電力系統繼電保護整定計算中運行方式的組合問題

國網新疆電力有限公司電力科學研究院 李 斌 周 勇 李明霞 南東亮

國網新疆電力有限公司電力調度控制中心 崔大林

整定計算的主要作用是對繼電保護運行使用要求、選型等進行明確，是當前的研究熱點。隨著互聯網技術的不斷發展，電網逐漸向智能化方向轉變，電網互聯成為必然趨勢，而在此環境下電網拓撲結構的復雜性日盛，運行方式也呈現出多樣化特點，增加了整定計算的難度。如何優化運行方式，選擇正確的計算方式，精準計算出配合系數，確保相鄰定值配合的合理性，是行業一直以來關注的焦點。

當前已有很多學者對運行方式的選擇與優化進行了深入研究。程小平等通過研究不同運行方式對配合系數的影響，總結其中的規律為運行方式的選擇提供了有效指導。但這些經驗規律并不適用于全自動整定計算。而基于枚舉法進行的自動整定計算往往只能得出最終結果，無法獲得具體的操作過程，導致整定計算結果的實用性大打折扣。張鋒等學者為進一步改變傳統的整定計算方法，基于元件投停法而提出了阻抗矩陣法，即通過篩選出電網中的重要線路進行整合，以實現提高計算精準度和效率的目的。李冰等學者圍繞電流分布系數，提出了利用節點阻抗矩陣和電機支路阻抗的計算法。但在門檻值的選擇上電流分布系數法依舊存在很多問題亟待解決。

1 相關概念及整定計算方法存在的不足

繼電保護原理概述。對于電力系統而言，繼電保護的作用性不言而喻，承擔著消滅事故的重任，主要是監測系統是否存在故障或異常情況并向管理人員自動發送報警信號，以便能夠及時消除故障。同時也可自動對一些故障點進行隔離，以避免其他設備受損，確保區域供電的穩定性。電流、電壓、測量阻抗等值在系統發生故障時會出現明顯變化，甚至系統出現不對稱故障時，可根據功率方向、相序分量等變化情況判定被保護原件的狀態。繼電保護裝置除反映出電氣量的保護情況外，還可反映出非電量的保護。如當出現鐵芯故障、油面下降、繞組多相短路、開關接觸不良等情況時，電力線路中的瓦斯保護裝置、過熱保護裝置將發揮作用，確保整個電力線路的穩定運行。繼電保護裝置一般是由測量單元、邏輯單元和執行單元三部分組成，確定保護范圍后就需進行設置，比如根據所發生故障的強度設定對應的保護反應。而在執行單元中，主要是根據事先設定的邏輯執行指令確保裝置正常運行。

繼電保護整定計算方法。隨著時代發展整定計算也隨之發生改變，逐漸從以往的人工計算向自動化計算方式轉變。這種改變在很大程度上推動了行業與時代接軌，拉近了與大數據時代發展的距離，有效解決了計算精準度不高、耗時長、工作量大等問題。總之，整定計算工程浩大、牽涉多項工作，需相關人員了解其基本原理，熟悉電力系統運作，掌握電網運行流程。而在實際整定計算過程中，首先要充分了解電力系統運行條件及要求；其次結合電力系統具體情況，制定科學、合理的計算方案。通常整定計算主要采取的是有序分量法和相分量法兩種。基于上述原則就可找出最優計算方法。譬如以有序分量法和相分量法為依據得出電氣量，而后確定好設定值。

斷相口開路電壓計算問題。一般情況下整定計算都是按照一定步驟進行，首先需要計算電網的電流、電壓等值，如果電力系統出現震蕩，極易導致一相或兩相開關未合好，進而產生定子三相電流不均衡的故障現象。此時就需對正序網絡上未與負載相連時的電壓進行計算，而發電機的等值電勢、電阻則可選用特定符號代替，一旦系統中任意一條線路發生該故障現象，就可以利用疊加定理計算開路電壓[1]。盡管通過這一操作可精準計算出開路電壓，但卻并不具備普適性、尤其是當電力系統規模較大時，而通過H 參數法可有效解決上述問題，充分考慮網絡結構影響的基礎上，通過分解成兩個震蕩群的方式利用H 參數法計算出處于系統震蕩狀態下發電機的開路電壓。

運行方式選擇存在的問題。對于繼電保護整定而言，一般采取的是隔離母線的方式，很少會考慮其他運行方式的影響，導致繼電保護范圍較大。為進一步做好繼電保護整定就需找出極端運行方式，主要查找方法就是輪流斷開保護范圍內的線路。但在某些特殊情況下這種方式根本無法找到極端運行方式，可通過計算機將最不利于電力系統運行的方式找出，通過計算機進行線路開斷，并根據開斷操作對電力系統造成的影響判斷出整定計算的范圍，從而找出最不利的運行方式。

分支系數計算問題。繼電保護的整定計算，需要對分布式電源變化對分支系數所造成的影響進行全面分析，如果分支系數選擇不合理，會導致整定計算的結果出現較大誤差[2]。為進一步提高分支系數選擇的合理性，需在分支系數計算前綜合考慮各方因素。如分布式電源出現變化則需更新數據，確保分支系數準確，盡可能降低誤差值。

勵磁涌流問題。電力系統在勵磁電壓的影響下將會出現勵磁涌流現象，即當變壓器處于全壓充電狀態時，繞組中產生暫態電流。其原因是因為鐵芯中的磁通在空頭變壓器過程中無法快速突變，導致分量磁通產生，進而使得內部鐵芯飽和，其電流提升。通常勵磁涌流電流可達正常電流的7倍，電流變大、電容變小，電流與電容之間呈反比關系。在解決勵磁涌流問題時，由于隨著時間的變化二次諧波亦會發生改變，而這也恰好是勵磁涌流的根本性質，就可充分利用這一性質來解決問題。例如，當電流保護裝置快速斷開時通常可設定延時，但這種方式在實際應用中無法快速解決好變壓器故障，所以需進行完善。因勵磁涌流中二次諧波和五次諧波量大，波形在時間軸一側，間斷角度為60度[3]，就可通過諧波制動原理、間斷角原理避免電力系統中勵磁涌流情況的發生，為提高繼電保護整定計算的精確度奠定基礎。可見，隨著電力系統規模的擴大，整定計算要求和操作方式更加復雜，而隨著時間的推移二次諧波逐漸衰減。在我國變壓器差動保護中主要還是二次諧波制動比，一般整定15%～20%[4]。但鑒于變壓器空投后出現了誤動情況，電網公司提出將二次諧波制動比調整為12%。

保護出口整定問題。計算繼電保護定值非常重要，但在實際工作中卻忽略了保護出口的整定計算。以往在開展整定計算時，跳分支開關、解列滅磁、發變組全停等非常重要，但近年來繼電保護設備自動化程度加強，機組容量越來越大，需要尤其關注保護出口中啟動失靈、遠跳、分支快切等功能的整定，通過保護出口整定值來提高繼電保護裝置的功效，確保其正常運行。

2 電力系統繼電保護整定計算中運行方式的組合問題優化

2.1 運行方式的組合問題優化思路

通過對當前電力系統運行方式進行歸納分析，可發現若其運行環路發生變化，將會影響繼電保護裝置在故障時所表現出的阻抗形式。因此，優化繼電保護整定計算運行方式最核心要點還是在于對傳統整定計算數據來源的改變。以往整定計算的焦點集中于線路兩端的最大值，很少會關注到線路改變是否會對數值產生影響，從而使得整定計算數值的精確度得不到有效保障。

隨著計算機技術的不斷發展，在電力系統中計算機系統的應用愈發廣泛，為整定計算精確度的提高奠定了良好基礎。當前阻抗矩陣法是繼電保護整定計算中最常用的數據分析法，其所采用的公式是ZI=U。阻抗矩陣法中系統運行所需電力選用阻抗對角線的阻抗值表示，轉移阻抗數據則選用非對角線阻抗矩陣數據表示，從而真實、客觀反映出電力系統的運行情況[5]。可以阻抗矩陣來表示系統運行方式，并在電力故障診斷中引入節點阻抗矩陣。當前在電力系統故障分析、繼電保護整定計算等工作中，節點阻抗矩陣法應用非常廣泛。

支路追加法也是較常用的一種方式，在具體操作中可事先對支路線路進行編號，而后借助計算機查找出現故障的線路。在系統發生故障時還可通過計算機得出斷開節點的邊界數值，以此來找出故障所在位置。如果是大規模電力系統中電路某個節點發生故障，還可對阻抗參數進行計算，以此來明確該系統的運行方式。如果是電力系統邊界電路發生故障、出現短路等情況導致系統無法正常工作，仍可選擇阻抗矩陣描述，找出系統中重要路線的運行方式。可見，針對傳統電力系統繼電保護運行而言，引入阻抗矩陣法是對該運行模式的優化和完善。

2.2 繼電保護整定計算方式的優化

明確電力系統的運行方式，通過阻抗矩陣法預測系統運行的可行性，如系統存在異常就需針對故障現象進行數據分析。當電力系統環路安裝有繼電保護設備時，就需將保護系統的最大電流計算出來，同時考慮斷開節點位置是否會對系統定值產生影響。

以繼電保護電流單相短路為例，當系統發生金屬性短路，短路處數值以I=Z=0進行表示，受環路斷開操作的影響，系統運行方式有所改變；當系統中任意一個節點被斷開，其任意節點故障值的阻抗均發生改變，那么就可通過對斷開節點的邊界數值進行計算來找出故障的具體位置[6]。

總之，當系統節點發生單相短路，通過對抗組參數進行計算可確定具體的運行方式。同時，通過阻抗矩陣描述系統邊界電流的電路情況，從而找出整個系統重要路線的運行方式。對于繼電保護系統而言，環路中線路運行方式將會對其電流產生一定的影響，采用傳統運行方式的選擇是無法看到這一影響的，需借助阻抗矩陣法。但在整個電力系統中，不僅是電力系統節點可采用阻抗矩陣表示，在電力系統運行方式選擇以及環路上也可采用阻抗矩陣表示[7]。首先在節點位置將阻抗連支斷開，此時系統壓力分布將發生改變，但由于整個系統的節點數是固定不變的，拓撲結構又具有較強的穩定性，所以阻抗矩陣變化不明顯，只需要在環路形式描述中對阻抗矩陣進行微調。

3 結語

作為電力系統的保護裝置，繼電保護是確保系統安全穩定運行上作用顯著，需進一步優化裝置性能。而電力系統繼電保護整定計算有助于對故障進行快速診斷，提高系統運行效率，因此必須要提高整定計算的精確度，結合系統實際情況合理調整繼電保護整定計算。如果電力系統發生故障，在全面分析故障數據的同時，還可通過阻抗形式對節點計算進行表達。因為在整個系統中節點數確定，而電力系統中電路組成結構愈發穩定，即便采用阻抗矩陣描述所發生的變化也不大，通過進行短路計算能快速找到故障的具體位置。