基于PSCAD4.2电力系统距离保护的仿真分析

基于PSCAD4.2电力系统距离保护的仿真分析

摘 要: 简要地介绍了PSCAD4.2软件及其工具箱，分析了输电线路距离保护的基本原理，并利用软件提供的工具箱搭建了距离保护仿真模型，设置了输电线路可能发生的接地故障和相间故障，最终得出了不同故障类型下输电线路的电压、电流以及其他量的变化规律的波形，从而实现了三段式距离保护的作用。仿真波形结果表明：利用该软件建立的模型是能够准确反应距离保护的作用机理，即距离保护装置能够快速响应故障信号并动作于断路器，实现输电线路的保护。 关键词: PSCAD4.2；距离保护；接地故障；仿真

Analysis of power system distance protection simulation based on

PSCAD4.2

Abstract: Briefly introducing PSCAD4.2 software and its

toolbox ,then analyzing the basic principle of the transmission line distance protection , and use the toolbox that the software provides to build a protection simulation model and set a ground fault and phase transmission line failures the system may occur, at last obtain the voltage, current and waveform variation of other different types of transmission line failures , enabling three- distances protection. Simulation waveform results showed that: using the model of the software is accurately able to establish the reaction mechanism of the

distance protection , distance protection device can quickly respond to the circuit breaker failure signal and act on it to achieve protection of transmission lines .

Key words: PSCAD4.2；Distance Protection；Ground Fault；Simulation 0 引 言

电力系统保护中，输电线路的保护主要是距离保护，其不受运行方式的影响，继电保护性能得到提高，因而获得广泛的应用[1]。文献[2]中通过对继电器模块的搭建来得到对电力系统的继电保护，但如果保护原理发生变化则相应的继电器模块也会发生变化，保护模块的移植性不强。目前，虽然电力系统的保护已经进入微机自动化时[3]，但距离保护体系并不十分完善，其中接地电阻对距离保护的影响表现突出，文献[4-6] 详述了采用自适应的方法来消除接地电阻对距离保护的影响。

PSCAD4.2是一种电力系统电磁暂态仿真软件，尤其在控制系统、无功补偿系统、高压直流输电以及继电保护系统等领域较为活跃，该软件主要对电力系统时域和频率等变量进行仿真分析，其结果一般以简单易懂的图形界面输出，使得仿真过程清晰、准确而灵活

[7-8]。

1 电力系统距离保护的原理

在电力系统继电保护中，距离保护扮演着重要的角色。它满足电力系统的选择性、灵敏性、可靠性以及能够快速切除故障，从而快速恢复电网的正常稳定运行。距离保护是反应于保护安装地点到故障发生处之间的距离(阻抗)，以此来根据阻抗的大小而整定动作时

间的一种保护装置[9]。为了满足选择性、速动性和灵敏性的要求，现在广泛采用的是三段式距离保护，其网络接线如图1。

AUsB2ZAB1ZKC

图1 距离保护网络接线图

第1段距离保护理想情况是线路AB的全长，即ZAB，但实际是不可能的，如果BC出口处发生故障，则保护2第1段不应该动作，所以其应该躲过这种情况而整定，于是保护2段的1段整定值为

1Zset.2KrelZAB (其中Krel为继电保护中的可靠系数，一般取为0.80.9)

同理，对保护1的第1段为：

1Zset.1KrelZBC

第2段距离保护与限时电流速断相似。当保护1的第1段末端发生故障时，对于保护2的测量阻抗就变为：

1Z2ZAB+Zset.1

则保护2的2段动作阻抗为：

21Zset.2Krel(ZAB+Zset.1)

为了增加距离保护的可靠性，应该加设距离3段保护，可以作为距离1段 与2段的后备保护，对距离3段整定值，其启动阻抗要躲开电力系统正常运行时的最小负荷阻抗来确定。

距离保护由于保护装置测量阻抗的计算不同，可以分为接地距离保护和相间距离保护

[10]。接地距离保护通过测量相电压，同时测量电流为带有零序电流补偿的相电流来进行保

护的。其可以保护单相、两相以及三相接地故障，测量阻抗为

Z1UAIAK3I0

Z2UBIBK3I0

Z3UCICK3I0

上式中 K为零序补偿系数，一般近似认为其为一个实数。

对于相间保护测量的是相与相之间的电压和电流，它能够反映相间故障，比如两相故障和三相短路等，其测量阻抗为

Z1UAUBIAIB

Z2UBUCIBIC

Z3UCUAICIA

由于电力系统存在以上的接地和相间距离保护，所以在仿真模块中应加设这两种保护以保证电力系统距离保护的可靠性可稳定性。

2 距离保护模型的建立

2.1电力系统距离保护的主电路模型的建立

距离保护模型采用的是两级线路的单端电源输电线路系统，即系统发电、变电、输电、配电以及用户用电。如图2所示。距离保护安装在线路1与变压器之间的断路器B1处以此来作为本线路1的主保护同时也作为下一级线路2的后备保护。当线路1与线路2之间发生接地故障或是相间故障时将电压电流所反应出的测量阻抗与控制系统的整定值比较，

从而得出逻辑控制信号来使得B1动作，做到保护输电线路的目的。

图2 距离保护的主电路模型

以上主电路中主要的元件模型参数如下。

三相电源：额定电压为230kV，频率50Hz，采用单线视图，其余默认。

三相断路器：采用单线视图和高压模式，以便更好的观察断路器对于故障时的动作，其余默认。

负荷：每相的有功和无功分别是100MW和25MVar,频率50Hz。

三相故障源：采用故障内部控制方式，中性点接地，其中可以设置接地故障和相间故障模式。

2.2电力系统距离保护的控制电路模型的建立

控制系统的作用是对故障发生时，通过对输电系统电压电流的测量并对其进行FFT转化变成各相和各序值，并利用线对地阻抗、相间阻抗以及阻抗圆模块来获得逻辑值，最终

来控制断路器的保护动作。利用FFT组件进行快速傅里叶变换，从而来得到基频的幅值和相角以及直流分量。

线对地阻抗可以将采集来的电压电流幅值和相角以及序电流进行处理以得到直角坐标形式(即R和X)的输出阻抗，将其输入到阻抗圆组件中来得到逻辑值，它模拟了接地阻抗继电器，其原理接线如图3所示。同时由于电力系统也存在相间短路故障，比如AB两相，ABC三相等等，因此可以利用相间阻抗模块对输入电压电流的幅值和相角进行输电系统的保护，其原理如图4所示。

图3 线对地阻抗 图4 相间阻抗测量

3 仿真波形分析

3.1接地故障的分析

在接地故障中，单相接地影响很大，下面主要对A相接地故障进行分析研究。仿真模型中故障源的故障发生时间受外部组件控制，本系统将其设置成0.2(S)发生故障持续时间也是0.2(S)。

电力系统发生A相接地短路之前，电压电流是三相对称的正弦波，且电源提供的有功

功率和无功功率基本是保持不变的，负荷所消耗的功率是由电源所供给的。如果不计输电线路和变压器的损耗等，则有功功率和无功功率的波形在故障前分别稳定在100 (MW)和25 (MVar)。

发生A相接地短路期间，即0.2(S)到0.4(S)。电压和电流发生明显的故障振荡，表现为电压下降以及电流突然急剧增加，但随之由于控制系统给出逻辑“1”电平(故障信号)使得断路器立马动作来保护电力系统，所以电压恢复故障之前的三相对称状态，而电流因为输电线路断开从而趋于0，另一方面，由于输电线路与负荷断开使得电源发出的功率也逐步为0。其仿真波形如图5所示。

图5 A相接地故障时各电气量变化规律

在上述波形中：横坐标单位为(S)，选取时间范围是0(S)到0.5(S)；纵坐标各变量单位

为Vs(kV)、Is(kA)、Ps(MW)、Qs(MVar)；三相电压和电流中蓝色表示A相，绿色表示B相，红色表示C相。

在控制系统中，最后一个或门所输出的逻辑电平TS和控制断路器的两开关的逻辑状态输出B1如图6所示。在故障未发生之前，断路器是闭合的故而是低电平，同时控制系统的逻辑输出也是低电平，但是故障发生后，由于测量阻抗在阻抗圆内，故而控制系统输出高电平，即B1为1，使得两输入选择器选择A端与常数相连接变为1，这一信号传给断路器，最终使得断路器在短路瞬间保护动作而断开。

图6 控制触发信号

上述两个波形是重合的，其中TS表示或门所输出的逻辑电平，B1表示两开关的逻辑状态，在0.2(S)以前输出逻辑“0”，之后为“1”。对三相电压和电流的幅值相角进行仿真分析，由波形可知其幅值开始是平稳的，但是在故障发生后就突然发生很大的波动，故障消失后，由于断路器的保护断开使得电流幅值也趋于0，而电压基本不受影响，使用FFT组件进行快速傅里叶变换来得到三相电压基频的幅值和相角如图7所示，此外图中也给出了控制故障源发生故障的时序控制flt的波形，在0.2(S)发生故障，为高电平，其持续时间也是0.2(S)。

图7 A相接地故障时电压的幅值和相角变化曲线

在上图中，横轴单位为秒(S)，vm表示三相电压的幅值(kV)，vp表示三相电压的相角(rad)，fit的纵轴表示故障的逻辑选通“0”表示关断故障，而“1”表示出现故障，蓝色表示A相，绿色表示B相，红色表示C相。

3.2相间故障的分析

将模型中的三相故障源的故障类型设置成AB相间短路，其他参数不变。仿真得到如图8所示的电压电流、波形以及功率波形，其变化规律与单相接地大致相同，主要是故障期间波形的不太一样，因为未发生故障时两者的负荷以及输电系统结构没有发生改变，但是故障期间由于短路时等效接地电阻等因素不同而使得短路电流有所不同。

图8 AB短路时各电气量变化规律

在上述波形中：横坐标单位为(S)，选取时间范围是0(S)到0.5(S)；纵坐标各变量单位为Vs(kV)、Is(kA)、Ps(MW)、Qs(MVar)；三相电压和电流中蓝色表示A相，绿色表示B相，红色表示C相。

4 结语

本文利用PSCAD4.2软件搭建了电力系统距离保护的模型，能够正确反映保护范围内的各种相间故障和接地故障，并对模型进行仿真分析，结果表明该软件对电力系统的暂态过程仿真有很好的作用，从而验证了该模型是能够准确反应距离保护的作用机理。进一步表明了PSCAD4.2对电网的仿真运行分析提供了一种光明前景，使得电力系统的安全稳定运行得到进一步的增强。

参考文献

[1] 李晓明. Ⅲ段距离保护作为后备保护的性能分析[J]. 继电器，2005, 33(15):9-12.

[2] 杨 兰，杨廷芳.Matlab/SIMULINK在继电保护设计中的应用[J].电气传动自动化, 2006, 28(1): 53-55.

[3] 刘强.基于Matlab的微机保护原理教学仿真平台[J].电气电子教学学报, 2007, 29(3): 95-98.

[4] 索南加乐，许庆强．自适应接地距离继电器[J]．电力系统自动化，2005，29(17)：-58．

[5] 李 岩，陈德树，尹项根等．新型自适应姆欧继电器的研究[J]．中国电机工程学报，2003，23(1)：80-83．

[6] 沈 冰，何奔腾，张武军．新型自适应继电器[J]．电力系统自动化，2007，31(7)：39-44．

[7] 李广凯，李庚银.电力系统仿真软件综述［J］．电气电子教学学报，2005，27( 3) : 61－65．

[8] 李学生. PSCAD建模与仿真[M].北京: 中国电力出版社，2013.

[9] 贺家李，李永丽，董新洲等. 电力系统继电保护原理[M].北京: 中国电力出版社，2010.

[10] 张保会，尹项根.电力系统继电保护[M].北京:中国电力出版社，2005.