继电保护整定计算问题与解决对策_继电保护整定及计算

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继电保护整定计算问题与解决对策

高旭东

（专业：电气工程及其自动化本科 班级：08级1班 学号：06120802）

摘要：该文详细研究了高压电网继电保护计算机整定计算方法，指出了现有计算方法在非全相振荡时正序网断相口开路电压计算方面、继电保护延时段动作值选择方面、查找电力 系统最不利的运行方式方面等存在的问题，提出了解决这些问题的对策，即：(1)基于网络理论计算非全相振荡时正序网断相口的开路电压：(2)直接利用故障时保护测量到的电气量 计算继电保护延时段的动作值：(3)根据开断线路所产生的扰动域来确定继电保护的整定计算范围；(4)按开断线路循环安排继电保护整定计算的顺序。这些对策不但可确保继电保护 基金项目：高等学投骨干教师资助计划项目。整定计算结果的正确性，而且能迸一步提高整定计算的速度和效率。

关键词：电力系统；继电保护；整定计算方法；非全相振荡；分支系数；运行方式

PROBLEMS AND SOLUTIONS IN RELAY SETTING AND COORDINATION

Gaoxudong(Major：Electric Engineering and Automation graduate

Grade and Cla: Grade 08 Cla 1 Student Number:06120802)ABSTRACT：The conventional methods based computer for relay setting and coordination in a high voltage electric power network are analyzed.The problems are pointed out(1)in calculating the positive system oscillation caused by unsymmetrical open conductors;(2)in searching for the most unfavourable operation condition of power system.The methods to solve these problems are proposed;(1)based on network theory,the positive voltage aco the open port of a line during power system oscillation caused by unsymmetrical open conductors is calculated;(2)the faulted current and voltage measured by the setting relay are current and voltage measured by the setting relay are directly used to calculate the pick-up value of the relay with operation times;(3)according to the distuibence area caused by removal lines from power system.the proposed solution methods not only can make the results of relay setting and calculation more accuate.but also can improve the speed and efficiency of relay setting and coordination.KEY WORDS:Power System;Protective Relays;Setting and Coorination;Power system oscillation;Branch coefficient;Operation condition 引言

高压电网中广泛使用的反应单侧电气量的继电保护，如零序电流保护、相间电流保护、相间距离保护和接地距离保护等，是一种具有固定动作特性的非自适应继电保护，其整定值通过离线计算获得并在运行中保持不变。根据继电保护整定计算原则，利用计算机进行这类继电保护整定计算的步骤为【l】：①采用相分量法或序分量法计算电力系统故障时的电气量；②利用故障时的电气量计算继电保护的整定值。为确保继电保护能适应电力系统运行方式的变化，在整定计算过程中不得不按每套继电保护对应的电力系统最大运行方式计算保护的动作值，按每套继电保护对应的电力系统最小运行方式校验保护的灵敏度，且对延动作的继电保护Ⅱ段、Ⅲ段和Ⅳ段，在动作时间上要满足严格的配合关系”】。基于这种原则利用计算机进行继电保护整定计算的现有方法主要存在6个方面的问题：

(1)计算非全相振荡时正序网断相口的开路电压未计及网络结构的影响，造成计算结果出现严重的计算误差：

(2)计算继电保护延时段的动作值引入分支系数，造成动作值计算结果出现误差；(3)计算分支系数时未全面考虑电力系统中分布电源运行方式的变化，导致分支系数本身存在计算误差；

(4)继电保护整定计算过程中采用线性流程，造成多次重复计算同一分支系数

(5)继电保护整定计算过程中仅轮流开断保护所在线路母线上所连接的线路，可能查找不到电力系统最不利的运行方式；

(6)按保护装置循环安排继电保护整定计算 顺序，造成多次重复开断同一条线路。问题(1)～(3)造成继电保护整定计算结果不正确：问题(4)和(6)降低了继电保护整定计算的速度和效率；问题(5)可能导致电力系统故障时扩大事故范围。

本文分析了继电保护计算机现有整定计算方法存在的问题，提出了解决这些问题的对策。

2断相口开路电压计算方面存在的问题与解决对策 1存在的问题

在继电保护整定计算过程中，需计算线路非全相运行引起电力系统发生振荡时的电流和电压等电气量。计算这些电气量的关键在于非全相振荡时正序网断相口开路电压的计算。

设电力系统中l，2…s号母线为发电机母线，Emm和Zm分别为第m台发电机的等值电势和等值阻抗。当任意线路i-j发生非全相振荡时，根据叠加原理，可求得正序网断相口i,t的开路电压

EitUm1(m)

s(m)itEmmZm

式中Uit为仅在发电机节点m注入单位电流时在断相口i、t两端产生的电压。尽管式(1)可精确地计算出非全相振荡时正序网断相口的开路电压，但计算量太大，其原因在于：

(1)Em和m(m=l，2，…，s)必须通过暂态稳定计算才能求得；

(2)Em，每进行一次网络操作均需重新计算。m和Uit均随着网络结构的变化而变化，因此，在含有大量发电机的大型电力系统继电保护整定计算中不可能采用式(1)计算非全相振荡时正序网断相口的开路电压。

为避免多次进行暂态稳定计算，在继电保护整定计算中通常假设非全相振荡线路两侧等效发电机的电势幅值相等均为E、相角差为并采用下式计算非全相振荡时正序网断相口的开路电压： (m)Eit[0]2Esin(/2)(90/2)

这种计算方法实际上忽略了网络结构对正序网断相口开路电压的影响，当非全相振荡线路为非放射状两端供电线路时，计算结果严重偏大，其偏大程度取决于网络结构的复杂程度。22解决对策

2．2．1口网络H参数法



为计及网络结构的影响，假设电力系统振荡过程中系统内的发电机分成两个振荡群参与振荡，两振荡群等值发电机电势幅值相等均为E、相角差为1。在这种假设条件下，以正序网断相口i，t和两群振荡机组等效电势端点为端口，根据双口网络H参数的物理意义，可导出一种计及网络结构影响时正序网断相口开路电压的计算方法为

EitsU(it)Gmm1ZGmE1sin12(9012)

式中U(it)Gm为在正序网断相口i、t注入单位电流时第m号发电机的节点电压：ZGm为第m号发电机的支路阻抗。此时应注意：

(1)在继电保护整定计算中给定的是非全相振荡线路两侧等效发电机的电势幅值E和相角差抗实际计算中只能取E1=E、1=因此，式(3)仍存在计算误差；

(2)正序网断相口注入单位电流时发电机的节点电压与网络结构有关，每进行一次网络操作均需重新计算各发电机节点电压，对含大量发电机的大型电力系统继电保护整定计算来讲，式(3)的计算量仍比较大。22．2 网络等值法

设电力系统中任意线路i、j发生了非全相运行引起电力系统振荡，以非全相线路两侧节点f、J为端口，在计及网络操作的条件下将电力系统的正序网络简化成一个无源双端口网络，见图1。

图1电力系统无源双端口网络

基于补偿法，根据阻抗参数的物理意义，利用网络操作前原网节点阻抗参数可求得无源双端

口网络的阻抗参数，相应的计算模型见图2。

图2计算双端口网络阻抗参数的等值电路

根据叠加原理，不计量纲关系，由图2可求得线路两侧节点f、J的自阻抗和互阻抗参

数为

Z'ii(1)Ui(1)Zii(1)UI(i)'(i)'(i)ic(1)

j)Z'jj(1)Uj(1)Zjj(1)UjIc((1)

Z式中'ij(1)Uj(1)Zij(1)UI(i)'(i)jc(1)

Uk[Zs1kZt1k,Zs2kZt1k,,ZsmkZtmk](k=i、j)。

可根据欧姆定律和戴维南定理计算双端口网络阻抗参数所需的补偿电流，由图2可求得

I式中(k)c(1)[Zcp(1)Zc(1)]Uc[0],(ki,j)

Uc[0]为

1Zcp(1)为网络操作端口入端阻抗矩阵，可利用原网正序节点阻抗矩阵中相应元素形成；Zc(1)为模拟网络操作应追加的支路阻抗矩阵，可根据网络操作信息形成；I(k)(1)在网络操作端口产生的开路电压矩阵，可利用原网正序节点阻抗矩阵中相应元素形成。

根据外特性等效原则，作出图1所示双端口网络的T型等值电路，经Y-△变换后得到T型等值电路。在型等值电路的节点i,j之间分离出任意线路i,j，便得到正序简化等值电路，见图3。

图3任意线路坷的正序等值电路

根据等值电路的形成和变形过程，各元件参数的计算方法如下：

ZGi(l)'''2ZiiZZ(1)jj(1)ij(1)'Z'jj(1)Zij(1)

ZGj(l)Zi'j(1)'''2ZiiZZ(1)jj(1)ij(1)''ZiiZ(1)ij(1)'''2ZiiZZ(1)jj(1)ij(1)

Z'ij(1)(Z'ii(1)Z'jj(1)Z'2ij(1))/Zij(1)

作出大型电力系统任意线路坷的正序简化等值电路图3之后，可精确地求得非全相振荡时正序网断相口的开路电压为

EitZi'j(1)ZGi(1)ZGj(1)Z'ij(1)(EiEj)

考虑到继电保护整定计算中通常假设非全相振荡线路两侧等效发电机的电势幅值相等均为居、相角差为蠡式(11)进一步简化为

EitZi'j(1)ZGi(1)ZGj(1)Z'ij(1)E1sin12(9012)

式中，与网络结构有关的参数仅为非全相线路两侧节点i,j的自阻抗和互阻抗，式(12)的计算量小于式(3)，但计算误差增大。3分支系数计算方面存在的问题与解决对策 3．1存在的问题

3．1．1分支系数造成继电保护延时段动作值出现计算误差

利用计算机整定延时动作的继电保护Ⅱ段、Ⅲ段和Ⅳ段的现有方法，沿用了人工整定计算方法，即在整定计算过程中引入了分支系数。

下面仅以图4中线路A．B上相间电流保护A的Ⅱ段为例，说明引入分支系数导致保护动作电流值偏大的原因。

图4 保护配合关系示意图

根据相间电流保护的整定计算原则，相间电流保护A7的Ⅱ段动作电流为

IIIdz.AKkIIIKkIKkII(3)Idz.BId.C.max

Kfz.minKfz.min式中 KIk=1．1～1．

3、KkII=1．1—1．2分别为I段、Ⅱ段的可靠系数；Kfz.min为

(3)最小分支系数；，d.C.max为相邻线路末端c母线三相短路时通过相邻线路保护B的最I大短路电流。

4查找运行方式时存在的问题与解决对策 4．1存在的问题

4．1．1查找不到电力系统最不利的运行方式

在继电保护整定计算过程中，为计算动作值和校验灵敏度，必须查找电力系统最不利的运行方式。在计算继电保护的动作值时，为查找电力系统的最大运行方式，仅轮流开断保护所在线路对侧母线上所连接的线路(一般轮流开断一回线和轮流开断两回线)；在校验继电保护的灵敏度时，为查找电力系统的最小运行方式，仅轮流开断保护所在线路背后母线上所连接的线路(一般轮流开断一回)。实际上，这种轮流开断方法在某些情况下，查找不到电力系统最不利的运行方式。现以图6中A-B线路上继电保护1、2的I、Ⅱ段保护动作值为例进行讨论。计算图中保护1的I段动作值时，根据现有方法故障点应选在B母线，然后在母线B上轮流开断一回和两回线，但由图6可见，对保护1来讲，断开Bc线才为电力系统最大运行方式：校验保护2的Ⅱ段灵敏度时，根据现有方法故障点应选在母线A，然后在母线B上轮流开断一回线，但由图6可见，对保护2来讲，断开E-C线才为电力系统最小运行方式。由此可见，按现有方法可能查找不到继电保护整定计算所需的电力系统最不利的运行式。

图5电力系统运行方式的选择 4．1．2多次重复开断同一条线路

利用计算机整定继电保护的现有方法，通常采用按保护循环的线性流程完成继电保护整定计算。这种方法将导致整定计算过程中多次重复开断同一条线路的现象。例如，计算图6中A-B线路保护1的I段动作值时，要在B母线上轮流开断一条线路和轮流开断二条线路；计算图6中E-C线路E侧保护的I段动作值时，还要再次重复轮流开断整定A—B线路保护1时曾轮流开断过的线路。计算继电保护延时段的动作值时同样存在着类似的问题。继电保护整定计算中这种大量重复的开断操作，影响了继电保护整定计算的速度和效率，影响程度与电力系统网络结构有关。42解决对策

4．2．1查找电力系统最不利运行方式的方法

在利用计算机整定继电保护的过程中，开断线路时按开断线路所产生的扰动域来确定保护的整定计算范围，即可准确地查找到整定继电保护所需的电力系统最不利的运行方式。扰动域的概念为：假设从大型电力系统中开断任意一条线路M，开断线路时将引起电力系统网络结构发生对称变化，这种变化将使与线路M相邻的线路中短路电流的水平发生变化，从而影响到相邻线路中继电保护的整定结果。同往一潭静水中投入石子激起的波纹一样，离线路肘越远，这种影响就变得越小，远离到一定程度时开断线路的影响可忽略不计。由此

可见，开断线路只会影响到继电保护系统中某个区域内的继电保护装置的整定值，这个受影响的区域称为扰动域。

确定扰动域的方法为：事先给定一个任意小数,当开断某条线路后，以开断线路为圆心向外逐层计算通过同一层线路保护的短路电流，并将开断后通过保护的短路电流与开断前通过该保护的短路电流进行比较，如果两电流差值，则继续向前查找；当电流差值时说已到达扰动域边界，扰动域由两电流差值的线路组构成，见图7。

图6扰动域示意图

4．2．2避免多次重复开断同一条线路的方法

利用计算机进行继电保护整定计算时，不再按继电保护循环确定整定计算顺序，而改用按开断线路循环安排继电保护整定计算顺序，即可避免多次重复开断同一条线路。例如，当开断图6中B—C线路时，分别对A—B线路保护1和E-C线路E侧保护进行整定计算，即可避免重复开断线路口B-C 5结论

(1)基于网络等值原理计算非全相振荡时正序网断相口的开路电压，仅涉及到与非全相线路两侧节点i，j有关的自阻抗参数和互阻抗参数，计算量与电力系统中发电机的数量无关；(2)按故障时继电保护测量到的电气量整定计算继电保护延时段的动作值，可消除因引入分支系数而带来的计算误差，可避免重复计算同一分支系数；

(3)按开断线路所产生的扰动域进行继电保护整定计算，可确保查找到电力系统最不利的运行方式；

(4)按开断线路循环进行继电保护整定计算，可避免多次重复开断同一线路。参考文献、【1】陈永林电力系统继电保护的计算机整定计算【M】水利电力出版 社1994 【2】姜彤，郭志忠，陈学允，等神多态相分量法及其在电力系统三相不对称分析中的应用 【3】曹国臣 辐射状配电网故障分析计算的解耦相分量法

【4】姜彤，白雪峰，郭志忠等 基于对称分量模型的电力系统短路故障计算方法电机工程学 【5】曹国臣祝滨，蒋建东曲虚拟故障端口法及其在电网故障计算中的应用中国电机工程学报

【6】电网继电保护装置运行整定规程电力工业部