试论电力用户供配电系统继电保护定值复核计算软件分析的应用

颜学伦 胡 龙

华融化学股份有限公司 成都 611933

电力用户随着自身企业不断创新发展、工艺改造，以提高生产能力，其要求配套的电网规模越来越大且网络结构更加复杂，系统运行方式及短路容量也有了较大变化。而电网安全稳定性及继电保护定值适应系统变化的能力是有限的，需要随着电网运行情况及电网短路容量的变化进行调整。为消除电力用户企业电网的安全隐患，保障企业安全生产运行，电力用户企业应结合企业电网变化情况进行安全评估及继电保护定值复核。

电网安全评估及继电保护定值复核工作，可运用专业电力分析计算软件完成，可建立全厂电网仿真模型，从整体性的全系统角度计算电网的短路电流和潮流分布，仿真计算各种电气故障事件对电网的影响，找到电网的薄弱环节。通过全面的分析计算，得出电网安全性、可靠性等具体技术指标，进而指导企业制定电力系统的设计、规划和改造方向，提高电能利用率和电网稳定性，实现电网的资源优化。同时，结合计算机软件的分析计算结果，对全厂所有设备元件进行保护配置分析，对全厂电气设备的继电保护定值进行系统性的复核，并用计算机软件反向配合校验，为电网提供一套完善的继电保护配置方案，使电网供电满足“选择性、快速性、可靠性、灵敏性”的要求，确保电力设备安全可靠运行。

1 模拟电力系统结构

模拟电力系统结构为：电力用户电网进线为110 kV单母线分段，经2台主变降压到35 kV, 再经变压器降为6 kV和0.4 kV给厂区供电。(假设增加影响因素：① 系统中35 kV整流变较多，对电能质量会有所影响; ② 6 kV电动机等旋转负荷较多，再启动或再加速时会对系统产生很大的冲击影响。)

2 目标任务

通过对电力用户企业电网的安全评估分析计算和定值复核，将达到以下目标:

(1)经分析对可能影响电网安全、稳定、可靠运行的因素，制定解决方案和风险防范措施，减少系统电网隐患，提高电能质量和系统稳定性。

(2)发现和消除系统潜在的安全隐患，分析系统的运行工况，校验电气设备的选择，校核线路和设备的保护，确定供电系统的可靠性指标，校验接地设计的合理性等，确保电网的供电安全。

(3)通过从上至下的全系统角度分析计算系统潮流短路情况、系统有功无功分布情况、功率因数偏差情况、变压器负载率情况，进行电量平衡分析、电网能效评估分析，益于企业制定合理的节能技改方案，提高效益。

(4)掌握电网结构设定策略及电网一次侧设计、规划、运行原则。

(5)形成企业内部电气操作运行标准。

(6)进行继电保护配置优化、定值校核。

3 供配电系统分析和继电保护定值计算内容

(1)建立系统模型。

(2)电力系统短路电流计算。

(3)电力系统潮流计算。

(4)继电保护定值计算校验及配合分析。

(5)晃电分析及应对策略研究。

(6)电动机群起再启动及再加速分析计算。

(7)大容量电动机启动分析计算。

(8)中性点接地方式分析计算。

(9)谐波含量分析计算。

4 继电保护定值复核计算工作流程详述

4.1 建立模型

现场收集设备铭牌参数和各保护装置说明书，采用先进的电气系统分析软件建立全电网的仿真模型，包括:发电机(容量、额定功率、最大功率、电压、电流、频率、转速、功率因数等)、变压器( 额定容量、额定电压、额定电流、阻抗电压、短路损耗、空载损耗、空载电流)等设备参数，为今后的运行管理提供支持和解决方案，为系统发生故障时提供分析依据，也可以为系统的扩容提供设计依据。

4.2 短路电流计算

对电气设备进行动、热稳定校验(考虑系统、电动机短路电流反馈)，通过短路电流分析系统网络结构是否合理，为分析各种短路情况下的稳定性提供依据，对继电保护的配置设计及整定计算提供数据。应用IEC60909短路电流计算的方法，对系统进行短路电流计算:

(1)确定系统的最大、最小运行方式。

(2)对系统中各电压等级(110 kV、35 kV、6 kV、0.4 kV等)母线进行短路电流计算(三相短路及单相接地短路电流初始值和峰值)。

(3)根据短路电流计算结果对设备进行动、热稳定校验。

(4)根据短路电流计算结果，为继电保护整定校核提供数据。

4.3 潮流计算

电力系统潮流计算是研究电力系统稳态运行情况的一种基本电气计算。它的任务是分析系统在投入运行后的各种运行方式下各电压等级的电压偏差是否满足要求；各种运行方式下发电机有功、无功的出力及各个支路的功率传输是否过载；系统的实际运行功率因数及无功补偿是否合理；分析各变压器分接头是否需要调节等。电力系统潮流计算的结果用于日运行方式的编制、指导发电厂开机方式、有功、无功调整方案及负荷调整方案选择。采用电力系统计算分析软件，应用牛顿拉夫逊潮流计算的方法，对系统进行潮流计算。具体计算内容如下：

(1)计算有功功率、无功功率的潮流分布，如:各种运行方式下2路进线传输功率是否接近平衡及各种运行方式下变压器的功率传输。

(2)计算各电压等级母线电压偏差。

(3)计算系统进线处的功率因数大小、各个装置区无功补偿容量的需求。

(4)计算各个变压器在各种运行方式下的负载率。

4.4 继电保护定值计算及配合分析

对所有设备元件进行保护配置分析,为本企业的供电系统提供一套完善的继电保护配置方案；根据相关标准及要求对所有配置进行整定计算，对整定结果作配合分析，使本企业的供电系统继电保护满足选择性、快速性、可靠性、灵敏性的要求；采用电力系统计算分析软件，根据《继电保护和安全自动装置技术规程》及《电网继电保护装置运行整定规程》等规定和要求，对系统做继电保护配置设计及整定计算。

4.4.1 所有设备的继电保护配置设计优化

包括如总变电所的主变、自备电站的发电机、各电压等级的母线、各装置区的变压器、高压电动机等。

4.4.2 对保护配置进行整定计算

包括对变压器的差动保护、速断保护、过电流保护、过负荷保护等进行整定计算并给出定值单;对发电机的差动保护、过电流保护、定子接地保护、负序过电流保护、失磁保护、逆功率保护、频率保护、低/过电压保护等进行整定计算并给出定值单;对母线的差动保护、过电流保护等进行计算并给出定值单；对高压电动机的差动保护、电流速断保护、过电流保护、负序电流保护、堵转保护、过负荷保护等进行整定计算并给出定值单。继电保护定值计算范围见表1。

表1 继电保护定值计算范围

4.4.3 继电保护配合分析

按照全厂电力系统的电气结构，依据各电力元件的继电保护整定值，为全厂高、低压支路进行保护配合校验，并绘制继电保护配合曲线图(TCC图形)，反映电流和时间定值的设置,以考察各相邻元件的上、下级之间的协调配合程度，进而达到保护定值具备选择性的目的。如分析总变电所的进线与主变保护及母联的保护协调配合、低压进线及母联的保护协调配合等等。

4.5 晃电分析及应对策略研究

企业用户电力负荷对供电可靠性有很高的要求，大部分是一级、二级负荷，不允许电动机因为供电原因而跳闸。外部或内部电网的各种故障总是表现为电力系统的整体或局部的“停电”或“晃电”。晃电分析及研究内容如下：

(1)仿真研究电网发生晃电后，电压跌落对电动机低压脱扣的影响，确定引起低压脱扣的电动机具体位置。

(2)研究电压恢复过程电动机再启动对其他电机和系统电压的冲击影响;仿真快切、备自投的主备电源的切換，提出快切装置合理配置原则和合适的快切配置方案。

(3)提出全厂电力系统的继电保护策略及抗晃电的措施，最终给出有效的短时失电的设备能够连续生产运行的建议和措施。

(4)对电压等级6 kV的电动机等设备，调整继电保护低电压保护动作时间，适当延长以躲过晃电。对0.4 kV低压供电系统的进线断路器低电压延时设定值进行检查和调整，低压断路器的欠、失压脱扣继电器延时适当加长。根据晃电分析来确定6 kV、0.4 kV进线、母联的定值是否合理。根据晃电分析需要对全系统的保护配置方案进行优化分析,对系统保护配合进行重新校验，对系统的保护定值进行计算、优化。

4.6 电动机群起再启动及再加速分析

仿真分析电动机再启动及再加速过程中系统各电压等级母线的电压水平是否满足标准要求；仿真分析电动机群起对系统中各电压等级母线电压水平的影响，并提供合理的电机群起方案。

4.7 大容量电动机起动分析

确定起动过程中系统各电压等级的母线电压降是否满足设计标准要求，分析大容量电动机起动方式的合理性，防止保护装置因大电机启动时的低电压而误动作。

(1)根据供配电系统的压降要求，采用软件进行电动机启动仿真,分析系统6 kV、0.4 kV母线在电动机启动过程中的电压水平。

(2)根据电动机启动过程中6 kV、0.4 kV母线的电压水平来确定电动机的启动方式。

4.8 中性点接地分析计算

(1)根据电网接线方式及运行方式，计算35 kV、6 kV系统的单相接地电容电流。

(2)根据计算结果结合国家规范，分析35 kV、6 kV系统合理的接地方式(不接地系统或消弧线圈接地系统或电阻接地系统)。

(3)如采用不接地运行方式，根据单相接地电容电流计算结果对系统进行合理的零序保护配置和整定计算。

(4)如采用消弧线圈接地，分析计算消弧线圈的容量，分析采用消弧线圈接地后在各种运行方式下是否满足过补偿方式;计算脱谐度及阻尼率并分析中性点位移电压是否满足要求。

(5)如采用中性点电阻接地时，根据单相接地电容电流计算结果，分析计算选用合适的接地电阻阻值，并对电阻接地系统进行合理的零序保护配置和整定计算。

4.9 谐波分析

选取测试点，对全厂110 kV、 35 kV、 6 kV、0.4 kV各电压等级的主配变高低压侧的谐波电压、谐波电流进行测试以评估企业用电的谐波状况，判断各次谐波是否超标、是否会危及设备安全。测试时间以委托方通知为准。结合实测数据，分析仿真计算电网不同负荷、不同运行方式、无功补偿不同容量、发电机不同功率等条件下，谐波是否超标；计算电容谐波电流大小是否影响电容器安全；并提出综合治理方案及安全运行建议。

4.10 继电保护在线整定计算及预警系统

继电保护在线整定计算及预警系统具备如下功能：

4.10.1 实时在线功能

系统可从电力调度系统基础平台、EMS系统、DMS等系统获取电网数据，建立一次设备模型、二次设备模型、图形、实时方式、未来态方式、发电机参数等，生成电力系统运行实时断面数据模型并可支持数据模型的二次维护。

4.10.2 图形建模功能

用户可以通过图形操作界面绘制系统图、输入原始参数.由计算机自动识别系统网络结构，并根据需要建立相应的电力系统网络数学模型。通过人机界面，用户可以选择保护配置，设定故障类型和故障点，选择保护需用到的信息。

4.10.3 在线实时短路分析模块功能

在线实时短路故障分析模块主要为了实现电气系统发生各种类型的故障时计算短路电流的功能。具体实现的功能有:

(1)提供设置故障的人机对话接口，故障位置用醒目图形标示，而故障类型、故障相别通过人机对话接口设置，故障类型包括三相短路、单相短路、两相短路、两相接地短路。

(2)允许一次设置所有母线为故障点，以满足用户选择和比较计算结果的要求。自动根据所属系统的性质选择故障分析方法进行故障分析。

(3)自动进行节点编号和阻抗图显示及打印。

(4)自动生成序网图，对于不对称的故障，自动生成正序负序零序三序序网图。输出故障分析结果，可以选择输出所有结果，即故障计算书(表格形式)，也可以选择输出单个计算量。

4.10.4 在线实时潮流计算功能

在线实时计算出当前运行方式下及各种运行方式下，全网节点电压、支路电流、支路有功无功、支路压降、支路损耗、功率流向等数据，并可在单线图中显示数据结果、输出计算报告。

4.10.5 保护在线校核功能

(1)校验定值的灵敏度,若灵敏度不满足要求，则重新计算,即重新选择配合段和配合时间等，直到计算得到的保护定值满足灵敏度的要求，最终导出计算过程,确定保护范围、上下级保护间的配合等。定值校核内容包括:启动定值在线校核、主保护定值在线校核、后备保护定值在线校核、预想方式分析、定值预警等。

(2)主保护定值灵敏性分析、后备保护定值灵敏性分析、后备保护定值选择性分析、距离保护(Ⅲ段)校核分析。

(3)结合发电计划、检修计划、母线负荷预测等信息，人工预想方式，考虑N-k方式，进行定值预警。

4.10.6 整定计算功能

整定计算模块是整定系统的核心，可以对发电机、变压器、线路、母线等配置相应的保护，保护装置为目前国内具有代表性的配置，对配置的保护进行整定计算。界面上写入了每一种保护的整定原则，方便理解与修改，能够实现所有保护的整定计算，并自动输出保护的定值单。可以根据保护配置情况，从原始参数数据库提取与整定计算相关的原始数据，根据保护装置整定原则,计算保护定值，整定结果存入定值数据库以备查询和输出。

4.10.7 保护动作仿真功能

可以根据需要在相关点设置各种类型的短路、断线故障、保护故障以及断路器拒动等，系统能够自动给出保护的动作情况，同时接线图上相应断路器断开。

4.10.8 继电保护信息管理功能

(1)设备基本信息管理。该模块实现对各种主要设备的基本信息的管理，主要包括提供各种设备的基本信息管理功能，包括：各种一次设备如线路、变压器、TV、TA等，各种二次设备如继电保护定值信息、继电保护装置信息、故障录波装置信息等。

(2)设备运行信息。对继电保护设备的运行状态进行统一管理能对保护装置的运行信息进行查询统计以及事件提示报警等功能。

(3)装置动作行为分析。该模块综合所有的故障信息评判系统中的相关各装置的动作行为的正确性，真实记录保护装置存在的问题，并给出相应的处理措施，为保护装置的管理和检修等提供参考依据。

4.10.9 数据管理模块功能

用户根据数据库提供的信息所选定的各种保护信息需要保存,作为整定计算的依据，并需提供对原有保护整定计算结果的查询，以便将扩建后的设备整定值与原有整定值进行比较。

5 结语

综上所述，生产企业在运行多年后，由于电力负载和供配电系统的变化，电网安全评估和继电保护定值复核显得非常重要，其分析方法和计算原理和过程都非常重要。要正确理解计算机软件的计算原理，才能正确输入电力系统真实数据，计算机软件才能模拟出实际的供配电系统，计算出的继电保护定值才能起到保障电网安全运行的作用。