基于PSCAD的輸電線路多邊形阻抗繼電器距離保護(hù)仿真

鄭雷 馬列

摘要：PSCAD是在世界范圍內(nèi)，被廣大的電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制的科研人員廣泛使用的一種電力系統(tǒng)仿真軟件。本文以PSCAD軟件作為理論研究和仿真的基礎(chǔ)。通過(guò)在PSCAD中搭建雙端電源網(wǎng)絡(luò)，模擬系統(tǒng)遭遇單相接地短路故障、兩相短路故障、兩相接地短路故障、三相短路故障，觀察遭遇短路故障后的系統(tǒng)暫態(tài)特征。本文提出的保護(hù)方法，能夠正確的識(shí)別出故障，并且能夠可靠的將故障線路從系統(tǒng)中切除。以此做為接下來(lái)進(jìn)一步研究新型保護(hù)原理的數(shù)據(jù)和平臺(tái)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：距離保護(hù)、多邊形阻抗繼電器、PSCAD

ABSTRACT： PSCAD is a kind of power system simulation software widely used by the researchers of power system stability and control in the world.This paper takes PSCAD software as the basis of theoretical research and simulation.By setting up a two-terminal power supply network in PSCAD， the simulation system encounters single-phase ground short circuit fault， two-phase short circuit fault， two-phase ground short circuit fault and three-phase short circuit fault， and the transient characteristics of the system after the short circuit fault are observed.The protection method proposed in this paper can correctly identify the fault， and can reliably cut the fault line from the system.This will serve as the data and platform basis for further research on the new protection principle.

KEY WORDS：Distance protection， polygonal impedance relay，PSCAD

1 ?引言

在過(guò)去的幾十年中，電力負(fù)荷不斷增長(zhǎng)，使電力系統(tǒng)遭遇了更大的運(yùn)行壓力。輸電線路是電力系統(tǒng)各元件中發(fā)生故障幾率最大的元件。輸電線路的運(yùn)行方式、接線形式和過(guò)渡電阻的大小，以及保護(hù)裝置自身的定值高低、靈敏度大小、定值整定過(guò)程中考慮的各種因素都會(huì)對(duì)輸電線路的運(yùn)行可靠性產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。為此有必要采用性能更完善、可靠性更高的繼電保護(hù)裝置[1]。

為研究系統(tǒng)在發(fā)生故障后，系統(tǒng)的特征情況，有動(dòng)模仿真平臺(tái)和軟件仿真平臺(tái)。平臺(tái)的選擇至關(guān)重要，本文采用PSCAD（Power Systems Computer Aided Design）仿真軟件。PSCAD是于1976年由加拿大的Dennis Woodford博士等科研人員在曼尼托巴水電局開(kāi)發(fā)完成的，是非常優(yōu)秀的電磁暫態(tài)仿真軟件，用戶可以輕松地構(gòu)建、模擬和建模系統(tǒng)，為電力系統(tǒng)控制、無(wú)功補(bǔ)償、高壓直流輸電以及繼電保護(hù)系統(tǒng)提供了無(wú)限的可能性[2]。

因而，本文采用PSCAD仿真軟件，在EMTDC可視化界面中搭建雙端供電網(wǎng)絡(luò)。模擬輸電線路遭到兩相短路故障、兩相接地短路故障、三相短路等故障的沖擊，觀察故障后的系統(tǒng)特征。以此作為保護(hù)原理驗(yàn)證的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步將多邊形阻抗繼電器的保護(hù)原理在軟件環(huán)境中搭建出來(lái)。為接下來(lái)對(duì)故障后的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)一步分析，進(jìn)一步改進(jìn)多邊形阻抗繼電器動(dòng)作邊界提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，具有簡(jiǎn)潔高效靈活的優(yōu)勢(shì)[3-5]。

2 ?模型的搭建

2.1 ?線路模型的搭建

在PSCAD仿真軟件中搭建如下雙端供電網(wǎng)絡(luò)：

模型兩側(cè)的發(fā)電機(jī)采用Synchronous Machine模型。系統(tǒng)頻率50Hz，額定電壓10kV，右側(cè)發(fā)電機(jī)功角滯后左側(cè)發(fā)電機(jī)20°。發(fā)電機(jī)其他主要參數(shù)如圖2所示：變壓器額定容量160MVA，Ynd11接線，電壓等級(jí)10.5kV/230kV。

線路總長(zhǎng)度 L=2000km。線路采用3 Conductor Delta Tower模型，如圖3所示。

2.2 ?數(shù)據(jù)采樣和信號(hào)處理模塊的搭建

在線路兩側(cè)加入Multimeter元件，如圖4所以。它的作用和電壓互感器、電流互感器相同，采集保護(hù)安裝處（斷路器B1、B2處）的電壓和電流，后送入信號(hào)處理模塊（如圖5），對(duì)故障后的電壓電流量進(jìn)行分析處理。

信號(hào)處理模塊主要將采集到的電壓與電流信號(hào)通過(guò)圖6中的FFT快速傅里葉進(jìn)行分解，這里主要進(jìn)行七次諧波分解，求得出ABC三相對(duì)應(yīng)基波分量的幅值與相位。

經(jīng)FFT快速傅里葉分解出的電壓和電流的基波分量，可以送至圖7中的Sequence Filter正序負(fù)序零序分量濾過(guò)器中，分解各序的幅值和相位（iam、ibm、icm、iap、ibp、icp）其中零序分量后續(xù)將用于零序的相關(guān)保護(hù)模塊。

2.3 ?繼電保護(hù)模塊的搭建

經(jīng)FFT分解得到三相幅值和相位iam、ibm、icm、iap、ibp、icp等模擬量，送入繼電保護(hù)模塊中，如圖8所示。

繼電保護(hù)模塊將輸入的iam、ibm、icm、iap、ibp、icp等模擬量進(jìn)行處理，計(jì)算出保護(hù)安裝處的阻抗值。

對(duì)于中性點(diǎn)直接接地的系統(tǒng)，短路后會(huì)有零序電流產(chǎn)生，因而采用的是Line to Ground Impedance線對(duì)地阻抗元件，數(shù)據(jù)處理后得到接地短路時(shí)的以直角坐標(biāo)形式表示的阻抗R+jX，也被成為測(cè)量阻抗，R表征測(cè)量阻抗的電阻部分，X表征測(cè)量阻抗的電抗部分;對(duì)于相間故障，采用Line to Line Impedance線對(duì)線阻抗元件，類(lèi)似的可以得到相間故障時(shí)的測(cè)量阻抗。

處理后得到的阻抗R+jX，接入Trip Polygon多邊形繼電器元件。此過(guò)程如圖8所示。

當(dāng)R+jX在直角坐標(biāo)系中所確定的一個(gè)點(diǎn)，在系統(tǒng)故障后進(jìn)入到圖9的多邊形阻抗繼電器的各邊所“包圍”的區(qū)域內(nèi)部時(shí)，Trip Polygon多邊形繼電器元件動(dòng)作，也就是多邊形繼電器元件輸出值由不動(dòng)作時(shí)的低電平信號(hào)“0”變成高電平信號(hào)“1”。

本文中的多邊形阻抗繼電器采用四邊形動(dòng)作特性。四邊形各個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo)分別為：A（50，55）、B（60，-15）、C（-5，65）、D（0，60）。本仿真模型的建立，基于基本的距離保護(hù)原理。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路后，測(cè)量阻抗迅速由負(fù)荷阻抗過(guò)渡到短路阻抗，當(dāng)短路阻抗的端點(diǎn)K位于由A、B、C、D四個(gè)點(diǎn)所確定的四邊形阻抗特性內(nèi)部時(shí)，四邊形阻抗繼電器元件動(dòng)作，發(fā)出動(dòng)作信號(hào)。

2.4 ?短路故障模塊的搭建

該模塊主要由“Timed Fault Logic”、“Three Phase Fault”、“Rotary Switch”三個(gè)元件構(gòu)成?？梢阅M輸電線路發(fā)生單相接地短路、三相短路、兩相短路等常見(jiàn)的短路故障。并且可以對(duì)故障發(fā)生的時(shí)刻，故障的類(lèi)型進(jìn)行設(shè)置。

3 ?仿真結(jié)果

3.1 單相接地短路故障

輸電線路發(fā)生幾率最大的故障是單相接地故障。在模型中，設(shè)置短路故障模塊，使系統(tǒng)在0.2秒的時(shí)刻發(fā)生A相接地短路，短路點(diǎn)在線路全長(zhǎng)的50%處，短路持續(xù)時(shí)間0.05秒。仿真結(jié)果如下圖所示。

從結(jié)果分析可知，在發(fā)生故障期間（上圖中fit信號(hào)為高電平的時(shí)間段）A相的電壓大幅降低，同時(shí)電流急劇增大。在發(fā)生短路期間，繼電保護(hù)模塊中A相的Line to Ground Impedance線對(duì)地阻抗元件，測(cè)量到的短路阻抗在直角坐標(biāo)系中的曲線如圖12所示。

故障后的測(cè)量阻抗落入了由A（50，55）、B（60，-15）、C（-5，65）、D（0，60）四個(gè)點(diǎn)做確定的四邊形內(nèi)。此時(shí)，符合Trip Polygon多邊形繼電器元件的動(dòng)作條件，該元件發(fā)出使斷路器B1跳閘的信號(hào)，即圖8 中的“IT_6”由低電平信號(hào)變?yōu)楦唠娖叫盘?hào)，此信號(hào)控制斷路器B1，使其從閉合狀態(tài)變?yōu)閿嚅_(kāi)狀態(tài)，從而將單相接地故障切除。

斷路器跳閘切除故障后，三相電壓趨于正常，線路中的電流幅值將至0值，這意味著保護(hù)正確動(dòng)作，仿真軟件部分的算法可靠，能夠正確的識(shí)別故障。

3.2 相間短路故障

對(duì)應(yīng)相間短路故障，由圖8中的相間阻抗元件進(jìn)行故障的識(shí)別和判斷。設(shè)置BC兩相發(fā)生相間短路，故障持續(xù)時(shí)間0.05秒，得到的仿真結(jié)果如圖13所示。

BC相間短路后，和B相C相相關(guān)的相間阻抗元件同樣能夠準(zhǔn)確的識(shí)別到故障情況的發(fā)生，，“IT_6”在故障發(fā)生后變?yōu)楦唠娖剑瑢?duì)外輸出使B1斷路器跳開(kāi)的信號(hào)，保護(hù)正確動(dòng)作。

4 ?結(jié)語(yǔ)

本文利用PSCAD仿真軟件，成功的將輸電線路距離保護(hù)的原理，以軟件的形式復(fù)現(xiàn)出來(lái)。此模型，利于我們對(duì)系統(tǒng)發(fā)生故障后系統(tǒng)各部分的電壓電流和潮流的分布，故障后系統(tǒng)的狀態(tài)有更深入的了解。單相故障和相間故障后，保護(hù)正確動(dòng)作證明了模型的可靠性。再次模型的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步開(kāi)展更深入的其他研究。

參考文獻(xiàn)

[1]段立立. 含寧東直流的山東電網(wǎng)交直流系統(tǒng)PSCAD建模與仿真[D]： 華北電力大學(xué)， 2012.

[2] 張愛(ài)蘭. PSCAD/EMTDC和ATP仿真在數(shù)字式繼電保護(hù)中的應(yīng)用[J]. 電氣傳動(dòng)自動(dòng)化， 2012（6）： 36-39.

[3]彭湃，程漢湘. 基于PSCAD4.2軟件的電力系統(tǒng)距離保護(hù)仿真分析[J]. 電工電氣， 2014（7）： 28-31.

[4]韓曉雯. 基于PSCAD的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)和機(jī)電暫態(tài)混合仿真研究[D]. 華北電力大學(xué)（北京）， 2016.

[5]燕林滋，馬金燕，李靜，等. 基于PSCAD線路距離保護(hù)的仿真分析[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件， 2017（ 03）： ?139- 142.

作者簡(jiǎn)介：

鄭雷（1983年出生），工程碩士，工程師，主要從事新能源發(fā)電及微電網(wǎng)控制方面工作，郵箱：zhengl@nrec.com