CN105610117A - 基于机电暂态方法的继电保护定值在线校核方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于机电暂态方法的继电保护定值在线校核方法，包括如下步骤：（1）从EMS获取电网实时量测数据，建立电力网络代数模型；（2）从继电保护整定软件数据库获取电网零序参数和保护定值；（3）结合自身的机电暂态模型参数库，使用机电暂态仿真方法求解联立的代数方程和非线性方程，得出系统各状态变量在故障过程中和故障消失后的动态过程数据；（4）根据所述步骤（3）中得到的各状态变量的动态过程信息，对保护定值进行校核。此种方法可提高短路计算结果的准确性，实现继电保护定值的在线校核、实时预警，提高保护定值整定工作的自动化程度。

Description

基于机电暂态方法的继电保护定值在线校核方法
技术领域
本发明属于电力系统继电保护领域，特别涉及一种继电保护装置定值的校核方法。
背景技术
近年来，随着电网的快速发展，电网基建、电源送出、电网改造项目大量投产，继电保护定值整定计算工作已不能满足其投产周期的要求。在基建、技改项目投产过程中，引起的母线陪停、线路陪停方式、电网断环方式越来越复杂，电网非正常运行方式明显增多，时间更加延长，给当前的继电保护定值整定计算工作带来了巨大的挑战。
当前，工程实践中短路电流计算一般采用基于等效电压源法的静态网络阻抗等值方法，又称为静态短路电流计算方法。
静态短路电流默认有如下假设条件：
（1）发电机均用Xd”作为其等值电抗，即假设d轴和q轴等值电抗均为Xd”；
（2）发电机次暂态电动势E”的幅值标幺值为1，幅角均为零；
（3）通常忽略负荷潮流和负荷模型对短路电流的影响，有时把负荷作为恒定阻抗处理；
（4）与正序网络完全一致，发电机负序电抗X2＝Xd”。
基于上述假设的不同的计算程序通常对于电压源的取法也存在差异，有的程序直接取母线基准电压，有的程序假定发电机内电势为1.0PU，求取短路点电压作为电压源；不同的计算程序求取短路点系统等值阻抗时考虑的因素也存在较大差异，例如有的计算程序忽略负荷的影响，有的程序将负荷处理为恒定阻抗。
上述做法忽略了许多复杂因素对短路电流的影响，例如机组出力、负荷电流、负荷模型、各类控制器等等；并且当真实的短路故障发生后，系统各处的短路电流都有一个动态变化过程，而传统的基于等效电压源法静态短路电流计算方法只关注故障时刻的短路电流。因此，这种静态计算方法使得目标电网与真实电网的差别比较大，短路电流计算结果误差较大且提供的信息有限，给继电保护装置的可靠正确动作埋下了隐患，导致电网的安全稳定运行受到了不同程度的威胁。而基于机电暂态的计算方法可以考虑电力系统的详细模型，为用户提供短路故障过程中和故障后短路电流的动态变化过程信息，是今后的发展方向。
中国发明申请号为200810147821.2的“电网系统继电保护在线校核方法”和申请号为200810147822.7的“电网继电保护定值在线校核一体化数据处理方法”提出了通过EMS和DTS从电网中获取电力设备参数、继电保护定值以及电网的实时运行数据，然后按照保护整定规程进行故障计算，最后根据校核规则对保护定值进行校核。但是，上述专利方法进行故障计算时采用的是静态网络阻抗等值方法，没有考虑电力系统的详细暂态模型，没有考虑短路故障过程中以及短路故障消失后，电力系统中各类调节控制器（发电机调压器、调速器、电力系统稳定器等）的作用，即只求取了短路故障时刻的短路电流瞬时值，没有获得更加符合工程实际情况的短路电流动态变化过程。
中国发明申请号为201010546967.1的专利申请“基于动态短路电流的继电保护定值在线校核方法”，但是它对电网实时测量数据的具体如何使用和计算未做详细说明。现有技术中常用的短路电流计算方法是不基于电网潮流的静态方法，短路电流与故障前发电机的有功、无功出力无关，与故障前母线运行电压无关，与负荷的模型无关，求解的是代数方程，获得的是短路故障时刻的短路电流，准确性和实时性都还有进一步提升的空间。
鉴于以上分析，针对当前继电保护定值整定计算工作实践中存在的问题仍有进行研究改进的必要。
发明内容
本发明的主要目的，在于提供一种基于机电暂态方法的继电保护定值在线校核方法，其可提高短路计算结果的准确性，实现继电保护定值的在线校核、实时预警，提高保护定值整定工作的自动化程度。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种基于机电暂态方法的继电保护定值在线校核方法，包含了如下步骤：
（1）从EMS获取电网实时量测数据，包括：发电机的有功、无功出力，变压器的潮流数据，线路上流过的有功、无功数据，母线的电压数据，进而建立电力网络代数模型；
（2）从继电保护整定软件数据库获取电网零序参数和保护定值，其中，所述电网零序参数包括线路、变压器以及发电机的零序阻抗参数和线路零序互感抗组参数；
（3）结合自身的机电暂态模型参数库，使用机电暂态方法求解联立的代数方程和非线性方程，得出系统各状态变量在故障过程中和故障消失后的动态过程数据；
（4）根据所述步骤（3）中得到的各状态变量的动态过程信息，对保护定值进行校核。
作为本发明的进一步优选方案，所述步骤（3）的详细步骤为：
（31）利用潮流计算程序算出短路故障前系统的运行状态，然后算出系统的运行参量初值y(0)，并由此计算出状态变量的初始值x(0)；
（32）根据机电暂态模型参数形成相应的非线性方程组，并根据所用的求解方法形成相应的电力网络方程；
（33）根据EMS数据、从继电保护整定软件中获取的电网零序参数和线路互感参数形成电力网络正序、负序、零序代数方程组；
（34）进行机电暂态过程计算，得到各状态变量在故障发生过程中和故障消失后的全过程数据。
作为本发明的进一步优选方案，所述步骤（34）机电暂态过程计算具体包括，
设定暂态过程的计算进行到t时刻，这时的x(t)和y(t)为已知量，在计算x(t+∆t)和y(t+∆t)时，首先检查在t时刻系统有无故障或操作；
如果有故障或操作，则需对非线性或/和代数方程式进行修改，而且当故障或操作发生在电力网络内时，系统的运行参量y(t)若发生突变则重新求解网络方程，以得到故障或操作后的运行参量y(t+0)；
故障或操作前后的x(t)和x(t+0)相同；
根据x(t)和y(t)采用交替求解法或联立求解法得到x(t+∆t)和y(t+∆t)的值；
时间向前推进∆t，进行下一步的计算，直至到达预定的时刻tmax，最终得到从0至tmax时间段内系统状态变量的数据。
作为本发明的进一步优选方案，所述步骤（4）中，所述保护定值的校核包括的内容为：
（41）线路保护的启动电流；
（42）纵联保护定值的灵敏度；
（43）母差保护定值的灵敏度；
（44）变压器差动保护定值的灵敏度；
（45）后备距离保护测量阻抗幅值的校核。
采用上述方案后，本发明从EMS实时获取电力系统的真实运行状态，并对其进行各类短路故障的暂态稳定分析计算，可以更加全面地给出电网各处系统状态变量的动态变化过程信息。相对于目前广泛采用的基于等效电压源法的静态短路电流计算方法，机电暂态方法无需对电力系统模型数据做大量的假设，并且可以考虑系统运行方式、潮流分布、负荷模型、发电机各类调节控制器等因素对短路电流的影响，因此其短路电流计算结果更加准确；另外，本发明可适应电网发展对继电保护提出的更高要求，提高继电保护整定计算工作人员的工作效率，减少整定计算工作中的人为失误，全面跟踪电网检修、运行情况，对于电网方式、切改方案、检修计划提出合理化建议，对于不满足电网方式的保护定值快速地提出整改方案，对电网的安全稳定运行具有重要的意义。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明中进行机电暂态计算的流程图。
具体实施方式
以下将结合附图及具体实施例，对本发明的实现过程进行详细说明。
参考图1所示，本发明提供一种基于机电暂态方法的继电保护定值在线校核方法，包括如下步骤：
（1）通过EMS获取实时的全网量测数据，建立电网模型。
具体来说，EMS（Energy Management System，能量管理系统）通过输出符合IEC61970标准的CIM（Common Information Model，公共信息模型） XML（Scalable VectorGraphics，可缩放矢量图形）文件来导出电网的模型，通过SVG（Scalable VectorGraphics，可缩放矢量图形）格式导出厂站图和潮流图，SCADA（Supervisory Control AndData Acquisition，数据采集与监视控制系统）数据以及状态估计结果数据通过易语言（一门计算机程序语言，以中文作为程序代码表达的语言形式）规范来进行输出。继电保护定值在线校核系统通过导入前述CIM XML模型文件建立电网模型；当电网模型改变时，继电保护定值在线校核系统从EMS得到更新后的全网模型，并实时运行时从EMS周期性获取全网量测数据，主要包括直调电厂的开、停机方式，线路运行情况等。
在本发明中，从EMS获取的是全网量测数据，而不仅仅是网络拓扑结构。网络拓扑结构包括的信息有设备（发电机、变压器、线路等）之间的连接关系以及设备的投停状态，而全网量测数据除了包括网络拓扑结构信息外，还包括发电机的有功、无功出力，变压器的潮流数据，线路上流过的有功、无功数据，母线的电压数据等等。SCADA数据以及状态估计结果数据，能够更加真实地描述电力系统的实时运行状态，这也为开展动态短路电流计算奠定了数据基础。
（2）从继电保护整定软件数据库获取电网零序参数和保护定值。
从继电保护整定软件中导出供计算使用的线路、变压器以及发电机的零序阻抗参数，同时导出线路零序互感抗组参数和保护定值。
（3）结合自身的机电暂态模型参数库，使用机电暂态仿真方法求解联立的代数方程和非线性方程，得出系统各状态变量在故障过程中和故障消失后的动态过程数据。
故障计算考虑的故障类型包括：单相接地，两相接地，两相相间故障不接地，三相故障，故障计算可考虑过渡电阻。故障点的设置除了考虑母线，还可以在线路上的任意点设置故障，可以用距离线路首端百分比来表示。机电暂态模型数据库是指一次设备（发电机、负荷）机电暂态模型中的相关参数。常规的计算短路电流的方法是不基于潮流结果的静态分析方法，这类方法的计算结果与发电机和负荷的类型、出力无关，假设短路点的电压为额定电压，利用对称分量法求取短路点对地的正、负、零序等值阻抗电路，进而求得正、负、零序短路电流以及其他系统状态变量；继电保护定值在线校核系统提供的机电暂态方法分析计算程序可以分别采用机电暂态方法和静态计算分析方法，便于充分考虑电网的实际接线、电网的潮流、发电和负荷的水平、发电机及负荷的模型对短路电流的影响，使计算结果更加准确可信，适用于对运行继电保护装置定值的实时在线校核。
继电保护定值在线校核系统可以定时触发、人工触发或者事件触发，其中的数据接口模块从EMS获得最新的电网运行方式数据，结合自身数据库保存的元件参数数据进行动态的短路电流计算。配合图2所示，所述机电暂态方法的详细步骤为：
（31）利用潮流计算程序算出短路故障前系统的运行状态，即由潮流计算得到各节点的电压及注入功率，然后算出系统的运行参量初值y(0)，并由此计算出状态变量的初值x(0)；
（32）根据各元件采用的数学模型形成相应的非线性方程，并根据所用的求解方法形成相应的电力网络方程；
（33）进行机电暂态过程计算，假定机电暂态过程的计算已进行到t时刻，这时的x(t)和y(t)为已知量，在计算x(t+∆t)和y(t+∆t)时，应首先检查在t时刻系统有无故障或操作，如果有故障或操作，则需对非线性或/和代数方程式进行修改，而且当故障或操作发生在电力网络内时，系统的运行参量y(t)可能发生突变，因此必须重新求解网络方程，以得到故障或操作后的运行参量y(t+0)。由于状态变量不会发生突变（因非线性方程解对初值的连续依赖性），因此故障或操作前后的x(t)和x(t+0)相同；接下来进行非线性-代数方程组的计算，根据x(t)和y(t)采用交替求解法或联立求解法得到x(t+∆t)和y(t+∆t)的值；
（34）时间向前推进∆t，进行下一步的计算，直至到达预定的时刻tmax，这样，就得到了从0～tmax时间段内系统状态变量的数据。
本发明的短路电流计算方法是动态的，而不是静态的，求解的是微分方程，获得是短路故障期间及故障消失后短路电流的动态变化过程，可以反映发电机各类控制器、电动机负荷模型对短路电流的影响。
（4）对保护定值进行整定计算及校核。
所述保护定值的校核主要考虑以下5项内容：
（41）线路保护的启动电流；
（42）纵联保护定值的灵敏度；
（43）母差保护定值的灵敏度；
（44）变压器差动保护定值的灵敏度；
（45）后备距离保护测量阻抗幅值的校核。
系统还提供尤其对于重载长线路的后备距离保护三段定值的校核，既保障对线路末端故障有灵敏度，又要躲过负荷阻抗，保证线路重载阻抗元件不发生误动的在线校核、监测功能，通过暂态或稳态数据模型的分析给出计算结果，并可以提供阻抗圆、告警等可视化表达方式。
需要说明的是，在具体的实际使用中，本发明可实现如下功能：
（1）预期方式校核功能
对于日常计划检修安排，以及电网基建引起的陪停方式、电网发生的各种预期运行方式变化，能够提前进行继电保护定值核查。预留人工修改界面，可以设置预期计划检修方式，根据校核结果，针对计划的检修安排提出制约条件和合理的建议。
预期方式校核功能可以弥补离线定值计算实时性不足的缺陷，完全满足电网安全稳定运行对于继电保护提出的速动性、灵敏性、选择性、可靠性的要求。
（2）在线故障校核功能
对已经发生的各种故障，可模拟分析故障电流、故障位置。
用户可以设定故障设备各侧的故障电流（稳态电流有效值），根据本发明可确定故障可能的位置以及过渡电阻的大小，给出可能的故障类型提示。
用户也可以设定故障点的位置，从而获知故障设备各侧的故障电流（稳态电流有效值）的大小。
（3）在线电网方式校核功能
为保证电网稳定运行，对于电网运行方式提出的各种短期或阶段式的方式变化，可实现继电保护定值实时的在线安全校核，网络拓扑结构完全可以适应实际一次电网结构的预期变化。
如220kV双母线接线的环网变电站，由于短路容量超标等问题导致系统母联开关短期断开运行，离线计算出的定值已不满足此方式，需要重新进行线路、母差等相关保护定值的整定。
（4）在线预警校核功能
能够实现自动按照在同一变电站内轮断元件，采取“N－2”乃至“N－3”的电网运行方式，校核站内及周围系统的保护定值，保证此方式下距离三段不会误动作，并发出告警信息，完成在线监测的预警校核功能。
针对供热机组的开机方式，可实现按照电厂开机最小方式的设置原则，完成全网定值的在线核查，根据校核结果，对调度运行部门提出可行性建议。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于机电暂态方法的继电保护定值在线校核方法，其特征在于包含了如下步骤：
（1）从EMS获取电网实时量测数据，包括：发电机的有功、无功出力，变压器的潮流数据，线路上流过的有功、无功数据，母线的电压数据，进而建立电力网络代数模型；
（2）从继电保护整定软件数据库获取电网零序参数和保护定值，其中，所述电网零序参数包括线路、变压器以及发电机的零序阻抗参数和线路零序互感抗组参数；
（3）结合自身的机电暂态模型参数库，使用机电暂态方法求解联立的代数方程和非线性方程，得出系统各状态变量在故障过程中和故障消失后的动态过程数据；
（4）根据所述步骤（3）中得到的各状态变量的动态过程信息，对保护定值进行校核。
2.如所述权利1所述的一种基于机电暂态方法的继电保护定值在线校核方法，其特征在于所述步骤（3）的详细步骤为：
（31）利用潮流计算程序算出短路故障前系统的运行状态，然后算出系统的运行参量初值y(0)，并由此计算出状态变量的初始值x(0)；
（32）根据机电暂态模型参数形成相应的非线性方程组，并根据所用的求解方法形成相应的电力网络方程；
（33）根据EMS数据、从继电保护整定软件中获取的电网零序参数和线路互感参数形成电力网络正序、负序、零序代数方程组；
（34）进行机电暂态过程计算，得到各状态变量在故障发生过程中和故障消失后的全过程数据。
3.如所述权利2所述的一种基于机电暂态方法的继电保护定值在线校核方法，其特征在于：所述步骤（34）机电暂态过程计算具体包括，
设定暂态过程的计算进行到t时刻，这时的x(t)和y(t)为已知量，在计算x(t+∆t)和y(t+∆t)时，首先检查在t时刻系统有无故障或操作；
如果有故障或操作，则需对非线性或/和代数方程式进行修改，而且当故障或操作发生在电力网络内时，系统的运行参量y(t)若发生突变则重新求解网络方程，以得到故障或操作后的运行参量y(t+0)；
故障或操作前后的x(t)和x(t+0)相同；
根据x(t)和y(t)采用交替求解法或联立求解法得到x(t+∆t)和y(t+∆t)的值；
时间向前推进∆t，进行下一步的计算，直至到达预定的时刻tmax，最终得到从0至tmax时间段内系统状态变量的数据。
4.如所述权利1所述的一种基于机电暂态方法的继电保护定值在线校核方法，其特征在于：所述步骤（4）中，所述保护定值的校核包括的内容为：
（41）线路保护的启动电流；
（42）纵联保护定值的灵敏度；
（43）母差保护定值的灵敏度；
（44）变压器差动保护定值的灵敏度；
（45）后备距离保护测量阻抗幅值的校核。
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