仿真分析在继电保护方案设计中的应用

仿真分析在继电保护方案设计中的应用

1.概述  

  电力系统故障分析技能是维持系统安稳运行的重要手段，它不仅仅用于故障后进行原因分析，更为重要的是，可以用它来评估、设计各种继电保护的方案和算法，以排除隐患。要实现这种未雨绸缪的方案、算法评估，很实用的一个手段就是进行电力系统故障仿真，利用仿真结果数据来分析继电保护的动作行为。本文搭建一电力系统等效模型，仿真该模型中主变两侧系统的典型故障，从结果数据中来分析差动保护、各序功率方向元件的动作行为。仿真等效系统如图1所示。

图1 仿真等效系统图

2.故障仿真与应用

2.1主变高压侧单相接地故障

  在图1所示系统的k1点，仿真模拟A相接地故障，故障起始时刻为0.02s，k1点的各序分量的仿真结果整理在表1中，系统各保护安装处的序分量相量的仿真结果见表2。

表1 系统侧A相接地时故障点的仿真结果

表2 系统侧A相接地时各保护安装处的仿真结果

2.1.1 差动保护

1) 主变差动

  考察图1中的保护3和保护4处的故障电流，可以看出，正序和负序形成的差流基本为零（考虑平衡掉变压器接线组别造成的30°角差），但保护3处要流过零序电流，而保护4处没有零序电流进行平衡，所以，差动回路将会出现零序差流，造成保护误动作。所以，在设计变压器差动保护时，要考虑零序电流的去除措施，凡是在保护区内存在接地中性点的情况（比如主变压器中性点直接接地、差动保护范围内存在T接的接地变压器等），就要采取消除零序电流法，以防止区外接地故障时主变差动保护误动作。这里特别指出，对于变压器中性点经间隙接地运行时，考虑到间隙击穿后直接接地的情况，差动保护也应该按中性点直接接地的方式去除零序。零序去除的同时会降低保护区内接地故障时差动保护的灵敏性，这时可考虑增设主变的零序差动保护，或REF保护。

2) 线变组差动

  假设保护1和保护4构成线变组差动，由于保护4处的正序穿越电流，使得线变组差动的正序差动电流变小，而且该弱化作用随着故障点的位置和系统运行方式而变化的。比如，不再忽略保护1和保护6间的线路阻抗，且故障点靠近主变侧，即降低M侧的正序分支系数，提升主变侧的正序分支系数，则这种弱化作用是会加强的。可以采用故障分量差动、常规差动+负序分量差动、复式差动等方式来克服这一影响。

2.1.2 序功率方向

  定义正序功率(T32P)、负序功率(T32Q)和零序功率(T32Z)方向元件为

  根据式(1-a)、(1-b)、(1-c)，结合表2，计算出保护1和6处的功率方向元件的力矩值，如表3所示。从结果数据可看出，电源侧的保护1处的T32P、T32Q均可以正确反应故障方向，弱馈侧保护6的T32P由于正序穿越电流的影响，误将故障判为反方向，而T32Q、T32Z均能正确反应故障方向。而两侧的序方向功率之和（净功率）均能正确反应故障方向。这样，在实现方向纵联方案时，可以考虑采用序方向功率之和。但同时应该注意到，当发生的是相间短路时，由于T32Z为零，而T32P+T32Q可能由于弱馈端而在零点附近，是不确定的，所以不能用净功率方案作为方向纵联正方向判据的唯一充分条件。

表3 保护1和保护6处的序功率方向元件动作行为

2.1.3 低压侧保护5处的负序过流保护

  从表2数据可看出，流经保护5处的负序电流约是额定负载的44%，很可能造成此处的负序过流保护误动作。所以，在负荷侧整定负序过流定值时，要考虑在反向故障时，保护应可靠不误动。

2.2 主变低压侧B、C相短路故障  

  如图1，k2点发生BC相间短路故障，类似2.1节的分析方法，获得故障分析的结果数据如表4所示。经过分析，各保护安装处的各序功率方向均能正确反应故障点的方向，但同样，在保护2处，由于是弱馈端，其功率方向元件基本没有输出，对于方向纵联，必须采取必要措施进行弥补，比如“回音法”。

表4 负荷侧BC短路故障仿真结果

3.小结  

  为了深入分析继电保护的方案设计与原理模型，可以通过建立合理的仿真模型，确定准确的切入点对仿真结果进行分析，从而得出指导继电保护设计的有益结论。在进行电力系统故障仿真时，重点要考虑的因素有：

  1) 保护1与保护6之间的线路模型。本文的模型相当于故障发生在线路靠近保护6的安装处(H母线)，线路阻抗合并到了电源模型内阻抗中了。这样做为了突出弱馈系统中负荷端穿越电流对差动的影响。如果要更为突出弱馈问题对方向纵联的影响，可以将故障点移至靠近M母线侧。更一般的情况，就要在M母线和H母线间搭建至少两个线路单元组成的线路模型，故障发生器设置在这两个单元之间，调整两个线路单元的阻抗，相当调整故障点在整条线路上的位置。

  2) CT模型。对于差动或纵联保护，要设置带饱和特性的CT模型进行针对性的仿真，考核保护算法在CT饱和下的可靠性。

  3) CVT模型。主要考核暂态过程。

  4) 故障的过渡电阻。这是考核保护算法动态特性的一个很重要的指标。

  5) 变压器饱和磁路。设计变压器保护时，必须考虑励磁涌流的影响，所以变压器的仿真模型要考虑磁路饱和问题。

  6) 电源AVR。如果需要仿真发电厂出口的短路，应考虑发电机的自动励磁调节，得出扰动的动态过程数据。

  7) 线路串补电容和并补电抗器，对超高压及特高压线路的距离保护、纵联保护和线路暂态保护的影响。

  8) 完备系统建模。综合考虑以上各因素，再结合实际的系统，比如平行线（要考虑零序互感）、环网等，建立一定假设条件下的完备系统，作为系统仿真的数学模型。

  建立了完备的仿真模型后，在典型的故障点设置典型的故障，得出相应的仿真结果，运用故障分析的理论，对结果进行分析。在分析的过程中，要注意以下几点：

  1) 针对保护对象，将结果的相关幅值换算成该保护对象额定值下的标幺值。

  2) 注意关联参考正方向。

  3) 选取序分量作为分析的主要对象。在参数对称系统中，每相电气量均由1/2/0三序分量构成，且符合叠加原理，所以分析序分量，最能抓住问题的实质。而且，从工频变化量保护的角度来看，负序和零序分量就是故障分量，正序电流在去除负荷电流后也就是故障分量了。

  4) 继电保护算法的一个核心就是尽量找到故障态与非故障态间的互异特性，两者差别越大，则算法的灵敏度越高，当然要考虑各种可能因素下的可靠性。所以，在探究新的保护算法或设计新的继保方案时，应尽量从故障分量、方向、矢量差等角度入手。