PSCAD/EMTDC在继电保护教学中的应用

2015-07-05张紫凡刘文静

电气电子教学学报 2015年3期

张紫凡，刘文静

(华南理工大学广州学院，广东广州510800)

PSCAD/EMTDC是当前普遍流行的电磁暂态仿真分析软件包，不仅在电力系统研究领域得到广泛应用，而且在高校电气工程及相关专业教学中日益受到青睐。该软件由PSCAD和EMTDC两部分组成[1]。EMTDC是具有复杂电力电子、控制器及非线性网络建模能力的电力系统模拟分析程序[2]。PSCAD是用户仿真界面，PSCAD图形界面大大提高了EMTDC的功能，实现了以可视化的形式以及较为简单的模型模拟复杂电力系统的功能[3]。

“电力系统继电保护”课程虽然向学生介绍了继保装置的原理和动作特性，但是学生没有参与继保装置设计和验证，对所学到的抽象的理论缺乏感性认识和实际应用。PSCAD/EMTDC以其简洁的图形界面和精确的仿真结果，让学生可以实现以下类型的继保装置的仿真工作:电网的相间电流和电压保护;电网接地故障的电流和电压保护;电网的距离保护;输电线路的纵联保护;主设备(发电机和变压器)保护以及自动重合闸[5]。

利用PSCAD进行继电保护的仿真，首先要搭建出仿真系统的一次模型，并根据继电保护的功能建立二次模型。然后设置各个元件参数及一次线路的故障，并在需要观测变量的位置添加测量仪表。最后，执行仿真命令并输出相关电气量数据。整个仿真过程既可用于课堂演示，也可作为课程实验内容让学生动手参与。

1 仿真模型中一次系统的建立

EMTDC中距离保护的仿真模型分为一次和二次两部分。一次部分是有双端电源的输电电路，线路两端均装有断路器，其中断路器B1可由距离保护装置控制开通和关断。输电线路LINE设有故障元件，可设置故障时间和故障类型。如图1所示。

图1 系统一次接线图

2 仿真模型中二次系统的建立

该仿真模型能够判断系统是否发生相对地以及相间短路故障，若发现故障则保护动作跳开三相。距离保护二次系统的仿真模型如图2所示。其中主要包括电压电流的相序分量计算部分、跳闸控制信号输出部分、相间阻抗计算部分和单相接地阻抗计算部分。

图2 距离保护二次系统仿真模型图

2.1 距离保护二次系统动作原理

从一次系统的数据采集到继保装置对断路器发出跳闸信号的整个过程是由距离保护的二次系统来完成的，逻辑流程如图3所示。

该流程图主要包括“取值”、“故障判断”及“跳闸信号输出”三个部分。

(1)“取值”部分是由测量电表对测量点的电压电流数据进行采集，并由FFT元件提取出三相电压、电流的幅值及相位数据。

(2)“故障判断”部分包括相对地短路故障及相间短路故障的判断。

相间故障判断功能:“计算相间阻抗值”环节是将三相电压电流数据经“相间阻抗计算元件”进行计算，得到相间阻抗值。将相间阻抗值输出至“相间阻抗圆继电器”中判断是否在保护圆范围内，并输出判断结果至“跳闸信号输出”部分。

图3 距离保护仿真流程图

接地故障判断功能:将电压电流值进行派克变换提取出序分量值，再计算出相对地阻抗值;将相对地阻抗值输出至“接地阻抗圆继电器”中判断是否在保护圆范围内，并输出判断结果至“跳闸信号输出”部分。

(3)“跳闸信号输出”部分将相间故障判断值与接地故障判断值进行“或”计算，若计算结果为1，则发出跳闸信号断开三相，如计算结果为0，则保护不动作。

2.2 故障判别元件

在距离保护仿真模型的二次系统中，故障判别是其关键环节，起到故障判别作用的元件是阻抗圆继电器，如图4所示。通过参数设置，阻抗圆继电器可以实现多种动作特性(全阻抗、方向阻抗和偏移阻抗)。阻抗圆继电器将测量及计算得出的相间阻抗及相对地阻抗进行“描点”，若进入动作区域，则继电器发出动作信号命令断路器断开故障线路。

图4 阻抗圆继电器

3 不同阻抗圆特性下的仿真

通过对阻抗继电器的参数设置，可以实现不同的阻抗圆特性。系统参数设置输电线路LINE1为:长度110 km、正序阻抗为 (3.81+j46.57)Ω、负序阻抗为0、零序阻抗为(33.00+j125.69)Ω。现设置系统故障发生时间设置为0.2 s，故障持续时间为0.05 s，发生故障的位置为距线路首端75 km处(故障点至线路首端长度占线路全长的68%)。

不同阻抗圆特性下的阻抗圆继电器的参数及系统故障设置如表1所示。表中三种阻抗圆特性均设置有A相接地故障作为横向比较，偏移阻抗增加BC相间短路作为同一种阻抗圆下特性不同故障的纵向比较。

表1 阻抗圆继电器参数设置表单位:Ω

图5～图9分别是表1中给出的五种不同仿真条件下的仿真结果。每一个仿真波形图均包含三个子图，分别是接地阻抗圆特性图、相间阻抗圆特性图、系统三相电压电流波形及故障时间及断路器状态图。

由以上仿真图可以分析得知，当故障点在75 km处即在保护范围内时，三种阻抗圆特性均能正确动作，在系统发生故障后的0.02秒的时间内能够将故障切除。接地阻抗圆能够判断出系统接地故障并发出断开信号，相间阻抗圆能够判断出相间故障并发出断开信号。当故障点在100 km处时，即超出80%的保护范围后，继保装置不动作。后续的仿真实验显示，此模型能够正确判断其他类型的故障，在此不逐一列举。

4 结语

通过上述利用PSCAD对距离保护进行仿真和建模的过程，可以看出，利用PSCAD仿真平台可以清楚地观测到距离保护各元件的动作过程和各点电压电流波形，加深学生对原理的理解。另外，我们利用此平台进行了多种继电保护装置的建模仿真，并增加相应的课程设计和学生研究计划鼓励学生自己搭建模型，教师给予指导。教学中加入的仿真环节和理论教学结合，学生自行探索和教师指导结合，有效地提高了学生的学习效率。