基于PSCAD/EMTDC仿真软件的弱电强磁输电线路接地故障测距分析

山西博科慧通科技有限公司 韩 乾

PSCAD/EMTDC 软件的计算精度高，仿真性能可靠，将其用于弱电强磁输电线路接地故障测距时，可以模拟输电线路的暂态过程，保证输电线路接地故障测距结果准确。基于此，下文以弱电强磁输电线路接地故障测距为例，研究PSCAD/EMTDC 仿真软件在其中的应用方法。

1 弱电强磁输电线路解耦方法

1.1 初步解耦

同塔四回线弱电强磁系统中各回线导线无变压器实现直接电气联系，导线的间距小，可能由于强磁联系导致线路间存在零序互感，不利于系统正常运行[1-2]。若四回线系统存在跨电压等级接地故障，在此特殊情况下进行解耦时，传统的十二序分量法缺乏可行性。该问题可应用如下解除耦合方法：以六序分量法在同塔双回线中的解耦原理为依据，分为两子系统，用六序分量矩阵对各自解耦，确定回路的正、负、零序同反向量，在该解耦方法中，涉及的电气量变换关系主要为：

变换矩阵S：

展开可表示为：

式中，T、F为同反向量；符号上标Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为子系统双回线；符号下标0、1、2分别为零序、正序、负序；Z为解耦后的总阻抗矩阵，式（4）见下页。

根据阻抗矩阵Z可知，在执行解耦操作后，仍具有耦合关系的是零序阻抗参数及对应电压零序同反向量，为保证弱电强磁输电线路解耦效果，在初步解耦的基础上执行深度解耦。

1.2 深度解耦

忽略已解耦的正负序阻抗，从矩阵Z 中提取初步解耦后仍存在耦合关系的零序同和零序反向量，建立零序互感矩阵，目的是为完全解耦零序互感阻抗矩阵，提取具有参考价值的弱电强磁输电线路故障信息。零序矩阵与零序电压电流的关系式，如式（5）。

引入不对称参数k1、k2、k3、k4，建立解耦阵P0：

解耦后的零序阻抗与电压电流关系式：

经过初步解耦合深度解耦后，实现对弱电强磁系统线间互感的完全解耦，产生的零序分量未受到正负序分量的影响，仅与每回线参数相关。

2 弱电强磁输电线路接地故障测距方法

某母线两端零序电压电流方向如图1所示。图中，F为故障点；L为线路全长；DF为故障点到母线M端的故障距离（用M、N表示母线两端，以便计算）；UF0为故障处零序电压。

图1 母线两端零序电压电流方向

计算分析中，将分布参数电路形式的输电线用集中参数表示。对于环流量g0，根据线路电压分布规律和故障序网图，建立测距方程，如下：

3 PSCAD/EMTDC 仿真验证

3.1 仿真模型及阻抗参数

输电线路模型的搭建在PSCAD/EMTDC 软件中完成，向MATLAB 中导入仿真运行的数据，开始编程计算[3-4]。

220kV 子系统、500kV 子系统两侧电源正序等效阻抗分别为j50Ω、j18Ω，零序等效阻抗分别为j80Ω、j54Ω。其中，220kV 子系统两侧用M、N表示；500kV 子系统两侧用P、Q表示。

3.2 仿真结果分析

3.2.1 单系统接地故障仿真结果分析

考虑单系统内部的4种接地故障，采用PSCAD/EMTDC 软件进行故障测距仿真，根据仿真结果研究本文所提方法是否具有可行性。单系统接地仿真结果如表1所示，其中G 为接地故障，A、B、C 为三相线路，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为不同的回线。

表1 单系统接地故障仿真结果

根据表1的仿真结果可知：相对测距误差的最小值、最大值分别为0.015%、0.500%，折算误差距离仅为0.025km，本文所提方法具有故障点定位精度高和测距精度高的优势，适用于子系统内部不同类型接地故障的定位和测距。

3.2.2 跨电压等级接地故障仿真结果分析

受落枝、鸟兽、恶劣天气多种因素的影响，四回弱电强磁系统运行期间可能出现不同电压等级的回路跨线跨电压故障，由于故障类型多，选取5种具有代表性的故障及4种故障距离，采用PSCAD/EMTDC 软件进行故障测距仿真，检验本文方法对此类故障的测距准确性。测距仿真结果，如图2所示。

图2 跨电压等级故障仿真结果

结合表2和图2仿真结果可知，故障测距误差小于0.500%，表明本文所提方法在故障测距中具有可行性。

表2 不同相角差的仿真结果

3.2.3 不同相角差的仿真结果分析

以距M 端40km 处的四种故障为例，系统经不同电源相角差的测距结果，如表2所示。根据表2信息，检验本方法在系统两端电源相角不同时的应用效果。

根据上述仿真结果可知，跨电压等级或某电压等级出现接地故障时，测距结果的误差在允许范围内，受两端电源不同相角差的影响较小，本文方法对不同相角差的仿真结果具有可靠性。

综上所述，本文在了解PSCAD/EMTDC软件应用原理的基础上，提出弱电强磁输电线路解耦方法，考虑线路的多种故障类型，采用PSCAD/EMTDC 软件分别进行仿真，得出如下结论。

第一，基于弱电强磁输电线路故障状态时的反向零序环流分量完成故障测距，干扰因素少，全程涉及的计算过程简单，满足高精度、高效率的测距要求，本文方法具有实用性。

第二，根据单电压等级系统和跨电压接地系统的故障仿真结果可知，在故障定位精度方面，本方法在跨电压等级接地故障中具有更明显的优势，主要与干扰因素少和计算信息全面有关，故障定位精度更高。

第三，本文方法在近母线端的测距精度高于远端，此特点在不同接地故障类型中均是如此，同时系统阻抗参数、相角差对测距精度的影响较小。