一种配网线路开关保护定值整定计算装置和方法与流程

本发明涉及一种配网线路开关保护定值整定计算方法，属电力开关保护技术领域。

背景技术：

配网线路开关包括变电站出线开关和线路上的分段开关或分支开关，目前，出线开关保护定值由调度部门整定，而分段开关或分支开关的保护却没有一定相关标准规定。而且，对于出线开关的定值整定，目前根据的是国家电力标准的dl/t584-2007《3-110kv电网继电保护装置运行整定规程》仅给出原则性的要求，经了解，根据运行实践，目前出线开关的整定方法主要有两种方式：(1)过流i段按照10kv母线的最小方式下的两相短路电流除以2-4的系数估算；过流ii段则按照躲上年度最大负荷的原则整定。(2)过流i段根据线路所在变电站类型和导线长度，大致划定保护定值，如35kv变电站的出线开关取1500a-2000a，110kv或220kv变电站的出线保护取2000a-2500a，导线长度越长，定值相对越小；过流ii段则按照躲上年度最大负荷的原则整定。

对于线路上的分段开关/分支开关，限于计算量过多，调度部门一般不参与整定，也不下发定值单，而由运检部门负责整定，运检部门对于分段/分支开关的定值整定没有统一实施标准，一般根据经验估算，有些甚至是随意整定的。

技术实现要素：

本发明的目的是，为了给配网运维人员提供科学的整定依据，本发明提出一种配网线路开关保护定值整定计算方法，并且提出一种整定装置，既可使配网线路开关保护设置更为合理有效，同时不增加整定计算部门的计算压力，为线路开关配置和定值整定带来极大方便。

本发明的技术方案如下：一种配网线路开关保护定值整定计算装置，包括以单片机为核心的控制板、供电电源、usb接口、触摸式显示屏和装置外壳。

所述控制板通过总线连接触摸式显示屏；usb接口连接控制板；供电电源为控制器和触摸式显示屏提供电源；所有部件安装在装置外壳内，留出usb接口外接。

所述装置内置arm单片机作为控制和计算核心，上部的显示界面为触摸式显示屏，可通过触摸屏输入线路的信息，也可以通过外接usb键盘输入信息；通过软件编程，所述装置可以接受识别按照一定方式输入的信息，并按照软件预定的算法进行计算，并按照一定的模式输出计算结果。

所述装置的界面由三部分组成，界面的第一部分是参数的输入显示界面，包括以下内容：1)线路名称；2)最小方式和最大方式下系统阻抗；3)主干线、分支线、次支线各段导线的型号、架设方式及长度；4)配变位置与容量。导线分支层次最多分三层，即主干线、分支线和次支线，主干线可以通过“添加主干线线段”按钮增加新的线段；通过“添加分支线”按钮，可以增加分支线，分支线也可以通过“添加分支线线段”添加对应的分支线线段；通过“添加次支线”按钮，可以分支线分出的次支线。

界面的第二部分是导线结构示意图，装置根据所输入的导线信息，自动绘制出导线的结构示意图；圆形代表配网线路供电的变电站，直接与圆形连接的是导线的主干线，主干线的不同线段通过不同粗细的线条表示，从主干线分出去的导线为分支线，从分支线上分出去的导线是次支线，各导线的显示长度是通过输入信息得到的相对长度。

界面的第三部分是计算结果显示部分，装置根据所输入的导线信息，通过存储在装置内的导线型号和架设方式对应的导线参数，通过设定的考虑了负荷可靠性的开关位置及开关定值整定方法，自动计算出最优化的开关设置位置和对应的整定定值。

所述装置的待机功耗为3w，正常运行功耗为9w，供电电源是可充电电池，其待机时间为240小时，正常使用时长为80小时；所述装置设计为便携式，所述装置外形尺寸为20cm×10cm×3cm。

所述装置的正常使用温度为-40摄氏度至50摄氏度。

所述装置内部由arm单片机作为控制芯片，反应速度小于1s，即在导线信息输入完毕之后，在1s以内的时间内，装置自动显示导线的示意图和整定计算结果；所述装置的内存可以存储超过10万条线路信息。

本发明一种配网线路开关保护定值整定计算方法，所述方法将配网导线设置三级保护，第一级保护为出线开关保护，第二、三级保护由导线上依次设置的开关充当。所述方法首先确定导线下游开关的位置，开关位置的确定需要同时考虑分级保护的有效配合和全线总停电负荷最小的限制；在确定了开关设置最优化位置后，则对各开关的保护定值进行整定计算；第一级开关设置三段过流保护，第二、三级开关均设置两段过流保护。

所述确定导线下游开关的位置如下：

第二级开关的设置位置与变电站距离l2计算为：

其中，a为导线的单位长度电阻；b为导线的单位长度电抗；z1为导线的单位阻抗；r大系统最大方式下的系统电阻；x大为系统最大方式下的系统电抗；z大为系统最大方式下的系统阻抗；z小为系统最小方式下系统阻抗；l2为第二开关设置位置与变电站的最小距离；

第三级开关的设置位置与变电站距离l3计算为：

其中，a为导线的单位长度电阻；b为导线的单位长度电抗；z1为导线的单位阻抗；r大系统最大方式下的系统电阻；x大为系统最大方式下的系统电抗；z大为系统最大方式下的系统阻抗；z’总为第二级开关设置处的系统最小方式下的系统阻抗；l3为第三级开关设置位置与变电站的最小距离。

所述分级保护的有效配合和全线总停电负荷最小的限制为：

第二、三级开关位置为k2和k3，这两点距离变电站的距离分别为l2和l3，假设整条线路各处发生故障的概率是相同的，且各配变的使用容量率是相同的，则开关设置在这两处位置时的故障等效停电负荷m如下式：

式中，λ为线路的故障系数，代表故障发生的概率；l为导线的总长度，指从变电站到线路各末端的最大长度；表示接于变电站与k2间的配变总容量；表示接于k2与k3之间的配变总容量；表示接于距离变电站k3至末端范围内的配变总容量。

所述等效停电负荷m最小值计算方法如下：

(1)以k2和k3与变电站的距离分别为最小值l2和l3为基础，按照上式计算此时的故障等效停电负荷m。

(2)使位于k3与线路末端的一个配变移入k2与k3的范围内，且k3位于距离该配变的最近处，重新按照m的公式求解新的等效停电负荷记为m1，再与m作比较。

如果m1＜m，则将m1的值赋值给m，即m＝m1，并且存储此时的开关设置位置k2和k3与变电站的距离l2和l3；否则m的值不变。

(3)继续将k3向后移动，逐个将后侧的配变纳入k2与k3的范围内，按照步骤(2)的方法每移动一次，计算其对应的等效停电负荷m，以至最末端的配变被纳入k2与k3间的范围为止。

(4)恢复开关位置k2和k3至最小距离l2和l3处，沿导线向后移动k2，将距离k2最近的位于k2与k3之间的一个配变，纳入变电站与k2之间范围，重新计算k3的最小距离l3，并按照步骤(2)、(3)的方法，求解等效停电负荷的最小值m。

(5)按照步骤(4)的方法，依此类推，沿导线延伸方向向后变动开关设置位置k2和k3，遍历所有配变可能的组合情况，每进行一个配变的变动，便重新计算一次等效停电负荷值，计算结束之后，得到最终的最小的等效停电负荷m，此时对应的开关设置位置为k2和k3对应的距离记为j2和j3；这便求得了最优化的导线开关设置位置。

如果遍历的最小值对应的k3为末端，则表示该线路最多只能分两级开关；如果遍历的最小值对应的k2位于末端，则表示线路不能进行分级保护，只能设置出线开关保护。

所述对各开关的保护定值进行整定计算如下：

设最优化的第二、三级开关位置距离变电站为j2和j3，线路阻抗分别为r2+jx2，r3+jx3，线路总长度为l，线路末端的阻抗为r+jx。变电站10kv母线最大方式下系统阻抗为z大＝r大+jx大，系统最小方式下系统阻抗为z小＝r小+jx小；

(1)第一级开关设置三段过流保护

第一级开关过流i段时间定值取0s，电流定值ici为：

式中，kk为可靠系数，取1.3，uφ为额定相电压，取

过流ii段时间定值取0.5s，电流定值icii为：

式中，kk、uφ意义同上；

过流iii段时间定值取0.7s-1.2s，电流定值iciii为：

iciii＝1.3*ifmax；

式中，ifmax为上年度线路的最大负荷电流。

(2)第二级开关设置两段过流保护

第二级开关过流i段时间定值取0.3s，电流定值icf1为

式中，kk为可靠系数，取1.3，uφ为额定相电压；

过流ii段时间定值取0.5s，电流定值icf2为

式中，iciii为第一级开关过流iii段电流定值，j2为第二级开关位置k2距离变电站的距离，l为线路总长度。

(3)第三级开关设置两段过流保护

第三级开关过流i段时间定值取0s，电流定值icff1为：

式中，kk为可靠系数，取1.3，uφ为额定相电压；

过流ii段时间定值取0.3s，电流定值icff2为：

式中，iciii为第一级开关过流iii段电流定值，j3为第三级开关位置k3距离变电站的距离，l为线路总长度。

本发明的有益效果是，本发明提出的一种针对每条线路实际情况的保护定值整定方法，既可使配网线路开关保护设置更为合理有效，同时不增加整定计算部门的计算压力，为线路开关配置和定值整定带来极大方便。本发明装置可按照输入模板对线路进行信息输入，装置根据所输入的信息按照预定的软件算法自动进行优化计算，并自动输出开关位置及各开关定值最优化的配置结果。该装置操作简单，计算速度快，可为配网调度运维人员提供极大便利。

附图说明

图1为配网线路开关保护整定装置外观示意图；

图2为定值整定装置硬件示意图；

图3为整定装置硬件示意图；

图4为整定装置界面导线结构示意图；

图5为第三级开关位置移动示意图；

图6为第二级开关位置移动示意图。

具体实施方式

本发明具体实施方式如下。

本实施例一种配网线路开关保护定值整定计算装置，包括以单片机为核心的控制板、供电电源、usb接口、触摸式显示屏、装置外壳等部分。本装置为可携带的手持式装置，该装置为长方体形状，大小为长宽高为20cm×10cm×3cm，装置的基本外观如图1所示。

本实施例装置的结构为内置arm单片机作为控制和计算核心，上部的显示界面为触摸式显示屏，可通过触摸屏输入线路的信息，也可以通过外接usb键盘输入信息；通过软件编程，该装置可以接受识别按照一定方式输入的信息，并按照软件预定的算法进行计算，并按照一定的模式输出计算结果。该装置的硬件原理图，如图2所示。

本实施例装置的界面由三部分组成，第一部分是参数的输入显示界面，包括以下内容：1)线路名称；2)最小方式和最大方式下系统阻抗；3)主干线、分支线、次支线各段导线的型号、架设方式及长度；4)配变位置与容量。导线分支层次最多分三层，即主干线、分支线和次支线，主干线可以通过“添加主干线线段”按钮增加新的线段；通过“添加分支线”按钮，可以增加分支线，分支线也可以通过“添加分支线(编号)线段”添加对应的分支线线段；通过“添加次支线”按钮，可以分支线分出的次支线。

界面的第二部分是导线结构示意图，装置根据所输入的导线信息，自动绘制出导线的结构示意图，如图4所示。图中，圆形代表配网线路供电的变电站，直接与圆形连接的是导线的主干线，主干线的不同线段通过不同粗细的线条表示，从主干线分出去的导线为分支线，从分支线上分出去的导线是次支线，各导线的显示长度是通过输入信息得到的相对长度。图中黑色圆点表示的是配电变压器，其可接于主干线、分支线或次支线上，通过输入信息自动显示在对应位置。

界面的第三部分是计算结果显示部分，装置根据所输入的导线信息，通过存储在装置内的导线型号和架设方式对应的导线参数，通过设定的考虑了负荷可靠性的开关位置及开关定值整定方法，自动计算出最优化的开关设置位置和对应的整定定值。

本实施例装置的待机功耗为3w，正常运行功耗为9w，供电电源是可充电电池，其待机时间为240小时，正常使用时长为80小时。

本实施例装置的正常使用温度为-40摄氏度至50摄氏度，可在我国几乎所有环境温度下使用。

本实施例装置的导线信息存储采用同一模式进行存储，每条线路的信息容量最大不会超过1mb，本装置的内存可以存储超过10万条线路信息。

本实施例装置内部由arm单片机作为控制芯片，反应速度小于1s，即在导线信息输入完毕之后，在1s以内的时间内，装置自动显示导线的示意图和整定计算结果。

本发明一种配网线路开关保护定值整定计算方法具体实施如下：

本实施例方法首先确定导线下游开关的位置，开关位置的确定需要同时考虑分级保护的有效配合和全线总停电负荷最小的限制；在确定了开关设置最优化位置后，则对各开关的保护定值进行整定计算；第一级开关设置三段过流保护，第二、三级开关均设置两段过流保护。

本实施例考虑保护配合有效性，将导线设置三级保护，第一级保护为出线开关保护，第二、三级保护由导线上依次设置的开关充当。

本实施例首先考虑保护配合的限制。设系统最大方式下系统阻抗为z大，电阻为r大，电抗为x大，系统最小方式下系统阻抗为z小，电阻为r小，电抗为x小。最小运行方式下线路出口处两相短路故障电流ic.min⁽²⁾为：

式中，uφ为额定相电压，取灵敏度系数为1，求得线路的出线开关的过流i段定值icz1应满足：

过流i段定值取决于分段开关处的最大方式下的三相短路电流icf.max⁽³⁾的最大值(可靠性系数取1.3)应满足：

从而求得，无穷大电源至柱上开关处的最大方式下的总系统阻抗z总：

记第二级开关的设置位置与变电站距离为l2，导线的单位阻抗为z1，单位电阻为a，单位电抗为b，则总阻抗等于10kv母线处的最大方式电阻电抗与导线的电阻电抗之和的平方和的根，即：

解这个关于l2的方程(5)，可得：

将式(4)代入式(6)得：

上式右侧记为l1，式中各值都已知，这样就求得了开关设置位置与变电站距离l2的最小值，即柱上开关为了能与上级开关实现有效配合，其设置的距离变电站位置必须大于该最小值。

第三级开关位置则可以通过已确定的第二级开关最小位置来确定其最近距离，以开关的最小位置所在处的最小方式下的最小短路电流作为第二级开关的过流i段电流定值的灵敏度校验，则有：

第二级开关设置处的系统最大方式下系统阻抗为z总，记此处在最小方式下的系统总阻抗为z′总；则：

最小运行方式下第二级开关最小距离处两相短路故障电流icf.min⁽²⁾为(a)

取灵敏度系数为1，求得线路的第二级开关的过流i段定值icf应满足：

过流i段定值取决于第三级开关处的最大方式下的三相短路电流icff.max⁽³⁾icf.max⁽³⁾的最大值(可靠性系数取1.3)应满足

从而求得，无穷大电源至第三级开关处的最大方式下的总系统阻抗z总3

记导线第三级开关设置位置与变电站距离为l3，导线的单位阻抗为z1，单位电阻为a，单位电抗为b，则此处的最大方式下的总阻抗为

解这个关于l3的方程，可得

将式(8)代入式(9)得

这样就求得了第二级和第三级开关设置的距离变电站的最小距离l2和l3，

本实施例同时考虑故障时停电负荷大小：

由于已经输入了线路的配变位置信息，此时，记第二、三级开关位置为k2和k3，这两点距离变电站的距离分别为l2和l3，假设整条线路各处发生故障的概率是相同的，且各配变的使用容量率是相同的，则首先求算开关设置在这两处位置时的故障等效停电负荷m如下式。

式中，λ为线路的故障系数，代表故障发生的概率；l为导线的总长度，指从变电站到线路各末端的最大长度；表示接于变电站与k2间的配变总容量；表示接于k2与k3之间的配变总容量；表示接于距离变电站k3至末端范围内的配变总容量。

本实施例对等效停电负荷m求其最小值，求法如下：

步骤1：以k2和k3与变电站的距离分别为最小值l2和l3为基础，按照式(11)计算此时的故障等效停电负荷m.

步骤2：如图5所示，先将点k3向后移动，使位于k3与线路末端的一个配变(若遇到带有多个配变的小分支，则以该分支等效一个容量等于该分支所接配变总容量的配变)移入k2与k3的范围内，且k3位于距离该配变的最近处(计算时该点距离可取该配变与变电站距离，实际应用中可定位于配变后侧的第一基电杆处)，重新按照式(11)求解新的等效停电负荷记为m1，再与m作比较。

如果m1＜m，则将m1的值赋值给m，即m＝m1，并且存储此时的开关设置位置k2和k3与变电站的距离l2和l3；否则m的值不变。

步骤3：继续将k3向后移动，逐个将后侧的配变纳入k2与k3的范围内，按照步骤2的方法每移动一次，计算其对应的等效停电负荷m，以至最末端的配变被纳入k2与k3间的范围为止。

步骤4：恢复开关位置k2和k3至最小距离l2和l3处，沿导线向后移动k2，将距离k2最近的位于k2与k3之间的一个配变(或一个小分支总配变)，纳入变电站与k2之间范围，重新计算k3的最小距离l3，并按照步骤2、3的方法，求解等效停电负荷的最小值m。

步骤5：按照步骤4的方法，依此类推，沿导线延伸方向向后变动开关设置位置k2和k3，遍历所有配变可能的组合情况，每进行一个配变的变动，便重新计算一次等效停电负荷值，计算结束之后，得到最终的最小的等效停电负荷m，此时对应的开关设置位置为k2和k3对应的距离记为j2和j3。这便求得了最优化的导线开关设置位置。

如果遍历的最小值对应的k3为末端，则表示该线路最多只能分两级开关；

如果遍历的最小值对应的k2位于末端，则表示线路不能进行分级保护，只能设置出线开关保护。

本实施例对线路各级开关的定值整定如下：

在确定了开关设置最优化位置后，则对各开关的保护定值进行整定计算。设最优化的第二、三级开关位置距离变电站为j2和j3，线路阻抗分别为r2+jx2，r3+jx3，线路总长度为l，线路末端的阻抗为r+jx。变电站10kv母线最大方式下系统阻抗为z大＝r大+jx大，系统最小方式下系统阻抗为z小＝r小+jx小。

对各级开关进行定值整定计算方法如下：第一级开关设置三段过流保护，第二、三级开关均设置两段过流保护。

(1)第一级开关

第一级开关过流i段时间定值取0s，电流定值ici为

式中，kk为可靠系数，取1.3，uφ为额定相电压，取

过流ii段时间定值取0.5s，电流定值icii为

式中，kk、uφ意义同上。

过流iii段时间定值取0.7s-1.2s，电流定值iciii为

iciii＝1.3*ifmax

式中，ifmax意义为上年度线路的最大负荷电流。

(2)第二级开关

第二级开关过流i段时间定值取0.3s，电流定值icf1为

式中，kk为可靠系数，取1.3，uφ为额定相电压。

过流ii段时间定值取0.5s，电流定值icf2为

式中，iciii为第一级开关过流iii段电流定值，j2为第二级开关位置k2距离变电站的距离，l为线路总长度。

(3)第三级开关

第三级开关过流i段时间定值取0s，电流定值icff1为

式中，kk为可靠系数，取1.3，uφ为额定相电压。

过流ii段时间定值取0.3s，电流定值icff2为。

式中，iciii为第一级开关过流iii段电流定值，j3为第三级开关位置k3距离变电站的距离，l为线路总长度。