從仿真結(jié)果進(jìn)行電力系統(tǒng)故障分析

劉 靜 袁 甄

（1.黑龍江大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150080； 2.哈爾濱光宇電氣自動(dòng)化有限公司，哈爾濱 150080）

1 引言

電力系統(tǒng)故障分析技能是維持系統(tǒng)安穩(wěn)運(yùn)行的重要手段，它不僅僅用于故障后進(jìn)行原因分析，更為重要的一點(diǎn)是，可以用它來(lái)評(píng)估、設(shè)計(jì)各種繼電保護(hù)的方案和算法，以排除隱患。要實(shí)現(xiàn)這種未雨綢繆的方案、算法評(píng)估，很實(shí)用的一個(gè)手段就是進(jìn)行電力系統(tǒng)故障仿真，利用仿真結(jié)果數(shù)據(jù)來(lái)分析繼電保護(hù)的動(dòng)作行為。本文采用Matlab軟件，搭建一簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型，仿真該模型中主變兩側(cè)系統(tǒng)的典型故障，從結(jié)果數(shù)據(jù)中來(lái)分析差動(dòng)保護(hù)、各序功率方向元件的動(dòng)作行為。本文的目的是在于通過(guò)簡(jiǎn)單仿真實(shí)例來(lái)闡述從仿真結(jié)果來(lái)分析故障、評(píng)價(jià)繼保方案的思路。

2 仿真建模

本文建立一簡(jiǎn)化的系統(tǒng)模型，主要考慮考核的是差動(dòng)、功率方向動(dòng)作行為的不利因素，模型的高壓側(cè)采用部分接地方式，而模型的低壓側(cè)為弱饋端。系統(tǒng)的單線示意圖見(jiàn)圖1。圖中，k1點(diǎn)模擬A相接地短路故障，k2點(diǎn)模擬B、C相間短路故障。故障分析時(shí)系統(tǒng)的電壓參考正方向就是分析點(diǎn)各相對(duì)地的電位升方向；各分析點(diǎn)的電流參考正方向由CT的極性端標(biāo)明，而Matlab的Simulink仿真時(shí)的電流參考正方向就是有功潮流方向，如圖中箭頭標(biāo)注。理順清楚仿真電流參考正方向和故障分析的電流參考正方向的關(guān)系很重要，這點(diǎn)將在下一節(jié)的具體分析中體現(xiàn)。

圖1 故障分析的系統(tǒng)模型單線圖

按照?qǐng)D1，輸入各元件的基本參數(shù)，其他參數(shù)保留缺省值，系統(tǒng)頻率為50Hz。

3 故障分析及結(jié)論的應(yīng)用

3.1 主變高壓側(cè)單相接地故障

利用故障發(fā)生器在主變高壓側(cè)模擬A相接地故障，故障起始時(shí)刻為0.02s，仿真結(jié)果整理在表1中。

表1 系統(tǒng)側(cè)A相接地故障仿真結(jié)果

下面，根據(jù)仿真結(jié)果，校正圖1中各保護(hù)安裝處的電流序分量的相位。注意，與Simulink仿真潮流參考正方向一致的保護(hù)1、3、5處的電流相位不必作變化，而反方向的保護(hù)2、4、6的電流相位要在仿真結(jié)果上再超前平移180°。同時(shí)，將各電流的幅值換算到主變和負(fù)荷的額定電流基準(zhǔn)值下。校正后的結(jié)果如表2所示，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行具體分析。

（1）差動(dòng)保護(hù)

1）主變差動(dòng)?？疾毂Ｗo(hù)3和保護(hù)4處的故障電流，可以看出，正序和負(fù)序形成的差流基本為零（考慮平衡掉變壓器接線組別造成的30°角差），但保護(hù)3處要流過(guò)零序電流，而保護(hù)4處沒(méi)有零序電流進(jìn)行平衡，所以，差動(dòng)回路將會(huì)出現(xiàn)零序差流，造成保護(hù)誤動(dòng)作。所以，在設(shè)計(jì)變壓器差動(dòng)保護(hù)時(shí)，要考慮零序電流的去除措施，凡是在保護(hù)區(qū)內(nèi)存在接地中性點(diǎn)的情況，就要采取消除零序電流法，以防止區(qū)外接地故障時(shí)主變差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。但這樣做同時(shí)會(huì)降低保護(hù)區(qū)內(nèi)接地故障時(shí)差動(dòng)的靈敏性，通常條件允許時(shí)可增設(shè)主變的零序差動(dòng)保護(hù)。

表2 校正后的故障分析數(shù)據(jù)

2）線變組差動(dòng)。假設(shè)保護(hù)1和保護(hù)4構(gòu)成線變組差動(dòng)，由于保護(hù)4處的正序穿越電流，使得線變組差動(dòng)的正序差動(dòng)電流變小，而且該弱化作用隨著故障點(diǎn)的位置和系統(tǒng)運(yùn)行方式而變化的。比如，不再忽略保護(hù)1和保護(hù)6間的線路阻抗，且故障點(diǎn)靠近主變側(cè)，即降低M側(cè)的正序分支系數(shù)，提升主變側(cè)的正序分支系數(shù)[2]，則這種弱化作用是會(huì)加強(qiáng)的?？梢圆捎霉收戏至坎顒?dòng)[3]、常規(guī)差動(dòng)+負(fù)序分量差動(dòng)、復(fù)式差動(dòng)等方式來(lái)克服這一影響。比如，在CT二次斷線允許差動(dòng)跳閘的情況下，可以采用以下形式的復(fù)式差動(dòng)，

呂凌子要了莫老板電話(huà)號(hào)碼，隨陳主任以及莫老板安排的一位帥哥折回鑫榮花園，上了A幢14樓，來(lái)到1402號(hào)房門(mén)前。陳主任按了半天門(mén)鈴沒(méi)一點(diǎn)反應(yīng)。劉麗芳不在家。劉麗芳一大早驅(qū)車(chē)去了丈夫公司。

圖2 Matlab仿真系統(tǒng)圖

（2）序功率方向

定義正序功率（ PT32）、負(fù)序功率（ QT32）和零序功率（ ZT32）方向元件為

下面分析保護(hù)1和保護(hù)6處的序功率方向元件的動(dòng)作行為。相對(duì)于故障點(diǎn)，這兩處的系統(tǒng)各序阻抗角近似為90°。

根據(jù)式（2）、（3）、（4），結(jié)合表2，計(jì)算出保護(hù)1和6處的功率方向元件的力矩值，如表3所示。從結(jié)果數(shù)據(jù)可看出，電源側(cè)的保護(hù)1處的T32P、T32Q均可以正確反應(yīng)故障方向，弱饋側(cè)保護(hù)6的T32P由于正序穿越電流的影響，誤將故障判為反方向，而T32Q、T32Z均能正確反應(yīng)故障方向。而兩側(cè)的序方向功率之和（凈功率）均能正確反應(yīng)故障方向。這樣，在實(shí)現(xiàn)方向縱聯(lián)方案時(shí)，可以考慮采用序方向功率之和。但同時(shí)應(yīng)該注意到，當(dāng)發(fā)生的是相間短路時(shí)，由于T32Z為零，而T32P+T32Q可能由于弱饋端而在零點(diǎn)附近，是不確定的，所以不能用凈功率方案作為方向縱聯(lián)正方向判據(jù)的惟一充分條件。

表3 保護(hù)1和保護(hù)6處的序功率方向元件動(dòng)作行為

（3）低壓側(cè)保護(hù)5處的負(fù)序過(guò)流保護(hù)

從表2數(shù)據(jù)可看出，流經(jīng)保護(hù)5處的負(fù)序電流約是額定負(fù)載的44%，很可能造成此處的負(fù)序過(guò)流保護(hù)誤動(dòng)作。所以，在負(fù)荷側(cè)整定負(fù)序過(guò)流定值時(shí)，要考慮在反向故障時(shí)，保護(hù)應(yīng)可靠不誤動(dòng)。

3.2 主變低壓側(cè)B、C相短路故障

類(lèi)似3.1節(jié)的分析方法，獲得故障分析的結(jié)果數(shù)據(jù)如表4所示。經(jīng)過(guò)分析，各保護(hù)安裝處的各序功率方向均能正確反應(yīng)故障點(diǎn)的方向，但同樣，在保護(hù)2處，由于是弱饋端，其功率方向元件基本沒(méi)有輸出，對(duì)于方向縱聯(lián)，必須采取必要措施進(jìn)行彌補(bǔ)，比如“回音法”[3]。

表4 負(fù)荷側(cè)BC短路故障仿真結(jié)果

4 結(jié)論

建立合理的仿真模型，確定準(zhǔn)確的切入點(diǎn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，從而得出指導(dǎo)繼電保護(hù)設(shè)計(jì)的有益結(jié)論，是本文論述的重點(diǎn)。由于篇幅所限，本文建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)模型，實(shí)際進(jìn)行故障仿真時(shí)要考慮許多因素，主要有以下幾個(gè)方面：

（1）保護(hù)1與保護(hù)6之間的線路模型[4]。本文的模型相當(dāng)于故障發(fā)生在線路靠近保護(hù)6的安裝處（H母線），線路阻抗合并到了電源模型內(nèi)阻抗中了。這樣做為了突出弱饋系統(tǒng)中負(fù)荷端穿越電流對(duì)差動(dòng)的影響。如果要更為突出弱饋問(wèn)題對(duì)方向縱聯(lián)的影響，可以將故障點(diǎn)移至靠近M母線側(cè)。更一般的情況，就要在M母線和H母線間搭建至少兩個(gè)線路單元組成的線路模型，故障發(fā)生器設(shè)置在這兩個(gè)單元之間，調(diào)整兩個(gè)線路單元的阻抗，相當(dāng)調(diào)整故障點(diǎn)在整條線路上的位置。

（2）CT模型。對(duì)于差動(dòng)或縱聯(lián)保護(hù)，要設(shè)置帶飽和特性的CT模型進(jìn)行針對(duì)性的仿真，考核保護(hù)算法在CT飽和下的可靠性。

（3）CVT模型。主要考核暫態(tài)過(guò)程。

（4）故障的過(guò)渡電阻。這是考核保護(hù)算法動(dòng)態(tài)特性的一個(gè)很重要的指標(biāo)。

（5）變壓器飽和磁路。設(shè)計(jì)變壓器保護(hù)時(shí)，必須考慮勵(lì)磁涌流的影響[5]，所以變壓器的仿真模型必須要考慮磁路飽和問(wèn)題。

（6）電源AVR。如果需要仿真發(fā)電廠出口的短路，就必須考慮發(fā)電機(jī)的自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)，得出擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程數(shù)據(jù)。

（7）線路串補(bǔ)電容和并補(bǔ)電抗器，對(duì)距離保護(hù)、縱聯(lián)保護(hù)和線路暫態(tài)保護(hù)的影響。

（8）完備系統(tǒng)建模。綜合考慮以上各因素，再結(jié)合實(shí)際的系統(tǒng)，比如平行線（要考慮零序互感）、環(huán)網(wǎng)等，建立一定假設(shè)條件下的完備系統(tǒng)，作為系統(tǒng)仿真的數(shù)學(xué)模型。

建立了完備的仿真模型后，在典型的故障點(diǎn)設(shè)置典型的故障，得出相應(yīng)的仿真結(jié)果，運(yùn)用故障分析的理論，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。在分析的過(guò)程中，要注意以下幾點(diǎn)：

1）針對(duì)保護(hù)對(duì)象，將結(jié)果的相關(guān)幅值換算成該保護(hù)對(duì)象額定值下的標(biāo)幺值[2]。

2）注意Simulink仿真的參考正方向和電力系統(tǒng)的參考正方向，當(dāng)兩者一致時(shí)，電流相位不用作變化；當(dāng)兩者相反時(shí)，仿真結(jié)果的電流相位要向超前的方向平移180°。

3）選取序分量作為分析的主要對(duì)象。因?yàn)樵趨?shù)對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)中，每相電氣量均由1/2/0三序分量構(gòu)成，且符合疊加原理，所以分析序分量，最能抓住問(wèn)題的實(shí)質(zhì)[2]。而且，從工頻變化量保護(hù)的角度來(lái)看，負(fù)序和零序分量就是故障分量，正序電流在去除負(fù)荷電流后也就是故障分量了[3]。

4）繼電保護(hù)算法的一個(gè)核心就是盡量找到故障態(tài)與非故障態(tài)間的互異特性，兩者差別越大，則算法的靈敏度越高，當(dāng)然要考慮各種可能因素下的可靠性。所以，在探究新的保護(hù)算法或設(shè)計(jì)新的繼保方案時(shí)，應(yīng)盡量從故障分量、方向、矢量差等角度入手。

[1] 吳天明,謝小竹,彭彬.MATLAB電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2004.

[2] 劉萬(wàn)順.電力系統(tǒng)故障分析[M].北京：中國(guó)電力出版社,2004.

[3] 葛耀中.新型繼電保護(hù)和故障測(cè)距的原理與技術(shù),西安：西安交通大學(xué)出版社,2007.

[4] 陳怡,蔣平,萬(wàn)秋蘭,等.電力系統(tǒng)分析[M].北京：中國(guó)電力出版社,2005.

[5] 王維檢.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社,2002.