基于短路功率方向的继电保护仿真方法

摘要

本发明公开了一种基于短路功率方向的继电保护仿真方法，包括如下步骤：根据故障信息进行短路计算，获得各线路的短路功率方向；沿功率方向进行层次拓扑分析，获得短路功率流向和保护范围值；将短路功率流向和保护范围值与预设值比较，判断保护是否启动；如果保护不启动则保护复归，如果保护启动则给出保护启动信息，加入启动保护队列；执行启动保护队列中满足条件的保护动作；进行短路计算和潮流分布计算，判断故障是否已经隔离；如果故障已经隔离则保护复归；如果故障未隔离，则返回重新进行故障计算。本发明结合了逻辑判断法与定值比较法两方面的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力系统继电保护的仿真方法，尤其涉及一种基于短路功率方向判断的继电保护仿真方法，属于电力系统仿真技术领域。

背景技术

继电保护仿真是电网仿真、变电站仿真的重要组成部分，它模拟了故障情况下继电保护装置的动作情况。继电保护仿真系统可以培训电网运行人员对异常事故的处理能力，对于保证电网的安全稳定运行有着非常重要的意义。

目前，电网、变电站仿真中继电保护系统的仿真方法主要有两种：定值比较法和逻辑比较法。具体说明如下：

定值比较法是经过故障计算，算出各继电保护的测量值；根据监测得到的电压、电流等参数和保护定值进行比较；确定保护是否动作，然后以时间定值为出口判据，准确地仿真保护的动作特性；并通过修改时间定值和延时时间，调整保护的配合关系。定值比较法的优点是：不依赖于故障信息和网络拓扑关系搜索，逻辑关系简单；但其缺点是：对电网模型的精度要求很高，否则很容易出现保护仿真结果与实际不符的现象；对于不同运行方式下保护整定值的维护将给用户增加巨大的数据维护工作量。

逻辑判断法不用进行故障计算，由故障的信息和继电保护装置安装信息以及保护原理来处理保护动作。它通过故障点进行详细的网络接线信息拓扑搜索，以确定切除故障所需要跳闸的断路器，同时结合继电保护装置动作时延和装置的逻辑规律来实现。它的优点是数据维护量小，易于满足速动性和选择性的要求；缺点是：当涉及到不同电压等级保护配合时，搜索程序由于缺乏必要的定值信息，容易判断出错，造成错误的故障现象；另外环网相邻线路之间的逻辑关系的合理配合也不易实现。

如图1所示，AB线为A站与B站之间线路，假定故障发生在BC线路上距离C站10%处。首先尝试用逻辑判断法分析一下保护的动作情况。从故障点进行拓扑分析，可以知道故障发生在BC线上，逻辑可以确定的是B站BC线路保护和C站BC线线路保护的会动作，但是如果当BC线两侧的线路保护都拒动时，几乎无法用逻辑的方法判断出BE线的线路保护的动作情况，因为为了保证线路保护的选择性，一般线路保护都经过功率方向元件闭锁，只有功率为正方向的保护才能动作，而功率的方向与短路时的电源容量、线路的参数都有关系。所以这个缺陷是逻辑判断法无法消除的。而采用定值判断法的话，由于对模型、参数、短路电流的计算精度要求都比较高，也很难满足仿真培训的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于短路功率方向的继电保护仿真方法。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种基于短路功率方向的继电保护仿真方法，包括如下步骤：

根据故障信息进行短路计算，获得各线路的短路功率方向；

沿功率方向进行层次拓扑分析，获得短路功率流向和保护范围值；

将短路功率流向和保护范围值与预设值比较，判断保护是否启动；

如果保护不启动则保护复归，如果保护启动则给出保护启动信息，加入启动保护队列；

执行启动保护队列中满足条件的保护动作；

进行短路计算和潮流分布计算，判断故障是否已经隔离；

如果故障已经隔离则保护复归；如果故障未隔离，则返回重新进行故障计算。

其中较优地，所述故障基本信息包括短路相别、短路性质、故障类型。

其中较优地，所述短路计算的步骤进一步包括：

利用对称分量法，根据故障信息，确定不对称故障序分量边界条件；

根据发电机、变压器、架空线路、负荷的参数计算各序阻抗并形成等值电路，形成短路后的正序、负序、零序网及复合序网；

计算出各支路短路电流、电压。

其中较优地，所述沿功率方向进行层次拓扑分析是沿短路功率正方向进行的，所述正方向为由母线流向线路的方向。

其中较优地，获得短路功率方向的步骤进一步包括：

采用递归循环算法，从故障点开始分析，找到与故障点直接相连的所有节点，判断该节点的短路功率流向，

如果找到节点的短路功率流向为正，则将该节点加入节点数组中；

如果找到节点的短路功率流向不为正，则通过拓扑连接关系获取另外的节点。

其中较优地，所述满足条件的保护动作是指满足开关延时和保护范围两方面条件的保护动作。

其中较优地，在获得保护范围值时，将沿功率方向进行层次拓扑分析的搜索深度折算为保护范围值。

本发明结合了逻辑判断法与定值比较法两方面的优点。在逻辑拓扑分析的基础上，引入了短路功率方向作为判据，弥补了单一逻辑拓扑分析缺乏必要的信息，无法实现判断需要短路电流方向的变压器后备保护和环网线路保护的动作问题。相对于定值比较法来说，本发明用保护范围值取代短路电流值大小的比较，从而在遵循继电保护整定原则的基础上，用保护范围简化了实际计算。

附图说明

图1为现有技术中进行继电保护操作的一个电路示例；

图2为本发明所提供的继电保护仿真方法的整体流程示意图；

图3为本发明中进行继电保护操作的一个电路示例；

图4为本继电保护仿真方法中，判断短路功率方向的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

继电保护整定的目的主要是为了满足继电保护对快速性、灵敏性、选择性和可靠性的要求。其中，继电保护中对方向元件的基本要求是：正前方发生各种故障时，能可靠地动作，而在反方向故障时，可靠地不动作。为了满足继电保护的四性要求，各保护装置或同一装置的各种保护功能之间的整定值和功率方向之间有一定的配合关系。例如：距离I段保护线路全长的80%，并保证相邻线路故障时可靠不动作；距离II段保护线路的全长，并与相邻线路距离I段配合，范围不超过相邻线路距离I段的保护范围；距离III段保护线路全长并与相邻线路的距离II段相配合。由此可知，各种保护的整定值主要体现在两个方面，一个是时间配合，另一个是保护范围。

在此基础上，本发明提出了一种基于短路功率方向的继电保护仿真方法。如图2所示，该继电保护仿真方法的包括如下步骤：根据故障基本信息进行短路计算，获得各线路的短路功率方向；沿功率方向进行层次拓扑分析，找出短路功率流向和保护范围值；将短路功率流向和保护范围值与预设值比较，判断保护是否启动；如果保护不启动则保护复归，如果保护启动则给出保护启动信息，加入到启动保护队列。下面对此展开详细具体的说明。

首先，介绍根据故障基本信息进行短路计算，获得各线路的短路功率方向的步骤。

在电力系统仿真计算程序中设置有内部时钟，内部时钟每走过0.01秒视为一个步长。在电力系统仿真计算程序中，每走一个步长都会判断电力系统有没有收到外部界面发送的故障信息。根据内部时钟判断电力系统的故障情况称为故障扫描。电力系统的故障信息主要包括短路相别（例如，A相、B相、C相、AB相、BC相、CA相、BC相）、短路性质（例如，单相接地、相间、两相接地短路）、故障类型（例如，线路、负荷、主变、母线、电容电抗等）等。

当电力系统仿真计算程序检测到电力系统有故障时，根据故障信息进行短路计算。在本发明中，利用对称分量法（method ofsymmetrical components），根据故障信息，确定不对称故障序分量边界条件，根据发电机、变压器、架空线路、负荷的参数计算各序阻抗并形成等值电路，形成短路后的正序、负序、零序网及复合序网，计算出各支路短路电流、电压，得到各支路的短路功率方向，并根据故障信息获得故障点位置。

下面通过如图3所示的电路示例对获得各线路的短路功率方向做详细说明。

在图3所示的电路示例中，包括A、B、C、D、E、F六个变电站，两个变电站的线路名取两站的首字符组成，例如AB线为A站与B站之间线路，CD线为C站与D站之间的线路等。假设故障发生在BC线路上距离C站10%处。当发生故障时，先经过短路计算，获得各线路的短路功率方向如图3中箭头所示。AB线路短路功率的方向为正，EB线路短路功率的方向为正，EC线路短路功率的方向为正，FE线路短路功率的方向为正，BC线路短路功率的方向不为正。

在图3所示的电路示例中，当发生故障时，我们先经过短路计算，获得各线路的短路功率方向。如图4所示，在获得短路功率方向后，采用沿功率方向的拓扑搜索方法进行拓扑分析。

其次，介绍沿功率方向进行层次拓扑分析，获得短路功率流向和保护范围值的步骤。

拓扑分析是对电气元件的连接关系进行分析。例如：1个开关在拓扑分析中可以定义为一个带开断关系的双端元件。双端元件有两个连接节点，通过其中的一个连接节点，可以得到另一个连接节点，通过这个连接节点找到与之相连其他开关，通过这个开关又可以得到另外连接节点。

如图4所示，沿功率正方向进行层次拓扑分析时，采用递归循环算法，从故障点开始分析，找到与故障点直接相连的所有节点，同时判断该节点的短路功率流向，如果找到节点的短路功率流向为正，则将该节点加入节点数组中。如果找到节点的短路功率流向不为正，则通过拓扑连接关系获取另外的节点。按照上述方法分析由与故障点直接相连的所有正方向节点，又获得与它们相连的节点，同时将短路功率流向为正方向的节点加入节点数组中。如此层层获取短路功率流向为正的节点并全部都加入节点数组中。短路功率流向由母线流向线路方向确定，母线流向线路方向为正方向用数值1表示；母线流向线路方向为负方向用数值—1表示，短路功率为0则用数值0表示。保护中在正方向时能动作就将该保护方向值设为1，负方向时能动作就设为—1，不能判断方向就设置为0。

找出短路功率流向后，需要和预设保护方向进行比较，如果短路功率流向满足预设保护方向，还要进一步判断保护范围是否能达到预设保护范围。

保护范围即反映故障点到保护安装处的电气距离，以短路功率方向计算保护范围值。保护范围是预期由保护装置所保护覆盖的范围，超过此保护范围保护装置将不动作。例如：距离保护的第1段只能保护本线路全长的80％，第Ⅱ段的保护范围为本线路全长并延伸至下—段线路的一部分，一般为被保护线路的全长及下—线路I段保护范围。第Ⅲ段为Ⅰ、Ⅱ段保护的后备段，它能保护本线路和下一段线路的全长并延伸至再下一段线路II段保护范围。

在本发明的一个实施例中，保护范围用保护范围值表示。以短路功率方向计算保护范围值的具体方法如下：假定线路本侧CT（currenttransformer，电流互感器）到对端CT的范围值为1，通过故障信息可获知短路点离线路两端CT的百分比，若为线路在50%处短路，从故障点开始到本侧线路保护CT范围值为0.5，到对侧范围值也为0.5；如果故障点在线路上，按照故障的百分数折算，例如：故障发生在近区10%，本侧线路，从故障点开始到本侧线路范围值为0.1；对侧线路，从故障点开始到对侧线路范围值则为0.9。以短路功率方向计算得到故障范围确定值，如表1所示。

序号类型保护范围值备注1主保护1沿短路功率方向2距离I段、零序I段保护0.8沿短路功率方向3距离II段、零序II段保护1.8沿短路功率方向4距离III段、零序III段保护2.8沿短路功率方向

表1线路保护预设范围值的示例

在本发明中，以短路功率方向确定的保护范围值比较来替代短路电流大小定值比较，同保护预设的范围值进行比较确定哪些保护能启动，从而启动继电保护动作。

另一方面，本发明将沿功率方向进行层次拓扑分析的搜索深度折算为保护范围值。搜索深度是指拓扑分析的层数。例如：通过1个开关节点开始搜索，搜到所有与该节点相连的另外开关为第一层的话，那么通过这些相连开关的另外节点搜索到另外相连的开关，则为第二层，这样依次类推。假如：距线路首端10%处短路。从故障点开始，搜索深度0为搜索与故障点直接相连的节点。为该线路首端节点和末端节点，这样首端距故障点电气距离值为0.1，末端为0.9。搜索深度1为搜索与该线路首末端节点相连的相邻线路节点。与该线路首端相邻线路由于越过1条线路距故障点距离值＋1为1.1，与该线路末端相邻线路由于越过1条线路距故障点距离值＋1为1.9。搜索深度2为搜索与这些相邻线路节点又相邻的其他线路这样电气距离值再＋1。这样层层搜索，从故障点来看，搜索距故障点越来越深。

保护范围的确定过程如下：首先有个假设条件，假设线路本侧到对端的电气距离值为1。设置某种保护的保护范围和计算保护实际距故障点的电气距离时，都是在这个假设条件下将电气距离数值化。如果是距线路首端50%处短路（出现故障），距首末端保护电气距离就可以用数值0.5表示，如果是距线路首端10%处短路，距首端保护电气距离就可以用数值0.1表示，末端为0.9。这样我们可以获得所有保护距故障点的电气距离数值，然后用这些值和预设定的保护范围数值进行比较，获得哪些保护可以动作。

假定线路本侧CT到对端CT的范围值为1，功率方向从母线流向线路为正，由此我们可以得到所有线路的保护范围的参考值，如表2所示：

表2线路保护范围的参考值

将短路功率流向和保护范围值与预设值比较，判断保护是否启动。如果保护不启动则保护复归；如果保护启动则给出保护启动信息，加入到启动保护队列。执行启动保护队列中满足条件的保护动作，这里的满足条件是指满足开关延时和保护范围两方面的条件。具体说明如下：

短路功率由母线流向线路为正方向，用数值1表示；反之为负方向用数值—1表示。短路功率为0则用数值0表示。继电保护在正方向时能动作就将该保护方向值设为1，负方向时能动作就设为—1，不能判断方向就设置为0。每种保护都有一定的保护范围。例如：距离Ⅰ段保护线路全长约80%，保护预设范围值为0.8。距离Ⅱ段与相邻保护的第Ⅰ段配合整定，保护预设范围为1.8。若故障发生在线路50%处，此时距线路两侧的保护距离为0.5，距相邻线路距离为1.5，看是否在保护预设的范围内0.5＜0.8＜1.8，此时是在该线路距离I段、距离II段的保护范围内的。若故障发生在线路首端10%处，距离线路首端为0.1，距离线路末端为0.9，此时线路首端保护距离I段0.1＜0.8能动作，而末端距离I段0.9＞0.8就动作不了，距离II段都能动作。

在本发明中，以电网动态计算的仿真迭代计算步长来推进仿真时间。由于保护动作启动后到开关最终动作有30ms的开关延时（即继电器动作固有时间）。所有保护跳闸动作都加到一个跳闸队列中，断路器过了继电器动作固有时间后，才进行开关变位。开关变位后，电网拓扑关系发生改变。此时需要立即进行短路计算和潮流分布计算，判断是否故障已经隔离（即短路功率方向是否为0）。如果故障已经隔离则保护复归；如果故障未隔离，则返回重新进行故障计算。

综上所述，本发明提供的继电保护仿真方法结合了逻辑判断法与定值比较法两方面的优点。在逻辑拓扑分析的基础上，引入了短路功率方向作为判据，弥补了单一逻辑拓扑分析缺乏必要的信息，无法实现判断需要短路电流方向的变压器后备保护和环网线路保护的动作问题。相对与定值比较法来说，用保护范围值取代短路电流值大小的比较，从而在遵循继电保护整定原则的情况下，用保护范围简化了实际计算，而各种保护的保护范围都有整定原则，不再需要维护大量的定值数据。

以上对本发明所提供的基于短路功率方向的继电保护仿真方法进行了详细的说明。对本领域的技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。