基于PSCAD光纤通道联调的仿真平台

2020-11-12冯知海李清泉胡云龙杨茂亭

黑龙江电力 2020年4期

冯知海，李清泉，胡云龙，杨茂亭

(国网山东省电力公司检修公司，济南 250000)

0 引言

电流差动保护具有原理简单、所需电气量少、灵敏度高以及天然选相的功能，是最为理想的保护原理，但其传输通道始终是制约其发展的主要因素。电流差动保护通道的发展经历了导引线通道、输电线路载波(高频)通道、微波通道和光纤通道。其中，导引线通道只能用于距离在15～20 km以内的短线路；载波通道不仅衰耗较大，而且投资大，不适用于大量应用；微波通道往往不能满足继电保护极高的可靠性要求。光纤通道则较以上3种通道具有许多明显的优点：通信容量大、中继距离长、不受电磁干扰、资源丰富、重量轻、体积小等，而且随着近几年光纤通信技术的快速发展，光纤通道已经普遍应用于电网的运行中[1-2]。

以实际运行的某220 kV高压输电线路为例，在PSCAD软件中搭建了电流差动保护模型，并结合现场的调试原理、步骤对输电线路进行通道联调的仿真分析。现场工作人员在进行相关工作前，可以结合该模型熟悉通道联调的步骤及调试结果，不仅对双方断路器的正确变位有确切的认识，更加有助于提高工作人员的调试效率。

1 光纤电流差动保护原理

输电线路两端以光纤作为通信通道，通过比较两端的电流量，判断是否动作于本侧或对侧跳闸。一次侧的电流信号通过互感器变换、保护装置的编码、光电转换，最后以光信号的形式通过光纤传输到对侧，对侧以相反的形式解码，再与本侧的电流量作比较。其简化原理图如图1所示，图中两电流互感器之间的区域即为电流差动的保护范围。理想情况下，流入继电器的电流为

式中：nTAM、nTAN分别为M侧、N侧电流互感器的变比。

图1 输电线路电流差动保护原理图

图2中：Id为动作电流；Ires为制动电流；I0为启动电流；Ires0为拐点处的制动电流；Kres为制动系数，其值为Kres=Id/Ires。由图2可得差动保护的动作判据为

图2 两折线比率差动保护的动作特性

2 仿真模型的建立

结合图2的动作特性，搭建了1条长度为70 km的220 kV输电线路模型，如图3所示。其线路参数参照文献[3]进行设置。

图3 输电线路仿真模型

考虑到通道联调时，需要进行弱馈保护实验，电源模型采用“Three-Phase Voltage Source Model 3”，可以方便直观地根据实际调节供电侧和受电侧的电压相量。对于220 kV线路的输电线路常采用π形等值电路，故选用“Coupled Pi Section Transmission Line”线路模型。断路器采用“3 Phase Breaker”元件，由保护模块控制(0=ON(闭合断路器)；1=OFF(断路器跳闸))，用以切除故障。测量表计“Multimeter”实现表计安装处的电压和电流的实时测量功能。

保护封装模块“Control 201”“Control 211”作为整个模型的核心，其内部的工作逻辑框图如图4所示[2,4]。两模块间以数据组的形式，即元件“Data Merge”和“Data Signal Array Tap”，将差动保护所需要的启动量、电流量、开关位置、远跳信号、控制字、通道状态等经过逻辑运算后发往对侧，从而模拟了实际的光纤通道。其中A相差动元件的仿真模型图如图5所示。以元件“Two State Switch”模拟现场“A相跳闸、B相跳闸、C相跳闸、重合闸、光纤电流差动保护”压板(0=退出压板；1=投入压板)，如图6所示。

图4 光纤电流差动保护逻辑框图

图5 A相差动元件的仿真模型

图6 光纤电流差动保护压板投退模型

为保证该仿真模型中输电线路发生故障时的正确性与全面性，图3设置了F1(区外近M端)、F2(区外近N端)和F3(区内)3处故障点。故障模块采用元件“Three Phase Fault”，并将其设置为外部控制方式；故障位置和故障类型的选择均采用元件“Rotary Switch”，以便于通过元件“Control Panel”灵活控制；故障的持续时间由元件“Timed Fault Logic”控制。模型中故障模块的控制模型如图7所示。

图7 故障模块的控制模型

3 仿真分析

差动保护模型搭建完成后，即可根据现场通道联调的调试步骤进行仿真分析。首先需要确定差动保护等相应控制字、压板已置“1”，通道正常，即可开始进行仿真调试[4-5]。

检查输电线路两侧的采样值及差流是否正确。在保证输电线路两侧的电流互感器的变比系数相对应的情况下，在201或211开关断开的情况下，在一侧输入三相电流，由于对侧没有电流，导致仿真波形显示有较大差流，且与输入的电流相等；当两侧开关均处于合位时，在线路两侧输入额定电流，进行仿真，仿真结果如图8所示。由图8易得两侧电流相差180°且无差流。

当输电线路的一侧处于停电检修状态，同时线路发生故障，即输电线路空冲时故障：N侧断路器处于分闸位置且M侧断路器在合闸位置，此时在输电线路上的“F3”位置设置各种故障，设置故障发生时间为0.2 s,保证故障电流大于差动保护电流的整定值，M侧差动保护动作，N侧不动作。其动作逻辑如图9所示。

IM为母线M侧电流；IN为母线N侧电流；IMN为两侧差流。

图9 线路空冲时的断路器动作状态

对于某些线路，由于一侧为大电源端，另一侧为弱电源端，在线路发生故障时，很容易导致弱电源端拒动，因此引入了弱馈保护功能。图3中将N侧设为弱电源端，即设置其三相电压为正序34 V(小于65%UN但是大于TV断线的告警电压33 V)，使201和211两个断路器均处于合位，在输电线路的“F3”处模拟各种类型的故障，当故障电流大于差动保护整定值时，M、N侧差动保护均能正确动作于跳闸，如图10所示。

远方跳闸功能：使201、211两个断路器在合闸位置，在M侧由元件“Two State Switch”将“远跳受本侧控制”控制字置“0”，模拟故障使N侧的211断路器跳闸，同时给M侧发远跳，201断路器能够正确动作。在M侧将“远跳受本侧控制”控制字置“1”，当N侧向M侧发远跳时，201断路器不动作，而当在M侧通过元件“Integer Constant”延时1.5 s发电流差动保护启动信号时，201断路器能够正确动作。仿真结果如图11所示。