繼電保護整定計算方法問題及對策研究

五凌電力有限公司落水洞水電廠 徐 晨

在電力系統中，繼電保護裝置是至關重要的組成部分，具有保護系統運行安全性的作用。其可在電力系統發生故障時第一時間將故障設備切除，避免系統故障影響范圍的擴大。一旦繼電保護裝置出現不正確動作，將會給電力系統造成巨大的危害，而整定計算是提高繼電保護裝置動作可靠性、正確性的主要方式，在當前繼電保護整定計算方法運用時出現了一些問題，影響了方法的應用實效。

繼電保護主要是在電力系統內線路、發電機等電力元件發生危及系統運行安全的故障時，由特定裝置向運行值班者發送警報信號或直接控制斷路器跳閘的操作。繼電保護需利用電力系統內電力元件發生異常情況時的電壓、電流、功率、頻率值及變壓器油壓、瓦斯濃度等物理量。而繼電保護整定計算的基本任務就是為多種類型繼電保護裝置提供整定值。根據繼電保護適應電力系統運行變化能力的限制性，繼電保護整定計算方案也具有一定差異。一般繼電保護整定計算包括基于保護起動電流的電流速斷保護整定計算、基于靈敏系數的限時速斷與限時過流保護整定計算、基于時間特性的反時限過流保護整定計算等內容。

1 繼電保護整定計算方法問題表現

1.1 零序電流補償計算問題

零序電流補償系數是基于補償零序電流對接地距離保護測量阻抗干擾提出的整定計算方法，可促使測量阻抗準確反映故障點、繼電保護裝置安裝位置的距離，對接地距離保護性能具有直接的影響[1]。一般非互感線路的零序電流補償系數僅與線路正序阻抗、零序阻抗存在關系，而互感線路中零序電流補償系數則需依據其中一回互感線路掛檢的方式進行計算，即：待求保護的零序電流補償系數K=(Z0-Z1-Z2m0/Z'0)/3×Z1。

式中，Z1為待求繼電保護所在線路正序阻抗，Z0為待求繼電保護所在線路零序阻抗，Z'0為相鄰互感線路零序電抗，Zm0為待求繼電保護所在線路、相鄰線路之間零序互感。雖然該式可滿足共端平行雙回互感線路中零序電流補償參數準確計算要求，但是無法在非共端雙回互感線路、復雜共感結構互感線路中發揮零序電流補償系數預判功能，進而引發繼電保護整定計算結果偏大或偏小情況，埋下了接地距離繼電保護動作失誤隱患。

1.2 助增系數問題

準確計算繼電保護定值是繼電保護正確發揮技術性能的關鍵。根據繼電保護原理，整定計算時距離保護最小助增系數受故障點、電網運行方式、故障類型等多種因素的影響。在以往繼電保護整定計算中，助增系數的計算存在盲目性，對繼電保護整定計算結果準確性造成了較大的不利影響。如，傳統依據整定計算規程的助增系數計算法沒有涉及具體電網接線形式；再如，基于快速計算分支體系的助增系數計算法未考慮助增系數受故障點、電源運行方式的影響。

1.3 環網解環問題

環網是基于供電可靠性提高、系統穩定性加強需求下高壓電網（220kV及以上）常用形式[2]。但因環網復雜互聯的網絡結構，給繼電保護整定計算帶來了諸多問題。如，環網中線路兩端均具有方向保護裝置，要求不同方向保護裝置整定值須同時滿足北側線路、相鄰前向線路保護之間的主－后備保護約束，這就導致處于同一環路的方向保護整定計算時因缺乏整定起始值而陷入循環等待、整定受阻的“死鎖”情況[3]。

2 繼電保護整定計算方法問題的解決對策

2.1 互感線路組運行時零序電流補償計算優化

為保證非共端雙回互感線路、復雜共感結構互感線路中繼電保護動作正確性，可引入零序電流補償系數目的入手，僅考慮繼電保護系統運行方式、電力系統故障點位置，摒除互感線路特征、互感組各線路故障電流方向等區分環節，進行基于反推法的零序電流補償系數保護整定計算方案設置。此時，互感線路組運行時繼電保護位置測量阻抗就僅與繼電保護安裝位置故障相的相電流I、相電壓U、零序電流I0以及零序補償系數K具有關系，假定繼電保護位置測量阻抗Z0與線路保護所在位置到故障點正序阻抗ZL相等，則零序電流補償系數計算公式為：K=(U-ZL×I)/3×ZL×I0。式中，因電流值、電壓量可代表運行方式、故障類型、故障點位置的改變，不需針對某一特定運行方式、故障類型就可計算[4]。

為驗證該方法應用效果，假定某一段共端三回互感線路L2-L3-L4，L2掛檢時的零序補償系數為0.00278/0.00695，L3掛檢時的零序補償系數為0.0056/0.0189，L4掛檢時的零序補償系數為0.0059/0.0258。此時，接地距離繼電保護I段按照保護線路全長的65%整定，基于固定的零序電流補償系數進行I段保護范圍末端出現接地故障時，繼電保護安裝位置感受阻抗計算并將其作為定值。同時采取感受阻抗處于最小的極端運行方式下計算值作為接地距離繼電保護I段最終定值Zm。

在這個基礎上，計算繼電保護所在線路末端接地故障時Z0。在Z0小于等于Zm時保持定值不變，在Z0大于Zm時、則取接地距離保護I段保護范圍0.65與Zm的乘積，避免接地距離繼電保護I段錯誤動作。經計算得出L2與L3掛檢時零序補償系數為0.0057，L3與L4掛檢時零序補償系數為0.0059，L2、L3、L4掛檢時零序補償系數為0.0023。在這個基礎上，計算線路I段距離母線側65%單相接地故障時、零序補償系數對應的感受阻抗，為0.00258，可保證I段的保護范圍達到對應線路全長的65%。

2.2 保護整定計算中助增系數優化

助增系數選擇正確與否，決定了距離保護計算配合默契度。一般需結合繼電保護系統的運行方式進行恰當選擇。如，在接地距離保護的整定助增系數計算時，因零序網、正序網之間區別的存在，兩者助增系數也存在一定差異。若零序助增系數與正序助增系數之差大于0，則整定阻抗向更高水平發展、反之向更低水平發展。此時，從繼電保護整定配合選擇的視角看，應優選零序助增系數與正序助增系數之差小于0時的助增系數最小值。

以環形電網為例，電網中助增系數水故障點位置的變化而變化，應利用開環運行手段斷開斷路器，求解最小助增系數。并在流經整定線路電流小于流過故障線路電流的情況下，配合線路環網運行，促使助增系數小于1或大于1。進而根據助增系數大于1或小于1的不同情況進行檢修目標確定。一般在助增系數大于1時，應輪流檢修整定線路末端母線連接線路；而在助增系數小于1時，則需要檢修線路末端故障位置。

此外，考慮到存在助增電流時，繼電保護的距離保護段電流測量值偏小、測量阻抗增加，在一定程度上影響了保護靈敏性。可在整定計算時引入一個大于1的分支系數，促使距離段保護阻抗更大，降低助增電流影響。

2.3 復雜環網中方向保護解環計算優化

最小斷點集特指可斷開環網全部回路促使其解環成輻射網絡的保護集合，該集合具有最小基數，設最小斷點集X={x1,x2,x3...xN}，xi∈{0,1}，i=1,2,3...N。以X的全部元素求和最小為目標，求解最小斷點集的優化表達式為：式中，N為網絡中方向保護綜述、Xi為系統中方向保護。為避免形成全部有向回路的大量計算，可保護關聯矩陣為基礎進行約束條件的改進。即在系統具有m個保護，保護關聯矩陣R為m×m時，R中第i行第j列元素rij可表示為表示保護i行依賴于保護j列，rij=0表示保護i行不依賴于保護j列。

基于上述約束條件進行約束處理，各步操作為：輸入保護關聯矩陣R、向量X；對于X中值為1的元素確定對應保護為斷點并將R中保護對應i、j刪除；判斷R是否存在全為0的行，若存在則表明對應行保護從復雜環網中解環，可進行定值計算，并將保護對應j、i刪除；重復第二步至R不存在元素全為0的行。通過約束處理可獲得用于優化迭代的算法模型：

式中MBPS為最小斷點集。為了驗證該數學模型應用效果，對IEEE14節點系統進行仿真驗算，其中IEEE14節點系統網絡拓撲如圖1。

圖1 IEEE14節點系統網絡拓撲

圖1中，線路1對應的方向保護配置信息為FB-1、TB-2、FR-1、TR-2，其中FB、TB、FR、TR分別為系統對應線路首端母線序號、系統中對應線路末端母線序號、系統中對應線路首段保護序號、系統中對應線路末端保護序號。節點算例系統的最小斷點集合X={R4,R6,R8,R10,R17,R20,R23,R2 5,R35}，維數為9，種群大小為300，最大迭代次數為500，最大遷入概率為1.0，最大遷出概率為1.0，精英保護參數為10.0%，最大突變率為0.01，最差值以及其與最優值之間的偏差均處于最小狀態，表明該算法魯棒性、計算精度均可達到最佳。在求取斷點集最小值后，可最小斷點集中保護為起始保護，開展整定計算。

綜上，復雜環網方向保護整定計算的核心環節是最小斷點集的確定，利用以改進生物地理學優化算法的復雜環網方向保護最小斷點集計算的方法，可減少最小斷點集維數，實現繼電保護整定的高效率求解。同時針對傳統固定值的接地距離保護整定計算無法滿足非共端雙回互感線路準確計算要求的情況，可利用基于反推法的零序電流補償系數整定計算進行改進。