基于繼電保護UD建模的連鎖故障仿真分析

丁天池，夏 天，劉鵬飛

(1.東北電力大學電氣工程學院，吉林 吉林132012;2.中國電力科學研究院，北京100192)

0 引言

在電網規模擴大且結構日趨復雜的同時，大停電事故帶來的損失巨大［1］。許多學者、專家對引起大停電事故的連鎖故障進行分析時意識到，大電網受到擾動后系統的機電暫態及中長期特性應給予更多關注［2－3］。目前，研究連鎖故障的方法很多，如模式搜索法的隨機模擬，模型分析法的OPA模型、CASCADE模型、小世界網絡模型以及綜合風險評估等，但這些方法都存在一定的缺陷。因此，為了禰補這些方法的不足，本文提出了一種基于繼電保護和安自裝置建模的連鎖故障仿真方法，即在保證仿真計算準確性和不大量增加仿真時間的情況下，利用用戶自定義模型進行建模，形成繼電保護和安自裝置模型庫，并在PSASP中反映電力系統的全過程動態行為，實現連鎖故障的仿真分析。

1 繼電保護和安自裝置模型建模

電網發生連鎖故障的原因就是某些故障元件的退出引起潮流的大規模轉移、系統無功不平衡和電壓的降低，進一步導致與其相關的元件退出運行，故障由局部蔓延全網，系統狀況更加惡化并進入臨近狀態，最終導致整個系統崩潰。本文所建立的模型通過PSASP中用戶自定義模型功能建立，采用定值判別法，利用模型的保護原理、定值配合和動作延時來反映選擇性，靠自身的模型來反映靈敏性要求，真實反映繼電保護裝置的動作邏輯。

1.1 基本元件模型

繼電保護和安自裝置是由不同的元件按照一定的邏輯關系組成的，很多裝置中的元件具有一定的通用性。根據中國現有各類保護和安自裝置的特點［4－5］，將裝置中所使用的基本元件進行匯總，如表1所示。

表1 基本元件匯總

模型的建立以過量元件為例，如圖1所示。在圖1中，當檢測到輸入量x的變化量Δx≥0時，元件延時T s后動作。系統的電氣量可以實時輸送到過量元件中作為其輸入量x，如線路電流、母線電壓等。模型的延時框用來模擬保護裝置的動作時間。輸出y可以是開斷三相線路、切負荷等。

圖1 過量元件UD模型

1.2 具體保護模型

繼電保護和安自裝置都可以分解成基本元件的組合，在完成基本元件建模后，由其根據各種保護原理進行具體保護建模，使建立的模型具有較強的通用性。建模時以每個保護或裝置作為1個基本單元，重點體現保護或裝置所反應的故障、保護或裝置的邏輯判斷環節以及出口動作量，每個保護或裝置均包括了啟動元件、保護元件、閉鎖元件、出口元件等。下面以相間距離保護為例進行介紹。

圖2 相間距離保護UD模型

模型由起動元件、動作元件、振蕩閉鎖元件部分構成。這3部分的動作信號分別為TM1、TM2、TM3，相間距離保護的動作信號為TM，TM=1時保護模型的輸出有效。模型的輸入量包括線路的電流、零序電壓、負序電流等。

保護分為3段，每段保護都可單獨投切。每段主保護為阻抗元件。阻抗元件包括低阻抗元件、方向阻抗元件、延時元件。低阻抗元件在線路阻抗值低于整定值時起動;方向阻抗元件用方向阻抗繼電器區分故障發生在區外還是區內;延時元件模擬相間距離保護各段的動作時間。另外，本模型還有振蕩閉鎖元件、過量元件、增量元件。

圖2為相間距離保護UD模型。圖2中框構成振蕩閉鎖。實現振蕩閉鎖回路的基本原則:當3段同時起動時，允許Ⅰ段、Ⅱ段動作于跳閘;若Ⅲ段先起動、經t延時后，Ⅰ段、Ⅱ段才起動時，則把Ⅰ段和Ⅱ段閉鎖，不允許它們動作跳閘。

2 連鎖故障模型的仿真計算

在實現了繼電保護和安自裝置的建模后，可以搭建連鎖故障仿真分析平臺，在平臺中實現連鎖故障的閉環、交互式仿真計算，以及準確反應系統故障后的保護裝置實際動作情況和系統的實時狀態。平臺由PSASP、圖形化界面軟件、模型庫構成。圖形化界面軟件就是將連鎖故障仿真過程中需要的操作和結果的輸出，分析操作集中到1個界面上顯示，通過操作命令實現界面軟件與PSASP的數據傳遞。數據包括系統中添加的模型、故障的設置、仿真中檢測的電氣量等。PSASP與數據庫的數據傳遞可以利用自帶的用戶自定義模型(UDM)功能實現，通過輸入X和輸出Y進行聯系。

圖3為連鎖故障仿真計算過程。在仿真開始前，對系統進行潮流計算，給出初始狀態。然后在暫態穩定的作業定義中按照實際電力系統的保護配置，將所需要的模型通過UD模型調用添加到仿真對象中，構成元件的主保護和后備保護，并進行定值參數的設定。在網絡故障中人為設定連鎖故障的初始故障。在仿真計算中，PSASP產生的系統的電氣量可以實時輸送到繼電保護和安自裝置模型中，模型進行相應判斷后動作，并將動作信息輸送到PSASP中，實現本次計算，等待下一步仿真軟件的計算，這樣實現了連鎖故障的閉環、動態交互式的仿真分析。

圖3 連鎖故障仿真計算過程

3 仿真分析實例

下面以9節點系統為例，闡述PSASP中連鎖故障仿真分析過程。9節點系統接線圖如圖4所示。

在線路3、4、5兩側分別添加相間距離保護。在線路4的中間處設定1 s時發生永久性三相接地短路故障。保護模型的動作情況及系統分析如下:

故障發生0.04 s后，線路4兩側的相間距離保護Ⅰ段動作，將線路4的三相切除。此時由于線路4上傳遞的功率都轉移到線路5上，同時母線STNC－230上負荷的送端只剩下母線GEN2－230，使全網的潮流出現大的變化。流經線路3、線路5的功率顯著增大，致使所測線路5的阻抗變小，進入到線路5相間距離保護Ⅱ段的動作域內。線路5兩側的相間距離保護Ⅱ段經延時后在1.47 s動作，三相切除，全網的潮流再次變化。此時發電3已經從系統脫離，需要發電1、發電2共同負擔原來的負荷，各線路傳遞的功率增幅加大，導致系統的穩定度下降。

圖4 9節點算例

在該仿真實例中，雖然線路4繼電保護動作能夠人為設定，但是線路5的切除卻不會提前知道并進行模擬。通過分析事故發生過程，得出連鎖故障原因:由于線路4傳遞的功率轉移到了線路5上，使線路5的阻抗低于相間距離保護Ⅱ段定值，因此保護動作將其切除。

4 結論

通過分析繼電保護和安自裝置特性，在PSASP中實現了連鎖故障的閉環、交互式仿真計算分析。仿真實例表明:該仿真方法不需要人為設定繼電器的動作行為，克服了以往仿真軟件不能真實反映因保護拒動或誤動而產生連鎖故障的缺點，可以真實反映系統實際的全過程動態行為，實現連鎖故障的仿真分析。

［1］薛禹勝.綜合防御由偶然性演化為電力災難—北美“8·14”大停電的警示［J］.電力系統自動化，2003，27(18):1 －5.

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［3］宋新立，湯涌，卜廣全，等.大電網安全分析的全過程動態仿真技術［J］.電網技術，2008，32(22):23 －28.

［4］賀家李，李永麗，董新洲，等.電力系統繼電保護原理［M］.第4版.北京:中國電力出版社，2010.

［5］中國電力科學研究院.0版潮流計算用戶手冊［M］.北京:中國電力出版社，2010.