保護系統對電網連鎖故障發展影響仿真分析

廖叔洋，劉軍

（1.國網安徽省電力公司檢修公司，合肥230061；2.國網安徽省電力公司淮南供電公司，安徽淮南232001）

保護系統對電網連鎖故障發展影響仿真分析

廖叔洋1，劉軍2

（1.國網安徽省電力公司檢修公司，合肥230061；2.國網安徽省電力公司淮南供電公司，安徽淮南232001）

針對電力系統仿真模型難以準確模擬實際電網連鎖故障發生過程中保護動作特性的問題，建立較為詳細的保護模型。以電力系統保護為主要研究對象，基于PSASP用戶自定義模塊搭建保護模型，并應用于連鎖故障的仿真。仿真模擬了保護的不同動作特性對連鎖故障發展的影響，實現了連鎖故障的仿真分析。仿真算例證實了該模型的有效性及合理性。

保護建模；連鎖故障；PSASP

0 引言

近年來，世界范圍內發生了多起連鎖故障引起的大停電事故。在歷次的連鎖故障發生過程中，保護裝置都扮演著重要的角色［1］。2006年華中電網事故的最主要原因是500 kV嵩鄭Ⅱ線保護裝置誤動作［2］，印度2012年“7·30”和“7·31”兩次大停電事故的觸發原因均是潮流轉移導致的距離Ⅲ段保護跳閘［3］。

國內外學者對保護裝置的建模及其對連鎖故障發展的影響進行了廣泛研究。文獻［4］基于Markov狀態空間法，針對電力系統中常見的保護配置方式分別進行概率建模。文獻［5］針對單一主保護和主后備保護系統，基于狀態維修環境，首次建立詳細的、考慮人為失誤影響的保護系統可靠性模型。文獻［6］和文獻［7］使用PSASP的用戶自定義模塊，建立保護模型來仿真保護動作行為，并驗證該方法的可行性，但其研究重點側重于保護裝置的建模，在連鎖故障的應用上并未深入展開，也并未考慮保護不同動作特性的仿真；文獻［6］的保護模型僅針對相間距離保護建模，不能反映發生接地故障時保護的動作情況；文獻［7］的主保護采用定時判別法而不是定值判別法，在一定程度上簡化了模型，但是難以反映故障切除后系統振蕩等運行狀態對主保護的影響。現有的仿真分析大多采用的是概率統計和概率抽樣的方法，難以真實反映連鎖故障發生和發展過程中保護裝置的實際動作特性。

針對現有建模方法的不足，基于PSASP軟件，以線路保護為主，對保護裝置進行建模并應用到連鎖故障仿真中，討論保護的不同動作特性對于連鎖故障發展的影響。采用IEEE39節點算例，驗證仿真的合理性。

1 繼電保護裝置建模

距離保護是利用短路發生時電壓、電流同時變

化的特征，測量電壓與電流的比值，反映故障點到保護安裝處的距離，判斷故障是否處于保護區內，在電力系統網絡中廣泛應用［8］。本文采用閉鎖式距離縱聯保護。閉鎖式距離縱聯保護可以看作是由兩端完整的三段式距離保護附加高頻通信部分［9］，以距離III段作啟動元件，距離II段作方向判別元件與停信元件，距離I段作兩端各自獨立跳閘段。距離保護動作區域如圖1所示。

圖1 距離保護動作區域示意

在連鎖故障的仿真過程中，如果對保護系統的每一個元件都詳細模擬，必將導致計算量的大幅增加，因此在對保護裝置進行建模時做部分簡化，側重于對縱聯保護原理的建模，反映保護在連鎖故障發生過程中的動作行為，以求在仿真速度和計算精準度間能夠取得較好的平衡。采用定值判別法，更為貼近實際電網的保護配置，進而可以模擬保護的不同動作特性對連鎖故障發生和發展過程的影響。

使用PSASP軟件對上述保護原理進行建模［10-11］。圖2給出了保護模型示意圖。模型由測量元件、振蕩閉鎖元件、邏輯判斷元件、動作元件、通信元件等構成。測量元件分別配置相間距離保護和接地距離保護，輸出測量阻抗幅值和相角，經過整定計算后輸出邏輯信號。各段動作信號經延時或振蕩閉鎖后輸出。

圖2 距離保護模型示意

2 仿真流程

圖3給出了使用UD模型進行連鎖故障仿真的流程。仿真開始前需進行準備工作，包括潮流計算、模型配置和定值整定等。潮流計算是基礎工作，給后續的定值整定、暫態計算等提供基礎潮流。模型配置包括對UD模型的配置，還包括對暫態穩定分析計算的配置等，將所需要的模型通過UD調用等方式添加到電力系統中去。連鎖故障仿真的過程中，PSASP可以通過UD調用來完成電力系統各電氣信號和UD模型邏輯信號的交互，將采集量輸送到UD模型中，模型經過判斷后發出動作邏輯信號，并將信號通過UD接口返回電力系統中去，完成一次計算。接著系統收集各保護裝置動作信息進行相應動作，并判斷是否達到穩定要求，系統失穩或達到預設仿真時長后，結束本次仿真，進行結果分析。

圖3 連鎖故障仿真流程

3 仿真算例分析

以IEEE39節點系統為例，其網絡結構如圖4所示，規定線路兩側中，編號較小的節點側為i側，編號較大的節點側為j側，全網線路的兩側均添加保護模型，部分算例添加控制裝置以作對比。

圖4 IEEE39節點系統

3.1 保護裝置正確動作仿真

預設0.2 s時線路11上50%處發生三相永久接地短路，仿真時長50 s。

仿真結果如下：線路11上發生故障后，11線兩側UD保護均在0.24 s發出跳閘信號，線路11被切除，系統恢復穩定，其他保護均無動作。線路11上電流曲線以及系統穩定曲線如圖5所示。圖5中可以看出11線被切除后電流為0，系統的功角在振蕩后趨于穩定。

3.2 保護誤動作仿真

預設0.2 s時線路11上50%處發生三相永久接地短路，線路9上i側距離Ⅲ段保護定時器含有隱性故障，線路9距離Ⅲ段出現誤動作，仿真時長50 s。

仿真結果：線路11上發生故障后，11線兩側UD保護模型主保護均在0.24 s發出跳閘信號，線路11被切除。線路9上i側距離Ⅲ段保護由于定時器的隱性故障導致誤動作，0.24 s誤切除9線。9線和11線切除后，線路18上潮流過載，距離Ⅲ段于1.76 s動作切除線路。此時系統解列成兩個電網，分別是31、32節點上發電機及其相關線路組成的小電網和其余部分組成的大電網。整個系統于1.94 s失去穩定，仿真結束，系統電壓振蕩曲線如圖6所示。圖6可以看出系統的最低電壓在18線切除后劇烈振蕩，系統因電壓振蕩而失去穩定。

圖5 線路11故障后仿真曲線

圖6 線路11故障后保護誤動系統電壓振蕩曲線

3.3 保護裝置拒動作仿真

預設0.2 s時線路11上50%處發生A相永久接地短路，線路11上i側主保護拒動，后備保護于故障發生后0.54 s動作切除線路，不考慮控制措施的動作情況，仿真時長50 s。

仿真結果：線路11上j側在故障發生后立即動作，i側主保護拒動，后備保護于0.76 s切除線路。表1給出了該次仿真的事故序列。

表1 保護拒動后的事故序列仿真

表1線路10的距離III段保護，作為11線i側的遠后備保護，在11線主保護和近后備保護拒動的情況下應當可靠動作。但是11線的i側主保護拒動，后備保護于故障發生后0.54 s可靠切除故障，由于11線的故障未能及時切除，導致10線上短路電流持續增大，之后11線雖然被切除，但10線依舊過載，測量阻抗落入動作范圍，觸發保護動作。這一結果在實際仿真進行前是難以準確預測的，同時可以看出保護拒動對電力系統的影響：不僅不能及時切除故障，還可能會引發其他繼發性故障。

系統于4.04 s失去穩定，功角振蕩曲線如圖7所示。

圖7 線路11故障后保護拒動系統功角振蕩曲線

4 結語

通過分析繼電保護的特性，基于PSASP的用戶自定義模型搭建了較為詳細的保護模型，并實現了連鎖故障的仿真。在仿真中可以模擬電網中的保護動作，仿真保護的不同動作特性對連鎖故障發展過程的影響，仿真表明保護不正確動作會給系統帶來惡劣影響，造成事故范圍的擴大。該仿真結果更加接近實際電網在發生連鎖故障過程中的動態特性。

［1］劉友波，胥威汀.電力系統連鎖故障分析理論與應用（二）——關鍵特征與研究啟示［J］.電力系統保護與控制，2013，41（10）：146-155.

［2］周勇，陳震海.華中（河南）電網7.10事故分析與思考［J］.湖南電力，2008，28（3）：28-30.

［3］湯涌，卜廣全，易俊.印度“7.30”、“7.31”大停電事故分析及啟示［J］.中國電機工程學報，2012，32（25）：167-174.

［4］歐陽前方.電網可靠性評估中的繼電保護概率模型研究［D］.重慶：重慶大學，2007.

［5］張晶晶，丁明.人為失誤對保護系統可靠性的影響［J］.電力系統自動化，2012（8）：1-5.

［6］丁天池，夏天.基于繼電保護UD建模的連鎖故障仿真分析［J］.黑龍江電力，2011，33（6）：426-428.

［7］孫元章，楊軍.電力系統動態仿真中的繼電保護模型［J］.電力系統自動化，2009，33（20）：47-51.

［8］許婧，白曉民.考慮保護隱藏故障的系統N-k故障分析［J］.電機工程學報，2012，32（1）：108-114.

［9］戴志輝，王增平.階段式保護原理性失效風險的概率評估方法［J］.電工技術學報，2012，27（6）：175-182.

［10］丁天池，夏天.基于繼電保護UD建模的連鎖故障仿真分析［J］.黑龍江電力，2011，33（6）：426-428.

［11］孫元章，楊軍.電力系統動態仿真中的繼電保護模型［J］.電力系統自動化，2009，33（20）：47-51.

Simulation Analysis of the Impact of Protection System on the Development Process of Power System Cascading Failure

LIAO Shuyang1，LIU Jun2
（1.State Grid Anhui Maintenance Company，Hefei 230061，China；2.State Grid Huainan Electric Power Supply Company，Huainan 232001，China）

In view of the problem that the current model of power system is difficult to accurately simulate the action logic of relay protection，a detail relay protection model is proposed.With user-defined model in PSASP，a protection model is built to simulate cascading failures.The simulation includes acts of relay protection and their effects to the development of cascading failures.It is showed that simulation analysis of cascading failures based on this protection model can reflect the dynamic behavior of relay protection in power system.The rationality and effectiveness of the proposed protection model are verified by a test on IEEE 39-bus system.

model of relay protection；cascading failures；PSASP

TM743；TM71

A

1007－9904（2016）09－0053－04

2016-05-17

廖叔洋（1990），男，從事電力系統繼電保護工作；

劉軍（1990），男，從事電力系統繼電保護工作。