（电力系统及其自动化专业论文）通用性发电厂继电保护整定计算系统的开发.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y ，t h es c a l eo fp o w e rg r i da n d t h ec a p a c i t yo fs i n g l em a c h i n ee x t e n dc o n t i n u a l l y t h eq u a n t i t ya n dd i f f i c u l t yo f t e c h n o l o g yf o rr e l a yp r o t e c t i o ns e r i n gc a l c u l a t i o na n dm a n a g e m e n t i n c r e a s e sg r e a t l y ， a n dt h ec o r r e s p o n d i n gr e q u e s tb e c o m e sm o r ea n dm o r ec o m p l e x d e s i g no fa g e n e r a l - p u r p o s es y s t e mo fr e l a yp r o t e c t i o ns e t t i n gc a l c u l a t i o na n dm a n a g e m e n tf o r p o w e rp l a n tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo nr e d u c i n gt h ew o r ko ft h er e l a yp r o t e c t i o n w o r k e r s ，d e c r e a s i n g t h ep e r c e n t a g eo f p r o t e c t i o nd e v i c e sf a l s ea c t i o n i t sh e l p f u lt o e n h a n c et h ee f f i c i e n c ya n dv a l i d i t yo f r e l a yp r o t e c t i o ns e r i n gc a l c u l a t i o n i nt h i sa r t i c l e ，ag e n e r a ls y s t e mu s e df o rr e l a yp r o t e c t i o ns e t t i n gc o m p u t a t i o no f p o w e rp l a n t si sp r o p o s e db a s e do i lv i s u a lc + + 6 0a n da c c e s sd a t a b a s e v a r i o u s s y s t e mn e t w o r k so fp o w e rp l a n t sc a nb ee a s i l yb u i l tb yu s i n gt h eg r a p h i c sm o d e l a n dt h e s e t t i n g c a l c u l a t i o nm o d e lc o n t a i n sc o n v e n t i o n a l p r o t e c t i o n s a n d c o m p u t a t i o np r o t e c t i o n s t h e r e f o r e ，d i f f e r e n tc u s t o m e r sr e q u e s t sc o u l db es a t i s f i e d ， a n dt h em u l t i f u n c t i o n so fg r a p h i c sm o d e l i n g ，d a t am a n a g e m e n t ，f a u l ta n a l y s i s ， p r o t e c t i o ns e t t i n gc o m p u t a t i o na n df i x e dv a l u em a n a g e m e n t a r er e a l i z e d f i r s t l y , t h es y s t e mg r o s ss t r u c t u r e ，s o f t w a r ed e v e l o p i n g e n v i r o n m e n ta n d f u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fm o d e l sa r ci n t r o d u c e d t h e nt h en e t w o r kt o p o l o g y a n a l y s i sa n dk n o w l e d g eo ff a u l t so fp o w e rs y s t e ma r ea l s oi n v o l v e d c o n s i d e r i n g m o d e l sw h e nn e t w o r ki so p e r a t e d ，c a l c u l a t i o nf o r m u l a sa n dv a r i a n ts o l v i n gk i n d so f f a u l t sa r ea l s o e x p a t i a t e d d i f f e r e n ts e t t i n gc o m p u t a t i o np r i n c i p l e so fp r o t e c t i v e d e v i c e sw i t l li n d i v i d u a lp r o t e c t i v et h e o r ya r ea n a l y z e d a n dt h ec o m p u t a t i o ns y s t e m o fr e l a y p r o t e c t i o n w i t h g e n e r a l c h a r a c t e rh a sb e e n f r a m e d f i n a l l y ，at o t a l a s s e s s m e n ta b o u tt h ew h o l es y s t e m sp e r f o r m a n c ei se v a l u a t e d t h i sf r i e n d l ym a n - m a c h i n ei n t e r f a c es y s t e mc a l lb eo p e r a t e da n dm a i n t a i n e d e a s i l y a n di th a sb e e nu s e do nt o n gl i a op o w e rp l a n ta n dt h el o c a lt h e r m a lp o w e r p l a n t i ti sp r o v e dp e r f o r m i n gw e l l ，a s a 1 1t a r g e t sw e r ea c h i e v e d k e y w o r d ：p r o t e c t i v er e l a y i n g ；s e t t i n gc a l c u l a t i o n ；u n i v e r s a l i t y 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报： 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 ，l 玲崩 论文作者签名：! 堡! 堂! 坠日期：型2年三_ 月呈卫日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名： 导师签名： 铸成敬 日期：兰竺2 年土月卫日 日期：蛆年三一月型二日 第1 帝绪论 第1 章绪论 1 1 引言 随着国民经济的持续发展，我国电力系统的规模越来越庞大，其网络结构 越来越复杂，输电线电压等级越来越高，电网运行方式的变化越来越频繁、发 电机和变压器容量越来越大，因此，电力系统安全运行的重要性越来越突出。 继电保护装置属于二次系统。但是它是电力系统中的重要组成部分，是保证电 力元件安全稳定运行的基本装置，任何电力元件不得在无继电保护的状态下运 行。它对电力系统安全稳定运行起着极为重要的作用，特别是在现在的超高压、 大容量的电力系统中，对继电保护提出了更高的要求。继电保护整定计算是继 电保护工作中的一项重要的内容。它的正确与否直接影响系统的安全运行。因 此，合理配置和正确使用继电保护装置尤为重要。为满足电力系统对继电保护 提出的可靠性，选择性，灵敏性和速动往的要求，充分发挥继电保护装置的效 能，需合理的选择保护定值。因此，做好继电保护整定计算工作是保证电力系 统安全运行的必要条件。 1 1 1 目前的整定计算方式 计算机是信息时代的先锋，我国电力工业从上世纪7 0 年代开始应用计算 机，在过去的几十年里，微机在电力工业中的应用得到了长足的发展，可是当 前国内很多发电厂仍然采用人工手算进行保护定值的整定计算，因而整定计算 周期长，效率低，容易由人为因素导致错误。 用人工手算的方法进行整定计算是一项十分繁重的工作，一般要经过以下 步骤： 1 绘制电力系统接线图； 2 绘制电力系统阻抗图，包括正序，负序，零序三个序网； 3 对设备参数进行标么值计算，建立电力系统设备参数表； 4 确定继电保护整定需要满足的电力系统规模及运行方式变化限度； 东北电力大学硕l 学位论文 5 进行故障计算。一般方法是根据接线方式和运行方式对网络进行化简， 经过串并联、星三角变换后形成各序网图。根据化简得到的正序、负序、零序 电抗求出故障点电流。然后再由网络的导纳矩阵和故障点的电流求得各节点的 各序电压。最后计算各支路的电流，并进行标么值和有名值的转换。整个过程 工作量非常大，而且对于不同的故障位置和系统运行方式都需要重新计算。 6 根据故障计算结果、依据不同的保护原理和用户经验进行保护整定计算， 并需进行校验。 7 建立各种继电保护整定计算表；对设备参数和定值数据的管理进行人工 管理：按继电保护功能分类，分别绘制出整定值图； 8 编写整定方案报告书，着重说明整定的原则问题，整定结果评价、存在 的问题及采取的对策等。一般应包括：方案编制时间，电力系统运行方式选择 原则及变化限度、主要的、特殊的整定原则等。 1 1 2 采用人工手算的局限性 ( 1 ) 保护整定的工序复杂。要对设备进行保护整定，专业工作人员通常要 查询保护原理，然后要计算相关数据、对数据进行分析，最后是统计和填写报 表。这么多的环节，只要有一个疏漏就可能导致所算数据全部无用，必须重头 再来。 ( 2 ) 保护整定的计算量大。由于发电厂的设备众多，每种设备的保护原理 也多，所以整定人员在计算时数据量相当大，往往一个小小的变动就需要工作 人员重新计算，大多数情况下这种计算工作都是重复性的劳动。在计算设备定 值的过程中，由于整定人员的经验和习惯不同，往往会造成一些偏差，带来不 必要的麻烦。 ( 3 ) 定值单的管理工作难度大。发电厂一般不轻易改变设备保护定值。宁 可让设备在经验值下运行，也不能让电厂设备因改变的定值而产生了误动，所 以对定值单的审核相当的严格。定值单的量很大，审核的流程可能造成工作的 不连续性，降低了工作效率。有些发电厂出现多年不更换定值单情况。 ( 4 ) 难以实现数据共享。在传统的继电保护工作中，设备的相关参数和保 护定值是固定在实际的纸张报表中，如果要查询或修改相关的数据，必须按照 第1 帝绪论 一定的规则去找那张纸，这不利于实现数据共享，增加了工作的难度。 ( 5 ) 故障分析结果的精度因人而异，不同的计算人员会采用不同的计算方 法，忽略掉一些因素。 1 2 继电保护整定计算软件开发的难点 开发满足实际需求的通用继电保护整定计算软件，主要困难在于： 1 计算量大，计算过程复杂。继电保护整定计算中需要进行各种短路断线 及复杂故障的计算，对故障计算功能要求较高。 2 整定计算方式不统一。不同类型和不同电网中的继电保护，整定计算方 法相差很大。 3 考虑因素较多变化大。保护整定计算中要考虑多种运行方式和故障情况， 并且变化比较大。 1 3 国内外的研究现状 随着计算机技术的发展和普及，继电保护整定计算软件的开发也成为现代 电力系统运行，设计及实现自动化的一项重要研究课题。上个世纪七十年代中 后期开始，我国有关部门陆续开展了应用计算机进行继电保护整定计算的研究 工作，并推出了一批相应的软件。但这些软件的整定程序大都是采用f o r t r a n 语言编制，需要在d o s 环境下运行。这些软件是不可视的，对使用人员要求较 高，故障分析数据创建输入较繁，一般采用数据文件的形式输入数据，难以实 现数据共享。 上个世纪九十年代后期，随着微软的w i n d o w s 系统的发展，人们对可视化 和利用专家系统m 5 1 的继电保护整定计算及管理系统的研究在国内也开始受到 关注，上海交通大学电力工程系、华中科技大学电力工程系都研究过相关的课 题。他 f 3 的研究有些是面向电网，有些是面向电厂，所具有的共同点是：都对 系统进行了模块化设计、都有图形界面1 6 - 、都有保护整定和定值单管理、都要 用数据库 1 1 。但实现的方式和开发工具不尽相同，开发工具有些是微软公司 的v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、有些用b o d a n d 公司的d e l p h i ，数据库有些用s q l s e r v e r ，有些用a c c e s s 。 浙江大学电气工程学院的研究面向电厂，用d e l p h i 开发，完成了系统管理、 故障分析、保护整定、数据管理和图形建模等功能。此套系统采用可视化的方 式，用户参与选择整定原则，适用于一般发电厂。使用该软件，整定人员必须 对保护整定进行配置，使整定过程规范化，但是对于整定原则相对固定的特定 的发电厂来说操作比较麻烦。另外，该系统的设备定值单是固化在程序中的， 继电保护工作人员不能改变定值单的格式，这给系统维护带来了一定的困难。 华南理工大学开发的软件实现了继电保护整定计算、定值管理数据库、继电保 护图形库、继电保护动作仿真等功能，由于该软件是针对某个发电厂编制的， 软件很难使用其他发电厂，所以，不具备通用性。 随着电力企业体制改革的不断深入和完善，国民经济的高速增长，一批又 一批电厂正在兴建中，各大发电公司继续提高整个发电厂的继电保护整定计算 水平，这些都将极大地推动发电厂继电保护整定计算软件的研究和开发。 1 4 系统设计与开发的背景 当前，计算机技术的迅猛发展不仅可以为继电保护工作人员提供了可靠的 计算工具，同时通过可视化和模块化的应用也为他们减轻了劳动强度。为了减 轻发电厂保护整定人员的工作负荷，提高工作质量，降低由于误整定导致的电 厂保护不正确动作率，规范定值单的管理工作，项目组与通辽发电总厂联合开 发了通用性继电保护整定计算系统。该系统的主要功能为：故障分析用计算机 实现，保护整定用计算机提供的系统平台在整定人员的参与、监督下进行，设 备参数和定值单实行统一管理。 1 5 本文的主要工作 1 5 1 本文的主要工作内容如下： ( 1 ) 本文首先论述了系统的总体结构、开发环境，各模块的功能，然后结 合网络拓扑分析和电力系统故障知识，给出了计及网络操作时模型和计算公式， 第1 帝绪论 开发了包含不同类型的故障分析模块。 ( 2 ) 针对各电厂采用不同原理构成的不同保护装置的情况，开发了包含 b c h 、l c d 型等常规保护和南瑞的r c s 9 8 5 型，四方的c s c 3 0 6 型发变组微机 保护的具有一定通用性发电厂继电保护整定计算系统。对保护整定的数据进行 分析，建立数据库，实现数据库的接口。 ( 3 ) 抽象电厂设备数据模型，用面向对象的方法进行图形建模，开发了绘 制发电厂系统接线图的平台，可以灵活得进行图形的编辑、移动、缩放、旋转 等操作，并可在参数输入环境中输入系统元件的参数和特征变量，有相应的网 络数据库与之相连。并建立了完整的电力系统设备和定值数据库，数据库不仅 有设备及定值数据，还有系统结构、常用的运行方式数据表。 东北电力大学硕十学位论文 第2 章系统的总体结构和开发环境 2 1 软件系统目标 系统应能够对以各种原理为基础的不同型号的继电保护装置进行整定计 算，并编制整定方案直到定值单的形成、打印，对整定计算的有关历史纪录和 基础资料做好有效的管理。 具体目标如下： ( 1 ) 具备强大的故障计算和整定计算能力：故障计算能满足复杂电网结构 方式和各种故障的计算要求，并能够对接地系统和不接地系统使用不同的数学 模型做准确的计算；实现各类元件保护的整定计算，且对于新的保护装置和整 定算法，能进行简单方便快速的升级；整定计算过程的一体化方式与用户干预 方式相结合，满足各种计算要求。 ( 2 ) 所有管理和分析计算工作的可视化，图形交互与管理、计算功能无缝 结合。提供强大的电力系统图形处理能力，大大减少电力系统图形的维护工作 量。 ( 3 ) 系统的模块化和组件化，易于维护和升级。实现与其他系统的数据共 享与交换，并在系统设计上考虑今后厂内m i s 系统互联的需要，预留开放性接 口。 ( 4 ) 对整定风格的考虑全面、灵活、方便。部颁大型发电机变压器整定计 算规程是整定计算的基本规程，但具体到不同的保护装置往往又对具体的整定 方法有不同的要求，这就要求整定程序能够综合考虑这些多样化的整定方法， 提高人工干预的手段，最大限度的利用人工经验，适应不同电厂的要求。 ( 5 ) 丰富的计算结果输出功能。形成保护定值配置图、形成定值通知单及 文本格式的定值算书等。 第2 章系统总体结构与开发环境 2 2 系统设计思想 通用性的发电厂继电保护整定计算系统是一个开放的平台，用户利用这个 平台去进行发电厂的故障分析和设备的保护整定。 系统开发的设计思想是：以面向保护装置的整定计算和定值管理相关工作 流程的一体化为最主要的目标，主要解决整定计算中的关键问题，如不同厂家 保护装置在相同保护原理上的整定计算原则的统一数学模型和定值配合，同时 充分考虑用户在工作中的各种需求，利用网络数据库为基本的数据平台，实现 各种系统功能模块充分共享和交换数据；通过全面图形化方式表达电厂拓扑及 配置，用户在整定和管理过程中的任何操作都可在图形上完成，任何参数和结 果都可从图上观测。在设计过程中，特别注重采用规范的可视化软件开发方法， 将系统合理划分为多个模块，并全面考虑了整定计算和定值管理的地域差别， 尽可能保证软件的可移植性与可扩展性。 发电厂主设备的保护配置非常复杂，不同电厂的配置差异很大，而且不同 厂家生产的保护装置型号的不同，决定其整定过程的差异。若依据某个电厂对 其所配置的保护进行整定，很难实现软件的通用性，并使得软件的开发成本提 高。所以具有良好的扩充性和通用性的电厂主设备保护整定软件才能满足实际 要求。 为了使系统具有良好的扩充性和通用性，在设计系统时，特别强调了系统 的模块化特点和可视化特点。模块化特点使得系统的内容容易扩充，系统提供 的保护整定模块尽可能满足多数电厂用户的需要；可视化的特点，就是将抽象 的原理以图形、界面、文字等直观易懂的方式表示出来，它不仅方便用户理解 保护的整定原理，而且整定原则是依据大型发电机变压器继电保护整定计算 导则和各设备供应商的设备技术说明书。因而，可以确保整定过程的正确性， 同时整定过程是在用户的参与下完成的，使得整定结果可信。 实践证明，采用可视化的开发方法是实现发电厂故障分析与保护整定计算 系统要求的根本保证，它有效地完成了传统理论与计算机技术相结合的任务， 使软件具有很高的实用价值。能保证计算的正确性和整定值的合理性。 通用性的发电厂继电保护整定计算系统是为减轻继电保护整定工作人员的 劳动强度，提高保护的正确动作率，提高发电厂的运作效率而开发的。它运用 计算机技术使原本枯燥的短路电流计算和保护整定计算变得形象具体。此系统 能很好的解决满足用户的需求和软件开发难度之问的矛盾，通过提供可视化的 界面，使用户参与计算，这样不仅降低了软件开发的难度，同时由于结合了用 户的整定经验也增加了计算结果的可信度和正确性，并最终大大减轻了用户的 劳动强度，提高了整定人员的工作效率。 在保证软件系统总体设计目标的前提下，发电厂继电保护整定计算及管理 软件应提供给用户一个可以进行发电厂继电保护整定计算的平台，在该平台上， 用户可以创建进行整定计算的发电厂一次系统接线图，相关的被保护的元件或 设备的参数库，保护用电流、电压互感器的参数库，继电保护的配置情况等， 并能确定系统的运行方式、故障位置、类型等进行短路电流计算和相关保护的 整定计算界面。确保软件的整体功能都建立在图形化的界面上，方便用户把故 障分析计算、保护整定计算与电厂一次系统接线图结合起来。同时简明清晰的 图形界面化保护整定流程也便于电厂工作人员熟悉和掌握各种保护的整定过 程。 2 3 编程语言和开发工具 本系统的开发和编程采用v i s u a lc + + “”，o d b c ，a c c e s s 相结合的方法， 有效地解决了繁杂的整定计算与数据、图形信息相结合的互联技术问题。 v i s u a l c + + 软件具有功能强大和良好的集成环境、开发灵活的优点，优秀的调 试工具，友好的图形界面，能生成高效精炼的代码，而且该软件支持o d b c ( 开 放式数据库连接) 。同时它又是采用面向对象技术的开发工具。 a c c e s s 是微软公司推出的杰出的数据库管理系统软件，它支持多种数据形 式，提供了一整套极富特色的集成窗口式菜单开发环境，所有对象的属性采用 窗口式表达，大大减少了编程的工作量，使得建立、编辑和调试一个应用软件 极为方便。o d b c 为后台数据库和前台应用程序界面提供了接口，它使数据库 的设计和应用设计相对独立，相互之间的耦合度大大降低，采用o d b c 技术可 以访问多种类型的数据库，而不必去关心该数据库采用了何种结构，同时又可 使数据库发挥其本身高效的查询访问机制，这一切都大大提高了应用软件的可 - 8 - 第2 章系统总体结构开发环境 移植性。对本系统而言，因为a c c e s s 满足系统数据容量的需求，对资源的占用 率小，使用方便快捷，故选用a c c e s s 为系统提供数据库支持。 2 。4 软件结构与功能模块 整个继电保护整定计算系统是基于m i c r o s o t rw i n d o w s 操作系统，由关系型 数据库软件m i c r o s o f t a c c e s s 提供数据库支持，采用面向对象化的图像化程序设 计方法设计而成，具备可视化的操作界面，操作简便易行。系统主要由六大模 块组成，它们分别是人机接口及图形界面模块、数据库管理模块、故障分析模 块、保护定值计算模块、定值管理模块构成。所有的原始数据和计算生成的数 据都放在数据库中，能可靠的保证数据的有效性和安全性。同时软件整体功能 都是建立在图形化的界面上，方便用户把故障分析计算、保护整定计算与电厂 的一次系统接线图结合起来。 i图形建模模块 f 人机交互界面( 国形界面) i l上 乓 故保 巨 障护 分整 析 定 模模 块块 1 。，一 。 o d b c 接n l i后台数据库f 图2 1 总体结构框图 系统的总体结构框图如图2 1 所示。系统的各部分功能已最大限度地做到 模块化。这样做的好处是，当系统进一步地维护和升级时可以方便地根据用户 的特殊要求进行功能上的改进，或根据不同的用户改变其中某一个功能块，方 便地实现通用性。 各个模块的主要功能如下： ( 1 ) 图形建模模块 东北电力大学硕 学位论文 这一模块为用户提供了强大地图形处理功能。在调用该模块后，用户可以 方便地绘制系统主接线图、正( 负) 序阻抗图、零序阻抗图、保护配置图和定 制图等。除此之外，该模块特有地图形数据接口，将图中每一个图元与数据库 元件参数表中地每一条记录一一对应起来，可以允许用户通过用鼠标点击相应 图元，查看修改网络参数信息，实现了真正地图形化操作。所有地这些操作较 传统地继电保护整定软件都变得更加简单直观，极大地方便了用户地使用。 ( 2 ) 数据管理模块 数据管理是对系统中的所有数据进行有效的管理。在该模块中，用户可以 录入并管理系统各项参数信息，并把这些存储到数据库中。( 包括电网结构参数、 设备参数、中间计算结果和最终定值结果等) 。 电网结构参数主要包括支路序号、支路的始端节点、末端节点、支路的正 序阻抗、零序阻抗、支路类型、基准电压等。 设备参数主要包括发变组、发电机、变压器等各种电气元件的参数、保护 装置参数和配置信息。用户通过使用本模块，可以动态的添加、修改、删除数 据记录。 ( 3 ) 故障分析模块 故障分析是保护整定计算的基础，可视化的故障分析方法非常简单快捷。 系统提供了人机对话接口，用户可以在主接线图上任意的设置故障位置和故障 类型。故障分析模块通过网络拓扑分析，形成网络的数学模型，即分别建立网 络的j 下序导纳矩阵和零序导纳矩阵；并根据故障条件进行各种故障的计算。计 算故障类型包括：三相短路、两相短路、单相接地短路、两相接地短路，单相 断线、两相断线；并计及电力系统的各种运行方式，包括：最大、最小运行方 式，以及各种网络操作的情况；故障点情况则包括：母线故障、非母线故障。 并能输出故障计算结果，供用户查看和分析使用。这一模块可以单独运行，为 用户提供各种所需要的故障分析依据，也可以作为一个子模块被保护定值计算 模块调用，为其提供定值整定所需的各种短路电流、电压等电气量。 ( 4 ) 保护整定模块 保护整定模块是软件的重要核心，它为发电厂所配置的保护提供整定工具。 整定工具的实质是根据保护的整定原则而设计的整定界面，是整定原则可视化 的体现，有利于用户理解，并允许用户在参与整定过程中加入自己的经验。每 一个整定过程对应着一个小模块，所以这种模块化的设计使得软件具有很强的 扩充性和发展性。确定的整定对象主要包括发变组保护、发电机保护、变压器 保护等。整定原则是按照中华人民共和国国家经济贸易委员会发布的中华人民 共和国电力行业标准d l t6 8 4 1 9 9 9 大型发电机变压器继电保护整定计算导则 和各设备供应商的设备技术说明书进行的。 ( 5 ) 定值管理模块 定值管理模块负责输出或打印用户所需要的各种数据，包括定值单、网络 结构参数和计算结果等。对于输出格式，用户可以灵活的选择，软件支持文本 格式、e x c e l 表格格式和自定义报表格式等。 第3 章电力网络数学模型的选择与节点阻抗参数的 计算 3 1 电力网络数学模型的选择 所谓电力网络的数学模型是指将网络有关参数和变量及其相互关系归纳起 来所组成的、可反映网络性能的数学方程式组。数学模型必须能满足计算要求， 而且是可以求解的。 潮流计算、稳定计算、故障分析等电力系统计算，都是以电力网络的数学 模型为基础的。一个已知的电力系统网络总是可以用支路方程、节点方程或回 路方程来描述。其中节点方程具有易于形成、便于随电路连接状态变化而对其 进行修正的优点，因此人们在电力系统的分析计算中乐于采用节点方程。 电力网络节点方程分为两类：节点导纳方程和节点阻抗方程，分别如式 ( 3 - 1 ) 和( 3 - 2 ) 所示。 i = y u ( 3 - 1 ) 节点导纳矩阵y 描述了网络的短路参数。它与电力网络之间有简单的对应 关系，可以通过扫描网络中的支路，根据支路在网络中的连接关系直接形成自 导纳和互导纳，最后建立节点导纳阵。 u = z i( 3 2 ) 节点阻抗阵z 描述了网络的开路参数。它与电力网络间的关系比较复杂， 可以通过支路追加法直接建立，也可以根据已形成的节点导纳矩阵的因子表， 采用连续回代法建立。 节点导纳阵y 的优势首先在于它容易建立。它可以通过扫描网络中的支路， 根掘支路在网络中连接关系直接形成自导纳和互导纳，最后完成节点导纳阵的 建立。同时，节点导纳阵是稀疏矩阵，因此可以采用稀疏矩阵技术进行存储， 节省计算用内存。 节点阻抗矩阵的参数形成起来比较困难，无论是支路追加法还是在节点导 第3 章电力网络数学模型的选择节卢阻抗参数的计算 纳矩阵因子表基础上的连续回代法，其工作量要多出很多。同时，节点阻抗阵 是一个满阵，其非对角元一般不等于零，每个元素都包含了全网的信息，对计 算机有较高的内存要求。但正是“节点阻抗阵中的元素包含了全网的信息”这 一特性，使得节点阻抗阵在电力系统故障分析中应用很普遍。 利用电力系统的节点阻抗方程，可以通过给定的节点注入电流，即可得到 各母线电压，因此比利用节点导纳方程便利的多，这是它的突出优点。在进行 各种故障计算时，可直接取用有关节点阻抗元素进行运算，因此在多次重复使 用时，计算速度快，占用机时少。 利用节点导纳阵进行故障分析时，每进行一次计算，都必须用因子表进行 回代运算。这一计算等效于通过注入单位电流求节点电压而得到节点阻抗阵的 一列向量。因此，当对某一特定网络进行大量故障计算时，就会出现重复形成 节点阻抗列向量的情况，为无谓的重复计算浪费了机时，显然不适于要对电网 进行反复的、多点故障计算的、面向保护整定计算的故障计算。 作为描述电力网络的数学模型，节点导纳矩阵和节点阻抗矩阵各有自己的 特点。一般说来：在电力系统潮流和稳定计算中，应用节点导纳矩阵有明显的 优点：而在故障计算尤其是在面向继电保护整定计算的故障计算中，往往需要 对同一个电力网络进行反复的、大量的短路计算，此时用节点阻抗矩阵求解就 有一定的优势。因此，本文将选用节点阻抗方程作为研究面向电力系统继电保 护整定计算的电力网络数学模型。 3 2 节点阻抗参数的计算 支路追加法利用网络中元件参数及其联结关系的信息直接形成节点阻抗矩 阵。若网络的节点导纳矩阵的因子表已计算出来并可用，也可以利用连续回代 法快速求取节点阻抗矩阵。这种方法计算速度快，尤其适合计算节点阻抗矩阵 中的部分元素，它在短路电流计算等领域得到广泛的应用。 连续回代法利用节点导纳矩阵的因子表快速形成节点阻抗矩阵。因为节点 导纳矩阵的因子表是稀疏矩阵，所以计算中可利用稀疏矩阵技术，计算速度很 快。 假定节点导纳矩阵的因子表已形成 y = 工d u 式中l = u 7 是单位下三角矩阵。由于y 与z 互逆，有 ( l d u ) z = i ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) 式i 是单位矩阵。令w = ( l d ) 。( 3 5 ) 这是下三角阵，则有u z = w ( 3 - 6 ) 令d = u i ，是一个严格上三角阵，它的对角线元素都是零， 将它代入( 3 6 ) 有z = w c 功( 3 7 ) 其具体矩阵结构是 z 1 2 z 2 ：乙， jj z u t 一l 互 z 2 z n _ 。n z n n 嵋。 + 2 z 1 z l ： z 2 2 z q l 。n 一1 以上诸矩阵的结构有以下特点： ( 1 ) 由( 3 5 ) 式知，l d 是下三角矩阵，由于三的对角元素都是1 ，所以l d 的对角元素就是d 的对角元素，因此也是下三角矩阵，其对角元素是d 的对 角元素的倒数，即： = 1 p ， f = 1 ，2 ，n ( 3 8 ) 这是已知量。 ( 2 ) u 是严格上三角矩阵，只在对角线以上右上角部分有非零元素，且是 已知的。 ( 3 ) 待求的z 矩阵是对称矩阵，只要求得z 的右上角部分即可。在计算中 当用到矩阵z 的左下角部分的元素时，可从和该元素对称位置的上三角部位去 取。 因此有以下计算准则： ( 1 ) 计算从右下角向左下角按顺序进行； 肛 4 事 隅二一 i w 加纫 缈跏 誓 ( 2 ) 只计算z 的右上角部分。 于是南 z n n = n z n - 1 n = - u ” ，k z n ， z - 1 ，= - 1 - l 一- i , n z u - l ； 上面z ，。用z - - 1 。代替。吼 ，阡，- 1 1 由( 3 8 ) 式给出。把以上过程用 下面的图标说明。取出矩阵式的第i 行如下： i i + l 甲i= 甲一碍 等号左边块是 殇惑 蕊缓 i 十1 i ( 3 - 9 ) 函囫仔 式( 3 - 1 0 ) 中零的块这罩没写出。 可见在计算z 的第i 行时，z 矩阵第i + 1 行i + 1 列以下的块已在先i ； 求出 并可用，口的第i 行的非零元部分在( 3 1 0 ) 式中是第块，是己知的，所以( 3 1 0 ) 的计算可以进行。 ( 3 9 ) 式中z 的第所f 块即互，是 东北电力大学硕 学位论文 i + 1 囫= i 囫一i 圆 l ( 3 1 1 ) 式中的右端块由( 3 8 ) 式给出，是已知的。块已在( 3 - 1 0 ) 式中 算出来，只不过两者互为转置。所以用( 3 一1 1 ) 式可求出互。 到此，只要z 的i + i 行i + i 列后面的元素已求出，即( 3 - 9 ) 式中的块已 求出，则可求出z 的i 行f 列后面的元素，即求出块和的元素。这样，计算 可以向左上角方向进行下去。 连续回代法计算节点阻抗矩阵用下面的程序实现： z n n = t d n n l o o pi f n - i ，。i 2 l o o p 产n ，i + 1 z q = - zu ，i z 目 ( 3 - 1 2 ) ub i 曲 e n dl o o p 在计算中，只有当“m 为非零时才进行乘法运算，大大减少了计算量。另外 在( 3 - 1 2 ) 式的内环2 中，。自的下标k 和j 的取用应注意，因为只计算并存储z 的上三角部分，所以6 自当行号大于列号时应交换行列号，始终保持列号大于行 号。 连续回代法常用于计算阻抗矩阵z 中的部分元素。令阻抗矩阵z 中与导 纳矩阵】，的上三角非零元素位置相对应的元素集合6 r 表示，和u 中非零元素位 置相对应的元素用集合) u 表示，由卸c ) u 。尽管z 是满阵，但在许多领域，只 需要用哪中的元素，因此计算z 的全部元素是不必要的。考虑到z 中属于o u 的 m 图 * z * u 钍 一 q = 叩乙 oj玎p 元素而不属于s 的元素尽管最终不需要，但在计算s 的元素时需要用到品的元 素，因此，在( 3 1 2 ) 式的内环2 需要扫描并计算品的元素。 假如一个4 阶节点导纳矩阵】，和它的因子表矩阵d ，u 如下，只写出上 三角部分。 y = k ，x ： e ，匕 匕 d = 下面用连续回代法计算s 中的元素。 d “ u = 1 u 2 1 3 1 l 要计算的品中的阻抗矩阵的元素只写出上三角部分如下： z = z l 。z 1 ： z 2 2z 2 3z “ 乙2 0 z 0 和母中元素相比多了一个元素z 3 。按( 3 1 2 ) 式的程序流程有z 。= 1 d “ ：，f z 3 。= 一。z “ 卢3 1 2 3 ，= 1 ，2 ，一乙。 j 乙= 一以。乙一，乙 i 2 2 z 2 ，= 一。乙一，z 3 3 【z 2 2 = 1 d 2 ：一c z 2 4 一，z 2 3 z l 。不用算 z 1 ，不用算 z 1 2 = 一u 2 2 2 2 z l l = 1 0 1 1 一u 2 z i 2 第4 章网络操作时模拟和故障分析 4 1 引言 继电保护整定计算过程中对故障计算的基本要求为：( 1 ) 整定计算一般只 计及简单故障：( 2 ) 能计及网络操作的影响。同时由文献“”可知，继电保护整 定计算中计算故障分析时关键也在于如何模拟网络操作和故障。在继电保护整 定计算中用到的故障计算中，网络操作分为两大类：( 1 ) 投入和切除非零阻抗 支路，例如：线路、变压器等元件的投入和切除等：( 2 ) 节点的合并或分割。 例如：厂站母联开关等零阻抗元件的投入与切除、环网的解环与合环等。由文 献【1 3 】可知，在电网规划设计、事故分析、继电保护整定计算过程中，在记及网 络操作的情况下需要处理的简单故障可分为：非对称断相、母线短路和非母线 短路。处理网络操作和故障都可以采用重新形成网络数学模型的方法，但计算 量过大。如何模拟网络操作和故障，关系到变结构电力系统故障计算的速度和 效率，本章介绍以节点阻抗参数矩阵作为网络的数学模型，在不修改网络数学 模型的基础上模拟各种网络操作和故障的方法。 传统的利用计算机求解电力系统故障的方法是利用对称分量法、节点电压 法及口网络理论来进行的“”。简单故障的计算归结为单口网络的计算：由节点 阻抗矩阵求出口网络阻抗参数，根据故障边界条件方程求出故障口注入电流， 然后由节点阻抗方程求出系统各点电压，进而可求出各支路电流。多重复杂故 障的计算可归结为多口网络的计算：通常的做法是根据序网的连接类型，把故 障分为串联型故障和并联型故障两大类，选定一相作基准相，列出故障口电压、 口电流序分量边界条件方程，然后与口序网络方程联立求解未知量。对于两重 及两重以上的复故障计算必须考虑故障特殊相与基准相不一致的情况，因此需 要利用理想变压器的转角因子来建立通用型边界条件方程，用以反映故障类型 和相别的变化。 近十几年来，对故障计算的算法“”进行了多方面的深入研究，研究内容覆 盖了各种等级的电网、各种类型故障、网络操作以及继电保护整定计算中的一 些特殊问题；结点优化编号技术和稀疏矩阵技术被广泛用于提高计算速度、节 约计算机内存 2 l ，2 2 。如文献 2 3 ，2 4 提出了一种采用修改网络数学模型法或 补偿法来模拟电力系统故障分析中各种网络操作的统一方法。这种方法具有物 理概念清晰、各种网络操作模拟方法统一等特点。文献 2 5 1 对由网络操作引起拓 扑结构的变化，统一处理成向原网追加一组等值链支的问题，导出了反映网络 拓扑结构与阻抗参数变化的修正因子，既可用它来修正节点阻抗阵或其中任何 元素，也可用它修正节点电流源，计算网络结构变更后的情况，这给按计算丑 的选择计算方法带来了极大方便：文献 2 6 ，2 7 提出了一种采用修改网络数学模 型法或补偿法来模拟电力系统故障分析中各种网络操作的统一方法。这种方法 具有物理概念清晰、各种网络操作模拟方法统一、易于编程等特点。文献 2 8 采用补偿法并通过加入补偿电流的概念，只对部分支路进行修正，避免了在故 障计算和分支计算时对全网阻抗矩阵元素进行计算，大大提高了整定效率。 4 2 网络操作的模拟 4 2 1 第一类网络操作的模拟 第一类网络操作的模拟指的是投入或切除非零阻抗支路，是一种面向支路 的网络操作。第一类网络操作没有改变网络节点数量，可采用向原网直接追加 相应的等值支路阻抗参数矩阵来模拟。设拟投入或断开的支路组的支路阻抗矩 阵为z 胂( m 为支路条数，乙为对角阵) 。根据支路追加法，或模拟投入或断开非 零阻抗支路，只需向原网络中网络操作端口追加等值支路阻抗阵，设乙。为模拟 第一网络操作所需要的等值支路阻抗阵则： 乙( 1 ) = z 卅 ( 4 一1 ) 式中“+ ”表示向原网投入支路或支路组； “一” 表示从原网切除支路或支路组； 东北电力大学颐十学位论文 若投入与切除支路同时存在时，只需根据式( 4 1 ) 构成新的支路阻抗即可： = 瞄乙0 限z ， 式中： 为模拟投入支路所需的支路阻抗阵( t 为拟投入的支路数) ； 6 q 为模拟切除支路所需的支路阻抗阵( q 为拟切除的支路数) 。 4 2 2 第二类网络操作的模拟 第二类网络操作是指节点的合并或分割及节点的合并与分割，该操作引起 网络节点数量的变化是一种面向节点的操作。设6 啦) 为模拟第二类网络操作所 需的等值支路阻抗阵。下面分别研究节点合并、节点分割时网络操作的模拟方 法。 4 2 2 1 节点合并的模拟 设将节点、 ( k = 1 ，2 ，) 节点合并a 根据支路追加法只需在节点、五 之间追加一组零阻抗支路，见图4 - 1 。 k j t 厂 ll 一 “j i 图4 - 1 节点合并示意图 因此，为模拟节点合并只需令： 一 一厶 l 。医荔 _ 3 4 2 。2 2 节点分割的模拟 分割前的原网络如图4 - 2 所示，节点q ( 厂= l ，2 ，h ) 表示一个或多个节点， 支路置一q f ( i = 1 ，2 ，甩) 、一q ( j = 1 ，2 ，坍，且脚 厅) 表示与节点q 相连的支 路。为将节点分割转化成追加相应的支路，首先在图3 - 2 中引入零阻抗虚拟支 路q - t r ，将图4 - 2 等效成图4 - 3 ( a ) ：在引入虚拟节点p ，和两条阻抗分别为一， 第4 章网络操什时模拟和故障分析 和，( 为方便，一般取1 o ) 的虚拟支路乃一t s 、q ，一p s ，将图4 - 3 ( a ) 变形为 图4 3 ( b ) ，分割