基于PSCAD/EMTDC仿真軟件的弱電強(qiáng)磁輸電線路接地故障測(cè)距分析

山西博科慧通科技有限公司 韓 乾

PSCAD/EMTDC 軟件的計(jì)算精度高，仿真性能可靠，將其用于弱電強(qiáng)磁輸電線路接地故障測(cè)距時(shí)，可以模擬輸電線路的暫態(tài)過(guò)程，保證輸電線路接地故障測(cè)距結(jié)果準(zhǔn)確?；诖耍挛囊匀蹼姀?qiáng)磁輸電線路接地故障測(cè)距為例，研究PSCAD/EMTDC 仿真軟件在其中的應(yīng)用方法。

1 弱電強(qiáng)磁輸電線路解耦方法

1.1 初步解耦

同塔四回線弱電強(qiáng)磁系統(tǒng)中各回線導(dǎo)線無(wú)變壓器實(shí)現(xiàn)直接電氣聯(lián)系，導(dǎo)線的間距小，可能由于強(qiáng)磁聯(lián)系導(dǎo)致線路間存在零序互感，不利于系統(tǒng)正常運(yùn)行[1-2]。若四回線系統(tǒng)存在跨電壓等級(jí)接地故障，在此特殊情況下進(jìn)行解耦時(shí)，傳統(tǒng)的十二序分量法缺乏可行性。該問(wèn)題可應(yīng)用如下解除耦合方法：以六序分量法在同塔雙回線中的解耦原理為依據(jù)，分為兩子系統(tǒng)，用六序分量矩陣對(duì)各自解耦，確定回路的正、負(fù)、零序同反向量，在該解耦方法中，涉及的電氣量變換關(guān)系主要為：

變換矩陣S：

展開(kāi)可表示為：

式中，T、F為同反向量；符號(hào)上標(biāo)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為子系統(tǒng)雙回線；符號(hào)下標(biāo)0、1、2分別為零序、正序、負(fù)序；Z為解耦后的總阻抗矩陣，式（4）見(jiàn)下頁(yè)。

根據(jù)阻抗矩陣Z可知，在執(zhí)行解耦操作后，仍具有耦合關(guān)系的是零序阻抗參數(shù)及對(duì)應(yīng)電壓零序同反向量，為保證弱電強(qiáng)磁輸電線路解耦效果，在初步解耦的基礎(chǔ)上執(zhí)行深度解耦。

1.2 深度解耦

忽略已解耦的正負(fù)序阻抗，從矩陣Z 中提取初步解耦后仍存在耦合關(guān)系的零序同和零序反向量，建立零序互感矩陣，目的是為完全解耦零序互感阻抗矩陣，提取具有參考價(jià)值的弱電強(qiáng)磁輸電線路故障信息。零序矩陣與零序電壓電流的關(guān)系式，如式（5）。

引入不對(duì)稱參數(shù)k1、k2、k3、k4，建立解耦陣P0：

解耦后的零序阻抗與電壓電流關(guān)系式：

經(jīng)過(guò)初步解耦合深度解耦后，實(shí)現(xiàn)對(duì)弱電強(qiáng)磁系統(tǒng)線間互感的完全解耦，產(chǎn)生的零序分量未受到正負(fù)序分量的影響，僅與每回線參數(shù)相關(guān)。

2 弱電強(qiáng)磁輸電線路接地故障測(cè)距方法

某母線兩端零序電壓電流方向如圖1所示。圖中，F(xiàn)為故障點(diǎn)；L為線路全長(zhǎng)；DF為故障點(diǎn)到母線M端的故障距離（用M、N表示母線兩端，以便計(jì)算）；UF0為故障處零序電壓。

圖1 母線兩端零序電壓電流方向

計(jì)算分析中，將分布參數(shù)電路形式的輸電線用集中參數(shù)表示。對(duì)于環(huán)流量g0，根據(jù)線路電壓分布規(guī)律和故障序網(wǎng)圖，建立測(cè)距方程，如下：

3 PSCAD/EMTDC 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真模型及阻抗參數(shù)

輸電線路模型的搭建在PSCAD/EMTDC 軟件中完成，向MATLAB 中導(dǎo)入仿真運(yùn)行的數(shù)據(jù)，開(kāi)始編程計(jì)算[3-4]。

220kV 子系統(tǒng)、500kV 子系統(tǒng)兩側(cè)電源正序等效阻抗分別為j50Ω、j18Ω，零序等效阻抗分別為j80Ω、j54Ω。其中，220kV 子系統(tǒng)兩側(cè)用M、N表示；500kV 子系統(tǒng)兩側(cè)用P、Q表示。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 單系統(tǒng)接地故障仿真結(jié)果分析

考慮單系統(tǒng)內(nèi)部的4種接地故障，采用PSCAD/EMTDC 軟件進(jìn)行故障測(cè)距仿真，根據(jù)仿真結(jié)果研究本文所提方法是否具有可行性。單系統(tǒng)接地仿真結(jié)果如表1所示，其中G 為接地故障，A、B、C 為三相線路，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為不同的回線。

表1 單系統(tǒng)接地故障仿真結(jié)果

根據(jù)表1的仿真結(jié)果可知：相對(duì)測(cè)距誤差的最小值、最大值分別為0.015%、0.500%，折算誤差距離僅為0.025km，本文所提方法具有故障點(diǎn)定位精度高和測(cè)距精度高的優(yōu)勢(shì)，適用于子系統(tǒng)內(nèi)部不同類型接地故障的定位和測(cè)距。

3.2.2 跨電壓等級(jí)接地故障仿真結(jié)果分析

受落枝、鳥(niǎo)獸、惡劣天氣多種因素的影響，四回弱電強(qiáng)磁系統(tǒng)運(yùn)行期間可能出現(xiàn)不同電壓等級(jí)的回路跨線跨電壓故障，由于故障類型多，選取5種具有代表性的故障及4種故障距離，采用PSCAD/EMTDC 軟件進(jìn)行故障測(cè)距仿真，檢驗(yàn)本文方法對(duì)此類故障的測(cè)距準(zhǔn)確性。測(cè)距仿真結(jié)果，如圖2所示。

圖2 跨電壓等級(jí)故障仿真結(jié)果

結(jié)合表2和圖2仿真結(jié)果可知，故障測(cè)距誤差小于0.500%，表明本文所提方法在故障測(cè)距中具有可行性。

表2 不同相角差的仿真結(jié)果

3.2.3 不同相角差的仿真結(jié)果分析

以距M 端40km 處的四種故障為例，系統(tǒng)經(jīng)不同電源相角差的測(cè)距結(jié)果，如表2所示。根據(jù)表2信息，檢驗(yàn)本方法在系統(tǒng)兩端電源相角不同時(shí)的應(yīng)用效果。

根據(jù)上述仿真結(jié)果可知，跨電壓等級(jí)或某電壓等級(jí)出現(xiàn)接地故障時(shí)，測(cè)距結(jié)果的誤差在允許范圍內(nèi)，受兩端電源不同相角差的影響較小，本文方法對(duì)不同相角差的仿真結(jié)果具有可靠性。

綜上所述，本文在了解PSCAD/EMTDC軟件應(yīng)用原理的基礎(chǔ)上，提出弱電強(qiáng)磁輸電線路解耦方法，考慮線路的多種故障類型，采用PSCAD/EMTDC 軟件分別進(jìn)行仿真，得出如下結(jié)論。

第一，基于弱電強(qiáng)磁輸電線路故障狀態(tài)時(shí)的反向零序環(huán)流分量完成故障測(cè)距，干擾因素少，全程涉及的計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，滿足高精度、高效率的測(cè)距要求，本文方法具有實(shí)用性。

第二，根據(jù)單電壓等級(jí)系統(tǒng)和跨電壓接地系統(tǒng)的故障仿真結(jié)果可知，在故障定位精度方面，本方法在跨電壓等級(jí)接地故障中具有更明顯的優(yōu)勢(shì)，主要與干擾因素少和計(jì)算信息全面有關(guān)，故障定位精度更高。

第三，本文方法在近母線端的測(cè)距精度高于遠(yuǎn)端，此特點(diǎn)在不同接地故障類型中均是如此，同時(shí)系統(tǒng)阻抗參數(shù)、相角差對(duì)測(cè)距精度的影響較小。