电网保护定值在线整定系统的开发和实践

第 1 页 共 8 页 文章编号 中图分类号 TM77 文献标识码 A 学科代码 470 40 地区电网保护定值在线整定系统的开发与应用 作者 1 作者1 作者2 1 作者单位 江西南昌 330031 2 四川宜宾电力公司调度中心 四川宜宾 644000 Development and Application of an On line Relay Setting Coordination System author 1 author 1 author 2 1 NanChang 330031 2 Sichuan Yibin Electrical Power Dispatching Center Yibin 644000 China Abstract The relay settings are traditionally calculated off line which has unavoidable defects Based on an integrative EMS DTS system an on line relay coordination system was developed in this paper This system can trace the real time state of the power system and calculate the present optimal relay settings In the off line coordination method the simplified fault calculation model and the branch coefficient are used which will reduce the results precision A revised method was proposed in this paper to increase the precision And the window technique was adopted to speed up the on line coordination process Further more the problems encountered in application and their corresponding measures were proposed This on line relay coordination system has put in real practice in Yibin district power system and it was validated that the on line coordinated relay settings has batter performance Key words relay setting on line coordination fault calculation model branch coefficient window technique 摘要 保护定值的离线整定方法存在明显的不足 在线整 定可以克服离线整定的缺点 本文研究开发了电网保护定 值在线整定系统 该系统基于 EMS DTS 一体化系统 能实 时跟踪电网变化 在线计算保护定值 离线整定采用的简 化故障计算模型和引入分支系数会给计算带来误差 为了 提高计算精度 本文采用了精确的故障计算模型并且不再 引入分支系数 在线整定对计算速度要求高 本文分析了 电网局部变化对保护定值的影响 通过采取窗口技术大大 提高了在线整定的计算速度 最后介绍了现场应用中遇到 的问题及其解决办法 通过四川宜宾地区电网的实际应用 表明 在线整定可以大大提高保护定值的性能 国家自然科学基金资助项目 50647025 50595414 国家重点基础 研究发展规划项目 973 项目 2004CB217904 Project Supported by National Natural Science Foundation of China NSFC 50595414 50647025 Special Funds for Major State Basic Research Projects of China 973 2004CB217904 关键词 继电保护在线整定 故障计算模型 分支系数 窗口技术 0 引言 离线整定的保护定值存在不可避免的缺点 1 2 1 无法适应所有的运行方式 在某些特殊运行方 式下保护性能可能会严重变坏甚至发生拒动或误 动现象 因此日常运行中必须对新出现的运行方 式进行仔细校核 工作 量很大 2 离线整定的保 护定值对电力系统大多数运行方式来讲都不是最 佳定值 必然降低了保护的性能 使得保护范围 小 失配率高 延时长 为此 众多学者开始研究保护定值的 在线校 核和在线整定 文献 3 5 研究开发了保护在线 智能预警系统 能跟踪电网实时状态对保护 定值 进行在线校核 文献 6 研究了大电网分布式自 适应继电保护系统的实现方法 文献 7 探讨了 在线整定系统的思路和结构 文献 8 9 研究了 基于多智能体的自适应保护系统 文献 10 分析 比较了离线整定和在线整定 两种方法得到定值的 性能 在线整定和离线整定的目标不同 因此其方 法和要求也有所不同 在线整定比离线整定需要 更高的计算精度和更快的计算速度 另外 在线 整定的前提是能获取整个电网的实时运行状态 但在实际电网中有一些困难 必须采取一定的措 施 第 2 页 共 8 页 本文介绍了保护定值在线整定系统的 开发 包括系统的功能与结构 提高计算精度和计算速 度的方法 在四川宜宾地区电网应用中遇到的问 题及解决办法 1 结构和功能 本文开发的继电保护定值在线整定系统是基 于 TH2100 EMS DTS 一体化系统开发的 系统结构 如图 1 该系统与 EMS DTS 共享厂站接线图和电力 设备参数 只需要额外维护外网模型数据和主变 中性点接地刀运行方式即可 因此大大减轻了建 模和维护工作量 系统每分钟从 SCADA 读取一次电网实时数据 自动监视电网状态 当发现电网发生变化时 给 出报警并自动启动定值整定计算 SCADATH2100 EMS DTS一一体体化化系系统统 实实时时数数据据电电网网参参数数 外外网网 模模型型 主主变变地地刀刀 运运行行方方式式 继继电电保保护护定定值值在在线线整整定定系系统统 发发现现电电网网变变 化化启启动动计计算算 输输出出整整定定定定值值 图图 1 1 系统结构图系统结构图 Fig 1Fig 1 TheThe configurationconfiguration ofof systemsystem structurestructure 影响保护定值的电网运行方式的变化主要包 括两个方面 一方面是发电机 变压器 线路等 设备的投 退 以及由故障引起的开关跳闸 主 要体现在开关 刀闸的状态变化 另一方面是负 荷和发电机出力的变化 主要体现在系统潮流量 的变化 因此本系统启动定值在线整定计算的判 据条件是 1 开关变位 2 线路电流变化 电网运行方式中细微的变化是不会对保护定 值造成很大影响 因此系统设置了启动门槛 以 判断电网变化的程度 可以设定哪些开关变位启 动整定计算 哪些线路电流变化启动计算 电流 变化量大于设定值启动计算 2 提高计算精度和计算速度的方法 保护定值在线整定的目标和离线整定不同 离线整定的目标是尽可能使保护定值适用于各种 可能出现的运行方式 主要采用在大小方式的基 础上进行厂站组合和相邻母线元件轮断的方法 在线整定的目标是实现当前运行方式下保护定值 的最优配合 同时仅进行当前运行方式下的灵敏 度校验 因此 在线整定需要采用和离线整定不同的 计算方法 主要体现在 2 个方面 1 离线整定对计算精确性要求不高 在计算 的很多环节常采用一些简化算法 如采用简化的 故障计算模型 引入助增系数和分支系数等 在 线整定对计算精确度要求更高 因此必须采用更 精确的模型和算法 2 离线整定对计算速度的要求不高 全网计 算一次常常需要若干小时甚至整天 在线整定要 满足实时性的要求 必须采取措施提高计算速度 下面分别介绍在线整定提高计算精度和计算 速度的方法 2 1 故障计算模型的选择 简化的故障计算模型可以满足离线整定的精 度要求 而且对电网参数要求较少 手算和编程 计算简单 因此在保护定值离线整定中得到了广 泛的应用 其简化主要有两点 1 忽略发电机 线路 变压器等设备的电阻 2 不考虑电网潮流 忽略负荷电流 但潮流对故障计算精度的影响不小 7 因此 精确的故障计算模型需要考虑负荷电流的影响 而且不能忽略电阻 11 为了说明简化故障计算模型的误差 本文在 四川宜宾地区电网系统上 分别计算两种故障计 算模型下各个节点在三相短路和 A 相短路接地故 障下的对地故障电流 以精确故障计算的结果为 基准分析简化故障计算模型的误差 如表 1 表表 1 1 宜宾电网采用两种不同故障计算模型的结果比较宜宾电网采用两种不同故障计算模型的结果比较 Tab 1Tab 1 ComparisonComparison ofof thethe resultsresults ofof twotwo differentdifferent faultfault calculationcalculation modelsmodels adoptedadopted inin YibinYibin districtdistrict powerpower gridgrid A 相对地电流的相对差 A 相接地三相短路 简化故障计算 模型和精确模 型的相对差 最大平均最大平均 忽略电阻 23 8 1 8 8 6 0 7 忽略负荷 30 4 5 7 21 7 2 0 综合 28 8 4 8 23 5 1 7 可见 简化故障计算模型的误差是相当大的 和精确故障计算模型相比 最大相差约 30 平均 相差约 5 第 3 页 共 8 页 本系统采用精确的故障计算模型 利用状态 估计计算出来实时潮流分布 进行保护定值整定 计算 具有很高的计算精度 2 2 保护定值配合计算 配合计算是保护定值整定计算中的重点和难 点 目的是保证继电保护的选择性 保护的配合 包括定值的配合和延时的配合 比如图2中开关A 的保护要和开关B的保护配合 既要使A保护的动 作范围小于B保护的动作范围 而且要使A保护的 动作延时大于B保护的动作延时 ABC BS1BS2BS3BS4 LN1LN2LN3 图图 2 2 保保护护配配合合示示意意图图 F Fi ig g 2 2 A A s sk ke et tc ch h f fi ig gu ur re e f fo or r r re el la ay y c co oo or rd di in na at ti io on n 离线整定中引入了分支系数和助增系数 可 以简化配合计算 但它们会带来计算误差 1 为了 提高计算精度 本文不再使用分支系数和助增系 数 而是直接取故障时保护测量到的电气量来计 算保护延时段的定值 以图 2 中开关 A 零序电流三段 开关 B 零序 电流二段 开关 C 零序电流一段的配合计算为例 说明计算流程 1 计算各保护的零序电流曲线 本文采用沿 线逐点计算的方法 每条线路上算 N 个点 要进 行各种类型的故障计算 单相接地 两相短路接 地 而且要考虑线路对侧开关能否正常动作 正常动作时要增加断线故障 相当于计算分支系 数时要考虑是否相继动作 最后得到 4 个如图 3 所示的零序电流量测曲线 图 3 为单相接地故障 时 当故障位置从母线 BS1 沿线路 LN1 LN2 LN3 移动到母线 BS4 时 开关 A B C 上的零序电流量测曲线 图图 3 3 零零序序电电流流量量测测曲曲线线 F Fi ig g 3 3 Z Ze er ro o s se eq qu ue en nc ce e c cu ur rr re en nt t c cu ur rv ve e 2 根据曲线确定各保护的定值 开关 C 零序 电流一段的定值取为各种故障情况下线路 LN3 的 70 处故障的最大零序电流 如式 1 开关 B 零序电流二段的定值按照式 2 计算 确保在 各种故障情况下其动作范围小于开关 C 零序电流 一段的动作范围 并乘上可靠系数作为开关 B 零 序电流二段的定值 开关 A 零序电流三段定值的 计算方法类似开关 B 零序电流二段 1 70 j DZ IMax I 其中 是开关 C 零序电流一段的定值 DZ I 是线路 LN3 的 70 处第j种故障时的零序 70 j I 电流 2 jj DZDZ kj DZDZ range Irange I IKMax I 表示第j种故障时确定的开关 B 零序电 j DZ I 流二段的定值 表示第j种故障 j DZ range I 时开关 C 零序电流一段的保护范围 是第j种故障时开关 B 零序电流 j DZ range I 二段的保护范围 是最终求得的开关 B 零 DZI 序电流二段的定值 3 当电网中存在环网接线时 可能会导致部 分保护无法配合 本文选择 保护配合回路中配合 依赖度最大的保护作为断点 可以减少失配的保 护数目 12 14 计算点的数目 N 越大 计算精度越高 计算 时间也越长 表 2 列出了 N 取不同值时的计算误 差和计算时间 其中误差的计算以 N 取 50 的计 算结果作为基准 宜宾电网的 计算规模是 98 套线路保护 882 个保护定值 表表 2 2 不同计算点的计算精度和计算时间不同计算点的计算精度和计算时间 T Ta ab b 2 2 R Re el la at ti iv ve e p pr re ec ci is si io on n a an nd d t ti im me e c co os st ts s f fo or r d di if ff fe er re en nt t c ca al lc cu ul la at ti io on n n no od de es s 计算点数目 201052 平均误差 0 01 0 52 0 92 5 47 计算时间 秒 2091156421 离线整定计算分支系数一般是根据经验在线 路首 末端进行故障计算 相当于每条线路只算 两个点 误差较大 本系统在现场应用时每条线 路算 5 个点 计算速度较快 精度也能满足要求 平均误差小于 1 校验灵敏度的方法和离线整定相同 这里不 再赘述 2 3 计算范围 由于局部的电网变化对故障计算的影响是局 第 4 页 共 8 页 部的 因此对保护定值的影响也必然是局部的 1 6 15 表 3 中比较了宜宾电网中局部发生变化 前后 全网整定定值的差别 可以看出各种电网局部变 化对保护定值的影响都是局部的 如一台发电机 检修时 定值变化超过 10 的保护数目仅占全部 保护数目的 4 56 表表 3 3 电网变化时保护定值变化的范围电网变化时保护定值变化的范围 Tab 3Tab 3 TheThe variationvariation ofof relayrelay settingsetting withwith powerpower gridgrid configurationconfiguration changingchanging 定值变化的百分比电网发生变化时 保护定值的变化 变化 1 变化 10 一台发电机检修 11 91 4 56 一条线路检修 6 38 2 06 某变电站负荷增长 1 倍 3 55 1 55 图图 4 4 宜宜宾宾地地区区电电网网主主接接线线图图 F Fi ig g 4 4 T Th he e n ne et tw wo or rk k d di ia ag gr ra am m o of f Y Yi ib bi in n d di is st tr ri ic ct t p po ow we er r s sy ys st te em m 图 4 中 把椭圆围着的发电厂中一台发电机 退出运行 比较电网变化前后全网整定的保护定 值 发现定值变化超过 10 的保护都在图中的小 圈内 定值变化超过 5 的保护都在图中的大圈 虚线 内 可见 离电网变化位置的电气距离越 远 保护定值受到的影响越小 因此电网局部变化后不需要把全网的保护都 需要重新整定 只需要把电网变化附近的 保护重 新计算 本文采用窗口技术 16 只计算窗口内 的保护定值 计算流程如图 5 首先从电网变化 位置向外扩展一个厂站 作为初始扰动域 接着重 新计算扰动域内的定值 如果有定值发生变化则 搜索需要和定值变化的保护配合的保护 来扩充扰 动域 并重新计算它们的定值 直到没有保护定 值变化为止 在在扰扰动动域域内内整整定定定定值值 是是否否有有定定值值变变化化 结结束束 根根据据电电网网变变化化位位置置 确确定定初初始始扰扰动动域域 查查找找需需要要配配合合的的保保护护 扩扩大大扰扰动动域域 是是 否否 图图 5 5 在在线线整整定定流流程程 F Fi ig g 5 5 F Fl lo ow w c ch ha ar rt t f fo or r o on n l li in ne e c co oo or rd di in na at ti io on n 采用窗口技术后 每次在线整定的计算时间 大大缩短 表 3 中的线路退出运行后 在线整定 一次的时间仅为 20 秒 3 工程应用中的问题及解决对策 理想的在线整定是能获取整个电网的实时 运 行状态 但由于通讯条件的限制和电网分层分区 的特点 很难实时建立整个电网的精确模型 必 须采取一定的措施 下面详细进行介绍 3 1 变压器中性点接地刀 变压器接地刀的状态对零序保护的整定计算 影响很大 但是由于通讯系统不完善 宜宾电网 大部分主变接地刀的遥信 都采不到 只能靠调度 员手动维护 不仅工作量大 而且很难满足实时 性 实际上 各地区电网对主变接地刀的运行方 式是有规定的 一般每年都会制定一个运行方式 表并严格执行 表 4 为其中一个变电站的主变接 地刀运行方式 表表 4 4 某变电站变压器中性点接地刀运行方式某变电站变压器中性点接地刀运行方式 Tab 4Tab 4 OperationOperation modesmodes forfor transformertransformer neutralneutral switchesswitches inin somesome substationsubstation 厂 站 序 号 变压器中性点接地方式 正 常 特殊 方式 1B110KV 侧直接接地 220KV 侧经放电间隙接地 2B110KV 和 220KV 侧均直 接接地 白 沙 变 电 站 1B 2B 110KV 和 220KV 侧 均直接接地 1B 停运 时采 用 根据这个特点 本文实现了主变接地刀运行 第 5 页 共 8 页 方式的自动维护功能 每次获取 SCADA 数据后 自动根据变压器开关的状态确定接地刀的状态 系统提供了人机界面来建立主变接地刀的运 行规则 每年只需维护一次 大大减少了维护工 作量 提高了系统的可用性和易用性 3 2 外网模型 由于电网分层分区的特点 地区电网只能获 取到其管辖范围内的实时数据 无法获得与其相 连接的其它电网的实时数据 因此地区电网的 EMS 中只对管辖范围内的电网建立详细模型 对于外 网采用等值的方式建模 一般等值为对地阻抗 分为大 小两个方式 因此保护定值在线整定系统只能获取到地区 电网内部的实时数据 而外网的部分和离线整定 一样要考虑大小方式 如果对大 小方式进行组合计算 会大大增 加计算量 导致计算速度缓慢 难以满足实时性 的要求 本文利用地区电网的特点来减少计算量 地区电网中的等值阻抗一般都为辐射状支路 而 切除辐射状支路时 会使助增系数减少 分支系 数增大 17 18 当等值阻抗由大方式切换到小方式 时 可以认为是切除了等值阻抗的一个并联支路 因此同样会使助增系数减少 分支系数增大 在 宜宾电网系统上进行的大量计算 验证了该结论 的正确性 如表 5 是某一等值阻抗大 小方式下 的部分零序分支系数 表表 5 5 大小方式下的零序分支系数比较大小方式下的零序分支系数比较 Tab 5Tab 5 ComparisonComparison ofof zero sequencezero sequence branchbranch confidenceconfidence betweenbetween inin smallsmall modemode andand inin bigbig modemode 序 号 某等值阻抗大方式 下的零序分支系数 某等值阻抗小方式下 的零序分支系数 10 8168400 824847 20 8175180 825534 30 0965190 123057 40 8168400 824847 50 8175180 825534 表表 6 6 等值阻抗大小方式选择等值阻抗大小方式选择 Tab 6Tab 6 ModeMode selectionselection forfor equivalentequivalent impedanceimpedance 保护定值整定计算时等值 阻抗的大小方式选择 全部大 方式 全部小方 式 零序保护校核灵敏度 零序保护一段躲末端故障 零序保护配合计算 距离保护配合计算 离线整定进行零序保护的配合计算时要在分 支系数最大的方式下计算 本文虽然不再采用分 支系数 但同样要求各种故障情况的最大值如式 2 当分支系数增大时也会增大 因此也 j DZ I 应该在分支系数最大的方式下计算 类似 距离 保护的配合要在助增系数最小的方式下计算 因 此 可以按照表 6 进行计算 这样只需要计算 2 种方式 计算量仅仅增加 1 倍 外网模型按照大小方式计算 会对等值模型 附近的保护定值有一定的影响 会降低它们的动 作性能 但在目前来讲 这是不得已的办法 随 着外网在线动态等值系统 19 的推广应用 这个问 题就可以得到完满解决 4 现场应用情况 在线整定避免了运行方式的不确定性对保护 定值性能的不利影响 可以明显提高保护的性能 本文对宜宾地区电网在线整定的定值和系统 原有离线整定的定值进行了比较 如图 6 图 7 和 图 8 分别比较了在线整定定值 图中灰色竖条 和 离线整定定值 图中黑色竖条 的灵敏度平均值 失配数目与保护延时平均值 丛左到右的保护分 别是零序电流二段 零序电流三段 接地距离二 段 接地距离三段 相间距离二段和相间距离三 段 可以看出 在线整定定值比离线整定定值的 性能大大提高 灵敏度高 失配保护少 延时短 图图 6 6 保保护护灵灵敏敏度度平平均均值值 Fig 6Fig 6 AverageAverage sensitivitysensitivity ofof relayrelay 第 6 页 共 8 页 图图 7 7 失失配配保保护护数数目目 F Fi ig g 7 7 N Nu um mb be er r o of f r re el la ay y m mi is sm ma at tc ch h 图图 8 8 保保护护延延时时平平均均值值 Fig 8Fig 8 AverageAverage timetime delaydelay ofof relayrelay 宜宾地区电网保护定值在线整定系统已经投 入试运行 系统自动监视电网状态 当发现电网 变化后给出报警并自动启动计算 整定出适合当 前电网状态的定值 定值更新仍然采用经继保工 作人员确认后下发定值单的方式 随着保护通道 建设的完善 将来可以扩展出自动更新保护定值 到保护装置的功能 为了避免频繁的刷新定值 在线整定时可选 择考虑部分厂站的 N 1 检修方式 即某厂站中 1 条线路或 1 台变压器检修 但考虑部分厂站 N 1 检修方式必然会降低保护定值的性能 而且考虑 的运行方式越多 保护定值性能受的影响越大 因此在线整定该考虑多少运行方式值得进一步研 究 5 结语 本文介绍了基于 TH2100 EMS DTS 一体化系统 开发的保护定值在线整定系统 1 在线整定比离线整定对计算精确度的要求 更高 本文采取了精确的故障计算模型 并且通 过沿线逐点计算来确定保护的定值 避免了离线 整定中引入分支系数带来的计算误差 2 在线整定比离线整定对计算速度的要求更 高 本文分析了电网局部变化对保护定值的影响 通过实际算例说明了各种电网局部变化对保护定 值的影响都是局部的 采用了窗口技术 大大提高 了在线整定的计算速度 以满足在线应用的实时 性要求 3 在现场应用中遇到了难以获取整个电网的 实时运行状态的困难 本文通过采取措施加以解 决 提高了系统的可用性和易用性 现场应用算 例表明 在线整定定值比离线整定定值的性能大 大提高 参考文献 1 曹国臣 蔡国伟 王海军 继电保护整定计算方法存 在的问题与解决对策 J 中国电机工程学报 2003 23 10 51 56 Cao Guochen Cai Guowei Wang Haijun Problems And Solutions In Relay Setting And Coordination J Proceedings of The CSEE 2003 23 10 51 5 in Chinese 2 王慧芳 继电保护整定计算软件中的若干问题分析 J 继电器 2006 34 12 14 18 Wang Hui Fang On Some Problems About Protection Setting Calculation Software J Relay 2006 34 12 14 18 in Chinese 3 吕颖 孙宏斌 张伯明等 在线继电保护智能预警系 统的开发 J 电力系统自动化 2006 30 4 1 5 Lv Ying Sun Hong Bin Zhang Bo Ming Et Al Research And Development of An Online Intelligent Early Warning System of Protective Relaying J Automation of Electric Power Systems 2006 30 4 1 5 in Chinese 4 吕颖 张伯明 基于集群计算机的保护定值在线校核 J 电力系统自动化 2007 32 14 1 5 Lv Ying Zhang Bo Ming Online Relay Setting Check Based Computer Cluster J Automation of Electric Power Systems 2007 32 14 1 5 in Chinese 5 蔡斌 吴素农 王诗明等 电网在线安全稳定分析和 预警系统 J 电网技术 2007 31 2 36 41 Cai Bin Wu Su nong Wang Shi ming et al Power Grid On line Security and Stability Analysis and Forewarning System J Power System Technology 2007 31 2 36 41 in Chinese 6 曹国臣 韩蕾 祝滨 大电网分布式自适应继电保护 第 7 页 共 8 页 系统的实现方法 J 电力系统自动化 2000 24 13 19 22 Cao Guo chen Han Lei Zhu Bin Method of Adaptive Protection Systems With Distributed Structure For Large Scale Transmission Network J Automation of Electric Power Systems 2000 24 13 19 22 in Chinese 7 曾耿晖 刘玮 继电保护在线整定系统的探讨 J 继 电器 2004 32 17 38 42 Zeng Geng Hui Liu Wei Discussion About On Line Coordination Systems of Relay Protection In Power System J Relay 2004 32 17 38 42 in Chinese 8 朱永利 宋少群 基于广域网和多智能体的自适应协 调保护系统的研究 J 中国电机工程学报 2006