距离保护整定计算

本本 科科 毕毕 业业 设设 计 论计 论 文 文 继电保护整定计算的分析与研究 距离保护整定计算 指 导 老 师 学号 二 一二年六月二 一二年六月 中国中国 南京南京 摘要 摘摘 要要 继电保护是电力系统安全运行的防护线 继电保护的整定计算是继电保护 装置正确动作的关键 随着电力系统的快速发展 电力系统的网络构成日趋复 杂 继电保护的整定也越来越复杂 而且更费时费力 也更容易出错 规范继 电保护整定计算 提高继电保护整定计算水平对于减少设备事故或杜绝事故的 发生具有深刻的意义 如果能成功编制一款软件 该软件能够在各种各样的系 统运行方式下 根据整定原则计算出继电保护装置的整定值 使装置正确动作 那么将很大程度上减少工作人员的工作量 使工作效率大大提高 本文以三段式距离保护为例 介绍了如何利用软件开发工具 Matlab 编制三 段式距离保护软件 主要使用了 Matlab 的 GUI 图形用户界面 功能将距离保护 整定计算划分成五个模块 用户通过这些模块的提示 能准确快速地计算出整 个网络的继电保护装置的整定值 并且用户还可以根据系统运行方式的变化修 改整定计算算法 使整定值能够适用于多种不同的运行方式 实现了整定计算 过程的自动化和智能化 关键词关键词 继电保护 距离保护 整定计算 Matlab Abstract I Abstract Relay protection is the line of defence of safety operation of the power system Setting calculation of relay protection is the key to the right action of relay protection devices With the development of power system power system network is becoming more and more complex the relay protection is becoming more and more complex and more time consuming and laborious but also more prone to error Specification for and raise the level of setting calculation of relay protection has profound significance on the reduction of equipment accident and avoiding the happening of accidents If we can successfully develop a piece of software the software can calculate the setting values in various operating mode of the system according to the principles of setting calculation of relay protection device setting value so that the relay protection devices will act correctly It will greatly reduce the workload of staff greatly improve the work efficiency The paper takes three sections distance protection for an example and introduces how to programe the three sections distance protection with the software developing tool Matlab The setting calculation of distance protection is divided into five modules by thhe main function of Matlab GUI graphical user interface Through these modules tips users can accurately and quickly calculate the relay protection device setting values of the entire network and the users can also change the setting calculation algorithm according to the operating mode of the system to makes the setting values can be applied to a variety of different operation modes to realize the setting calculation process automation Key words Relay protection Distance protection Setting calculation Matlab 目录 II 目目 录录 摘 要 I Abstract II 目 录 III 第一章 绪论 1 第一节 电力系统继电保护概述 1 一 继电保护的概念 1 二 继电保护的基本任务与重要性 1 三 继电保护的 4 个基本要求 1 四 继电保护的原理和构成 3 第二节 继电保护的发展简史 3 一 继电保护原理发展史 3 二 继电保护装置发展史 4 三 继电保护整定计算软件的发展与研究 5 第三节 本文所做的工作 6 第二章 电网的距离保护 8 第一节 距离保护简介 8 一 距离保护的概念 8 二 距离保护的构成 8 第二节 距离保护装置的主要元件 阻抗继电器 9 一 偏移圆特性阻抗继电器 9 二 方向圆特性阻抗继电器 10 三 全阻抗圆继电器 11 第三节 距离保护定值配合的基本原则 12 第四节 定值计算的分支系数的选择与计算 13 一 带有助增分支的网络 13 二 带有外汲分支的网络 14 三 助增 外汲分支同时存在的网络 15 目录 III 第五节 距离保护整定计算 15 一 距离保护 I 段整定计算 16 二 距离保护 II 段整定计算 16 三 距离保护 III 段整定计算 17 第六节 对距离保护的评价 19 第三章 整定计算软件的设计与开发 20 第一节 引言 20 第二节 软件开发工具 20 一 Matlab 语言简介 21 二 图形用户界面 GUI 简介 23 第三节 软件设计框架图 23 一 软件结构示意图 23 二 软件功能模块概述 24 三 软件的功能特性 26 第四章 算例结果分析 27 第一节 算例 27 一 手算算例 27 二 软件整定结果 30 第二节 分析及结论 31 第五章 结论 32 第一节工作总结 32 第二节 不足与展望 33 致 谢 34 参考文献 35 河海大学本科毕业设计 论文 0 第一章第一章 绪论绪论 第一节第一节 电力系统继电保护概述电力系统继电保护概述 一 继电保护的概念一 继电保护的概念 当系统一旦发生故障时 保证系统能有选择性的 快速的切除故障的装置 称为继电保护装置 原来实现此功能的装置是由继电器组合来实现的 故称为 继电保护装置 而目前继电器已被电子元件及计算机替代 但仍沿用此名称 在电力部门常用继电保护一词泛指机电保护技术或由各种继电保护装置组成的 继电保护系统 1 二 继电保护的基本任务与重要性二 继电保护的基本任务与重要性 当系统发生短路时可能产生的后果有 经过故障处的很大的短路电流和由 于短路电流击穿空气所产生的电弧 会使故障元件烧坏 当短路电流通过非故 障元件时 由于电流的热效应和电动力的作用 同样也会使得元件过早的损坏 以至缩短了元件的寿命 当短路时 电力系统中部分地区的母线电压将大大降 低 不仅能破坏居民家中小型电器的安全性和稳定性 也会降低工厂生产出来 的精密设备的质量 更严重的是会破坏电力系统并列运行的稳定性 引起系统 震荡 甚至瓦解整个系统 1 3 因此 继电保护的基本任务在于 1 有针对性地将故障元件快速 自动切除 使电力系统快速恢复正常工作 状态 并且使无故障的元件破坏程度减至最少 并最大程度地保证无故障元件 的正常运行 2 如果电力系统中的电气元件有什么不正常工作状态 继电保护能根据运 行维护的要求和设备本身的承受能力 发出报警信号 减掉一部分的负荷或延 时跳闸 3 能根据用户的需求和电网的实际运行情况 尽快自动恢复停电部分的供 电 6 10 因此可以这么说 继电保护是电力系统的重要组成部分 是保证电网安全 稳定运行的重要技术手段 能快速及时地采取故障隔离或告警等措施 以求最 河海大学本科毕业设计 论文 1 大限度地维持系统稳定 保持供电连续性 防止或减轻设备损坏 保障人生安 全 9 三 继电保护的三 继电保护的 4 个基本要求个基本要求 1 可靠性 可靠性含两重意思 分别是安全性和信赖性 安全性是指继电保护在保护 范围外不动作 不发生误动作 信赖性是指当发生故障在规定的保护范围内时 继电保护应该立即动作 继电保护性能的最根本要求就是可靠性 4 6 2 选择性 继电保护的选择性是指元件处于不正常工作状态时 继电保护装置应该在 保证最大范围内的供电得到满足的前提下 将故障元件从电力系统中切除断开 它包含了两种意思 第一种是应该只能由装在故障元件上的保护装置先动作切 除故障 第二种是无论故障元件上的保护装置是否动作或者拒动 相邻元件都 应该对它起到后备作用 6 3 速动性 继电保护的速动性是指尽可能快地切除故障 保证电力系统在异常工作时 产生的短路电流或者低电压对居民生活和工厂生产出来的产品质量不造成影响 同时也是为了使电力系统维持稳定 7 21 例如 在国家现在大力发展的超高压 及高压电网中 继电保护能否快速地动作是决定电力系统的暂态稳定的关键性 因素 如果故障切除得不及时 电力系统将失稳 就不得不解列 4 灵敏性 继电保护的灵敏性是指对故障或不正常运行状态的反应能力 在其保护范 围内 对各种各样性质的故障都能敏锐感觉 正确反应 参照 GB14285 2006 继电保护和安全自动装置技术规程 一书中 保护的灵敏系数的要求如 下 主保护 1 5 2 0 近后备 1 3 1 5 远后备 1 2 9 继电保护的四个要求是评价和研究继电保护的基础 它们之间既相辅相成 又存在矛盾 如何能科学地研究设计继电保护 使继电保护的四个基本要求都 能得到满足 是设计继电保护软件或者装置的核心 也是基本准则 河海大学本科毕业设计 论文 2 四 继电保护的原理和构成四 继电保护的原理和构成 电力系统的每个元件都有其特征值 当系统有短路或不正常工作状态发生 时 这些元件的特征值 电流 电压等 超出电力系统所规定的值 就会对电 力设备和系统稳定性造成威胁 当系统发生故障时 最容易发现的现象是电流大幅度提高 因此 继电保 护的第一个原理就是体现电流剧增这一特征 即熔断器保护和过电流保护 而 发生故障时的另一显著现象就是电压大幅度减少 体现这一特征有低电压保护 而同时体现出电压降低和电流增大的一种保护为距离保护 距离保护根据测量 阻抗值的大小来测算出故障点离距离保护装置的距离 是否在动作范围内 再 决定保护是否动作 5 8 近些年来 电力系统快速发展 随之而来的是各种辐射型电网 环型电网 也相继大面积地出现并接入融合到电网中 使电网拓扑结构日益复杂 同时随 着供电需求不断提高 机组容量也不断增加 而为了使资源进一步得到优化配 置 高电压电网的发展也形成趋势 那么对继电保护装置的要求当然也会相应 提高 因而也促进了继电保护的发展 与此同时 保护的新原理 新装置不断 问世 5 继电保护装置由测量部分 定值调整部分 逻辑部分和执行部分构成 如 图 1 1 测量部分的作用是将在故障点测得的信号与给定的整定值相比较 决 定保护是否动作 定值调整部分是根据整定的具体条件将定值调整成符合继电 保护要求的值 逻辑部分是控制保护装置合理有序地工作 然后作出保护是否 动作的判断 最后由执行部分发出报警或跳闸信号 1 测测量量 部部分分 定定值值 调调整整 部部分分 逻逻辑辑 部部分分 执执行行 部部分分 相相应应输输入入量量跳跳闸闸或或信信号号 图 1 1 继电保护装置的组成方框图 河海大学本科毕业设计 论文 3 第二节第二节 继电保护的发展简史继电保护的发展简史 一 继电保护原理发展史一 继电保护原理发展史 1 19 世纪 90 年代出现了装于断路器上并直接作用于断路器的一次式的电 磁型过电流继电器 4 2 901 年出现了感应型过电流继电器 3 1908 年提出比较被保护元件两端电流的差动保护原理 4 1910 年方向保护得到运用 5 1920 年前后距离保护出现 6 1927 年前后出现了利用高压输电线路上高频载波电流传送和比较输电线 路两端功率方向或电流相位的高频保护装置 7 1950 年前后出现了利用微波传送电量的微波保护 8 1970 年前后诞生了行波保护装置 20 21 25 29 二 继电保护装置发展史二 继电保护装置发展史 1 机电式继电器 上世纪 50 年代以前 以电磁型 感应型 电动型继电 器为主 都具有机械转动部分 优点 运用广 积累了丰富的运行经验 技术比较成熟 缺点 体积大 功耗大 动作速度慢 机械转动部分和触点易磨损或粘连 调试维护复杂 2 晶体管式机电保护装置 第一代电子式静态保护装置 50 年代开始发 展 70 年代得到广泛应用 优点 解决了机电式继电器存在的缺点 缺点 易受外界电磁干扰 在初期经常出现 误动 的情况 可靠性稍差 3 集中电路继电保护装置 第二代电子式静态保护装置 80 年代后期出 河海大学本科毕业设计 论文 4 现 将数十个甚至更多的晶体管集中在一个半导体芯片上 优点 体积更小 工作更可靠 4 微机保护 90 年代后 已大量投入使用 成为机电保护装置的主要趋势 可以说微机保护代表着电力系统机电保护的未来 目前已成为电力系统保护 控制 运行调度及事故处理的统一计算机系统的组成部分 优点 具有强大健壮的整定计算 分析和逻辑判断能力 有存储记忆功能 因而可以实现各种功能完好的保护原理 微机保护拥有自检查功能 可靠性高 可用同一个硬件实现不同的保护功能 制造相对简单 功能强大 22 25 28 30 三 继电保护整定计算软件的发展与研究三 继电保护整定计算软件的发展与研究 早期对继电保护装置只能逐一地计算出整定值 并且当运行方式变化时 又不得不重新按照整定规则再计算一遍 这样重复繁琐的工作令工作人员感到 枯燥乏味 并且效率及其低 准确率也低 从 70 年代开始 人们就将数字计算 机引入到继电保护中来做这些重复的工作 尽管这样大大减少了工作人员的计 算工程量 但继电保护的整定仍然需要人工方式 并且大多数情况下 要工作 人员选取查找故障程序 而且要在庞大的数据中调整计算的内容 查找整定的 结果 也是一件相当耗时费事的事 同时 这种计算方法对实际复杂多变的电 网运行方式作了简化 根本无法正确反应出实际电网的情况 也无法有选择性 地切除故障 不能满足生产的需要 26 27 目前普遍存在于继电保护软件中的问题如 计算效率慢 整定结果不准确 都没有从根本上得到解决 而且 国内的大多数软件只是实现了对整定计算过 程用计算机实现 即只是将以前需要用人工方式计算出的整定步骤换作由计算 机来进行数据运算 简而言之 就是在很大程度上减少了计算工作量 但软件 的系统功能 自动化程度根本不满足现在智能电网发展的要求 同时 由于当 时计算机技术的水平 软件中的程序分类和构成 数据存储模块 人机界面等 模块都还存在很多的不足 并且这些软件大多是针对超高压及高压等级的电网 开发的 或者只是针对地区电网开发的 或者只是针对某个电厂开发的整定计 算软件 因此根据上述对象开发的软件 通用性和灵活性较差 无法移植 23 综合软件的实际应用情况 主要的缺陷如下 河海大学本科毕业设计 论文 5 1 软件中的电网的运行方式预先被设置好 无法改变 无法根据实际的情 况改变软件中的运行方式 因此各段的整定值只是由计算机通过循环出来的结 果 结果跟实际手算的结果有很大的不同 不可信 2 软件无法自动地提供电力系统的拓扑结构类型 判断出特别的接线方式 选择运行方式 确定保护之间的配合关系等 缺乏自动化 智能化的能力 这 些整定计算过程中的因素仍需要用户指定 并且不能提供多样性的整定原则和 丰富的定值调整手段 图形界面不够简洁明了等 3 电网的原始参数和故障分析数据创建与输入要形成固定格式的数据文件 对数据输入的形式有诸多刻板的要求 使用人员需经过一段时间的培训学习才 能上手 整定值的校验只能通过灵敏系数才能判断正确与否 最棘手的是 工 作人员无法校验出远后备 保护定值配合是否满足实际情况 4 继电保护管理流程控制功能还不具体完善 针对以上几个问题 开发研制出一套能反映实际电网拓扑结构 对故障部 分快速作出分析 拥有良好图形用户界面的继电保护整定软件是十分必要的 这个软件能将电网的实际情况及故障时的情况通过图形化直接展示在继电保护 工作人员面前 同时工作人员通过软件的功能模块对故障进行仿真 来校验保 护的整定值 并能通过工作流程平台对保护定值单形成一套系统有序的管理 9 17 第三节第三节 本文所做的工作本文所做的工作 本文通过研究继电保护软件发展和存在的缺陷 再结合继电保护软件的开 发现状 针对 110kV 高压电网的实际情况和特点 借助于软件开发工具 Matlab 所提供的 GUI 可视化编程环境和 Matlab 本身所具有的强大的编程及数据管理功 能 开发一套适用于多种运行方式的电网的距离保护整定计算软件 并力求该 软件具有通用性 精确性和校验性 同时该软件也为用户提供一个友好界面 实用性强的整定计算软件平台 本文所作的主要工作如下 1 在查阅大量书籍与资料的基础上 了解了继电保护对电力系统的重要性 河海大学本科毕业设计 论文 6 继电保护的基本任务及要求及继电保护的发展历程 2 通过阅读大量书籍与资料 对高压电网线路距离保护的特点 性能以及 三段式距离保护整定计算的原则作了总结 3 对软件开发工具 Matlab 所提供的 GUI 图形用户界面进行研究 并能熟 练运用 11 4 对距离保护整定计算软件体系结构及各模块的功能进行了研究与设计 完成了整定计算软件的功能 5 在一定程度上 解决了距离保护软件的通用性问题 本软件 只针对辐射性电网作研究 提供了四种电力系统运行方式的选择 有 不存在分支系数的网络 带有外汲分支网络 带有助增分支的网络 外汲 助增分支同时存在的网络 用户也可以根据实际的运行方式对嵌套在软件中的 程序的算法法则及计算公式作修改 来满足电网的不同情况 因此在也可以说 有一定程度的通用性 10 12 河海大学本科毕业设计 论文 7 第二章第二章 电网的距离保护电网的距离保护 第一节第一节 距离保护简介距离保护简介 一 距离保护的概念一 距离保护的概念 距离保护是利用短路发生时电压 电流同时变化的特征 测量电压比电流 的比值 该比值反应故障点到保护安装处的距离 如果短路点距离小于整定值 则动作的保护 由于距离保护同时利用了元件的两个参数 电流和电压 因此 比起过电流保护和低电压 距离保护区更加稳定 不易受到运行方式变化的影 响 距离保护在超高压及高压系统的线路保护中 占有极其重要的地位 1 3 二 距离保护的构成二 距离保护的构成 距离保护包括启动 测量 振荡闭锁 电压回路断线闭锁 配合逻辑和出 口等几部分 1 启动部分 启动部分用来判断电力系统是否发生故障 电力系统正常运行时 启动不 动作 距离保护装置的测量 逻辑等部分不投入工作 而当作远后备保护的范 围内末端发生故障时 启动部分就灵敏 快速动作 使整套保护迅速投入工作 2 测量部分 测量部分是用来判断系统发生故障时 故障点离距离保护装置处的距离和 方向 如果在装置的保护范围内 就发生动作信号 如果在保护范围外 距离 河海大学本科毕业设计 论文 8 保护装置就不动作 测量部分是整定距离保护的核心 3 振荡闭锁部分 当电力系统发生的振荡 系统的电压和电流会周期性变化像发生了短路现 象一样 导致装置误动作 而实际上振荡不是短路 距离保护应不动作 为了 防止保护误动作 振荡闭锁部分必须判断出系统是否振荡 如果是 应该立即 闭锁保护 4 电压回路断线部分 当电压回路断线时 保护测量的电压值一般情况下会降低甚至为零 这样 就会使得阻抗值偏低 导致距离测量元件发生误动作 应该将保护闭锁 5 配合逻辑部分 配合逻辑部分的作用是协调整合距离保护中各个部分之间的工作关系以及 三段式距离保护中各段之间的时间配合 6 出口部分 出口部分由跳闸出口和信号出口组成 当距离保护动作时 跳闸回路动作 接通相应的电路并发出相应的信号 5 8 第二节第二节 距离保护装置的主要元件距离保护装置的主要元件 阻抗继电器阻抗继电器 阻抗继电器是距离保护装置的主要元件 它是反映从故障点至保护安装处 之间阻抗值大小的测量元件 通常称为阻抗继电器 阻抗继电器的主要特点是 当线路发生故障时 测得的阻抗值可以直接表示在阻抗 或导纳 复数平面上 将动作时的阻抗值都表示在复数平面上 就形成了特性曲线 我们将这些特性 曲线表示成通入到继电器的电压与电流的某种函数关系 这个函数就称作继电 器的特性动作方程 同时由于继电器的构造不同 形成的曲线形状也不同 一 般常用的是圆 直线 椭圆 平行四边形等形状的曲线 而圆特性曲线也可以 构成带有方向性的特性曲线 1 6 下面就选取阻抗继电器中的圆特性阻抗继电器 作介绍 河海大学本科毕业设计 论文 9 一 偏移圆特性阻抗继电器一 偏移圆特性阻抗继电器 偏移圆特性阻抗继电器的动作区域如图 2 1 所示 它有两个整定阻抗 正 方向整定阻抗 Zset1 和反方向整定阻抗 Zset2 两整定阻抗对应矢量末端的连线 就是特性圆的直径 特性圆包含坐标原点 圆心位于 半径为 12 1 2 setset ZZ 圆内为动作区 圆外为非动作区 当测量阻抗正好落在圆周上 12 1 2 setset ZZ 时 阻抗继电器临界动作 对于该特性的动作方程 可以有两种不同的表达形式 一种是比较两个量 大小的绝对值比较原理表达式 另一种是比较两个量相位的相位比较原理表达 式 分别称为绝对值 或幅值 比较动作方程和相位比较动作方程 jX R 0 Z Zs se et t1 1 Z Zs se et t2 2 Z Zm m 图2 1 偏移圆特性 1 绝对值比较原理 当测量阻抗落在圆内或圆周上时 末端到圆心的距离一定小于或等 m Z m Z 于圆的半径 而当测量阻抗落在圆外时 末端到圆心的距离一定大于圆 m Z m Z 的半径 所以动作条件可以表示为 2 1212 11 22 msetsetsetset ZZZZZ 1 2 相位比较动作方程 河海大学本科毕业设计 论文 10 测量元件的动作条件可以表示为 2 1 2 90arg90 setm mset ZZ ZZ 2 偏移圆特性的阻抗元件通常用于在距离保护的后备段 如第 III 段 中 1 13 二 方向圆特性阻抗继电器二 方向圆特性阻抗继电器 在上述的的偏移圆特性中 如果令 0 则动作特性就变化 2set Z 1set Z set Z 成方向圆特性 动作区域如图 2 2 所示 特性圆经过坐标原点处 圆心位于 处 半径为 1 2 set Z 1 2 set Z j jX X R R 0 0 Zset Z Zm m 0 5Zset 图2 2 方向圆特性 1 绝对值比较原理 将 0 代入式 2 1 可以得到方向圆特性的绝对值比较动作 2set Z 1set Z set Z 方程为 2 1 11 22 msetset ZZZ 河海大学本科毕业设计 论文 11 3 2 相位比较方程 将 0 代入式 2 2 可以得到方向圆特性的相位比较方程为 2set Z 1set Z set Z 2 90arg90 setm m ZZ Z 4 方向圆特性的阻抗元件一般用于距离保护的主保护段 I 段和 II 段 中 1 13 三 全阻抗圆继电器三 全阻抗圆继电器 在上述的的偏移圆特性中 如果令 则动作特性就 2set Z set Z 1set Z set Z 变化成全阻抗圆特性 动作区域如图 2 3 所示 特性圆的圆心位于坐标原点处 半径为 set Z j jX X R R 0 Z Zs se et t 图 2 3 全阻抗圆特性 1 绝对值比较原理 将 代入式 2 1 可以得到全阻抗圆特性的绝对值比 2set Z set Z 1set Z set Z 较动作方程为 2 mset ZZ 河海大学本科毕业设计 论文 12 5 2 相位比较方程 将 代入式 2 2 可以得到全阻抗圆特性的相位比较 2set Z set Z 1set Z set Z 动作方程为 2 90arg90 setm mset ZZ ZZ 6 全阻抗圆特性在各个方向上的动作阻抗都相同 它在正向或反向故障的情 况下具有相同的保护区 即阻抗元件本身不具有方向性 全阻抗圆特性的阻抗 元件可以应用于单侧电源的系统中 当应用于多侧电源系统中时 应与方向元 件相配合 1 13 14 第三节第三节 距离保护定值配合的基本原则距离保护定值配合的基本原则 距离保护定值配合的基本原则如下 1 距离保护装置具有阶梯式特性时 其相邻上 下级保护段之间应该逐级 配合 即两配合段之间应在动作时间及保护范围上互相配合 距离保护也应与 上 下相邻的其他保护装置在动作时间及保护范围上相配合 例如 当相邻为 发电机变压器组时 应与其过电流保护相配合 当相邻为变压器或线路时 若 装设电流 电压保护 则应与电流 电压保护之动作时间及保护范围相配合 3 2 在某些特殊情况下 为了提高保护某段的灵敏度 或为了加速某段保护 切除故障的时间 采用所谓 非选择性动作 再由重合闸加以纠正 的措施 例如 当某一较长线路的中间接有分支变压器时 线路距离保护装置第 I 段可 允许按伸入至分支变压器内部整定 即可仍按所保护线路总阻抗的 80 85 计 算 但应躲开分支变压器低压母线故障 当变压器内部发生故障时 线路距离 保护第 I 段可能与变压器差动保护同时动作 因变压器差动保护设有出口跳闸自 保护回路 而由线路自动重合闸加以纠正 使供电线路恢复正常供电 1 河海大学本科毕业设计 论文 13 3 采用重合闸后加速方式达到保护配合的目的 采用重合闸后加速方式 除了加速故障切除 以减小时电力设备的破坏程度外 还可借以保证保护动作 的选择性 2 第四节第四节 定值计算的分支系数的选择与计算定值计算的分支系数的选择与计算 对于分支系数的计算 应结合系统实际运行中可能出现的运行方式 选取 既符合安全运行要求而又合理的情况下的数值 现介绍几种常见的情况如下 一 带有助增分支的网络一 带有助增分支的网络 带有助增电源的网络 如图 2 4 ABC K XS1 XS2 3 I 1 I 2 I 21 图 2 4 有助增电源的网络 当相邻保护之间有分支电路时 保护安装处测量阻抗将随分支电流的变化 而变化 因此应考虑分支系数对测量阻抗的影响 如图线路 B C 上 k 点短路时 断路器 2 处的距离保护测量阻抗为 5 2 A1A BB2 m2A BKA BbK 111 UI ZU ZZZZK Z II I I 7 2 3S2AB2 b 11S1S2AB 1 1 IXXI K IIXXX 8 式中 母线 A B 测量电压 A U B U ZA B 线路 A B 的正序阻抗 河海大学本科毕业设计 论文 14 Zk 短路点到保护安装处线路的正序阻抗 Kb 分支系数 对如图所示网络 显然 Kb 1 此时测量阻抗 Zm2大于短路点到保护安装处 之间的线路阻抗 ZA B Zk 这种使测量阻抗变大的分支称为助增分支 I3称为助 增电流 二 带有外汲分支的网络二 带有外汲分支的网络 带有外汲分支线的网络 如图 2 5 ABC K XS1 3 I 1 I 2 I 21 图 2 5 有外汲分支线的网络 当线路 B C 上 k 点短路时 这里 2 2 b 1 I K I BC BC 10 15 1 15 22 Z Z 9 显然 Kb 1 使得保护 2 处的测量阻抗 Zm2 小于短路点到保护安装处之 间的线路阻抗 ZA B Zk 这种使测量阻抗变小的分支称为外汲分支 I3称为外 汲电流 1 5 三 三 助增 外汲分支同时存在的网络助增 外汲分支同时存在的网络 助增 外汲分支线同时存在的网络 如图 2 6 河海大学本科毕业设计 论文 15 ABC k1 XS1 XS2 3 I 1 I 2 I 21 k2 图 2 6 助增 外汲分支线同时存在的网络图 当如图所示 k1 点短路时 这时 2 S1ABS2BCS1AB2 b 1S2BCS2 Z 10 15 Z1 15 1 22 XXZXI K IXZX 10 k2 点短路时 这时 2 S1ABS2S1AB2 b 1S2S2 Z Z 1 XXXI K IXX 11 综上 系统的运行方式不同 分支系数也不同 分支系数的计算与距离保 护整定值的正确与否密切相关 它不仅直接关系到距离保护范围的大小 是距 离继电器能否动作的关键 也关系到距离保护三段之间的配合及灵敏系数 根 据运行方式正确地选取及计算分支系数 是进行距离保护整定计算的一项重要 工作内容 1 分支系数的选取及计算也有其原则 在计算整定值时 要使分支 系数取得最小值 在校验检测灵敏系数时 要使分支系数取得最大值 在计算 时 允许不考虑分支负荷电流的影响 只有当分支负荷电流较大 对于按负荷 电流大小整定的某些保护段 如距离保护的第 III 段 或者有必要精确计算时 才 考虑分支负荷电流的影响 3 5 第五节第五节 距离保护整定计算距离保护整定计算 河海大学本科毕业设计 论文 16 一 距离保护一 距离保护 I 段整定计算段整定计算 距离保护 I 段为无延时的速动段 只反应本线路的故障 整定阻抗应躲过 本线路末端短路时的测量阻抗 考虑到阻抗继电器和电流 电压互感器的误差 须引入可靠系数 Krel 对断路器 2 处的距离保护 I 段定值 2 II set 2relA B1 ZK Lz 12 式中 LA B 被保护线路的长度 z1 被保护线路单位长度的正序阻抗 km KIrel 可靠系数 由于距离保护属于欠量保护 所以可靠系数取 0 8 0 85 1 21 二 距离保护二 距离保护 II 段整定计算段整定计算 距离保护 I 段只能保护线路全长的 80 85 需设置 II 段保护 整定阻 抗应与相邻线路或变压器保护 I 段配合 1 整定阻抗的计算 与相邻线路距离保护 I 段保护相配合 为了保证在下级线路上发生故障 时 上级线路保护处的保护 II 段不至于越级跳闸 其 II 段的动作范围不应该超 出下级线路的 I 段的动作范围 保护 2 处的测量阻抗为 2 II 2 m2A Bset 1A Bbset 1 1 I ZZZZK Z I 13 按照选择性要求 此时保护不应动作 考虑到运行方式的变化影响 分支 系数应取最小值 引入可靠系数 距离 II 段的整定阻抗为 bmin K II rel K 2 IIIII set 2relA Bb minset 1 ZKZKZ 14 式中 可靠系数 与相邻线路配合时取 0 80 0 85 II rel K 若与相邻变压器配合 当被保护线路的末端母线接有变压器时 距离 II 段应与变压器的快速保护 一般是变压器差动保护 相配合 其动作范围不应超 出变压器快速保护的范围 则整定计算公式为 河海大学本科毕业设计 论文 17 2 IIII set 2relA Bb minT ZKZKZ 15 式中 可靠系数取 0 70 0 75 为相邻变压器阻抗 II rel K T Z 距离 II 段的整定阻抗应分别按照上述两种情况进行计算 取其中的较小者 作为整定阻抗 2 灵敏度的校验 距离保护 II 段应能保护线路的全长 并有足够的灵敏度 要求灵敏系数应 满足 2 II set 2 sen A B 1 3 Z K Z 16 如果灵敏度不满足要求 则距离保护 II 段应与相邻元件的保护 II 段相配合 以提高保护动作灵敏度 3 动作时限的整定 距离 II 段的动作时限 应比与之配合的相邻元件保护动作时间高出一个时 间级差 t 动作时限整定为 2 II x 2i ttt 17 式中 与本保护配合的相邻元件保护 I 段或 II 段最大动作时间 1 20 x i t 三 距离保护三 距离保护 III 段整定计算段整定计算 1 整定阻抗计算 距离保护 III 段的整定阻抗 按以后几个原则计算 与相邻下级线路距离保护 II 或 III 段配合整定 2 IIIIII x set 2relA Bb minset 1 ZKZKZ 18 式中 与本保护配合的相邻元件保护 II 段或 III 段整定阻抗 x set 1 Z 与相邻下级线路或变压器的电流 电压保护配合整定 河海大学本科毕业设计 论文 18 2 IIIIII set 2relA Bb minmin ZKZKZ 19 式中 相邻元件电流 电压保护的最小保护范围对应的阻抗值 min Z 躲过正常运行时的最小负荷阻抗整定 当线路上负荷最大且母线电压最低时 负荷阻抗最小 其值为 2 L minN L min L maxL max 0 90 95 UU Z II 20 式中 母线额定电压 N U 正常运行母线电压的最低值 L min U 被保护线路最大负荷电流 L max I 与过电流保护相同 由于距离 III 段的动作范围大 需要考虑电动机自启动 时保护的返回问题 采用全阻抗继电器时 整定阻抗为 2 III set 2L min relssre 1 Z Z K K K 21 式中 Krel 可靠系数 一般取 1 2 1 25 Kss 电动机自启动系数 取 1 5 2 5 Kre 阻抗测量元件的返回系数 取 1 15 1 25 若采用全阻抗继电器保护的灵敏度不能满足要求 可以采用方向阻抗继电 器 考虑到方向阻抗继电器的动作阻抗随阻抗角变化 整定阻抗计算如下 2 III L min set 2 relssresetL cos Z Z K K K 22 式中 整定阻抗的阻抗角 set 负荷阻抗的阻抗角 L 按上述三个原则计算 取其中较小者为距离保护 III 段的整定阻抗 2 灵敏度的校验 河海大学本科毕业设计 论文 19 距离 III 段既作为本线路保护 I II 段的近后备 又作为相邻下级设备的远 后备保护 并满足灵敏度的要求 作为本线路近后备保护时 按本线路末端短路校验 计算公式如下 2 III set 2 sen 1 A B 1 5 Z K Z 23 作为相邻元件或设备的近后备保护时 按相邻元件末端短路校验 计算 公式如下 2 III set 2 sen 2 A Bb maxnext 1 2 Z K ZKZ 24 式中 Kb max 分支系数最大值 Znext 相邻设备 线路 变压器等 的阻抗 3 动作时间的整定 距离 III 段的动作时限 应比与之配合的相邻元件保护动作时间 相邻 II 段或 III 段 高出一个时间级差 t 动作时限整定为 2 III x 2i ttt 25 式中 与本保护配合的相邻元件保护 II 段或 III 段最大动作时间 1 17 19 x i t 第六节第六节 对距离保护的评价对距离保护的评价 对距离保护可以作出如下的评价 1 当系统发生短路时 由于电压降低 电流增大的变化特征被同时利用到 了距离保护中 使得距离保护继电器的测量阻抗值更加可信 也使得保护范围 更加稳定 灵敏系数高 同时电网多变的运行方式对距离保护的影响不大 而 河海大学本科毕业设计 论文 20 且距离保护与电流保护相比 更适用于多侧电源的高压及超高压电力系统中 2 基于距离保护只测取了线路一侧短路时的电流和电压 根据可靠系数距 离保护 I 段的整定范围为线路全长的 80 85 这样就导致在双侧电源线路中 剩余的 30 40 的区域内故障时 只有一侧的保护能无延时地动作 另一侧保 护需经 0 5 秒的延时后跳闸 而延时跳闸对 220kV 及以上电压等级的线路来说 如不能快速切除故障 将使电力系统稳定性遭到破坏 3 距离保护的阻抗测量原理 不仅可以应用于输电线路的保护 还可以应 用于发电机 变压器保护中 一般作为大型贵重设备的后备保护 4 相对于电流 电压保护来说 距离保护的构成 接线和算法都比较复杂 装置自身的可靠性稍差一些 河海大学本科毕业设计 论文 21 第三章第三章 整定计算软件的设计与开发整定计算软件的设计与开发 第一节第一节 引言引言 随着智能电网在全国的新兴 继电保护也已经进入微机保护时代 保护的 各种动作原理主要用软件及程序来实现 针对第一章中提到的继电保护软件中 存在的问题 充分利用计算机软件开发技术 开发了一套方便 实用的继电保 护整定计算软件是十分必要的 它将在一定程度上实现继电保护的计算的自动 化和智能化 8 10 本章节以距离保护为例研究了如何利用软件开发工具 Matlab 建立微机保护 软件 从而实现保护的实时性 详细阐述了建立距离保护模块的过程 并将保 护算法集中在程序中 不仅可以对保护算法进行验证 还可以通过修改距离保 护程序构成基于其他保护原理的保护模块 因而所创建的软件具有通用性 可 用于验证各种保护原理 具有一定的推广价值 11 基于 Matlab 所建立的三段式距离保护软件 能够正确反映保护范围内的各 种相间故障 实现了本线路保护和下级线路的后备保护 能够准确快速地计算 出整个网络的继电保护装置的整定值 并且定值能够适用于多种不同的运行方 式 实现整定计算过程的自动化和智能化 12 因此 Matlab 软件提供了方便的仿真验证平台 利用 Matlab 建模结合保护 算法程序能够直观地验证保护原理 有利于新的继电保护算法的研究和开发 第二节第二节 软件开发工具软件开发工具 河海大学本科毕业设计 论文 22 一 一 Matlab 语言简介语言简介 Matlab 语言是当今国际上科学界最具影响力 也是最有活力的软件 它起 源于矩阵运算 并已经发展成一种高度集成的计算机语言 它提供了强大的科 学运算 灵活的程序设计流程 高质量的图形可视化与界面设计 便捷的与其 他程序和语言接口的功能 概括来说 Matlab 语言的特点如下有 1 自带帮助手册 针对初学者来说 Matlab 提供多门学科的帮助手册 用 户可根据自己需要选择学科类别 通过自学就能掌握 Matlab 2 内部函数丰富 Matlab 是在 C 语言基本上发展起来的 它很大程度上涵 盖了 C 语言的函数资源 因此接触过 C 语言的人可以轻松自如地使用 Matlab 的函数库 使编程更加简单 省时 3 简单的编程环境 由于 Matlab 是在 C 语言环境下开发的 它的流程控制 语句 如 for 循环 while 循环 break 语句和 if 语句 与 C 语句差不多 同时 Matlab 具有面向对象的编程环境 初学者能很快上手 Matlab 语言 4 Matlab 语言简洁紧凑 用户在使用数据 矩阵时 不需要预先对数据的 类型或矩阵进行自定义 而且 Matlab 自身就提供一些数学函数 用户可以直接 调用 5 支持多种操作系统 Matlab 程序几乎可以不经修改就可以在很多计算机 的操作系统上运行 这给用户带来了很大的方便 6 Matlab 的图形功能强大 Matlab 拥有强大的图形处理能力 它本身具有 很多绘图的函数库 能够轻易地画出各种学科的二维 三维图 将抽象的数据 可视化 7 与其他软件和语言有良好的对接性 Matlab 与 Fortran basic 和 C 之间都 可以实现很方便的连接 用户只需将已有的 EXE 文件转换成 MEX 文件即可 8 开放的源程序 Matlab 自身携带的核心文件和工具箱 含有大量可读可 改的源文件 用户可以根据自己的需要对其进行修改 构成新的文件加入自己 的工具箱 这受到广大用户的强烈喜爱 9 Matlab 的缺点是 由于 Matlab 是解释性语言 它不用预先进行编译处理 也不能生成可执行的文件 因些和其它高级语言相比 它的执行速度较慢 河海大学本科毕业设计 论文 23 本文所创建的软件是基于 Microsoft Windows XP 操作系统 主要利用 Matlab 强大的编程功能和图形用户界面 GUI 功能设计开发的 该软件是距离保 护定值计算现代化的智能工具 二 图形用户界面二 图形用户界面 GUI 简介简介 GUI GUI Graphical User Interfaces 是由窗口 按键 菜单 文字说明等 对象构成的 运行于 Matlab 平台下的图形用户界面 用户利用一些的方法 选 定 激活特定的图形对象 以实现预期的计算和绘图功能 GUI 就是将抽象的程序执行流程通过它自身提供的人机界面具体地表现出 来的 也就是说 这不仅将程序的功能具体化 可视化 也提供良好的人机对 话窗口 给科研分析设计带来更大的灵活性 13 14 第三节第三节 软件设计框架图软件设计框架图 一 软件结构示意图一 软件结构示意图 根据距离保护整定计算过程 从功能结构上把系统分为五大模块 分别是 系统原始参数输入模块 数据存储模块 整定结果输出模块 阻抗计算主程序 模块和图形用户界面模块 8 9 如图 3 1 系统原始参数输入 图形用户界面 整定结果输出 阻 抗 计 算 主 程 序 整 定 值 计 算 图 3 1 软件结构示意图 河海大学本科毕业设计 论文 24 二 软件功能模块概述二 软件功能模块概述 下面分别就各个模块的功能进行具体介绍 系统原始参数输入模块 系统原始参数输入模块是把电力系统继电保护整定计算所需要的数据参数 输入到软件内的模块 它是整个软件的初始参数 是整个软件适用用各个系统 的基本 图形用户界面模块 图形用户界面模块是用户与软件交流的模块 用户可以通过此模块更好的 灵活的操作和运用此软件 如图 3 2 图 3 2 图形用户界面模块图 整定值计算模块 整定值计算模块是本文的主要的工作 它可以进行相间三段式距离保护的 整定计算 整定值计算主要是从可靠性出发 除了保证可靠性外还需要有足够 的灵敏度 这就需要进行定值校核 一般在最大运行方式下进行定值计算 而 在最小运行方式下校验保护的灵敏度 阻抗计算主程序模块 阻抗计算主程序模块是本软件的核心模块 是进行相间距离保护的整定计 算的算法 通过从输入数据模块输入的数据进行整定计算再从输出界面输出 如图 3 3 河海大学本科毕业设计 论文 25 选择系统运行方式 距离保护I段整定 距离保护