研究電力系統(tǒng)動態(tài)仿真中的繼電保護(hù)建模

王嘉斌 鈕月峰

【摘要】電力系統(tǒng)發(fā)展迅速，同時也面臨著很多問題。針對目前電力系統(tǒng)普遍缺少對繼電保護(hù)模型的系統(tǒng)化建模以及準(zhǔn)確描述繼電保護(hù)器件的動態(tài)特征等問題，本文通過分析電力系統(tǒng)動態(tài)仿真中繼電保護(hù)模型的現(xiàn)狀，對繼電保護(hù)模型的建模方法進(jìn)行綜合分析，在虛擬繼電器的基礎(chǔ)上進(jìn)而提出繼電保護(hù)模型的建模方法。文中系統(tǒng)地介紹了邏輯層次清晰的建模方法，并且有效實現(xiàn)了電力系統(tǒng)中的繼電保護(hù)模型的動態(tài)仿真模擬，以期為相關(guān)繼電保護(hù)領(lǐng)域提供可參考的資料。

【關(guān)鍵】電力系統(tǒng);動態(tài)仿真;繼電保護(hù);建模方法

1、引言

電力系統(tǒng)運行過程的穩(wěn)定，直接關(guān)系到社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及居民生活的用電需求，而繼電保護(hù)裝置作為電力系統(tǒng)中最關(guān)鍵的組成之一，其安全穩(wěn)定運行能夠避免發(fā)生大規(guī)模的電力故障。繼電保護(hù)裝置，不僅能快速分析排除發(fā)生故障的器件，還能維護(hù)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。但是，目前對于繼電保護(hù)裝置的系統(tǒng)化研究缺少相應(yīng)的分析工具，進(jìn)而導(dǎo)致無法描述繼電保護(hù)裝置在發(fā)生電力系統(tǒng)故障時起到的真實作用以及其動態(tài)行為對于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行的影響。因此，建立電力系統(tǒng)動態(tài)仿真中的繼電保護(hù)模型來真實描述其作用，這對于提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性具有非常重要的作用。

本文在虛擬繼電器的基礎(chǔ)上，研究了電力系統(tǒng)中動態(tài)仿真中的繼電保護(hù)模型，并提出了一種邏輯層次分明、邏輯清晰的建模方法，對繼電保護(hù)器件進(jìn)行分層次的建模，有效的降低了繼電保護(hù)模型的建立的復(fù)雜性。另外，該建模方法還能降電網(wǎng)故障時的動態(tài)特征真實系統(tǒng)地反映，對維護(hù)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究起到重要的作用。

2、 電力系統(tǒng)仿真程序中繼電保護(hù)模型的發(fā)展現(xiàn)狀

對于動態(tài)仿真中的繼電保護(hù)模型，并未完全應(yīng)用于電力系統(tǒng)，部分電力系統(tǒng)仍然依據(jù)設(shè)定的時間來對開關(guān)進(jìn)行控制實現(xiàn)對電網(wǎng)的保護(hù)作用，而少部分電力系統(tǒng)仿真程序提供了簡單的模型，進(jìn)而對電力系統(tǒng)進(jìn)行簡單的保護(hù)功能。目前，電力系統(tǒng)仿真程序軟件中主要包含PSASP、BPA、PSS/E、NETOMAC以及EUROSTAG等，各仿真軟件發(fā)展?fàn)顩r不同，具體現(xiàn)狀如表1所示。

上述表一所總結(jié)的是基于國外繼電保護(hù)模型，主要研究了失步保護(hù)、距離以及失磁繼電器等類型。但是，這些繼電保護(hù)研究類型較少，對最新的裝置并未建立相應(yīng)的模型，并且與國內(nèi)使用的類型存在著很大的不同，因此并不能真實的描述繼電保護(hù)裝置在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時發(fā)生的動態(tài)特征。因此，必須通過建立符合實際情況的仿真程序中繼電保護(hù)裝置模型，這將有效的系統(tǒng)化描述電網(wǎng)的動態(tài)仿真狀態(tài)。

2、仿真程序中繼電保護(hù)建模思路及方法

2.1? 仿真程序中繼電保護(hù)建模思路

常見的電力系統(tǒng)中的繼電保護(hù)通常可分為線路保護(hù)裝置、變壓器保護(hù)裝置、母線保護(hù)裝置以及其他保護(hù)裝置，如圖1所示。從圖中可以明顯地看出，各個保護(hù)裝置都可以逐層細(xì)分為不同的功能器件，各功能器件實現(xiàn)其相應(yīng)的功能，共同組成繼電保護(hù)系統(tǒng)。因此，相比于直接對整個電力系統(tǒng)中繼電保護(hù)裝置系統(tǒng)建模研究，逐層對繼電保護(hù)系統(tǒng)中的組成元件進(jìn)行建模研究要簡便得多，避免了繁雜的工作。

此外，繼電保護(hù)系統(tǒng)中的器件的主保護(hù)分為差動以及高頻保護(hù)兩大類。對于這類繼電保護(hù)系統(tǒng)，主保護(hù)由于動作時間相對短，可靠性很高，在確保精準(zhǔn)度的基礎(chǔ)上，動態(tài)仿真中可以適當(dāng)簡化模型。對于高壓線路系統(tǒng)和主設(shè)備的保護(hù)，其相對動作時間長，對建立動態(tài)仿真程序的影響比較明顯，需要重點研究。但是，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不同/運行習(xí)慣和需求的差異導(dǎo)致在實際的電力系統(tǒng)中包含著不同標(biāo)準(zhǔn)的繼電保護(hù)元件。因此，為了建立能夠準(zhǔn)確描述不同實際保護(hù)系統(tǒng)的方法是非常重要的。

2.2? 仿真程序中繼電保護(hù)建模方法

對于電網(wǎng)中仿真程序中的繼電保護(hù)主要包括定時判別和定值判別法，這兩種方法應(yīng)用最廣。定時判別法主要是通過預(yù)先設(shè)定時間的動作狀態(tài)來判斷電力系統(tǒng)中是否發(fā)生故障，進(jìn)而判定斷路器的動作特點，它不存在相應(yīng)的模型，其優(yōu)勢在于動作迅速，實現(xiàn)起來較為簡單。而定值判別法引入了繼電保護(hù)模型，通過在其保護(hù)機(jī)理的基礎(chǔ)上，利用定值以及動作延時的配合，再依靠模型本身來綜合反映繼電保護(hù)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與靈敏性。定值判別法的優(yōu)勢在于能較為真實的反映保護(hù)元件的動態(tài)特征，但是其不足在于計算量很大。因此，在實際電力系統(tǒng)中，需要綜合考慮實際情況，進(jìn)而選擇相應(yīng)的方法。

3、動態(tài)仿真程序中繼電保護(hù)模型的實現(xiàn)

3.1? 動態(tài)仿真程序與保護(hù)模型的接口設(shè)計

在電力系統(tǒng)中，為探析保護(hù)裝置的實時動作特征，并研究其對電網(wǎng)所產(chǎn)生的實際影響，動態(tài)仿真程序應(yīng)當(dāng)將準(zhǔn)確的信息輸入至繼電保護(hù)模型中，進(jìn)而仿真程序能夠從保護(hù)模型中得到相應(yīng)的反饋信息，最終實現(xiàn)動態(tài)仿真程序與保護(hù)模型的之間合理的動態(tài)數(shù)據(jù)交互。另一方面，動態(tài)仿真程序以C++程序語言為基礎(chǔ)，依據(jù)繼電保護(hù)模型中保護(hù)對象的屬性和動態(tài)特征，最終進(jìn)行仿真程序中繼電保護(hù)模型的建立與完善。在電力系統(tǒng)的保護(hù)實際應(yīng)用中，仿真程序根據(jù)界面圖案得到相應(yīng)的安裝信息，從而對保護(hù)的裝置配備符合要求的保護(hù)功能。同時，采用定值判別法對其進(jìn)行數(shù)值的設(shè)定，實現(xiàn)其動作特征的準(zhǔn)確設(shè)定，最終實現(xiàn)保護(hù)對象與模型兩者間的動態(tài)交互關(guān)聯(lián)。另外，電網(wǎng)發(fā)生保護(hù)動作時，相應(yīng)的動作特征及時反饋至程序中，造成短路來改變電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.2 繼電保護(hù)動態(tài)仿真流程

在動態(tài)仿真程序中導(dǎo)入仿真電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的參數(shù)，對保護(hù)模型的基本數(shù)值進(jìn)行設(shè)定，確定模型中的實際保護(hù)對象，在對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及動態(tài)數(shù)據(jù)的讀取后，形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析，仿真程序在每個計算步長中，對繼電保護(hù)的元件進(jìn)行掃描。繼電保護(hù)器件根據(jù)實時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，包括電壓/電流等，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的配備邏輯表，進(jìn)行有效判別是否有無保護(hù)動作的發(fā)生。在對保護(hù)動作的發(fā)生的準(zhǔn)確判別上，依據(jù)設(shè)定的仿真程序進(jìn)行操作。如果發(fā)生了相應(yīng)的保護(hù)動作，則把相應(yīng)的動作信息傳遞至程序中的事件隊列，同時判別事件是否發(fā)生，進(jìn)一步觸發(fā)事件處理機(jī)制。事件一旦發(fā)生，觸發(fā)事件處理機(jī)制，進(jìn)而會改變短路狀態(tài)，對數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行修改，并解析數(shù)據(jù)來對控制系統(tǒng)的開關(guān)進(jìn)行斷開，改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)閉環(huán)式的動態(tài)仿真，實現(xiàn)對電網(wǎng)故障時繼電保護(hù)裝置的動態(tài)行為的真實描述。

因此，在電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究中，實現(xiàn)繼電保護(hù)模型在動態(tài)仿真程序中的應(yīng)用是十分重要的。針對當(dāng)前電網(wǎng)實際使用情況的差異，建立系統(tǒng)性的繼電保護(hù)模型應(yīng)用于電力系統(tǒng)長過程的動態(tài)分析，最終實現(xiàn)保護(hù)動作與保護(hù)裝置模型之間的實時數(shù)據(jù)交互，控制保護(hù)元件的開斷狀態(tài)，完成閉環(huán)且交互式的動態(tài)仿真程序的繼電保護(hù)模型的實時仿真，保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

4、結(jié)論

本文通過對電力系統(tǒng)中動態(tài)仿真程序中的繼電保護(hù)中建模的現(xiàn)狀進(jìn)行了簡要分析，在此基礎(chǔ)上提出分層次的、邏輯清晰的建模思路與方法，并且討論了動態(tài)仿真程序中的繼電保護(hù)中建模方法的類別，最終總結(jié)出電力系統(tǒng)動態(tài)仿真程序中繼電保護(hù)模型實現(xiàn)的措施，希望為同領(lǐng)域的同行提供可借鑒的思路與方法。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 孫元章，楊軍，張曉東，彭曉濤，劉焱. 電力系統(tǒng)動態(tài)仿真中的繼電保護(hù)模型[J].電力系統(tǒng)自動化，2009， 33（20）：47-51.

[2] 吳國，宋新立，湯涌，仲悟之，劉 濤. 電力系統(tǒng)動態(tài)仿真中的繼電保護(hù)建模[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2010， 34（23）：64-70.

[3] 湯涌，宋新立， 劉文焯， 周孝信.電力系統(tǒng)全過程動態(tài)仿真中的長過程動態(tài)模型[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2002， 26（11） ：20-26.