PSCAD／EMTDC和ATP仿真在数字式继电保护中的应用

张爱兰

（武汉大学电气工程学院，湖北武汉 430072）

1 引言

电力系统的继电保护是一门综合了电力系统网络分析、自动控制理论和微机技术的综合学科，保护装置主要分为线路保护和主设备保护。其中主设备保护包括变压器保护、母线保护、发电机保护、发电机变压器组保护和电抗器、电容器保护等几大类型；各种类型的保护装置又可以根据具体的应用采用不同的保护原理，而继电保护的原理也是多种多样［2］。

数字式继电保护是指将微型机、微控制器等器件作为核心部件构成的继电保护，依据其维护调试方便、可靠性高、易于获得附加功能、灵活性大、保护性能得到很好改善等特点广泛应用于电力系统中，进一步提高了电力系统的安全、稳定、可靠和经济运行，为电网高质量的电能传输和供电提供了更好的技术保障，也为变电站实现无人或少人值班创造了必要的条件［3］。

虽然理论上大部分保护装置的软件仿真可以整合大多数的保护理论和保护方式，但还需要根据具体情况进行配置，而且由于时间精力有限，不可能面面俱到，这里只选择了PSCAD／EMTDC和ATP两种仿真软件仿真数据或记录真实故障电压、电流值对继电保护的动态特性进行分析和校验，分析和改进保护动作特性，这种方法方便灵活，可以任意改变保护装置的结构、电力系统结构、故障类型、故障地点等，具有低成本、高效率、灵活方便等优点。

2 基于PSCAD仿真的数字式继电保护

当系统发生单相接地故障时，对220kV双电源系统进行仿真。其中Em和En为两端系统电势，Zm和Zn为系统的阻抗，R和XL分别为线路的电阻和电抗及故障点位与线路中点处。故障示意图如图1所示。

图1 故障示意图

系统参数为：

m 侧系统电阻 Rm＝9.186Ω，电感 Lm＝138mH；

n 侧系统电阻 Rn＝9.186Ω，电感 Ln＝138mH，功角滞后 20°。

线路单位长度参数为：线路总长度L＝100km，线路正序阻抗和导纳为R1＝3.4676Ω，X1＝42.3366Ω，G1＝1.0×10-5MΩ，B1＝0.00027MΩ；零序阻抗和导纳为 R0＝30.0023Ω，X0＝114.2641Ω，G0＝1.0×10-5MΩ，B0＝0.00019MΩ。

在PSCAD中搭建的系统仿真模型如图2所示。设线路中点处发生A相接地故障，故障起始时刻为 0.2s，故障持续时间为 0.1s，仿真时间在 0.5s时结束，采样频率为4kHz。

图2 系统PSCAD仿真模型

将系统电流电压信号进行傅里叶快速变换，得到三相的电压电流幅值和相位，再对其进行变换，得到正序、负、零序的电压电流幅值和相位。

将所得数据输入到距离保护控制模块中。接地距离保护和相间接线距离保护的接线方式如图3所示，这些控制着线路断路器的开关，让其在整定范围能动作，整定范围外不动作，保证其选择性。

下面以线路距离一段保护为例，整定范围为整个线路的80%。

在线路50%短路，即离母线M距离50kM的位置短路。

不加距离保护时的三相电压电流波形如图4所示。依次为三相电压仿真波形图、三相电流仿真波形图及故障时间设置波形图。

图3 继电器阻抗控制模块

图4 50%故障时不加保护故障波形

从图中可以看出，当A相发生单相接地故障时，A相电压有明显的电压降低，而B、C两相电压基本保持不变；A相电流明显增大，而B、C两相电流基本保持不变。

加上距离一段保护后的电压电流波形如图5所示，可以看出加上距离一段保护时，因为故障在一段保护范围之内，阻抗继电器发出了信号让断路器跳闸，所以三相电流立刻变为零，三相电压也恢复成电源电压。

图5 50%故障时加上保护后的故障波形

有些算法在进行保护计算之前需要滤波，这里采用零点滤波器的设计方法设计滤波器进行滤波。滤波器传递函数为，这是一个 4阶的传递函数，对应的离散的计算公式为y（n）＝x

用Matlab编写程序如下：

滤波程序为：

该滤波器能滤除3次和5次谐波，基波增益为6。用该滤波器对A相电流和电压进行滤波，波形如图6所示。

图6 A相滤波前后电流、电压波形

3 基于ATP仿真的数字式继电保护

在ATP中建立系统仿真模型，如图7所示。设线路中点发生C相单相接地故障，故障起始时刻为 0.1s，故障持续时间为 0.1s，仿真时间在 0.5s 时结束。采样频率为600Hz，即采样间隔为，每周期采样点为12。

图7 系统仿真模型

ATP中的仿真波形如图8所示，其中（a）为三相电流仿真波形，（b）为三相电压仿真波形。从（a）中可看出，当C相发生单相接地故障时，C相电流明显增大，而A、B两相电流基本保持不变，仍为负荷电流；C相电压有明显的电压降低，而A、B两相电压基本保持不变。

图8 仿真波形

同PACAD所设计滤波器一样，能滤除3次和5次谐波，基波增益为6。用该滤波器对C相电流和电压进行滤波，波形如图9所示。

图9 C相滤波前后电流、电压波形

4 结论

通过以上的两个仿真实验，PSCAD／EMTDC的简单操作及强大功能可见一斑，使电力系统复杂部分的可视化成为可能。而ATP可模拟任意结构的复杂电力网络及其控制系统，且具有很强的扩展能力。两者仿真结果证明仿真的准确性和可靠性，二者在数字式继电保护中皆可得到广泛可靠的应用。

［1］钟慧荣，蒋秀洁.PSCAD在电力系统分析实验教学中的应用［J］.实验科学与技术，2008.

［2］丁 刚.电力系统微机继电保护仿真研究［D］.中国优秀硕士学位论文全文数据库，2006.

［3］杨奇逊，黄少锋.微机型继电保护基础［M］.北京：中国电力出版社，1987.