電力系統(tǒng)動態(tài)仿真中的繼電保護(hù)模型

1、第33卷第20期2009年10月25日Vol.33No.20Oct.25,2009電力系統(tǒng)動態(tài)仿真中的繼電保護(hù)模型孫元章1,楊軍1,張曉東2,彭曉濤1,劉焱3(1.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院,湖北省武漢市430072;2.河南省電力試驗研究院系統(tǒng)所,河南省鄭州市450052;3.湖北省電力試驗研究院系統(tǒng)所,湖北省武漢市430077)摘要:針對仿真程序中繼電保護(hù)模型的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述,提出了繼電保護(hù)模型的建模方法,進(jìn)而構(gòu)建了一個用于電網(wǎng)穩(wěn)定計算的繼電保護(hù)模型接口仿真平臺。在PSASP中引入了距離保護(hù)模型,進(jìn)行了暫態(tài)穩(wěn)定仿真計算,仿真結(jié)果如實描述了線路后備保護(hù)的動作特性,表明引入繼電保護(hù)模型能更真實地

2、反映實際電力系統(tǒng)受擾動后的動態(tài)行為。關(guān)鍵詞:動態(tài)仿真;繼電保護(hù);暫態(tài)穩(wěn)定;電力系統(tǒng)綜合分析程序中圖分類號:TM77;TM7430引言利用電力系統(tǒng)動態(tài)仿真程序模擬和分析電力系統(tǒng)的全過程穩(wěn)定特性,對避免發(fā)生大面積停電事故,用。但是,無法真實、完全地反映繼電保護(hù)元件在電網(wǎng)故障期間的動態(tài)行為對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。所以迫切需要在穩(wěn)定分析軟件中加入繼電保護(hù)裝置模型,真實模擬電網(wǎng)全過程動態(tài)行為,這對于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析的仿真精確性十分重要。本文圍繞電力系統(tǒng)動態(tài)仿真程序中的繼電保護(hù)模型進(jìn)行研究,提出了建模方法,討論了用于電網(wǎng)穩(wěn)定計算的繼電保護(hù)裝置模型接口仿真程序的基本結(jié)構(gòu);在此基礎(chǔ)上,結(jié)合電力系統(tǒng)仿真計算軟件

3、PSASP的用戶程序接口(UPI)功能,采用常用的新英格蘭10機(jī)39節(jié)點系統(tǒng)作為仿真算例,在算例中引入距離保護(hù)模型進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定計算仿真,結(jié)果表明引入繼電保護(hù)模型能更真實地反映電力系統(tǒng)受到擾動后較長過程的動態(tài)特性。1125。Overviewofrelayprotectionmodelinpowersystemsimulationsoftware仿真軟件PSASPBPAPSS/ENETOMACEUROSTAG研究現(xiàn)狀無具體模型,發(fā)生故障后靠預(yù)定時間動作跳閘模型簡單僅能模擬簡單的保護(hù)功能模型與PSS/E相同僅能模擬簡單的保護(hù)功能表1所示的繼電保護(hù)模型都是以國外的繼電保護(hù)裝置為原型,基本上集中在距離繼

4、電器(圓特性為主)、失步保護(hù)繼電器、失磁繼電器、串聯(lián)電容間隙保護(hù)繼電器、過電流繼電器等繼電器上,繼電保護(hù)類型不夠豐富,缺少各類新型繼電保護(hù)裝置的模型和定值,與國內(nèi)目前電力系統(tǒng)中實際廣泛應(yīng)用的繼電保護(hù)裝置有著較大區(qū)別,不能反映國內(nèi)電力系統(tǒng)中繼電保護(hù)裝置的動作特性。因此,在電力系統(tǒng)動態(tài)仿真程序中建立與國內(nèi)實際應(yīng)用的繼電保護(hù)裝置動作特性相一致的繼電保護(hù)模型是非常必要的,能夠極大地提高仿真的真實性和準(zhǔn)確性,對于電力系統(tǒng)長過程動態(tài)仿真具有重要意義。1電力系統(tǒng)仿真程序中繼電保護(hù)模型現(xiàn)狀目前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的電力系統(tǒng)仿真程序中有的軟件沒有提供繼電保護(hù)模型,僅僅靠預(yù)定時間后開關(guān)的開斷來實現(xiàn)保護(hù)功能,也有一些軟件

5、提供了2電力系統(tǒng)仿真程序中繼電保護(hù)模型的建模方法電力系統(tǒng)仿真程序中的繼電保護(hù)仿真一般主要有以下幾種建模方法6212:一是定時判別法,沒有具體的繼電保護(hù)模型,發(fā)生故障后斷路器的動作特性只靠預(yù)先設(shè)定的時間和動作狀態(tài)來確定,易于滿足速動性的要求,實現(xiàn)簡單;二是定值判別法,這種方47收稿日期:2008212231;修回日期:2009206209。國家自然科學(xué)基金資助項目(50707021)。2009,33(20)法加入了繼電保護(hù)模型,并以該模型的保護(hù)原理、保護(hù)整定定值配合和動作時延配合來反映選擇性,靠自身的模型來反映靈敏性要求,結(jié)果準(zhǔn)確,能夠真實反映繼電保護(hù)裝置動作特性,但計算量較大。這兩種方法各有優(yōu)

6、缺點,需要根據(jù)實際情況加以應(yīng)用。相對于定時判別法而言,依據(jù)實際保護(hù)裝置的動作邏輯和保護(hù)原理建立的定值判別法能準(zhǔn)確描述繼電保護(hù)裝置的動作特性,并能夠真實模擬實際電網(wǎng)中保護(hù)裝置的動作情況。但是,實際保護(hù)裝置的模型過于復(fù)雜,在用于機(jī)電暫態(tài)和中長期動態(tài)仿真時可以在不影響仿真精確度的前提下進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕Ｒ噪娋W(wǎng)線路保護(hù)為例,高壓電網(wǎng)線路保護(hù)裝置的主保護(hù)動作時間很短(20ms左右),即使加上斷路器的滅弧時間,總的動作時間也僅在100ms左右,基本處于電磁暫態(tài)過程中,對于機(jī)電暫態(tài)和中長期動態(tài)仿真過程來說時間非常短;另外,現(xiàn)有線路主保護(hù)主要由高頻保護(hù)和分相電流差動保護(hù)構(gòu)成,保護(hù)原理成熟,動作可靠性極高。因此,

7、中長期動態(tài)仿真過程中,保護(hù)進(jìn)行簡化,后跳閘。1所示。都需要依據(jù)實際保護(hù)裝置的動作邏輯和保護(hù)原理應(yīng)用定值判別法進(jìn)行建模。對于大規(guī)模電力系統(tǒng),如果在仿真時對每一個元件(發(fā)電機(jī)、變壓器、線路等)的繼電保護(hù)裝置都進(jìn)行模擬,將導(dǎo)致計算量的大幅增加(這也是目前暫態(tài)穩(wěn)定計算中很少考慮繼電保護(hù)模型的一個重要原因)。對于這樣的情況,除了上文提到的對主保護(hù)、后備保護(hù)分別處理以外,還可以采取一些措施,例如延長計算間隔、并行計算等。后備保護(hù)對于計算實時性要求不高,因此可以延長其計算間隔,即多個穩(wěn)定計算步長后才計算一次保護(hù)模型,能夠有效減少計算量。3用于電網(wǎng)動態(tài)特性分析的繼電保護(hù)模型接口仿真平臺設(shè)計綜上所述,不足,。該

8、軟件由圖形化操作平臺、SQL數(shù)據(jù)庫和外部接口程序組成,能夠與任一電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算軟件接口,導(dǎo)入在穩(wěn)定計算軟件中定義的仿真電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其參數(shù),在圖形化操作平臺上對電網(wǎng)中各個元件所需繼電保護(hù)模型進(jìn)行配置和整定,進(jìn)而在每一個仿真步長中通過外部接口程序在線訪問穩(wěn)定計算軟件,將穩(wěn)定計算軟件產(chǎn)生的電網(wǎng)各節(jié)點電壓、電流數(shù)據(jù)實時送入到繼電保護(hù)模塊中,按照預(yù)先配置好的繼電保護(hù)裝置的動作判據(jù)以及整定值進(jìn)行在線計算和判斷,然后將繼電保護(hù)裝置的動作情況回送到穩(wěn)定計算軟件中去控制相應(yīng)電氣元件的狀態(tài)和電網(wǎng)模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),從而實現(xiàn)了閉環(huán)、交互式的實時仿真,克服了以往穩(wěn)定計算軟件不能真實反映繼電保護(hù)和安全自動裝置動態(tài)行為

9、的缺點,能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)全動態(tài)過程進(jìn)行有效仿真。該仿真平臺的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖1線路主保護(hù)的動作邏輯框圖Fig.1Theswitchlogicofmainprotectionforpowerline該保護(hù)分相跳閘,跳閘時間T可以整定,范圍為0500ms,缺省值為100ms。對于高壓電網(wǎng)線路保護(hù)的后備保護(hù),主要由距離保護(hù)和零序過流保護(hù)構(gòu)成,其動作時間相對較長(尤其是段、段,可達(dá)幾秒),對機(jī)電暫態(tài)和中長期動態(tài)過程影響較大;另外,距離保護(hù)還可能受到系統(tǒng)振蕩和運行方式的影響而誤動或拒動。因此,需要依據(jù)實際保護(hù)裝置的動作特性來構(gòu)建機(jī)電暫態(tài)和中長期動態(tài)仿真過程中的后備保護(hù)模型,不能像主保護(hù)一樣進(jìn)行簡化。

10、因此,對于電氣元件的主保護(hù)(以差動保護(hù)為主),從電力系統(tǒng)長過程仿真的角度出發(fā),可以用定時判別法進(jìn)行建模;對于電氣元件的后備保護(hù),一般48圖2程序總體結(jié)構(gòu)Fig.2Structureofthesoftware學(xué)術(shù)研究孫元章,等電力系統(tǒng)動態(tài)仿真中的繼電保護(hù)模型程序每個部分的功能和作用如下:1)圖形化平臺:圖形化平臺是整個軟件的支撐和人機(jī)接口,界面與PSASP類似。用戶可以將電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電網(wǎng)參數(shù)等相關(guān)信息從電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算軟件的數(shù)據(jù)庫中通過專門的數(shù)據(jù)接口讀出,并將讀出的電網(wǎng)信息(包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電網(wǎng)參數(shù)等)顯示在圖形化平臺中。同時,用戶可以通過圖形化平臺對電網(wǎng)中每個元件所安裝的繼電保護(hù)和安全自動

11、裝置進(jìn)行配置,包括發(fā)電機(jī)保護(hù)、變壓器保護(hù)、線路保護(hù)、母線保護(hù)等,設(shè)置相關(guān)配置情況、類型以及動作定值。得到的電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電氣元件參數(shù)以及相應(yīng)的保護(hù)配置情況全部存入SQLServer數(shù)據(jù)庫。2)SQLServer數(shù)據(jù)庫:SQLServer數(shù)據(jù)庫作為整個程序的后臺數(shù)據(jù)支撐,保存電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、元件參數(shù)、繼電保護(hù)裝置配置情況及相應(yīng)整定值。3)繼電保護(hù)模型庫:以目前國內(nèi)外電網(wǎng)中實際應(yīng)用的繼電保護(hù)裝置為原型,建立能夠全面反映繼電保護(hù)裝置動作特性的繼電保護(hù)模型庫,繼電保護(hù)裝置的算法、行簡化,備保護(hù)實裝置邏輯來建模13216。4):與穩(wěn)定計算軟件進(jìn)行接口,執(zhí)行具體的保護(hù)和自動裝置動作情況判斷,并將動作結(jié)果返送到穩(wěn)

12、定計算軟件。外部接口程序初始化時從SQLServer數(shù)據(jù)庫中獲取電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電氣元件參數(shù)、每個元件的繼電保護(hù)的具體配置以及整定值,從繼電保護(hù)模型庫獲取需要用到的保護(hù)和自動裝置的判據(jù);開始計算時,在穩(wěn)定計算軟件的每一個計算步長后,從穩(wěn)定計算軟件獲取該時刻所有裝設(shè)了保護(hù)和自動裝置的節(jié)點的電壓、電流信息(保存一定時段數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)),按照既定的保護(hù)判據(jù)進(jìn)行計算,如果某個電氣元件滿足保護(hù)裝置的動作條件,則保護(hù)裝置動作,切除該元件,并把動作信息返回給穩(wěn)定計算軟件和圖形化平臺,然后此次計算結(jié)束,等待下一步穩(wěn)定計算軟件計算步長;如果所有的保護(hù)裝置都不滿足動作條件,則保護(hù)不動作,不作任何處理,此次計算結(jié)束,等

13、待下一步穩(wěn)定計算軟件計算步長。VisualC+程序編程,在PSASP中引入了距離保護(hù)模型,初步實現(xiàn)了含繼電保護(hù)模型的暫態(tài)穩(wěn)定計算仿真。當(dāng)然,無論是機(jī)電暫態(tài)仿真軟件還是中長期動態(tài)仿真軟件,只要得到了其計算接口,都可以與本文提出的繼電保護(hù)模型接口仿真平臺相連接,從而實現(xiàn)含繼電保護(hù)模型的機(jī)電暫態(tài)仿真和中長期動態(tài)仿真。4.1PSASP的用戶程序接口功能PSASP的UPI17提供了一種自定義功能和環(huán)境,使PSASP執(zhí)行模塊和UPI執(zhí)行模塊聯(lián)合運行,共同完成某一計算任務(wù),其計算模式如圖3所示。圖3PSASP/UPIFig.3OperationmodeofUPI。X,中獲得的數(shù),33.F1中(33為用戶程Y

14、,即UPI計算結(jié)果輸出,等待PSASP計算處理的數(shù)據(jù),存放在輸出信息文件33.F2中。因此,PSASP和UPI的流程分別如圖4(a)、圖4(b)所示。圖4PSASP和UPI的流程Fig.4FlowchartofPSASPandUPI4含距離保護(hù)模型的PSASP穩(wěn)定計算仿真由于上面所提到的繼電保護(hù)模型接口仿真平臺軟件目前還在編制過程中,本文利用電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP自帶的用戶程序接口功能,結(jié)合4.2含距離保護(hù)動作特性的穩(wěn)定計算仿真保護(hù)模型多種多樣,在本文的算例分析中,以距離保護(hù)為例,在PSASP中應(yīng)用UPI建立其數(shù)學(xué)模型,然后進(jìn)行穩(wěn)定計算仿真。本文采用新英格蘭10機(jī)39節(jié)點系統(tǒng)作為算例系

15、統(tǒng),其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。設(shè)定0.2s時在線路11上母線7側(cè)線路出口處發(fā)生三相永久性接地故障,0.3s時該條線路的主保護(hù)動作切除線路11。仿真計算的積分步長為0.01s,計算總時間為20s。在這種故障情況下,考察其他線路的保護(hù)動作情況。4.2.1故障線路斷開后對其他線路潮流的影響當(dāng)線路11上發(fā)生故障并被主保護(hù)切除后,該線492009,33(20)路上的潮流將轉(zhuǎn)移,使得其他線路上的潮流發(fā)生變化,可能導(dǎo)致其他線路過載。如圖6所示,線路9上的電流增加最大,其電流峰值出現(xiàn)在第82個工頻周期,大小為5361A。此時,線路9在母線6側(cè)的視在阻抗為10.679,已進(jìn)入距離段保護(hù)的動作范圍。其他線路上的電流也

16、有變化,但變化不如線路9明顯。動作區(qū)域,將延時切除線路9。從仿真結(jié)果可以看出,加入保護(hù)模型前,無法判斷線路后備保護(hù)的實際動作情況,只能預(yù)先機(jī)械地指定后備保護(hù)動作時間;在穩(wěn)定計算程序中加入保護(hù)模型,并采用實時穩(wěn)定計算中間數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)動作判據(jù)計算后,能夠準(zhǔn)確模擬線路后備保護(hù)的實際動作特性,其仿真結(jié)果能更加真實地反映實際電力系統(tǒng)發(fā)生故障時的動態(tài)過程。5結(jié)語本文分析了繼電保護(hù)模型對于電力系統(tǒng)動態(tài)仿真的重要意義,提出了電力系統(tǒng)仿真程序中繼電保護(hù)模型的建模方法,討論了用于電網(wǎng)動態(tài)特性分析的繼電保護(hù)模型接口仿真平臺的設(shè)計方案;利用PSASPPSASP中引,含線路保護(hù)模。附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(39節(jié)點算例Fig.

17、5102unit392bustestsystem參考文獻(xiàn)1趙中原,李九虎,鄭玉平.基于詳細(xì)控制保護(hù)模型的黑河直流系統(tǒng)EMTDC仿真.電力系統(tǒng)自動化,2008,32(10):94296.ZHAOZhongyuan,LIJiuhu,ZHENGYtectionmodel.EMTDCsimulationofHeiheHVDCsystembasedondetailedcontrolandAutomationofElectricPowerSystems,2008,32(10):94296.2李志興,蔡澤祥,許志華.繼電保護(hù)裝置動作邏輯的數(shù)字仿真系統(tǒng).電力系統(tǒng)自動化,2006,30(14)

18、:972101.LIZhixing,CAIZexiang,XUZhihua.Digitalsimulationsystemofrelayprotectionmovementlogic.AutomationofElectricPowerSystems,2006,30(14):972101.3郭征,賀家李,楊洪平,等.電力系統(tǒng)故障時繼電保護(hù)裝置動態(tài)特圖6線路電流變化曲線Fig.6Curveoflinecurrentvariation性的數(shù)字仿真.電力系統(tǒng)自動化,2003,27(11):38考慮距離保護(hù)模型的仿真分析顯然,對于因短路而切除故障線路引起的其他線路過載可能造成的保護(hù)誤動

19、作情況,常規(guī)仿真軟件或者定時判別法是無法正確區(qū)分的,必須在每一GUOZheng,HEJiali,YANGHongping,etal.Digitalsimulationofdynamicperformanceofprotectiverelayindevicesduringfaults.AutomationofElectricPowerSystems,2003,27(11):38241.4胡玉峰,陳德樹,尹項根,等.天平串補(bǔ)線路繼電保護(hù)數(shù)字仿真平條線路上設(shè)置與實際保護(hù)裝置相同的繼電保護(hù)模型,通過在線實時計算來實現(xiàn)。在新英格蘭10機(jī)39節(jié)點系統(tǒng)的所有線路上都安裝距離保護(hù)段、段、段(采用常用多邊形距離

20、繼電器特性,具體定值見附錄A)。UPI加入距離保護(hù)模型后,通過在線計算發(fā)現(xiàn),在t=1.64s時,測量阻抗進(jìn)入線路9的距離段的50臺的開發(fā).電力系統(tǒng)自動化,2006,30(4):87292.HUYufeng,CHENDeshu,YINXianggen,etal.Designofadigitalrelaysimulationplatformofthecompensatedline.2006,30(4):87292.5黃太貴,何樺,胡炎,等.基于2層體系的定值法保護(hù)通用仿真.Tian2PingseriesAutomationofElectricPowerSystems,電力系統(tǒng)自動化,2005,29

21、(22):74276.HUANGTaigui,HEHua,HUYan,etal.Universal學(xué)術(shù)研究孫元章,等電力系統(tǒng)動態(tài)仿真中的繼電保護(hù)模型protectionquantitativecomparisonsimulationbasedontwo2levelstructure.AutomationofElectricPowerSystems,2005,29(22):74276.6陳德樹.大電網(wǎng)安全保護(hù)技術(shù)初探.電網(wǎng)技術(shù),2004,28(9):14218.CHENDeshu.technologyofPreliminaryresearchonsecurityprotectionlarge2s

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