基于PSASP的配電線路繼電保護(hù)整定研究

國網(wǎng)北京通州供電公司 錢葉牛 國網(wǎng)呼倫貝爾供電公司 于忠敏 董志鵬 王海峰 陳一洋

電力系統(tǒng)分析綜合程序（Power System Analysis Software Package，PSASP）是一款專門用于電力系統(tǒng)仿真計(jì)算軟件，其附帶的豐富繼電保護(hù)裝置和整定規(guī)則為簡單化、標(biāo)準(zhǔn)化開展配電系統(tǒng)的繼電保護(hù)整定研究和工程應(yīng)用帶來了極大的便利。本文介紹了該軟件繼電保護(hù)整定計(jì)算主要功能特點(diǎn)和計(jì)算流程，并利用該軟件針對(duì)同一220kV 變電站2條10kV 配電線路同時(shí)進(jìn)行繼電保護(hù)整定計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可直接應(yīng)用于現(xiàn)場繼電保護(hù)裝置整定，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

1 PSASP 繼電保護(hù)整定計(jì)算概述

配電線路繼電保護(hù)裝置包含線路柱上開關(guān)控制器、開閉器斷路器控制單元等，其作用是在配電系統(tǒng)發(fā)生過流、接地等各種故障時(shí)迅速準(zhǔn)確地切除故障設(shè)備，確保非故障區(qū)間的配電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。繼電保護(hù)裝置運(yùn)行參數(shù)的正確配置是保障配電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要條件，當(dāng)其拒絕動(dòng)作或者錯(cuò)誤動(dòng)作，均會(huì)對(duì)配電系統(tǒng)造成較大的危害。

例如，配電線路末端故障時(shí)，該處繼電保護(hù)裝置拒絕動(dòng)作，將會(huì)導(dǎo)致故障越級(jí)跳閘，造成更大范圍的設(shè)備和用戶停電，影響供電可靠性指標(biāo)，因此從配電系統(tǒng)安全運(yùn)行的角度考慮，要求繼電保護(hù)裝置必須具備速動(dòng)性、選擇性、可靠性和靈敏性等性能。

配電線路繼電保護(hù)整定計(jì)算的主要難點(diǎn)有：工作量大，計(jì)算過程較為復(fù)雜，包含三相短路、兩相短路、單相接地、斷線等各種類型單一故障、復(fù)雜故障的計(jì)算，考驗(yàn)從業(yè)人員綜合素質(zhì)。雙環(huán)網(wǎng)開環(huán)運(yùn)行、雙環(huán)網(wǎng)合環(huán)運(yùn)行等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜的環(huán)網(wǎng)線路，繼電保護(hù)裝置后備保護(hù)定值相互依賴，配合較為困難，很難滿足全部保護(hù)相互配合。繼電保護(hù)整定計(jì)算方法不盡相同，不同的保護(hù)類型、不同運(yùn)行方式配電網(wǎng)中的繼電保護(hù)整定計(jì)算考慮因素較多、方法差異較大。

電力系統(tǒng)分析綜合程序（Power System Analysis Software Package，PSASP）是由中國電力科學(xué)研究院有限公司自主研發(fā)的一款電力系統(tǒng)仿真計(jì)算軟件，功能強(qiáng)大，包含潮流、網(wǎng)絡(luò)劃分、暫態(tài)穩(wěn)定、短路、網(wǎng)損分析、靜態(tài)安全分析、最優(yōu)潮流、小干擾穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、電能質(zhì)量計(jì)算、繼電保護(hù)整定、馬達(dá)啟動(dòng)、等值計(jì)算計(jì)算功能，其繼電保護(hù)整定模塊主要功能和特點(diǎn)包括：簡單化、標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算過程，程序以國內(nèi)現(xiàn)行有效的繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程、計(jì)算導(dǎo)則為準(zhǔn)則，集成了上百條整定規(guī)則，覆蓋電壓電流保護(hù)、接地距離保護(hù)、零序電流保護(hù)等21種保護(hù)類型，只需要通過簡單的配置參數(shù)就能進(jìn)行復(fù)雜的繼電保護(hù)整定計(jì)算。

PSASP 繼電保護(hù)整定計(jì)算以短路計(jì)算為基礎(chǔ)，能夠開展各種運(yùn)行方式、檢修方式的復(fù)雜故障計(jì)算，在計(jì)算過程中可以計(jì)及負(fù)荷大小、母線電壓水平、同桿并架線路零序互感等因素的影響，以及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化。主程序采用圖論計(jì)算方法，算法計(jì)算效率較高，能夠快速求取最優(yōu)繼電保護(hù)整定計(jì)算順序，確保不發(fā)生多臺(tái)繼電保護(hù)裝置之間保護(hù)不配合的問題，比較適用于大規(guī)模復(fù)雜配電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置保護(hù)定值的整定計(jì)算。繼電保護(hù)裝置配置情況可在單線圖上直觀顯示，計(jì)算結(jié)果可采用定值簡表、定值單、計(jì)算書等輸出方式[1]。

2 PSASP 繼電保護(hù)整定計(jì)算流程

PSASP 繼電保護(hù)整定計(jì)算流程示意圖如下圖1所示。圖中電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)母線、配電線路、變壓器、負(fù)荷等數(shù)據(jù)，通過圖模一體化平臺(tái)采用文本或圖形方式錄入。繼電保護(hù)庫存儲(chǔ)變壓器零序電流保護(hù)、變壓器差動(dòng)保護(hù)、相間方向過流保護(hù)、母線差動(dòng)保護(hù)等常見保護(hù)模型，方便使用者調(diào)用。

圖1 PSASP 繼電保護(hù)整定計(jì)算流程示意圖

保護(hù)整定規(guī)則庫存儲(chǔ)各種類型保護(hù)要考慮的整定原則，比如線路電流一段保護(hù)的整定原則可供選擇的整定原則有：躲本線路對(duì)側(cè)故障時(shí)的最大三相短路電流、躲過變壓器其他壓側(cè)故障時(shí)本線路最大三相短路電流、可靠躲過正常運(yùn)行方式下本線路末端三相短路電流、考慮裝機(jī)容量、按靈敏度整定(按電流閉鎖考慮)，同一種保護(hù)類型不同的整定原則，對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式和典型參數(shù)選擇不盡相同[2]。

3 PSASP 繼電保護(hù)整定實(shí)例

以220kV 友好變10kV 基地線和友聯(lián)線，以及110kV 南郊變南三線和南四線為例，在PSASP中建立繼電保護(hù)整定計(jì)算模型，其單線圖如圖2所示。計(jì)算時(shí)，取基準(zhǔn)容量為100MVA、基準(zhǔn)電壓為10.5kV?；鼐€站內(nèi)正序短路阻抗標(biāo)幺值為0.2938，友聯(lián)線站內(nèi)正序短路阻抗標(biāo)幺值為0.353，南三線站內(nèi)正序短路阻抗標(biāo)幺值為0.472，南四線站內(nèi)正序短路阻抗標(biāo)幺值為0.4398。

圖2 繼電保護(hù)整定實(shí)例單線圖

3.1 基地線站

基地線站外主干線具備繼電保護(hù)功能的配電開關(guān)有60號(hào)桿配電開關(guān)，104號(hào)桿配電開關(guān)?；鼐€出站至60號(hào)桿之間線路由0.4km 電纜和7.6km 架空絕緣導(dǎo)線組成，電纜導(dǎo)線電阻0.155Ω/km、電抗0.087Ω/km，架空導(dǎo)線電抗0.356Ω/km、忽略電阻影響，等效電阻標(biāo)幺值0.056236，等效電抗標(biāo)幺值2.485620；基地線60號(hào)桿至104號(hào)桿之間線路由5.75km 架空絕緣導(dǎo)線組成，電阻忽略不計(jì)，導(dǎo)線電抗0.356Ω/km，等效電抗標(biāo)幺值1.856690；基地線104號(hào)桿至線路末端之間線路由7.05km 架空絕緣導(dǎo)線組成，電阻忽略不計(jì)，導(dǎo)線電抗0.356Ω/km，等效電抗標(biāo)幺值2.276460。

3.2 友聯(lián)線站

友聯(lián)線站外主干線具備繼電保護(hù)功能的配電開關(guān)有28號(hào)桿配電開關(guān)、143號(hào)桿配電開關(guān)、224號(hào)桿配電開關(guān)。友聯(lián)線出站至28號(hào)桿之間線路由0.4km 電纜和2.65km 架空絕緣導(dǎo)線組成，電纜導(dǎo)線電阻0.155Ω/km、電抗0.087Ω/km，架空導(dǎo)線電抗0.356Ω/km、忽略電阻影響，等效電阻標(biāo)幺值0.056236，等效電抗標(biāo)幺值0.887256。

友聯(lián)線28號(hào)桿至143號(hào)桿之間線路由0.2km電纜和13km 架空絕緣導(dǎo)線組成，電纜導(dǎo)線電阻0.155Ω/km、電抗0.087Ω/km，架空導(dǎo)線電抗0.356Ω/km、忽略電阻影響，等效電阻標(biāo)幺值0.028118，等效電抗標(biāo)幺值4.213510；友聯(lián)線143號(hào)桿至224號(hào)桿之間線路由6.4km 架空絕緣導(dǎo)線組成，電阻忽略不計(jì)，導(dǎo)線電抗0.356Ω/km，等效電抗標(biāo)幺值2.066580；友聯(lián)線224號(hào)桿至線路末端之間線路由12.3km 架空絕緣導(dǎo)線組成，電阻忽略不計(jì)，導(dǎo)線電抗0.356Ω/km，等效電抗標(biāo)幺值3.9717。

3.3 南三線站

南三線站外主干線具備繼電保護(hù)功能的配電開關(guān)有22號(hào)桿配電開關(guān)、54號(hào)桿配電開關(guān)。南三線出站至22號(hào)桿之間線路由0.4km 電纜和1.1km 架空絕緣導(dǎo)線組成，電纜導(dǎo)線電阻0.0797Ω/km、電抗0.0858Ω/km，架空導(dǎo)線電抗0.356Ω/km、忽略電阻影響，等效電阻有名值0.03188Ω，等效電抗有名值0.42592Ω，等效電阻標(biāo)幺值0.028916，等效電抗標(biāo)幺值0.386322。

南三線22號(hào)桿與54號(hào)桿之間線路由0.2km 電纜和1.6km 架空絕緣導(dǎo)線組成，電纜導(dǎo)線電阻0.0797Ω/km、電抗0.0858Ω/km，架空導(dǎo)線電抗0.356Ω/km、忽略電阻影響，等效電阻有名值0.01594Ω，等效電抗有名值0.58676Ω，等效電阻標(biāo)幺值0.014458，等效電抗標(biāo)幺值0.532209。

南三線54號(hào)桿至線路末端之間線路由由0.2km電纜和5.6km 架空絕緣導(dǎo)線組成，電纜導(dǎo)線電阻0.0797Ω/km、電抗0.0858Ω/km，架空導(dǎo)線電抗0.356Ω/km、忽略電阻影響，等效電阻有名值0.01594Ω，等效電抗有名值2.01076Ω，等效電阻標(biāo)幺值0.014458，等效電抗標(biāo)幺值1.82382。

3.4 南四線站

南四線站外主干線具備繼電保護(hù)功能的配電開關(guān)有18號(hào)桿配電開關(guān)、62號(hào)桿配電開關(guān)。南四線出站至18號(hào)桿之間線路由0.4km 電纜和0.9km 架空絕緣導(dǎo)線組成，電纜導(dǎo)線電阻0.0797Ω/km、電抗0.0858Ω/km，架空導(dǎo)線電抗0.356Ω/km、忽略電阻影響，等效電阻有名值0.03188Ω，等效電抗有名值0.35472Ω，等效電阻標(biāo)幺值0.028916，等效電抗標(biāo)幺值0.321741。

南四線18號(hào)桿與62號(hào)桿之間線路由0.2km 電纜和2.2km 架空絕緣導(dǎo)線組成，電纜導(dǎo)線電阻0.0797Ω/km、電抗0.0858Ω/km，架空導(dǎo)線電抗0.356Ω/km、忽略電阻影響，等效電阻有名值0.01594Ω，等效電抗有名值0.80036Ω，等效電阻標(biāo)幺值0.014458，等效電抗標(biāo)幺值0.72595。

南四線62號(hào)桿至線路末端之間線路由由0.2km電纜和6.1km 架空絕緣導(dǎo)線組成，電纜導(dǎo)線電阻0.0797Ω/km、電抗0.0858Ω/km，架空導(dǎo)線電抗0.356Ω/km、忽略電阻影響，等效電阻有名值0.01594Ω，等效電抗有名值2.18876Ω，等效電阻標(biāo)幺值0.014458，等效電抗標(biāo)幺值1.98527。

3.5 整定計(jì)算主界面和整定原則

整定計(jì)算主界面和整定原則設(shè)定如圖3和圖4所示，考慮一段電流定值躲本線路對(duì)側(cè)故障時(shí)的最大三相短路電流、一段電流定值躲過變壓器其他壓側(cè)故障時(shí)，本線路最大三相短路電流、一段電流定值可靠躲過正常運(yùn)行方式下本線路末端三相短路電流、一段電流定值按靈敏度整定(按電流閉鎖考慮)因素影響，PSASP 繼電保護(hù)整定計(jì)算單次計(jì)算可以同時(shí)計(jì)算出友聯(lián)線28號(hào)桿、143號(hào)桿、224號(hào)桿配電開關(guān)，以及基地線60號(hào)桿、104號(hào)桿配電開關(guān)的電流保護(hù)定值，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖3 整定計(jì)算主界面

圖4 整定原則設(shè)定

表1 繼電保護(hù)整定計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

本文通過PSASP 軟件開展220kV 友好變10kV基地線和友聯(lián)線站外配電開關(guān)繼電保護(hù)裝置過流定值整定計(jì)算，確定了定值一二次數(shù)值和時(shí)間延時(shí)，計(jì)算結(jié)果可直接應(yīng)用于現(xiàn)場，避免配電線路無保護(hù)定值導(dǎo)致故障越級(jí)跳閘、引起非故障區(qū)間停電事件的發(fā)生，有助于進(jìn)一步提升配電系統(tǒng)供電可靠性。

最新版PSASP 軟件（版本7.61）最大可建立含有100000個(gè)母線、60000條交流線路、30000臺(tái)發(fā)電機(jī)組、60000用電負(fù)荷、200條直流線路、60000臺(tái)雙繞組變壓器、60000臺(tái)三繞組變壓器、120000條分支、200臺(tái)移相器、100個(gè)故障點(diǎn)、200臺(tái)無功補(bǔ)償設(shè)備、200個(gè)自定義模型、1000個(gè)區(qū)域的的電力系統(tǒng)仿真模型，可搭建整個(gè)城市配電網(wǎng)暫穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型，進(jìn)行全系統(tǒng)全網(wǎng)絡(luò)多臺(tái)繼電保護(hù)裝置保護(hù)定值整定計(jì)算，有助于加強(qiáng)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)專業(yè)繼電保護(hù)定值整定計(jì)算的專業(yè)化、集約化管理，進(jìn)而建立健全公司級(jí)繼電保護(hù)裝置保護(hù)定值集中管控平臺(tái)，進(jìn)一步提升配網(wǎng)繼電保護(hù)專業(yè)精益化管理水平。

此外，PSASP 軟件還提供用戶自定義模型（User Define Model，UDM），使得用戶可通過UDM 建立符合自己工程需要的繼電保護(hù)模型和整定原則，進(jìn)一步拓展軟件功能和使用場合，解決現(xiàn)場實(shí)際問題。