距離保護整定計算

.z.本科畢業(yè)設計〔論文〕繼電保護整定計算的分析與研究—距離保護整定計算指導老師**二Ｏ一二年六月中國-.z.摘要繼電保護是電力系統(tǒng)平安運行的防護線，繼電保護的整定計算是繼電保護裝置正確動作的關鍵。隨著電力系統(tǒng)的快速開展，電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡構成日趨復雜，繼電保護的整定也越來越復雜，而且更費時費力，也更容易出錯。標準繼電保護整定計算，提高繼電保護整定計算水平對于減少設備事故或杜絕事故的發(fā)生具有深刻的意義。如果能成功編制一款軟件，該軟件能夠在各種各樣的系統(tǒng)運行方式下，根據(jù)整定原則計算出繼電保護裝置的整定值，使裝置正確動作，則將很大程度上減少工作人員的工作量，使工作效率大大提高。本文以三段式距離保護為例，介紹了如何利用軟件開發(fā)工具Matlab編制三段式距離保護軟件。主要使用了Matlab的GUI(圖形用戶界面)功能將距離保護整定計算劃分成五個模塊。用戶通過這些模塊的提示，能準確快速地計算出整個網(wǎng)絡的繼電保護裝置的整定值，并且用戶還可以根據(jù)系統(tǒng)運行方式的變化修改整定計算算法，使整定值能夠適用于多種不同的運行方式，實現(xiàn)了整定計算過程的自動化和智能化?！娟P鍵詞】繼電保護距離保護整定計算Matlab-.z.AbstractRelayprotectionisthelineofdefenceofsafetyoperationofthepowersystem.Settingcalculationofrelayprotectionisthekeytotherightactionofrelayprotectiondevices.Withthedevelopmentofpowersystem,powersystemnetworkisbecomingmoreandmorecomple*,therelayprotectionisbecomingmoreandmorecomple*,andmoretime-consumingandlaborious,butalsomorepronetoerror.Specificationforandraisethelevelofsettingcalculationofrelayprotectionhasprofoundsignificanceonthereductionofequipmentaccidentandavoidingthehappeningofaccidents.Ifwecansuccessfullydevelopapieceofsoftware,thesoftwarecancalculatethesettingvaluesinvariousoperatingmodeofthesystemaccordingtotheprinciplesofsettingcalculationofrelayprotectiondevicesettingvalue,sothattherelayprotectiondeviceswillactcorrectwillgreatlyreducetheworkloadofstaff,greatlyimprovetheworkefficiency.Thepapertakesthreesectionsdistanceprotectionforane*ampleandintroduceshowtoprogramethethreesectionsdistanceprotectionwiththesoftwaredevelopingtool--Matlab.ThesettingcalculationofdistanceprotectionisdividedintofivemodulesbythhemainfunctionofMatlab--GUI(graphicaluserinterface).Throughthesemodulestips,userscanaccuratelyandquicklycalculatetherelayprotectiondevicesettingvaluesoftheentirenetwork,andtheuserscanalsochangethesettingcalculationalgorithmaccordingtotheoperatingmodeofthesystemtomakesthesettingvaluescanbeappliedtoavarietyofdifferentoperationmodes,torealizethesettingcalculationprocessautomation.【Keywords】RelayprotectionDistanceprotectionSettingcalculationMatlab-.z.目錄摘要IAbstractII目錄III第一章緒論1第一節(jié)電力系統(tǒng)繼電保護概述1一、繼電保護的概念1二、繼電保護的根本任務與重要性1三、繼電保護的4個根本要求1四、繼電保護的原理和構成3第二節(jié)繼電保護的開展簡史3一、繼電保護原理開展史3二、繼電保護裝置開展史4三、繼電保護整定計算軟件的開展與研究5第三節(jié)本文所做的工作6第二章電網(wǎng)的距離保護8第一節(jié)距離保護簡介8一、距離保護的概念8二、距離保護的構成8第二節(jié)距離保護裝置的主要元件——阻抗繼電器9一、偏移圓特性阻抗繼電器9二、方向圓特性阻抗繼電器10三、全阻抗圓繼電器11第三節(jié)距離保護定值配合的根本原則12第四節(jié)定值計算的分支系數(shù)的選擇與計算13一、帶有助增分支的網(wǎng)絡13二、帶有外汲分支的網(wǎng)絡14三、助增、外汲分支同時存在的網(wǎng)絡15第五節(jié)距離保護整定計算15一、距離保護I段整定計算16二、距離保護II段整定計算16三、距離保護III段整定計算17第六節(jié)對距離保護的評價19第三章整定計算軟件的設計與開發(fā)20第一節(jié)引言20第二節(jié)軟件開發(fā)工具20一、Matlab語言簡介21二、圖形用戶界面GUI簡介23第三節(jié)軟件設計框架圖23一、軟件構造示意圖23二、軟件功能模塊概述24三、軟件的功能特性26第四章算例結果分析27第一節(jié)算例27一、手算算例27二、軟件整定結果30第二節(jié)分析及結論31第五章結論32第一節(jié)工作總結32第二節(jié)缺乏與展望33致34參考文獻35-.z.第一章緒論第一節(jié)電力系統(tǒng)繼電保護概述一、繼電保護的概念當系統(tǒng)一旦發(fā)生故障時，保證系統(tǒng)能有選擇性的、快速的切除故障的裝置，稱為繼電保護裝置；原來實現(xiàn)此功能的裝置是由繼電器組合來實現(xiàn)的，故稱為繼電保護裝置，而目前繼電器已被電子元件及計算機替代，但仍沿用此名稱。在電力部門常用繼電保護一詞泛指機電保護技術或由各種繼電保護裝置組成的繼電保護系統(tǒng)[1]。二、繼電保護的根本任務與重要性當系統(tǒng)發(fā)生短路時可能產(chǎn)生的后果有：經(jīng)過故障處的很大的短路電流和由于短路電流擊穿空氣所產(chǎn)生的電弧，會使故障元件燒壞；當短路電流通過非故障元件時，由于電流的熱效應和電動力的作用，同樣也會使得元件過早的損壞以至縮短了元件的壽命；當短路時，電力系統(tǒng)中局部地區(qū)的母線電壓將大大降低，不僅能破壞居民家中小型電器的平安性和穩(wěn)定性，也會降低工廠生產(chǎn)出來的精細設備的質量；更嚴重的是會破壞電力系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性，引起系統(tǒng)震蕩，甚至瓦解整個系統(tǒng)[1][3]。因此，繼電保護的根本任務在于：(1)有針對性地將故障元件快速、自動切除，使電力系統(tǒng)快速恢復正常工作狀態(tài)，并且使無故障的元件破壞程度減至最少，并最大程度地保證無故障元件的正常運行。(2)如果電力系統(tǒng)中的電氣元件有什么不正常工作狀態(tài)，繼電保護能根據(jù)運行維護的要求和設備本身的承受能力，發(fā)出報警信號、減掉一局部的負荷或延時跳閘。(3)能根據(jù)用戶的需求和電網(wǎng)的實際運行情況，盡快自動恢復停電局部的供電[6][10]。因此可以這么說，繼電保護是電力系統(tǒng)的重要組成局部，是保證電網(wǎng)平安穩(wěn)定運行的重要技術手段，能快速及時地采取故障隔離或告警等措施，以求最大限度地維持系統(tǒng)穩(wěn)定、保持供電連續(xù)性、防止或減輕設備損壞、保障人生平安[9]。三、繼電保護的4個根本要求(1)可靠性：可靠性含兩重意思，分別是平安性和信賴性。平安性是指繼電保護在保護范圍外不動作，不發(fā)生誤動作；信賴性是指當發(fā)生故障在規(guī)定的保護范圍內時，繼電保護應該立即動作。繼電保護性能的最根本要求就是可靠性[4][6]。(2)選擇性：繼電保護的選擇性是指元件處于不正常工作狀態(tài)時，繼電保護裝置應該在保證最大范圍內的供電得到滿足的前提下，將故障元件從電力系統(tǒng)中切除斷開。它包含了兩種意思：第一種是應該只能由裝在故障元件上的保護裝置先動作切除故障；第二種是無論故障元件上的保護裝置是否動作或者拒動，相鄰元件都應該對它起到后備作用[6]。(3)速動性：繼電保護的速動性是指盡可能快地切除故障，保證電力系統(tǒng)在異常工作時產(chǎn)生的短路電流或者低電壓對居民生活和工廠生產(chǎn)出來的產(chǎn)品質量不造成影響，同時也是為了使電力系統(tǒng)維持穩(wěn)定[7][21]。例如：在國家現(xiàn)在大力開展的超高壓及高壓電網(wǎng)中，繼電保護能否快速地動作是決定電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定的關鍵性因素，如果故障切除得不及時，電力系統(tǒng)將失穩(wěn)，就不得不解列。(4)靈敏性：繼電保護的靈敏性是指對故障或不正常運行狀態(tài)的反響能力。在其保護范圍內，對各種各樣性質的故障都能敏銳感覺、正確反響。參照GB14285-2006"繼電保護和平安自動裝置技術規(guī)程"一書中，保護的靈敏系數(shù)的要求如下：[9]。繼電保護的四個要求是評價和研究繼電保護的根底，它們之間既相輔相成，又存在矛盾。如何能科學地研究設計繼電保護，使繼電保護的四個根本要求都能得到滿足，是設計繼電保護軟件或者裝置的核心，也是根本準則。四、繼電保護的原理和構成電力系統(tǒng)的每個元件都有其特征值，當系統(tǒng)有短路或不正常工作狀態(tài)發(fā)生時，這些元件的特征值〔電流，電壓等〕超出電力系統(tǒng)所規(guī)定的值，就會對電力設備和系統(tǒng)穩(wěn)定性造成威脅。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，最容易發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象是電流大幅度提高。因此，繼電保護的第一個原理就是表達電流劇增這一特征，即熔斷器保護和過電流保護。而發(fā)生故障時的另一顯著現(xiàn)象就是電壓大幅度減少，表達這一特征有低電壓保護。而同時表達出電壓降低和電流增大的一種保護為距離保護，距離保護根據(jù)測量阻抗值的大小來測算出故障點離距離保護裝置的距離，是否在動作范圍內，再決定保護是否動作[5][8]。近些年來，電力系統(tǒng)快速開展，隨之而來的是各種輻射型電網(wǎng)、環(huán)型電網(wǎng)也相繼大面積地出現(xiàn)并接入融合到電網(wǎng)中，使電網(wǎng)拓撲構造日益復雜；同時隨著供電需求不斷提高，機組容量也不斷增加；而為了使資源進一步得到優(yōu)化配置，高電壓電網(wǎng)的開展也形成趨勢，則對繼電保護裝置的要求當然也會相應提高，因而也促進了繼電保護的開展，與此同時，保護的新原理、新裝置不斷問世[5]。繼電保護裝置由測量局部、定值調整局部、邏輯局部和執(zhí)行局部構成〔如圖1-1〕。測量局部的作用是將在故障點測得的信號與給定的整定值相比擬，決定保護是否動作；定值調整局部是根據(jù)整定的具體條件將定值調整成符合繼電保護要求的值；邏輯局部是控制保護裝置合理有序地工作，然后作出保護是否動作的判斷；最后由執(zhí)行局部發(fā)出報警或跳閘信號[1]。圖1-1繼電保護裝置的組成方框圖第二節(jié)繼電保護的開展簡史一、繼電保護原理開展史(1)19世紀90年代出現(xiàn)了裝于斷路器上并直接作用于斷路器的一次式的電磁型過電流繼電器[4]；(2)901年出現(xiàn)了感應型過電流繼電器；(3)1908年提出比擬被保護元件兩端電流的差動保護原理；(4)1910年方向保護得到運用；(5)1920年前后距離保護出現(xiàn)；(6)1927年前后出現(xiàn)了利用高壓輸電線路上高頻載波電流傳送和比擬輸電線路兩端功率方向或電流相位的高頻保護裝置；(7)1950年前后出現(xiàn)了利用微波傳送電量的微波保護；(8)1970年前后誕生了行波保護裝置[20][21][25][29]。二、繼電保護裝置開展史(1)機電式繼電器：上世紀50年代以前，以電磁型、感應型、電動型繼電器為主，都具有機械轉動局部。優(yōu)點：運用廣，積累了豐富的運行經(jīng)歷，技術比擬成熟。缺點:體積大，功耗大，動作速度慢，機械轉動局部和觸點易磨損或粘連，調試維護復雜。(2)晶體管式機電保護裝置〔第一代電子式靜態(tài)保護裝置〕：50年代開場開展，70年代得到廣泛應用。優(yōu)點：解決了機電式繼電器存在的缺點缺點：易受外界電磁干擾，在初期經(jīng)常出現(xiàn)"誤動〞的情況，可靠性稍差。(3)集中電路繼電保護裝置〔第二代電子式靜態(tài)保護裝置〕：80年代后期出現(xiàn)，將數(shù)十個甚至更多的晶體管集中在一個半導體芯片上。優(yōu)點：體積更小，工作更可靠。(4)微機保護：90年代后，已大量投入使用，成為機電保護裝置的主要趨勢?？梢哉f微機保護代表著電力系統(tǒng)機電保護的未來，目前已成為電力系統(tǒng)保護、控制、運行調度及事故處理的統(tǒng)一計算機系統(tǒng)的組成局部。優(yōu)點：具有強大強健的整定計算、分析和邏輯判斷能力，有存儲記憶功能，因而可以實現(xiàn)各種功能完好的保護原理；微機保護擁有自檢查功能，可靠性高；可用同一個硬件實現(xiàn)不同的保護功能，制造相對簡單；功能強大[22][25][28][30]。三、繼電保護整定計算軟件的開展與研究早期對繼電保護裝置只能逐一地計算出整定值，并且當運行方式變化時，又不得不重新按照整定規(guī)則再計算一遍，這樣重復繁瑣的工作令工作人員感到枯燥乏味，并且效率及其低，準確率也低。從70年代開場，人們就將數(shù)字計算機引入到繼電保護中來做這些重復的工作。盡管這樣大大減少了工作人員的計算工程量，但繼電保護的整定仍然需要人工方式。并且大多數(shù)情況下，要工作人員選取查找故障程序，而且要在龐大的數(shù)據(jù)中調整計算的內容，查找整定的結果，也是一件相當耗時費事的事。同時，這種計算方法對實際復雜多變的電網(wǎng)運行方式作了簡化，根本無法正確反響出實際電網(wǎng)的情況，也無法有選擇性地切除故障，不能滿足生產(chǎn)的需要[26][27]。目前普遍存在于繼電保護軟件中的問題如：計算效率慢，整定結果不準確都沒有從根本上得到解決。而且，國內的大多數(shù)軟件只是實現(xiàn)了對整定計算過程用計算機實現(xiàn)，即只是將以前需要用人工方式計算出的整定步驟換作由計算機來進展數(shù)據(jù)運算，簡而言之，就是在很大程度上減少了計算工作量。但軟件的系統(tǒng)功能、自動化程度根本不滿足現(xiàn)在智能電網(wǎng)開展的要求；同時，由于當時計算機技術的水平，軟件中的程序分類和構成、數(shù)據(jù)存儲模塊、人機界面等模塊都還存在很多的缺乏。并且這些軟件大多是針對超高壓及高壓等級的電網(wǎng)開發(fā)的，或者只是針對地區(qū)電網(wǎng)開發(fā)的，或者只是針對*個電廠開發(fā)的整定計算軟件，因此根據(jù)上述對象開發(fā)的軟件，通用性和靈活性較差，無法移植[23]。綜合軟件的實際應用情況，主要的缺陷如下:(1)軟件中的電網(wǎng)的運行方式預先被設置好，無法改變，無法根據(jù)實際的情況改變軟件中的運行方式，因此各段的整定值只是由計算機通過循環(huán)出來的結果，結果跟實際手算的結果有很大的不同，不可信。(2)軟件無法自動地提供電力系統(tǒng)的拓撲構造類型，判斷出特別的接線方式，選擇運行方式，確定保護之間的配合關系等，缺乏自動化、智能化的能力。這些整定計算過程中的因素仍需要用戶指定；并且不能提供多樣性的整定原則和豐富的定值調整手段；圖形界面不夠簡潔明了等。(3)電網(wǎng)的原始參數(shù)和故障分析數(shù)據(jù)創(chuàng)立與輸入要形成固定格式的數(shù)據(jù)文件，對數(shù)據(jù)輸入的形式有諸多刻板的要求，使用人員需經(jīng)過一段時間的培訓學習才能上手；整定值的校驗只能通過靈敏系數(shù)才能判斷正確與否，最棘手的是，工作人員無法校驗出遠后備、保護定值配合是否滿足實際情況。(4)繼電保護管理流程控制功能還不具體完善。針對以上幾個問題，開發(fā)研制出一套能反映實際電網(wǎng)拓撲構造，對故障局部快速作出分析，擁有良好圖形用戶界面的繼電保護整定軟件是十分必要的。這個軟件能將電網(wǎng)的實際情況及故障時的情況通過圖形化直接展示在繼電保護工作人員面前，同時工作人員通過軟件的功能模塊對故障進展仿真，來校驗保護的整定值，并能通過工作流程平臺對保護定值單形成一套系統(tǒng)有序的管理[9][17]。第三節(jié)本文所做的工作本文通過研究繼電保護軟件開展和存在的缺陷，再結合繼電保護軟件的開發(fā)現(xiàn)狀，針對110kV高壓電網(wǎng)的實際情況和特點，借助于軟件開發(fā)工具Matlab所提供的GUI可視化編程環(huán)境和Matlab本身所具有的強大的編程及數(shù)據(jù)管理功能，開發(fā)一套適用于多種運行方式的電網(wǎng)的距離保護整定計算軟件，并力求該軟件具有通用性、準確性和校驗性；同時該軟件也為用戶提供一個友好界面、實用性強的整定計算軟件平臺。本文所作的主要工作如下：(1)在查閱大量書籍與資料的根底上，了解了繼電保護對電力系統(tǒng)的重要性，繼電保護的根本任務及要求及繼電保護的開展歷程。(2)通過閱讀大量書籍與資料，對高壓電網(wǎng)線路距離保護的特點、性能以及三段式距離保護整定計算的原則作了總結。(3)對軟件開發(fā)工具Matlab所提供的GUI圖形用戶界面進展研究，并能熟練運用[11]。(4)對距離保護整定計算軟件體系構造及各模塊的功能進展了研究與設計，完成了整定計算軟件的功能。(5)在一定程度上，解決了距離保護軟件的通用性問題。本軟件〔只針對輻射性電網(wǎng)作研究〕提供了四種電力系統(tǒng)運行方式的選擇有：不存在分支系數(shù)的網(wǎng)絡；帶有外汲分支網(wǎng)絡；帶有助增分支的網(wǎng)絡；外汲、助增分支同時存在的網(wǎng)絡。用戶也可以根據(jù)實際的運行方式對嵌套在軟件中的程序的算法法則及計算公式作修改，來滿足電網(wǎng)的不同情況，因此在也可以說有一定程度的通用性[10][12]。第二章電網(wǎng)的距離保護第一節(jié)距離保護簡介一、距離保護的概念距離保護是利用短路發(fā)生時電壓、電流同時變化的特征，測量電壓比電流的比值，該比值反響故障點到保護安裝處的距離，如果短路點距離小于整定值則動作的保護。由于距離保護同時利用了元件的兩個參數(shù)：電流和電壓，因此比起過電流保護和低電壓，距離保護區(qū)更加穩(wěn)定，不易受到運行方式變化的影響。距離保護在超高壓及高壓系統(tǒng)的線路保護中，占有極其重要的地位[1][3]。二、距離保護的構成距離保護包括啟動、測量、振蕩閉鎖、電壓回路斷線閉鎖、配合邏輯和出口等幾局部。(1)啟動局部啟動局部用來判斷電力系統(tǒng)是否發(fā)生故障。電力系統(tǒng)正常運行時，啟動不動作，距離保護裝置的測量，邏輯等局部不投入工作；而當作遠后備保護的范圍內末端發(fā)生故障時，啟動局部就靈敏、快速動作，使整套保護迅速投入工作。(2)測量局部測量局部是用來判斷系統(tǒng)發(fā)生故障時，故障點離距離保護裝置處的距離和方向。如果在裝置的保護范圍內，就發(fā)生動作信號；如果在保護范圍外，距離保護裝置就不動作。測量局部是整定距離保護的核心。(3)振蕩閉鎖局部當電力系統(tǒng)發(fā)生的振蕩，系統(tǒng)的電壓和電流會周期性變化像發(fā)生了短路現(xiàn)象一樣，導致裝置誤動作，而實際上振蕩不是短路，距離保護應不動作。為了防止保護誤動作，振蕩閉鎖局部必須判斷出系統(tǒng)是否振蕩，如果是，應該立即閉鎖保護。(4)電壓回路斷線局部當電壓回路斷線時，保護測量的電壓值一般情況下會降低甚至為零，這樣就會使得阻抗值偏低，導致距離測量元件發(fā)生誤動作，應該將保護閉鎖。(5)配合邏輯局部配合邏輯局部的作用是協(xié)調整合距離保護中各個局部之間的工作關系以及三段式距離保護中各段之間的時間配合。(6)出口局部出口局部由跳閘出口和信號出口組成。當距離保護動作時，跳閘回路動作接通相應的電路并發(fā)出相應的信號[5][8]。第二節(jié)距離保護裝置的主要元件——阻抗繼電器阻抗繼電器是距離保護裝置的主要元件，它是反映從故障點至保護安裝處之間阻抗值大小的測量元件，通常稱為阻抗繼電器。阻抗繼電器的主要特點是：當線路發(fā)生故障時，測得的阻抗值可以直接表示在阻抗(或導納)復數(shù)平面上，將動作時的阻抗值都表示在復數(shù)平面上，就形成了特性曲線，我們將這些特性曲線表示成通入到繼電器的電壓與電流的*種函數(shù)關系，這個函數(shù)就稱作繼電器的特性動作方程。同時由于繼電器的構造不同，形成的曲線形狀也不同，一般常用的是圓、直線、橢圓、平行四邊形等形狀的曲線；而圓特性曲線也可以構成帶有方向性的特性曲線[1][6]。下面就選取阻抗繼電器中的圓特性阻抗繼電器作介紹。一、偏移圓特性阻抗繼電器偏移圓特性阻抗繼電器的動作區(qū)域如圖2-1所示，它有兩個整定阻抗：正方向整定阻抗Zset1和反方向整定阻抗Zset2，兩整定阻抗對應矢量末端的連線就是特性圓的直徑。特性圓包含坐標原點，圓心位于，半徑為。圓內為動作區(qū)，圓外為非動作區(qū)。當測量阻抗正好落在圓周上時，阻抗繼電器臨界動作。對于該特性的動作方程，可以有兩種不同的表達形式：一種是比擬兩個量大小的絕對值比擬原理表達式；另一種是比擬兩個量相位的相位比擬原理表達式。分別稱為絕對值〔或幅值〕比擬動作方程和相位比擬動作方程。圖2-1偏移圓特性(1)絕對值比擬原理當測量阻抗落在圓內或圓周上時，末端到圓心的距離一定小于或等于圓的半徑；而當測量阻抗落在圓外時，末端到圓心的距離一定大于圓的半徑。所以動作條件可以表示為〔2-1〕(2)相位比擬動作方程測量元件的動作條件可以表示為〔2-2〕偏移圓特性的阻抗元件通常用于在距離保護的后備段〔如第III段〕中[1][13]。二、方向圓特性阻抗繼電器在上述的的偏移圓特性中，如果令=0，=，則動作特性就變化成方向圓特性，動作區(qū)域如圖2-2所示。特性圓經(jīng)過坐標原點處，圓心位于處，半徑為。圖2-2方向圓特性(1)絕對值比擬原理將=0，=代入式(2-1)，可以得到方向圓特性的絕對值比擬動作方程為〔2-3〕(2)相位比擬方程將=0，=代入式(2-2)，可以得到方向圓特性的相位比擬方程為〔2-4〕方向圓特性的阻抗元件一般用于距離保護的主保護段〔I段和II段〕中[1][13]。三、全阻抗圓繼電器在上述的的偏移圓特性中，如果令=，=，則動作特性就變化成全阻抗圓特性，動作區(qū)域如圖2-3所示。特性圓的圓心位于坐標原點處，半徑為。圖2-3全阻抗圓特性(1)絕對值比擬原理將=，=代入式(2-1)，可以得到全阻抗圓特性的絕對值比擬動作方程為〔2-5〕(2)相位比擬方程將=，=代入式(2-2)，可以得到全阻抗圓特性的相位比擬動作方程為〔2-6〕全阻抗圓特性在各個方向上的動作阻抗都一樣，它在正向或反向故障的情況下具有一樣的保護區(qū)，即阻抗元件本身不具有方向性。全阻抗圓特性的阻抗元件可以應用于單側電源的系統(tǒng)中；當應用于多側電源系統(tǒng)中時，應與方向元件相配合[1][13][14]。第三節(jié)距離保護定值配合的根本原則距離保護定值配合的根本原則如下：(1)距離保護裝置具有階梯式特性時，其相鄰上、下級保護段之間應該逐級配合，即兩配合段之間應在動作時間及保護范圍上互相配合。距離保護也應與上、下相鄰的其他保護裝置在動作時間及保護范圍上相配合。例如：當相鄰為發(fā)電機變壓器組時，應與其過電流保護相配合；當相鄰為變壓器或線路時，假設裝設電流、電壓保護，則應與電流、電壓保護之動作時間及保護范圍相配合[3]。(2)在*些特殊情況下，為了提高保護*段的靈敏度，或為了加速*段保護切除故障的時間，采用所謂"非選擇性動作，再由重合閘加以糾正〞的措施。例如：當*一較長線路的中間接有分支變壓器時，線路距離保護裝置第I段可允許按伸入至分支變壓器內部整定，即可仍按所保護線路總阻抗的80%~85%計算，但應躲開分支變壓器低壓母線故障；當變壓器內部發(fā)生故障時，線路距離保護第I段可能與變壓器差動保護同時動作(因變壓器差動保護設有出口跳閘自保護回路)而由線路自動重合閘加以糾正，使供電線路恢復正常供電[1]。(3)采用重合閘后加速方式到達保護配合的目的。采用重合閘后加速方式，除了加速故障切除，以減小時電力設備的破壞程度外，還可借以保證保護動作的選擇性[2]。第四節(jié)定值計算的分支系數(shù)的選擇與計算對于分支系數(shù)的計算，應結合系統(tǒng)實際運行中可能出現(xiàn)的運行方式，選取既符合平安運行要求而又合理的情況下的數(shù)值，現(xiàn)介紹幾種常見的情況如下：一、帶有助增分支的網(wǎng)絡帶有助增電源的網(wǎng)絡。如圖2-4圖2-4有助增電源的網(wǎng)絡當相鄰保護之間有分支電路時，保護安裝處測量阻抗將隨分支電流的變化而變化，因此應考慮分支系數(shù)對測量阻抗的影響，如圖線路B-C上k點短路時，斷路器2處的距離保護測量阻抗為[5]：〔2-7〕〔2-8〕式中、——母線A、B測量電壓；ZA-B——線路A-B的正序阻抗；Zk——短路點到保護安裝處線路的正序阻抗；Kb——分支系數(shù)。對如下圖網(wǎng)絡，顯然Kb＞1，此時測量阻抗Zm2大于短路點到保護安裝處之間的線路阻抗ZA-B+Zk，這種使測量阻抗變大的分支稱為助增分支，I3稱為助增電流。二、帶有外汲分支的網(wǎng)絡帶有外汲分支線的網(wǎng)絡。如圖2-5圖2-5有外汲分支線的網(wǎng)絡當線路B-C上k點短路時，這里〔2-9〕顯然，Kb＜1，使得保護2處的測量阻抗Zm2小于短路點到保護安裝處之間的線路阻抗ZA-B+Zk，這種使測量阻抗變小的分支稱為外汲分支，I3稱為外汲電流[1][5]。三、助增、外汲分支同時存在的網(wǎng)絡助增、外汲分支線同時存在的網(wǎng)絡。如圖2-6圖2-6助增、外汲分支線同時存在的網(wǎng)絡圖當如下圖，k1點短路時，這時〔2-10〕k2點短路時，這時〔2-11〕綜上：系統(tǒng)的運行方式不同，分支系數(shù)也不同。分支系數(shù)的計算與距離保護整定值的正確與否密切相關，它不僅直接關系到距離保護范圍的大小，是距離繼電器能否動作的關鍵，也關系到距離保護三段之間的配合及靈敏系數(shù)。根據(jù)運行方式正確地選取及計算分支系數(shù)，是進展距離保護整定計算的一項重要工作內容[1]。分支系數(shù)的選取及計算也有其原則：在計算整定值時，要使分支系數(shù)取得最小值；在校驗檢測靈敏系數(shù)時，要使分支系數(shù)取得最大值。在計算時，允許不考慮分支負荷電流的影響。只有當分支負荷電流較大，對于按負荷電流大小整定的*些保護段(如距離保護的第=3\*ROMANIII段)或者有必要準確計算時，才考慮分支負荷電流的影響[3][5]。第五節(jié)距離保護整定計算一、距離保護=1\*ROMANI段整定計算距離保護I段為無延時的速動段，只反響本線路的故障。整定阻抗應躲過本線路末端短路時的測量阻抗，考慮到阻抗繼電器和電流、電壓互感器的誤差，須引入可靠系數(shù)Krel，對斷路器2處的距離保護I段定值〔2-12〕式中LA-B——被保護線路的長度；z1——被保護線路單位長度的正序阻抗，Ω/km；KIrel[1][21]。二、距離保護=2\*ROMANII段整定計算距離保護I段只能保護線路全長的80%～85%，需設置II段保護。整定阻抗應與相鄰線路或變壓器保護I段配合。(1)整定阻抗的計算=1\*GB3①與相鄰線路距離保護I段保護相配合。為了保證在下級線路上發(fā)生故障時，上級線路保護處的保護=2\*ROMANII段不至于越級跳閘，其=2\*ROMANII段的動作范圍不應該超出下級線路的I段的動作范圍，保護2處的測量阻抗為〔2-13〕按照選擇性要求，此時保護不應動作，考慮到運行方式的變化影響，分支系數(shù)應取最小值，引入可靠系數(shù)，距離II段的整定阻抗為〔2-14〕式中——可靠系數(shù)，與相鄰線路配合時取0.80～0.85。=2\*GB3②假設與相鄰變壓器配合。當被保護線路的末端母線接有變壓器時，距離=2\*ROMANII段應與變壓器的快速保護(一般是變壓器差動保護)相配合，其動作范圍不應超出變壓器快速保護的范圍。則整定計算公式為〔2-15〕式中可靠系數(shù)取0.70～0.75，為相鄰變壓器阻抗。距離II段的整定阻抗應分別按照上述兩種情況進展計算，取其中的較小者作為整定阻抗。(2)靈敏度的校驗距離保護II段應能保護線路的全長，并有足夠的靈敏度，要求靈敏系數(shù)應滿足〔2-16〕如果靈敏度不滿足要求，則距離保護II段應與相鄰元件的保護II段相配合，以提高保護動作靈敏度。(3)動作時限的整定距離II段的動作時限，應比與之配合的相鄰元件保護動作時間高出一個時間級差Δt，動作時限整定為〔2-17〕式中——與本保護配合的相鄰元件保護I段或II段最大動作時間[1][20]。三、距離保護=3\*ROMANIII段整定計算(1)整定阻抗計算距離保護III段的整定阻抗，按以后幾個原則計算：=1\*GB3①與相鄰下級線路距離保護II或III段配合整定〔2-18〕式中——與本保護配合的相鄰元件保護II段或III段整定阻抗。=2\*GB3②與相鄰下級線路或變壓器的電流、電壓保護配合整定〔2-19〕式中——相鄰元件電流、電壓保護的最小保護范圍對應的阻抗值。=3\*GB3③躲過正常運行時的最小負荷阻抗整定當線路上負荷最大且母線電壓最低時，負荷阻抗最小，其值為〔2-20〕式中——母線額定電壓；——正常運行母線電壓的最低值；——被保護線路最大負荷電流。與過電流保護一樣，由于距離III段的動作范圍大，需要考慮電動機自啟動時保護的返回問題，采用全阻抗繼電器時，整定阻抗為〔2-21〕式中Krel——可靠系數(shù)，一般取1.2～1.25；Kss——電動機自啟動系數(shù)，取1.5～2.5；Kre——阻抗測量元件的返回系數(shù)，取1.15～1.25。假設采用全阻抗繼電器保護的靈敏度不能滿足要求，可以采用方向阻抗繼電器，考慮到方向阻抗繼電器的動作阻抗隨阻抗角變化，整定阻抗計算如下：〔2-22〕式中——整定阻抗的阻抗角；——負荷阻抗的阻抗角。按上述三個原則計算，取其中較小者為距離保護III段的整定阻抗。(2)靈敏度的校驗距離III段既作為本線路保護I、II段的近后備，又作為相鄰下級設備的遠后備保護，并滿足靈敏度的要求。=1\*GB3①作為本線路近后備保護時，按本線路末端短路校驗，計算公式如下：〔2-23〕=2\*GB3②作為相鄰元件或設備的近后備保護時，按相鄰元件末端短路校驗，計算公式如下：〔2-24〕式中Kb.ma*——分支系數(shù)最大值；Zne*t——相鄰設備〔線路、變壓器等〕的阻抗。(3)動作時間的整定距離III段的動作時限，應比與之配合的相鄰元件保護動作時間〔相鄰II段或III段〕高出一個時間級差Δt，動作時限整定為〔2-25〕式中——與本保護配合的相鄰元件保護II段或III段最大動作時間[1][17][19]。第六節(jié)對距離保護的評價對距離保護可以作出如下的評價：(1)當系統(tǒng)發(fā)生短路時，由于電壓降低、電流增大的變化特征被同時利用到了距離保護中，使得距離保護繼電器的測量阻抗值更加可信，也使得保護范圍更加穩(wěn)定，靈敏系數(shù)高。同時電網(wǎng)多變的運行方式對距離保護的影響不大，而且距離保護與電流保護相比，更適用于多側電源的高壓及超高壓電力系統(tǒng)中。(2)基于距離保護只測取了線路一側短路時的電流和電壓，根據(jù)可靠系數(shù)距離保護I段的整定范圍為線路全長的80%~85%，這樣就導致在雙側電源線路中，剩余的30%~40%的區(qū)域內故障時，只有一側的保護能無延時地動作，另一側保護需經(jīng)0.5秒的延時后跳閘；而延時跳閘對220kV及以上電壓等級的線路來說，如不能快速切除故障，將使電力系統(tǒng)穩(wěn)定性遭到破壞。(3)距離保護的阻抗測量原理，不僅可以應用于輸電線路的保護，還可以應用于發(fā)電機、變壓器保護中，一般作為大型貴重設備的后備保護。(4)相對于電流、電壓保護來說，距離保護的構成、接線和算法都比擬復雜，裝置自身的可靠性稍差一些。第三章整定計算軟件的設計與開發(fā)第一節(jié)引言隨著智能電網(wǎng)在全國的新興，繼電保護也已經(jīng)進入微機保護時代，保護的各種動作原理主要用軟件及程序來實現(xiàn)。針對第一章中提到的繼電保護軟件中存在的問題，充分利用計算機軟件開發(fā)技術，開發(fā)了一套方便、實用的繼電保護整定計算軟件是十分必要的，它將在一定程度上實現(xiàn)繼電保護的計算的自動化和智能化[8][10]。本章節(jié)以距離保護為例研究了如何利用軟件開發(fā)工具Matlab建立微機保護軟件，從而實現(xiàn)保護的實時性。詳細闡述了建立距離保護模塊的過程，并將保護算法集中在程序中，不僅可以對保護算法進展驗證，還可以通過修改距離保護程序構成基于其他保護原理的保護模塊，因而所創(chuàng)立的軟件具有通用性，可用于驗證各種保護原理，具有一定的推廣價值[11]。基于Matlab所建立的三段式距離保護軟件，能夠正確反映保護范圍內的各種相間故障，實現(xiàn)了本線路保護和下級線路的后備保護；能夠準確快速地計算出整個網(wǎng)絡的繼電保護裝置的整定值，并且定值能夠適用于多種不同的運行方式，實現(xiàn)整定計算過程的自動化和智能化[12]。因此Matlab軟件提供了方便的仿真驗證平臺，利用Matlab建模結合保護算法程序能夠直觀地驗證保護原理，有利于新的繼電保護算法的研究和開發(fā)。第二節(jié)軟件開發(fā)工具一、Matlab語言簡介Matlab語言是當今國際上科學界最具影響力、也是最有活力的軟件。它起源于矩陣運算，并已經(jīng)開展成一種高度集成的計算機語言。它提供了強大的科學運算、靈活的程序設計流程、高質量的圖形可視化與界面設計、便捷的與其他程序和語言接口的功能。概括來說，Matlab語言的特點如下有：1.自帶幫助手冊。針對初學者來說，Matlab提供多門學科的幫助手冊，用戶可根據(jù)自己需要選擇學科類別，通過自學就能掌握Matlab；2.內部函數(shù)豐富。Matlab是在C語言根本上開展起來的，它很大程度上涵蓋了C語言的函數(shù)資源，因此接觸過C語言的人可以輕松自如地使用Matlab的函數(shù)庫，使編程更加簡單，省時。編程環(huán)境。由于Matlab是在C語言環(huán)境下開發(fā)的，它的流程控制語句〔如for循環(huán)，while循環(huán)，break語句和if語句〕與C語句差不多。同時Matlab具有面向對象的編程環(huán)境，初學者能很快上手Matlab語言。4.Matlab語言簡潔緊湊。用戶在使用數(shù)據(jù)、矩陣時，不需要預先對數(shù)據(jù)的類型或矩陣進展自定義；而且Matlab自身就提供一些數(shù)學函數(shù)，用戶可以直接調用。5.支持多種操作系統(tǒng)。Matlab程序幾乎可以不經(jīng)修改就可以在很多計算機的操作系統(tǒng)上運行，這給用戶帶來了很大的方便。6.Matlab的圖形功能強大。Matlab擁有強大的圖形處理能力，它本身具有很多繪圖的函數(shù)庫，能夠輕易地畫出各種學科的二維、三維圖，將抽象的數(shù)據(jù)可視化。7.與其他軟件和語言有良好的對接性。Matlab與Fortran、basic和C之間都可以實現(xiàn)很方便的連接，用戶只需將已有的E*E文件轉換成ME*文件即可。8.開放的源程序。Matlab自身攜帶的核心文件和工具箱，含有大量可讀可改的源文件，用戶可以根據(jù)自己的需要對其進展修改，構成新的文件參加自己的工具箱，這受到廣闊用戶的強烈喜愛。9.Matlab的缺點是，由于Matlab是解釋性語言，它不用預先進展編譯處理，也不能生成可執(zhí)行的文件，因些和其它高級語言相比，它的執(zhí)行速度較慢。本文所創(chuàng)立的軟件是基于MicrosoftWindows*P操作系統(tǒng)，主要利用Matlab強大的編程功能和圖形用戶界面GUI功能設計開發(fā)的，該軟件是距離保護定值計算現(xiàn)代化的智能工具。二、圖形用戶界面GUI簡介GUI〔GUI:GraphicalUserInterfaces〕是由窗口、按鍵、菜單、文字說明等對象構成的、運行于Matlab平臺下的圖形用戶界面。用戶利用一些的方法，選定、激活特定的圖形對象，以實現(xiàn)預期的計算和繪圖功能。GUI就是將抽象的程序執(zhí)行流程通過它自身提供的人機界面具體地表現(xiàn)出來的。也就是說，這不僅將程序的功能具體化，可視化，也提供良好的人機對話窗口，給科研分析設計帶來更大的靈活性[13][14]。第三節(jié)軟件設計框架圖一、軟件構造示意圖根據(jù)距離保護整定計算過程，從功能構造上把系統(tǒng)分為五大模塊，分別是系統(tǒng)原始參數(shù)輸入模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、整定結果輸出模塊、阻抗計算主程序模塊和圖形用戶界面模塊[8][9]，如圖3-1。圖3-1軟件構造示意圖二、軟件功能模塊概述下面分別就各個模塊的功能進展具體介紹。=1\*GB3①系統(tǒng)原始參數(shù)輸入模塊系統(tǒng)原始參數(shù)輸入模塊是把電力系統(tǒng)繼電保護整定計算所需要的數(shù)據(jù)參數(shù)輸入到軟件內的模塊，它是整個軟件的初始參數(shù)，是整個軟件適用用各個系統(tǒng)的根本。=2\*GB3②圖形用戶界面模塊圖形用戶界面模塊是用戶與軟件交流的模塊。用戶可以通過此模塊更好的、靈活的操作和運用此軟件。如圖3-2圖3-2圖形用戶界面模塊圖=3\*GB3③整定值計算模塊整定值計算模塊是本文的主要的工作。它可以進展相間三段式距離保護的整定計算。整定值計算主要是從可靠性出發(fā)，除了保證可靠性外還需要有足夠的靈敏度，這就需要進展定值校核。一般在最大運行方式下進展定值計算．而在最小運行方式下校驗保護的靈敏度。=4\*GB3④阻抗計算主程序模塊阻抗計算主程序模塊是本軟件的核心模塊，是進展相間距離保護的整定計算的算法。通過從輸入數(shù)據(jù)模塊輸入的數(shù)據(jù)進展整定計算再從輸出界面輸出。如圖3-3：圖3-3阻抗計算主程序流程圖=5\*GB3⑤整定結果輸出模塊整定結果輸出模塊是通過輸入的數(shù)據(jù)進展整定計算從而將得出的結果再輸出給圖形用戶界面的模塊。如圖3-4：圖3-4整定結果輸出示意圖三、軟件的功能特性該軟件具有友好的人機界面和方便的操作特性，能夠廣泛地應用于輸電網(wǎng)的繼電保護整定計算中的距離保護局部。此軟件具體的功能特性如下：1．軟件用于計算110kv及以上電壓等級的電網(wǎng)中的相間距離保護，在可視化的圖形用戶界面中選擇系統(tǒng)運行方式，然后輸入系統(tǒng)原始參數(shù)，并自動整定輸出整定結果。2．在整定計算時按最大運行方式整定，而在最小運行方式下進展校核校驗。3．距離保護整定計算結果符合"3--110kV電網(wǎng)繼電保護裝置整定規(guī)程"等標準要求[9]。4．圖形化界面使操作更直觀、方便，能代替人工整定計算，在很大程度上提高了工作效率，而且軟件擴展性強。第四章算例結果分析第一節(jié)算例一、手算算例如圖4-1中，各線路均裝有距離保護，試對保護1的相間短路距離保護I、II、III段進展整定計算，即求各段動作阻抗，，，動作時間，，和校驗其靈敏性，即求，，。線路A-B的最大負荷電流為I=350A，功率因數(shù)D＝0.9，所有線路單位阻抗/km，阻抗角＝，自起動系數(shù)＝1.5，正常時母線最低電壓〔=110kV〕。其它參數(shù)如圖4-1。圖4-1算例的網(wǎng)絡接線圖解：〔1〕有關元件阻抗的計算A-B線路的正序阻抗B-C每回線路的正序阻抗變壓器的等值阻抗〔2〕距離=1\*ROMANI段的整定=1\*GB3①整定阻抗=2\*GB3②動作時間?！驳贗段實為保護裝置的固有動作時間〕〔3〕距離=2\*ROMANII段的整定1〕整定阻抗。按以下兩個條件選擇：①與相鄰線路保護3〔或保護5〕的=1\*ROMANI段配合式中＝0.85×24＝20.4〔〕為保護3的I段末端發(fā)生短路時對保護1而言的最小分支系數(shù)。如圖4-2，當保護的3的I段末端K1點短路時，分支系數(shù)可按下式求出圖4-2距離II段分支系數(shù)的等值電路可以看出，為了使為最小，應選用可能的最小值，即，而應選用可能最大值，即，而相鄰線路的并列平行二分支應投入，因而因而，=2\*ROMANII段的定值為②按躲開相鄰變壓器低壓側出口K2點短路整定，即與相鄰變壓器瞬動保護〔其差動保護〕配合。這里為相鄰變壓器出口K2點短路時對保護1的分支系數(shù)，由圖4-2可見，當K2點短路時此處取=0.7是因為變壓器的電抗計算值一般誤差比擬大。取以上兩個計算結果中較小者為整定值，即取。2〕靈敏性校驗：按本線路末端短路求靈敏系數(shù)為滿足要求。3〕動作時間，與相鄰線路保護的I段動作時限相配合〔4〕距離=3\*ROMANIII段的整定1〕整定阻抗：按躲開最小負荷阻抗整定設相間距離III段采用方向阻抗繼電器，整定計算公式為取＝1.2，＝1.15，，當時，，可得2〕靈敏性校驗〔求靈敏系數(shù)〕：①當本線路末端短路時，靈敏系數(shù)為滿足要求。②當相鄰元件末端短路時的靈敏系數(shù)：相鄰線路末端短路時確定式中為相鄰線路BC末端短路時對保護1而言的最大分支系數(shù)。該系數(shù)如圖4-3所示，可按下式計算圖4-3距離III段靈敏度的等值電路此時，取可能最大值，即取，應取可能最小值，即取，而相鄰平行線路處于一回線停運狀態(tài)〔這時分支系數(shù)為最大〕。于是，滿足要求。相鄰變壓器低壓側出口K2，故靈敏系數(shù)為作為變壓器的遠后備保護不滿足要求，變壓器需增加近后備保護。3〕動作時間或取其中較長者為整定時限二、軟件整定結果選擇用戶界面中的系統(tǒng)運行方式四，輸入系統(tǒng)原始參數(shù)，得到距離保護軟件整定計算結果的輸出如以下圖所示：圖4-2距離保護軟件整定計算結果第二節(jié)分析及結論將算例的手算結果與軟件整定的結果進展相比照，發(fā)現(xiàn)在誤差允許的范圍內，軟件整定輸出的整定阻抗值、靈敏系數(shù)、動作時限的結果都是正確的，并且從靈敏系數(shù)的結果也可以看出：嵌套在軟件中的三段式距離保護程序的算法原則是符合電網(wǎng)整定計算規(guī)則的。根據(jù)實際的電力系統(tǒng)運行經(jīng)歷我們知道，電力系統(tǒng)的運行方式不僅復雜，而且變化性很強，而此軟件在滿足選擇性、靈敏性、速動性的要求下，準確地計算出距離保護裝置的整定值，實現(xiàn)了整定計算過程要求的自動化和智能化。第五章結論第一節(jié)工作總結距離保護是針對電力系統(tǒng)的相間故障而設的保護裝置，在輸電網(wǎng)中相間距離保護是必須配置的后備保護。距離保護可以應用在任何構造復雜、運行方式多變的電力系統(tǒng)中和超高壓及高壓電網(wǎng)中。距離保護整定計算是繼電保護的一項非常重要的工作，提高整定計算的效率和準確度，對電力工業(yè)的開展有著深遠的影響。本論文采用Matlab作為開發(fā)語言編制了距離保護整定計算軟件。該軟件主要用于高壓輸電網(wǎng)線路的距離整定計算?？偨Y本文的工作，取得以下幾個方面的研究成果：(1)分析了高壓電網(wǎng)線路距離保護的特點、性能以及三段式距離保護整定計算的原則。其中對距離保護=2\*ROMANII段中較為復雜的最大分支系數(shù)、最小分支系數(shù)及靈敏系數(shù)的求取情況也作了探討。(2)針對距離保護的根本原理，實現(xiàn)了三段式距離保護整定計算的計算機整定。(3)完成了整定計算軟件的功能。該軟件具有以下功能：=1\*GB3①軟件用于計算110kv及以上電壓等級的電網(wǎng)中的相間距離保護，在可視化的圖形用戶界面中選擇系統(tǒng)運行方式，然后輸入系統(tǒng)原始參數(shù)，并自動整定輸出整定結果。=2\*GB3②在整定計算時按最大運行方式整定，而在最小運行方式下進展校核校驗。=3\*GB3③距離保護整定計算結果符合"3--110kV電網(wǎng)繼電保護裝置整定規(guī)程"等標準要求。=4\*GB3④圖形化界面使操作更直觀、方便，能代替人工整定計算，在很大程度上提高了工作效率，而且軟件擴展性強。第二節(jié)缺乏與展望本文的研究工作還存在一些缺乏，將在以后的工作中作進一步改良，現(xiàn)總結如下：本論文編制的軟件所針對的電網(wǎng)主要是指輻射型電網(wǎng)，沒有考慮環(huán)型電網(wǎng)情況；該軟件最后的整定結果只是針對單一的保護裝置而言，如何能快速地整定計算出系統(tǒng)電網(wǎng)的各個保護裝置的整定值，還要進一步擴大軟件的數(shù)據(jù)存儲功能；由于時間緊迫加之本人自身能力有限，軟件的繪制電力系統(tǒng)網(wǎng)絡電氣接線圖的模塊沒能創(chuàng)立出來，如果能完成這一模塊，就可以進一步完善圖形用戶界面，增加軟件的功能，也使軟件進一步可視化，人性化。致本篇論文是在導師周玲教授