o n a ld a t a b a s et e c h n i q u et or e a l i z et h ee f f e c t i v e d a t am a n a g e m e n t b a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft h er e l a yp r o t e c t i o n ，t h i sp a p e re m p l o y t h ec o m p u t e r d i g i t a ls i m u l a t i o nt e c h n i q u et os i m u l a t et h ea c t i o no ft h ep r o t e c t i v e r e l a yd u r i n gt h e f a u l t s i n p o w e rs y s t e m s t h ea i mi st oc h e c kt h es e t t i n go ft h e p r o t e c t i v er e l a y s t h i s p a p e rd e v e l o p s a p r o t e c t i v er e l a y d a t a m a n a g e m e n ta n d s i m u l a t i o n s y s t e m t h es y s t e mi n c l u d e ss e v e r a l s u b s y s t e m ：1 ) t h ed a t am a n a g e m e n ts y s t e m r e a l i z e st h ed a t am a n a g e m e n t ；2 ) t h es i m u l a t i o ns y s t e ms i m u l a t e st h ep r o t e c t i v er e l a y a c t i o nd u r i n gt h ef a u l t si np o w e rs y s t e m st oc h e c kt h es e t t i n go f p r o t e c t i v er e l a y s ；3 ) a p a i n t i n gs o f t w a r ei su s e d t op r o v i d et h eg r a p h i c a li n t e r f a c ef o rt h es i m u l a t i o ns y s t e m t h es y s t e mo ft h i sp a p e rh a sb e e np r o v e dt om e e tt h en e e d so f p r o t e c t i v er e l a y e n g i n e e rw o r k i n g i np r o v i n c i a lp o w e r s y s t e m k e yw o r d s ：r e l a y s f a u l tc a l c u l a t i o n ss i m u l a t i o n 2 硕士学位论文高压电网继电保护装置故障仿真系统研究 1 绪论 1 1 课题的背景与意义 在现代电力系统中，继电保护是不可缺少的重要组成部分。随着电力系 统的发展，对继电保护的要求也越来越高。为了保证电力系统安全稳定运行， 各种继电保护必须构成一个有机的整体，相互配合，形成一个严密的系统， 这就决定了继电保护工作必然是一项复杂的系统工程。其中，各种数据的 管理和整定计算尤为关键。 继电保护数据涉及了元件、设备参数，各类保护的定值及保护配置情况 等诸多重要数据，种类相当复杂，但无需进行严格精确的数值计算，主要目 的是高效、准确地实现数据的组织管理及维护。相比之下，继电保护整定计 算是十分复杂而艰巨的技术工作。为了满足电网对继电保护提出的选择性、 速动性、灵敏性、可靠性四项基本要求，必须合理地选择保护的整定值，并 且经常地保持它们相互之间的协调与配合关系。这些任务均通过整定计算 来完成。随着电网规模的不断扩大，保护整定日趋复杂，人工难以胜任，目 前整定计算工作主要由电子计算机辅助完成叫3 。经过了长时间的发展，整定 计算软件已经比较成熟，在继电保护工作的实践中发挥了重要的作用。但是， 面对着日益复杂的电力系统，各种整定计算软件又在不同程度上表现出一定 的局限性。众所周知，继电保护的整定计算需以电网故障计算为基础，根据 网络的参数和不同运行方式的要求，按照一定的整定原则，进行大量的定值 计算，比较和筛选工作。其中，既有可以用数学方法描述的数学问题，又有 相当一部分需要用经验来解决的非确定性问题，整定计算软件在设计中难以 面面俱到，所以要得出既充分发挥保护性能又满足各种配合关系的定值并不 容易。近年来，虽然专家系统等新理论、新方法也被用来完善整定计算软件 l ，但仍然难以完全克服整定计算软件固有的不足。某些情况下，整定计 算软件给出的定值可能不够合理。对于电力系统来说，这是十分危险的，一 旦发生故障，而保护装置定值是否准确、合理，必须经过实际系统故障的检 验才清楚，但这种事后分析是被动的，可能会给系统安全稳定运行带来一定 的风险；另一方面，考虑到电力工业在整个国家经济中的重要地位，避免给 系统运行造成不应有的危害，不可能主动在真实系统中进行实验。解决这一 问题的有效途径是利用仿真技术，用计算机模拟电力系统故障时继电保护装 置的动作行为，以校验继电保护装置整定结果是否正确。 多年来，国内外继电保护工作者一直致力于继电保护整定计算的研究工 顾_ ：学位论丈高压电网继电保护装置故障仿真系统研究 作”。“。文献n “利用计算机计算超高压电网主、后备继电保护定值，以及 应用计算机仿真来校验保护定值的准确性。文中简述了计算保护定值的最基 本的理论和方法，它提出的关于各级保护配合方面的仿真以及非正常方式、 死区故障的仿真值得借鉴。文献”53 建立了电网中变压器故障计算模型，引用 了数字仿真技术，并对相关的变压器微机保护动作行为进行了分析。它主要 是针对元件保护的动作行为进行数字仿真。文献”6 1 是介绍了5 0 0 k v 长距离输 电线路继电保护整定计算方法及运行经验。文献“7 叙述了人机交互的继电保 护仿真系统，它指出电力系统继电保护计算机仿真降低了对继电器试验和对 继电器动作行为分析的困难，使得一些无法用物理仿真实现的检验继电保护 装置在各种简单和复杂故障条件下的动作行为成为可能。文献”基于 o r a c l e 建立起实际工程应用系统，可以方便地进行数据处理、数据通讯、 即时查询，生成报表与绘制图形文档以及综合分析等项工作，使继电保护运 行管理人员从繁杂的统计、查询等劳动中解脱出来，但它只限于单纯的数据 管理，未能利用数据资源将其与仿真系统建立联系。文献“”是在调度员培训 仿真系统( d t s ) 基础上提出并建立的用定值判断法来实现继电保护数字仿 真。文献：“”主要是对运行值班人员进行培训用，使其掌握继电保护原理及 特性，熟练对二次设备的操作，提高事故处理能力。文献“侧重于对继电 保护装罱的仿真，研究继电保护装置本身的动态过程。文献o ”1 基于o r a c l e 和t a n 6 0 楣结合的继电保护参数数据和图文管理系统，与本文提出的利用关 系型数据库s q ls e r v e r 实现数据的有效管理不同，且文中提出的相邻线各 类保护同时计算定值的综合整定编程方法只适用于6 3 k v 及以下电网。文献 _ 1 ”采用v i s u a lb a s ic 5 ，0 开发出基于图形界面的电网故障分析及继电保护 定值整定管理软件，但计算出的定值却未用于继电保护仿真。文献”钉是专 家系统在继电保护运行与管理方面的一个应用，它与保护仿真联系不大。 1 2 本文所做的工作 针对这种情况，本文设想开发一个适用于高压电网的继电保护数据管理 和仿真系统，集中完成数据管理、继电保护整定计算结果的分析检验等工作。 主要的设计目标是在完成各项基本功能的基础上，努力做到分析计算准确迅 速，使用界面清晰友善，数据资源共享，为继电保护计算人员和管理人员提 供新颖的继电保护动作行为分析和管理工具。 本文研制开发的高压电网继电保护数据管理与仿真系统运行在w i n d o w s 环境下，数据管理充分利用关系型数据库s q ls e r v e r 实现复杂数据的有效 管理，并且为仿真分析提供数据；电力系统故障计算用了基于多口网络理论 2 倾十学位论文 高压电瑚继电保护装置故障仿真系统研究 的方法“，对于各种故障情况使用相同的处理原则，概念清晰，结果准确； 用面向对象的程序设计思想设计了一个电力系统专用c a d 软件，绘制电力系 统接线图；在仿真分析中，采用了数字仿真技术并以电力系统接线图作为图 形用户接口( 6 u i ) ，使仿真过程更加明确，结果形象、直观。 本文所介绍的高压电网继电保护数据管理及仿真系统可用于继电保护 工作。 硕：i 二学位论义高压电网继电保护装置故障仿真系统研究 2 继电保护数据管理及仿真系统的整体结构设计 2 1 数字仿真技术 2 1 1 概述 要分析研究个系统，无论它是连续的，还是离散的，都要对其进行实 验。研究的最终目的就是要预测系统的特性。显然，在系统未建立之前是不 可能对其进行实验的；即使对于已经存在的系统，如导弹发射、核反应堆控 制等等复杂而且重要的系统，在真实系统上进行实验也是不能允许的。为此， 就要建立模型，并对模型进行测试和计算，求得模型结论，进而通过分析得 出真实系统的结论。这种基于模型，而不是真实系统的研究过程，就叫做仿 真( s i m u l a t i o n ) 。 仿真是系统研究的一种方法，或者说是研究自然现象或某种过程的方 程。从广义上说，整个仿真过程应包括系统的测量，模型的建立及模型的计 算，但一般只要指模型建立后，模型的计算。 通常，按照研究系统所用的不同模型形式，可以将仿真分为两类：使用 物理仿真及使用数学和符号模型的数学仿真。 物理仿真主要应用于航空动力工程、水利工程和土木建筑工程，其主要 优点是保持了系统原型的物理本质，因此可以比较全面地表现被研究过程的 物理现象。但物理仿真的最大缺点是为了研究不同的对象必须建立不同的物 理模型，某些复杂对象的模型造价昂贵，实现起来比较困难。电力系统中的 动态模拟实验就是典型的物理仿真。 数学仿真比物理仿真具有更广阔的用途，并且发展迅速。数学仿真中， 模型和原型的物理本质是不同的，但它们却遵循同样的数学方程，即数学仿 真利用了原型和模型之间方程式的形式。数学仿真可以用一个装置解决不同 的问题，可以迅速而简单地引入可变参数和各种初始条件、静态和随机的于 扰，并且可按系统的环节进行仿真。 2 1 2 数字仿真技术基本过程 近年来，随着电子技术的迅速发展，计算机已被应用到科学技术的每一 个领域，用计算机进行系统仿真已相当普遍。计算机仿真必须依赖于数学模 型，属于数学仿真。 在计算机上进行的仿真分类为两大类：在数字计算上进行的仿真叫做数 4 硕士学位论文高压电网继电保护装置故障仿真系统研究 字仿真，在模拟计算机上进行的则叫做模型仿真。随着计算机硬件技术、数 值分析技术和软件设计的飞跃发展，使数字仿真领域不断扩大，数字仿真已 经成为计算机仿真的主流。 数字仿真事实上是一种依靠对系统的动态数学模型特性进行全面域的 监视而获得一系列的数字结果的技术。在许多问题中，一步步地按时间顺序 研究系统发展过程的数字表征是十分重要的，也就是说时序的作用是非常关 键。 进行数字仿真的基本过程为： 第一步：确立仿真对象系统的重要属性、行为特征； 第二步：建立可以比较精确地描述系统的数学模型： 第三步：建立适于计算机仿真的数值计算模型； 第四步：编写计算机仿真程序； 第五步：在计算机上进行仿真实验，分析整理仿真结果。 在电子计算机上进行数字仿真是利用软件来模拟系统进行实验，具有经 济、安全的优点。因而应用范围相当广，电力系统数字仿规就是其中的一个 重要分支，文献。州介绍了些成功的实例。 2 2 继电保护动作行为的数字仿真 继电保护装置是电力系统得以安全、稳定运行的基本保障，尤其是在高 电压、大容量的现代电力系统中。继电保护整定计算是继电保护工作的重要 内容，其目的就是根据电力系统的具体参数和运行要求，通过计算和分析， 给出所需的各项整定值，使电力系统中的各种继电保护装置形成一个有机、 协调的整体，正确发挥作用。 继电保护的整定计算方法按保护构成可以分为两类：一类是以差动为基 本原理的保护，由于它们具有区分内、外故障的能力，保护范围基本固定不 变，其整定值与相邻保护没有配合关系，具有独立性、因而整定计算比较简 单。另一类是阶段式保护，其整定值要求与相邻的上下级保护之间有严格的 配合关系而且它们的保护范围又随着电力系统运行方式的变化而变化，所以 阶段式保护的整定计算比较复杂。 在高压电网中，通常线路的主保护是差动原理的高频保护，而以阶段式 保护作为后备保护。但阶段式的整定有时无法同时满足选择性和灵敏性的要 求，当线路的主要保护拒动或开关拒动时，如果后备保护整定值合理则可缩 小故障范围，反之则会扩大故障范围，甚至造成严重的灾害性事故。 一般说来，由于继电保护整定计算十分复杂，其结果是否准确合理，应 颈圭掌健论文寒压电瓣继电保护装鐾数藩侪宴系统研究 该经过实际系统攀敌的考验。但觚供电韵可靠经及设备鹃安全往考虑，壹搂 在实际电力系统中进行器种故障实验的可能性极小，因此运用数字仿真技术 解决这些同题是行之有效的途径。利用数字仿真技术，可以依据电力系统的 数学模型，用软件方法模拟电力系绕，在模型上述行各军孛模拟鼓障实验，分 忻继电保护装置的动作行为，验证现有定慎的准确性。 2 3 图形用户接口 随着微型计算机硬件功能的不断加强和w i n d o w s 图形操作系统的出现， 一些暖往只怒在麓栏图形工幸罄菇帮u n i x 漂俸系绞上矛雏实戢翡嚣形功筏瞧 可以微机上实现，这样，图形技术猩各类软件中得到了充分使用。 近来的大量软件开发实践证明，对应稍程序来说，使用衡形来观察、修 改、控制数据具露极大价值。图形用接口g u i ( g r a p h i c s u s e ri n t e r f a c e ) f 受到越来越多的重视，并己成为衡量软件系统水平的主要标准之一。在仿 真软件中，强形用户接鞠鲍俸耀尤为重要。这秘终鼹锩理在淤下嚣方瑟： ( 1 ) 实现方便的交互操作 许多交互静惫力系统分稀较彳孛雹已经鞭开发，包括一些继宅保护分褥软 件，但大多数没有提供离水平的交互操作设计。事实上，由于电网的规模日 渐庞大。如果进行继电保护仿真必须摸拟大量的开关操作，反映众多的傈护 动作愫况，因而，仿真的数据准备积绩果分析工 乍燎十分繁琐，1 日奄的填霹 卡片数据输入输出方式已无法适应新的要求。只有图形方式的形象化设计才 能有效地完或数摆输入秘仿囊结果驰显示酾解释。 ( 2 ) 掇供清晰的系统分析界面 因为奄力网络麓摸较大，两且圭| 巍域分步缀广，热巢葵全甏模叛分毒厅系统 中继电保护的动作行为，必须使操作者清晰地了解各处开关的动作情况。这 种动作情况应该以一种赢观荔懂方式提供给操作者。对于电力系统分析人员 要匿对大量的表格或数字。系统接线图是阕形用户接口的最羹要组成部分。 2 4 整体结构设计 本系绞以中寒档微规律为疆牛乎螽，操作系绞采用广泛使用熬 w i n d o w s 2 0 0 0 版或w i n d o w sn t 版，便于实现各种比较簸杂的图形功能。 壤握掰要完成款功簸，在憩设想薅整令系统划分为数据管理秘仿寞两个 平行子系统，为进行图形化仿真，还专门设计一个电力系统接线图绘制软件。 数据管理系绕主要究成继瞧傈护工捧串的参数数据，定毽数据秘傈护鼯 6 硕士学位论文高压电网继电保护装置故障仿真系统研究 置信息，不但要实现数据的日常管理，而且要向仿真分析系统提供电力系统 中现有的保护定值数据，以分析整定计算结果的准确性和合理性。 仿真系统分成三个部分：图形化的集成操作环境，电力系统故障计算及 保护参量计算部分、继电保护静态分析部分。集成环境负责在屏幕上显示图 形用户接口最重要的组成部分：电力系统接线图和仿真分析结果，同时完成 网络修改和、设置故障信息等模拟操作。电力系统故障计算部分可计算各种 简单故障和复杂故障，保护参量计算可计算得出保护参量。继电保护静态分 析部分在计算的基础上，分析电网中各处保护装置的动作情况。判断整定计 算是否合理准确。 电力系统绘图软件负责绘制单线图形电力系统接线图，形成图形文件， 提供给仿真系统的图形化环境。 这几个子系统的地位是等同的，使用不同的开发工具和编程语言，功能 各异，可十分灵活地的分别独立运行，但期间有以数据文件形式进行的数据 交换。 图2 1 展示了继电保护管理及仿真系统的整体结构。 数一参数管理模块l - 据 i定值管理模块 库 及 i保护配置信息模块 数 人机 据绘图软件 图形 库 界面 管 i继电保护静态分析 f - 理 一| 燃 1 一 系 统 i帮助 数据管 理系统 仿真系统 图2 1 继电保护管理及仿真系统的整定结构 其中，参数管理模块的数据库分为线路参数库，发电机参数库，变压器 参数库，存储对应的数据，并进行必要的索引，以提高查找速度。 配置信息模块完成继电保护配置信息的全面管理。 定值管理模块完成以下几个大类保护的定值管理，每类又有进一步的划 顾士学位论文高压电网继电保护装置故障仿真系统研究 分：零序保护、距离保护、高频保护、故障录波器、综合重合闸保护、母差 保护、主变保护等。定值管理共涉及2 4 个数据库。与参与管理和保护配置 管理模块不同，定值管理模块不仅要完成大量的数据维护工作，而且要向仿 真系统提供保护数据信息，即电力系统中现有的继电保护定值数据，以供仿 真分析使用。 联系管理系统与仿真系统的文件具体包括：相间距离保护定值数据文 件、接地距离保护定值数据文件、零序电流保护定值数据文件、重合闸定值 数据文件四种。在现实中，直接由数据库特定的格式向外输出至定值数据文 件，定值数据文件将由仿真系统自行调用。如图：2 2 所示 定值 一相间距离保护定值数据文件 一 管理 一接地距离保护定值数据文件 _ 一 仿真 一零序电流保护定值文件 一 系统 模块 叶|重合闸定值数据文件 一 图2 ，2 定值管理模块与仿真系统数据接口的实现 本章小结： 本章研究了仿真技术的基本方法。对继电保护仿真的设计，提出了结构 设计的思想、设计步骤。 8 硕士学位论文高压电网继电保护装置故障仿真系统研究 3 电力系统故障计算及保护参量计算 电力系统故障计算是己知电力系统正常运行状态，求在电力网中某处发 生故障而处于不正常运行方式时，电力系统的参数的分布的一种计算。 继电保护故障计算是电力系统三大计算之一，主要用来分析故障后电力 系统的运行状态，整定和校验继电保护装置。本文采用基于多口网络理论的 方法来完成电力系统故障电气量的计算，数学概念清晰，计算速度快，精度 高。保护参量计算是在故障计算的基础上完成相间距离保护、接地距离保护 参量的计算。 3 1 电力系统数学模型的建立 在大规模电力系统中，节点导纳矩阵具有良好的稀疏性，这种优点随着 网络规模的增大而更突出。有关统计表明，与节点阻抗矩阵相比较，在存储 需求上节点导纳矩阵具有明显的优势，其效果可高达前者的数倍以上。因此， 本文中的电力系统故障计算采用节点导纳矩阵作为电力系统的数学模型。 3 1 1 节点导纳矩阵的形成 在此采用直接法生成正序网节点导纳矩阵如下： m = _ 一：i ， 匕，匕：e ， 匕l 匕2 匕3 一。 匕。 e 。 r ，。：r 。k 形成规则为：自导纳r ，= ，互导纳= - y f e l 式中y 。代表节点i 和节点j 之间支路阻抗的倒数。 j 。i 代表节点j 直接与节点i 相接。 通常将零序网分为两个部分：有互感部分和无互感部分，先分别计算两 部分的节点导纳矩阵元素，然后将互感部分的节点导纳元素加入无互感部分 的节点导纳矩阵中去，最终形成零序网节点导纳矩阵。 无互感部分节点导纳矩阵的形成过程与正序网相同。 设支路i j 与支路p q 间存在互感耦合，互感部分导纳矩阵元素的计算 顾士学位论文 高压电网继电保护装置故障仿寞系统研究 规律如表3 1 所示 表3 1 互感部分节点导纳矩阵的计算规律 上表中的i ，j ，p ，q 等为节点号，；n 分别代表i ，j ，p ，q 支路的自 v巾u v 导纳，而p q 代表一组互感p 卜q 2 ，p ! “q 2 1 萼0 珂 3 1 2 节点导纳方程的求解 在电力系统故障的分析中，已知的是各个节点的注入电流，求相应的各 母线电压，因此，可以采用因子表法进行节点导纳方程的求解。 首先，把节点导纳矩阵三角分解成因子表，形式如下： d l i g l2 g l ”一g l 。 2 1 d 2 z g 2 3 g 2 。 ，。岛b ，g 3 。 1 ，。! 。d 。 ( 3 1 1 ) 式中 d ，= 1 一1 ( i 2 l ，2 ，一，n ) g i = 秽1 ( i j ) 因为节点导纳矩阵是对称的，即 i j i = g ，。d ，( i = l ，2 ，n ，j = i + l ，i + 2 ， i ) 所以，只需形成和存储因子表的对角元素及上三角元素，其下三角元素可由 上式求得。 因子表中记录了高斯消去法求解线性方程组的全部运算因子，利用它可 以直接对不同的电流向量i 进行前代和回代运算，进而解出相应的电压u 向 量。 1 0 硕士学位论文高压电网继电保护装置故障仿真系统研究 3 2 电力系统复杂故障的计算方法 电力系统复杂故障的计算和简单不对称故障一样，都是求解一个多元函 数联立方程组的问题。对于一个同时有n 重故障的电力系统来说，待求的未 知量为6 n 个，需要6 n 个方程，在这些方程中，有3 n 个是根据电网结构决 定的电路方程，3 n 个方程是根据故障条件决定的端子方程，求解复杂故障 问题，事实上就是如何建立并求解联立方程组的问题。应用电路理论和端子 边界条件，不难建立起相应的联立方程组，而解法则多种多样，常见的主要 有以下几种： ( 1 ) 利用求解边界条件方程式的一般方法 ( 2 ) 利用网络分块原理的方法 ( 3 ) 利用综合阻抗矩阵的方法 ( 4 ) 利用多口网络理论的方法 ( 5 ) 利用张量分析的方法 文中采用基于多口网络的方法，下面简单介绍该方法。 电力系统中的不对称故障根据其边界条件可以分为串联型和并联型两 种。这样，对于n 重不对称故障来说，组合的方式可能有三种，即：串一一 串型故障，并一一并型故障，串一一并型故障。 利用多口网络理论计算电力系统复杂故障，事实上是根据不同类型的故 障，利用各种网络参数及边界条件来求解故障电流、电压及待求的其它变量。 由于充分利用了各类型故障的特点，使得方程中未知量的个数减少到等于故 障的重数，从而减少了求解的工作量。 对于n 重不对称故障可能的三种组合，处理的方法分别： ( 1 ) 串一一串型故障：这类故障的复合序网由零序、正序、负序所对应的口 网络串联形成，应用阻抗型参数( z ) 处理。 ( 2 ) 并一一并型故障：这类故障的复合序网由零序、正序、负序所对应 的口网络并联形成，应用导纳型参数( y ) 处理。 ( 3 ) 串一一并行故障：这类故障的复合序网由零序、正序、负序所对应的口 网络混联形成，应用混合型参数( h ) 处理。 3 3n 重故障计算 3 3 1 基于多口网络理论计算n 重故障 以串一并型故障为例。 硕士学位论文，断压电网继电保护装置故障仿真系统研究 设电力系统中发生了i 重串型故障和j 重并型故障( i + j = n ) ，以故障口 为例，可建立起n 重故障时众参数方程组： u c ( u z c c t l ) z 。1 | ，c ( 。l l ：t l ：j 卜 1 口( u c ( 2 u m 2 z c c f 2 ) z 州2 ) l z s c ( 2 ) z n n i 2 ) 陬 z c c ( o ) z ， 1 6 烈。，j 2 l z ”c 。，z s b ( o ) + c ，m o u p b ( 0 1 ( 3 3 1 ) ( 3 3 2 ) ( 3 3 3 ) 式中f 标c 表不串联型故障，b 表7 5 并联型故障； 驴，。，。 刖( 0 ) - - - 分别代表串联型故障出端口电压，端口电流的各序分 量( i = o ，l ，2 ) 和正序网络的开路电压，都是f 维列向量： 驴。) ，。，d 跚) 分别代表并联型故障出端1 ：3 电压，端口电流的各序分量 ( i = o ，1 ，2 ) 和正序网络的开路电压，都是m 维列向量： z ，) ( i 2 0 ，1 ，2 ) 为并联故障处的端口自阻抗和端口间的互阻抗组成的m 阶方阵 z c c 。( i = 0 ，1 ，2 ) 为串联故障处的端1 ：3 自阻抗和端1 ：3 间的互阻抗组成的l 阶方阵 z 。m ( i = 0 ，l ，2 ) 为并联故障端口和串故障端日间互阻抗组成的m + l 阶方 阵 z c n ( o ( i 2 0 ，l ，2 ) 为z w o 的转置矩阵 c 日 ”h r o o c 8 l 忆r 婴主兰垡丝兰 壹堡皇塑鳖皇堡芝茎里垫堕堕墨墨笙旦壅一 将z 参数方程恒等变形成h 参数方程 ih c c ( 1 ) h c b o ) lh b c l l ) 日b8 ( 1 ) ih c c ( o ) h c 即) ih a c ( o ) 跚o ) 式中日s ) = z ( 剐一z c 日( s ) z 口月( 趴 h s 1 。z 恻s ) z “b s ( s ) h s 、= 一z ( z 口悯 h s 、2z - i ( s ) ( o ) z 口1 1 u p b ( 3 3 4 ) ( 3 3 5 ) f 3 3 6 1 ( s = o ，1 ，2 ) 串一并型n 重故障口序分量边界条件方程的矩阵形式为： ：z：蠹，=”o。n(b2()z。)jl7uc(。(2，1=。i。c。(o。)，。， ( 3 3 8 ) 将式( 3 3 4 ) 、式( 3 3 5 ) 分别用正序算子对角阵，负序算子对角阵左乘 其两端，并与式( 3 3 6 ) 相加，根据式( 3 3 7 ) 、式( 3 3 8 ) ，整理可得： 1，j 沁k r，。l + 1，j m 叫 。k u r。woij二也 ，1，j 沈k p。、。l 1j m l=旧一 1，j 1 2 衄 h 日 盯 h 日 l = 1、j 旺 ”沈k p，l 1lll、llj l v 1 i 1，j 町沈厶 p。，。l 咖 z一 盯 0 u i l 小u 陌卜 | l 婶 吣k rjo土 0 ” l竺一 + 似k o u l兰一 硕士学位论文高压电网继电保护装置故障仿真系统研究 式中h “= h ( t ，( 1 ) + h c c ( 2 ) + h c c ( o h r 卫= , r c ( i ) h c b o ) ； i c ( 1 ) + n o ( 2 ) h c b ( 2 ) n - 。州2 ) + h f o h 口( = 竹口( 1 ) h 口r f l l 肝f 【i ) + 口( 2 ) h 口c ( 2 ) 行c ( 2 ) 1 + h 艇( o ( 3 3 9 ) h b b = h b b ( ”+ h b 州2 ) + h 8 州o 、 这样就求出了串型故障的口电流和并型故障的口电压，将其代入到式 ( 3 3 1 ) 、式( 3 3 2 ) 、式( 3 3 3 ) 中，可得串型故障的口电压和并型故障的 口电流。 3 3 2 口网络参数的统一计算方法 为了克服多口网络理论计算复杂故障口网参数的缺点，对阻抗型参数采 用了| = ：! 定矩阵求逆的方法，可以一次求得复故障计算所需的网络参数，是各 种类型的复故障统一的处理原则。 这种方法的实现过程如下： 对方程f = a x 进行变换： x = b f ，则a 。= b ，矩阵a 为正定矩阵。 ( 1 ) i 与x 。变换，可得 式中 口1 i ，a 1 2 0 2 1 a 2 2 ， 口，t 1a n 2 1 口1 l ，一a 1 2 ，一a h a l n a 2 l a 1 1 ，a ”2 2 ，a a l a 月l ，口1 月2 ，a ( ”m ( 3 3 1 1 ) 1 4 眩 c 口 一 兰j r 衄 附 h ，h 擘 r，l = 。七。 扎k n m 硕士学位论文高压电网继电保护装置故障仿真系统研究 雕三h 磊：卜矧h ：， ( 2 ) x i 与z 串位 式中 ，l = 一a 1 a ( 3 ) 变换x 2 瓢的位置 ( 4 ) 串位 i a 1 ) 2 1 口( 1 12 2 ， d ( 1 12 肌 口( 1 1 1 2 ， a 2 l a l l ，一2 2 d ( ”2 日( “h 2 口( 2 ) 2 2 ，a ( 2 依次变换 _ 屯，六一x 。，六斗x 。，第n 次后，得 当完成m 步的变换后，系数矩阵变为：1 4 n 一? 一扣一mi l 以( ) 4 一j 此矩阵的特点是： ( 1 ) 予矩阵a 【舯朋) a 。分别为正定对称矩阵。 a ，。】 r 3 3 1 2 1 ( 3 3 1 3 ) ( 3 3 1 4 ) 如一矗_ _ijjjjjiiiiiiiiji忙 ” ” ” 口 口 口 h m 州 川 0 一v 0一 = v 口 屯一_ n 弛 口 口 2 怛 匕 ， k 、讲 恤掣 强 叫 m 吣 j 2 2 口 一 。口 一 日 一 砌口 水水川 讲 讣科 m r 奢 删 h ，“ 却 功 工 旺 p ， ， ， 口口 厶厶也 _ 五 r_l l p = 屯 硕士学位论文高压电网继电保护装置故障仿真系统研究 ( 2 ) a “n = 一a 1 ( 一m ) m 将上述过程用到多口网络参数计算上，即为：在求得复故障口阻抗参数的基 础上对阻抗型参数进行变换，对于三种可能的故障组合分别处理如下： a 1n 重串型故障：变换次数为0 ，矩阵a 为网络的阻抗型参数 b 1n 重并型故障：变换次数为n ，矩阵a 为网络的导纳型参数 c ) n 重串并型故障：若m 重是并型故障，变换次数为m ，矩阵a 为网 络的h 型参数 3 4 保护参量的计算 保护参量计算是根据故障计算提供的各线电流状态量3 o 乩i 如，各母线的 电压状态量3 ，u ，u ：，用对称分量法，分别计算出全网各线路的，。，。，c ， 各母线的u 。，u 。，u 。进而完成相间距离保护、接地距离保护参量的计算。 ( 1 ) 零序电流保护参量 ：3 厶直接由故障计算给出，在仿真分析中，根据线路3 厶的大小，即可判 断出零序电流保护的情况。 ( 2 ) 相间距离保护参量 对于采用根据接线方式的阻抗继电器，j 。，j ：，j 。测量阻抗分别为： 乙。兰专 ( 3 4 ” 2 卷毒 ib i c “ ( 3 4 2 ) 。兰毒 ( 34 3 ) i c i “ 在仿真分析中，将z ，z 。z 。的数值与阻抗继电器的整定值相比较，即 可判断出线路相间距离保护的动作情况。 ( 3 ) 接地距离保护参量 对于接地距离保护，j 。，j ：，j 。测量阻抗分别为： z j 。：当 ( 3 4 4 ) 1 6 硕十学位论文高压电网继电保护装置故障仿真系统研究 ( 3 4 5 ) z 扩当( 3 删 ，c + 3 k l o 式中k = 簪 为了兼顾简单故障和复杂故障的处理，故障计算程序直接面向n 重复杂 故障设计，采用复故障算法，特别地，当n = 1 时，故障计算程序将进行简 单故障的计算。 3 5 保护参量计算的主要流程 保护参量计算的主要流程，如图3 1 所示 形成零序= y 点导纳矩阵和互感支路 到导纳阵，进行零序因子表分解 捉据故障信息形成正序，零序口网参数 上 根据故障信息形成边界条件。求 解正序、负序、零序端口电流 1 l 对各序网因子表进行回代运算 纛 硕士学位论文高压电网继电保护装置故障仿真系统研究 i求解各观测点相序皇压、支路相序电流 上 各保护参量的计算与输出 本章小结： 图3 1 保护参量的计算流程 本章研究了电力系统故障计算，系统数学模型的建立以及复杂故障和保 护参量的计算。 1 8 硕士学位论文高压电网继电保护装置故障仿真系统研究 4 电力系统绘图软件设计 电力系统绘图软件是依据电力系统网络拓扑结构关系以及系统配置 情况，通过给定图形元素画出的电力系统接线图。这一部分涉及了软件设 计方面的面向对象设计思想、图形文件管理系统以及动态连接库在电力系 统绘图软件中的使用。 4 1 设计思想 4 1 1 引言 我们的目的是设计一个用来完成电力系统接线图绘制任务的计算机辅 助软件，即电力系统接线图c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e i g n ) 软件。借助于这 个绘图软件绘制电力系统接线图，生成相应的图形数据文件，供仿真软件使 用，仿真时的各种开关操作、模拟故障设置及分析计算结果均在图上显示， 相当直观。 c a d 技术从问世以来，其作为辅助人类实现智力劳动自动化的一种工具， 功能同臻完善，计算机辅助计算使广大设计人员从重复、繁琐的计算中解放 出来：这样，工程设计人员可以将主要精力放在设计本身而不是设计的过程 中。c a d 技术应用建筑、机械等工业已经有比较长的历史，尤其在电子工业 领域的大规模集成电路设计中，取得了巨大的成功，如著名的印制板图设计 软件t a n g o 等。根据所服务的对象不同，c a d 软件可分为两类，一类是通用 型的，功能设计较全面，可适用于多种领域，其系统通常比较庞大，如 a u t o d e s k 公司推出的a u t o c a d 系统软件等：另一类是专用型的，面向某一 特定领域，虽然不具备通用性，但有鲜明的专业色彩，功能简洁实用。目前， c a d 运行的硬件环境主要有两个，一个是工作站，另一个是微机。微机上的 c a d 软件相对投资少，易于实现，近年来普及较快。 4 1 2 电力系统接线图的特点 设计一个成功的专用型c a d 软件，最关键的是要理解所服务对象的性 质，充分体现出专业的特色。因此，要开发电力系统接线图绘制软件就必须 仔细研究电力系统接线图的特点。 首先，系统接线图有明确的物理意义，反映了电力系统的网络拓扑关 系，系统构成、配置情况，接线图不是任意绘制的。 然后考察电力系统接线图的构成情况，可以发现，接线图虽然是相当 1 9 f i ! ；：卜学位论文高压电网继电保护装置故障仿真系统研究 复杂的，但是最终可以分解为若干类基本图形元素( 即图素) 的集合。比如 图可能有线路、母线、发电机、变压器、开关等几个种类的基本图素，用有 限个各类图素就可以组成任意复杂的电力系统接线图。 在现代电力系统中，同时存在着多种电压等级，如果在接线图中使用 不同颜色代表不同的电压等级将有助于区分。“。例如，5 0 0 k v 的线路用红色 表示，2 2 0 k v 的线路则用黄色表示，而表现三卷变压器则要用到三种不同颜 包。 此外，系统接线图还有一些其它特点，比如，接线图中线路显示为线 段的形式，而且只有水平、垂直两个可能的方向，换言之，接线图中是不会 出现斜线的。类似这样的特点，应该在绘图软件的功能设计上给予充分考虑， 方便使用。 4 1 3 面向对象程序设计思想 为了设计功能复杂的电力系统接线图绘制软件，我们使用了先进的面 向对象的程序设计技术。 面向对象的程序设计技术o o p ( o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) 就是 把面向对象的方法运用到软件工程的分析和设计阶段，从而建立当今更加庞 大、复杂且易变的系统模型 2 4 1 。面向对象的技术是迄今为止最适合计算机 程序设计的。 事实上，o o p 的要领是在结构化程序设计和数据抽象的基础上( 有时 过程也称为函数) ，在这些过程间尽量保持独立，每个过程都有自己的数据 和逻辑，过程之间通过使用参数来进行信息传递。 使用结构化程序的设计方法后，软件开发过程对程序员来讲可以相对简 单些，同时对于提高程序的可靠性和对程序的维护都有帮助。抽象的概念是 随着结构化程序设计方法而引入的，程序员要执行某一特定任务时，他只要 调用这一程序，而并不需要确切知道这一过程是如何实现的。这种抽象的概 念称为功能性抽象。 数据抽象和功能性抽象类似，只是功能性抽象是对操作而言的，数据抽 象是对数据而言的。 o o p 与结构化程序设计的不同点在于：o o p 程序是围绕被操作的数据设 计的，而不是像结构化程序设计中仅仅围绕操作本身。o o p 把数据和操作联 系在一起，使得对数据的操作更有意义o ”1 。 o o p 技术带来了一些全新的重要概念。 ( 1 ) 对象 硕士学位论文高压电网继电保护装置故障仿真系统研究 对象是由数据集和作用于数据集之上的方法( 又称操作、服务) 集组 成的数据项。对象是把数据和操作封装在一起，是一个动态的要领。其中的 数据反映了当前对象的状态。方法有两类：一类是通过返回当前对象的某个 数值向外界反映对象当前的状态；另一类是通过改变当前对象的某个数据值 来改变当前的状态。 ( 2 ) 类 类是用来描述具有相同的数据和方法的对象集合。类定义了该集合中 每个对象所共有的数据和方法。其中，方法是操作类对象数据的仅有函数。 对象是类的实例，每个类可以有很多个对象，每个对象有一套该类的数据成 员，称为实例属性。类的方法可以被该类的对象调用，这被称为发送一个消 息( m e s s a g e ) 给对象。只有接收到消息的那个对象才对该消息起作用。对 象之间是相互独立的，对于某个对象的实例变量的修改不影响其它对象的实 例变量。 考虑一个有关绘制几何图形的例子，这实际上是电力系统绘图问题的 简化。可以用类的概念描述图形。 类名：f i g u r e 数据集成员：n a m e ，t y p e l d ， 方法：d r a w ， 其中，d r a w 是一个抽象的方法。 ( 3 ) 派生类 类具有派生的功能，可以从一个类中派生出一个新类，这个旧类称为 基类，新类称为派生类，派生类从基类中继承( i n h e r i t ) 数据元素和方法， 并可以增加新的数据元素和方法到新类( 派生类) 中，也可以从派生再派生 出新类，任何类可以有任意数目的派生类，通过继承( i n h e r i t a n c e ) 机制 构造出类层次。这看上去很像一颗树，也要可以说像一颗族树，因此有时基 类称为父类，派生类称为子类。 再考虑上述绘图的例子，定义类c i r c l e 为类f i g u r e 的子类。 类名：c i r c l e 父类名：f i g u r e 数据集成员：n a m e ，t y p e l d ，x ，y ，r a d i r s ， 方法：d r a w ， 其中对方法d r a w 作了重新定义，其含义是要指定位置，以指定半径画 一个圆。 通过继承，可以从现实中抽取具有普遍意义的类。然后，通过继承来 2 1 硕士学垃论文高压电网继电保护装置故障仿真系统研究 复用这些类，减少代码的编写数量，更为重要的是，继承中，子类可以对父 类中的成员进行修改，这符合程序员在编辑中逐步求精的思想方法。 ( 4 ) 多态机制和动态连接 多态机制是与派生类有关的，当从基类派生出新类时，可能需要修改 基类方法的工作方式。具有多态机制的函数在编译时连接，而是在运行时， 根据对象的实际性质，决定所使用的方法。多态机制是相当灵活的，如我们 可以再定义f i g u r e 类的一个子类s q u a r e 。 类名：s q u a r e 父类名：f i g u r e 数据集成员：n a m e ，t y p e l d ，x ，y ，r a d i r s ，方法：d r a w ， 其中对方法d r a w 作了重新定义，其含义是在指定位置，以指定边条画 一个正方形。对于一个多态引用要用两个方面来描述它的类型：静态类型和 动态类型。静态类型是指多态引用被声明为类型，动态类型是指它所指向的 实例的类型。连接是指被调用的代码与调用点想连接，动态连接是在程序执 行过程中动态完成的。通常，动态连接是和继承、多态机制相联系的。 下面继续使用绘图的例子进行讨论。 假设x 是静态类型