電力系統(tǒng)繼電保護(hù)虛擬仿真技術(shù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

霍婷婷

(寧夏師范學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院，寧夏 固原 756000)

電力系統(tǒng)與繼電保護(hù)是電力系統(tǒng)三段式過電流保護(hù)部分[1]。因此，利用仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。本論文利用Matlab和PLPShell軟件進(jìn)行電力系統(tǒng)輸電線路三段式電流保護(hù)仿真。通過系統(tǒng)模型的建立，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到三段式電流保護(hù)能夠正確動作的結(jié)論，進(jìn)而使學(xué)生更深層次的了解該保護(hù)的配置原則和整定過程。

1 三段式電流保護(hù)基本原理

輸電線路三段式電流保護(hù)是配電網(wǎng)中最常見、最常用的一種保護(hù)方式。目前，我國110kV以下電壓等級的電網(wǎng)，主要承擔(dān)供、配電任務(wù)，中性點(diǎn)采用非直接接地方式[2]。其主保護(hù)一般采用三段式電流保護(hù)方式。由電流I段、II段、III段按照階梯式配合構(gòu)成一整套保護(hù)[3]。每段保護(hù)都有自己的起動定值和動作時(shí)間，具體應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際情況去配置參數(shù)。

每段保護(hù)整定過程分為三方面，即起動值整定、動作時(shí)間整定、靈敏系數(shù)校驗(yàn)[4]。電流速斷保護(hù)起動值按照躲過下級線路出口處出現(xiàn)的最大短路電流整定，動作時(shí)間理論上是0s。限時(shí)電流速斷保護(hù)起動值整定原則是與下級線路電流速斷整定值相配合，動作時(shí)間在下級線路I段動作時(shí)間上增加△t。定時(shí)限過電流保護(hù)起動值整定原則是繼電器返回系數(shù)要大于線路中所帶電動機(jī)類負(fù)載自啟動電流，動作時(shí)間是在下級線路III段保護(hù)動作時(shí)間上增加△t，一般△t取0.5s，其每段保護(hù)的靈敏系數(shù)校驗(yàn)均在線路最不利的情況下進(jìn)行。

2 Matlab仿真實(shí)例

Matlab軟件中的SimPowerSystem電力系統(tǒng)仿真模塊集是基于Simulink環(huán)境的電力系統(tǒng)仿真工具箱，提供了各種電力系統(tǒng)仿真元件模塊庫，這些模塊以圖形的形式表示電力系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)學(xué)模型。用戶可以通過搭積木的方式建立所需仿真模型，能夠設(shè)計(jì)并封裝自己所需的模塊，還可以將仿真結(jié)果導(dǎo)入Matlab工作空間以便分析和計(jì)算。因而Matlab在電力系統(tǒng)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)及相關(guān)研究領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[5]。

圖1 110kV單側(cè)電源供電系統(tǒng)

表1 AB線路保護(hù)定值

2.1 建立系統(tǒng)模型

本文設(shè)計(jì)的110kV線路模型是基于Matlab下的simulink環(huán)境搭建而成，如圖2所示，整體包含三部分。

圖2 系統(tǒng)模型圖

(1)系統(tǒng)線路部分：由于電力系統(tǒng)中大部分線路呈現(xiàn)阻感性，故在此使用RL線路進(jìn)行模擬[7]。該部分主要由交流電源模塊、兩段RL線路、電流測量模塊、斷路器模塊、故障模塊構(gòu)成。電流測量模塊相當(dāng)于電流互感器，其作用是將一次電流轉(zhuǎn)換成二次電流，供繼電器使用。斷路器接在電源與電路之間，當(dāng)初始狀態(tài)為1時(shí)表示線路接通。本文以AB線路末端A相接地故障為例進(jìn)行系統(tǒng)仿真。

(2)三段式電流保護(hù)邏輯部分：系統(tǒng)一次電流經(jīng)過電流測量模塊轉(zhuǎn)換成二次電流之后，再經(jīng)過傅里葉變換得到電流幅值[8]，利用系統(tǒng)正常運(yùn)行及故障時(shí)電流幅值的變化來實(shí)現(xiàn)線路三段式電流保護(hù)。其中cr、crt、crtt分別表示電流速斷保護(hù)模塊、帶時(shí)限電流速斷保護(hù)模塊、過電流保護(hù)模塊。其保護(hù)邏輯如圖3所示。Relay模塊中設(shè)置電流起動值和返回值[9]，transport delay模塊設(shè)置保護(hù)動作時(shí)間，電流大于繼電器的起動值，經(jīng)過一定延時(shí)時(shí)間后發(fā)1，由于斷路器狀態(tài)為0表示斷開線路，故邏輯中將保護(hù)動作的信號取反，即保護(hù)出口發(fā)0，斷路器動作斷開線路。

圖3 電流保護(hù)子程序邏輯圖

(3)斷路器執(zhí)行邏輯：任一三段式電流保護(hù)邏輯出口發(fā)0，經(jīng)過product模塊匯總到線路斷路器模塊里，跳閘斷路器。通過示波器可以查看各個(gè)階段保護(hù)動作情況。

2.2 模塊參數(shù)設(shè)置

(1)交流電壓源

模擬一個(gè)單相電源模塊，通過設(shè)定該模塊參數(shù)來模擬單側(cè)電源系統(tǒng)。線電壓設(shè)置為110kV；相位角設(shè)置參數(shù)為0；頻率設(shè)置參數(shù)為50Hz[10]。

(2)斷路器模塊

斷路器的起始狀態(tài)設(shè)置為closed，閉合狀態(tài)A、B、C開關(guān)不設(shè)置觸發(fā)，即前面不打勾；開、斷時(shí)間的外部控制需要用到，在前面打勾。

(3)三相故障模塊

此模塊是一個(gè)可以通過外部或內(nèi)部信號來控制開和閉合時(shí)間的三相斷路器，可以模擬相間和接地短路狀態(tài)。通過對參數(shù)的設(shè)置，可以選擇故障類型、控制信號、開關(guān)狀態(tài)等。設(shè)置起始狀態(tài)為閉合，故障時(shí)間為0.2～0.4s。

(4)線路模塊

由系統(tǒng)已知條件可得，線路A-B阻抗為16Ω，線路B-C阻抗為28Ω。線路類型為RL。

(5)繼電器模塊

假設(shè)繼電器返回系數(shù)為0.85，由繼電器的起動值計(jì)算其返回值，在開關(guān)限值中進(jìn)行設(shè)置[11]。整個(gè)模型需設(shè)置的參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)表

3 仿真數(shù)據(jù)分析

3.1 數(shù)據(jù)分析

假設(shè)線路A-B段A相k1處發(fā)生單相短路故障，在0.2～0.4s時(shí)，線路電流急劇增大，如圖4所示，其值大于最大負(fù)荷電流時(shí)，三段式電流保護(hù)動作[11-14]。

圖4 故障電流曲線圖

其動作情況如下描述：如圖5所示，0.2s時(shí)線路故障，電流增大，其值超過4179A，電流I段速動繼電器起動，0s動作，發(fā)0到斷路器，斷路器斷開，線路故障切除，電流恢復(fù)正常值，繼電器返回。如圖6所示，線路0.2s故障，若此時(shí)電流I段速斷保護(hù)拒動，而電流值大于1942A時(shí)，限時(shí)電流II斷保護(hù)繼電器起動，經(jīng)過0.5s延時(shí)動作發(fā)0至斷路器，斷路器跳閘，切除故障。如圖7所示，線路0.2s故障，若電流速斷和限時(shí)II斷均拒動，而短路電流大于405A時(shí)，過電流III段保護(hù)繼電器起動，經(jīng)過1s延時(shí)動作，在1.2s時(shí)發(fā)0至斷路器，斷路器跳閘，切除故障。

圖5 過電流I段繼電器動作曲線圖

圖6 過電流II段繼電器動作曲線圖

圖7 過電流III段繼電器動作曲線圖

3.2 仿真結(jié)果

經(jīng)過上述仿真過程可見，當(dāng)線路出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，電流速斷保護(hù)(I段)最先動作，立即切除故障[15]；若電流速斷保護(hù)拒動，限時(shí)電流速斷保護(hù)(II段)延時(shí)動作切除故障；若前兩種保護(hù)均不起作用，定時(shí)限過電流保護(hù)(III段)延時(shí)動作切除故障。與理論一致。

4 PLPShell仿真分析

PLPShell是許繼集團(tuán)研發(fā)的一款電力系統(tǒng)繼電保護(hù)仿真軟件，該軟件包含邏輯編寫、定值設(shè)置、電氣量測量等部分，還配套有模擬量發(fā)生器，學(xué)生可以利用軟件進(jìn)行保護(hù)程序編寫，將其上傳到微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)臺，模擬量發(fā)生器相當(dāng)于互感器，給實(shí)驗(yàn)臺一定的電氣量信號，通過邏輯判斷環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)保護(hù)對應(yīng)的功能[16]。為了驗(yàn)證matlab仿真結(jié)論的準(zhǔn)確性，故在PLPShell軟件中進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)。

首先利用邏輯程序編寫部分編寫三段式電流保護(hù)的程序，每段保護(hù)動作的條件中除了輸入電流值大于整定值之外，還要保證該保護(hù)的投入狀態(tài)。只有這兩個(gè)條件同時(shí)滿足，保護(hù)才能動作。最終信號輸出至斷路器和事件記錄中。圖8(a)表示過電流I段動作邏輯圖，圖8(b)表示過電流II段帶延遲動作邏輯圖，整個(gè)三段式電流保護(hù)實(shí)現(xiàn)邏輯程序如圖8(c)所示。

(a)電流I段邏輯圖

將程序上傳至微機(jī)實(shí)驗(yàn)臺中，外加電流信號，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由于仿真實(shí)驗(yàn)臺各元器件額定電流為5A，通過電流互感器將一次側(cè)電流定值轉(zhuǎn)換成二次電流值進(jìn)行對比，互感器變比為5000:5，具體數(shù)據(jù)比較如表3所示。

表3 仿真數(shù)據(jù)比較

通過比較可知，Matlab仿真數(shù)據(jù)更為精確，但PLPshell數(shù)據(jù)更接近真實(shí)動作情況。兩種實(shí)驗(yàn)仿真技術(shù)所得的數(shù)據(jù)誤差很小，并且動作過程均與理論一致[17]。因此后續(xù)繼電保護(hù)課程的實(shí)驗(yàn)仿真可根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟捎蒙鲜鲕浖夹g(shù)實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)論

虛擬仿真技術(shù)在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用比較廣泛。本文利用Matlab針對單側(cè)電源供電系統(tǒng)建模仿真得到如下結(jié)論：電流速斷保護(hù)0s切除故障，保護(hù)部分線路；限時(shí)電流速斷0.5s切除故障，保護(hù)線路全長；過電流保護(hù)1.2s切除故障，為本級和下級線路保護(hù)做后備。并通過PLPShell仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證，得到相同結(jié)論。

與傳統(tǒng)PPT教學(xué)模式相比，構(gòu)建虛擬的仿真實(shí)驗(yàn)，不僅可以幫助學(xué)生更好地理解和掌握相關(guān)課程和理論、提高學(xué)生實(shí)踐能力，而且對將來應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)從事電力系統(tǒng)開發(fā)和設(shè)計(jì)提供理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。此外，系統(tǒng)模型還可以在典型線路的基礎(chǔ)上增加對未知的探索，提高學(xué)生的水平，因此對于提高學(xué)生的實(shí)踐能力意義重大[18]。