基于故障暂态仿真计算的继电保护调节定值校验测试技术＊

孔 焱,张洪英,周 伟,张心雅

(1．华能济南黄台发电有限公司 教培中心，山东 济南 250100；2．华能济南黄台发电有限公司 电热队，山东 济南250100)

1 引言

继电保护在电力保护中起着至关重要的作用，保护定值是否具备合理性，直接影响着电力系统的平稳运行。保护定值需要具备速动性、选择性和灵敏性，但是在实际操作过程中这些要求往往是相互矛盾的，从而导致系统的继电保护仍存在一些问题。例如，电力系统在运行的过程中是存在动态变化的，而固定的保护定值则不能完全适应其变化导致整定时间过长，若保护定值不合理只能进行离线计算，也就意味着需要停电调整，而整合出的定值通常是在各种矛盾中寻找折中方法，为了能够符合一方要求而降低其他方面要求，导致定值不合理或出现隐藏错误。一旦系统发生故障，错误的保护定值极大可能引起错误保护动作，导致整个电力系统出现停电现象，甚至造成系统瘫痪，付出巨大的经济损失。

文献[1]，文献[2]寻找出系统发生故障时电气量变化量，将其值作为确定保护定值的参考，在继电保护定值设置方面具有较为重要的意义，现阶段大多数配电网为单端电源供电，产生的短路电流也相对单一，常规状态下配电网所配备的继电保护可以分为三种，分别为：三段式过流保护、反时限保护、距离保护。暂态故障会使短路的大小和水平发生改变，从而导致系统发生拒动或误动，降低了系统的可靠性。暂态故障对保护系统造成的主要不良影响如下：

(1) 引发系统的保护拒动。若某一线路的末端出现故障时，故障处会使馈线出口的电压升高，使得该条线路的出口保护装置所监测出的来自电源的电流降低，从而使得保护馈线的灵敏度降低，甚至会导致保护拒动的情况发生。

(2) 影响重合闸成功率。线路发生短路故障时，由于断路主网侧跳闸后，电源处仍在供电就会严重影响电弧熄灭速度和时间，从而导致重合闸失败。如果故障发生在继电保护电路重合闸过程中，则可能进一步导致非同期冲击电流出现，而非同期冲击电流又会导致保护电路重合闸失效，同时也会对电源造成损害。

基于此，本文提出了一种基于故障暂态仿真计算的继电保护调节定值校验测试技术。首先采用梯形积分法对暂态解微分方程进行处理计算出电感的离散数值，随后即可通过稀疏矩阵技术对电网上的节点矩阵进行三角化分解获得当前的电压，通过电压获得暂态故障的导纳矩阵，完成配电网暂态故障的计算，最后以故障值为参考，采用在线并行计算算法完成定值校验测试。并行计算可以有效地将总的校验命令分解成多个相对独立的小计算指令，在一定程度上提高了校验速度。

2 故障暂态仿真计算

通过导纳方程求解离散时间点，完成由不同元件(如：电源、开关、变压器等)相互连接形成的各种类型及功能的供电系统的暂态故障计算。电感L的暂态解微分方程可以表示为：

通过式(1)可得：

采用梯形积分法对上式进行积分处理：

整理式(3)可得：

通过式(4)即可计算出电感的离散数值[3]。随后通过节点网络的离散化为基础实现暂态计算。图1表示电力系统中网络节点1周围的网络详图，假设在0、△t、2△-t到t-△t时刻内配电网的电压和电流情况已知，求解t时刻时离散化数值。任意时刻从节点1 发出的电流与注入电流相等，即：

从图2中能够得出，节点1的表达式为：

式(6)中，R表示电阻，C表示电容。综上可知，含有n个点电网的节点方程为：

若该网络的某些节点电压是已知的，那么式(7)可以转换为：

随后即可通过稀疏矩阵技术[4]对[YAA]进行三角化分解[5]，以前一时刻节点的电流和电压作为依据计算出式(8)中右侧值，随后对方程进行求解即可获取当前时刻下电压[vA(t)]，通过以上模型即可实现配电网故障运行情况的计算，通常情况下，电力系统配电网的故障形式分别为：单相接地[6]、两相相间[7]和三相短路[8]。若线路mn存在故障，那么该条线路上则存在一个故障点f 将线分为两段。设[YL1]表示节点m与f 间的导纳矩阵，[YL2]表示节点f与n间的导纳矩阵，[Yf]表示故障点的导纳矩阵，则故障点f和节点m、n之间的互导纳矩阵可以表示为：

式(9)的导纳矩阵是以该线路所发生的故障类型给出的，例如若为单相接地故障，接地开关s1=1，故障开关[s2as2bs2c]=[1 0 0]。则此时故障处的导纳矩阵可以表示为：

当发生两相相间故障时，故障开关[s2as2bs2c]=[1 1 0]，接地开关s1=1，则此时的导纳矩阵可以表示为：

发生三相短路故障时，故障开关[s2as2bs2c]=[1 1 1]，接地开关s1=0，则此时故障处的导纳矩阵可以表示为：

通过上式即可完成电力系统的故障暂态计算。

3 继电保护调节定值校验测试

计算系统的暂态故障后，以其为依据完成调节定值的校验。校验测试主要包括两大功能分别为：定值逻辑库设计和定值校验。

(1) 定值逻辑库

可以在逻辑库内通过相关计算公式将电网中各个保护项转化为电流保护，其中包括零流保护与过流保护两种。因此在对继电保护的调节定值进行校验测试之前需要完成逻辑库的构建。除电流保护以外，还需要在逻辑库内进行的转换保护项还包括电压保护和距离保护等，根据继电保护类型和电压等级的不同给出相关转换公式，其中将距离转换成电流的公式如下：

式(13)中，Ij表示保护箱所处电压级的基准电流；Zdzlll表示下级保护项距离Ⅲ段阻抗定值；Kfxmax表示最大分支系数，Zfxtmax表示最大方式下短路阻抗，Zxl表示线路阻抗。

电压转成电流公式如下：

式(14)中，Udz表示相邻线的电压元件定值，Zxlmin表示最小方式下短路阻抗。

(2) 定值校验

在继电保护相关人员进行电网整定过程中，若保护定值大于设定定值，则保护将失去意义，因此需要对定值进行校验。假设变电站的实际情况如图3所示，其中主要包含两个变压器，主变高压侧A、主要低压侧B及线路1-10都需要继电保护。

从图3中可以看出，B侧为给上级的第一、二母线提供保护，设置了保护设施。设置低压侧过流保护定值为(IA=3234A，TA=2．3 s)，使用式(15)进行计算，则可以得出该处的下级保护定值最大上限值为(IB=2940B，TB=2s)。在变压器运行过程中，下级保护定值大于(IB=2940B，TB=2s)时，则需要对其进行进一步校正。

式(15)中，IA代表上级定值，IB代表下级定值，K表示可靠系数，通常情况下的K取值大于1．1。TA、TB分别代表上级定值保护时间和下级定值保护时间，通常情况下△t的取值大于0．3。确定阈值后采用在线并行计算算法完成定值校验测试。

将大校验任务分解成若干个独立的小计算单元，如图4所示。每一个小的计算单元均承担了不同数据的计算任务，随后将各个小的计算合并完成总数据的校验，其计算原理如图5所示。

在线校验请求发出后，校验控制中心会按照请求组织任务并计算参数。其计算流程如下：

(1) 初始化并行参数

(2) 将计算任务根据要求分配给不同计算节点，各节点调用校验服务进行校验计算。

(3) 控制中心归纳出合并计算结果，形成校验结果和报警信息，将所得信息发送给校验终端，并显示在报警页面。

具体实现流程如图6所示。

4 仿真实验

以陕西省某一地区的电力系统为例，据统计截止到2020年12月，该地区共包括52个220kV以及110kV变电站，共计有1547 套继电保护装置。假设每个变电站中包括35套继电保护装置，使2名工作人员每天工作8小时进行定值核验工作。

采用本文方法对该地区2020年部分线路定值单进行校验，所得结果如表1所示。

表1 定值校验结果

从表1中可以看出，本文方法检测的数值能够有效检测出各线路中定值不合理问题且及时校正，检测结果与实际情况相符，而人工检验方法的检测结果与实际情况有的不符，对比结果可知，本文方法比人工检验方法实际应用价值更高。

将人工校验所消耗时间与本文方法进行对比分析，其结果如表2所示。

表2 人工校验与所提方法校验用时对比

从表2中可以看出，不管针对单套或一个变电站还是一个地区的保护装置，人工校验用时都远超过本文方法，这是由于人工校验人员需要在各个变电站中打印出相关保护定值并且需要逐个核对，使得两个人完成一套保护装置的定值校验需要用时25 分钟才能完成，且打印出的纸质的定制单数量巨大，管理较为困难，很可能发生漏核误核的情况。另一方面，变电站运行时可能根据实际情况对定值进行更改，因此需要对打印出的纸质定值单进行更新替换，也使工作量增大。而本文方法可以通过定值逻辑库将整个电力系统中的不同类型的继电保护转为电流保护、距离保护等，并且直接通过并行计算完成校验，不需要多余的人工操作，节省了工作时间，同时算法中所具备的关联功能可以快速普查电网的后备保护定值，进一步提升了工作效率。

5 结束语

为提高继电保护定值校验的整体性能，提出了一种基于故障暂态仿真计算的继电保护调节定值校验测试技术，以电力系统的暂态故障值为参考，设定保护定值，并通过并行算法完成校验全过程，能够有效的减少由于定值不合理所导致的电网事故。在仿真实验条件下与人工校验的工作效率进行对比，结果表明所提方法的校验时间要远低于人工校验，能够在保持高效率的前提下，保持高精度的校验结果，且方法较为简单，操作更为便捷。