試論電力用戶供配電系統繼電保護定值復核計算軟件分析的應用

顏學倫 胡 龍

華融化學股份有限公司 成都 611933

電力用戶隨著自身企業不斷創新發展、工藝改造，以提高生產能力，其要求配套的電網規模越來越大且網絡結構更加復雜，系統運行方式及短路容量也有了較大變化。而電網安全穩定性及繼電保護定值適應系統變化的能力是有限的，需要隨著電網運行情況及電網短路容量的變化進行調整。為消除電力用戶企業電網的安全隱患，保障企業安全生產運行，電力用戶企業應結合企業電網變化情況進行安全評估及繼電保護定值復核。

電網安全評估及繼電保護定值復核工作，可運用專業電力分析計算軟件完成，可建立全廠電網仿真模型，從整體性的全系統角度計算電網的短路電流和潮流分布，仿真計算各種電氣故障事件對電網的影響，找到電網的薄弱環節。通過全面的分析計算，得出電網安全性、可靠性等具體技術指標，進而指導企業制定電力系統的設計、規劃和改造方向，提高電能利用率和電網穩定性，實現電網的資源優化。同時，結合計算機軟件的分析計算結果，對全廠所有設備元件進行保護配置分析，對全廠電氣設備的繼電保護定值進行系統性的復核，并用計算機軟件反向配合校驗，為電網提供一套完善的繼電保護配置方案，使電網供電滿足“選擇性、快速性、可靠性、靈敏性”的要求，確保電力設備安全可靠運行。

1 模擬電力系統結構

模擬電力系統結構為：電力用戶電網進線為110 kV單母線分段，經2臺主變降壓到35 kV, 再經變壓器降為6 kV和0.4 kV給廠區供電。(假設增加影響因素：① 系統中35 kV整流變較多，對電能質量會有所影響; ② 6 kV電動機等旋轉負荷較多，再啟動或再加速時會對系統產生很大的沖擊影響。)

2 目標任務

通過對電力用戶企業電網的安全評估分析計算和定值復核，將達到以下目標:

(1)經分析對可能影響電網安全、穩定、可靠運行的因素，制定解決方案和風險防范措施，減少系統電網隱患，提高電能質量和系統穩定性。

(2)發現和消除系統潛在的安全隱患，分析系統的運行工況，校驗電氣設備的選擇，校核線路和設備的保護，確定供電系統的可靠性指標，校驗接地設計的合理性等，確保電網的供電安全。

(3)通過從上至下的全系統角度分析計算系統潮流短路情況、系統有功無功分布情況、功率因數偏差情況、變壓器負載率情況，進行電量平衡分析、電網能效評估分析，益于企業制定合理的節能技改方案，提高效益。

(4)掌握電網結構設定策略及電網一次側設計、規劃、運行原則。

(5)形成企業內部電氣操作運行標準。

(6)進行繼電保護配置優化、定值校核。

3 供配電系統分析和繼電保護定值計算內容

(1)建立系統模型。

(2)電力系統短路電流計算。

(3)電力系統潮流計算。

(4)繼電保護定值計算校驗及配合分析。

(5)晃電分析及應對策略研究。

(6)電動機群起再啟動及再加速分析計算。

(7)大容量電動機啟動分析計算。

(8)中性點接地方式分析計算。

(9)諧波含量分析計算。

4 繼電保護定值復核計算工作流程詳述

4.1 建立模型

現場收集設備銘牌參數和各保護裝置說明書，采用先進的電氣系統分析軟件建立全電網的仿真模型，包括:發電機(容量、額定功率、最大功率、電壓、電流、頻率、轉速、功率因數等)、變壓器( 額定容量、額定電壓、額定電流、阻抗電壓、短路損耗、空載損耗、空載電流)等設備參數，為今后的運行管理提供支持和解決方案，為系統發生故障時提供分析依據，也可以為系統的擴容提供設計依據。

4.2 短路電流計算

對電氣設備進行動、熱穩定校驗(考慮系統、電動機短路電流反饋)，通過短路電流分析系統網絡結構是否合理，為分析各種短路情況下的穩定性提供依據，對繼電保護的配置設計及整定計算提供數據。應用IEC60909短路電流計算的方法，對系統進行短路電流計算:

(1)確定系統的最大、最小運行方式。

(2)對系統中各電壓等級(110 kV、35 kV、6 kV、0.4 kV等)母線進行短路電流計算(三相短路及單相接地短路電流初始值和峰值)。

(3)根據短路電流計算結果對設備進行動、熱穩定校驗。

(4)根據短路電流計算結果，為繼電保護整定校核提供數據。

4.3 潮流計算

電力系統潮流計算是研究電力系統穩態運行情況的一種基本電氣計算。它的任務是分析系統在投入運行后的各種運行方式下各電壓等級的電壓偏差是否滿足要求；各種運行方式下發電機有功、無功的出力及各個支路的功率傳輸是否過載；系統的實際運行功率因數及無功補償是否合理；分析各變壓器分接頭是否需要調節等。電力系統潮流計算的結果用于日運行方式的編制、指導發電廠開機方式、有功、無功調整方案及負荷調整方案選擇。采用電力系統計算分析軟件，應用牛頓拉夫遜潮流計算的方法，對系統進行潮流計算。具體計算內容如下：

(1)計算有功功率、無功功率的潮流分布，如:各種運行方式下2路進線傳輸功率是否接近平衡及各種運行方式下變壓器的功率傳輸。

(2)計算各電壓等級母線電壓偏差。

(3)計算系統進線處的功率因數大小、各個裝置區無功補償容量的需求。

(4)計算各個變壓器在各種運行方式下的負載率。

4.4 繼電保護定值計算及配合分析

對所有設備元件進行保護配置分析,為本企業的供電系統提供一套完善的繼電保護配置方案；根據相關標準及要求對所有配置進行整定計算，對整定結果作配合分析，使本企業的供電系統繼電保護滿足選擇性、快速性、可靠性、靈敏性的要求；采用電力系統計算分析軟件，根據《繼電保護和安全自動裝置技術規程》及《電網繼電保護裝置運行整定規程》等規定和要求，對系統做繼電保護配置設計及整定計算。

4.4.1 所有設備的繼電保護配置設計優化

包括如總變電所的主變、自備電站的發電機、各電壓等級的母線、各裝置區的變壓器、高壓電動機等。

4.4.2 對保護配置進行整定計算

包括對變壓器的差動保護、速斷保護、過電流保護、過負荷保護等進行整定計算并給出定值單;對發電機的差動保護、過電流保護、定子接地保護、負序過電流保護、失磁保護、逆功率保護、頻率保護、低/過電壓保護等進行整定計算并給出定值單;對母線的差動保護、過電流保護等進行計算并給出定值單；對高壓電動機的差動保護、電流速斷保護、過電流保護、負序電流保護、堵轉保護、過負荷保護等進行整定計算并給出定值單。繼電保護定值計算范圍見表1。

表1 繼電保護定值計算范圍

4.4.3 繼電保護配合分析

按照全廠電力系統的電氣結構，依據各電力元件的繼電保護整定值，為全廠高、低壓支路進行保護配合校驗，并繪制繼電保護配合曲線圖(TCC圖形)，反映電流和時間定值的設置,以考察各相鄰元件的上、下級之間的協調配合程度，進而達到保護定值具備選擇性的目的。如分析總變電所的進線與主變保護及母聯的保護協調配合、低壓進線及母聯的保護協調配合等等。

4.5 晃電分析及應對策略研究

企業用戶電力負荷對供電可靠性有很高的要求，大部分是一級、二級負荷，不允許電動機因為供電原因而跳閘。外部或內部電網的各種故障總是表現為電力系統的整體或局部的“停電”或“晃電”。晃電分析及研究內容如下：

(1)仿真研究電網發生晃電后，電壓跌落對電動機低壓脫扣的影響，確定引起低壓脫扣的電動機具體位置。

(2)研究電壓恢復過程電動機再啟動對其他電機和系統電壓的沖擊影響;仿真快切、備自投的主備電源的切換，提出快切裝置合理配置原則和合適的快切配置方案。

(3)提出全廠電力系統的繼電保護策略及抗晃電的措施，最終給出有效的短時失電的設備能夠連續生產運行的建議和措施。

(4)對電壓等級6 kV的電動機等設備，調整繼電保護低電壓保護動作時間，適當延長以躲過晃電。對0.4 kV低壓供電系統的進線斷路器低電壓延時設定值進行檢查和調整，低壓斷路器的欠、失壓脫扣繼電器延時適當加長。根據晃電分析來確定6 kV、0.4 kV進線、母聯的定值是否合理。根據晃電分析需要對全系統的保護配置方案進行優化分析,對系統保護配合進行重新校驗，對系統的保護定值進行計算、優化。

4.6 電動機群起再啟動及再加速分析

仿真分析電動機再啟動及再加速過程中系統各電壓等級母線的電壓水平是否滿足標準要求；仿真分析電動機群起對系統中各電壓等級母線電壓水平的影響，并提供合理的電機群起方案。

4.7 大容量電動機起動分析

確定起動過程中系統各電壓等級的母線電壓降是否滿足設計標準要求，分析大容量電動機起動方式的合理性，防止保護裝置因大電機啟動時的低電壓而誤動作。

(1)根據供配電系統的壓降要求，采用軟件進行電動機啟動仿真,分析系統6 kV、0.4 kV母線在電動機啟動過程中的電壓水平。

(2)根據電動機啟動過程中6 kV、0.4 kV母線的電壓水平來確定電動機的啟動方式。

4.8 中性點接地分析計算

(1)根據電網接線方式及運行方式，計算35 kV、6 kV系統的單相接地電容電流。

(2)根據計算結果結合國家規范，分析35 kV、6 kV系統合理的接地方式(不接地系統或消弧線圈接地系統或電阻接地系統)。

(3)如采用不接地運行方式，根據單相接地電容電流計算結果對系統進行合理的零序保護配置和整定計算。

(4)如采用消弧線圈接地，分析計算消弧線圈的容量，分析采用消弧線圈接地后在各種運行方式下是否滿足過補償方式;計算脫諧度及阻尼率并分析中性點位移電壓是否滿足要求。

(5)如采用中性點電阻接地時，根據單相接地電容電流計算結果，分析計算選用合適的接地電阻阻值，并對電阻接地系統進行合理的零序保護配置和整定計算。

4.9 諧波分析

選取測試點，對全廠110 kV、 35 kV、 6 kV、0.4 kV各電壓等級的主配變高低壓側的諧波電壓、諧波電流進行測試以評估企業用電的諧波狀況，判斷各次諧波是否超標、是否會危及設備安全。測試時間以委托方通知為準。結合實測數據，分析仿真計算電網不同負荷、不同運行方式、無功補償不同容量、發電機不同功率等條件下，諧波是否超標；計算電容諧波電流大小是否影響電容器安全；并提出綜合治理方案及安全運行建議。

4.10 繼電保護在線整定計算及預警系統

繼電保護在線整定計算及預警系統具備如下功能：

4.10.1 實時在線功能

系統可從電力調度系統基礎平臺、EMS系統、DMS等系統獲取電網數據，建立一次設備模型、二次設備模型、圖形、實時方式、未來態方式、發電機參數等，生成電力系統運行實時斷面數據模型并可支持數據模型的二次維護。

4.10.2 圖形建模功能

用戶可以通過圖形操作界面繪制系統圖、輸入原始參數.由計算機自動識別系統網絡結構，并根據需要建立相應的電力系統網絡數學模型。通過人機界面，用戶可以選擇保護配置，設定故障類型和故障點，選擇保護需用到的信息。

4.10.3 在線實時短路分析模塊功能

在線實時短路故障分析模塊主要為了實現電氣系統發生各種類型的故障時計算短路電流的功能。具體實現的功能有:

(1)提供設置故障的人機對話接口，故障位置用醒目圖形標示，而故障類型、故障相別通過人機對話接口設置，故障類型包括三相短路、單相短路、兩相短路、兩相接地短路。

(2)允許一次設置所有母線為故障點，以滿足用戶選擇和比較計算結果的要求。自動根據所屬系統的性質選擇故障分析方法進行故障分析。

(3)自動進行節點編號和阻抗圖顯示及打印。

(4)自動生成序網圖，對于不對稱的故障，自動生成正序負序零序三序序網圖。輸出故障分析結果，可以選擇輸出所有結果，即故障計算書(表格形式)，也可以選擇輸出單個計算量。

4.10.4 在線實時潮流計算功能

在線實時計算出當前運行方式下及各種運行方式下，全網節點電壓、支路電流、支路有功無功、支路壓降、支路損耗、功率流向等數據，并可在單線圖中顯示數據結果、輸出計算報告。

4.10.5 保護在線校核功能

(1)校驗定值的靈敏度,若靈敏度不滿足要求，則重新計算,即重新選擇配合段和配合時間等，直到計算得到的保護定值滿足靈敏度的要求，最終導出計算過程,確定保護范圍、上下級保護間的配合等。定值校核內容包括:啟動定值在線校核、主保護定值在線校核、后備保護定值在線校核、預想方式分析、定值預警等。

(2)主保護定值靈敏性分析、后備保護定值靈敏性分析、后備保護定值選擇性分析、距離保護(Ⅲ段)校核分析。

(3)結合發電計劃、檢修計劃、母線負荷預測等信息，人工預想方式，考慮N-k方式，進行定值預警。

4.10.6 整定計算功能

整定計算模塊是整定系統的核心，可以對發電機、變壓器、線路、母線等配置相應的保護，保護裝置為目前國內具有代表性的配置，對配置的保護進行整定計算。界面上寫入了每一種保護的整定原則，方便理解與修改，能夠實現所有保護的整定計算，并自動輸出保護的定值單。可以根據保護配置情況，從原始參數數據庫提取與整定計算相關的原始數據，根據保護裝置整定原則,計算保護定值，整定結果存入定值數據庫以備查詢和輸出。

4.10.7 保護動作仿真功能

可以根據需要在相關點設置各種類型的短路、斷線故障、保護故障以及斷路器拒動等，系統能夠自動給出保護的動作情況，同時接線圖上相應斷路器斷開。

4.10.8 繼電保護信息管理功能

(1)設備基本信息管理。該模塊實現對各種主要設備的基本信息的管理，主要包括提供各種設備的基本信息管理功能，包括：各種一次設備如線路、變壓器、TV、TA等，各種二次設備如繼電保護定值信息、繼電保護裝置信息、故障錄波裝置信息等。

(2)設備運行信息。對繼電保護設備的運行狀態進行統一管理能對保護裝置的運行信息進行查詢統計以及事件提示報警等功能。

(3)裝置動作行為分析。該模塊綜合所有的故障信息評判系統中的相關各裝置的動作行為的正確性，真實記錄保護裝置存在的問題，并給出相應的處理措施，為保護裝置的管理和檢修等提供參考依據。

4.10.9 數據管理模塊功能

用戶根據數據庫提供的信息所選定的各種保護信息需要保存,作為整定計算的依據，并需提供對原有保護整定計算結果的查詢，以便將擴建后的設備整定值與原有整定值進行比較。

5 結語

綜上所述，生產企業在運行多年后，由于電力負載和供配電系統的變化，電網安全評估和繼電保護定值復核顯得非常重要，其分析方法和計算原理和過程都非常重要。要正確理解計算機軟件的計算原理，才能正確輸入電力系統真實數據，計算機軟件才能模擬出實際的供配電系統，計算出的繼電保護定值才能起到保障電網安全運行的作用。