基于保護及安全自動裝置模型進行連鎖故障仿真分析-電氣工程論文

1、摘 要摘 要在電網(wǎng)規(guī)模擴大且結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜的同時，電網(wǎng)運行的安全性和可靠性受到新的挑戰(zhàn)，大停電事故帶來的損失也更加巨大。造成這大停電事故的罪魁禍首正是電網(wǎng)的連鎖故障，而繼電保護和安全自動裝置對故障的發(fā)展起到關(guān)鍵作用，因此在對其進行的機電暫態(tài)及中長期過程仿真計算中應(yīng)該考慮它們的動作特性。除連鎖故障之外需要考慮繼保動作邏輯的還有電力系統(tǒng)的全過程動態(tài)仿真和電網(wǎng)動態(tài)安全評估系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外的電力系統(tǒng)分析軟件中保護及自動裝置的建模和仿真還比較少，且多以國外的裝置為原型，不能滿足仿真需求，而人為設(shè)定繼電器開關(guān)動作不但困難而且不夠準確，影響仿真結(jié)果。針對上述問題本文提出并研究了保護和安全自動裝置建模方法，并

2、基于所建立模型進行連鎖故障仿真分析。模型通過PSASP的用戶自定義的方式搭建。繼電保護及安全自動裝置是由不同的元件按照一定的邏輯關(guān)系組成的，裝置中的很多元件具有一定的通用性。建模時首先將這類元件單獨建模，作為具體保護和自動裝置模型的基本功能框。保護及自動裝置大都可以分解成基本元件的組合，完成基本元件建模后，由其根據(jù)各種保護原理進行具體保護建模，使所建立的模型具有較強的通用性。最后匯總成繼電保護和安全自動裝置模型庫。在仿真計算中添加繼保和安自模型，通過河南南部實際算例和WSCC9節(jié)點算例進行驗證和連鎖故障仿真計算，結(jié)果表明能夠真實反映繼電保護動作邏輯，反應(yīng)電力系統(tǒng)全過程動態(tài)行為，實現(xiàn)連鎖故障的仿

3、真分析。關(guān)鍵詞：基本元件模型；繼電保護；安全自動裝置；連鎖故障AbstractThe power grid is becoming larger and more complex, at the same time, the safety and reliability of power system operation have faced new challenges, and large-scale blackouts cause huger lost. The culprit of large-scale blackouts is cascading failure, and rela

4、y protection and automatic devices play a critical role in development of failure, therefore during the simulation calculation of the cascading failure mechanical and electrical transient and long-term process should be considered in their operating characteristics.At present, domestic and overseas

5、power system analysis software is lack of relay model and their prototype most are foreign devices. The software cant meet simulation demand. While, artificial relay switching is not only difficult but also inaccurate, impacting simulation results.In order to solve the above issues, a method of rela

6、y Modeling is proposed and studied in this paper, then do cascading failure simulation based on the established models. Models are developed by User-Defined Model. Relay protection and automation devices is made up of different components with certain logic, these components has certain generality.

7、First, Basic component model is developed, as the relay model basic frame. Various Relay protection models is composed of many basic component models which according to specific protection principle, therefore those models can have strong commonality. Protection relay models are introduced in simula

8、tion process, though WSCC 9-bus case and Henan actual example for verification and fault simulation chain. The simulation results show that the method can reflect protection action more accurately, and simulation of Cascading failure is realized.Key words: Basic element model; Relay Protection; Auto

9、mation Devices; Cascading failureI目 錄目 錄摘要IAbstractII主要符號表V第1章 緒論11.1研究的背景與意義11.1.1研究背景11.1.2研究目的與意義11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.3本文的主要工作5第2章 繼電保護建模與仿真實現(xiàn)方法62.1 繼電保護的基本任務(wù)和動作原理62.2繼電保護建模方法62.2.1 建模思路62.2.2 基本元件模型72.2.3 電流互感器模型142.2.4 電壓互感器模型162.3 繼電保護模型仿真實現(xiàn)方法192.4 本章小結(jié)19第3章 繼電保護裝置的建模設(shè)計213.1 線路保護的建模213.1.1 電流電壓保護213.

10、1.2 零序電流保護223.1.3 相間距離保護223.1.4 接地距離保護243.1.5 高頻閉鎖方向保護253.1.6 其他保護263.2 發(fā)電機保護的建模263.2.1 過負荷保護263.2.2 異常運行保護273.2.3 低勵失磁保護283.3 變壓器保護的建模293.3.1 相間后備保護293.3.2 接地后備保護303.3.3 其他保護313.4 本章小結(jié)31第4章 安全自動裝置的建模設(shè)計324.1 自動重合閘裝置的建模324.1.1 三相一次重合閘裝置模型324.1.2 檢無壓/檢同期重合閘裝置模型334.1.3 綜合重合閘裝置模型354.2 切機/解列裝置的建模374.2.1

11、電流方向解列裝置模型374.2.2 高頻切機裝置模型394.2.3 低頻/低壓減載裝置模型394.3 本章小結(jié)40第5章 模型驗證和仿真應(yīng)用415.1 模型驗證415.1.1算例介紹415.1.2驗證結(jié)果及分析415.2 仿真應(yīng)用475.2.1電網(wǎng)連鎖故障機理研究概況475.2.2基于建立模型的連鎖故障仿真485.2.3 連鎖故障仿真平臺設(shè)計535.3 本章小結(jié)54結(jié)論55參考文獻56攻讀學位期間發(fā)表的學術(shù)論文及參與科技項目59致謝60III主要符號表主要符號表英文字母VAR、VAI母線A相電壓實部、虛部IARI、IAII支路i側(cè)A相電流的實部、虛部I1RJ、I1IJ支路j側(cè)正序電流實部、虛部

12、ANGB母線電壓相角VT母線電壓IARJ支路j側(cè)A相電流實部、虛部OPA、OP3 線路操作：開斷A相、開斷三相RL、XL支路電阻、電抗I0II、I0RI支路i側(cè)零序電流虛部、實部I2II、I2RI支路i側(cè)負序電流虛部、實部I2IJ、I2RJ支路j測負序電流虛部、實部SDL切負荷ITS、EQ發(fā)電機電流、電勢TPG切機EFD、OMG發(fā)電機勵磁電壓、角速度CLA、CL3線路操作：合上A相、合上三相OMB母線頻率ITR、TTI發(fā)電機電流實部、虛部- 55 -第1章 緒 論第1章 緒 論1.1研究的背景與意義1.1.1研究背景在現(xiàn)代社會中，國民經(jīng)濟發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的主要能源是電力，國民經(jīng)濟的發(fā)展和安全高效

13、、高質(zhì)量的工業(yè)生產(chǎn)需要電力系統(tǒng)的安全可靠運行作為支持。進入21世紀，電力系統(tǒng)快速發(fā)展，現(xiàn)代電網(wǎng)無論是規(guī)模、容量還是覆蓋范圍都不斷擴大，繼電保護及安全自動裝置作用也更加重要，結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜。因此，對電力系統(tǒng)運行的可靠性、安全性提出了更高的要求。然而近些年，在世界范圍內(nèi)由連鎖故障造成的電網(wǎng)大規(guī)模停電事故卻頻頻發(fā)生1-2。電力系統(tǒng)故障引起的停電不但對國民經(jīng)濟的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)造成阻礙，對人民生活造成很大不便，而且故障本身對電網(wǎng)的安全運行也造成了負面影響。因此，保證電力系統(tǒng)運行的安全、可靠和經(jīng)濟是供用電雙方共同的迫切要求。電網(wǎng)中的繼電保護和安全自動裝置對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行有舉足輕重的作用，它們的動作

14、情況直接影響到電網(wǎng)故障的發(fā)展狀況。整個電網(wǎng)在運行過程中，電網(wǎng)的故障或不正常運行狀態(tài)可能有很多原因引起，為了保證電網(wǎng)運行的安全，我們既要采取有效措施避免電網(wǎng)運行時發(fā)生故障或進入不正常運行狀態(tài)，還要保證一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障或不正常運行狀態(tài)時繼保及安自裝置能夠及時、可靠動作，有選擇性的切除故障元件，將故障影響降到最低。而繼電保護和安全自動裝置的隱形故障、誤動、拒動都將引起故障或不正常運行狀態(tài)的進一步惡化，最終可能產(chǎn)生連鎖故障，導(dǎo)致停電范圍的擴大。1.1.2研究目的與意義近些年，世界范圍內(nèi)發(fā)生的大規(guī)模停電事故大多是由嚴重故障的沖擊而引起，由最初的初始故障導(dǎo)致系統(tǒng)潮流、頻率、電壓等電氣量和原動機等系統(tǒng)變量的

15、長期動蕩，當某些元件不能承受而退出運行就產(chǎn)生了連鎖故障，從而使得整個系統(tǒng)失去穩(wěn)定而崩潰，給社會造成慘重的經(jīng)濟損失3-5。在連鎖反應(yīng)事故過程里，繼電保護和安全自動裝置是防止系統(tǒng)崩潰的重要防線，它們的動作邏輯直接關(guān)系到故障的發(fā)展情況6。進入21世紀，實時的電網(wǎng)仿真計算已成為電網(wǎng)仿真發(fā)展的趨勢，同時對于指導(dǎo)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行起到重要作用的電網(wǎng)動態(tài)安全評估系統(tǒng)，也會因為前者的發(fā)展而愈加先進和重要。將繼電保護與安全自動裝置的特性考慮到安全評估系統(tǒng)中，對電力系統(tǒng)受到擾動之后整個動態(tài)變化過程進行連續(xù)仿真，真實準確的反應(yīng)變化全過程。能夠更好地發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中繼電保護和安全自動裝置的動作行為帶來的影響，對于短期和中

16、長期安全預(yù)警都有重要意義。為滿足我國大電網(wǎng)安全運行仿真的需要，研究和開發(fā)適于電力系統(tǒng)全過程動態(tài)仿真的繼保及安自裝置模型，準確模擬這些裝置的動作行為和控制特性，不僅對研究非線性超大規(guī)模電力系統(tǒng)動態(tài)特性機理有重要作用，而且對分析事故機理及其防控措施有重要意義。本文主要研究符合我國電網(wǎng)實際的典型繼電保護和安全自動控制裝置，并建立模型庫，將仿真軟件產(chǎn)生的電壓、電流數(shù)據(jù)實時輸送到繼電保護和自動裝置模塊中，然后將模塊的輸出回送到仿真軟件中去控制一次系統(tǒng)的開關(guān)，相應(yīng)改變電網(wǎng)模型的拓撲結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)閉環(huán)式的穩(wěn)定仿真，克服以往仿真軟件不能真實反映因保護拒動或誤動而產(chǎn)生連鎖故障的缺點，對電力系統(tǒng)全動態(tài)過程進行有效

17、仿真，為分析電力系統(tǒng)的中長期過程動態(tài)穩(wěn)定性問題和提供事故防控手段(例如，第3道防線等等)提供強大的仿真功能7。研究和開發(fā)繼保和自動裝置模型，提高仿真準確度，可完善全過程動態(tài)仿真、在線動態(tài)安全分析和調(diào)度員培訓(xùn)模擬（DTS）等穩(wěn)定性仿真程序。合理的模型不僅可用于常規(guī)暫態(tài)穩(wěn)定仿真程序進行計算，而且可對嚴重事故的復(fù)雜過程進行分析或重演，找出事故發(fā)生的根本原因，為制定正確的反事故措施提供幫助。因此，本文的成果具有很大的推廣空間，可在電力系統(tǒng)的規(guī)劃、運行和科研等機構(gòu)的電力系統(tǒng)分析計算部門得到應(yīng)用，這不僅對我國在該領(lǐng)域的研究有幫助，而且為保證我國電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提供有力仿真工具，取得經(jīng)濟價值的同時帶來社會

18、效益。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的電力系統(tǒng)機電暫態(tài)及中長期動態(tài)穩(wěn)定仿真中對繼電保護和安全自動裝置模型的研究和應(yīng)用較少，尚不夠深入。在國內(nèi)常用的電力系統(tǒng)穩(wěn)定仿真程序中，PSASP沒有設(shè)置具體的繼電保護模型，僅靠預(yù)設(shè)開關(guān)的延時開合來模擬保護功能，安全自動裝置只考慮了簡單的低周和低壓減載模型；PSD-BPA程序中提供的少量繼電保護模型，由于搭建粗略而且多以國外的繼保和安自為模板而與我國電網(wǎng)中實際廣泛應(yīng)用的實際裝置差別較大，所以僅能起到少量簡單繼電保護和安全自動裝置的作用，不能真實反映繼保裝置在我國電力系統(tǒng)中的動作特性。PSD-BPA穩(wěn)定程序中的安全自動裝置除了常規(guī)的低周低壓減載外，雖然新

19、增加了部分符合實際失步解列、低壓低頻解列等模型，但種類很少，仍不能滿足我國電網(wǎng)仿真需求。國外的仿真程序很多，但是其中包含大量繼電保護和安全自動裝置模型的程序卻不多，在PSS/E、EUROSTAG、NETOMAC等程序中僅包含了少量的繼電保護和安自裝置模型，不但種類單調(diào)而且多是以國外所用裝置為參考，不能反應(yīng)國內(nèi)廣泛使用裝置的特點8-10。調(diào)度員培訓(xùn)系統(tǒng)中的繼保模型多采用邏輯判別法、定值判別法、邏輯定值協(xié)調(diào)法和教案準備法等。其中邏輯判別法依據(jù)預(yù)置的開關(guān)邏輯和時間設(shè)定反應(yīng)保護動作特性，不需要進行故障過程的計算，所以速度快，但在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)困難，而且仿真不夠精確，難以真實的再現(xiàn)電力系統(tǒng)繼電保護和安全

20、自動裝置的動作行為，基于IF/THEN規(guī)則的邏輯判別法在國外應(yīng)用較多；定值判別法依據(jù)保護定值動作，結(jié)果準確，但對數(shù)據(jù)的采集、錄入和維護要求較高；邏輯定值協(xié)調(diào)法的問題在于如何對前面兩種判別方法協(xié)調(diào)，才能更好的揚長避短；教案準備法需要在計算前預(yù)先準備好保護動作序列，缺乏靈活性。調(diào)度員培訓(xùn)系統(tǒng)的安全自動裝置仿真方面，在繼保模型中可以包含安自裝置模型，如國外常用高/低壓繼電器、高/低頻繼電器等代替各種解列和切機裝置；動態(tài)仿真中的電源控制系統(tǒng)模型中可以考慮一些反映動態(tài)響應(yīng)的自動裝置如失步解列、高頻切機、連鎖切機等；通過模型拼裝和決策表比較可以實現(xiàn)對部分反映穩(wěn)態(tài)量的一些裝置如低頻/低壓減載、解列裝置、備自

21、投和重合閘等的模擬11-13。計及繼電保護和安全自動裝置動作的電力系統(tǒng)動態(tài)過程是時間不連續(xù)的離散過程。連鎖故障是典型離散過程，在連鎖故障方面, 當前國內(nèi)外研究采用的理論和方法主要有14-17：1) 模型分析法。包括利用復(fù)雜系統(tǒng)理論揭示連鎖故障發(fā)生的內(nèi)在機理和利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論從電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)角度研究電網(wǎng)發(fā)生大規(guī)模連鎖故障的概率和故障的發(fā)展機理，前者包括分支過程模型18 、自組織臨界理論、OPA模型19、CASCADE模型20等，后者包括小世界模型21、Watts構(gòu)造模型、無標度網(wǎng)絡(luò)模型等。2) 模式搜索法。利用模式搜索法對連鎖故障的發(fā)展過程進行模擬并對結(jié)果進行分析得出故障模式，分為解析法、隨機模

22、擬法等。解析法一般是假設(shè)系統(tǒng)中的某個（或幾個）元件發(fā)生故障，計算隨后的系統(tǒng)響應(yīng)。模擬法基于蒙特卡洛概率抽樣，例如Manchester模型，先抽樣得到系統(tǒng)的初始故障序列，然后逐一對序列中的故障模式進行模擬搜索，方法缺點是效率低。目前，各種模式搜索法考慮的因素主要包括線路潮流過載、系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定狀況、保護誤動作情況、電壓過低等。針對不同的考慮因素采取不同的方法進行處理。上述方法中，前種方法側(cè)重于利用復(fù)雜科學理論從宏觀角度對整個系統(tǒng)進行研究，后一種方法著眼于實際應(yīng)用，通過對故障過程的模擬分析電網(wǎng)發(fā)生連鎖故障的概率以及故障的發(fā)展機理，并進行電網(wǎng)連鎖故障防控手段的總結(jié)。連鎖故障過程十分復(fù)雜，在現(xiàn)在的有關(guān)

23、研究當中，對于繼保及安自裝置的考慮比較簡單，仿真中不能充分體現(xiàn)繼電保護及安全自動裝置對故障動態(tài)過程的影響，在有些模型例如Manchester模型中雖然對暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、低頻減載、低壓減載、保護隱藏故障等因素均有考慮，但是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)仿真。總之，能被廣泛接受并真正實用的連鎖故障模型還沒有實現(xiàn)。在保護建模方面，二十世紀末基于Petri網(wǎng)的保護建模研究開始興起。Petri網(wǎng)是描述和研究離散事件動態(tài)系統(tǒng)的一種建模工具。研究初期主要利用Petri網(wǎng)及相關(guān)的時間Petri網(wǎng)、時延Petri網(wǎng)等對繼電保護工作邏輯、執(zhí)行周期、時間配合及隨機特性進行研究，后來利用混雜Petri網(wǎng)進行繼電保護模型的建立

24、。利用該種工具建模提出了不少方法，例如利用可編程的PTPN對繼電保護系統(tǒng)建模、保護抽象混雜Petri網(wǎng)分層建模等，但總體而言這些研究還是初步的，很多問題尚待進一步研究22-24。因此，應(yīng)該建立與我國實際應(yīng)用的繼電保護和安全自動裝置動作特性相一致的模型，這樣在電力系統(tǒng)動態(tài)仿真程序中就能夠真實反映故障過程中繼保及安自裝置動作特性帶來的影響，使仿真結(jié)果更加的真實有效，同時對于電力系統(tǒng)機電暫態(tài)及中長過程動態(tài)仿真的發(fā)展也起到推動作用。1.3本文的主要工作本文主要研究適用于電力系統(tǒng)機電暫態(tài)及中長期動態(tài)過程仿真的電網(wǎng)繼電保護裝置（包括主保護、后備保護等）和安全自動控制裝置模型，在電力系統(tǒng)全過程動態(tài)仿真程序中

25、實現(xiàn)這些裝置模型閉環(huán)式的穩(wěn)定仿真計算。1. 調(diào)研國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的電力系統(tǒng)機電暫態(tài)及中長期動態(tài)穩(wěn)定程序中繼電保護和安全自動裝置模型的應(yīng)用情況及其仿真模擬方法；調(diào)研國內(nèi)電網(wǎng)電氣元件常用的繼保和電網(wǎng)安自裝置的類型及其在國內(nèi)的應(yīng)用情況。繼電保護和安全自動裝置主要包含常規(guī)發(fā)電機組保護、變壓器保護、線路保護、自動重合閘、切機減載等裝置。 2. 研究國內(nèi)電網(wǎng)電氣元件繼電保護和安全自動裝置的原理，對其進行分割，包括啟動元件、動作元件、方向元件、出口元件等，同時對TV和TA暫態(tài)特性對繼電保護建模的影響進行研究，提出相應(yīng)的適合機電暫態(tài)和中長期動態(tài)仿真的模型及模擬方法。提出繼電保護和安全自動裝置模型的適用范圍、參數(shù)

26、設(shè)定。3. 研究連鎖故障的機理，在連鎖故障的仿真過程中添加所建立的模型，克服以往需要人為設(shè)定繼保動作行為的缺點，對連鎖故障發(fā)展全過程進行閉環(huán)、交互式動態(tài)仿真。第2章 繼電保護建模與仿真實現(xiàn)方法第2章 繼電保護建模與仿真實現(xiàn)方法2.1 繼電保護的基本任務(wù)和動作原理繼電保護裝置是指能反映電氣元件或電力系統(tǒng)本身故障或不正常運行狀態(tài)，能夠發(fā)出警告信號或者跳閘命令的一種自動裝置。它的基本任務(wù)是：1. 電氣元件故障時，能夠迅速準確的使故障元件從電力系統(tǒng)中分離，使元件受到盡量輕的破壞，并將對電力系統(tǒng)造成的不良影響減到最小。2. 電氣元件不正常運行時，通過對運行狀態(tài)的判斷，給予警告信號或跳閘。繼電保護裝置一般

27、包括測量環(huán)節(jié)、邏輯環(huán)節(jié)和執(zhí)行環(huán)節(jié)。保護裝置由測量環(huán)節(jié)獲得對保護對象的所需相關(guān)電氣量，將其與所設(shè)定值進行比較以確定保護是否啟動及是否發(fā)出邏輯信號，若是則信號經(jīng)過邏輯環(huán)節(jié)的邏輯判斷將動作信號最終傳給執(zhí)行環(huán)節(jié)進行執(zhí)行。圖2-1 繼電保護裝置基本構(gòu)成圖2.2繼電保護建模方法2.2.1 建模思路通過對繼電保護和安全自動裝置工作原理的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，很多保護和安自裝置都是有一些具有通用性的元件組建而成。這些通用性元件有過量元件、欠量元件、延時元件等，將這些元件作為保護和安自裝置的基本結(jié)構(gòu)進行建模形成基本元件模型，然后由基本元件模型構(gòu)成具體的保護和安自裝置模型。這種建模方法顯然比直接對具體保護和安自裝置進行單獨建

28、模要簡單方便的多，而且這樣建模也使得模型具有很強的通用性?；驹Ｐ屯ㄟ^基本功能框完成，將這些基本功能框封裝起來形成一個具有相對完整功能的模型塊，作為新的基本功能框使用。這些模型塊具有輸入輸出端口，可以構(gòu)成保護的啟動元件、動作元件、時延元件等不同部分，它們相互連接組成具體保護模型，保護的定值參數(shù)可以通過基本功能框自帶的參數(shù)功能進行設(shè)定。電網(wǎng)中的互感器是電力系統(tǒng)中較重要的高壓設(shè)備之一，其性能的優(yōu)劣對電力系統(tǒng)量測值準確與否及繼電保護和安全自動裝置動作可靠與否有直接的影響。為能盡量減小其測量誤差，有必要對其進行建模研究。文中對常用的電流互感器和電壓互感器分別進行了建模。繼電保護裝置根據(jù)保護對象的不

29、同可以分為線路保護、發(fā)電機保護、變壓器保護和其他保護。每類保護包含很多種具體的保護，將每類保護歸類在一起進行建模，這樣由于保護屬于同一類保護具有一定的聯(lián)系使得建模可以相互參考利用。安自裝置模型庫可以分為低壓/低頻減載裝置、自動重合閘以及解列裝置等。不同的繼保模型和安自裝置模型構(gòu)成繼電保護和安全自動裝置模型庫。2.2.2 基本元件模型繼電保護及安全自動裝置是由不同的元件（包括起動元件、動作元件、閉鎖元件等）通過一定的邏輯關(guān)系組成的。在以電氣元件為基礎(chǔ)對繼保及安自裝置進行分類時，很多裝置中的元件具有一定的通用性25。在進行模型設(shè)計的過程中，將這類元件單獨進行建模，形成基本元件模型，作為保護模型的基

30、本功能框，再和暫穩(wěn)UD程序中所提供的基本功能框一起搭建具體的保護模型26，使模型具有較強通用性。下面給出本文建立的基本元件模型。1. 過量元件圖2-2 過量元件模型圖該元件主要用于過電流保護、過負荷保護、過電壓保護等裝置中，其模型結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。當輸入量低于整定值Y時，元件輸出為0，當輸入量高于整定值Y一定時長（固有動作時間）后，元件輸出為1。其中輸入量可為線路電流信號、節(jié)點電壓信號、節(jié)點頻率信號等，分別構(gòu)成過流元件、過壓元件、過頻元件等。2. 增量元件該元件主要用于線路保護的負序、零序增量閉鎖環(huán)節(jié)中，其模型結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。當輸入量的變化率（框DIFF的輸出值）低于定值Y時，元件輸出量

31、為0，當檢測量的變化率高于定值Y一定時長后，元件輸出量為1。其中輸入量可為零序電壓/電流信號、負序電壓/電流信號等，構(gòu)成零序電壓/電流增量元件、負序電壓/電流增量元件等不同增量元件。圖2-3 增量元件模型圖3. 延時元件該元件主要用于各種保護和安自裝置的時間延遲，用來模擬裝置的實際動作時間，其模型結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。輸入量經(jīng)過定值t（在框DLY1設(shè)定）時間延時后原樣輸出。圖2-4 延時元件模型圖4. 反時限元件圖2-5 反時限元件模型圖該元件主要用于各種保護和安自裝置的時間延遲，用來模擬裝置的實際動作時間，其模型結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。輸出量根據(jù)輸入量的不同而變化。輸入量In1經(jīng)過延時In2后，輸

32、出等于In1，否則輸出為0。5. 欠量元件該元件主要用于低電壓保護、低頻保護等裝置中，其動作邏輯原理如圖2-6所示。當輸入量高于定值Y時，元件輸出量為0，當輸入量低于定值Y一定時長后，元件輸出量為1。其中輸入量可為節(jié)點電壓信號、頻率信號等，構(gòu)成低壓元件、低頻元件等不同元件。圖2-6 欠量元件模型圖6. 方向元件功率方向元件主要用于帶方向的保護裝置中，可作為保護裝置的閉鎖元件。當判斷電流方向為從母線指向線路（正向）時元件動作，當判斷電流方向為從線路指向母線（反向）時元件不動作。功率方向元件通常采用90度接線方式，其動作判據(jù)為（以A相為例） (2-1)式中：UBCB、C兩相電壓矢量差幅值；IAA相

33、電流幅值；A相電壓與相電流電角度差；繼電器內(nèi)角，通常取3060度。功率方向元件的模型結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。輸入量為保護裝設(shè)處的支路阻抗角ANG，當滿足一定時長后輸出量為1，否則為0。第一個定值，第二個定值。圖2-7 功率方向元件的模型圖7. 阻抗元件 阻抗元件主要用于線路的相間距離保護及接地距離保護中，作為主保護器件。阻抗元件主要分為低阻抗元件（全阻抗元件）以及方向阻抗元件，另外少數(shù)保護裝置中還用到了偏移阻抗元件和直線阻抗元件。全阻抗繼電器動作特性：幅值比較方式： (2-2)等價于： (2-3)式中：ZJ測量阻抗；Zzd定值。相位比較方式： (2-4)等價于： (2-5)方向阻抗繼電器動作特性：

34、幅值比較方式： (2-6)等價于： (2-7)建模過程中主要考慮了常用的低阻抗元件和方向阻抗元件，根據(jù)上述繼電器的動作特性，可得到阻抗元件的模型結(jié)構(gòu)如圖2-8所示。當所測阻抗值（框X1/X2）低于阻抗定值時（框CSW2設(shè)定），輸出為1，構(gòu)成全阻抗/低阻抗元件。當所測線路阻抗角（框+）在定值范圍內(nèi)（框CA1設(shè)定）時，輸出為1，構(gòu)成方向阻抗元件。圖2-8 阻抗元件的模型圖8. 振蕩閉鎖元件振蕩閉鎖元件主要用于線路距離保護，防止線路因出現(xiàn)功率振蕩引起阻抗元件誤動作。振蕩閉鎖元件主要包括檢驗負序或零序電流/電壓（或電流/電壓增量）和檢驗阻抗變化兩種類型。圖2-9 振蕩閉鎖元件模型圖對于檢驗負序或零序電

35、流/電壓分量或增量的振蕩閉鎖元件，其模型可利用上述過量元件或增量元件實現(xiàn)。對于反應(yīng)阻抗變化的振蕩閉鎖元件，其原理：分段式保護中的三段如果同時發(fā)出動作信號，則表明線路出現(xiàn)故障，保護應(yīng)正常啟動，不發(fā)出閉鎖信號；如果各段保護不同時發(fā)出動作信號（I、II段在III段動作后才動作），則認為線路存在功率振蕩而非故障，此時發(fā)出閉鎖信號，將一段、二段保護可靠閉鎖。9. 差量元件差量元件主要用于線路的橫聯(lián)差動保護、縱聯(lián)差動保護和變壓器的各種保護中，其模型結(jié)構(gòu)如圖2-10所示。當輸入量的計算差值X（框SQR2輸出）大于定值Y時，元件輸出1，否則輸出0。其中輸入量可為零序電壓/電流信號、負序電壓/電流信號等。圖2-

36、10 差量元件模型圖10. 相位比較元件該元件可作方向元件使用，所比較相位（相位差）在某個角度范圍內(nèi)時元件動作，主要用于線路的橫聯(lián)差動保護、相差動高頻保護等裝置中，其動作判據(jù)： (2-8)式中：，為動作角，當處于二者之間時，元件動作；，為元件輸入量（比較元素），可為電壓向量、電流向量、經(jīng)補償后的電壓/電流向量等。相位比較元件的模型結(jié)構(gòu)如圖2-11所示。輸入量的相位角ANG1、ANG2之差在處于、（框CSW1設(shè)定）之間一段時長后，元件輸出量為1，否則為0。圖2-2 相位比較元件模型圖11. 相電壓補償方向元件圖2-12 相電壓補償方向元件模型圖帶有相電壓補償特性的相位比較方向元件，主要用于電壓相

37、位比較式高頻閉鎖方向保護27。兩個ANGUcomp模塊比較后得ANG，當ANG在FI1、FI2（在框CSW1設(shè)定）范圍內(nèi)時，元件經(jīng)延時輸出1。ANGUcomp模塊用于求取經(jīng)零序分量補償后的相電壓相角。補償電壓計算公式為（A相為例）： (2-9)圖2-13中，其中n零序補償系數(shù)，通過框1、2設(shè)定。k靈敏系數(shù)，通過框3、4設(shè)定?？?、框4的A、B參數(shù)取線路的和線路的。圖2-3 ANGUcomp模塊模型圖12. 比例制動式差量元件帶有比例制動特性的差量元件（主要是差電流元件），用于發(fā)電機、變壓器的比例制動式差動保護。變量的制動量由框RAMP設(shè)定。圖2-14 比例制動式差量元件模型圖13. 相位處理元

38、件圖2-15 相位處理元件模型圖將變壓器二次側(cè)電流相位強制變換為與一次側(cè)電流相位一致，用于變壓器差動保護。輸入量IARJ、IAIJ計算得二次側(cè)電流相角，經(jīng)整定值Y的補償，再經(jīng)過模-幅角轉(zhuǎn)換為實虛部，并與二次側(cè)電流幅值計算得變換后的二次側(cè)電流。2.2.3 電流互感器模型電流互感器(TA) 28-30在電力系統(tǒng)暫態(tài)過程中，一次側(cè)電流過大將使TA出現(xiàn)飽和，導(dǎo)致含有大量非周期分量和高次諧波分量的勵磁電流急劇增加，造成二次電流失真，從而對電力系統(tǒng)測量的精度、繼保及安自裝置動作的可靠性等造成影響。因此，為能得到較為精確的測量量，在構(gòu)建其數(shù)學模型時，應(yīng)該計及CT飽和因素，從而在電力系統(tǒng)暫態(tài)過程中較真實的反應(yīng)

39、電流互感器的工作特性。本文以研究電磁式電流互感器的外特性為重點，建立了反應(yīng)鐵心磁飽和特性的電磁式電流互感器模型。電磁式電流互感器的結(jié)構(gòu)類似于電力變壓器，其等效電路圖為：圖2-16 電磁式電流互感器等效電路圖基本方程式為： (2-10)經(jīng)整理可得 (2-11)與的關(guān)系可由電流互感器的伏安特性曲線代替，并且 (2-12)寫出電流互感器的傳遞函數(shù)關(guān)系式如下： (2-13)令，則有： (2-14)電流互感器角差計算式為： (2-15) (2-16)式2-16即為上面各式的綜合。由此，可以得到電磁式電流互感器模型如下圖所示。圖2-17 電流互感器模型圖 其中，1框是， 2框是。2.2.4 電壓互感器模型

40、電磁感應(yīng)式電壓互感器(TV)也是電力系統(tǒng)中重要且常見的高壓設(shè)備之一，作用是把電力系統(tǒng)一次側(cè)高壓按照比例關(guān)系變換成二次側(cè)低壓，供計量、儀表裝置、繼電器使用，同時實現(xiàn)高電壓與二次設(shè)備和電氣工作人員的隔離。電磁式電壓互感器的一、二次側(cè)繞組都有一定的阻抗，因此電流流過時會有電壓降和相位偏移，使電壓互感器測量電壓出現(xiàn)幅值誤差及相位誤差。電磁式電壓互感器31的結(jié)構(gòu)與普通電力變壓器相同，其等效電路圖為：圖2-18 電磁式電壓互感器等效電路圖電壓互感器二次側(cè)負載阻抗很大，二次側(cè)繞組漏阻抗相比負載阻抗很小，并且電壓互感器在正常運行及發(fā)生短路故障時，變壓器T始終工作在線性區(qū)域，其勵磁電流很小，因此、均可忽略不計，

41、并且有，參數(shù)可以由其伏安特性曲線進行求解?；痉匠淌綖椋?(2-17)寫出電磁式電壓互感器的傳遞函數(shù)關(guān)系式如下： (2-18)令，則有： (2-19) (2-20)令，則有 (2-21)在忽略勵磁電流的情況下，電壓互感器的角差計算公式為： (2-22)寫在一起則有： (2-23)由此，可以得到電磁式電壓互感器模型如下圖所示。圖2-19 電磁式電壓互感器模型圖其中，1框定值是， 2框是G，3框， 4、5框是，6框是。2.3 繼電保護模型仿真實現(xiàn)方法現(xiàn)有電力系統(tǒng)仿真程序中的繼電保護和安全自動裝置仿真一般分為兩種：邏輯判別法及定值判斷法。邏輯判別法沒有具體的保護模型，故障時通過預(yù)設(shè)故障發(fā)生處及相鄰區(qū)

42、域保護和安自裝置的開關(guān)動作行為和動作時間來模擬保護的實際情況，此種方法優(yōu)點是時間短，易于實現(xiàn)保護的速動性要求。本文建立的模型在電力系統(tǒng)程序的仿真多采用定值判斷法，即根據(jù)系統(tǒng)故障狀態(tài)下發(fā)生變化的各電氣量是否達到保護和安自裝置的定值要求來決定保護動作與否，若達到要求則保護啟動并向系統(tǒng)發(fā)出動作信號驅(qū)動相關(guān)繼電器動作。該種方法能夠真實反映電力系統(tǒng)故障的全過程，仿真結(jié)果比邏輯判別法更準確。同時在已經(jīng)知道保護動作行為時可以結(jié)合邏輯判斷法原理對模型進行適當?shù)暮喕蛑苯舆M行繼電器的預(yù)先設(shè)定。仿真計算時系統(tǒng)和保護模型是通過模型的輸入輸出端口進行聯(lián)系的。系統(tǒng)為模型提供充足的輸入信息，如潮流計算中的功率、電壓等已知

43、量或者暫穩(wěn)計算中的母線、正序網(wǎng)絡(luò)等變量，模型將信息處理結(jié)果反饋回系統(tǒng)，反饋信息有潮流、暫穩(wěn)計算中的待求量或者是切機、重合閘等操作信號，這樣就構(gòu)成了一個閉環(huán)、交互式的整體。模型與系統(tǒng)側(cè)的聯(lián)系如圖2-20所示，其中X為輸入信息，Y為輸出信息：圖2-20 模型與電力系統(tǒng)的聯(lián)系2.4 本章小結(jié)本章介紹了繼電保護裝置的基本任務(wù)和動作原理，介紹了本文繼電保護和安全自動裝置的建模方法。根據(jù)繼電保護裝置結(jié)構(gòu)的通用性，建立了基本元件模型，包括過量元件、欠量元件、延時元件等類型，將這些模型進行與或組合或者通過輸入輸出端口的連接進一步組成具體的保護模型，模型通過與仿真軟件的端口進行信息傳遞，仿真時多采用定值仿真法實

44、現(xiàn)模型仿真計算。電磁式互感器在將一次側(cè)電氣量轉(zhuǎn)換到二次側(cè)時，由于存在磁飽和的問題，會出現(xiàn)二次側(cè)電氣量失真的現(xiàn)象，以至于影響到繼電保護裝置的動作準確性，所以搭建了電磁式電流互感器和電磁式電壓互感器的模型，從而能夠較真實的模擬電流互感器在電網(wǎng)發(fā)生故障時所表現(xiàn)出的暫態(tài)過程。第3章 繼電保護裝置的建模設(shè)計第3章 繼電保護裝置的建模設(shè)計繼電保護的動作正確與否直接影響到電力系統(tǒng)的運行安全。在電力系統(tǒng)的仿真計算中其動作行為直接關(guān)系到故障的發(fā)展過程，因此對仿真結(jié)果有直接影響。本章在上文基本元件模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)繼電保護的原理進行具體繼電保護裝置的建模。繼電保護裝置按照保護對象的不同可以分為線路保護、發(fā)電機保護

45、、變壓器保護等，將每一類保護一起建模，使得建模過程中某些通用部分共享。繼電保護的參數(shù)通過用戶自定義模型的自帶參數(shù)進行設(shè)定，具體整定按照繼電保護和安全自動裝置整定計算原理等規(guī)定進行，文中不再詳細說明。3.1 線路保護的建模3.1.1 電流電壓保護根據(jù)相間短路基本特征如電流突增、電壓突降等可以構(gòu)成電流電壓保護。每段保護的主保護元件為過電流元件或低電壓元件（多為過電流元件），閉鎖元件包括方向元件、低電壓元件、過電流元件以及負序電壓元件。圖3-1 電流電壓保護模型圖本保護為具有階梯特性的分段式電流電壓保護，分為三段，每段除延時時間不同外基本相同，包括過流元件、方向元件、低電壓元件、負序電壓元件，每段可

46、單獨投切。 過流元件、低電壓元件是電流保護的主保護；方向元件當故障發(fā)生在保護區(qū)域內(nèi)時啟動，故障發(fā)生在保護區(qū)域外時，發(fā)出閉鎖信號；延時元件用于電流電壓保護動作時限的設(shè)置。保護I段為瞬時速動保護，II段為延時速動保護，它們構(gòu)成主保護，III段為定時限過電流保護，構(gòu)成后備保護，動作時限除了保護繼電器固有反應(yīng)時間還要加上一定的延時。3.1.2 零序電流保護零序電流保護所依據(jù)的原理是中性點直接接地系統(tǒng)在接地短路時會出現(xiàn)較大的零序電流，其廣泛應(yīng)用在110kV和更高電壓等級線路中。在本保護的基礎(chǔ)上添加方向元件即為方向性零序電流保護。圖3-2 零序電流保護模型圖本保護為三段式方向性零序電流保護，每段包括零序過

47、流元件、零序方向元件和延時元件，每段可單獨投切。零序電流元件為該保護的動作元件。零序方向元件是根據(jù)零序阻抗角度進行方向判別，當故障發(fā)生在保護區(qū)域內(nèi)時啟動。3.1.3 相間距離保護阻抗元件通過測量故障位置到保護裝設(shè)地點之間阻抗值的大小來區(qū)分電網(wǎng)的故障和正常狀態(tài)。距離保護主要部分是阻抗元件，在此基礎(chǔ)上添加方向元件和時間元件即為階梯式的距離保護，一般裝設(shè)三到四段，I、II段是主保護，III、IV段為后備保護。距離保護優(yōu)點很多，它相比電流電壓保護更加適應(yīng)于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者運行方式多變的電網(wǎng)。圖3-3 相間距離保護模型圖本保護為分段式相間距離保護，分為三段。每段主保護為阻抗元件，每段都可單獨投切。模型中

48、負序電流（零序電流、負序電壓、零序電壓）過量元件為起動、振蕩閉鎖元件。過流元件為起動元件。負序電流（零序電流、負序電壓、零序電壓）增量元件為振蕩閉鎖元件。在三段式距離保護中，由于存在著的關(guān)系，通過振蕩時保護各段啟動的順序可以實現(xiàn)振蕩閉鎖。圖3-4 相間距離保護阻抗元件模型圖在系統(tǒng)的振蕩中心進入保護區(qū)域時，測量阻抗在逐漸減小階段，保護各段的啟動順序依次是、。但在系統(tǒng)發(fā)生故障時，測量阻抗將突然降低，導(dǎo)致保護的一起啟動。本文基于上述分析，實現(xiàn)振蕩閉鎖元件。即若一起起動則允許、動作于跳閘，若、啟動在之后，則把和閉鎖，不允許它們動作于跳閘。3.1.4 接地距離保護零序電流保護在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運行方式多變的電

49、力系統(tǒng)靈敏度低而且保護范圍有時會出現(xiàn)不夠的情況，此時在中性點接地系統(tǒng)中應(yīng)采用接地距離保護。接地距離保護多以測量正序阻抗為基本原理，一般設(shè)兩、三段，每段保護的主保護元件為低阻抗元件。接地距離保護接線簡單可靠，但受接地電阻影響較大，所以當線路裝設(shè)接地距離保護時，根據(jù)運行需要還應(yīng)裝設(shè)階段式零序電流保護作為后備保護。圖3-5 接地距離保護模型圖接地距離保護的輸入阻抗為 (3-1)其中 (3-2)式中各參數(shù)：Z0線路零序阻抗；ZJ線路測量阻抗；K零序電流補償系數(shù)（復(fù)數(shù)）；保護安裝處母線電壓；線路相電流（以A相為例）；三倍線路零序電流。本保護為分段式接地距離保護，分為三段。保護包括低阻抗元件、測量阻抗計算

50、部分和延時元件，其中低阻抗元件為接地距離保護的主保護。測量阻抗計算部分取線路電流、零序電流信號、線路零序阻抗計算線路的測量阻抗，并根據(jù)測量阻抗的變化區(qū)分系統(tǒng)正常與故障狀態(tài)。3.1.5 高頻閉鎖方向保護高頻閉鎖方向保護是通過比較線路兩端的短路功率方向來確定故障發(fā)生區(qū)域。在保護線路內(nèi)部故障時，兩側(cè)短路功率均為母線指向線路，保護動作，滿足線路全長任一點故障瞬時切除。在保護線路之外故障時，兩側(cè)短路功率反向，其中線路指向母線側(cè)保護發(fā)出閉鎖信號閉鎖線路兩側(cè)保護。高頻閉鎖方向保護通常由起動元件和方向元件構(gòu)成，它們可接全電壓和全電流，此時要配置振蕩閉鎖裝置，或接相序電壓和相序電流，例如負序、零序此時不反應(yīng)系統(tǒng)

51、振蕩。還可將起動元件與方向元件兩功能綜合在一起，選用阻抗繼電器完成。圖3-6 高頻閉鎖方向保護模型圖本保護為高頻閉鎖方向保護，由起動元件、功率方向元件、閉鎖元件組成。負序電流過量元件、零序電流過量元件和負序電壓過量元件、過流元件、低壓元件為起動元件。零序電壓過量元件、負序電流（零序電流、負序電壓、零序電壓）增量元件為振蕩閉鎖元件。兩個方向元件分別為線路兩側(cè)的功率方向元件，檢測線路兩側(cè)功率方向確定故障點位置，作為高頻閉鎖方向保護的主保護元件。3.1.6 其他保護其他保護有電壓相位比較式高頻閉鎖方向保護、高頻閉鎖距離/零序保護、相差動高頻保護，它們通過在高頻保護的基礎(chǔ)上添加上電壓相位比較元件、方向

52、元件、差量元件構(gòu)成，本文不再贅述。3.2 發(fā)電機保護的建模3.2.1 過負荷保護圖3-7 過負荷保護模型圖發(fā)電機過負荷保護有兩類，其中定子繞組過負荷保護又包括定時限過負荷保護和反時限過負荷保護。對于定時限保護發(fā)出報警信號或減載信號，對于反時限保護，則發(fā)出切機跳閘信號。另一類是轉(zhuǎn)子繞組過負荷保護，亦包括定時限和反時限兩種，保護的動作元件仍采用過電流元件，轉(zhuǎn)子繞組過負荷保護的定時限保護動作于發(fā)出減勵磁信號，其反時限保護動作于發(fā)出滅磁跳閘信號。根據(jù)發(fā)電機過負荷保護的原理和整定公式32，可得保護的模型圖如圖3-8。3.2.2 異常運行保護發(fā)電機異常運行保護主要包括定子鐵心過勵磁保護、頻率異常保護、逆功

53、率保護以及定子過電壓保護。其主要反應(yīng)發(fā)電機的內(nèi)部及機端故障。1. 定子鐵心過勵磁保護該保護通過采集發(fā)電機機端運行電壓及頻率，利用 (3-3)計算過勵磁倍數(shù)N，當N超過整定值時保護相應(yīng)動作。式中：U、f運行電壓及頻率有名值；Ugn發(fā)電機額定電壓；B、Bn磁通量及額定磁通量；fgn發(fā)電機額定頻率。保護分為兩段式，低定值段帶時限動作于信號和減小發(fā)電機勵磁電流，高定值段動作于解列滅磁。2. 頻率異常保護保護采集發(fā)電機運行頻率f，當檢測到其異常時，計算頻率異常運行時間，當該時間超過定值時保護動作。該保護在與低頻減載裝置共同作用時要注意配合。例如在頻率異常保護動作于切機之前，應(yīng)保證低頻減負荷裝置先減負荷，

54、使系統(tǒng)頻率及時恢復(fù)，使事故影響盡量降低，僅在頻率仍未恢復(fù)，并可能危及機組安全的情況下才切機，防止出現(xiàn)頻率連鎖惡化的情況。3. 逆功率保護本保護反應(yīng)發(fā)電機逆功率故障，即發(fā)電機變?yōu)殡妱訖C運行，從系統(tǒng)中吸取有功功率。保護通過采集發(fā)電機運行功率，利用計算保護定值，保護帶時限動作于信號或發(fā)電機解列。 在過負荷、過勵磁、失磁等異常運行方式下，用于程序跳閘的逆功率保護作為閉鎖元件動作于信號。燃氣輪機、柴油發(fā)電機也有必要裝設(shè)逆功率保護，可以防止未燃盡物質(zhì)出現(xiàn)爆炸或者著火的可能，動作于跳閘解列。4. 定子過電壓保護本保護反應(yīng)發(fā)電機定子繞組過電壓故障。保護檢測發(fā)電機機端電壓，當其超過發(fā)電機額定電壓乘以可靠系數(shù)后的

55、值時，保護帶時限動作于解列滅磁。本模型為發(fā)電機異常運行保護，包括定子鐵心過勵磁保護、頻率異常保護、逆功率保護、定子過電壓保護。每種保護可單獨投切。過流元件1（2）為定子鐵心過勵磁保護中的低定值（高定值）電流元件（模擬過勵磁元件）。過壓元件為定子過電壓保護中的低定值電壓元件。低壓元件1（2）為逆功率保護中低定值（高定值）低電壓元件（模擬逆功率元件），為動作元件。低頻元件為頻率異常保護的頻率元件。圖3-8 異常運行保護模型圖3.2.3 低勵失磁保護該保護主要反應(yīng)發(fā)電機的低勵失磁故障。其動作主判據(jù)有：1. 系統(tǒng)側(cè)主判據(jù)高壓母線三相同時低電壓繼電器。在缺乏無功的電網(wǎng)中，本判據(jù)可以防止由發(fā)電機低勵失磁故障導(dǎo)致的電壓崩潰，避免出現(xiàn)嚴重的停電事故。主、輔判據(jù)相與，經(jīng)延時動作于發(fā)電機解列。 2. 發(fā)電機側(cè)主判據(jù)：1) 異步邊界阻抗繼電器動作判據(jù)