基于继电保护UD建模的连锁故障仿真分析

丁天池，夏 天，刘鹏飞

(1.东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林132012;2.中国电力科学研究院，北京100192)

0 引言

在电网规模扩大且结构日趋复杂的同时，大停电事故带来的损失巨大［1］。许多学者、专家对引起大停电事故的连锁故障进行分析时意识到，大电网受到扰动后系统的机电暂态及中长期特性应给予更多关注［2－3］。目前，研究连锁故障的方法很多，如模式搜索法的随机模拟，模型分析法的OPA模型、CASCADE模型、小世界网络模型以及综合风险评估等，但这些方法都存在一定的缺陷。因此，为了祢补这些方法的不足，本文提出了一种基于继电保护和安自装置建模的连锁故障仿真方法，即在保证仿真计算准确性和不大量增加仿真时间的情况下，利用用户自定义模型进行建模，形成继电保护和安自装置模型库，并在PSASP中反映电力系统的全过程动态行为，实现连锁故障的仿真分析。

1 继电保护和安自装置模型建模

电网发生连锁故障的原因就是某些故障元件的退出引起潮流的大规模转移、系统无功不平衡和电压的降低，进一步导致与其相关的元件退出运行，故障由局部蔓延全网，系统状况更加恶化并进入临近状态，最终导致整个系统崩溃。本文所建立的模型通过PSASP中用户自定义模型功能建立，采用定值判别法，利用模型的保护原理、定值配合和动作延时来反映选择性，靠自身的模型来反映灵敏性要求，真实反映继电保护装置的动作逻辑。

1.1 基本元件模型

继电保护和安自装置是由不同的元件按照一定的逻辑关系组成的，很多装置中的元件具有一定的通用性。根据中国现有各类保护和安自装置的特点［4－5］，将装置中所使用的基本元件进行汇总，如表1所示。

表1 基本元件汇总

模型的建立以过量元件为例，如图1所示。在图1中，当检测到输入量x的变化量Δx≥0时，元件延时T s后动作。系统的电气量可以实时输送到过量元件中作为其输入量x，如线路电流、母线电压等。模型的延时框用来模拟保护装置的动作时间。输出y可以是开断三相线路、切负荷等。

图1 过量元件UD模型

1.2 具体保护模型

继电保护和安自装置都可以分解成基本元件的组合，在完成基本元件建模后，由其根据各种保护原理进行具体保护建模，使建立的模型具有较强的通用性。建模时以每个保护或装置作为1个基本单元，重点体现保护或装置所反应的故障、保护或装置的逻辑判断环节以及出口动作量，每个保护或装置均包括了启动元件、保护元件、闭锁元件、出口元件等。下面以相间距离保护为例进行介绍。

图2 相间距离保护UD模型

模型由起动元件、动作元件、振荡闭锁元件部分构成。这3部分的动作信号分别为TM1、TM2、TM3，相间距离保护的动作信号为TM，TM=1时保护模型的输出有效。模型的输入量包括线路的电流、零序电压、负序电流等。

保护分为3段，每段保护都可单独投切。每段主保护为阻抗元件。阻抗元件包括低阻抗元件、方向阻抗元件、延时元件。低阻抗元件在线路阻抗值低于整定值时起动;方向阻抗元件用方向阻抗继电器区分故障发生在区外还是区内;延时元件模拟相间距离保护各段的动作时间。另外，本模型还有振荡闭锁元件、过量元件、增量元件。

图2为相间距离保护UD模型。图2中框构成振荡闭锁。实现振荡闭锁回路的基本原则:当3段同时起动时，允许Ⅰ段、Ⅱ段动作于跳闸;若Ⅲ段先起动、经t延时后，Ⅰ段、Ⅱ段才起动时，则把Ⅰ段和Ⅱ段闭锁，不允许它们动作跳闸。

2 连锁故障模型的仿真计算

在实现了继电保护和安自装置的建模后，可以搭建连锁故障仿真分析平台，在平台中实现连锁故障的闭环、交互式仿真计算，以及准确反应系统故障后的保护装置实际动作情况和系统的实时状态。平台由PSASP、图形化界面软件、模型库构成。图形化界面软件就是将连锁故障仿真过程中需要的操作和结果的输出，分析操作集中到1个界面上显示，通过操作命令实现界面软件与PSASP的数据传递。数据包括系统中添加的模型、故障的设置、仿真中检测的电气量等。PSASP与数据库的数据传递可以利用自带的用户自定义模型(UDM)功能实现，通过输入X和输出Y进行联系。

图3为连锁故障仿真计算过程。在仿真开始前，对系统进行潮流计算，给出初始状态。然后在暂态稳定的作业定义中按照实际电力系统的保护配置，将所需要的模型通过UD模型调用添加到仿真对象中，构成元件的主保护和后备保护，并进行定值参数的设定。在网络故障中人为设定连锁故障的初始故障。在仿真计算中，PSASP产生的系统的电气量可以实时输送到继电保护和安自装置模型中，模型进行相应判断后动作，并将动作信息输送到PSASP中，实现本次计算，等待下一步仿真软件的计算，这样实现了连锁故障的闭环、动态交互式的仿真分析。

图3 连锁故障仿真计算过程

3 仿真分析实例

下面以9节点系统为例，阐述PSASP中连锁故障仿真分析过程。9节点系统接线图如图4所示。

在线路3、4、5两侧分别添加相间距离保护。在线路4的中间处设定1 s时发生永久性三相接地短路故障。保护模型的动作情况及系统分析如下:

故障发生0.04 s后，线路4两侧的相间距离保护Ⅰ段动作，将线路4的三相切除。此时由于线路4上传递的功率都转移到线路5上，同时母线STNC－230上负荷的送端只剩下母线GEN2－230，使全网的潮流出现大的变化。流经线路3、线路5的功率显著增大，致使所测线路5的阻抗变小，进入到线路5相间距离保护Ⅱ段的动作域内。线路5两侧的相间距离保护Ⅱ段经延时后在1.47 s动作，三相切除，全网的潮流再次变化。此时发电3已经从系统脱离，需要发电1、发电2共同负担原来的负荷，各线路传递的功率增幅加大，导致系统的稳定度下降。

图4 9节点算例

在该仿真实例中，虽然线路4继电保护动作能够人为设定，但是线路5的切除却不会提前知道并进行模拟。通过分析事故发生过程，得出连锁故障原因:由于线路4传递的功率转移到了线路5上，使线路5的阻抗低于相间距离保护Ⅱ段定值，因此保护动作将其切除。

4 结论

通过分析继电保护和安自装置特性，在PSASP中实现了连锁故障的闭环、交互式仿真计算分析。仿真实例表明:该仿真方法不需要人为设定继电器的动作行为，克服了以往仿真软件不能真实反映因保护拒动或误动而产生连锁故障的缺点，可以真实反映系统实际的全过程动态行为，实现连锁故障的仿真分析。

［1］薛禹胜.综合防御由偶然性演化为电力灾难—北美“8·14”大停电的警示［J］.电力系统自动化，2003，27(18):1 －5.

［2］ELIZONDO D C，DE La ree－j，PHADKE A G，et al.Hidden failures in protection systems and their impact on wide－area disturbances［C］//Power Engineering Society Winter Meeting，2001.IEEE，2，2001:710－714.

［3］宋新立，汤涌，卜广全，等.大电网安全分析的全过程动态仿真技术［J］.电网技术，2008，32(22):23 －28.

［4］贺家李，李永丽，董新洲，等.电力系统继电保护原理［M］.第4版.北京:中国电力出版社，2010.

［5］中国电力科学研究院.0版潮流计算用户手册［M］.北京:中国电力出版社，2010.