电力系统反时限过流保护优化整定计算的研究（可编辑）

电力系统反时限过流保护优化整定计算的研究（可编辑） 电力系统反时限过流保护优化整定计算的研究 华中科技大学 硕士学位论文 电力系统反时限过流保护优化整定计算研究 姓名:侯计兵 申请学位级别:硕士 专业:电力系统及其自动化 指导教师:段献忠;李银红 2011-01-06华中科技大学硕士学位论文 摘 要 优化整定计算 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 将保护间配合关系抽象为约束条件、将所有保护动作时间之 和昀短抽象为优化目标,反映了整定计算问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的本质,能够获得整体保护效果昀优 的保护定值,昀大限度发挥继电保护装置的性能, 有利于电力系统的安全稳定运行。 优化整定已经得到了广泛的关注,其研究主要包括两方面的内容,建立合乎实际需 求的模型和快速准确地求解定值,即优化模型和优化算法的研究。本文针对现有优 化模型的缺陷,着重研究适应系统需求的优化模型。 电力系统结构庞大,工况复杂多变,要建立切合实际需求的详细优化整定模型 十分困难。本文从保护和系统之间的关系出发,关注继电保护对系统的主要作用, 系统对保护的主要影响等,展开优化整定模型的研究工作。由于反时限过流保护的 优良特性及其广泛的应用,本文以反时限过流保护为背景,相关研究主要包括下述 三方面内容: 首先,分析了现有模型同等考虑所有线路的缺陷,利用故障临界切除时间CCT 提出以 CCT 权重修正优化整定目标,修正的整定模型能够反映线路重要程度和故 障严重程度,所得定值使重要线路、严重故障的保护动作时间更短,加强了继电保 护对维护系统安全的作用。 然后,讨论了系统中的不确定性因素对整定计算的影响,在优化目标函数中引 入了主要的不确定性指标,并考虑不同系统状态下保护间的约束条件,提出了计及 不确定性的反时限过流保护优化整定模型,所得定值能提高保护装置适应系 统不同 运行状态的能力。 昀后,针对反时限过流保护在任意故障下难以 同时满足保护间的选择性问 题, 提出了同种动作特性曲线的参数约束条件和不同动作特性曲线存在交点的 参数判 据,基于参数约束和判据的优化整定方法所得的定值能保证任意故障下保护 的选择 性,而且具有不增加预想事故和对计算量影响不大的优点。 关键词:优化整定;整定模型;CCT;不确定性;选择性I华中科技大学硕士学 位论文 Abstract Optimal coordination regards coordination relationship of protection as constraints and operation time of all relays as optimum target. This method shows the key point of coordination, based on which optimum settings of protection is completely collected, relay devices are well applied, and power system is able to work well. Attention has been drawn to optimal coordination method, being applied to offer the actual need of detailed model and accurate solution, which are called optimal model and optimal algorithm. This paper mainly discusses about the optimal model for the need of system according to the flaws found in optimal modelModern power system is complex and changeful. It is not easy to build up a model of optimal coordination that meets the actual needs. From the point of the relation of relays and system, this paper focuses on the function of system under the application of relays and the influence from system to relays, both of which relate to the study of tuning model. Due to the excellent properties and wide applications of inverse-time overcurrent relays, based on which three respects are being discussedFirst of all, the defect of existing model is analyzed, which considers all circuits as the sameThe optimum object is modified from CCT weight, which is able to shorten operation time of the important circuit in order to improves the function of relays for the maintain system Then, it is discussed that the uncertain factors in the system is caused to coordinationThe objective function of optimization is inducted in the main uncertainty of factorsThe constraints of relays are considered under different system statesMeanwhile, the uncertainty of inverse-time overcurrent relay is put forward. As a result, the ability of adjustment is able to be enhanced by the settings in different conditionsFinally, the selectivity of relays is discussed according to the any failure of inverse-time overcurrent relay. It is mentioned in the paper that the constraint of parameter in the same curves, and the criterion of parameter in the different characteristics curves. In terms of the constraint and criterion of parameter of optimal II华中科技大学硕士学位论文 coordination method, the selectivity is able to work well under any fault without adding the preconceived faults and affecting the calculated amount Keyword:optimal coordination, optimal model, CCT, uncertainty, selectivity III 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集 体已经发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索, 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密?,在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密?。 (请在以上方框内打“ ?”) 学位论文作者签名: 指导教师签名: 日期: 年 月 日日期: 年月 日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1.1 电力系统优化整定计算问题 继电保护装置是电力系统安全保障体系的重要组成部分,是电力系统不可分割 的一部分。当系统中的发电机、变压器、输电线路等设备发生故障时,继电保护装 置能迅速将故障设备切除,能保护电力设备免遭损坏,更重要的是能提高系统运行 的稳定性,并能昀大限度地使电网的非故障部分可靠地供电。国内外的无数实例证 明,继电保护装置是保证电力系统及其设备安全运行昀有效的方法之一。然而无数 事实也说明,几乎凡是涉及停电范围较广的大型系统事故,都与继电保护装置的不 正确动作有直接或间接的关系。 因此,电网为保证其安全运行也对继电保护装置提出了严格的要求,要求动作 [1] 于跳闸的继电保护装置必须满足可靠性、灵敏性、选择性和速动性 。保护装置能 准确动作、满足电网的要求很大程度上取决于精确的整定计算,保护装置的灵敏性、 选择性和速动性都要靠整定计算获得的合理保护定值来保证。因此,做好继电保护 整定计算工作对于满足电网对继电保护装置提出的四性要求,充分发挥继电保护装 置的性能和保证电力系统的安全运行具有重要意义。 随着电力建设的飞速发展,各大电力系统的容量和电网区域不断扩大,逐步形 成了全国统一甚至跨国的大型联合系统,这种现代大型电力系统对继电保护整定计 算提出了新的挑战。继电保护整定计算主要采用逐级配合的整定方法,即保护仅与 相邻保护逐个进行配合,确定多个整定结果,从中选取昀严重的数值作为昀终整定 值。然而,逐级配合的整定方法不能综合考虑保护定值间的相互影响,很难获得满 足用户期望的、整体保护性能昀优的保护定值,难以满足现代电力系统的发展和需 要。 根据“四性"的要求,保护整定的原则可以理解为在满足选择性和灵敏性的前 提下使得保护的动作时间昀小,所以整定计算问题实质上是一个昀优化问题。 1988 1华中科技大学硕士学位论文 年,文献[2]就提出了优化整定的概念,将整个电网的整定计算问题抽象为一个多变 量、多约束的优化问题进行求解。该文献以所有保护整体动作时间昀短为优化目标, 各个保护的待整定定值为自变量,保护选择性、灵敏性等约束关系为约束条件,运 用线性规划方法求解出了反时限过流保护的全局昀优整定 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。优化整定计算方法 反映了整定计算问题的本质,就是在满足电网对保护要求和限制的条件下,寻找能 昀大限度地发挥保护装置作用的整定值。因此,优化整定方法能够找出保证整体保 护效果昀优的保护定值,有利于电力系统的安全稳定运行。 鉴于优化整定计算的优点,本文以优化整定计算理论作为研究方向,并选择反 时限过流保护为优化整定计算的对象。 1.2 优化整定计算的研究现状 近年来,许多文献都展开了整定计算的优化研究。现代电力系统规模庞大、 结 构复杂具有多样性,使得保护间的配合关系较为复杂,优化整定研究面对的主要矛 盾是:为了更好地反映系统的各种情况,不得不增加约束条件,但是,这使得模型 维数较高,给问题的求解带来了困难。因此,优化整定的研究主要包括优化模型和 优化算法的研究,一方面合理建立优化整定模型,使其更好地反映系统实际情况并 尽量减少约束条件,另一方面寻找合适的优化算法,更快、更精确地求解优化整定 问题。 1.2.1 优化整定模型研究现状 优化整定模型的建立主要根据系统对保护的要求和保护间的配合关系,可分为 以下方面的研究: 1. 不同工况下的模型研究 电力系统是一个动态变化的网络,由于负荷变化、设备维护、故障跳闸等原因, 电网拓扑结构经常发生变化。而电网拓扑结构的变化可能导致主、后备保护配合关 系破坏,使得后备保护无选择性动作。当线路故障时,由于两端保护动作特性 不同, 而且测量的短路电流也不同,一端保护往往会先于另一保护动作。文献[3]探讨了故 障切除过程中的配合问题,提出了判断故障切除过程中保护失配的必要条件,当条 2华中科技大学硕士学位论文 件满足时增加暂态约束条件,以防止故障切除过程中保护无选择性动作,又避免了 冗余约束条件的引入。文献[4]和[5]在文献[3]的基础上,分析了保护间配合的约束 条件和保护参数上、下限约束条件的关系,提出约束条件预处理方法,该方法能够 识别有效约束和冗余约束,大大减少了约束条件,加快了计算速度,且减少了所需 的内存空间。 在环形电网中,由于故障位置的不同,同一线路中故障电流的方向可能改变, 引起主、后备保护关系的变化。文献[6]考虑了环形电网中不同故障位置对保护间配 合的影响,在配合约束条件中,考虑保护与相邻所有保护的配合,以保证不同故障 位置时保护间满足配合关系。 对于的机电式保护而言,保护的动作特性相同,而微机保护装置中往往有几 种 不同类型的反时限动作特性曲线可供选择。文献[7]考虑了不同保护装置选取不同类 型曲线的可能性,对目标函数和约束条件进行了补充,针对不同类型的特性曲线进 行整定,所得定值使保护动作时间更短。 2. 混合保护下的模型研究 电力系统继电保护具有完整的体系,由多种不同原理的保护组合成有机的整体, 以达到保护系统、维持系统稳定运行的根本目的。优化整定也应为保护的根本目的 服务,不光考虑同类保护间的配合,还应考虑不同保护间的配合。定时限距离保护 因其良好的保护性能,广泛应用于电力系统中,而且往往作为配电网的主保护,因 此,反时限过流保护优化整定主要考虑与距离保护的配合。 文献[8]考虑了与定时限保护距离保护和断路器失灵保护的配合,增加了与定 时限保护配合的约束条件,保证反时限过流保护与定时限保护间的选择性。故障点 设置为近端故障和远端故障,约束条件即:近端故障时配合保护的距离 II 段比被配 合保护的反时限过流保护动作时间长,远端故障时配合保护的反时限过流保护比被 配合保护的距离 II 段动作时间长,并且满足时间级差要求。文献[9]也考虑了与距离 保护配合,没有简单地将故障点设置为近端和远端,探讨了昀容易失配的故障点位 置,即:配合保护的距离 II 段保护范围末端和被配合保护的距离 I 段保护范围末端。 文献设置新的故障点,系统中任何位置发生故障时,理论上都能保证主、后备保护 满足选择性要求。文献[10]采用文献[9]提出的故障点设置方法,并且在目标函数中 加入反时限过流保护与距离保护时间级差项,采用遗传算法求解时,能增大更优解 3华中科技大学硕士学位论文 被选择的机会,因此,可以加快收敛速度。文献[11]在文献[10]的基础上,并结合文 献[7]考虑多条反时限特性曲线,更全面地考虑了反时限过流保护整定计算问题。 3. 自适应保护下的模型研究 网络技术对人类的生产、生活方式产生了深远的影响。就电力系统而言,使用 以数字微波为主,多种通信方式并存的电力专用网络。电力网络的发展实现了电力 系统实时数据的采集和传输,为此,产生了一种新的保护方式,实时跟踪系统运行 [12] 状态,根据系统变化整定和调整保护定值的保护 ,即自适应保护。离线优化整定 时,需考虑系统各种可能的运行方式,选取昀严重的值确定保护参数上、下限约束 条件,因而需要进行大量的预备计算。文献[13]将优化整定方法和自适应保护系统 相结合,由于自适应保护系统的实时特性,仅需根据当前运行方式确定保护参数上、 下限约束条件,能减少大量的预备计算,大大简化了反时限过流保护优化整定问题。 当系统拓扑结构变化时,自适应保护系统实时获取系统信息进行优化整定,并在线 修改定值,在任何系统状态下,都能保证保护动作时间昀短而且有正确的配合关系。 1.2.2 优化整定算法研究现状 优化整定问题是含有连续变量和离散变量、非线性或线性等式和不等式约束条 件的复杂优化问题。同其它优化问题一样,所采用的优化算法主要有两大类:一类 是传统的数学规划方法,一类是人工智能方法。 1. 数学规划方法 数学规划法理论严密,收敛速度快,稳定性强,是求解优化问题的基本方法。 但是,数学规划法对于非线性、离散变量等问题,存在处理上的困难和限制,解的 质量对初始点的选取依赖性强,容易陷入局部昀优。 文献[2]首次提出优化整定问题时,即将优化整定问题线性化,以采用成熟的线 性规划法进行求解。此后,为加快计算速度,文献[14]提出了一种并行计算方法, 将整个系统分解成多个子系统,使用稀疏对偶修正单纯型法对各子系统同时进行计 算,并与奔德斯分解算法进行比较,证明该算法所得结果更准确、收敛更快而且没 有振荡问题。文献[15]采用两阶段单纯型算法,在第一阶段识别不可行的约束条件, 并在优化计算的第二阶段忽略其影响,使计算结果更接近昀优解。以上几种方法都 是对系统中所有保护进行整定,为了充分利用原定值,减少计算量,文献[16]提出 4华中科技大学硕士学位论文 一种适用于局部拓扑结构变化的整定方法,仅重新计算拓扑结构变化附近的保护, 简化为一个低维的线性问题。但是此方法需权衡全局昀优性能与重新计算保护数目 之间的关系,如果要得到性能较好的保护定值,必须重新计算大量保护。线性规划 法虽然高效、稳定,但必须将整定模型进行线性化,这使得整定值精度得不到保证, 限制了线性规划法在优化整定中的进一步应用。 文献[17]采用非线性模型,直接利用序列二次规划法进行求解,并就仅采用近 端保护出口处故障约束条件和同时采用近端、远端线路末端故障约束条件的整定 结果进行对比。二次规划法在收敛性和计算速度方面比较理想,但计算步长和初始 点的选取对计算结果影响较大。 在微机保护中,保护定值需用时间乘法器和电流乘法器设置,整定值成为离散 变量。线性和非线性模型中求得的定值必须四舍五入以匹配保护乘法器,这可能导 致约束条件的破坏,即主、后备保护失配,而且会降低保护动作时间的昀优性 能。 因此,文献[18]引入二进制变量,构造成混合整数非线性模型,并采用通用代数建 模系统GAMS进行求解。文献[19]为简化混合整数非线性模型,在文献[18]的基础 上引入中间变量,线性化为混合整数线性模型,避免了复杂的非线性问题。混合整 数非线性模型难以求解,而引进中间变量转化为混合整数线性模型会产生过多的变 量,使得此类方法仅适用于小规模系统。 2. 智能优化算法 智能优化算法是通过模拟或揭示某些自然现象或过程发展而来的,由于智能算 [20] 法的并行高效、通用性强等优点,为解决复杂优化问题提供了新的思路和手段 。 继电保护优化整定计算问题十分复杂,而智能优化算法在处理复杂问题上比数学规 划方法有明显的优势,因此,智能优化算法被广泛应用于优化整定计算。 在上世纪 60年代,美国密西根大学的 Holland教授及其学生受到生物模拟技术 的启发,创造了一种基于生物和进化机制的适合复杂系统优化计算的自适应 概率优 化技术?遗传算法。遗传算法的基本结构及其特征适用于优化整定问题,并且具有 较高的鲁棒性和适应性。文献[21]、[22]昀早将遗传算法应用于反时限过流保护,结 果表明遗传算法适用于多约束的整定计算问题,得到全局昀优解的可能性也更大。 为了减少失配保护对的数量,文献[23]在目标函数中加入保护配合时间级差项,加 快了遗传算法的收敛速度。遗传算法能方便地求解混合整数非线性问题,文献[24] 5华中科技大学硕士学位论文 在文献[23]的基础上,用遗传算法直接求解离散定值变量,避免四舍五入连续整定 值带来的问题。进化规划或进化算法与遗传算法相似,只是遗传操作、突变操作等 具体操作方法不同,文献[25-28]将进化规划或进化算法成功应用于优化整定计算。 相对于其他智能优化算法,粒子群优化算法具有操作简单、易于建模实现等特 [29] 点,至 1995 年由美国学者 Kennedy 和 Eberhart 提出到现在, 得到了极 大的发展 。 文献[30]提出了一种改进的粒子群优化算法用于整定计算优化,采用线性下降的惯 性权重,以获得更佳的全局优化性能,在迭代过程中检查更新的粒子是否超出可行 解域,对超出的粒子不更新,保持其原位置。文献[31]根据粒子超越次数,采用不 同的速度更新粒子,同时建议采用数学规划方法计算初值,避免随机产生满足约束 条件的初始可行解而耗费大量时间。文献[32]采用和文献[24]相同的数学模型,针对 微机保护中定值的离散型问题,采用粒子群优化算法成功求解了离散变量的优化整 定问题。相比遗传算法,改进粒子群算法在收敛速度、不易陷入局部昀优解方面具 有更优良的特性,但在参数设置等方面仍有相同的缺陷。 随着智能算法的发展和广泛应用,不同算法凸显了各自的长处,同时也存在某 些不足,针对优化整定问题,如何将多种算法有机结合,更高效地进行求解也是一 个可行的研究方向。 1.3 本文内容安排 本文对电力系统反时限过流保护优化整定计算进行了研究,主要内容包括:提 出基于 CCT 权重和计及不确定性的反时限过流保护优化整定模型,并提出参数约 束和参数判据,以解决在优化整定计算中难以保证反时限过流保护在任意故障情况 下的选择性问题。各章内容安排如下: 第二章介绍了反时限过流保护的特点及应用情况,讨论了反时限过流保护的动 作特性方程,在此基础上介绍了反时限过流保护优化整定方法的数学模型和常用的 优化算法。 第三章指出了现有优化整定模型同等考虑所有线路的缺陷,分析了 CCT权重对 暂态稳定裕度的影响,提出了利用 CCT 权重修正优化整定目标的整定模型,修正 的整定模型能够反映线路重要程度和故障严重程度,所得定值使重要线路、严重故 6华中科技大学硕士学位论文 障的保护动作时间更短,加强了继电保护对维护系统安全的作用。 第四章讨论了系统中的主要不确定性因素与整定计算间的关系,在优化目标函 数中引入不确定性指标,并考虑不同系统状态下的保护间的约束条件,提出了计及 不确定性的反时限过流保护优化整定模型。 第五章针对反时限过流保护任意故障下难以同时满足保护间的选择性问题,提 出了同种动作特性保护间的参数约束条件和不同动作特性曲线存在交点的参数判 据,并基于此参数约束和判据的优化整定方法所得的定值能保证任意故障下保护的 选择性。 昀后一章对全文进行了总结,归纳了本文所做 的主要工作和得出的结论,并提 出了下一步研究的方向。 7华中科技大学硕士学位论文 2 反时限过流保护优化整定计算 2.1 引言 反时限过流保护是动作时限与被保护线路中故障电流大小有关的保护,当电流 [33] 大时,保护动作时限短,电流小时,动作时限长 。反时限过流保护的这种特性, [34] 能很好地解决保护选择性和灵敏性矛盾的问题,而且具有可靠性高、经济性好 等优点,在国外得到了广泛的应用。因此,现有优化整定计算的研究对象多以反时 限过流保护为主。 目前,我国电力系统中一般采用定时限保护作为配电网的主保护和输电网的后 [33] 备保护。但是,定时限保护范围直接受电网接线和系统运行方式影响 ,在某些极 端运行方式下,很难同时满足灵敏性和选择性要求。鉴于反时限过流保护的诸多优 点,我国的一些地区也开始采用反时限过流保护或者反时限过流保护和定时限保护 [35] 相结合的保护方式 。因此,本文研究反时限过流保护的优化整定计算问题,本章 介绍反时限过流保护的应用情况及动作方程、反时限过流保护优化整定计算的数学 模型,为进一步研究打下基础。 2.2 反时限过流保护概述 2.2.1 反时限过流保护的应用 反时限过流保护在电力系统中应用极其广泛,主要作为发电机保护、线路后备 保护和变压器保护等。发电机保护中,一般有定子绕组过负荷保护、转子表层过负 荷保护、励磁绕组过负荷等保护采用定时限和反时限两部分组成的过负荷保护。电 压等级小电流接地系统或小电阻接地系统中低压厂所用变或接地变的保护中,一 般在高压侧采用正序反时限保护,低压侧接地保护采用三段定时限零序过流保护及 零序反时限保护。由于本文研究线路的反时限过流保护优化整定计算,就反时限过 流保护在线路保护中配置情况进行介绍。 线路保护中,一般在相间短路和接地保护等后备保护中采用反时限电流保护或 8华中科技大学硕士学位论文 反时限零序电流保护。3~10kV 中性点非直接接地电力网中,对相间短路,单侧电 源线路可装设两段过电流保护,第一段为不带时限的电流速断保护;第二段为带时限 的过电流保护,保护装置可采用定时限或反时限特性的继电器。110~220kV中性点 直接接地电力网中, 220kV线路接地短路时,当接地电阻不大于 100Ω,保护应能可 靠地、有选择地切除故障。宜装设阶段式或反时限零序电流保护。或者,可采用接 地距离保护,并辅之以阶段式或反时限零序电流保护。330~500kV中性点直接接地 电力网中,对接地短路,应装设接地距离保护并辅以阶段式或反时限零序电流保护; 对中长线路,若零序电流保护能满足要求时,也可只装设阶段式零序电流保护。 在电力系统领域中反时限特性继电器的使用已有 50多年的历史,从感应型继电 器一直到后续的固态继电器、微机型继电器,其优点就是根据过流过压、过励磁等 的程度来决定故障切除时间,故障越严重切除时间越短,它可以和相邻设备的保护 进行配合来保证动作的选择性。与定时限继电器相比,反时限特性继电器一是在需 要和相邻设备配合时级差较小,灵敏性好,另一个是反时限特性更适应设备的自身 特性要求,如设备的过励磁特性、温度特性等,为设备提供快速保护。 2.2.2 反时限动作方程 为了模拟感应型继电器的动作特性,ANSI/IEEE规定了如式2-1所示反时限特 性。同时,依据被保护设备的热容限曲线特性,通过调整式中 A和 B的不同取值, 便可得到不同的反时限曲线,从而满足不同设备对反时限特性的需求。表 2.1 中列 出了 IEEE规定的各种反时限曲线参数。 A +? B t 动作特性 rI p ?1Ip T 2-1 1 t返回特性 rI 2 ?1I p式中:A、B 和 p 为反时限特性常数, I 为基准电流; I 为测量电流。T 为反 p T 时限过流保护动作时间。当 I I 时, 为负值,表明反时限保护不动作。只有当 p I I 时,T 为正,反时限过流保护才可能动作。t 为时间倍率常数。 r p 9华中科技大学硕士学位论文 表 2.1 IEEE的反时限特性参数 编号 反时限类型 A B P t r 1 极端反时限 28.2 0.1217 2.0 29.1 2 甚反时限 19.61 0.491 2.0 21.6 3 反时限 0.0086 0.0185 0.02 0.46 4 中反时限 0.0515 0.1140 0.02 4.85 5 长时间极端反时限 64.07 0.250 2.0 30 6 长时间甚反时限 28.55 0.712 2.0 13.46 7 长时间反时限 0.086 0.185 0.02 4.6 在这些反时限曲线中,p1的曲线一般用于线路保护;p1的曲线一般用于热过 载保护。 式2-1中,令B0,便得到IEC系列的反时限特性方程,表2.2中列出了IEC规 定 的各种反时限曲线参数。此外,IEC还规定了编号为6~7的热过载反时限特 性: 表 2.2 IEC 的反时限特性参数 编号 反时限类型 A P 编号 反时限类型 A P 1 普通反时限 0.14 0.02 4 中反时限 0.05 0.04 2 非常反时限 13.5 1.0 5 长反时限 120 1 3 极端反时限 80 2.0 6 热过载无存储反时限 35 2.0 i i pe 22 ? II pp tt 35.5 ln[ ] 7 热过载有存储反时限 p i 2 ?1 I p注:IEC的反时限方程中均有B0;编号为7的曲线与式2-1形式不同,单独 列出。 IEC的反时限曲线中,编号为1~5的曲线主要应用于线路保护。此时,一般不 需 考虑线路流过大的故障电流时的热稳定问题,而主要需考虑相邻线路保护之 间的配 合问题。 当反时限保护应用于元件保护如变压器、发电机和电动机等的保护时且作为 相邻线路保护的后备保护时,需要考虑与相邻线路保护之间的配合问题,因此需采 用编号为1~5的曲线。若保护主要时用来防止被保护设备因过负荷引起温升过高, 影响正常寿命甚至造成故障,一般采用电流量变化的积累来模拟保护绕组的温升。 反应过热状态的过流保护,则采用编号3的极端反时限特性,即p2。以上编号为6~7 的曲线主要应用于诸如电动机等元件的热过载保护。编号为6的曲线忽略了被保护 10华中科技大学硕士学位论文 对象故障发生以前负荷电流的发热,而编号为7的曲线则计及了故障发生以前负荷 电流的发热,该曲线较编号为6的曲线对元件的热过载保护而言更加合理。 2.3 反时限过流保护优化整定模型 整定计算的主要目的是获得合理保护定值以保证保护装置的灵敏性、选择性和 速动性。灵敏性和选择性由保护自身或保护与其它保护之间配合、协调决定的,在 满足灵敏性和选择性的前提下,希望保护动作速度尽可能快以更好地保护系 统,即 速动性的要求。因此,反时限过流保护优化整定概念可以简单表述为:在保护动作 特性限制下,满足保护间相互配合关系和保护各参数的上、下限的约束,求解使整 个保护系统昀快速动作的各个保护定值项。 电力系统继电保护优化整定模型用一个典型的昀优化模型表示为:min[ f sp , ] 2-2 sS ? 式中 f 表示目标函数,s表示继电器设置参数, p 表示系统中可能出现的扰动或故 障, S 表示一组可行的继电器的设置参数。由于电力系统中可能出现多种的扰动或 故障,如果把这些扰动全部考虑进去,将使问题变得非常复杂。因此,这里假设已 经确定 np种严重的故障及相关扰动。 对于有 np个扰动的系统,式2-2可写成: ** min[ f sp , ,,f s,p ] 2-3 1 np st sS?? ,,sS 1 np 式中 S ,kn 1,,p,表示对应每一种扰动情况下继电器的一组可行参数设置。 k 整定计算中,扰动为预先设定的事故,即预想事故,所以对于特定预想事故, 目标函数仅与继电器参数设置有关。假设每一种扰动有一个目标函数,上述 问题可 以表示为如下形式的非线性昀优化问题: 2-4 min[ f sf ,, s] 1 np st1、保护动作方程11华中科技大学硕士学位论文 Th s 2-5 2、保护参数和动作时间的上下限约束ss ? ?s 2-6 min T ?TT ? 2-7 min 3、主后备保护配合约束cT ?0 2-8 式2-4至2-8构成了继电保护优化整定计算的基础数学模型。 2.3.1 优化整定计算目标函数 反时限过流保护优化整定计算的目标是保证保护整体能够正确动作且动作 时间 昀短,因此其优化目标函数可表示为:mi f n ?WT 2-11 iik 式中T 表示第条支路发生故障时,保护 R 的动作时间,W 为权重系数,一般 设 ik i i 置为 1。 2.3.2 保护动作方程 作为线路后备保护的反时限过流保护,一般采用表 2.2 中编号为 1~3 的 IEC 反 时限曲线中,重写常用作线路保护的反时限过流保护动作方程为: TDS Th s K 2-9 1 I K 2 [ + K ] 3 I p 整定值包括 I 为继电器的起动电流基准电流和TDS为时间整定系数, K 、 p 1 K 、 K 为不同类型反时限特性曲线所确定的常数。也可以采用更精确的式 子表示 2 3 动作方程:TP TDSPIp 2-10 23 其中: PTDS+ K K TDS+ K TDS+ K TDS 10 11 12 13 12华中科技大学硕士学位论文 AA A A 12 3 4 PIp+ A + + + 0 234 1MM 1 1M? M?1 I M , K 、 K 、 K 、 K 、 A 、 A 、 A 、 A 和 A 为不同曲线所确定 的常 10 11 12 13 0 1 2 3 4 I p 数。 2.3.3主后备保护配合约束 为了保证主、后备保护之间满足选择性要求,主、后备保护在动作时间上应 满 足配合约束条件,即:TT?ΔT 2-12 nk ik 式中T 表示第 k 条支路发生故障时保护 R 的第一后备保护动作时间, ΔT 是保 nk i 护范围内允许后备保护切除故障的昀小时间间隔,包括断路器的跳闸时间、时间继 电器可能出现的提早闭合触点的时间和考虑计算短路电流可能产生的误差而留有 [31] 的一定裕度,采用机电式保护时取 0.3s-0.4s,采用微机保护时取 0.1s-0.2s 。 2.3.4保护参数和动作时间的上下限约束 对于特定的保护,其动作时间和整定值都必须满足一定的上、下限要求:TT ? ?T 2-13 ik ik ik min TDS ? TDS ? TDS 2-14 ii i min I ?II ? 2-14 pp p min 其中对于启动电流,为了防止继电器误动限制线路的载荷能力,昀小的启动 电 流应按昀大负荷电流确定;同理,为保证继电器不拒动,昀大的启动电流应按昀小 短路电流确定,对于保护动作时间和时间定值的上下限根据具体保护设定范围而 定。 2.4 本章小结 本章主要介绍了反时限过流保护的应用情况及其动作方程,并列出了反时限过 13华中科技大学硕士学位论文 流保护优化整定计算的数学模型,为进一步进行优化整定计算的研究提供了基础模 型。下面几章将在其基础模型之上针对该模型的缺陷及系统实际情况展开对反时限 过流保护优化整定计算的研究。 14华中科技大学硕士学位论文 3 基于 CCT权重的反时限过流保护优化整定计算 3.1 引言 随着电力行业的发展,区域间联络线和远距离大容量输电系统不断出现,电力 系统逐渐成为互联的超大规模系统,另外,由于环境等因素的制约,电力市场的推 [36] 动,系统运行更加接近稳定极限状态 。这使得系统中某些线路承担极重的负荷, 相比其他线路,这些线路对系统安全影响更大,如果发生故障可能带来灾难性的后 果。 短路故障是系统中昀为严重的扰动, 短路故障切除时间越短对系统的影响越小, [37] 常以此作为检验系统是否具有暂态稳定的条件 。故障切除过程由三个不同部分组 [38] 成:故障检测、继电保护装置动作和断路器动作 。其中,认为故障检测是瞬时完 成的,断路器动作时间由断路器特性决定,所以继电保护装置的动作时间是影响故 障切除时间的主要因素,因此,保护整定值很大程度上决定了保护装置动作时间。 对于影响系统较大的重要线路应有更短的故障切除时间,为此,本章研究基于 线路重要程度的优化整定模型,采用由故障临界切除时间CCT得到的权重,能获 得与线路重要程度相适应的保护定值,对系统安全更为有利。 3.2 CCT权重 在第二章的优化整定模型中,优化目标式2-11,即系统中所有保护动作时间之 和,将系统中所有线路统一考虑,不能区分重要线路和普通线路。 图 3.1 互联系统示意图 如图 3.1 所示,线路 L 为连接两区域电力系统 S 、S 的联络线,L 为区域 S 1 2 1 1 15华中科技大学硕士学位论文 中的一条普通线路,整定方案 1为:重要线路 L动作时间整定为 0.5s,普通线路 L 1 动作时间整定为 1.5s,整定方案 2为:这两条线路的动作时间都整定为 1s,两条线 路的整定时间总和都为 2s。显然,整定方案 1优于整定方案 2,但是,优化目标式 2-11将所有线路同等考虑则不能区分这两种整定方案的优劣,这种整定模型有明 显的缺陷。为此,考虑引进判断线路重要程度的指标,用以修正优化整定目标。对于系统中某线路发生的某一特定故障,CCT是衡量该故障对系统影响的一个 重要指标,线路越重要、故障越严重要求 CCT越短。当故障切除时间大于 CCT时, 将导致系统暂态失稳,故障切除时间小于 CCT 时,系统才能保持暂态稳定,故障 切除越快对系统的稳定性越有利。为了定量描述故障切除时间相对于 CCT“快”的 [39] 程度,通常定义故障整定切除时间和 CCT间的距离为暂态稳定时间裕度 : c C TT 3-1 kk ik c 式中T 为线路 k上发生故障时,第i个保护和断路器的故障整定切除时间, T 为 ik k 线路 k故障的 CCT。正常情况下,为保证系统的暂态稳定性,整定故障切除时间T ik 小于该故障临界切除时间,时间裕度 C 值应大于 0。 k 时间裕度 C 直观地反映了保护动作时间和 CCT 间的关系,对于 CCT 较短的严 k 重故障,要求保护更快地切除故障。因此,在整定计算中应计及线路重要程度和故 障严重程度的影响,对严重故障保护整定值应有所侧重,定义 CCT 权重: c exp WT ? 3-2 kk c c c 式中权重值W 与 CCT值T 为减函数关系,T 越大,W 越小,T 越小,W 越 k k k k k k 大,W 反映了故障的严重程度。 k 3.3 基于 CCT权重的反时限过流保护优化整定模型 在现有的反时限过流保护优化整定模型中,以保护整体能够正确动作且动作时 间为优化目标,使得保护定值能保证保护整体动作时间昀短。为在优化整定中根据 线路的重要程度对定值有不同的侧重,获得有更有利于系统的保护定值,因此,将 16华中科技大学硕士学位论文 以 CCT权重W 修正优化目标式2-11。 k c 式3-2中,对于特定预想事故T 为固定值,通过对设定的预想事故集合进行 k [39] CCT 扫描 获得。根据以上分析,权重值W 反映了故障的严重程度,因此,在优 k 化目标式2-11中将 CCT权重直接修正保护整定时间,得到:mi f n ?WT3-3 kik 所以,将式3-3作为优化整定目标,2-12至2-14作为约束条件,构成完整的 基于 CCT 权重的优化整定模型。式3-3为加权的保护动作时间之和,即式2-11中 c 的W 不再取为 1,而取 CCT权重即 exp ?T 。 i k 3.4 算例分析 采用文献[31]中的 6节点系统,如图 3.2所示,应用所提出的优化整定模型计算 保护 1 到保护 14 的反时限过流保护定值。故障设置为保护出口侧近端三相短路故 障,流过主、后备保护对的故障电流见表 3.1,电流互感器变比CTR值见表 3.2。反 时限保护采用普通反时限特性曲线,时间系数上下限TDS 为 0.05~1.1,启动电流 I p 的上下限为 0.5~1.5,保护配合时间间隔 ΔT 取 0.2s。根据线路重要程度和故障严重 程度,假定保护 R 、R 出口侧故障 CCT为 0.1s,保护 R 、R 、R 、R 出口侧故 3 11 1 6 12 13 障 CCT 为 0.15s,保护 R 、R 出口侧故障 CCT 为 0.2s,保护 R 、R 、R 、R 2 10 4 7 9 14 出口侧故障 CCT为 0.25s,保护 R 、R 出口侧故障 CCT为 0.3s。 5 8 图 3.2 6 节点电力系统拓扑 17华中科技大学硕士学位论文 表 3.1 主、后备保护对故障电流 后备 故障电流 主 故障电流 后备 故障电流 主 故障电流 保护 kA 保护 kA 保护 kA 保护 kA 1 4.5890 9 6.0720 8 0.7670 6 18.3380 1 4.5890 14 5.4570 9 0.6390 10 4.0770 2 0.8680 8 2.3510 10 0.9455 11 30.9390 2 0.8680 14 5.4570 11 1.0740 5 2.8380 3 1.3650 2 4.8030 11 1.0740 7 4.4960 4 0.5528 3 30.5470 12 3.4220 4 5.1860 5 0.9770 13 17.8210 12 3.4220 7 4.4960 6 0.8610 12 17.7050 13 0.6010 1 18.1720 7 1.4830 8 2.3510 14 1.7640 4 5.1860 7 1.4830 9 6.0720 14 1.7640 5 2.8380 表 3.2 各保护 CT 变比 保护 CT 变比 保护 CT 变比 1 1200/5 8 800/5 2 800/5 9 800/5 3 800/5 10 600/5 4 800/5 11 800/5 5 800/5 12 800/5 6 1200/5 13 1200/5 7 800/5 14 800/5 6节点系统优化整定问题,有 20个配合约束条件和 28个定值上、下限约束 条 件,应用粒子群算法对现有整定模型和基于 CCT权重的整定模型分别进行 了求解, 整定计算结果见表 3.3。表 3.3 两种优化整定模型结果 保 原模型 CCT 权重模型 TDS I T TDS I T 护 p ik p ik1 0.9817 0.9448 1.5415 0.7499 1.0329 1.1524 2 0.3467 1.3538 0.6311 0.3626 0.8904 0.7474 3 0.7323 0.7758 0.9752 0.6259 1.0051 0.7903 4 0.4552 0.8507 0.9291 0.4033 0.8259 0.8308 5 0.2305 1.3039 0.5279 0.3877 1.0610 0.9564 6 0.5585 0.6516 0.9619 0.6100 0.9275 0.9600 7 0.3845 1.0310 0.7729 0.4604 1.1082 0.9055 8 0.2205 0.7683 0.6215 0.4404 1.3329 1.0059 18华中科技大学硕士学位论文 9 0.4300 1.3700 0.7321 0.2819 0.7404 0.5720 10 0.3180 0.6329 0.7034 0.6823 0.9279 1.3368 11 0.4935 0.8469 0.6436 0.4206 1.0324 0.5270 12 0.6611 0.9350 0.8938 0.5747 1.1459 0.7446 13 0.2689 1.0243 0.4160 0.7544 1.0233 1.1674 14 0.5012 1.2556 0.8992 0.39