基于保护计算程序的线路序参数计算功能研究

杨剑梅，苟霖，何涛，马青

（国网甘肃省电力公司天水供电公司，甘肃 天水 741000）

电力系统输电线路保护整定计算需要以下数据：全线路长度、线路阻抗的标幺值、有名值的计算值或实测值。保护整定计算人员拿到的资料只有线路杆塔设计图纸、线路地理走势图。如果没有实测线路数据，只能以3种方式获取线路阻抗值：

1）根据正序阻抗推荐值0.4 Ω/km，零序阻抗按单回1.2 Ω/km，双回2.0 Ω/km来粗略估算。

2）利用Excel编辑相应程序计算。

3）利用其他电力软件计算。

1 线路参数计算程序

1.1 基于EXCEL线路参数计算程序

根据《高压送电线路设计手册》和《电力系统分析》[1-3]不同塔形计算提供的公式，建立Excel计算程序。根据不同塔形输入三相导线几何位置、导地线直流电阻、半径、土壤电阻率等参数计算出单位长度的正序和零序阻抗标幺值，然后换算成有名值。计算过程如下。

单回线正序阻抗：

双回线路正序电抗：

双回线路零序阻抗：

式中，Z′0（a）为无避雷线的线路零序阻抗，Ω/km；Z0（gh）为两避雷线系统的零序阻抗，Ω/km；Z′0（agh）为两避雷线与导线间的零序互感阻抗，Ω/km。

式中，Z0（a）为单回线路的零序阻抗，Ω/km；Z0（ⅠⅡ）为第Ⅱ回路对第Ⅰ回路的零序互感阻抗，Ω/km；dm（ⅠⅡ）为第Ⅰ回路导线与第Ⅱ回路导线的几何均距，m；R为每相导线的电阻，Ω/km；D为地中电流的等价深度，m；ρ为大地电阻率，Ω·m；f为频率，Hz；Rd为大地电阻，Ω/km；dm为三相导线间几何均距，m；Rm为每相导线半径，m。

式中，Z0（gh）为两避雷线（g，h）系统的零序阻抗，Ω/km；dgh为两避雷线间的距离，m；Z0（agh）为两避雷线与三相导线之间的零序互感抗，Ω/km。

根据以上公式计算结果如表1所示。

表1 正序和零序阻抗Tab. 1 Positive and zero sequence impedance

1.2 用ATP/EMTP电磁暂态程序计算

ATP/EMTP是电力系统常用的电磁暂态仿真工具，可以实现短路计算、潮流分析、谐波分析等功能。提供有3种分布参数线路模型：JMarti、Semlyen、Noda模型，本文选取JMarti建立如图1所示的双回线路仿真模型[4-5]。

图1 双回线路仿真模型Fig. 1 Couple circuit line simulation model

两回线路序参数计算结果如下：其中，R0，X0，Rp，Xp分别为线路的零序电阻、零序电抗、正序电阻、正序电抗。

1.3 用PSACAD/EMTDC图形建模计算

建立仿真模型如图2所示。

图2 PSCAD线路仿真模型Fig. 2 PSCAD/EMTDC line simulation mode

利用PSCAD/EMTDC中的Universal tower模型建立依频线路模型[6-7]（如图3所示）。

图3 PSCAD/EMTDC线路分布参数模型Fig. 3 PSCAD/EMTDC line distributed parameters

图3 中，Cond#1-6 表 示6 根 导 线；Connection phasing1-3表示双回线路中第一回线路的A、B、C三相，4-6表示第二回三相；X/Y两列数据分别表示各相导线的纵横坐标，m；右表GW#1-2表示2根避雷线，左表X/Y两列数据分别表示避雷线的坐标。

运行程序，两回线路序参数计算结果如下：（cct1、cct2分别表示第Ⅰ、Ⅱ回线路）

2 3种理论计算方法流程及准确性对比

3种计算方法的流程如图4所示。

图4 3种计算方法过程对比Fig. 4 The comparison of three calculation methods procedure

从图4中可以看出利用Excel编程计算过程比较繁琐，ATP计算过程最简单，但是无图形化界面，PSCAD/EMTDC既有图形化界面，计算过程也比较简单。

3种方法的计算结果如表2所示。

从计算结果准确性来看，PSCAD/EMTDC程序与Excel和ATP/EMTP计算结果相比正序阻抗、零序阻抗误差较小，可以作为保护整定计算时零序网络和正序网络等效的基础参数。

表2 序阻抗计算结果对比Tab. 2 Comparison of sequence impedance calculation result

从功能的完善性看，Excel程序前期编写计算公式和每次计算式输入的数据量比较大，并且不能进行自定义建模。ATP/EMTP没有图形化的杆塔界面，只有选定3种模型中的一种，然后输入导地线的内外径，直流电阻、铁塔几何参数等参数来计算。PSCAD软件模型具有图形化模型，但是只能计算比较典型的单回塔型序参数。自定义的模型只能计算出串联阻抗和并联导纳，不能直接计算出序阻抗。需要另外用MATLAB编程求解，功能也不够完善。

3 与继电保护整定计算程序的融合

现在电力系统中常用的继电保护整定计算程序[8]具备短路计算、保护整定、仿真功能。其中的变压器和线路参数界面如图5所示。

图5 变压器参数计算Fig. 5 Transformer parameter calculation interface

由图5可以看出，此程序具备计算变压器参数功能：输入工程部门提供的变压器短路电压百分比或试验数据，可以计算出高、中、低压侧正序和零序参数。

从图6中线路参数可以看出，程序不具备计算线路参数的功能，只能实测或者通过理论计算后填入相应的正序、零序阻抗值，全线路阻抗标幺值也需要手工换算后填入。

图6 线路参数计算界面Fig. 6 Line electric parameter calculation interface

前面提到的2种计算方法都是与现有的整定计算程序没办法对接的，如果能将线路和变压器的参数计算功能集成到保护整定计算软件中作为一个可编辑模块，既可以节省计算变压器和线路电气参数的时间，同时也便于数据的管理。以下是建立接口程序的具体步骤：

1）建立标准杆塔图形化模型、自定义模型数据库（如果导线为电缆，则建立标准电缆图形化模型）。

2）建立导地线模型数据库，电缆参数数据库，可编辑导线数据。

3）计算结果输入输出数据管理功能。

4）建立保护整定计算及其他功能对计算参数数据的调用功能。

4 结论

输电线路参数的3种理论计算方法中，ATP/EMTP计算比较简单，但不够直观；PSCAD/EMTDC比较直观，但是杆塔模型不够完善，而且对于双回以上的不能直接求解序阻抗分量。传统的Excel计算模式，计算多回线路存在互阻抗时，缺少可以参考的计算公式。对不具备实测条件的输电线路，本文提出的建立继电整定计算程序中的线路计算程序[9-10]接口尤为重要，可以解决多回线路参数的计算问题，使保护整定计算和线路参数计算融合一体化运行。在具备网络阻抗图的基础上以后还可以开发潮流计算功能，扩展程序计算功能，使其更加完善。不仅节约了单独购置软件的成本，减少了保护人员的工作量，提高了工作效率，也保证了数据的准确性和电网的安全稳定运行。

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