电力系统继电保护整定计算中运行方式的组合问题

国网新疆电力有限公司电力科学研究院 李 斌 周 勇 李明霞 南东亮

国网新疆电力有限公司电力调度控制中心 崔大林

整定计算的主要作用是对继电保护运行使用要求、选型等进行明确，是当前的研究热点。随着互联网技术的不断发展，电网逐渐向智能化方向转变，电网互联成为必然趋势，而在此环境下电网拓扑结构的复杂性日盛，运行方式也呈现出多样化特点，增加了整定计算的难度。如何优化运行方式，选择正确的计算方式，精准计算出配合系数，确保相邻定值配合的合理性，是行业一直以来关注的焦点。

当前已有很多学者对运行方式的选择与优化进行了深入研究。程小平等通过研究不同运行方式对配合系数的影响，总结其中的规律为运行方式的选择提供了有效指导。但这些经验规律并不适用于全自动整定计算。而基于枚举法进行的自动整定计算往往只能得出最终结果，无法获得具体的操作过程，导致整定计算结果的实用性大打折扣。张锋等学者为进一步改变传统的整定计算方法，基于元件投停法而提出了阻抗矩阵法，即通过筛选出电网中的重要线路进行整合，以实现提高计算精准度和效率的目的。李冰等学者围绕电流分布系数，提出了利用节点阻抗矩阵和电机支路阻抗的计算法。但在门槛值的选择上电流分布系数法依旧存在很多问题亟待解决。

1 相关概念及整定计算方法存在的不足

继电保护原理概述。对于电力系统而言，继电保护的作用性不言而喻，承担着消灭事故的重任，主要是监测系统是否存在故障或异常情况并向管理人员自动发送报警信号，以便能够及时消除故障。同时也可自动对一些故障点进行隔离，以避免其他设备受损，确保区域供电的稳定性。电流、电压、测量阻抗等值在系统发生故障时会出现明显变化，甚至系统出现不对称故障时，可根据功率方向、相序分量等变化情况判定被保护原件的状态。继电保护装置除反映出电气量的保护情况外，还可反映出非电量的保护。如当出现铁芯故障、油面下降、绕组多相短路、开关接触不良等情况时，电力线路中的瓦斯保护装置、过热保护装置将发挥作用，确保整个电力线路的稳定运行。继电保护装置一般是由测量单元、逻辑单元和执行单元三部分组成，确定保护范围后就需进行设置，比如根据所发生故障的强度设定对应的保护反应。而在执行单元中，主要是根据事先设定的逻辑执行指令确保装置正常运行。

继电保护整定计算方法。随着时代发展整定计算也随之发生改变，逐渐从以往的人工计算向自动化计算方式转变。这种改变在很大程度上推动了行业与时代接轨，拉近了与大数据时代发展的距离，有效解决了计算精准度不高、耗时长、工作量大等问题。总之，整定计算工程浩大、牵涉多项工作，需相关人员了解其基本原理，熟悉电力系统运作，掌握电网运行流程。而在实际整定计算过程中，首先要充分了解电力系统运行条件及要求；其次结合电力系统具体情况，制定科学、合理的计算方案。通常整定计算主要采取的是有序分量法和相分量法两种。基于上述原则就可找出最优计算方法。譬如以有序分量法和相分量法为依据得出电气量，而后确定好设定值。

断相口开路电压计算问题。一般情况下整定计算都是按照一定步骤进行，首先需要计算电网的电流、电压等值，如果电力系统出现震荡，极易导致一相或两相开关未合好，进而产生定子三相电流不均衡的故障现象。此时就需对正序网络上未与负载相连时的电压进行计算，而发电机的等值电势、电阻则可选用特定符号代替，一旦系统中任意一条线路发生该故障现象，就可以利用叠加定理计算开路电压[1]。尽管通过这一操作可精准计算出开路电压，但却并不具备普适性、尤其是当电力系统规模较大时，而通过H 参数法可有效解决上述问题，充分考虑网络结构影响的基础上，通过分解成两个震荡群的方式利用H 参数法计算出处于系统震荡状态下发电机的开路电压。

运行方式选择存在的问题。对于继电保护整定而言，一般采取的是隔离母线的方式，很少会考虑其他运行方式的影响，导致继电保护范围较大。为进一步做好继电保护整定就需找出极端运行方式，主要查找方法就是轮流断开保护范围内的线路。但在某些特殊情况下这种方式根本无法找到极端运行方式，可通过计算机将最不利于电力系统运行的方式找出，通过计算机进行线路开断，并根据开断操作对电力系统造成的影响判断出整定计算的范围，从而找出最不利的运行方式。

分支系数计算问题。继电保护的整定计算，需要对分布式电源变化对分支系数所造成的影响进行全面分析，如果分支系数选择不合理，会导致整定计算的结果出现较大误差[2]。为进一步提高分支系数选择的合理性，需在分支系数计算前综合考虑各方因素。如分布式电源出现变化则需更新数据，确保分支系数准确，尽可能降低误差值。

励磁涌流问题。电力系统在励磁电压的影响下将会出现励磁涌流现象，即当变压器处于全压充电状态时，绕组中产生暂态电流。其原因是因为铁芯中的磁通在空头变压器过程中无法快速突变，导致分量磁通产生，进而使得内部铁芯饱和，其电流提升。通常励磁涌流电流可达正常电流的7倍，电流变大、电容变小，电流与电容之间呈反比关系。在解决励磁涌流问题时，由于随着时间的变化二次谐波亦会发生改变，而这也恰好是励磁涌流的根本性质，就可充分利用这一性质来解决问题。例如，当电流保护装置快速断开时通常可设定延时，但这种方式在实际应用中无法快速解决好变压器故障，所以需进行完善。因励磁涌流中二次谐波和五次谐波量大，波形在时间轴一侧，间断角度为60度[3]，就可通过谐波制动原理、间断角原理避免电力系统中励磁涌流情况的发生，为提高继电保护整定计算的精确度奠定基础。可见，随着电力系统规模的扩大，整定计算要求和操作方式更加复杂，而随着时间的推移二次谐波逐渐衰减。在我国变压器差动保护中主要还是二次谐波制动比，一般整定15%～20%[4]。但鉴于变压器空投后出现了误动情况，电网公司提出将二次谐波制动比调整为12%。

保护出口整定问题。计算继电保护定值非常重要，但在实际工作中却忽略了保护出口的整定计算。以往在开展整定计算时，跳分支开关、解列灭磁、发变组全停等非常重要，但近年来继电保护设备自动化程度加强，机组容量越来越大，需要尤其关注保护出口中启动失灵、远跳、分支快切等功能的整定，通过保护出口整定值来提高继电保护装置的功效，确保其正常运行。

2 电力系统继电保护整定计算中运行方式的组合问题优化

2.1 运行方式的组合问题优化思路

通过对当前电力系统运行方式进行归纳分析，可发现若其运行环路发生变化，将会影响继电保护装置在故障时所表现出的阻抗形式。因此，优化继电保护整定计算运行方式最核心要点还是在于对传统整定计算数据来源的改变。以往整定计算的焦点集中于线路两端的最大值，很少会关注到线路改变是否会对数值产生影响，从而使得整定计算数值的精确度得不到有效保障。

随着计算机技术的不断发展，在电力系统中计算机系统的应用愈发广泛，为整定计算精确度的提高奠定了良好基础。当前阻抗矩阵法是继电保护整定计算中最常用的数据分析法，其所采用的公式是ZI=U。阻抗矩阵法中系统运行所需电力选用阻抗对角线的阻抗值表示，转移阻抗数据则选用非对角线阻抗矩阵数据表示，从而真实、客观反映出电力系统的运行情况[5]。可以阻抗矩阵来表示系统运行方式，并在电力故障诊断中引入节点阻抗矩阵。当前在电力系统故障分析、继电保护整定计算等工作中，节点阻抗矩阵法应用非常广泛。

支路追加法也是较常用的一种方式，在具体操作中可事先对支路线路进行编号，而后借助计算机查找出现故障的线路。在系统发生故障时还可通过计算机得出断开节点的边界数值，以此来找出故障所在位置。如果是大规模电力系统中电路某个节点发生故障，还可对阻抗参数进行计算，以此来明确该系统的运行方式。如果是电力系统边界电路发生故障、出现短路等情况导致系统无法正常工作，仍可选择阻抗矩阵描述，找出系统中重要路线的运行方式。可见，针对传统电力系统继电保护运行而言，引入阻抗矩阵法是对该运行模式的优化和完善。

2.2 继电保护整定计算方式的优化

明确电力系统的运行方式，通过阻抗矩阵法预测系统运行的可行性，如系统存在异常就需针对故障现象进行数据分析。当电力系统环路安装有继电保护设备时，就需将保护系统的最大电流计算出来，同时考虑断开节点位置是否会对系统定值产生影响。

以继电保护电流单相短路为例，当系统发生金属性短路，短路处数值以I=Z=0进行表示，受环路断开操作的影响，系统运行方式有所改变；当系统中任意一个节点被断开，其任意节点故障值的阻抗均发生改变，那么就可通过对断开节点的边界数值进行计算来找出故障的具体位置[6]。

总之，当系统节点发生单相短路，通过对抗组参数进行计算可确定具体的运行方式。同时，通过阻抗矩阵描述系统边界电流的电路情况，从而找出整个系统重要路线的运行方式。对于继电保护系统而言，环路中线路运行方式将会对其电流产生一定的影响，采用传统运行方式的选择是无法看到这一影响的，需借助阻抗矩阵法。但在整个电力系统中，不仅是电力系统节点可采用阻抗矩阵表示，在电力系统运行方式选择以及环路上也可采用阻抗矩阵表示[7]。首先在节点位置将阻抗连支断开，此时系统压力分布将发生改变，但由于整个系统的节点数是固定不变的，拓扑结构又具有较强的稳定性，所以阻抗矩阵变化不明显，只需要在环路形式描述中对阻抗矩阵进行微调。

3 结语

作为电力系统的保护装置，继电保护是确保系统安全稳定运行上作用显著，需进一步优化装置性能。而电力系统继电保护整定计算有助于对故障进行快速诊断，提高系统运行效率，因此必须要提高整定计算的精确度，结合系统实际情况合理调整继电保护整定计算。如果电力系统发生故障，在全面分析故障数据的同时，还可通过阻抗形式对节点计算进行表达。因为在整个系统中节点数确定，而电力系统中电路组成结构愈发稳定，即便采用阻抗矩阵描述所发生的变化也不大，通过进行短路计算能快速找到故障的具体位置。