研究电力系统动态仿真中的继电保护建模

王嘉斌 钮月峰

【摘要】电力系统发展迅速，同时也面临着很多问题。针对目前电力系统普遍缺少对继电保护模型的系统化建模以及准确描述继电保护器件的动态特征等问题，本文通过分析电力系统动态仿真中继电保护模型的现状，对继电保护模型的建模方法进行综合分析，在虚拟继电器的基础上进而提出继电保护模型的建模方法。文中系统地介绍了逻辑层次清晰的建模方法，并且有效实现了电力系统中的继电保护模型的动态仿真模拟，以期为相关继电保护领域提供可参考的资料。

【关键】电力系统;动态仿真;继电保护;建模方法

1、引言

电力系统运行过程的稳定，直接关系到社会经济发展以及居民生活的用电需求，而继电保护装置作为电力系统中最关键的组成之一，其安全稳定运行能够避免发生大规模的电力故障。继电保护装置，不仅能快速分析排除发生故障的器件，还能维护电力系统的稳定运行。但是，目前对于继电保护装置的系统化研究缺少相应的分析工具，进而导致无法描述继电保护装置在发生电力系统故障时起到的真实作用以及其动态行为对于电力系统的稳定运行的影响。因此，建立电力系统动态仿真中的继电保护模型来真实描述其作用，这对于提高电网的稳定性具有非常重要的作用。

本文在虚拟继电器的基础上，研究了电力系统中动态仿真中的继电保护模型，并提出了一种逻辑层次分明、逻辑清晰的建模方法，对继电保护器件进行分层次的建模，有效的降低了继电保护模型的建立的复杂性。另外，该建模方法还能降电网故障时的动态特征真实系统地反映，对维护电力系统的稳定性研究起到重要的作用。

2、 电力系统仿真程序中继电保护模型的发展现状

对于动态仿真中的继电保护模型，并未完全应用于电力系统，部分电力系统仍然依据设定的时间来对开关进行控制实现对电网的保护作用，而少部分电力系统仿真程序提供了简单的模型，进而对电力系统进行简单的保护功能。目前，电力系统仿真程序软件中主要包含PSASP、BPA、PSS/E、NETOMAC以及EUROSTAG等，各仿真软件发展状况不同，具体现状如表1所示。

上述表一所总结的是基于国外继电保护模型，主要研究了失步保护、距离以及失磁继电器等类型。但是，这些继电保护研究类型较少，对最新的装置并未建立相应的模型，并且与国内使用的类型存在着很大的不同，因此并不能真实的描述继电保护装置在电力系统发生故障时发生的动态特征。因此，必须通过建立符合实际情况的仿真程序中继电保护装置模型，这将有效的系统化描述电网的动态仿真状态。

2、仿真程序中继电保护建模思路及方法

2.1  仿真程序中继电保护建模思路

常见的电力系统中的继电保护通常可分为线路保护装置、变压器保护装置、母线保护装置以及其他保护装置，如图1所示。从图中可以明显地看出，各个保护装置都可以逐层细分为不同的功能器件，各功能器件实现其相应的功能，共同组成继电保护系统。因此，相比于直接对整个电力系统中继电保护装置系统建模研究，逐层对继电保护系统中的组成元件进行建模研究要简便得多，避免了繁杂的工作。

此外，继电保护系统中的器件的主保护分为差动以及高频保护两大类。对于这类继电保护系统，主保护由于动作时间相对短，可靠性很高，在确保精准度的基础上，动态仿真中可以适当简化模型。对于高压线路系统和主设备的保护，其相对动作时间长，对建立动态仿真程序的影响比较明显，需要重点研究。但是，电网结构的不同/运行习惯和需求的差异导致在实际的电力系统中包含着不同标准的继电保护元件。因此，为了建立能够准确描述不同实际保护系统的方法是非常重要的。

2.2  仿真程序中继电保护建模方法

对于电网中仿真程序中的继电保护主要包括定时判别和定值判别法，这两种方法应用最广。定时判别法主要是通过预先设定时间的动作状态来判断电力系统中是否发生故障，进而判定断路器的动作特点，它不存在相应的模型，其优势在于动作迅速，实现起来较为简单。而定值判别法引入了继电保护模型，通过在其保护机理的基础上，利用定值以及动作延时的配合，再依靠模型本身来综合反映继电保护系统的准确性与灵敏性。定值判别法的优势在于能较为真实的反映保护元件的动态特征，但是其不足在于计算量很大。因此，在实际电力系统中，需要综合考虑实际情况，进而选择相应的方法。

3、動态仿真程序中继电保护模型的实现

3.1  动态仿真程序与保护模型的接口设计

在电力系统中，为探析保护装置的实时动作特征，并研究其对电网所产生的实际影响，动态仿真程序应当将准确的信息输入至继电保护模型中，进而仿真程序能够从保护模型中得到相应的反馈信息，最终实现动态仿真程序与保护模型的之间合理的动态数据交互。另一方面，动态仿真程序以C++程序语言为基础，依据继电保护模型中保护对象的属性和动态特征，最终进行仿真程序中继电保护模型的建立与完善。在电力系统的保护实际应用中，仿真程序根据界面图案得到相应的安装信息，从而对保护的装置配备符合要求的保护功能。同时，采用定值判别法对其进行数值的设定，实现其动作特征的准确设定，最终实现保护对象与模型两者间的动态交互关联。另外，电网发生保护动作时，相应的动作特征及时反馈至程序中，造成短路来改变电力系统网络的拓扑结构。

3.2 继电保护动态仿真流程

在动态仿真程序中导入仿真电力系统的结构和相应的参数，对保护模型的基本数值进行设定，确定模型中的实际保护对象，在对基础数据以及动态数据的读取后，形成相应的数据矩阵进行数据的解析，仿真程序在每个计算步长中，对继电保护的元件进行扫描。继电保护器件根据实时产生的数据，包括电压/电流等，根据预先设定的配备逻辑表，进行有效判别是否有无保护动作的发生。在对保护动作的发生的准确判别上，依据设定的仿真程序进行操作。如果发生了相应的保护动作，则把相应的动作信息传递至程序中的事件队列，同时判别事件是否发生，进一步触发事件处理机制。事件一旦发生，触发事件处理机制，进而会改变短路状态，对数据矩阵进行修改，并解析数据来对控制系统的开关进行断开，改变网络结构，最终实现闭环式的动态仿真，实现对电网故障时继电保护装置的动态行为的真实描述。

因此，在电力系统的稳定性研究中，实现继电保护模型在动态仿真程序中的应用是十分重要的。针对当前电网实际使用情况的差异，建立系统性的继电保护模型应用于电力系统长过程的动态分析，最终实现保护动作与保护装置模型之间的实时数据交互，控制保护元件的开断状态，完成闭环且交互式的动态仿真程序的继电保护模型的实时仿真，保障电网的稳定运行。

4、结论

本文通过对电力系统中动态仿真程序中的继电保护中建模的现状进行了简要分析，在此基础上提出分层次的、逻辑清晰的建模思路与方法，并且讨论了动态仿真程序中的继电保护中建模方法的类别，最终总结出电力系统动态仿真程序中继电保护模型实现的措施，希望为同领域的同行提供可借鉴的思路与方法。

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