保护系统对电网连锁故障发展影响仿真分析

廖叔洋，刘军

（1.国网安徽省电力公司检修公司，合肥230061；2.国网安徽省电力公司淮南供电公司，安徽淮南232001）

保护系统对电网连锁故障发展影响仿真分析

廖叔洋1，刘军2

（1.国网安徽省电力公司检修公司，合肥230061；2.国网安徽省电力公司淮南供电公司，安徽淮南232001）

针对电力系统仿真模型难以准确模拟实际电网连锁故障发生过程中保护动作特性的问题，建立较为详细的保护模型。以电力系统保护为主要研究对象，基于PSASP用户自定义模块搭建保护模型，并应用于连锁故障的仿真。仿真模拟了保护的不同动作特性对连锁故障发展的影响，实现了连锁故障的仿真分析。仿真算例证实了该模型的有效性及合理性。

保护建模；连锁故障；PSASP

0 引言

近年来，世界范围内发生了多起连锁故障引起的大停电事故。在历次的连锁故障发生过程中，保护装置都扮演着重要的角色［1］。2006年华中电网事故的最主要原因是500 kV嵩郑Ⅱ线保护装置误动作［2］，印度2012年“7·30”和“7·31”两次大停电事故的触发原因均是潮流转移导致的距离Ⅲ段保护跳闸［3］。

国内外学者对保护装置的建模及其对连锁故障发展的影响进行了广泛研究。文献［4］基于Markov状态空间法，针对电力系统中常见的保护配置方式分别进行概率建模。文献［5］针对单一主保护和主后备保护系统，基于状态维修环境，首次建立详细的、考虑人为失误影响的保护系统可靠性模型。文献［6］和文献［7］使用PSASP的用户自定义模块，建立保护模型来仿真保护动作行为，并验证该方法的可行性，但其研究重点侧重于保护装置的建模，在连锁故障的应用上并未深入展开，也并未考虑保护不同动作特性的仿真；文献［6］的保护模型仅针对相间距离保护建模，不能反映发生接地故障时保护的动作情况；文献［7］的主保护采用定时判别法而不是定值判别法，在一定程度上简化了模型，但是难以反映故障切除后系统振荡等运行状态对主保护的影响。现有的仿真分析大多采用的是概率统计和概率抽样的方法，难以真实反映连锁故障发生和发展过程中保护装置的实际动作特性。

针对现有建模方法的不足，基于PSASP软件，以线路保护为主，对保护装置进行建模并应用到连锁故障仿真中，讨论保护的不同动作特性对于连锁故障发展的影响。采用IEEE39节点算例，验证仿真的合理性。

1 继电保护装置建模

距离保护是利用短路发生时电压、电流同时变

化的特征，测量电压与电流的比值，反映故障点到保护安装处的距离，判断故障是否处于保护区内，在电力系统网络中广泛应用［8］。本文采用闭锁式距离纵联保护。闭锁式距离纵联保护可以看作是由两端完整的三段式距离保护附加高频通信部分［9］，以距离III段作启动元件，距离II段作方向判别元件与停信元件，距离I段作两端各自独立跳闸段。距离保护动作区域如图1所示。

图1 距离保护动作区域示意

在连锁故障的仿真过程中，如果对保护系统的每一个元件都详细模拟，必将导致计算量的大幅增加，因此在对保护装置进行建模时做部分简化，侧重于对纵联保护原理的建模，反映保护在连锁故障发生过程中的动作行为，以求在仿真速度和计算精准度间能够取得较好的平衡。采用定值判别法，更为贴近实际电网的保护配置，进而可以模拟保护的不同动作特性对连锁故障发生和发展过程的影响。

使用PSASP软件对上述保护原理进行建模［10-11］。图2给出了保护模型示意图。模型由测量元件、振荡闭锁元件、逻辑判断元件、动作元件、通信元件等构成。测量元件分别配置相间距离保护和接地距离保护，输出测量阻抗幅值和相角，经过整定计算后输出逻辑信号。各段动作信号经延时或振荡闭锁后输出。

图2 距离保护模型示意

2 仿真流程

图3给出了使用UD模型进行连锁故障仿真的流程。仿真开始前需进行准备工作，包括潮流计算、模型配置和定值整定等。潮流计算是基础工作，给后续的定值整定、暂态计算等提供基础潮流。模型配置包括对UD模型的配置，还包括对暂态稳定分析计算的配置等，将所需要的模型通过UD调用等方式添加到电力系统中去。连锁故障仿真的过程中，PSASP可以通过UD调用来完成电力系统各电气信号和UD模型逻辑信号的交互，将采集量输送到UD模型中，模型经过判断后发出动作逻辑信号，并将信号通过UD接口返回电力系统中去，完成一次计算。接着系统收集各保护装置动作信息进行相应动作，并判断是否达到稳定要求，系统失稳或达到预设仿真时长后，结束本次仿真，进行结果分析。

图3 连锁故障仿真流程

3 仿真算例分析

以IEEE39节点系统为例，其网络结构如图4所示，规定线路两侧中，编号较小的节点侧为i侧，编号较大的节点侧为j侧，全网线路的两侧均添加保护模型，部分算例添加控制装置以作对比。

图4 IEEE39节点系统

3.1 保护装置正确动作仿真

预设0.2 s时线路11上50%处发生三相永久接地短路，仿真时长50 s。

仿真结果如下：线路11上发生故障后，11线两侧UD保护均在0.24 s发出跳闸信号，线路11被切除，系统恢复稳定，其他保护均无动作。线路11上电流曲线以及系统稳定曲线如图5所示。图5中可以看出11线被切除后电流为0，系统的功角在振荡后趋于稳定。

3.2 保护误动作仿真

预设0.2 s时线路11上50%处发生三相永久接地短路，线路9上i侧距离Ⅲ段保护定时器含有隐性故障，线路9距离Ⅲ段出现误动作，仿真时长50 s。

仿真结果：线路11上发生故障后，11线两侧UD保护模型主保护均在0.24 s发出跳闸信号，线路11被切除。线路9上i侧距离Ⅲ段保护由于定时器的隐性故障导致误动作，0.24 s误切除9线。9线和11线切除后，线路18上潮流过载，距离Ⅲ段于1.76 s动作切除线路。此时系统解列成两个电网，分别是31、32节点上发电机及其相关线路组成的小电网和其余部分组成的大电网。整个系统于1.94 s失去稳定，仿真结束，系统电压振荡曲线如图6所示。图6可以看出系统的最低电压在18线切除后剧烈振荡，系统因电压振荡而失去稳定。

图5 线路11故障后仿真曲线

图6 线路11故障后保护误动系统电压振荡曲线

3.3 保护装置拒动作仿真

预设0.2 s时线路11上50%处发生A相永久接地短路，线路11上i侧主保护拒动，后备保护于故障发生后0.54 s动作切除线路，不考虑控制措施的动作情况，仿真时长50 s。

仿真结果：线路11上j侧在故障发生后立即动作，i侧主保护拒动，后备保护于0.76 s切除线路。表1给出了该次仿真的事故序列。

表1 保护拒动后的事故序列仿真

表1线路10的距离III段保护，作为11线i侧的远后备保护，在11线主保护和近后备保护拒动的情况下应当可靠动作。但是11线的i侧主保护拒动，后备保护于故障发生后0.54 s可靠切除故障，由于11线的故障未能及时切除，导致10线上短路电流持续增大，之后11线虽然被切除，但10线依旧过载，测量阻抗落入动作范围，触发保护动作。这一结果在实际仿真进行前是难以准确预测的，同时可以看出保护拒动对电力系统的影响：不仅不能及时切除故障，还可能会引发其他继发性故障。

系统于4.04 s失去稳定，功角振荡曲线如图7所示。

图7 线路11故障后保护拒动系统功角振荡曲线

4 结语

通过分析继电保护的特性，基于PSASP的用户自定义模型搭建了较为详细的保护模型，并实现了连锁故障的仿真。在仿真中可以模拟电网中的保护动作，仿真保护的不同动作特性对连锁故障发展过程的影响，仿真表明保护不正确动作会给系统带来恶劣影响，造成事故范围的扩大。该仿真结果更加接近实际电网在发生连锁故障过程中的动态特性。

［1］刘友波，胥威汀.电力系统连锁故障分析理论与应用（二）——关键特征与研究启示［J］.电力系统保护与控制，2013，41（10）：146-155.

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［4］欧阳前方.电网可靠性评估中的继电保护概率模型研究［D］.重庆：重庆大学，2007.

［5］张晶晶，丁明.人为失误对保护系统可靠性的影响［J］.电力系统自动化，2012（8）：1-5.

［6］丁天池，夏天.基于继电保护UD建模的连锁故障仿真分析［J］.黑龙江电力，2011，33（6）：426-428.

［7］孙元章，杨军.电力系统动态仿真中的继电保护模型［J］.电力系统自动化，2009，33（20）：47-51.

［8］许婧，白晓民.考虑保护隐藏故障的系统N-k故障分析［J］.电机工程学报，2012，32（1）：108-114.

［9］戴志辉，王增平.阶段式保护原理性失效风险的概率评估方法［J］.电工技术学报，2012，27（6）：175-182.

［10］丁天池，夏天.基于继电保护UD建模的连锁故障仿真分析［J］.黑龙江电力，2011，33（6）：426-428.

［11］孙元章，杨军.电力系统动态仿真中的继电保护模型［J］.电力系统自动化，2009，33（20）：47-51.

Simulation Analysis of the Impact of Protection System on the Development Process of Power System Cascading Failure

LIAO Shuyang1，LIU Jun2
（1.State Grid Anhui Maintenance Company，Hefei 230061，China；2.State Grid Huainan Electric Power Supply Company，Huainan 232001，China）

In view of the problem that the current model of power system is difficult to accurately simulate the action logic of relay protection，a detail relay protection model is proposed.With user-defined model in PSASP，a protection model is built to simulate cascading failures.The simulation includes acts of relay protection and their effects to the development of cascading failures.It is showed that simulation analysis of cascading failures based on this protection model can reflect the dynamic behavior of relay protection in power system.The rationality and effectiveness of the proposed protection model are verified by a test on IEEE 39-bus system.

model of relay protection；cascading failures；PSASP

TM743；TM71

A

1007－9904（2016）09－0053－04

2016-05-17

廖叔洋（1990），男，从事电力系统继电保护工作；

刘军（1990），男，从事电力系统继电保护工作。