電力系統故障時繼電保護裝置動態特性探討

丁曉森

【摘要】 本文詳細闡述了繼電保護裝置在軟件模擬條件下進行動態特性仿真分析，通常用于保護拒動或保護誤動后的事故分析，這種仿真模擬具有節省時間、靈活性好以及成本低等方面的優點，有效支持了斷電保護方案的優化工作。

【關鍵詞】 數字仿真 斷電保護 電力系統

電力系統故障時繼電保護裝置動態對于電力系統的可靠性和安全性有著重大的影響。現有的解決方法主要有兩種：第一，通過動態模擬裝置來檢驗繼電保護性能，這種方法靈活性差、接線復雜、費時費力、費用高，已經不符合電力系統穩定運行的需求；第二，通過專門的故障再現設備對電力系統真實的電流數字量以及電壓數字量轉換為模擬量，利用這兩項數值設置為繼電器的運行參數，并對繼電器的運行狀態進行觀察與記錄。而這種測試方法所需要的測試設備也相對昂貴，在操作以及維護上也比較復雜，并且也無法觀察各元件的配合情況以及程序邏輯走向，只能用于當前保護裝置的測試。通過專門的繼電保護傳真技術能夠精確模擬繼電保護裝置系統以及相關元件的運行情況，通過故障電流值、故障電壓值以及EMTP仿真數據，結合仿真軟件完成動態的、連續的校驗，能夠比較方便并且靈活的進行校驗，精確描述出故障地點、故障類型、電力系統結構并且對保護裝置進行具體的調整。可用于保護裝置的研制以及現有裝置的調整，具有費用低、效率高等方面的優點。本文詳細介紹了仿真軟件的實現方法、主要功能以及軟件結構。

一、動態仿真原理

利用特定的程序對繼電保護裝置內部的各種元件進行設置，比如時間元件、邏輯元件、差動元件、阻抗元件、功率方向元件、電壓元件、電流元件等。根據圖形對繼電保護裝置的元件進行調整，對相關元件進行重新的排列組合，組成更加有效的軟件框圖。

校驗正在運行中的保護裝置以及開發中的保護裝置時，需要依照電力系統的參數與結構，通過EMTP仿真技術對電網故障下的電壓數字量以及電流數字量進行校驗，將這兩項數字參數錄入仿真軟件，觀察繼電保護各元件之間的配合關系以及動作情況。最后，對保護裝置運行動作情況進行觀察。動態仿真包含斷點仿真、單步仿真以及連續仿真三種。

二、保護軟件的結構

為了提高保護裝置的易擴展性和層次性，需要事先繪制邏輯圖，采集電壓數據與電流數據，根據流程要求完成計算工作。結合元件邏輯圖對元件進行測量，建立保護仿真模型。仿真過程中對保護系統中所有元件進行查詢，結合元件特點以及屬性完成計算，仿真時鐘一定要在完成查詢之后再撥動，程序的快慢與公式復雜情況與元件的多少有關。

三、仿真模擬軟件的功能和特點

1、圖形化操作。圖形化操作是仿真模擬軟件最大的優勢，是繼電保護裝置動態特性分析得以實現的關鍵性技術，通過編輯功能繪制保護邏輯框圖。而在框圖編輯功能開發的過程中，需要考慮到各項功能接口與圖形編輯功能的兼容性，所控制與圖形用戶界面也需要與編輯功能相適應，即用戶界面與編輯功能的統一性。框圖編輯系統在功能和特點上主要體現在以下幾個方面：第一，編制框圖所需要的繪圖工具是專門為各項保護元件設計的，通過圖形界面的簡單操作就能夠直接繪制各種元件，所進行的操作更加簡便并且直接；第二，通過對各種元件的移動、刪除、粘貼、剪切與復制能夠實現圖形的整塊操作，操作方法與Windows系統的操作差異不大；第三，數字仿真模擬能夠敏感捕捉各項保護元件內的細節，以圖形顯示中不同元件的具體位置，對不同元件之間的關系進行調整，避免了傳統調整方法中重新連接拓撲結構方面的工作，有效降低了邏輯框圖方面的工作量，也降低了繪制框圖過程中出現錯誤的概率，通過軟件中內置的自動檢測程序，對框圖繪制過程中可能出現的各種錯誤進行核對與校正。

2、其他功能。第一，利用事先編好的濾波算法，濾波算法的選取也可以根據用戶需要進行調整，對不同動作原理下的元件保護狀態進行模擬仿真；第二，繼電保護的定值都存在數據庫里，可以直接在框圖上對它們進行檢查和修改，這使得保護定值的校驗也變得容易。

四、接口功能和后備保護

數據傳遞工作是繼電保護正常運輸的必要條件，數據文件接口是數據傳遞的關鍵部件，保護裝置故障所生產和有關數據需要在定時保護的過程中完成讀取，由故障錄波器產生的信息也采用數字信息的方式進行輸送，不同情況下，二者的采樣率也存在一定和差異。相關數字信息的使用需要事先完成數據的轉換，既要確保數據的轉換速度，也要確保數據轉換的完整性，這就需要對計算公式進行嚴密的設計。后備保護系統也是一套十分重要的硬件系統，些系統由現場保護單元以及中心單元組成，相關元件的連接需要利用通信通道連在一起。

結合光纖通信以及微機技術，對繼電系統保護裝置的獨立動作以及獨立配置不造成影響。在功能上，通過集中的處理的方式采集保護單元所生產的有關信息，主動保護繼電設備。隨著變電站數據處理能力的不斷提高，雙生化技術的出現，有效提高了多種冗余技術確保可靠性。

五、結束語

當前我國的電力企業廣泛根據階梯原則來進行繼電保護配置整定工作，這種配置方法往往會消耗過多的后備保護時間，造成供電可靠性與電網安全之間的出現矛盾，經調查研究發現，采用仿真模擬的方法對繼電保護系統元件的運行狀態進行精細的描述，有效提高了電網運行的可靠性和安全性。