基于PSCAD軟件平臺(tái)的電力繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)

肖仕武，劉建輝，王增平

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

繼電保護(hù)是電力系統(tǒng)二次部分的核心。繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)課程能使學(xué)生掌握繼電保護(hù)設(shè)備的工作原理，熟悉設(shè)備各環(huán)節(jié)的特性和調(diào)試以及整定方法，幫助學(xué)生把學(xué)到的繼電保護(hù)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際。

目前高校開設(shè)的“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理”課程實(shí)驗(yàn)普遍存在一些問題。主要是傳統(tǒng)的電流繼電器和電壓繼電器等現(xiàn)已基本被微機(jī)繼電保護(hù)所代替，而當(dāng)前微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)雖然向?qū)W生介紹了微機(jī)保護(hù)裝置各插件，對(duì)微機(jī)保護(hù)裝置進(jìn)行外特性實(shí)驗(yàn)，卻沒有讓學(xué)生參與微機(jī)保護(hù)軟件的編程與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，他們不能很好地理解微機(jī)保護(hù)裝置內(nèi)部的動(dòng)作邏輯過程。因此開展模擬真實(shí)故障行為保護(hù)動(dòng)作的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生參與到微機(jī)保護(hù)軟件的編寫與驗(yàn)證中，需要有一個(gè)良好的保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支持。

1 基于分析軟件的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)

PSCAD/EMTDC是當(dāng)前國(guó)際上普遍流行的一種電磁暫態(tài)分析軟件包，廣泛應(yīng)用于世界各國(guó)的電力系統(tǒng)仿真，可對(duì)包含復(fù)雜非線性元件的大型電力系統(tǒng)進(jìn)行全三相的精確模擬。其核心是內(nèi)置的元件模型庫(kù)，該元件模型庫(kù)幾乎涵蓋了電力系統(tǒng)輸配變電的所有元件，并包含有大量測(cè)量、控制用模型元件。

PSCAD圖形用戶界面的成功開發(fā)，使得用戶可通過圖形添加的方式來解決一些復(fù)雜的電路功能，相對(duì)于基于數(shù)學(xué)模型的Matlab仿真軟件而言，更易為學(xué)生所接受［1］。

用PSCAD/EMTDC進(jìn)行繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)的流程圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

學(xué)生首先根據(jù)原理圖搭建出仿真系統(tǒng)的一次和二次模型，然后設(shè)置各元件的參數(shù)和一次線路的故障，并且在需要觀測(cè)變量點(diǎn)添加測(cè)量電表，最后執(zhí)行仿真輸出相關(guān)的電氣量。執(zhí)行仿真時(shí)，PSCAD調(diào)用軟件自帶的編譯器將PSCAD中的電路模型編譯為主Fortran程序，即將可視化的模型元件轉(zhuǎn)換為EMTDC的子函數(shù)，并根據(jù)電路連接關(guān)系自動(dòng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)編號(hào)和參數(shù)傳遞，然后利用設(shè)定的Fortran編譯器通過調(diào)用EMTDC引擎庫(kù)文件生成最終的執(zhí)行文件。在仿真進(jìn)行過程中，用戶可以通過輸入輸出元件庫(kù)的控制元件自由調(diào)整參數(shù)值，以便觀察系統(tǒng)某些動(dòng)態(tài)情況下的響應(yīng)特性［2］。

2 零序電流保護(hù)仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 零序電流保護(hù)簡(jiǎn)介

零序電流保護(hù)主要反映電力系統(tǒng)中的接地故障，通常采用三段式保護(hù)。零序電流保護(hù)的Ⅰ段按躲過本線路末端單相短路時(shí)流過保護(hù)裝置的最大零序電流整定。零序電流保護(hù)的Ⅱ段與保護(hù)安裝處相鄰線路零序電流保護(hù)的Ⅰ段相配合。零序電流保護(hù)的Ⅲ段與相鄰線路的Ⅱ段相配合，是Ⅰ、Ⅱ段的后備保護(hù)［3］。

2.2 單項(xiàng)接地零序電流保護(hù)仿真

單相接地零序電流保護(hù)實(shí)驗(yàn)中需要用到零序電流提取單元和零序電流比較單元。

零序電流提取單元用于提取出保護(hù)所需要的零序電流，通過將測(cè)量電流分相、求和及求有效值，實(shí)現(xiàn)測(cè)量電流到零序電流的轉(zhuǎn)換。

零序電流比較單元將轉(zhuǎn)換后的零序電流與整定值作比較，大于整定值則給出一個(gè)動(dòng)作信號(hào)。

仿真中線路選擇架空線，設(shè)置A相接地，故障時(shí)間設(shè)置為 5s，接地電阻分別為 10(Ohm)、20(Ohm)和30(Ohm)，實(shí)驗(yàn)接線圖如圖2所示。

圖2 仿真實(shí)驗(yàn)接線圖

仿真結(jié)果如圖3所示。由圖可見，不同的接地電阻時(shí)分別在0.516s、1.000s和1.500s發(fā)出保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。根據(jù)動(dòng)作時(shí)間可以判斷，分別是保護(hù)的Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段發(fā)出跳閘信號(hào)。

圖3不同接地電阻下的仿真結(jié)果

2.3 兩相接地和三相短路保護(hù)仿真

設(shè)置A、B兩相接地和三相短路故障，相關(guān)參數(shù)設(shè)置不變，從仿真結(jié)果可以看出保護(hù)都正確動(dòng)作，并能夠根據(jù)動(dòng)作時(shí)間判斷是哪一段保護(hù)電路發(fā)出的跳閘信號(hào)。

通過以上各種情況的仿真，驗(yàn)證了該保護(hù)能夠?qū)崿F(xiàn)各種故障的切除，完全能夠?qū)崿F(xiàn)三段式零序電流保護(hù)的功能。

3 縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)和仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 縱聯(lián)電路差動(dòng)保護(hù)簡(jiǎn)介

隨著光纖通信技術(shù)在電力系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)在電力系統(tǒng)得到日益廣泛的應(yīng)用［4］。線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)裝置動(dòng)作速度快，不受單側(cè)電源運(yùn)行方式和電力系統(tǒng)振蕩的影響。迄今為止，輸電線縱聯(lián)保護(hù)的原理主要有比較線路兩端功率方向的方向縱聯(lián)保護(hù)、比較線路兩端電流相位的相位差動(dòng)縱聯(lián)保護(hù)和比較兩端全電流的電流差動(dòng)縱聯(lián)保護(hù)。

3.2 單相接地的縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)

縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)實(shí)驗(yàn)中需要用到快速傅里葉變換元件和雙斜率比率制動(dòng)式電流差動(dòng)繼電器，如圖4所示?？焖俑道锶~變換元件用于將兩側(cè)提取的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)信號(hào)的幅值和相角。雙斜率比率制動(dòng)式電流差動(dòng)繼電器是將傅里葉變換后的幅值和相角信號(hào)“描點(diǎn)”，若進(jìn)入該繼電器的動(dòng)作區(qū)域便給出動(dòng)作信號(hào)。

圖4 電流傅氏變換和保護(hù)繼電器

仿真中線路采用架空線，設(shè)置A相接地故障，故障時(shí)間設(shè)置為1.000s，接地電阻為40(Ohm)。仿真運(yùn)行結(jié)果如圖5所示，保護(hù)在1.023s發(fā)出了動(dòng)作信號(hào)。圖6為動(dòng)作特性圖，動(dòng)作特性為雙斜率比率制動(dòng)式電流差動(dòng)，兩條直線的斜率分別為0.3和1.5，相交于動(dòng)作特性直角坐標(biāo)系上的點(diǎn)(2，1.6)。根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)描點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)在t=1.023s時(shí)，差動(dòng)電流和制動(dòng)電流所描點(diǎn)剛好進(jìn)入動(dòng)作區(qū)域，仿真結(jié)果完全符合理論分析的中繼電器的動(dòng)作情況。

3.3 兩相接地的縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)

設(shè)置AB兩相接地，保護(hù)在1.020s發(fā)出了動(dòng)作信號(hào)。

通過以上各種情況的仿真，驗(yàn)證了該平臺(tái)所進(jìn)行的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)?zāi)軐?shí)現(xiàn)各種類型故障的切除，無論是區(qū)內(nèi)單相接地故障還是兩相接地故障，保護(hù)均在發(fā)生故障后約20ms時(shí)刻發(fā)出跳閘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了差動(dòng)保護(hù)的速動(dòng)性和選擇性。

圖5 兩端電流和跳閘時(shí)間圖

圖6 動(dòng)作特性圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了當(dāng)前“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題，提出了利用軟件平臺(tái)代替硬件平臺(tái)的方案。我們利用PSCAD/EMTDC軟件平臺(tái)進(jìn)行了兩種繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)，分別是零序電流三段式保護(hù)和縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)?zāi)芸煽康赝瓿捎布脚_(tái)的功能，同時(shí)能使學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)中去，促進(jìn)學(xué)生更好地理解問題、分析問題和解決問題，具有很大的應(yīng)用前景。在實(shí)踐中仍保留了部分原繼電保護(hù)裝置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以增加學(xué)生感性認(rèn)識(shí)。

［1］ 孫佐.基于PSCAD/EMTDC的電力電子技術(shù)仿真教學(xué)［J］.池州，池州學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，23(6):119-122

［2］ 石訪.電磁暫態(tài)軟件PSCAD/EMTDC的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望［J］.上海，華東電力，2008，12:36-38

［3］ 趙尊華，薛素琴.淺論零序保護(hù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.濟(jì)南，科技信息，2010，29:359-360

［4］ 李煒.電容電流對(duì)線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)整定計(jì)算的影響［J］.長(zhǎng)沙，湖南電力，2005，25(1):19 －21