基于PSCAD軟件平臺的電力繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn) - 肖仕武 - 圖文-

1、第34卷第5期2012年10月電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)JOURNAL OF EEEVol34No5Oct2012收稿日期:2012-02-21;修回日期:2012-04-06第一作者:肖仕武(1974-,男,博士、副教授,主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、故障分析的教學(xué)與科研工作,E-mail :xiaoshiwu263net 基于PSCAD 軟件平臺的電力繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)肖仕武,劉建輝,王增平(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,北京102206摘要:本文針對當(dāng)前繼電保護(hù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題,提出利用PSCAD /EMTDC 軟件代替原來的硬件平臺進(jìn)行各類繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)的方案。文中首先分析了新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn),

2、然后介紹了幾種基于PSCAD /EMTDC 軟件平臺的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)實(shí)例,包括零序電流三段式保護(hù)和縱聯(lián)電流差動保護(hù)實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)中各類故障下的仿真曲線和保護(hù)動作情況,驗(yàn)證了軟件仿真實(shí)驗(yàn)的可行性。關(guān)鍵詞:繼電保護(hù);實(shí)驗(yàn)教學(xué);PSCAD /EMTDC 中圖分類號:G 64,TM 773文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1008-0686(201205-0081-03Experiment for Power System Protective Relay Based on PSCAD SoftwareXIAO Shi-wu ,LIU Jian-hui ,WANG Zeng-ping(School of Elec

3、trical and Electronic Engineering ,North China Electric Power University ,Beijing 102206,China Abstract :Now protection relay experiments in university have some problems ,this paper analyses these problems and presents a new relay experiment scheme based on PSCAD /EMTDC softwareThis paper describes

4、 charac-teristics of this new experiment scheme ,and introduces two experiments based on this schemeOne is three zone protection of zero sequence current ,the other is current comparison pilot protectionThe results with variables changing processes and relay action are presented ,and the feasibility

5、 of this experiment is provenKeywords :protective relay ;experiment education ;PSCAD /EMTDC繼電保護(hù)是電力系統(tǒng)二次部分的核心。繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)課程能使學(xué)生掌握繼電保護(hù)設(shè)備的工作原理,熟悉設(shè)備各環(huán)節(jié)的特性和調(diào)試以及整定方法,幫助學(xué)生把學(xué)到的繼電保護(hù)知識應(yīng)用于實(shí)際。目前高校開設(shè)的“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理”課程實(shí)驗(yàn)普遍存在一些問題。主要是傳統(tǒng)的電流繼電器和電壓繼電器等現(xiàn)已基本被微機(jī)繼電保護(hù)所代替,而當(dāng)前微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)雖然向?qū)W生介紹了微機(jī)保護(hù)裝置各插件,對微機(jī)保護(hù)裝置進(jìn)行外特性實(shí)驗(yàn),卻沒有讓學(xué)生參與微機(jī)保護(hù)軟件的編程與驗(yàn)

6、證實(shí)驗(yàn),他們不能很好地理解微機(jī)保護(hù)裝置內(nèi)部的動作邏輯過程。因此開展模擬真實(shí)故障行為保護(hù)動作的實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生參與到微機(jī)保護(hù)軟件的編寫與驗(yàn)證中,需要有一個良好的保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺支持。1基于分析軟件的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)PSCAD /EMTDC 是當(dāng)前國際上普遍流行的一種電磁暫態(tài)分析軟件包,廣泛應(yīng)用于世界各國的電力系統(tǒng)仿真,可對包含復(fù)雜非線性元件的大型電力系統(tǒng)進(jìn)行全三相的精確模擬。其核心是內(nèi)置的元件模型庫,該元件模型庫幾乎涵蓋了電力系統(tǒng)輸配變電的所有元件,并包含有大量測量、控制用模型元件。PSCAD 圖形用戶界面的成功開發(fā),使得用戶可通過圖形添加的方式來解決一些復(fù)雜的電路功能,相對于基于數(shù)學(xué)模型的Matlab 仿

7、真軟件而言,更易為學(xué)生所接受1。82電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)第34卷用PSCAD /EMTDC 進(jìn)行繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)的流程圖如圖1所示 。圖1實(shí)驗(yàn)流程圖學(xué)生首先根據(jù)原理圖搭建出仿真系統(tǒng)的一次和二次模型,然后設(shè)置各元件的參數(shù)和一次線路的故障,并且在需要觀測變量點(diǎn)添加測量電表,最后執(zhí)行仿真輸出相關(guān)的電氣量。執(zhí)行仿真時,PSCAD 調(diào)用軟件自帶的編譯器將PSCAD 中的電路模型編譯為 主Fortran 程序,即將可視化的模型元件轉(zhuǎn)換為EMTDC 的子函數(shù),并根據(jù)電路連接關(guān)系自動進(jìn)行節(jié)點(diǎn)編號和參數(shù)傳遞,然后利用設(shè)定的Fortran 編譯器通過調(diào)用EMTDC 引擎庫文件生成最終的執(zhí)行文件。在仿真進(jìn)行過程中,用戶可以

8、通過輸入輸出元件庫的控制元件自由調(diào)整參數(shù)值,以便觀察系統(tǒng)某些動態(tài)情況下的響應(yīng)特性2。2零序電流保護(hù)仿真實(shí)驗(yàn) 21零序電流保護(hù)簡介零序電流保護(hù)主要反映電力系統(tǒng)中的接地故障, 通常采用三段式保護(hù)。零序電流保護(hù)的段按躲過本線路末端單相短路時流過保護(hù)裝置的最大零序電流整定。零序電流保護(hù)的段與保護(hù)安裝處相鄰線路零序電流保護(hù)的段相配合。零序電流保護(hù)的段與相鄰線路的段相配合,是、段的后備保護(hù)3。22單項(xiàng)接地零序電流保護(hù)仿真單相接地零序電流保護(hù)實(shí)驗(yàn)中需要用到零序電流提取單元和零序電流比較單元。零序電流提取單元用于提取出保護(hù)所需要的零序電流,通過將測量電流分相、求和及求有效值,實(shí)現(xiàn)測量電流到零序電流的轉(zhuǎn)換。零序

9、電流比較單元將轉(zhuǎn)換后的零序電流與整定值作比較,大于整定值則給出一個動作信號。仿真中線路選擇架空線,設(shè)置A 相接地,故障時間設(shè)置為5s ,接地電阻分別為10(Ohm 、20(Ohm 和30(Ohm ,實(shí)驗(yàn)接線圖如圖2所示。圖2仿真實(shí)驗(yàn)接線圖仿真結(jié)果如圖3所示。由圖可見,不同的接地電阻時分別在0516s 、1000s 和1500s 發(fā)出保護(hù)動作信號。根據(jù)動作時間可以判斷,分別是保護(hù)的段、段和段發(fā)出跳閘信號。(a 接地電阻為10(Ohm(b 接地電阻為20(Ohm(c 接地電阻為30(Ohm 圖3不同接地電阻下的仿真結(jié)果23兩相接地和三相短路保護(hù)仿真設(shè)置A 、B 兩相接地和三相短路故障,相關(guān)參數(shù)設(shè)置

10、不變,從仿真結(jié)果可以看出保護(hù)都正確動作,并能夠根據(jù)動作時間判斷是哪一段保護(hù)電路發(fā)出的跳閘信號。第5期肖仕武,劉建輝,王增平:基于PSCAD 軟件平臺的電力繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)83通過以上各種情況的仿真,驗(yàn)證了該保護(hù)能夠?qū)崿F(xiàn)各種故障的切除,完全能夠?qū)崿F(xiàn)三段式零序電流保護(hù)的功能。3縱聯(lián)電流差動保護(hù)和仿真實(shí)驗(yàn)31縱聯(lián)電路差動保護(hù)簡介 隨著光纖通信技術(shù)在電力系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,縱聯(lián)電流差動保護(hù)在電力系統(tǒng)得到日益廣泛的應(yīng)用4。線路縱聯(lián)差動保護(hù)裝置動作速度快,不受單側(cè)電源運(yùn)行方式和電力系統(tǒng)振蕩的影響。迄今為止,輸電線縱聯(lián)保護(hù)的原理主要有比較線路兩端功率方向的方向縱聯(lián)保護(hù)、比較線路兩端電流相位的相位差動縱聯(lián)保護(hù)和比較兩

11、端全電流的電流差動縱聯(lián)保護(hù)。32單相接地的縱聯(lián)電流差動保護(hù) 縱聯(lián)電流差動保護(hù)實(shí)驗(yàn)中需要用到快速傅里葉變換元件和雙斜率比率制動式電流差動繼電器,如圖4所示。快速傅里葉變換元件用于將兩側(cè)提取的電流信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)信號的幅值和相角。雙斜率比率制動式電流差動繼電器是將傅里葉變換后的幅值和相角信號“描點(diǎn)”,若進(jìn)入該繼電器的動作區(qū)域便給出動作信號。 圖4電流傅氏變換和保護(hù)繼電器仿真中線路采用架空線,設(shè)置A 相接地故障,故障時間設(shè)置為1000s ,接地電阻為40(Ohm 。仿真運(yùn)行結(jié)果如圖5所示,保護(hù)在1023s 發(fā)出了動作信號。圖6為動作特性圖,動作特性為雙斜率比率制動式電流差動,兩條直線的斜率分別為03和

12、15,相交于動作特性直角坐標(biāo)系上的點(diǎn)(2,16。根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)描點(diǎn),發(fā)現(xiàn)在t =1023s 時,差動電流和制動電流所描點(diǎn)剛好進(jìn)入動作區(qū)域,仿真結(jié)果完全符合理論分析的中繼電器的動作情況。33兩相接地的縱聯(lián)電流差動保護(hù)設(shè)置AB 兩相接地,保護(hù)在1020s 發(fā)出了動作信號。通過以上各種情況的仿真,驗(yàn)證了該平臺所進(jìn)行的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)?zāi)軐?shí)現(xiàn)各種類型故障的切除,無論是區(qū)內(nèi)單相接地故障還是兩相接地故障,保護(hù)均在發(fā)生故障后約20ms 時刻發(fā)出跳閘信號,實(shí)現(xiàn)了差動保護(hù)的速動性和選擇性。圖5兩端電流和跳閘時間圖圖6動作特性圖4結(jié)語本文分析了當(dāng)前“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題,提出了利用軟件平臺代替硬件平臺的方案。我們利用PSCAD /EMTDC 軟件平臺進(jìn)行了兩種繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn),分別是零序電流三段式保護(hù)和縱聯(lián)電流差動保護(hù)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,該實(shí)驗(yàn)?zāi)芸煽康赝瓿捎布脚_的功能,同時能使學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)中去,促進(jìn)學(xué)生更好地理解問題、分析問題和解決問題,具有很大的應(yīng)用前景。在實(shí)踐中仍保留了部分原繼電保護(hù)裝置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,以增加學(xué)生感性認(rèn)識。參考文獻(xiàn):1孫佐基于P