從仿真結果進行電力系統故障分析

劉 靜 袁 甄

（1.黑龍江大學信息科學與技術學院，哈爾濱 150080； 2.哈爾濱光宇電氣自動化有限公司，哈爾濱 150080）

1 引言

電力系統故障分析技能是維持系統安穩運行的重要手段，它不僅僅用于故障后進行原因分析，更為重要的一點是，可以用它來評估、設計各種繼電保護的方案和算法，以排除隱患。要實現這種未雨綢繆的方案、算法評估，很實用的一個手段就是進行電力系統故障仿真，利用仿真結果數據來分析繼電保護的動作行為。本文采用Matlab軟件，搭建一簡化系統模型，仿真該模型中主變兩側系統的典型故障，從結果數據中來分析差動保護、各序功率方向元件的動作行為。本文的目的是在于通過簡單仿真實例來闡述從仿真結果來分析故障、評價繼保方案的思路。

2 仿真建模

本文建立一簡化的系統模型，主要考慮考核的是差動、功率方向動作行為的不利因素，模型的高壓側采用部分接地方式，而模型的低壓側為弱饋端。系統的單線示意圖見圖1。圖中，k1點模擬A相接地短路故障，k2點模擬B、C相間短路故障。故障分析時系統的電壓參考正方向就是分析點各相對地的電位升方向；各分析點的電流參考正方向由CT的極性端標明，而Matlab的Simulink仿真時的電流參考正方向就是有功潮流方向，如圖中箭頭標注。理順清楚仿真電流參考正方向和故障分析的電流參考正方向的關系很重要，這點將在下一節的具體分析中體現。

圖1 故障分析的系統模型單線圖

按照圖1，輸入各元件的基本參數，其他參數保留缺省值，系統頻率為50Hz。

3 故障分析及結論的應用

3.1 主變高壓側單相接地故障

利用故障發生器在主變高壓側模擬A相接地故障，故障起始時刻為0.02s，仿真結果整理在表1中。

表1 系統側A相接地故障仿真結果

下面，根據仿真結果，校正圖1中各保護安裝處的電流序分量的相位。注意，與Simulink仿真潮流參考正方向一致的保護1、3、5處的電流相位不必作變化，而反方向的保護2、4、6的電流相位要在仿真結果上再超前平移180°。同時，將各電流的幅值換算到主變和負荷的額定電流基準值下。校正后的結果如表2所示，在此基礎上進行具體分析。

（1）差動保護

1）主變差動。考察保護3和保護4處的故障電流，可以看出，正序和負序形成的差流基本為零（考慮平衡掉變壓器接線組別造成的30°角差），但保護3處要流過零序電流，而保護4處沒有零序電流進行平衡，所以，差動回路將會出現零序差流，造成保護誤動作。所以，在設計變壓器差動保護時，要考慮零序電流的去除措施，凡是在保護區內存在接地中性點的情況，就要采取消除零序電流法，以防止區外接地故障時主變差動保護誤動作。但這樣做同時會降低保護區內接地故障時差動的靈敏性，通常條件允許時可增設主變的零序差動保護。

表2 校正后的故障分析數據

2）線變組差動。假設保護1和保護4構成線變組差動，由于保護4處的正序穿越電流，使得線變組差動的正序差動電流變小，而且該弱化作用隨著故障點的位置和系統運行方式而變化的。比如，不再忽略保護1和保護6間的線路阻抗，且故障點靠近主變側，即降低M側的正序分支系數，提升主變側的正序分支系數[2]，則這種弱化作用是會加強的。可以采用故障分量差動[3]、常規差動+負序分量差動、復式差動等方式來克服這一影響。比如，在CT二次斷線允許差動跳閘的情況下，可以采用以下形式的復式差動，

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圖2 Matlab仿真系統圖

（2）序功率方向

定義正序功率（ PT32）、負序功率（ QT32）和零序功率（ ZT32）方向元件為

下面分析保護1和保護6處的序功率方向元件的動作行為。相對于故障點，這兩處的系統各序阻抗角近似為90°。

根據式（2）、（3）、（4），結合表2，計算出保護1和6處的功率方向元件的力矩值，如表3所示。從結果數據可看出，電源側的保護1處的T32P、T32Q均可以正確反應故障方向，弱饋側保護6的T32P由于正序穿越電流的影響，誤將故障判為反方向，而T32Q、T32Z均能正確反應故障方向。而兩側的序方向功率之和（凈功率）均能正確反應故障方向。這樣，在實現方向縱聯方案時，可以考慮采用序方向功率之和。但同時應該注意到，當發生的是相間短路時，由于T32Z為零，而T32P+T32Q可能由于弱饋端而在零點附近，是不確定的，所以不能用凈功率方案作為方向縱聯正方向判據的惟一充分條件。

表3 保護1和保護6處的序功率方向元件動作行為

（3）低壓側保護5處的負序過流保護

從表2數據可看出，流經保護5處的負序電流約是額定負載的44%，很可能造成此處的負序過流保護誤動作。所以，在負荷側整定負序過流定值時，要考慮在反向故障時，保護應可靠不誤動。

3.2 主變低壓側B、C相短路故障

類似3.1節的分析方法，獲得故障分析的結果數據如表4所示。經過分析，各保護安裝處的各序功率方向均能正確反應故障點的方向，但同樣，在保護2處，由于是弱饋端，其功率方向元件基本沒有輸出，對于方向縱聯，必須采取必要措施進行彌補，比如“回音法”[3]。

表4 負荷側BC短路故障仿真結果

4 結論

建立合理的仿真模型，確定準確的切入點對仿真結果進行分析，從而得出指導繼電保護設計的有益結論，是本文論述的重點。由于篇幅所限，本文建立了一個簡單的系統模型，實際進行故障仿真時要考慮許多因素，主要有以下幾個方面：

（1）保護1與保護6之間的線路模型[4]。本文的模型相當于故障發生在線路靠近保護6的安裝處（H母線），線路阻抗合并到了電源模型內阻抗中了。這樣做為了突出弱饋系統中負荷端穿越電流對差動的影響。如果要更為突出弱饋問題對方向縱聯的影響，可以將故障點移至靠近M母線側。更一般的情況，就要在M母線和H母線間搭建至少兩個線路單元組成的線路模型，故障發生器設置在這兩個單元之間，調整兩個線路單元的阻抗，相當調整故障點在整條線路上的位置。

（2）CT模型。對于差動或縱聯保護，要設置帶飽和特性的CT模型進行針對性的仿真，考核保護算法在CT飽和下的可靠性。

（3）CVT模型。主要考核暫態過程。

（4）故障的過渡電阻。這是考核保護算法動態特性的一個很重要的指標。

（5）變壓器飽和磁路。設計變壓器保護時，必須考慮勵磁涌流的影響[5]，所以變壓器的仿真模型必須要考慮磁路飽和問題。

（6）電源AVR。如果需要仿真發電廠出口的短路，就必須考慮發電機的自動勵磁調節，得出擾動的動態過程數據。

（7）線路串補電容和并補電抗器，對距離保護、縱聯保護和線路暫態保護的影響。

（8）完備系統建模。綜合考慮以上各因素，再結合實際的系統，比如平行線（要考慮零序互感）、環網等，建立一定假設條件下的完備系統，作為系統仿真的數學模型。

建立了完備的仿真模型后，在典型的故障點設置典型的故障，得出相應的仿真結果，運用故障分析的理論，對結果進行分析。在分析的過程中，要注意以下幾點：

1）針對保護對象，將結果的相關幅值換算成該保護對象額定值下的標幺值[2]。

2）注意Simulink仿真的參考正方向和電力系統的參考正方向，當兩者一致時，電流相位不用作變化；當兩者相反時，仿真結果的電流相位要向超前的方向平移180°。

3）選取序分量作為分析的主要對象。因為在參數對稱系統中，每相電氣量均由1/2/0三序分量構成，且符合疊加原理，所以分析序分量，最能抓住問題的實質[2]。而且，從工頻變化量保護的角度來看，負序和零序分量就是故障分量，正序電流在去除負荷電流后也就是故障分量了[3]。

4）繼電保護算法的一個核心就是盡量找到故障態與非故障態間的互異特性，兩者差別越大，則算法的靈敏度越高，當然要考慮各種可能因素下的可靠性。所以，在探究新的保護算法或設計新的繼保方案時，應盡量從故障分量、方向、矢量差等角度入手。

[1] 吳天明,謝小竹,彭彬.MATLAB電力系統設計與分析[M].北京：國防工業出版社,2004.

[2] 劉萬順.電力系統故障分析[M].北京：中國電力出版社,2004.

[3] 葛耀中.新型繼電保護和故障測距的原理與技術,西安：西安交通大學出版社,2007.

[4] 陳怡,蔣平,萬秋蘭,等.電力系統分析[M].北京：中國電力出版社,2005.

[5] 王維檢.電氣主設備繼電保護原理與應用[M].北京：中國電力出版社,2002.