自动装置模型进行连锁故障仿真分析论文

摘 要摘 要在电网规模扩大且结构日趋复杂的同时，电网运行的安全性和可靠性受到新的挑战，大停电事故带来的损失也更加巨大。造成这大停电事故的罪魁祸首正是电网的连锁故障，而继电保护和安全自动装置对故障的发展起到关键作用，因此在对其进行的机电暂态及中长期过程仿真计算中应该考虑它们的动作特性。除连锁故障之外需要考虑继保动作逻辑的还有电力系统的全过程动态仿真和电网动态安全评估系统。目前，国内外的电力系统分析软件中保护及自动装置的建模和仿真还比较少，且多以国外的装置为原型，不能满足仿真需求，而人为设定继电器开关动作不但困难而且不够准确，影响仿真结果。针对上述问题本文提出并研究了保护和安全自动装置建模方法，并基于所建立模型进行连锁故障仿真分析。模型通过PSASP的用户自定义的方式搭建。继电保护及安全自动装置是由不同的元件按照一定的逻辑关系组成的，装置中的很多元件具有一定的通用性。建模时首先将这类元件单独建模，作为具体保护和自动装置模型的基本功能框。保护及自动装置大都可以分解成基本元件的组合，完成基本元件建模后，由其根据各种保护原理进行具体保护建模，使所建立的模型具有较强的通用性。最后汇总成继电保护和安全自动装置模型库。在仿真计算中添加继保和安自模型，通过河南南部实际算例和WSCC9节点算例进行验证和连锁故障仿真计算，结果表明能够真实反映继电保护动作逻辑，反应电力系统全过程动态行为，实现连锁故障的仿真分析。关键词：基本元件模型；继电保护；安全自动装置；连锁故障AbstractThe power grid is becoming larger and more complex, at the same time, the safety and reliability of power system operation have faced new challenges, and large-scale blackouts cause huger lost. The culprit of large-scale blackouts is cascading failure, and relay protection and automatic devices play a critical role in development of failure, therefore during the simulation calculation of the cascading failure mechanical and electrical transient and long-term process should be considered in their operating characteristics.At present, domestic and overseas power system analysis software is lack of relay model and their prototype most are foreign devices. The software cant meet simulation demand. While, artificial relay switching is not only difficult but also inaccurate, impacting simulation results.In order to solve the above issues, a method of relay Modeling is proposed and studied in this paper, then do cascading failure simulation based on the established models. Models are developed by User-Defined Model. Relay protection and automation devices is made up of different components with certain logic, these components has certain generality. First, Basic component model is developed, as the relay model basic frame. Various Relay protection models is composed of many basic component models which according to specific protection principle, therefore those models can have strong commonality. Protection relay models are introduced in simulation process, though WSCC 9-bus case and Henan actual example for verification and fault simulation chain. The simulation results show that the method can reflect protection action more accurately, and simulation of Cascading failure is realized.Key words: Basic element model; Relay Protection; Automation Devices; Cascading failureI目 录目 录摘要IAbstractII主要符号表V第1章 绪论11.1研究的背景与意义11.1.1研究背景11.1.2研究目的与意义11.2国内外研究现状31.3本文的主要工作5第2章 继电保护建模与仿真实现方法62.1 继电保护的基本任务和动作原理62.2继电保护建模方法62.2.1 建模思路62.2.2 基本元件模型72.2.3 电流互感器模型142.2.4 电压互感器模型162.3 继电保护模型仿真实现方法192.4 本章小结19第3章 继电保护装置的建模设计213.1 线路保护的建模213.1.1 电流电压保护213.1.2 零序电流保护223.1.3 相间距离保护223.1.4 接地距离保护243.1.5 高频闭锁方向保护253.1.6 其他保护263.2 发电机保护的建模263.2.1 过负荷保护263.2.2 异常运行保护273.2.3 低励失磁保护283.3 变压器保护的建模293.3.1 相间后备保护293.3.2 接地后备保护303.3.3 其他保护313.4 本章小结31第4章 安全自动装置的建模设计324.1 自动重合闸装置的建模324.1.1 三相一次重合闸装置模型324.1.2 检无压/检同期重合闸装置模型334.1.3 综合重合闸装置模型354.2 切机/解列装置的建模374.2.1 电流方向解列装置模型374.2.2 高频切机装置模型394.2.3 低频/低压减载装置模型394.3 本章小结40第5章 模型验证和仿真应用415.1 模型验证415.1.1算例介绍415.1.2验证结果及分析415.2 仿真应用475.2.1电网连锁故障机理研究概况475.2.2基于建立模型的连锁故障仿真485.2.3 连锁故障仿真平台设计535.3 本章小结54结论55参考文献56攻读学位期间发表的学术论文及参与科技项目59致谢60III主要符号表主要符号表英文字母VAR、VAI母线A相电压实部、虚部IARI、IAII支路i侧A相电流的实部、虚部I1RJ、I1IJ支路j侧正序电流实部、虚部ANGB母线电压相角VT母线电压IARJ支路j侧A相电流实部、虚部OPA、OP3 线路操作：开断A相、开断三相RL、XL支路电阻、电抗I0II、I0RI支路i侧零序电流虚部、实部I2II、I2RI支路i侧负序电流虚部、实部I2IJ、I2RJ支路j测负序电流虚部、实部SDL切负荷ITS、EQ发电机电流、电势TPG切机EFD、OMG发电机励磁电压、角速度CLA、CL3线路操作：合上A相、合上三相OMB母线频率ITR、TTI发电机电流实部、虚部- 55 -第1章 绪 论第1章 绪 论1.1研究的背景与意义1.1.1研究背景在现代社会中，国民经济发展和工业生产的主要能源是电力，国民经济的发展和安全高效、高质量的工业生产需要电力系统的安全可靠运行作为支持。进入21世纪，电力系统快速发展，现代电网无论是规模、容量还是覆盖范围都不断扩大，继电保护及安全自动装置作用也更加重要，结构也更加复杂。因此，对电力系统运行的可靠性、安全性提出了更高的要求。然而近些年，在世界范围内由连锁故障造成的电网大规模停电事故却频频发生1-2。电力系统故障引起的停电不但对国民经济的发展和工业生产造成阻碍，对人民生活造成很大不便，而且故障本身对电网的安全运行也造成了负面影响。因此，保证电力系统运行的安全、可靠和经济是供用电双方共同的迫切要求。电网中的继电保护和安全自动装置对电力系统的安全稳定运行有举足轻重的作用，它们的动作情况直接影响到电网故障的发展状况。整个电网在运行过程中，电网的故障或不正常运行状态可能有很多原因引起，为了保证电网运行的安全，我们既要采取有效措施避免电网运行时发生故障或进入不正常运行状态，还要保证一旦电网出现故障或不正常运行状态时继保及安自装置能够及时、可靠动作，有选择性的切除故障元件，将故障影响降到最低。而继电保护和安全自动装置的隐形故障、误动、拒动都将引起故障或不正常运行状态的进一步恶化，最终可能产生连锁故障，导致停电范围的扩大。1.1.2研究目的与意义近些年，世界范围内发生的大规模停电事故大多是由严重故障的冲击而引起，由最初的初始故障导致系统潮流、频率、电压等电气量和原动机等系统变量的长期动荡，当某些元件不能承受而退出运行就产生了连锁故障，从而使得整个系统失去稳定而崩溃，给社会造成惨重的经济损失3-5。在连锁反应事故过程里，继电保护和安全自动装置是防止系统崩溃的重要防线，它们的动作逻辑直接关系到故障的发展情况6。进入21世纪，实时的电网仿真计算已成为电网仿真发展的趋势，同时对于指导电力系统安全稳定运行起到重要作用的电网动态安全评估系统，也会因为前者的发展而愈加先进和重要。将继电保护与安全自动装置的特性考虑到安全评估系统中，对电力系统受到扰动之后整个动态变化过程进行连续仿真，真实准确的反应变化全过程。能够更好地发现电网中继电保护和安全自动装置的动作行为带来的影响，对于短期和中长期安全预警都有重要意义。为满足我国大电网安全运行仿真的需要，研究和开发适于电力系统全过程动态仿真的继保及安自装置模型，准确模拟这些装置的动作行为和控制特性，不仅对研究非线性超大规模电力系统动态特性机理有重要作用，而且对分析事故机理及其防控措施有重要意义。本文主要研究符合我国电网实际的典型继电保护和安全自动控制装置，并建立模型库，将仿真软件产生的电压、电流数据实时输送到继电保护和自动装置模块中，然后将模块的输出回送到仿真软件中去控制一次系统的开关，相应改变电网模型的拓扑结构，从而实现闭环式的稳定仿真，克服以往仿真软件不能真实反映因保护拒动或误动而产生连锁故障的缺点，对电力系统全动态过程进行有效仿真，为分析电力系统的中长期过程动态稳定性问题和提供事故防控手段(例如，第3道防线等等)提供强大的仿真功能7。研究和开发继保和自动装置模型，提高仿真准确度，可完善全过程动态仿真、在线动态安全分析和调度员培训模拟（DTS）等稳定性仿真程序。合理的模型不仅可用于常规暂态稳定仿真程序进行计算，而且可对严重事故的复杂过程进行分析或重演，找出事故发生的根本原因，为制定正确的反事故措施提供帮助。因此，本文的成果具有很大的推广空间，可在电力系统的规划、运行和科研等机构的电力系统分析计算部门得到应用，这不仅对我国在该领域的研究有帮助，而且为保证我国电网的安全稳定运行提供有力仿真工具，取得经济价值的同时带来社会效益。1.2国内外研究现状目前国内外广泛应用的电力系统机电暂态及中长期动态稳定仿真中对继电保护和安全自动装置模型的研究和应用较少，尚不够深入。在国内常用的电力系统稳定仿真程序中，PSASP没有设置具体的继电保护模型，仅靠预设开关的延时开合来模拟保护功能，安全自动装置只考虑了简单的低周和低压减载模型；PSD-BPA程序中提供的少量继电保护模型，由于搭建粗略而且多以国外的继保和安自为模板而与我国电网中实际广泛应用的实际装置差别较大，所以仅能起到少量简单继电保护和安全自动装置的作用，不能真实反映继保装置在我国电力系统中的动作特性。PSD-BPA稳定程序中的安全自动装置除了常规的低周低压减载外，虽然新增加了部分符合实际失步解列、低压低频解列等模型，但种类很少，仍不能满足我国电网仿真需求。国外的仿真程序很多，但是其中包含大量继电保护和安全自动装置模型的程序却不多，在PSS/E、EUROSTAG、NETOMAC等程序中仅包含了少量的继电保护和安自装置模型，不但种类单调而且多是以国外所用装置为参考，不能反应国内广泛使用装置的特点8-10。调度员培训系统中的继保模型多采用逻辑判别法、定值判别法、逻辑定值协调法和教案准备法等。其中逻辑判别法依据预置的开关逻辑和时间设定反应保护动作特性，不需要进行故障过程的计算，所以速度快，但在复杂网络中实现困难，而且仿真不够精确，难以真实的再现电力系统继电保护和安全自动装置的动作行为，基于IF/THEN规则的逻辑判别法在国外应用较多；定值判别法依据保护定值动作，结果准确，但对数据的采集、录入和维护要求较高；逻辑定值协调法的问题在于如何对前面两种判别方法协调，才能更好的扬长避短；教案准备法需要在计算前预先准备好保护动作序列，缺乏灵活性。调度员培训系统的安全自动装置仿真方面，在继保模型中可以包含安自装置模型，如国外常用高/低压继电器、高/低频继电器等代替各种解列和切机装置；动态仿真中的电源控制系统模型中可以考虑一些反映动态响应的自动装置如失步解列、高频切机、连锁切机等；通过模型拼装和决策表比较可以实现对部分反映稳态量的一些装置如低频/低压减载、解列装置、备自投和重合闸等的模拟11-13。计及继电保护和安全自动装置动作的电力系统动态过程是时间不连续的离散过程。连锁故障是典型离散过程，在连锁故障方面, 当前国内外研究采用的理论和方法主要有14-17：1) 模型分析法。包括利用复杂系统理论揭示连锁故障发生的内在机理和利用复杂网络理论从电网的网络结构角度研究电网发生大规模连锁故障的概率和故障的发展机理，前者包括分支过程模型18 、自组织临界理论、OPA模型19、CASCADE模型20等，后者包括小世界模型21、Watts构造模型、无标度网络模型等。2) 模式搜索法。利用模式搜索法对连锁故障的发展过程进行模拟并对结果进行分析得出故障模式，分为解析法、随机模拟法等。解析法一般是假设系统中的某个（或几个）元件发生故障，计算随后的系统响应。模拟法基于蒙特卡洛概率抽样，例如Manchester模型，先抽样得到系统的初始故障序列，然后逐一对序列中的故障模式进行模拟搜索，方法缺点是效率低。目前，各种模式搜索法考虑的因素主要包括线路潮流过载、系统的暂态稳定状况、保护误动作情况、电压过低等。针对不同的考虑因素采取不同的方法进行处理。上述方法中，前种方法侧重于利用复杂科学理论从宏观角度对整个系统进行研究，后一种方法着眼于实际应用，通过对故障过程的模拟分析电网发生连锁故障的概率以及故障的发展机理，并进行电网连锁故障防控手段的总结。连锁故障过程十分复杂，在现在的有关研究当中，对于继保及安自装置的考虑比较简单，仿真中不能充分体现继电保护及安全自动装置对故障动态过程的影响，在有些模型例如Manchester模型中虽然对暂态稳定、电压稳定、低频减载、低压减载、保护隐藏故障等因素均有考虑，但是复杂的结构难以实现仿真。总之，能被广泛接受并真正实用的连锁故障模型还没有实现。在保护建模方面，二十世纪末基于Petri网的保护建模研究开始兴起。Petri网是描述和研究离散事件动态系统的一种建模工具。研究初期主要利用Petri网及相关的时间Petri网、时延Petri网等对继电保护工作逻辑、执行周期、时间配合及随机特性进行研究，后来利用混杂Petri网进行继电保护模型的建立。利用该种工具建模提出了不少方法，例如利用可编程的PTPN对继电保护系统建模、保护抽象混杂Petri网分层建模等，但总体而言这些研究还是初步的，很多问题尚待进一步研究22-24。因此，应该建立与我国实际应用的继电保护和安全自动装置动作特性相一致的模型，这样在电力系统动态仿真程序中就能够真实反映故障过程中继保及安自装置动作特性带来的影响，使仿真结果更加的真实有效，同时对于电力系统机电暂态及中长过程动态仿真的发展也起到推动作用。1.3本文的主要工作本文主要研究适用于电力系统机电暂态及中长期动态过程仿真的电网继电保护装置（包括主保护、后备保护等）和安全自动控制装置模型，在电力系统全过程动态仿真程序中实现这些装置模型闭环式的稳定仿真计算。1. 调研国内外广泛应用的电力系统机电暂态及中长期动态稳定程序中继电保护和安全自动装置模型的应用情况及其仿真模拟方法；调研国内电网电气元件常用的继保和电网安自装置的类型及其在国内的应用情况。继电保护和安全自动装置主要包含常规发电机组保护、变压器保护、线路保护、自动重合闸、切机减载等装置。 2. 研究国内电网电气元件继电保护和安全自动装置的原理，对其进行分割，包括启动元件、动作元件、方向元件、出口元件等，同时对TV和TA暂态特性对继电保护建模的影响进行研究，提出相应的适合机电暂态和中长期动态仿真的模型及模拟方法。提出继电保护和安全自动装置模型的适用范围、参数设定。3. 研究连锁故障的机理，在连锁故障的仿真过程中添加所建立的模型，克服以往需要人为设定继保动作行为的缺点，对连锁故障发展全过程进行闭环、交互式动态仿真。第2章 继电保护建模与仿真实现方法第2章 继电保护建模与仿真实现方法2.1 继电保护的基本任务和动作原理继电保护装置是指能反映电气元件或电力系统本身故障或不正常运行状态，能够发出警告信号或者跳闸命令的一种自动装置。它的基本任务是：1. 电气元件故障时，能够迅速准确的使故障元件从电力系统中分离，使元件受到尽量轻的破坏，并将对电力系统造成的不良影响减到最小。2. 电气元件不正常运行时，通过对运行状态的判断，给予警告信号或跳闸。继电保护装置一般包括测量环节、逻辑环节和执行环节。保护装置由测量环节获得对保护对象的所需相关电气量，将其与所设定值进行比较以确定保护是否启动及是否发出逻辑信号，若是则信号经过逻辑环节的逻辑判断将动作信号最终传给执行环节进行执行。图2-1 继电保护装置基本构成图2.2继电保护建模方法2.2.1 建模思路通过对继电保护和安全自动装置工作原理的调研发现，很多保护和安自装置都是有一些具有通用性的元件组建而成。这些通用性元件有过量元件、欠量元件、延时元件等，将这些元件作为保护和安自装置的基本结构进行建模形成基本元件模型，然后由基本元件模型构成具体的保护和安自装置模型。这种建模方法显然比直接对具体保护和安自装置进行单独建模要简单方便的多，而且这样建模也使得模型具有很强的通用性。基本元件模型通过基本功能框完成，将这些基本功能框封装起来形成一个具有相对完整功能的模型块，作为新的基本功能框使用。这些模型块具有输入输出端口，可以构成保护的启动元件、动作元件、时延元件等不同部分，它们相互连接组成具体保护模型，保护的定值参数可以通过基本功能框自带的参数功能进行设定。电网中的互感器是电力系统中较重要的高压设备之一，其性能的优劣对电力系统量测值准确与否及继电保护和安全自动装置动作可靠与否有直接的影响。为能尽量减小其测量误差，有必要对其进行建模研究。文中对常用的电流互感器和电压互感器分别进行了建模。继电保护装置根据保护对象的不同可以分为线路保护、发电机保护、变压器保护和其他保护。每类保护包含很多种具体的保护，将每类保护归类在一起进行建模，这样由于保护属于同一类保护具有一定的联系使得建模可以相互参考利用。安自装置模型库可以分为低压/低频减载装置、自动重合闸以及解列装置等。不同的继保模型和安自装置模型构成继电保护和安全自动装置模型库。2.2.2 基本元件模型继电保护及安全自动装置是由不同的元件（包括起动元件、动作元件、闭锁元件等）通过一定的逻辑关系组成的。在以电气元件为基础对继保及安自装置进行分类时，很多装置中的元件具有一定的通用性25。在进行模型设计的过程中，将这类元件单独进行建模，形成基本元件模型，作为保护模型的基本功能框，再和暂稳UD程序中所提供的基本功能框一起搭建具体的保护模型26，使模型具有较强通用性。下面给出本文建立的基本元件模型。1. 过量元件图2-2 过量元件模型图该元件主要用于过电流保护、过负荷保护、过电压保护等装置中，其模型结构如图2-2所示。当输入量低于整定值Y时，元件输出为0，当输入量高于整定值Y一定时长（固有动作时间）后，元件输出为1。其中输入量可为线路电流信号、节点电压信号、节点频率信号等，分别构成过流元件、过压元件、过频元件等。2. 增量元件该元件主要用于线路保护的负序、零序增量闭锁环节中，其模型结构如图2-3所示。当输入量的变化率（框DIFF的输出值）低于定值Y时，元件输出量为0，当检测量的变化率高于定值Y一定时长后，元件输出量为1。其中输入量可为零序电压/电流信号、负序电压/电流信号等，构成零序电压/电流增量元件、负序电压/电流增量元件等不同增量元件。图2-3 增量元件模型图3. 延时元件该元件主要用于各种保护和安自装置的时间延迟，用来模拟装置的实际动作时间，其模型结构如图2-4所示。输入量经过定值t（在框DLY1设定）时间延时后原样输出。图2-4 延时元件模型图4. 反时限元件图2-5 反时限元件模型图该元件主要用于各种保护和安自装置的时间延迟，用来模拟装置的实际动作时间，其模型结构如图2-5所示。输出量根据输入量的不同而变化。输入量In1经过延时In2后，输出等于In1，否则输出为0。5. 欠量元件该元件主要用于低电压保护、低频保护等装置中，其动作逻辑原理如图2-6所示。当输入量高于定值Y时，元件输出量为0，当输入量低于定值Y一定时长后，元件输出量为1。其中输入量可为节点电压信号、频率信号等，构成低压元件、低频元件等不同元件。图2-6 欠量元件模型图6. 方向元件功率方向元件主要用于带方向的保护装置中，可作为保护装置的闭锁元件。当判断电流方向为从母线指向线路（正向）时元件动作，当判断电流方向为从线路指向母线（反向）时元件不动作。功率方向元件通常采用90度接线方式，其动作判据为（以A相为例） (2-1)式中：UBCB、C两相电压矢量差幅值；IAA相电流幅值；A相电压与相电流电角度差；继电器内角，通常取3060度。功率方向元件的模型结构如图2-7所示。输入量为保护装设处的支路阻抗角ANG，当满足一定时长后输出量为1，否则为0。第一个定值，第二个定值。图2-7 功率方向元件的模型图7. 阻抗元件 阻抗元件主要用于线路的相间距离保护及接地距离保护中，作为主保护器件。阻抗元件主要分为低阻抗元件（全阻抗元件）以及方向阻抗元件，另外少数保护装置中还用到了偏移阻抗元件和直线阻抗元件。全阻抗继电器动作特性：幅值比较方式： (2-2)等价于： (2-3)式中：ZJ测量阻抗；Zzd定值。相位比较方式： (2-4)等价于： (2-5)方向阻抗继电器动作特性：幅值比较方式： (2-6)等价于： (2-7)建模过程中主要考虑了常用的低阻抗元件和方向阻抗元件，根据上述继电器的动作特性，可得到阻抗元件的模型结构如图2-8所示。当所测阻抗值（框X1/X2）低于阻抗定值时（框CSW2设定），输出为1，构成全阻抗/低阻抗元件。当所测线路阻抗角（框+）在定值范围内（框CA1设定）时，输出为1，构成方向阻抗元件。图2-8 阻抗元件的模型图8. 振荡闭锁元件振荡闭锁元件主要用于线路距离保护，防止线路因出现功率振荡引起阻抗元件误动作。振荡闭锁元件主要包括检验负序或零序电流/电压（或电流/电压增量）和检验阻抗变化两种类型。图2-9 振荡闭锁元件模型图对于检验负序或零序电流/电压分量或增量的振荡闭锁元件，其模型可利用上述过量元件或增量元件实现。对于反应阻抗变化的振荡闭锁元件，其原理：分段式保护中的三段如果同时发出动作信号，则表明线路出现故障，保护应正常启动，不发出闭锁信号；如果各段保护不同时发出动作信号（I、II段在III段动作后才动作），则认为线路存在功率振荡而非故障，此时发出闭锁信号，将一段、二段保护可靠闭锁。9. 差量元件差量元件主要用于线路的横联差动保护、纵联差动保护和变压器的各种保护中，其模型结构如图2-10所示。当输入量的计算差值X（框SQR2输出）大于定值Y时，元件输出1，否则输出0。其中输入量可为零序电压/电流信号、负序电压/电流信号等。图2-10 差量元件模型图10. 相位比较元件该元件可作方向元件使用，所比较相位（相位差）在某个角度范围内时元件动作，主要用于线路的横联差动保护、相差动高频保护等装置中，其动作判据： (2-8)式中：，为动作角，当处于二者之间时，元件动作；，为元件输入量（比较元素），可为电压向量、电流向量、经补偿后的电压/电流向量等。相位比较元件的模型结构如图2-11所示。输入量的相位角ANG1、ANG2之差在处于、（框CSW1设定）之间一段时长后，元件输出量为1，否则为0。图2-2 相位比较元件模型图11. 相电压补偿方向元件图2-12 相电压补偿方向元件模型图带有相电压补偿特性的相位比较方向元件，主要用于电压相位比较式高频闭锁方向保护27。两个ANGUcomp模块比较后得ANG，当ANG在FI1、FI2（在框CSW1设定）范围内时，元件经延时输出1。ANGUcomp模块用于求取经零序分量补偿后的相电压相角。补偿电压计算公式为（A相为例）： (2-9)图2-13中，其中n零序补偿系数，通过框1、2设定。k灵敏系数，通过框3、4设定。框3、框4的A、B参数取线路的和线路的。图2-3 ANGUcomp模块模型图12. 比例制动式差量元件带有比例制动特性的差量元件（主要是差电流元件），用于发电机、变压器的比例制动式差动保护。变量的制动量由框RAMP设定。图2-14 比例制动式差量元件模型图13. 相位处理元件图2-15 相位处理元件模型图将变压器二次侧电流相位强制变换为与一次侧电流相位一致，用于变压器差动保护。输入量IARJ、IAIJ计算得二次侧电流相角，经整定值Y的补偿，再经过模-幅角转换为实虚部，并与二次侧电流幅值计算得变换后的二次侧电流。2.2.3 电流互感器模型电流互感器(TA) 28-30在电力系统暂态过程中，一次侧电流过大将使TA出现饱和，导致含有大量非周期分量和高次谐波分量的励磁电流急剧增加，造成二次电流失真，从而对电力系统测量的精度、继保及安自装置动作的可靠性等造成影响。因此，为能得到较为精确的测量量，在构建其数学模型时，应该计及CT饱和因素，从而在电力系统暂态过程中较真实的反应电流互感器的工作特性。本文以研究电磁式电流互感器的外特性为重点，建立了反应铁心磁饱和特性的电磁式电流互感器模型。电磁式电流互感器的结构类似于电力变压器，其等效电路图为：图2-16 电磁式电流互感器等效电路图基本方程式为： (2-10)经整理可得 (2-11)与的关系可由电流互感器的伏安特性曲线代替，并且 (2-12)写出电流互感器的传递函数关系式如下： (2-13)令，则有： (2-14)电流互感器角差计算式为： (2-15) (2-16)式2-16即为上面各式的综合。由此，可以得到电磁式电流互感器模型如下图所示。图2-17 电流互感器模型图 其中，1框是， 2框是。2.2.4 电压互感器模型电磁感应式电压互感器(TV)也是电力系统中重要且常见的高压设备之一，作用是把电力系统一次侧高压按照比例关系变换成二次侧低压，供计量、仪表装置、继电器使用，同时实现高电压与二次设备和电气工作人员的隔离。电磁式电压互感器的一、二次侧绕组都有一定的阻抗，因此电流流过时会有电压降和相位偏移，使电压互感器测量电压出现幅值误差及相位误差。电磁式电压互感器31的结构与普通电力变压器相同，其等效电路图为：图2-18 电磁式电压互感器等效电路图电压互感器二次侧负载阻抗很大，二次侧绕组漏阻抗相比负载阻抗很小，并且电压互感器在正常运行及发生短路故障时，变压器T始终工作在线性区域，其励磁电流很小，因此、均可忽略不计，并且有，参数可以由其伏安特性曲线进行求解。基本方程式为： (2-17)写出电磁式电压互感器的传递函数关系式如下： (2-18)令，则有： (2-19) (2-20)令，则有 (2-21)在忽略励磁电流的情况下，电压互感器的角差计算公式为： (2-22)写在一起则有： (2-23)由此，可以得到电磁式电压互感器模型如下图所示。图2-19 电磁式电压互感器模型图其中，1框定值是， 2框是G，3框， 4、5框是，6框是。2.3 继电保护模型仿真实现方法现有电力系统仿真程序中的继电保护和安全自动装置仿真一般分为两种：逻辑判别法及定值判断法。逻辑判别法没有具体的保护模型，故障时通过预设故障发生处及相邻区域保护和安自装置的开关动作行为和动作时间来模拟保护的实际情况，此种方法优点是时间短，易于实现保护的速动性要求。本文建立的模型在电力系统程序的仿真多采用定值判断法，即根据系统故障状态下发生变化的各电气量是否达到保护和安自装置的定值要求来决定保护动作与否，若达到要求则保护启动并向系统发出动作信号驱动相关继电器动作。该种方法能够真实反映电力系统故障的全过程，仿真结果比逻辑判别法更准确。同时在已经知道保护动作行为时可以结合逻辑判断法原理对模型进行适当的简化或直接进行继电器的预先设定。仿真计算时系统和保护模型是通过模型的输入输出端口进行联系的。系统为模型提供充足的输入信息，如潮流计算中的功率、电压等已知量或者暂稳计算中的母线、正序网络等变量，模型将信息处理结果反馈回系统，反馈信息有潮流、暂稳计算中的待求量或者是切机、重合闸等操作信号，这样就构成了一个闭环、交互式的整体。模型与系统侧的联系如图2-20所示，其中X为输入信息，Y为输出信息：图2-20 模型与电力系统的联系2.4 本章小结本章介绍了继电保护装置的基本任务和动作原理，介绍了本文继电保护和安全自动装置的建模方法。根据继电保护装置结构的通用性，建立了基本元件模型，包括过量元件、欠量元件、延时元件等类型，将这些模型进行与或组合或者通过输入输出端口的连接进一步组成具体的保护模型，模型通过与仿真软件的端口进行信息传递，仿真时多采用定值仿真法实现模型仿真计算。电磁式互感器在将一次侧电气量转换到二次侧时，由于存在磁饱和的问题，会出现二次侧电气量失真的现象，以至于影响到继电保护装置的动作准确性，所以搭建了电磁式电流互感器和电磁式电压互感器的模型，从而能够较真实的模拟电流互感器在电网发生故障时所表现出的暂态过程。第3章 继电保护装置的建模设计第3章 继电保护装置的建模设计继电保护的动作正确与否直接影响到电力系统的运行安全。在电力系统的仿真计算中其动作行为直接关系到故障的发展过程，因此对仿真结果有直接影响。本章在上文基本元件模型的基础上，根据继电保护的原理进行具体继电保护装置的建模。继电保护装置按照保护对象的不同可以分为线路保护、发电机保护、变压器保护等，将每一类保护一起建模，使得建模过程中某些通用部分共享。继电保护的参数通过用户自定义模型的自带参数进行设定，具体整定按照继电保护和安全自动装置整定计算原理等规定进行，文中不再详细说明。3.1 线路保护的建模3.1.1 电流电压保护根据相间短路基本特征如电流突增、电压突降等可以构成电流电压保护。每段保护的主保护元件为过电流元件或低电压元件（多为过电流元件），闭锁元件包括方向元件、低电压元件、过电流元件以及负序电压元件。图3-1 电流电压保护模型图本保护为具有阶梯特性的分段式电流电压保护，分为三段，每段除延时时间不同外基本相同，包括过流元件、方向元件、低电压元件、负序电压元件，每段可单独投切。 过流元件、低电压元件是电流保护的主保护；方向元件当故障发生在保护区域内时启动，故障发生在保护区域外时，发出闭锁信号；延时元件用于电流电压保护动作时限的设置。保护I段为瞬时速动保护，II段为延时速动保护，它们构成主保护，III段为定时限过电流保护，构成后备保护，动作时限除了保护继电器固有反应时间还要加上一定的延时。3.1.2 零序电流保护零序电流保护所依据的原理是中性点直接接地系统在接地短路时会出现较大的零序电流，其广泛应用在110kV和更高电压等级线路中。在本保护的基础上添加方向元件即为方向性零序电流保护。图3-2 零序电流保护模型图本保护为三段式方向性零序电流保护，每段包括零序过流元件、零序方向元件和延时元件，每段可单独投切。零序电流元件为该保护的动作元件。零序方向元件是根据零序阻抗角度进行方向判别，当故障发生在保护区域内时启动。3.1.3 相间距离保护阻抗元件通过测量故障位置到保护装设地点之间阻抗值的大小来区分电网的故障和正常状态。距离保护主要部分是阻抗元件，在此基础上添加方向元件和时间元件即为阶梯式的距离保护，一般装设三到四段，I、II段是主保护，III、IV段为后备保护。距离保护优点很多，它相比电流电压保护更加适应于电网结构复杂或者运行方式多变的电网。图3-3 相间距离保护模型图本保护为分段式相间距离保护，分为三段。每段主保护为阻抗元件，每段都可单独投切。模型中负序电流（零序电流、负序电压、零序电压）过量元件为起动、振荡闭锁元件。过流元件为起动元件。负序电流（零序电流、负序电压、零序电压）增量元件为振荡闭锁元件。在三段式距离保护中，由于存在着的关系，通过振荡时保护各段启动的顺序可以实现振荡闭锁。图3-4 相间距离保护阻抗元件模型图在系统的振荡中心进入保护区域时，测量阻抗在逐渐减小阶段，保护各段的启动顺序依次是、。但在系统发生故障时，测量阻抗将突然降低，导致保护的一起启动。本文基于上述分析，实现振荡闭锁元件。即若一起起动则允许、动作于跳闸，若、启动在之后，则把和闭锁，不允许它们动作于跳闸。3.1.4 接地距离保护零序电流保护在结构复杂、运行方式多变的电力系统灵敏度低而且保护范围有时会出现不够的情况，此时在中性点接地系统中应采用接地距离保护。接地距离保护多以测量正序阻抗为基本原理，一般设两、三段，每段保护的主保护元件为低阻抗元件。接地距离保护接线简单可靠，但受接地电阻影响较大，所以当线路装设接地距离保护时，根据运行需要还应装设阶段式零序电流保护作为后备保护。图3-5 接地距离保护模型图接地距离保护的输入阻抗为 (3-1)其中 (3-2)式中各参数：Z0线路零序阻抗；ZJ线路测量阻抗；K零序电流补偿系数（复数）；保护安装处母线电压；线路相电流（以A相为例）；三倍线路零序电流。本保护为分段式接地距离保护，分为三段。保护包括低阻抗元件、测量阻抗计算部分和延时元件，其中低阻抗元件为接地距离保护的主保护。测量阻抗计算部分取线路电流、零序电流信号、线路零序阻抗计算线路的测量阻抗，并根据测量阻抗的变化区分系统正常与故障状态。3.1.5 高频闭锁方向保护高频闭锁方向保护是通过比较线路两端的短路功率方向来确定故障发生区域。在保护线路内部故障时，两侧短路功率均为母线指向线路，保护动作，满足线路全长任一点故障瞬时切除。在保护线路之外故障时，两侧短路功率反向，其中线路指向母线侧保护发出闭锁信号闭锁线路两侧保护。高频闭锁方向保护通常由起动元件和方向元件构成，它们可接全电压和全电流，此时要配置振荡闭锁装置，或接相序电压和相序电流，例如负序、零序此时不反应系统振荡。还可将起动元件与方向元件两功能综合在一起，选用阻抗继电器完成。图3-6 高频闭锁方向保护模型图本保护为高频闭锁方向保护，由起动元件、功率方向元件、闭锁元件组成。负序电流过量元件、零序电流过量元件和负序电压过量元件、过流元件、低压元件为起动元件。零序电压过量元件、负序电流（零序电流、负序电压、零序电压）增量元件为振荡闭锁元件。两个方向元件分别为线路两侧的功率方向元件，检测线路两侧功率方向确定故障点位置，作为高频闭锁方向保护的主保护元件。3.1.6 其他保护其他保护有电压相位比较式高频闭锁方向保护、高频闭锁距离/零序保护、相差动高频保护，它们通过在高频保护的基础上添加上电压相位比较元件、方向元件、差量元件构成，本文不再赘述。3.2 发电机保护的建模3.2.1 过负荷保护图3-7 过负荷保护模型图发电机过负荷保护有两类，其中定子绕组过负荷保护又包括定时限过负荷保护和反时限过负荷保护。对于定时限保护发出报警信号或减载信号，对于反时限保护，则发出切机跳闸信号。另一类是转子绕组过负荷保护，亦包括定时限和反时限两种，保护的动作元件仍采用过电流元件，转子绕组过负荷保护的定时限保护动作于发出减励磁信号，其反时限保护动作于发出灭磁跳闸信号。根据发电机过负荷保护的原理和整定公式32，可得保护的模型图如图3-8。3.2.2 异常运行保护发电机异常运行保护主要包括定子铁心过励磁保护、频率异常保护、逆功率保护以及定子过电压保护。其主要反应发电机的内部及机端故障。1. 定子铁心过励磁保护该保护通过采集发电机机端运行电压及频率，利用 (3-3)计算过励磁倍数N，当N超过整定值时保护相应动作。式中：U、f运行电压及频率有名值；Ugn发电机额定电压；B、Bn磁通量及额定磁通量；fgn发电机额定频率。保护分为两段式，低定值段带时限动作于信号和减小发电机励磁电流，高定值段动作于解列灭磁。2. 频率异常保护保护采集发电机运行频率f，当检测到其异常时，计算频率异常运行时间，当该时间超过定值时保护动作。该保护在与低频减载装置共同作用时要注意配合。例如在频率异常保护动作于切机之前，应保证低频减负荷装置先减负荷，使系统频率及时恢复，使事故影响尽量降低，仅在频率仍未恢复，并可能危及机组安全的情况下才切机，防止出现频率连锁恶化的情况。3. 逆功率保护本保护反应发电机逆功率故障，即发电机变为电动机运行，从系统中吸取有功功率。保护通过采集发电机运行功率，利用计算保护定值，保护带时限动作于信号或发电机解列。 在过负荷、过励磁、失磁等异常运行方式下，用于程序跳闸的逆功率保护作为闭锁元件动作于信号。燃气轮机、柴油发电机也有必要装设逆功率保护，可以防止未燃尽物质出现爆炸或者着火的可能，动作于跳闸解列。4. 定子过电压保护本保护反应发电机定子绕组过电压故障。保护检测发电机机端电压，当其超过发电机额定电压乘以可靠系数后的值时，保护带时限动作于解列灭磁。本模型为发电机异常运行保护，包括定子铁心过励磁保护、频率异常保护、逆功率保护、定子过电压保护。每种保护可单独投切。过流元件1（2）为定子铁心过励磁保护中的低定值（高定值）电流元件（模拟过励磁元件）。过压元件为定子过电压保护中的低定值电压元件。低压元件1（2）为逆功率保护中低定值（高定值）低电压元件（模拟逆功率元件），为动作元件。低频元件为频率异常保护的频率元件。图3-8 异常运行保护模型图3.2.3 低励失磁保护该保护主要反应发电机的低励失磁故障。其动作主判据有：1. 系统侧主判据高压母线三相同时低电压继电器。在缺乏无功的电网中，本判据可以防止由发电机低励失磁故障导致的电压崩溃，避免出现严重的停电事故。主、辅判据相与，经延时动作于发电机解列。 2. 发电机侧主判据：1) 异步边界阻抗继电器动作判据