一種基于耦合度分析的運行方式的選擇方法

摘　要：在電力系統繼電保護整定計算的過程中，需要快速合理的確定運行方式進行故障計算。本文針對傳統選擇方法中考慮的運行方式較少，使得整定值過于保守的缺點，在傳統選擇方法的基礎上，借用計算機的高速性能，利用網絡阻抗矩陣的變化，提出了一種基于耦合度的選擇方法，并在實例中驗證了此方法。
關鍵詞：繼電保護；整定計算；運行方式；耦合度
　　
　　
　　0 引言
　　繼電保護裝置是電力系統中的一個重要組成部分[1]，對電力系統的安全穩定運行起著極為重要的作用，而正確的整定計算則是繼電保護裝置可靠運行的保障。在電力系統中，保護的整定值確定下來以后是不宜頻繁更改的，所以保護定值需要能夠適應系統的各種運行方式。因此要得到正確的整定值必須在整定過程中考慮系統中各種可能的運行方式，并求得各運行方式下的相關計算值。
　　繼電保護整定計算用的運行方式，是在電力系統確定好運行方式的基礎上，在不影響繼電保護的保護效果的前提下，為提高繼電保護對運行方式變化的適應能力再進一步選擇停運、檢修、故障的方式。
　　從理論上來講，整定一條線路時，應該考慮所有可能運行方式，但是隨著電力系統的快速發展，電網結構的日益擴大和復雜，當今大系統有大量元件，要考慮所有元件運行狀態的變化及其組合，其工作量是驚人的。假如一個變電站有N個元件，進行對側開關零序一段整定時，考慮輪換檢修1個和2個元件的組合方式有：+,就算依賴計算機，這樣多方式下的計算時間也是難以接受的。
　　現在整定的任務是如何從這么多的運行方式中選擇與待整定線路極其相關的幾種運行方式進行計算。合理的選擇運行方式可以改善保護效果，充分發揮保護的效能。
　　
　　1 傳統運行方式的選擇
　　整定計算中，傳統選擇運行方式的原則是比較簡單的，就是以電力系統常見的運行方式為依據。電力系統常見的運行方式包括正常運行方式和正常檢修方式[2]。正常運行方式是系統經常所處的運行狀態，此時系統內的設備全部投入運行，發電設備則按照系統正常負荷要求全部或部分投入。正常檢修方式，是指在正常運行方式下，與被保護設備相鄰的一回線或一個元件檢修的狀態。在進行整定計算時，盡可能保證在各檢修狀態下，保護裝置的選擇性和靈敏性都能滿足“繼電保護整定計算條例”，整定值盡量保證在正常運行方式下保護有較好的性能。
　　對于特殊運行方式，即正常檢修方式以外的其它檢修方式，不作為整定的依據，但要作好補充整定方案，滿足臨時處理的需要。
　　對于目前的大電網而言，發電機的非計劃停運較多，應該考慮其運行方式，而且若按傳統方法僅考慮相鄰線路的輪斷，得到的定值往往過于保守。但考慮所有運行方式，時間不允許。所以考慮選擇起重要作用的一部分運行方式參與計算[3]。有人提出一種緊鄰節點的判別方法，但僅考慮的是廠站運行方式的變化，未能選擇所有線路。
　　
　　2 運行方式變化與電流變化的關系
　　運行方式的選擇，實際是元件的選擇，即選出哪些元件與保護所在線路關系密切。耦合度分析法是利用數學模型，建立起被保護元件所在線路與其他線路的耦合度關系，耦合度大的表示二者關系緊密，需要考慮這條線路運行方式的變化。耦合度關系的建立是分析方法的關鍵。
　　2.1模型的建立
　　適當的選擇計算網絡的數學模型，對于提高計算速度是至關重要的。用節點方程表征一個網絡，一般利用節點導納矩陣和節點阻抗矩陣。節點阻抗矩陣模型，在分析時，可直接取有關節點進行運算，在多次重復使用時，計算速度快。在電力系統故障計算中，網絡方程表示為Z.I＝U，其中為n階方陣。利用節點阻抗矩陣表征網絡，對于一般線路運行方式改變用支路追加法修正矩陣。比如線路Lij
　　

　　2.2運行方式的變化引起電流變化的過程
　　建立保護線路與其他元件的耦合度關系，實際是尋找當元件狀態發生變化時，保護所在線路末端短路時，線路電流變化的規律。在電力系統中，零序電流保護受運行方式變化影響較大，因此就以零序保護為例，考查運行方式變化引起零序電流變化的過程。
　　元件運行狀態發生變化，也就是描述網絡的阻抗矩陣要發生變化，Z變成Z<--單引號-->。產生零序電流的故障只有單相或兩相接地故障，則假設在Z矩陣中，發生兩相短路接地（b,c兩相接地故障），分析支路零序電流的大小情況。
　　

　　可見三個序網在故障點并聯。
　　　　故障處零序電流為：
　　

　　在公式中，Uf|0|為故障口開路電壓，可由原始阻抗矩陣和原節點電流源得出。從公式（1）、公式（2）、公式（3）可以看出，影響故障時支路電流零序分量的變量有阻抗矩陣相關元素、端口等值阻抗、外加等值阻抗以及節點電流。
　　當運行方式發生變化，即某條線路斷開，原阻抗矩陣元素發生變化，引起一系列等值阻抗變化，從而引起支路電流零序分量的變化。
　　
　　3耦合度關系的提出
　　耦合度是描述元件關聯程度的量。
　　由上分析可知電流變化由阻抗變化引起，阻抗矩陣中各相關元素對于電流變化所起的作用大小是不同的，若能從中找到可以完全代表電流變化的元素，那么求取電流變化程度的過程就變成求取阻抗變化的過程，阻抗的變化過程可以直接從阻抗矩陣得到，過程簡單。
　　自阻抗是短路電流計算中一個比較重要的量，現考察自阻抗變化與電流變化的關系。
　　如圖1所示，取大系統中的一處環網進行計算分析，在節點3處發生兩相短路接地故障，網絡運行方式變化時，考察線路2—3的電流變化情況以及阻抗變化情況。
　　

　　系統參數如表1所示。線路名以首末節點號表示，兩電源等值電抗皆為0.1，其中，E″1＝1.1，E″2＝1.0。
　　　　現比較運行方式變化下，△Z33(0)與△I23(0)的變化情況。分別斷開線路D3-D4,D1-D4,D1-D2,得到自阻抗與零序電流變化值如表2所示。

　　

　　

　　<--圖片標記8-->
　　把變化的量一一對應，畫出如圖2所示對應關系。
　　在圖2中橫坐標為零序電流變化量，縱坐標為零序阻抗短路點自阻抗變化量，從圖中看二者變化趨勢基本一致，即自阻抗的變化可以看出零序電流的變化。
　　由此定義出保護所在元件與其他元件的耦合度關系，這種耦合度關系用表示，其值在0與1之間，值越大表示耦合關系越強。即其他元件運行狀態的改變對保護線路處流過短路電流的影響可用表示，影響大的耦合度強，影響小的耦合度弱。
　　這種判據方法只需用原始阻抗矩陣的相關元素，比較簡單。在整定計算中，選擇運行方式時，可以先確定耦合度的限值，大于限定值的，其對應運行方式需要考慮，也可設定想要考慮運行方式總數，把運行方式按耦合度大小排列，依次選擇運行方式。這種選擇方法既避免傳統運行方式選擇的簡單化，又避免了電流計算的復雜化，操作簡單，比較實用。
　　
　　4結論
　　本文針對傳統選擇運行方式的弱點，提出一種基于耦合度的選擇方法， 并由實例說明了方法的可靠性。這種方法可由計算機快速實現，可以提高整定效率和整定精度。