电力系统继电保护故障信息采集及处理系统设计

电力系统继电保护故障信息采集及处理系统设计

摘要

在当前这样的一种时代背景以及经济体制之下，我国的电网规模，不管是从宏观的层面上,

还是从微观的层面上，都是得到了较大程度的发展，变电站不管是从数量上，还是从综合的发展

规模上，都得到了大力的发展，特别是UOkV变电站，对于实现我国的线路的安全发展和安全性

的输送，意义重大。llOkV变电站的安全运行，必须是在当前这样的一种自动化的运营形态和客

观的发展形态的作用之下完成，最终才能够维持良好的状态的。

本文在深入了解相关研究背景，国内外研究现状的基础上，首先对继电保护故障

诊断原理进行深入分析、然后以VisualBasic6.0和SQLServer为开发工具，开发继

电保护故障计算管理信息系统。该系统满足通用性和实用性，实现了系统数据管理、

故障计算、保护整定、系统结构图查询功能。本文首先论述了系统设计的总体结构，

提出了一种可以由用户自定义计算公式的软件体系结构，使故障计算对整定原则具有

自适性。然后介绍了系统计算功能模块，即故障分析模块和保护整定模块设计开发的

理论基础，包括电网常见故障的求解方法、电网设备配置的保护以及自定义故障计算

原则，详细介绍了各个功能模块的设计与开发方法。最后，对故障计算及管理系统的

总体性能进行了全面总结，并对本系统的进一步开发提出了设想和建议。

关键词：电力系统；继电保护；故障计算

目录

摘要.................................................................1

一、绪论...............................................................1

（-）研究背景及意义..................................................1

1.研究背景.......................................................1

2.研究意义.......................................................2

（二）国内外现状及发展趋势............................................4

1.基于解析模型法的故障诊断方法...................................5

3.基于知识法的故障珍断方法.......................................6

二、继电保护故障诊断原理..............................................7

（一）继电保护动作基本任务..........................

（二）电力系统元件故障概述............................................9

（三）继电保护元件故障特性分析.......................................11

1.输电线路短路故障特性分析......................................11

2.电力变压器故障特性分析.......................................11

3.母线故障特性分析..............................................13

三、系统的总体结构和功能.............................................14

（一）系统设计思想...................................................14

（-）总体结构和功能模块.............................................14

四、继电保护故障计算方法.............................................15

（一）电气设备继电保护的配置.........................................15

（二）输电线路几种保护的故障计算原则................................15

1.电流保护和方向性电流保护......................................16

2.零序电流及方向保护............................................18

3.距离保护......................................................18

（三）电力变压器继电保护.............................................18

1.变压器相间短路保护............................................18

2.变压器差动保护................................................19

3.变压器接地故障后备保护.......................................19

五、继电保护管理信息系统的设计......................................21

（-）主界面设计.....................................................21

（二）数据管理与故障计算.............................................22

（三）故障计算.......................................................23

1.设计思想......................................................23

2.计算原则和算法................................................23

（四）故障计算模块的设计与实现......................................34

结论..................................................................38

参考文献.............................................................40

致谢...............................................................41

一、绪论

(-)研究背景及意义

1.研究背景

近年来，我国变电站的自动化、智能化水平相比旧式变电站已经有了很大幅度的

改善，并能对自动化系统和设备进行使用，并以此为基础做到了有效减少建设费用的

效果。本论文对我国当前配电网在具体的实施和实际的发展过程中的综合现状，做出

了重点的研究和说明，在我国配电网实施和管理的过程中，当前存在的问题是非常多

的，形势也是非常严峻的，只有实现了这样的一系列的问题的管理和系统性的处理，

才能够最终实现我国的配电网维持一种较好较快的趋势发展，因而，当前这样的一种

情况，是需要加大研究力度和系统性的整顿力度的。基于大哥镇供电所#2当前的综

合研究现状和系统性的发展现状来看的话，我们不难发现，要想实现对当前的问题，

有一个系统的认识和客观的了解，是要建立在大量的实施和系统性的研究的基础之

上，来予以有效的完成和系统性的予以执行的、从当前居民的用电情况上来看，是存

在着较大的居民用电功率大幅度的提升和上涨的趋势的执行和完成的，因而，在当前

这样的一种形势，能够有一个客观的认识和系统性的了解的前提条件之下，是需要对

当前的宏观的以及微观的思路进行向效的布局和有效的控制的，只后这样，整体的结

果才会是朝着一个更好更快的方向上，实现大力的发展的，并且只有基于当前这样的

一种基础之上，做出来的调查和实际的研究，才会是更加的具有价值的。对于当前这

样的一种客观性的实施方案，进行有效的管理和完成，进而使得整体的发展趋势，

能够在具体的执行过程中，维持较大的一致性。在对整个宏观的决策方案，进行细致

化的实施和运营的基础之上，同时反过来作用于整个系统的运营和发展，从而最终产

生较好的发展态势的实施和高效的完成，进而最终，不管是从精准的结果上，还是从

估计的结果上，都能够呈现出较好的结果。最后，通过对当前存在的一系列的相关问

题的有效的管理和系统性的加强态势的完成、规划技术原则的落实情况、供电可靠性、

线损率四方面，来实现对整个综合的管理结论的客观的完成和综合性的评估态势的完

成，这一点是尤为重要的，也是当前需要重点的管理和系统性的予以完成的问题。

2.研究意义

从当前的实际发展形势上来看的话，我们不难发现，我国的电网在实际的架构过

程中，是存在着较多的不规范不合理的现象存在的、架空和电缆线路过载、电力设备

老化、电压质量低、事故频发、供电可靠性差等诸多的问题，都是当前迫切的需要予

以关注和重点的予以解决的问题。其中，网架的结构不合理突出表现在：网架结构薄

弱，辐射状结构中存在“拉手关系”较少，主干线路上的分支、分歧分配不合理，造

成了网络损耗过大、用户供电的持续性较差，故障发生频繁等问题。由2000年对我

国286座城市电网统计数据显示，虽然对平均供电可靠性方面中压配电网能够达到

99.887%,但由于配电系统故障造成的用户停电所占的比例仍有8()%。由于城市配电

网在具体的运营和实际的执行过程中，是存在这样或者是那样的问题的，不管是从电

网的层面上，还是从用户的层面上，包括从对维持城市的健康有序的发展上，都是存

在着诸多的发展隐患现象的。那么，就需要对城市的配电网的故障的发生的综合概率

以及发生这样或者是那样的故障之后，最终导致的严重的不良后果予以重点的剖析和

系统性的分析，也需要在实际的配电网实施和执行的过程中，通过对必要的风险控制

技术的引进和使用，进而维持整个配电网维持在一种较为优质的发展态势之内。在这

样的一种环境之下，实现较好的风险管理和系统性的风险评估事宜的执行，进而实现

对风险的准确的管理和衡量，也是当前在具体的电力工作的过程中，一项需要重点的

管理和系统性的予以突破的重点问题。风险评估能够实现对整个风险管理事宜的量化

的管理和执行，并且对于整个配电网的综合的电力结构中，存在的较大程度的风险因

素、存在的薄弱环节、事故，最终造成的不良的后果，能够有一个系统的管理和客观

的评估。基于当前这样的一种综合的发展原因的实施和建立，将风险评估理论应用到

整个配电网以及配电系统的各个管理层面之中，对其具体的风险状况予以较好的分

析，并且对其最终导致的不良的后果，进行必要的规划和有效的指导，进而最终实现

整个供电系统的可靠性的实施和发展，进而从根本上，维持企业的良好的经济效益以

及社会效益的较大程度的提升和执行。

当今社会各方面都在不断发展，经济水平也在不断提升，在这种情况下，由于国

家政策的大力支持，我国电力系统也呈现出持续进步的趋势，不管是其规模方面来看

范围在不断扩展，还是从其结构方面来看愈加复杂,可以说都取得了突破性的的进展。

受到上述原因的推动，变电站系统的运用也更加广泛，从整个管理程序来看，变电站

系统的使用既能够加强其工作效率，使其愈加稳定，还能够减少人力的耗费，从真正

意义上实现了不用人力才进行值班的目的。并且随着科技水平的不断提高，信息进程

越来越快，关于其设计方面的理论知识也更加丰富，给其二次设计提供了强有力的基

础，在这种情况下，二次电气系统正从过于传统的形式发展为当前面向对象的新的设

计模式。具体来看，和整体的系统状况进行比较来说，电气二次设计的整个环节所涉

及到的可以说不仅需要相关数据以及设备的支撑，更是为了达到相应的目标，也就是

说，进一步推动其实现更好地发展，从各个方面做出改善，形成综合性较强的系统，

从而给特定性功能的有效进行提供保障。这就很明显的可以看出，要想实现系统从根

本上做到广泛分布必须加以改善，并发挥重要作用。

继电保护系统是保证电网运行安全的最重要环节，继电保护装置的动作速动性、

可靠性、灵敏性和安全性对电力系统具有重要的意义。随着现代工业文明、科技水平

的高度发展和经济的快速增长，现代电力系统呈现出了“高电压、大容量、远距离、

智能化''的特点，系统运行的复杂性和不确定性增大，这无疑给继电保护系统带来

巨大的挑战。电网规模大大、电网结构内益复杂、电网组成多样化、地域分布范围广

泛，这些变化使系统运行特性呈现出复杂多样的特征，在多种运行状态卜的故障状态

表现既有差异性又有相似性。随着用电荒的出现，大容量机组不断投产，电能的供应

量增大对输变电环节的要求越来越高。近年来新能源大规模参与并网，由于诸如风电、

光伏的突变性和不可控性，使电网的运行增大了随机性因素，对电力系统继电保护装

置的要求在逐步增高。

运行风险评估方面的研究较之于传统的电力评价体系而言的话，是存在着较大的

相似性的发展特征和具体的实施性能的存在的，之所以呈现出这样的一种态势，最主

要的原因是它们研究的综合管理形式和具体的管理模型，是在数学的基础之匕予以

有效的实施和系统性的予以完成的。最主要的差异点就在于，规划可靠性评估，针对

的主要的对象是专门的规划管理部门的，而运行风险评估主要针对的对象是对应的调

度部门的。而本文认为，电力系统风险评估是能够较好的实现对电网的风险管理和有

效的风险评估事宜的执行的，对整个电网在实际的运营过程中的一些亟待完善和有效

的予以解决的环节重点的加强管理，而且对于同一个电网的方案的管理和设计的过程

中，也是存在着多种的设计思路的。

电力系统可靠性评估指标通常是从概率的层面上来进行管理和实施的，而风险评

估指标对其可能存在的风险性以及严重程度等诸多的特征做出了重点的衡量，对于一

些当前存在的一些较为普遍性的问题，比如：在电网的某一个特定的时间点，负荷容

量是1OMW和负荷容量是1000W的用户，都是因为这样或者是那样的故障问题，

最终导致整个电路的较大程度的中断现象，单独用可靠性指标，如用户平均停电频率

指标、用户平均停电次数指标、用户平均停电持续时间指标等，都不能够对实际的问

题，予以客观的描述和系统性的予以说明，对其最终可能产生的实际影响，也是存在

着较大的差异性的额。但是根据风险定义，如果能建立相应的风险指标，类似上述问

题就可以得到解决。

从当前的实际发展形势上来看的话，我们不难发现，在电力系统风险评估方面，

当前也是取得了较为可观的研究成果，对电网进行风险评估关键是要实现风险的评估

模型和系统性的评估指标的完成和有效的建立态势的完成。从其通常的研究形式上来

看，是通过对风险模型的评估实现对整个电网的整体指标的度量和有效的调整。但是,

通常的风险指标都只是能够对风险的某一个方面予以管理和客观的进行描述，而对于

整个风险最终产生的具体的影响因素，却不能够予以较好的说明和完成。因此，本文

将根据各个风险评估指标之间的关系建立风险评估模型，最根本的目的，就是实现整

个电力系统的可靠性的管理和可靠性的研究、网络拓扑关系以及运行状态，进而最终

不管是从宏观的层面上，还是从微观的层面上，都能够较好的实现对风险的较好的识

别和系统性的评估态势的完成。

为了使得资源的最大利益化，急需对配电系统进行合理的规划，从而加速配电系

统供电可靠性的发展。目前对配电系统的可靠性研究已经逐渐成为电力领域中研究热

点，主要是研究可靠性的评估指标、模型及算法。

（二）国内外现状及发展趋势

电力系统的根本任务就经济且可靠的将电能传送到用户端。为了确保用户对供电

的要求，一是确保供电的连续性；二是确保电能的质量。随着电力系统的规模越来越

大，系统内各种元件随机故障、人为故障等因素引起的连锁停电事故，大大减低了供

电可靠性。因此，越来越多的学者对电力系统可靠性进行研究与探讨，根据系统偶发

故障的概率分布及其后果分析，对系统持续供电能力进行快速和准确的评价，为电力

系统规划和运行提供决策，是电力系统可靠性评估研究的主耍内容。

现代电力系统在近几年中得到了迅猛的发展，故障诊断也成为电力系统中活跃的

课题研究之一。传统的研究方法目前针对电力系统故障诊断系统的重要研究方法是基

于故障诊断系统网络拓扑结构，根据故障发生前后系统结构和参数的变化致使系统潮

流的变化，采用潮流计算方法判断故障情况。这种方法的基础是传统的数学计算，方

法单一，算法复杂，随着电力系统的规模扩大，结构复杂，传统的故障诊断方法难以

对现代电网规模化的信息进行数据处理.，限制了现代电力系统的发展。因此，目前故

障诊断方法走上了智能化的道路。

从故障诊断的本质出发，可将其认为一个先分类在识别的方法，即将系统运行状

态分为正常状态和故障状态两种，再识别故障状态的种类。故障诊断技术方法很多，

基本可以分成三类：基于解析模型法、基于信号史理法、基于知识法。

1.基于解析模型法的故障诊断方法

解析模型法按照相关数学方法处理被测信息，再根据诊断对象的精确数学模型，

从而获得故障信息。一般的将解析模型法分为参数估计法、状态估计法和等价空间法

三种方法。三种方法相互联系但是又具有一定的独立性，等价空间法仅适用于线性系

统，参数估计法与状态估计法适用于非线性系统。目前解析模型法得到深入的研究，

但在实际情况中很难根据系统元件与元件之间的关系而得到系统的精准模型，而且由

于模型本身的复杂性和建模过程中产生的误差致使建模困难较大，并且在系统发生故

障时，会引起模型结构变化和参数变化，这些因素极大的限制了解析模型法的使用范

围和效果。

（2）基于信号处理法的故障诊断方法

信号处理法不需要建立数学模型，利用计算机或专用处理设备基于信号模型（如

相关函数、频谱、自回归滑动平均等）直接分析所得的检测信号，得到幅值、频率、

方差等值，进而检测出故障，由于方法简单因而在工程上得到广泛的应用。

所用的方法有小波变换分析法、信息融合法、信号校核法、信号模态估计法等。

其中小波变换法是最具有优势的信号处理方法。小波变换法能够处理边缘信号和

峰值突变信号，应用变尺度对信号进行小波变换后的结果进行干扰分析和抑制、对故

障位置进行定位、提取故障特征信息并进行数据压缩晨目前基于信号处理的方法大

多采用傅里叶变换信号进行分析，傅里叶分析是以假设信号平稳为前提的，但是大多

数控制系统的故障信号往往是瞬时且时变的，因此采用傅里叶分析存在时域和频域局

部化的矛盾，只能得到平稳化局部化后的结果，而不能得到非平稳化动态化的结果。

3.基于知识法的故障珍断方法

按照电力系统能够接收到的相关信息的质量以及整个电力系统的使用的用户数

量上来看的话，我们不难发现，系统向电力用户实现电能的源源不断的供应和管理，

进而最终实现整个电力系统的可靠性的实施和执行，是当前迫切的需要关注和重点的

予以解决的问题［［34］。从供电点到用户，对整个供电系统的综合管理设备（包括：配

电变电所、架空线路和电缆以及接户线）按照电力系统能够接收到的相关信息的质量

以及整个电力系统的使用的用户数量，能够满足用户的基本的用电需求这样的一种问

题的实施，也被称为用电的可靠性的较好的评价和系统性的完成.

通过上面的具体的分析态势上来看，我们不难发现，城市配电网的可靠性研究主

要是通过计算机的作用之下，来对整个电网的供电能力进行系统的管理和有效的予以

衡量的这样一种良好的管理过程和系统性的执行过程的完成。通常情况之下，我们不

难发现，可靠性指标内部涵盖的具体的评价体系主要是包括元件故障的频率、故障修

复时间、故障引起停电用户的数量等。

知识法是现在应用最广泛的故障诊断方法，其不依赖于具体的数学模型，也克服

了信号处理法的缺点，引入较多诊断对象的信息，充分发挥了人类专家的推理判断力,

具有灵活的表达能力和求解能力，典型的代表为人工神经网络（ANN）、专家系统

（ES）、模糊诊断法（FZ）、遗传算法（GA）等。

（1）人工神经网络（ANN）

人工神经网络（ANN）基于生理学的模式的，通过以神经元为节点以权重为联

结，利用非线性映射和并行处理方法，来模拟人脑神经系统的结构，用神经网络木身

结构表达关联的编码、映射关系，通过网络结构不断学习、调整，以网络的特定结构

表达。ANN广泛的应用于机器学习、知识发现、决策支持、数据挖掘和模式识别等

领域。在继电保护故障检测中，ANN具有很高的可靠性，但前提是必须建立在计算

机状态完好的基础上。在普通的继电保护故障诊断时，由于设计、制造技术等诸多方

面的原因，计算机系统往往无法检测和诊断出故障，从而影响系统的正常稳定运行，

严重情况下可能会导致整个保护装置领域瘫痪。

传统的计算机将数据储存在特定的存储单元中，对数据的运算一也是由特定的运

算单元来完成，当某个单元损坏时计算机不能正常工作。而ANN由单元的广泛互联

联结而成的网络，ANN将知识与信息分布存储，由并行处理单元(神经元)来完成

运算，局部神经元的损坏不影响全局活动。因此ANN对于计算机硬件的损坏具有较

强的承受能力。

(2)专家系统(ES)

专家系统(ES)是根据人们在某一领域内的知识、经验和技术而建立，通过数

据库、知|识库、推理机、人机接口、解释程序和知识获取程序的有机连接的计算机技

术。ES程序系统具有大量的专业知识和经验，它应用人工智能技术和计算机技术，

根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行故障推理和判断，模拟人类专家

逻辑思维模式的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题。ES能在一

定程度上解决不确定性，可以有效模拟故障诊断专家完成故障诊断过程受到重视。保

护和断路器的动作逻辑以及运行人员的诊断经验可以用ES直观的模块化的规则表

示，并能给出符合人类语言习惯的结论并具有相应的解释能力。ES虽然能够有效模

拟故障诊断专家完成故隙诊断过程且取得了显著的成果，但其依然存在着不能获取完

备的知识库、ES推理诊断速度慢、大型专家系统维护困难等难以克服的缺点。

(3)模糊诊断法(CFZ)

上世纪六十年代，研究者提出模糊集理论(fuzzysettheory,FST),突破了经典

的以。和1表示的清晰概念，采用模糊概念来描述不精确的、不确定事件与现象，并

引入模糊逻辑来表述专家的经验和知识［16］。

(4)遗传算法(GA)

遗传算法(GA)是通过模拟生物的进化过程中的繁殖、变异和自然选择来求解

最优化问题。由于GA具有良好的鲁棒性、并行性、通用性、稳健性、自组织性、自

适应性和自学习性，己经成为信息科学、计算机科学和人工智能等诸多学科所关注的

焦点。

二、继电保护故障诊断原理

从大体上来说，配网规划分为纯手工计算为主，以及系统软件协助分析两大思路。

他们适用范围、选用条件均有所不同，因此应应地自宜，选用合适的方法。但不论是

哪一种规划思路，其内容大体上包括配网现状分析、负荷预测、技术原则确定、规划

方案确定、投资估算、效益分析等儿个方面。其关键点如下：

（1）配电网现状分析。该过程主要通过收集特定区域内的配电网络设备及运行

数据，并且对其当前在具体的运营和实施的过程中的一些现实的发展情况进行系统性

的研究和管理。主要包括配电网运行指标的计算和分析（包括设备数量统计、电源负

载率情况分析、配电网设备的数量统计等）、以及变电站IOkV出线间隔的利用情况、

中低压配网设备运行情况、配电过载结构等内容。通过对上述的一系列的相关指标进

行着力的研究和系统性的管理过程中，我们不难发现，得出配网一些基本特征，如高

电压布点是否合理、供电半径是否满足要求、负荷分布是否合理、设备的状况等结论,

进而使得整个规划以及具体的改造事宜在具体的经营和实际的发展过程中，呈现出一

种较为良好的运作模式的实施和执行。

（2）规划期的负荷预测。主要包括电量和最大负荷总量预测、负荷区域分布预

测两类。电量和最大负荷总量预测在具体的实施和执行的过程中，主要的作用是衡量

基于变电站侧的高压电源数量规划是否是在一-种科学合理的范围之内实施和发展的，

以及测算规划期内需新、改建输变电设施的规模和范围；负荷区域分布预测主要确定

在规划期内的各供电区域所需电力负荷变化情况。该预测主要为变电站侧的高压电源

供电分区划定、线路布置和供电范围确定提供依据。

（3）确定规划技术原则。我们在实际规划中往往以预先限定的技术原则为前提,

结合待分析区域的经济、社会发展状况，从区域整个配电网络的结构、线路类型、线

径的选择、各种一次或二次设备选型、二次系统需要满足的技术要求等方面来确定规

划技术细则。

（4）区域电网建设改造规划。该部分是配电网络规划的核心部分，主要内容应

包括变电站的选址、站内变压器容量及数量的选择、变电站供电区域划分，配电网络

结构的调整、以及根据上述分析提出的年度建设方案和改造项目。

（5）投资估算、效益分析。这里主要是对设计的电网规划方案进行全面投资估

算，以及可能取得的效益进行分析。

故障诊断的具体内容包含故障检测、故障分析、故障评价和故隙决策四个方面。

故障检测是使用检测手段来测定设备的运行数据作为判断故障的依据；根据检测到的

故隙信息进行故障分析，目的是找到故障原因、确定故障类型。判断由故障的原因、

性质和程度对系统的影响，进而形成故障评价；最后根据故障评价的结果对系统做出

正确的决策。

电力系统继电保护的基本任务是：

（1）自动、迅速、有选择性去除电力系统故障元件，使己故障的设备避免继续

损坏，保证故障区域以外的设备迅速恢复正常运行；

（2）反应电力设备的非正常运行状态，并根据运行维护条件，保护动作或者保

护开关变位，从而隔离故障待检。

（二）电力系统元件故障概述

从自我实践工作经验及相关的具体的案例的分析，变压器内部产生局部放电问

题，最主要的原因主要是可以分为以下几个方面的，具体为：

（1）当变压器内部的电极系统是存在着较大的不稳定的发展性能的，在整个电

场强度较强的发展态势之下，内部的一些金属部件、绝缘部件尖角，如：针板、油楔

等，整个电荷在这样的一些部位会呈现出大幅度的集合的态势的实施和执行，进而最

终使得这些部位各区域所承受的电场强度是存在着较大的不均衡性的发展趋势的，最

终导致了放电现象的实施和产生；

（2）变压器内部电气连接以及接地部件相互间的电气连接性能不良，存在缝隙、

虚焊、金属悬浮等问题时，在这样的一种强大的电场的综合环境之下，都是会导致较

为强烈的放电现象的实施和系统性的执行的：

（3）内部绝缘媒介质地是存在着较大的不均匀的系统性的发展问题的实施和系

统性的存在的，如气体与固体的复合绝缘体、液体与固体复合绝缘体，甚至同体与固

体的复合绝缘体等，他们在实际的作用过程中，彼此之间的介电常数是存在着较大的

差异性的。而在交变电场环境下介质中的电场强度与介电常数是一种负相关的态势，

也就是说在相同的电场强度之下，气体的电场强度要高于介电常数大的绝缘材料•，而

气体更多的是存在于绝缘材料的内部的，这样当内部电场强度超过绝缘材料的临界

“阀”值或“阈”值时，就会导致绝缘材料被强大的电流或者是电场强度所击穿的态

势的执行，或者是在绝缘系统表面发生较为强烈的放电现象的实施和系统性的开展。

从具体的发展和系统的实践过程中，我们不难发现，固体和液体介质，其击穿场强通

常是气体介质的几倍甚至几十倍，也就是说当绝缘体中，存在着空气的时候是会导致

其呈现出较大程度的局部放电现象的实施和系统性的开展的，这样的种综合的管理

状态，也是需要重点的关注和系统性的予以重视的问题；

（4）变压器在具体的生产和实际的制造过程中或后期的实际维护的过程中，导

致一些微尘如：灰尘、金属粉末、纸末等杂质进入到变压器绝缘系统内部，在强大的

电、磁、热相互作用环境中，也是非常容易导致局部放电事宜的实施和执行的，损坏

变压器设备，进而最终使得彼此都受到了较大的伤害和具体的影响，这一点也是需要

重点的关注和系统性的予以加强的问题。

（1）电力输电线路故障类型

在正常运行时，相与相之间或相与地之间是绝缘的。常见的输电线路短呼故障类

型见表2-1o

表2-1短路的基本类型

短路种类短路类型示意图发生概率

对称短路三相短路工产2.0%

单相接地短路严87.0%

两相短路产1.6%

不对称短路▽

两相接地短路严）6.1%

（2）电力变压器故障类型

变压器的故障分为油箱外故障和油箱内故障两种故障。油箱外故障是指：套管和

引出线上发生相间短路以及接地短路；油箱内故障是指：包括绕组的相间短路、接地

短路、而间短路以及铁芯的烧损等.

（3）母线故障类型

母线是电力系统中的最重要电力元件，它主要集中在电厂和变电所。如果母线发

生故障需要检修时，将使连接在故障母线上的所有元件切断被迫停电，或转换到另一

组无故障母线上运行。

（三）继电保护元件故障特性分析

1.输电线路短路故障特性分析

利用输电线路两侧的电气量的差异特性可以快速区分线路的故障与非故障。

b）外部故障电流、功率方向

图2-1双端电源线路区内、区外故障电流、功率方向

图2-1双端电源线路区内、区外故障电流、功率方向

（1）两端电流矢量和与电流相位的故障特性

根据基尔霍夫电流定律（KCL）可知：当线路内部发生故障时，如图2-la）所示。

表2-2两端电流矢量和

区内故障电流矢量和正常运行或区外故障电流矢量和

（2）当线路发生区域内故隙时，输电线路MN两端的测量阻抗均为短跻阻抗,

且其阻抗值一定位于保护II段的动作区内，断路器MN的保护II段同时启动。

2.电力变压器故障特性分析

（1）变压器主保护故障特性分析

三角侧采用Ydl2的接线方式，将三相电流接入差动继电器内，如图2-2所示。

电流向量图如图2-3所示。

图2-3电流向量关系图

因此，我们在此在变压器的星形接线侧采用两相电流差的方式来消除这个过大的

差动电流，三相变压器差动电流为：

L=(1班-1阳)+*

<2-1)

=

Jcr。丫(?1L)+】dC

由于星形接线侧采用两相电流差的方式，因此星形侧流入差动继电器的电流增加

了错误!未找到引用源。倍。为了保证当变压器外部故障或正常运行时，差动回路无

电流流过，星形侧的电流互感器的变比也要相应的增大错误!未找到引用源。倍，因

此电流互感器的变比应该满足:

〃力2_〃7(2-2)

nTA\石

（2）变压器后备故障特性分析

（1）变压器相间短路后备保护故障特性

分析变压器的相间后备保护通常采用过电流保护、低电压启动的过电流保护、复

合电压启动的过电流保护、负序过电流保护以及阻抗保护等。

（2）变压器接地短路后备保护故障特性分析

接地故障是变压器故障中最常见的故障形式，中性点直接接地系统的变压器，■

般要求在变压器上装设接地保护，作为变压器主保护和相邻元件的接地保护的后备保

护。

3.母线故障特性分析

一般情况下，母线没有设置专门的保护，而是利用供电元件的保护装置将母线故

障切除。

（1）利用发电机保护切除母线故障

如图2-7所示的发电厂采用单母线接线，如果接在母线上的线路对侧没有电源，

如果母线上出现故障便可以利用发电机的过电流保护使发电机的断路器跳闸将母线

故障切除。

图2-4利用发电机过电流保护切除母线故障

（2）利用变压器保护切除母线故障

如图2-5所示的降压变电器，低压侧母线正常时分开运行，当接于低压侧母线上

的线路为馈电线路，则低压母线上的故障就可以由相应的变压器过电流保护使变压器

断路器跳闸切除。

图2-5利用变压器过电流保护切除母线故障

（3）利用电源侧保护切除母线故障

如图2-6所示的双侧电源网络，当B母线上k点发生短路时，可由线路的保护1、

保护4断路器的二段保护来动作跳闸切除故障。

一.a

图2-6利用电源侧的保护切除母线故障

三、系统的总体结构和功能

（-）系统设计思想

本系统是为减轻继电保护整定工作人员的劳动强度，降低设备的误动率，提高电

网的运行效率而开发的，运用计算机技术使原本枯燥的短路电流计算和保护故障计算

变得形象具体。

<-）总体结构和功能模块

各个模块的主要功能如图1-1：

系统数据录入模块

图17系统结构图

1.系统数据管理模块

用户可以通过人机交互界面的数据录入模块，对网络数据、信息进行输入，同时

输入的数据可以显示在人机交互的界而上，并存入数据库中。

2.故障计算模块

故障计算是保护故障计算的基础。

3.保护整定模块

4.系统图模块

用户也可以方便的查看继电保护配置图、继电保护二次展开图。

四、继电保护故障计算方法

（-）电气设备继电保护的配置

电气设备继电保护配置包括输电线路，变压器和母线。其中输电线路可装设电流、

电压继电保护装置，如电流保护和方向性电流保护、距离保护等。

（-）输电线路几种保护的故障计算原则

1.电流保护和方向性电流保护

（1）三段式电流保护

①电流速断保护（电流I段）

定义：反应于电流增大而瞬时动作的电流保护。

最大运行方式下三相短路通过保护的短路电流为最大。

/⑶Es

d.max

s.min+Zd

最小运行方式下两相短路时通过保护的短路电流最小。

=/⑵^3E

(2)=s

Jinin一"一2Z".、+Z,/

整定原则：躲相邻线路首端的最大短路电流。

J,

dz\—KJd.max

其中：幻=1.2〜1.3

结论：最大运行方式下，三相短路时，其保护范围最大；最小运行方式工，两相

短路时，其保护范围最小；保护范围受系统运行方式变化影响大，与线路的长短有关。

②限时电流速断保护（电流II段）

定义：以较小的时限快速切除全线路范围以内的故障。

整定原则：与相邻线路的I段配合，而动作时限则比下一条线路的速断保护高出

一个时间阶段。

tltlI

1dz.2=Kk.'dzl

其中：KR=1.1~1.2

/<,=/]+A/

其中：4=0.35〜0.6,通常取o.5s。

③定时限过电流保护（电流III段）

定义：按照躲开最大负荷电流来整定。

整定原则：保护本线路的全长，而且也能保护相邻线路的全长，以起到后备保护

的作用。

『9二铲心

其中：勺可靠系数，一般采用1.15〜1.25；

K必自启动系数，数值大于1,应由网络具体接线和负荷性质确定;

勺电流继电器的返回系数，一般采用0.85；

结论：其在最末级线路可作主保护；靠近电源附近短路时，短路电流大，动作时

间长。

（2）方向性电流保护

①方向电流I段保护

按单侧电源电流I段整定方式计算

②方向电流n段保护

按单侧电源电流II段整定方式计算，但需考虑分支系数：

。故障线路的短路电流

"前一级保护所在线路的短路电流

有助增电流时，方向II段保护的整定。分支电路中有电源时，故障线路中的

短路电流增大的现象，称为助增。如果前一级n段保护仍按原方式整定，则保护范

围将大大缩短。需考虑分支系数以保证II段保护足够的灵敏度。保护AII段与保

护BI段的保护范围配合，消除外吸电流的影响。

VIII

】dzA=&,JAB.M

其中/,AB.M对应保护BI段的保护范围末端故障时流过保护A的故障电流，整定

得：

“K..

二人.I

dz.A°1dz.B

K立

③方向电流HI段保护

按单侧电源电流III段整定方式计算，动作时间不能完全保证其选择性，一般应

配置GJ保证其选择性。以下情况可不设GJ：

同i母线上动作时间最长的电流III段，其动作时间可保证其选择性；负载线路

的保护。因无电源，其反向故障时无短路电流。

2.零序电流及方向保护

定义：方向性电流保护是在电流保护基础上，增加一个功率判别元件，正方向故

障时，允许保护动作：反方向故障时，将保护闭锁。

3.距离保护

距离保护是反应故障点至保护安装地点之间的距离（或阻抗），并根据距离的远

近而确定动作时间的一种保护装置。

（三）电力变压器继电保护

L变压器相间短路保护

（1）电流元件的整定

电流继电器的动作电流应按躲过变压器额定电流整定，计算公式如下：

式中：除“为可靠系数，取1.3〜1.5；

K,为返回系数，取0.85〜0.95；

%为变压器额定电流二次值。

电流继电器的灵敏系数应按下式校验：

/⑵

K-'kmin

八senj

1叩

式中：/*n为主变高压侧母线两相金属性短路时流过保护的最小短路电流（二次

值），要求K.NL2。

（2）低电压元件的整定

取线电压，动作电压可以按下式整定：

U叩=06%

式中："加为变压器额定线电压（二次值）。

灵敏系数应按主变高压侧母线三相短路的条件校验:

八_y>0）uop

八/小max

（3）负序电压元件的整定

负序电压继电器应按躲过正常运行时出现的不平衡电压整定，一般可取:

。切=（0・06〜0♦08）U〃

式中：u”为额定电压二次值

灵敏系数应按主变高压侧母线两相短路的条件校验：

式中：U2mm为主变高压侧母线两相短路时，保护安装处的最小负序电压。

2.变压器差动保护

差动速断保护，一般可取；Jcdsd=KIb2n

式中：K为倍数，视变压器容量和系统电抗大小，K的推荐值：4〜6倍额定电

流；差动速断保护灵敏系数应按正常运行方式下保护安装处两相金属性短路计算，要

求右〃刀.2。

3.变压器接地故障后备保护

（1）零序电流继电器的整定

①I段零序过电流继电器的动作电流：

op0-1=KreKbrJ叩al]

式中：为I段零序过电流保护动作电流（二次值）；K也为零序电流分支系数；Khrl

为可靠系数，取1.1;人为与之相配合的线路保护相关段动作电流。

②■段零序过电流继电器的动作电流:

opoil=K/e/K历〃/opo\U

式中：/叩。〃为n段零序过电流保护动作电流（二次值）；K.为零序电流分支系数;

勺川为可靠系数，取i.i；/“向〃为与之相配合的线路保护相关段动作电流（二次值）。

五、继电保护管理信息系统的设计

(-)主界面设计

系统以VisualBasic6.0为主要开发工具开发，形成了有四大模块数据管理模

块、故障计算模块、保护整定模块和系统图模块共同构成的继电保护故障计算及管理

系统。在主界面上需先输入正确的登陆用户名和密码，才可以进行操作。在主界面上

可选择进入需要的模块，

本系统主界面采取下拉式菜单，多窗口弹出的设计思想。主界面如图3.1所示。

图3.1系统主界面

我们可以在菜单选项栏中自行选择需要使用的功能模块，例如点击数据管理，可

以进入数据管理界面，输入继电保护故障计算所需的基本参数值。又例如点击故障计

算，则会弹出线路保护、距离保护和变压器保护三个整定项目，可根据实际所需自行

选择需要使用的功能模块。由于本论文的核心在于继电保护整定规则的自定义，所以

在故障计算栏中具体实现了线路保护的界面和功能。

由于继电保护故障计算系统的重要性和关键性，系统登录模块主要用于完成对登

录用户的验证，只有合法的用户才可以进入系统。

（-）数据管理与故障计算

由于本系统重点针对于故障计算自定义的实现，所以在数据管理模块做了相应的

简化，取消了故障计算模块的实现，只保留了相应接口。论文中主要介绍实际运用系

统中两模块的具体设计思想和功能实现。

故障计算模块，该模块的流程图如图3.2所示。

图3.2故障计算模块流程图

故障计算模块必须实现对称故障（三相母线短路和非母线短路），不对称故障（横

向故障（单相接地，两相短路和两相接地短路）和纵向故障（单相断线和两相断线））

的计算。

本系统中由于故障计算模块的取消，所以通过数据导入模块，直接把故障计算所

需的基本参数和计算参数导入数据库，以进行故障计算。数据导入界面如图3.3所示。

图3.3数据导入界面

(三)故障计算

1.设计思想

针对不同地区原则适应性的问题，提出了一种可以由用户自定义计算公式的软件

体系结构，使故隙计算对整定原则具有自适性，从而彻底地解决了前述问题。运用此

软件结构实现了保护故障计算系统，在工程实践中应用表明有较大的实用价值。

2.计算原则和算法

通过构造一个统一的自定义公式模型，利用自定义公式的可维护性就可以适应系

统变化，从而达到故障计算过程对整定原则具有自适性的目的。用以下一个表达式来

定义任意一个保护故障计算的公式，如下所示：

f(K,B,C)

式中：K表示常参数；E表示基本参数；C表示计算参数。

如图3.4所示。

甲…峰Northwind小“

线

由一国pub*骂sysfulltextcatalogsdbo系2000-8-61:29:12

妹

E。tempdb力zyxfulltaxtnotifydbo系2000-8-61:29:12

线

系

刁sysindexesdbo2000-8-61:29.12

获

EH保护整定公式数据!系

4关系图自sysindexkeysdbo2000-8-61:29:12

国表国sysmembers值表“线路保护”中的数据，位置是“保护残定公式数据库”中、“(LOCAL：

砧视图sysobjects

序号1整定类型1里年公式1参数值

身存储过程_1syspermissions

±1电流速断保护Il=Kl*ImaxKl=4,If»ax=4,

由用户国sysproperties

或角色2限时电流速断俣助I2=K2*I1*K1K2=5,11=3,KI=4,

国sysprotects3定时限过电流保力I3=K3*Kzq*If/khK3=3,Krq=3,I£=3

U规则当xysdronc”4继电器动作电流Iji=Ii/NctNct=4

二］默XSsystypes*

跖用户定义的数拉

昌sysusers

®用户定义的函娄

国受压器保护

全文目录

if目丑践保护

I*B元件公式整定计苴3

二］找路保护

U数据转换服务

图3.4保护整定公式数据库

元件保护故障计算数据库是以具体元件的保护公式子库为单位构成。每个子库中

包含每个保护对应的常参数和基本参数等信息。如图3.5所示。

口

保护整定公式数据dbo系妩2000-8-61:29:12

3QJ国

日元件公式整定计算,dbo系统2000-8-61:29:12

U国

W关系图dbo系统2000-8-61:29:12

口

□表dbo东统zuuu-，b1:过iz

目

而视图ndbo系统2000-8-61:29:12

西存储过程eSdbo系统2000-8-61:29:12

国用户n

曲角色H

□则国

□StiA国

■用户定义缄费门

喜用户定义的函密

战全文目录

加口数据转换服务

3-C1苣理

®a复制

图3.5元件保护故障计算数据库

在这种数据组织方式下，当用户需要计算系统中某个元件的保护时，系统将自动

在元件保护故障计算数据库中取得相应的常参数和基本参数，然后按照保护公式的序

号在保护整定公式数据库中寻找到对应的保护公式。这样对于任何一个元件的任意保

护故障计算，就可以得到计算公式和公式中需要的常参数和基本参数，再按照一定的

算法得到所需要的计算参数，通过法则解析和参数替换计算机程序的实现得到故障计

算结果。以线路保护故障计算为例，具体介绍自定义算法的实现。

法则解析程序流程如图3.6。

图3.6法则解析流程图

本系统中法则解析通过一个主程序通过调用不同函数模块进行实现，法则解析主

程序代码如下：

PublicFunctionsubexpress(exp)AsDouble

DimilenAsInteger

ilen=Len(exp)

Foritemp=1Toilen

Callinsertexpress(Mid(exp,CLng(itemp).1))

Next

Whileiexp

Callcalculate

Wend

subexpress=expressvalue(0)

ExitFunction

EndFunction

定义优先级函数部分，本系统中对加减乘除以及括号赋不同的数值，利用数值的

大小进行优先级的判断，例如“+定义数值为1,定义数值为2,“(”

定义数值为3,定义数值为0,即优先级最低，

FunctiongctPri(exp)

SelectCaseexp

Case"+M

getPri=1

Case

getPri=1

Case

getPri=2

Case7n

getPri=2

Case"C,

getPri=3

Case")”

getPri=0

CaseElse