基于PSCADX4雙電源距離保護的仿真分析

燕林滋 李 靜 馬金燕 白少峰

（銀川能源學院，銀川 750105）

基于PSCADX4雙電源距離保護的仿真分析

燕林滋 李 靜 馬金燕 白少峰

（銀川能源學院，銀川 750105）

本文主要就電力線路距離保護的基本原理、整定計算做了具體介紹，著重使用PSCADX4軟件對 單相短路接地、兩項短路、三相短路故障進行仿真分析，以期更容易找到可靠性高、經濟性好、便于實施的距離保護。

PSCADX4 距離保護 單相接地故障 三項接地故障 仿真

引言

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，容量大、電壓高、距離長、負荷重和結構復雜的網絡成為主流。這時，簡單的電流、電壓保護就難以滿足電網對保護的要求。例如，高壓長距離、重負荷線路，由于負荷電流大，線路末端短路時短路電流值與負荷電流相差不大，故電流保護往往不能滿足靈敏度的要求。對于電流速斷保護，其保護范圍受電網運行方式的變化而變化，保護范圍不穩(wěn)定，某些情況下甚至無保護區(qū)。所以，有些情況下不能采用電流速斷保護。對于多電源復雜網絡，方向過電流保護的動作時限往往不能按選擇性的要求整定，且動作時限長，難以滿足電力系統(tǒng)對保護快速性動作的要求。因此，在結構復雜的高壓電網中，應采用性能更加完善的保護裝置，而距離保護就是其中一種。距離保護是反應保護安裝處至故障點的距離保護，主要用于輸電線路的保護。

PSCADX4是一種世界各國廣泛使用的電力系統(tǒng)仿真軟件。它使電力系統(tǒng)復雜部分可視化，且可以作為實時數(shù)字仿真器的前置端，可模擬任意大小的交直流系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中斷路器操作、故障及雷擊時出現(xiàn)的過電壓，可對包含復雜非線性元件（如直流輸電設備）的大型電力系統(tǒng)進行全三相的精確模擬。同時，它的輸入、輸出界面非常直觀、方便。

1 電力系統(tǒng)距離保護原理

輸電線路的長度是一定的，其阻抗也基本一定。在其范圍內任何一點故障，故障點至線路首端的距離都不一樣即阻抗不一樣，都會小于總阻抗。

距離保護就是反應故障點至保護安裝處之間的距離，并根據(jù)該距離的大小確定動作時限的一種繼電保護裝置。距離保護的核心元件為阻抗繼電器。圖1為距離保護原理圖。

圖1 距離保護原理圖

當被保護線路上發(fā)生短路故障時，阻抗繼電器的測量阻抗為Zm，阻抗繼電器的工作電壓為：

阻抗繼電器的整定阻抗Zset是指保護安裝處至保護末端的阻抗。

由此可見：保護區(qū)內短路故障，工作電壓小于0；而保護外或反方向短路故障，工作電壓大于0。

正常運行時，保護安裝處測量到的阻抗為負荷阻抗

Zm，即

2 距離保護模型的建立

如圖2所示，系統(tǒng)為雙側電源網絡。在每條母線側均接有電壓互感器和電流互感器。在線路1上接有斷路器B1，在線路2上接有斷路器B2。在線路1與線路2的連接處，模擬發(fā)生兩類故障：單相短路接地故障和三相短路故障。

圖2 雙側電源網絡系統(tǒng)結構示意圖

圖3 系統(tǒng)整體的接線結構示意圖

2.1 系統(tǒng)接線圖及其原理

圖3為系統(tǒng)整體的接線結構示意圖。

第一部分包括兩大模塊：電壓信號采集模塊和電流信號采集模塊。其中，圖4為電壓信號采集模塊，圖5為電流信號采集模塊。

圖4 電壓信號采集模塊

圖5 電流信號采集模塊

第二部分為阻抗計算處理模塊，如圖6所示。

圖6 阻抗計算處理模塊

其中，阻抗計算處理模塊又包括兩部分：相-相阻抗計算和相-地阻抗計算。圖7為相-相阻抗計算模塊接線，圖8為相-地阻抗計算元件。

第三部分包括邏輯處理模塊和斷路器控制、故障選擇模塊。其中，圖9為邏輯處理模塊，圖10為斷路器控制、故障選擇模塊。

圖7 相-相阻抗計算模塊接線

圖8 相-地阻抗計算元件

圖9 邏輯處理模塊

圖10 斷路器控制、故障選擇模塊

工作原理：

B1：選擇Relay相當于輸入數(shù)字信號“0”；選擇Closed相當于輸入數(shù)字信號“1”。

B2：選擇Open相當于輸入數(shù)字信號“0”；選擇Close相當于輸入數(shù)字信號“1”。

故障類型選擇：

1：無故障；2：A相短路接地；3：B-C相短路；4：三相短路；5：B-C兩相接地短路；6：三相短路接地。

3 仿真波形

3.1 A相短路接地故障分析

圖11為A相短路接地故障仿真圖。

圖11 A相短路接地故障仿真 圖

參數(shù)設置：

首端電源參數(shù)：U=230V，Z1=9.186+j138Ω

線路LINE1：L=45km，Z1=1.56+j19.05Ω

線路LINE2：L=45km，Z2=1.56+j19.05Ω

末端電源參數(shù)：U=230V，Z1=9.186+j138Ω

故障參數(shù)設置：t=0.2s時發(fā)生故障，故障持續(xù)時間0.05s

波形分析：

圖11從上到下依次為電壓波形圖、電流波形圖、斷電器動作圖和繼電器波形圖。

電壓波形圖，在t=0.2s時發(fā)生A相短路接地事故，A相電壓降低； 在持續(xù)0.02s后電壓恢復正常。

電流波形圖，在發(fā)生接地故障時，A相電流急劇增大，0.02s后恢復。

斷路器動作圖，在t=0.2s故障發(fā)生，在0.05s的故障結束后，斷路器閉合。

繼電器波形圖，在故障發(fā)生后大約0.02s檢測到故障，發(fā)出動作信號。

3.2 兩相短路接地故障分析

圖12為兩相短路的仿真圖。

圖12 兩相短路接地故障仿真圖

參數(shù)設置：

基本參數(shù)不變。

斷路器B1：開路阻抗Z=1.0e6Ω，閉合阻抗Z=0.1Ω

斷路器B2：開路阻抗Z=1.0e6Ω，閉合阻抗Z=0.1Ω

波形分析：

圖12從上到下依次為電壓波形圖、電流波形圖、斷電器動作圖和繼電器波形圖。

電壓波形圖中，在t=0.2s時發(fā)生兩相短路故障；經過0.02s后繼電器檢測到故障，發(fā)出動作信號；斷路器斷開，電壓波形恢復。

電流波形圖，在故障發(fā)生到故障切除，兩相電流均急劇增高。

斷路器動作圖，在t=0.2s故障發(fā)生，在0.05s的故障結束后，斷路器閉合。

繼電器波形圖，在故障發(fā)生后大約0.02s檢測到故障，發(fā)出動作信號。

3.3 三相短路接地故障分析

圖13為三相短路接地故障仿真圖。

圖13 三相短路接地故障仿真圖

參數(shù)設置：

基本參數(shù)不變。

斷路器B1：開路阻抗Z=1.0e6Ω，閉合阻抗Z=0.1Ω；斷路器B2：開路阻抗Z=1.0e6Ω，閉合阻抗Z=0.1Ω。波形分析：

圖13從上到下依次為電壓波形圖、電流波形圖、斷電器動作圖和繼電器波形圖。

電壓波形圖，在t=0.2s時發(fā)生三相短路故障；經過0.02s后繼電器檢測到故障，發(fā)出動作信號；斷路器斷開，電壓波形恢復。

電流波形圖，在故障發(fā)生到故障切除，三相電流均急劇增高。

斷路器動作圖，在t=0.2s故障發(fā)生，在0.05s的故障結束后，斷路器閉合。

繼電器波形圖，在故障發(fā)生后大約0.02s檢測到故障，發(fā)出動作信號。

4 結論

本文利用PSCADX4軟件搭建了簡單雙電源電力系統(tǒng)距離保護的模型，并對模型進行仿真分析，能夠正確反映保護范圍內的各種相間故障和接地故障。結果表明，PSCADX4軟件對距離保護仿真有良好的效果。

[1]張保會，尹項根.電力系統(tǒng)繼電保護[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2]樂健，胡仁喜.PSCADX4電路設計與仿真[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015.

[3]李廣凱，李庚銀.電力系統(tǒng)仿真軟件綜述[J].電氣電子教學學報，2005，（3）：61-65.

[4]劉強.基于Matlab的微機保護原理教學仿真平臺[J].電氣電子教學學報，2007，（3）：95-98.

[5]索南加樂，許慶強.自適應接地距離繼電器[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，（17）：54-58.

[6]李學生.PSCAD建模與仿真[M].北京：中國電力出版社，2013.

[7]沈冰，何奔騰，張武軍.新型自適應繼電器[J].電力系統(tǒng)自動化，2007，（7）：39-44.

[8]李曉明.Ⅲ段距離保護作為后備保護的性能分析[J].繼電器，2005，（15）：9-12.

[9]楊蘭，楊廷芳.Matlab/SIMULINK在繼電保護設計中的應用[J].電氣傳動自動化，2006，（1）：53-55.

Simulation Analysis of Dual Power Supply Dista nce Protection Based on PSCADX4

YAN Linzi,LI Jing,MA Jinyan,BAI Shaofeng
(Yinchuan Energy Institute, Yinchuan 750105)

in this paper, the basic principle of distance protection of power line, setting calculation are introduced in detail, emphasizes on the use of software PSCADX4 to singlephase short circuit to ground, two short circuit, three-phase short circuit fault are simulated and the simulation results were analyzed, so a lot easier to find high reliability, good economy, facilitate the implementation of distance protection.

PSCADX4, distance protection, single phase earth fault, three ground faults, simulation

銀川能源學院科學研究項目（2015-KY-Y-15）。