基于PSCAD/EMTDC仿真軟件的弱電強磁輸電線路接地故障測距分析

山西博科慧通科技有限公司 韓 乾

PSCAD/EMTDC 軟件的計算精度高，仿真性能可靠，將其用于弱電強磁輸電線路接地故障測距時，可以模擬輸電線路的暫態過程，保證輸電線路接地故障測距結果準確。基于此，下文以弱電強磁輸電線路接地故障測距為例，研究PSCAD/EMTDC 仿真軟件在其中的應用方法。

1 弱電強磁輸電線路解耦方法

1.1 初步解耦

同塔四回線弱電強磁系統中各回線導線無變壓器實現直接電氣聯系，導線的間距小，可能由于強磁聯系導致線路間存在零序互感，不利于系統正常運行[1-2]。若四回線系統存在跨電壓等級接地故障，在此特殊情況下進行解耦時，傳統的十二序分量法缺乏可行性。該問題可應用如下解除耦合方法：以六序分量法在同塔雙回線中的解耦原理為依據，分為兩子系統，用六序分量矩陣對各自解耦，確定回路的正、負、零序同反向量，在該解耦方法中，涉及的電氣量變換關系主要為：

變換矩陣S：

展開可表示為：

式中，T、F為同反向量；符號上標Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為子系統雙回線；符號下標0、1、2分別為零序、正序、負序；Z為解耦后的總阻抗矩陣，式（4）見下頁。

根據阻抗矩陣Z可知，在執行解耦操作后，仍具有耦合關系的是零序阻抗參數及對應電壓零序同反向量，為保證弱電強磁輸電線路解耦效果，在初步解耦的基礎上執行深度解耦。

1.2 深度解耦

忽略已解耦的正負序阻抗，從矩陣Z 中提取初步解耦后仍存在耦合關系的零序同和零序反向量，建立零序互感矩陣，目的是為完全解耦零序互感阻抗矩陣，提取具有參考價值的弱電強磁輸電線路故障信息。零序矩陣與零序電壓電流的關系式，如式（5）。

引入不對稱參數k1、k2、k3、k4，建立解耦陣P0：

解耦后的零序阻抗與電壓電流關系式：

經過初步解耦合深度解耦后，實現對弱電強磁系統線間互感的完全解耦，產生的零序分量未受到正負序分量的影響，僅與每回線參數相關。

2 弱電強磁輸電線路接地故障測距方法

某母線兩端零序電壓電流方向如圖1所示。圖中，F為故障點；L為線路全長；DF為故障點到母線M端的故障距離（用M、N表示母線兩端，以便計算）；UF0為故障處零序電壓。

圖1 母線兩端零序電壓電流方向

計算分析中，將分布參數電路形式的輸電線用集中參數表示。對于環流量g0，根據線路電壓分布規律和故障序網圖，建立測距方程，如下：

3 PSCAD/EMTDC 仿真驗證

3.1 仿真模型及阻抗參數

輸電線路模型的搭建在PSCAD/EMTDC 軟件中完成，向MATLAB 中導入仿真運行的數據，開始編程計算[3-4]。

220kV 子系統、500kV 子系統兩側電源正序等效阻抗分別為j50Ω、j18Ω，零序等效阻抗分別為j80Ω、j54Ω。其中，220kV 子系統兩側用M、N表示；500kV 子系統兩側用P、Q表示。

3.2 仿真結果分析

3.2.1 單系統接地故障仿真結果分析

考慮單系統內部的4種接地故障，采用PSCAD/EMTDC 軟件進行故障測距仿真，根據仿真結果研究本文所提方法是否具有可行性。單系統接地仿真結果如表1所示，其中G 為接地故障，A、B、C 為三相線路，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為不同的回線。

表1 單系統接地故障仿真結果

根據表1的仿真結果可知：相對測距誤差的最小值、最大值分別為0.015%、0.500%，折算誤差距離僅為0.025km，本文所提方法具有故障點定位精度高和測距精度高的優勢，適用于子系統內部不同類型接地故障的定位和測距。

3.2.2 跨電壓等級接地故障仿真結果分析

受落枝、鳥獸、惡劣天氣多種因素的影響，四回弱電強磁系統運行期間可能出現不同電壓等級的回路跨線跨電壓故障，由于故障類型多，選取5種具有代表性的故障及4種故障距離，采用PSCAD/EMTDC 軟件進行故障測距仿真，檢驗本文方法對此類故障的測距準確性。測距仿真結果，如圖2所示。

圖2 跨電壓等級故障仿真結果

結合表2和圖2仿真結果可知，故障測距誤差小于0.500%，表明本文所提方法在故障測距中具有可行性。

表2 不同相角差的仿真結果

3.2.3 不同相角差的仿真結果分析

以距M 端40km 處的四種故障為例，系統經不同電源相角差的測距結果，如表2所示。根據表2信息，檢驗本方法在系統兩端電源相角不同時的應用效果。

根據上述仿真結果可知，跨電壓等級或某電壓等級出現接地故障時，測距結果的誤差在允許范圍內，受兩端電源不同相角差的影響較小，本文方法對不同相角差的仿真結果具有可靠性。

綜上所述，本文在了解PSCAD/EMTDC軟件應用原理的基礎上，提出弱電強磁輸電線路解耦方法，考慮線路的多種故障類型，采用PSCAD/EMTDC 軟件分別進行仿真，得出如下結論。

第一，基于弱電強磁輸電線路故障狀態時的反向零序環流分量完成故障測距，干擾因素少，全程涉及的計算過程簡單，滿足高精度、高效率的測距要求，本文方法具有實用性。

第二，根據單電壓等級系統和跨電壓接地系統的故障仿真結果可知，在故障定位精度方面，本方法在跨電壓等級接地故障中具有更明顯的優勢，主要與干擾因素少和計算信息全面有關，故障定位精度更高。

第三，本文方法在近母線端的測距精度高于遠端，此特點在不同接地故障類型中均是如此，同時系統阻抗參數、相角差對測距精度的影響較小。