PSCAD／EMTDC和ATP仿真在數(shù)字式繼電保護(hù)中的應(yīng)用

張愛蘭

（武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢 430072）

1 引言

電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)是一門綜合了電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析、自動(dòng)控制理論和微機(jī)技術(shù)的綜合學(xué)科，保護(hù)裝置主要分為線路保護(hù)和主設(shè)備保護(hù)。其中主設(shè)備保護(hù)包括變壓器保護(hù)、母線保護(hù)、發(fā)電機(jī)保護(hù)、發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)和電抗器、電容器保護(hù)等幾大類型；各種類型的保護(hù)裝置又可以根據(jù)具體的應(yīng)用采用不同的保護(hù)原理，而繼電保護(hù)的原理也是多種多樣［2］。

數(shù)字式繼電保護(hù)是指將微型機(jī)、微控制器等器件作為核心部件構(gòu)成的繼電保護(hù)，依據(jù)其維護(hù)調(diào)試方便、可靠性高、易于獲得附加功能、靈活性大、保護(hù)性能得到很好改善等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，進(jìn)一步提高了電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，為電網(wǎng)高質(zhì)量的電能傳輸和供電提供了更好的技術(shù)保障，也為變電站實(shí)現(xiàn)無人或少人值班創(chuàng)造了必要的條件［3］。

雖然理論上大部分保護(hù)裝置的軟件仿真可以整合大多數(shù)的保護(hù)理論和保護(hù)方式，但還需要根據(jù)具體情況進(jìn)行配置，而且由于時(shí)間精力有限，不可能面面俱到，這里只選擇了PSCAD／EMTDC和ATP兩種仿真軟件仿真數(shù)據(jù)或記錄真實(shí)故障電壓、電流值對(duì)繼電保護(hù)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析和校驗(yàn)，分析和改進(jìn)保護(hù)動(dòng)作特性，這種方法方便靈活，可以任意改變保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)、電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、故障類型、故障地點(diǎn)等，具有低成本、高效率、靈活方便等優(yōu)點(diǎn)。

2 基于PSCAD仿真的數(shù)字式繼電保護(hù)

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，對(duì)220kV雙電源系統(tǒng)進(jìn)行仿真。其中Em和En為兩端系統(tǒng)電勢，Zm和Zn為系統(tǒng)的阻抗，R和XL分別為線路的電阻和電抗及故障點(diǎn)位與線路中點(diǎn)處。故障示意圖如圖1所示。

圖1 故障示意圖

系統(tǒng)參數(shù)為：

m 側(cè)系統(tǒng)電阻 Rm＝9.186Ω，電感 Lm＝138mH；

n 側(cè)系統(tǒng)電阻 Rn＝9.186Ω，電感 Ln＝138mH，功角滯后 20°。

線路單位長度參數(shù)為：線路總長度L＝100km，線路正序阻抗和導(dǎo)納為R1＝3.4676Ω，X1＝42.3366Ω，G1＝1.0×10-5MΩ，B1＝0.00027MΩ；零序阻抗和導(dǎo)納為 R0＝30.0023Ω，X0＝114.2641Ω，G0＝1.0×10-5MΩ，B0＝0.00019MΩ。

在PSCAD中搭建的系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。設(shè)線路中點(diǎn)處發(fā)生A相接地故障，故障起始時(shí)刻為 0.2s，故障持續(xù)時(shí)間為 0.1s，仿真時(shí)間在 0.5s時(shí)結(jié)束，采樣頻率為4kHz。

圖2 系統(tǒng)PSCAD仿真模型

將系統(tǒng)電流電壓信號(hào)進(jìn)行傅里葉快速變換，得到三相的電壓電流幅值和相位，再對(duì)其進(jìn)行變換，得到正序、負(fù)、零序的電壓電流幅值和相位。

將所得數(shù)據(jù)輸入到距離保護(hù)控制模塊中。接地距離保護(hù)和相間接線距離保護(hù)的接線方式如圖3所示，這些控制著線路斷路器的開關(guān)，讓其在整定范圍能動(dòng)作，整定范圍外不動(dòng)作，保證其選擇性。

下面以線路距離一段保護(hù)為例，整定范圍為整個(gè)線路的80%。

在線路50%短路，即離母線M距離50kM的位置短路。

不加距離保護(hù)時(shí)的三相電壓電流波形如圖4所示。依次為三相電壓仿真波形圖、三相電流仿真波形圖及故障時(shí)間設(shè)置波形圖。

圖3 繼電器阻抗控制模塊

圖4 50%故障時(shí)不加保護(hù)故障波形

從圖中可以看出，當(dāng)A相發(fā)生單相接地故障時(shí)，A相電壓有明顯的電壓降低，而B、C兩相電壓基本保持不變；A相電流明顯增大，而B、C兩相電流基本保持不變。

加上距離一段保護(hù)后的電壓電流波形如圖5所示，可以看出加上距離一段保護(hù)時(shí)，因?yàn)楣收显谝欢伪Ｗo(hù)范圍之內(nèi)，阻抗繼電器發(fā)出了信號(hào)讓斷路器跳閘，所以三相電流立刻變?yōu)榱悖嚯妷阂不謴?fù)成電源電壓。

圖5 50%故障時(shí)加上保護(hù)后的故障波形

有些算法在進(jìn)行保護(hù)計(jì)算之前需要濾波，這里采用零點(diǎn)濾波器的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)濾波器進(jìn)行濾波。濾波器傳遞函數(shù)為，這是一個(gè) 4階的傳遞函數(shù)，對(duì)應(yīng)的離散的計(jì)算公式為y（n）＝x

用Matlab編寫程序如下：

濾波程序?yàn)椋?/p>

該濾波器能濾除3次和5次諧波，基波增益為6。用該濾波器對(duì)A相電流和電壓進(jìn)行濾波，波形如圖6所示。

圖6 A相濾波前后電流、電壓波形

3 基于ATP仿真的數(shù)字式繼電保護(hù)

在ATP中建立系統(tǒng)仿真模型，如圖7所示。設(shè)線路中點(diǎn)發(fā)生C相單相接地故障，故障起始時(shí)刻為 0.1s，故障持續(xù)時(shí)間為 0.1s，仿真時(shí)間在 0.5s 時(shí)結(jié)束。采樣頻率為600Hz，即采樣間隔為，每周期采樣點(diǎn)為12。

圖7 系統(tǒng)仿真模型

ATP中的仿真波形如圖8所示，其中（a）為三相電流仿真波形，（b）為三相電壓仿真波形。從（a）中可看出，當(dāng)C相發(fā)生單相接地故障時(shí)，C相電流明顯增大，而A、B兩相電流基本保持不變，仍為負(fù)荷電流；C相電壓有明顯的電壓降低，而A、B兩相電壓基本保持不變。

圖8 仿真波形

同PACAD所設(shè)計(jì)濾波器一樣，能濾除3次和5次諧波，基波增益為6。用該濾波器對(duì)C相電流和電壓進(jìn)行濾波，波形如圖9所示。

圖9 C相濾波前后電流、電壓波形

4 結(jié)論

通過以上的兩個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)，PSCAD／EMTDC的簡單操作及強(qiáng)大功能可見一斑，使電力系統(tǒng)復(fù)雜部分的可視化成為可能。而ATP可模擬任意結(jié)構(gòu)的復(fù)雜電力網(wǎng)絡(luò)及其控制系統(tǒng)，且具有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力。兩者仿真結(jié)果證明仿真的準(zhǔn)確性和可靠性，二者在數(shù)字式繼電保護(hù)中皆可得到廣泛可靠的應(yīng)用。

［1］鐘慧榮，蔣秀潔.PSCAD在電力系統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2008.

［2］丁 剛.電力系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)仿真研究［D］.中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫，2006.

［3］楊奇遜，黃少鋒.微機(jī)型繼電保護(hù)基礎(chǔ)［M］.北京：中國電力出版社，1987.