電力系統(tǒng)繼電保護(hù)整定計(jì)算中運(yùn)行方式的組合問題

國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院 李 斌 周 勇 李明霞 南東亮

國網(wǎng)新疆電力有限公司電力調(diào)度控制中心 崔大林

整定計(jì)算的主要作用是對繼電保護(hù)運(yùn)行使用要求、選型等進(jìn)行明確，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)逐漸向智能化方向轉(zhuǎn)變，電網(wǎng)互聯(lián)成為必然趨勢，而在此環(huán)境下電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性日盛，運(yùn)行方式也呈現(xiàn)出多樣化特點(diǎn)，增加了整定計(jì)算的難度。如何優(yōu)化運(yùn)行方式，選擇正確的計(jì)算方式，精準(zhǔn)計(jì)算出配合系數(shù)，確保相鄰定值配合的合理性，是行業(yè)一直以來關(guān)注的焦點(diǎn)。

當(dāng)前已有很多學(xué)者對運(yùn)行方式的選擇與優(yōu)化進(jìn)行了深入研究。程小平等通過研究不同運(yùn)行方式對配合系數(shù)的影響，總結(jié)其中的規(guī)律為運(yùn)行方式的選擇提供了有效指導(dǎo)。但這些經(jīng)驗(yàn)規(guī)律并不適用于全自動(dòng)整定計(jì)算。而基于枚舉法進(jìn)行的自動(dòng)整定計(jì)算往往只能得出最終結(jié)果，無法獲得具體的操作過程，導(dǎo)致整定計(jì)算結(jié)果的實(shí)用性大打折扣。張鋒等學(xué)者為進(jìn)一步改變傳統(tǒng)的整定計(jì)算方法，基于元件投停法而提出了阻抗矩陣法，即通過篩選出電網(wǎng)中的重要線路進(jìn)行整合，以實(shí)現(xiàn)提高計(jì)算精準(zhǔn)度和效率的目的。李冰等學(xué)者圍繞電流分布系數(shù)，提出了利用節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣和電機(jī)支路阻抗的計(jì)算法。但在門檻值的選擇上電流分布系數(shù)法依舊存在很多問題亟待解決。

1 相關(guān)概念及整定計(jì)算方法存在的不足

繼電保護(hù)原理概述。對于電力系統(tǒng)而言，繼電保護(hù)的作用性不言而喻，承擔(dān)著消滅事故的重任，主要是監(jiān)測系統(tǒng)是否存在故障或異常情況并向管理人員自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信號，以便能夠及時(shí)消除故障。同時(shí)也可自動(dòng)對一些故障點(diǎn)進(jìn)行隔離，以避免其他設(shè)備受損，確保區(qū)域供電的穩(wěn)定性。電流、電壓、測量阻抗等值在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯變化，甚至系統(tǒng)出現(xiàn)不對稱故障時(shí)，可根據(jù)功率方向、相序分量等變化情況判定被保護(hù)原件的狀態(tài)。繼電保護(hù)裝置除反映出電氣量的保護(hù)情況外，還可反映出非電量的保護(hù)。如當(dāng)出現(xiàn)鐵芯故障、油面下降、繞組多相短路、開關(guān)接觸不良等情況時(shí)，電力線路中的瓦斯保護(hù)裝置、過熱保護(hù)裝置將發(fā)揮作用，確保整個(gè)電力線路的穩(wěn)定運(yùn)行。繼電保護(hù)裝置一般是由測量單元、邏輯單元和執(zhí)行單元三部分組成，確定保護(hù)范圍后就需進(jìn)行設(shè)置，比如根據(jù)所發(fā)生故障的強(qiáng)度設(shè)定對應(yīng)的保護(hù)反應(yīng)。而在執(zhí)行單元中，主要是根據(jù)事先設(shè)定的邏輯執(zhí)行指令確保裝置正常運(yùn)行。

繼電保護(hù)整定計(jì)算方法。隨著時(shí)代發(fā)展整定計(jì)算也隨之發(fā)生改變，逐漸從以往的人工計(jì)算向自動(dòng)化計(jì)算方式轉(zhuǎn)變。這種改變在很大程度上推動(dòng)了行業(yè)與時(shí)代接軌，拉近了與大數(shù)據(jù)時(shí)代發(fā)展的距離，有效解決了計(jì)算精準(zhǔn)度不高、耗時(shí)長、工作量大等問題?？傊ㄓ?jì)算工程浩大、牽涉多項(xiàng)工作，需相關(guān)人員了解其基本原理，熟悉電力系統(tǒng)運(yùn)作，掌握電網(wǎng)運(yùn)行流程。而在實(shí)際整定計(jì)算過程中，首先要充分了解電力系統(tǒng)運(yùn)行條件及要求；其次結(jié)合電力系統(tǒng)具體情況，制定科學(xué)、合理的計(jì)算方案。通常整定計(jì)算主要采取的是有序分量法和相分量法兩種?；谏鲜鲈瓌t就可找出最優(yōu)計(jì)算方法。譬如以有序分量法和相分量法為依據(jù)得出電氣量，而后確定好設(shè)定值。

斷相口開路電壓計(jì)算問題。一般情況下整定計(jì)算都是按照一定步驟進(jìn)行，首先需要計(jì)算電網(wǎng)的電流、電壓等值，如果電力系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩，極易導(dǎo)致一相或兩相開關(guān)未合好，進(jìn)而產(chǎn)生定子三相電流不均衡的故障現(xiàn)象。此時(shí)就需對正序網(wǎng)絡(luò)上未與負(fù)載相連時(shí)的電壓進(jìn)行計(jì)算，而發(fā)電機(jī)的等值電勢、電阻則可選用特定符號代替，一旦系統(tǒng)中任意一條線路發(fā)生該故障現(xiàn)象，就可以利用疊加定理計(jì)算開路電壓[1]。盡管通過這一操作可精準(zhǔn)計(jì)算出開路電壓，但卻并不具備普適性、尤其是當(dāng)電力系統(tǒng)規(guī)模較大時(shí)，而通過H 參數(shù)法可有效解決上述問題，充分考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)影響的基礎(chǔ)上，通過分解成兩個(gè)震蕩群的方式利用H 參數(shù)法計(jì)算出處于系統(tǒng)震蕩狀態(tài)下發(fā)電機(jī)的開路電壓。

運(yùn)行方式選擇存在的問題。對于繼電保護(hù)整定而言，一般采取的是隔離母線的方式，很少會(huì)考慮其他運(yùn)行方式的影響，導(dǎo)致繼電保護(hù)范圍較大。為進(jìn)一步做好繼電保護(hù)整定就需找出極端運(yùn)行方式，主要查找方法就是輪流斷開保護(hù)范圍內(nèi)的線路。但在某些特殊情況下這種方式根本無法找到極端運(yùn)行方式，可通過計(jì)算機(jī)將最不利于電力系統(tǒng)運(yùn)行的方式找出，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行線路開斷，并根據(jù)開斷操作對電力系統(tǒng)造成的影響判斷出整定計(jì)算的范圍，從而找出最不利的運(yùn)行方式。

分支系數(shù)計(jì)算問題。繼電保護(hù)的整定計(jì)算，需要對分布式電源變化對分支系數(shù)所造成的影響進(jìn)行全面分析，如果分支系數(shù)選擇不合理，會(huì)導(dǎo)致整定計(jì)算的結(jié)果出現(xiàn)較大誤差[2]。為進(jìn)一步提高分支系數(shù)選擇的合理性，需在分支系數(shù)計(jì)算前綜合考慮各方因素。如分布式電源出現(xiàn)變化則需更新數(shù)據(jù)，確保分支系數(shù)準(zhǔn)確，盡可能降低誤差值。

勵(lì)磁涌流問題。電力系統(tǒng)在勵(lì)磁電壓的影響下將會(huì)出現(xiàn)勵(lì)磁涌流現(xiàn)象，即當(dāng)變壓器處于全壓充電狀態(tài)時(shí)，繞組中產(chǎn)生暫態(tài)電流。其原因是因?yàn)殍F芯中的磁通在空頭變壓器過程中無法快速突變，導(dǎo)致分量磁通產(chǎn)生，進(jìn)而使得內(nèi)部鐵芯飽和，其電流提升。通常勵(lì)磁涌流電流可達(dá)正常電流的7倍，電流變大、電容變小，電流與電容之間呈反比關(guān)系。在解決勵(lì)磁涌流問題時(shí)，由于隨著時(shí)間的變化二次諧波亦會(huì)發(fā)生改變，而這也恰好是勵(lì)磁涌流的根本性質(zhì)，就可充分利用這一性質(zhì)來解決問題。例如，當(dāng)電流保護(hù)裝置快速斷開時(shí)通常可設(shè)定延時(shí)，但這種方式在實(shí)際應(yīng)用中無法快速解決好變壓器故障，所以需進(jìn)行完善。因勵(lì)磁涌流中二次諧波和五次諧波量大，波形在時(shí)間軸一側(cè)，間斷角度為60度[3]，就可通過諧波制動(dòng)原理、間斷角原理避免電力系統(tǒng)中勵(lì)磁涌流情況的發(fā)生，為提高繼電保護(hù)整定計(jì)算的精確度奠定基礎(chǔ)?？梢?，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，整定計(jì)算要求和操作方式更加復(fù)雜，而隨著時(shí)間的推移二次諧波逐漸衰減。在我國變壓器差動(dòng)保護(hù)中主要還是二次諧波制動(dòng)比，一般整定15%～20%[4]。但鑒于變壓器空投后出現(xiàn)了誤動(dòng)情況，電網(wǎng)公司提出將二次諧波制動(dòng)比調(diào)整為12%。

保護(hù)出口整定問題。計(jì)算繼電保護(hù)定值非常重要，但在實(shí)際工作中卻忽略了保護(hù)出口的整定計(jì)算。以往在開展整定計(jì)算時(shí)，跳分支開關(guān)、解列滅磁、發(fā)變組全停等非常重要，但近年來繼電保護(hù)設(shè)備自動(dòng)化程度加強(qiáng)，機(jī)組容量越來越大，需要尤其關(guān)注保護(hù)出口中啟動(dòng)失靈、遠(yuǎn)跳、分支快切等功能的整定，通過保護(hù)出口整定值來提高繼電保護(hù)裝置的功效，確保其正常運(yùn)行。

2 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)整定計(jì)算中運(yùn)行方式的組合問題優(yōu)化

2.1 運(yùn)行方式的組合問題優(yōu)化思路

通過對當(dāng)前電力系統(tǒng)運(yùn)行方式進(jìn)行歸納分析，可發(fā)現(xiàn)若其運(yùn)行環(huán)路發(fā)生變化，將會(huì)影響繼電保護(hù)裝置在故障時(shí)所表現(xiàn)出的阻抗形式。因此，優(yōu)化繼電保護(hù)整定計(jì)算運(yùn)行方式最核心要點(diǎn)還是在于對傳統(tǒng)整定計(jì)算數(shù)據(jù)來源的改變。以往整定計(jì)算的焦點(diǎn)集中于線路兩端的最大值，很少會(huì)關(guān)注到線路改變是否會(huì)對數(shù)值產(chǎn)生影響，從而使得整定計(jì)算數(shù)值的精確度得不到有效保障。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，在電力系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，為整定計(jì)算精確度的提高奠定了良好基礎(chǔ)。當(dāng)前阻抗矩陣法是繼電保護(hù)整定計(jì)算中最常用的數(shù)據(jù)分析法，其所采用的公式是ZI=U。阻抗矩陣法中系統(tǒng)運(yùn)行所需電力選用阻抗對角線的阻抗值表示，轉(zhuǎn)移阻抗數(shù)據(jù)則選用非對角線阻抗矩陣數(shù)據(jù)表示，從而真實(shí)、客觀反映出電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況[5]?？梢宰杩咕仃噥肀硎鞠到y(tǒng)運(yùn)行方式，并在電力故障診斷中引入節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣。當(dāng)前在電力系統(tǒng)故障分析、繼電保護(hù)整定計(jì)算等工作中，節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣法應(yīng)用非常廣泛。

支路追加法也是較常用的一種方式，在具體操作中可事先對支路線路進(jìn)行編號，而后借助計(jì)算機(jī)查找出現(xiàn)故障的線路。在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)還可通過計(jì)算機(jī)得出斷開節(jié)點(diǎn)的邊界數(shù)值，以此來找出故障所在位置。如果是大規(guī)模電力系統(tǒng)中電路某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，還可對阻抗參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以此來明確該系統(tǒng)的運(yùn)行方式。如果是電力系統(tǒng)邊界電路發(fā)生故障、出現(xiàn)短路等情況導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作，仍可選擇阻抗矩陣描述，找出系統(tǒng)中重要路線的運(yùn)行方式。可見，針對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)運(yùn)行而言，引入阻抗矩陣法是對該運(yùn)行模式的優(yōu)化和完善。

2.2 繼電保護(hù)整定計(jì)算方式的優(yōu)化

明確電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式，通過阻抗矩陣法預(yù)測系統(tǒng)運(yùn)行的可行性，如系統(tǒng)存在異常就需針對故障現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。當(dāng)電力系統(tǒng)環(huán)路安裝有繼電保護(hù)設(shè)備時(shí)，就需將保護(hù)系統(tǒng)的最大電流計(jì)算出來，同時(shí)考慮斷開節(jié)點(diǎn)位置是否會(huì)對系統(tǒng)定值產(chǎn)生影響。

以繼電保護(hù)電流單相短路為例，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生金屬性短路，短路處數(shù)值以I=Z=0進(jìn)行表示，受環(huán)路斷開操作的影響，系統(tǒng)運(yùn)行方式有所改變；當(dāng)系統(tǒng)中任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)被斷開，其任意節(jié)點(diǎn)故障值的阻抗均發(fā)生改變，那么就可通過對斷開節(jié)點(diǎn)的邊界數(shù)值進(jìn)行計(jì)算來找出故障的具體位置[6]。

總之，當(dāng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生單相短路，通過對抗組參數(shù)進(jìn)行計(jì)算可確定具體的運(yùn)行方式。同時(shí)，通過阻抗矩陣描述系統(tǒng)邊界電流的電路情況，從而找出整個(gè)系統(tǒng)重要路線的運(yùn)行方式。對于繼電保護(hù)系統(tǒng)而言，環(huán)路中線路運(yùn)行方式將會(huì)對其電流產(chǎn)生一定的影響，采用傳統(tǒng)運(yùn)行方式的選擇是無法看到這一影響的，需借助阻抗矩陣法。但在整個(gè)電力系統(tǒng)中，不僅是電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)可采用阻抗矩陣表示，在電力系統(tǒng)運(yùn)行方式選擇以及環(huán)路上也可采用阻抗矩陣表示[7]。首先在節(jié)點(diǎn)位置將阻抗連支斷開，此時(shí)系統(tǒng)壓力分布將發(fā)生改變，但由于整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)是固定不變的，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)又具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，所以阻抗矩陣變化不明顯，只需要在環(huán)路形式描述中對阻抗矩陣進(jìn)行微調(diào)。

3 結(jié)語

作為電力系統(tǒng)的保護(hù)裝置，繼電保護(hù)是確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行上作用顯著，需進(jìn)一步優(yōu)化裝置性能。而電力系統(tǒng)繼電保護(hù)整定計(jì)算有助于對故障進(jìn)行快速診斷，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，因此必須要提高整定計(jì)算的精確度，結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際情況合理調(diào)整繼電保護(hù)整定計(jì)算。如果電力系統(tǒng)發(fā)生故障，在全面分析故障數(shù)據(jù)的同時(shí)，還可通過阻抗形式對節(jié)點(diǎn)計(jì)算進(jìn)行表達(dá)。因?yàn)樵谡麄€(gè)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)確定，而電力系統(tǒng)中電路組成結(jié)構(gòu)愈發(fā)穩(wěn)定，即便采用阻抗矩陣描述所發(fā)生的變化也不大，通過進(jìn)行短路計(jì)算能快速找到故障的具體位置。