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使用繼電器模型研究串補(bǔ)線路的繼電保護(hù)特性

關(guān)鍵詞:固定串補(bǔ)電容，距離保護(hù)，建模，繼電器模型
　　0引言
　　近年來，我國相繼投運了華東電網(wǎng)陽淮線三堡串補(bǔ)站、華北電網(wǎng)大同一房山蔚縣串補(bǔ)站、豐萬順串補(bǔ)工程以及南方電網(wǎng)天平串補(bǔ)線路等幾項超高壓、大補(bǔ)償度的串補(bǔ)輸電工程。它們的投運對于增大系統(tǒng)傳輸能力、抑制系統(tǒng)可能發(fā)生的振蕩、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性都起到了很大的作用。但是在線路中加入串聯(lián)補(bǔ)償電容可能會引起電壓反相、電流反相以及出現(xiàn)暫態(tài)低頻分量等現(xiàn)象。-5]，對繼電保護(hù)產(chǎn)生不利的影響，加大系統(tǒng)繼電保護(hù)的復(fù)雜性。為了確保繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠運行，必須有針對性地分析串補(bǔ)對繼電保護(hù)的影響。串聯(lián)補(bǔ)償線路的“視在阻抗”很大程度上決定于串補(bǔ)電容的過電壓保護(hù)，當(dāng)過電壓保護(hù)動作時繼電器“看到”的電抗是一個值，不動作時“看到”的又是另一個值[f}1。在各種原理的保護(hù)類型中基于阻抗測量的距離保護(hù)必然會受到固定串補(bǔ)電容較大的影響，因而本文主要論述串聯(lián)補(bǔ)償電容給正序電壓極化的歐姆繼電器帶來的影響。
　　目前很多關(guān)于串補(bǔ)電容和各種新型FACTS裝置對繼電保護(hù)影響研究的文獻(xiàn)都局限在理論分析和實際運行經(jīng)驗的總結(jié)上面，缺乏仿真分析的驗
　　證，例如文獻(xiàn)[1}7]。文獻(xiàn)[fg}9]則介紹了使用RTDS和保護(hù)裝置實物進(jìn)行實時仿真的方案，該方案準(zhǔn)確可靠但是成本也比較高。還有一種方案就是對繼電保護(hù)進(jìn)行建模，用以代替保護(hù)裝置實物，這種方案極大地降低了實驗成本，而且在保證模型正確性的前提下也具有很高的可信度。文獻(xiàn)[10,川介紹了使用保護(hù)模型來實現(xiàn)電力系統(tǒng)與繼電保護(hù)之間的閉環(huán)仿真方法。本文采用的研究方法是繼電保護(hù)建模仿真，仿真工具為PSCAD/EMTDC。在PSCAD中建立了固定串補(bǔ)電容和正序電壓極化的歐姆繼電器的詳細(xì)模型，實現(xiàn)了電力系統(tǒng)與繼電保護(hù)之間的閉環(huán)數(shù)字仿真，通過仿真分析研究了固定串補(bǔ)電容可能對距離保護(hù)帶來的影響，并提出了相應(yīng)的解決方案。本文所使用的仿真分析方法對于研究各種新型FACTS裝置對繼電保護(hù)的影響也具有一定的參考價值。
　　1模型與方法
　　為了實現(xiàn)對串補(bǔ)線路繼電保護(hù)的仿真分析，我們在PSCAD中建立了電網(wǎng)仿真模型、固定串補(bǔ)電容模型以及歐姆繼電器的模型。
　　仿真電網(wǎng)的模型采用如圖1所示的兩機(jī)輸電系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析?？紤]到串補(bǔ)的投入不僅對本線路的繼電保護(hù)會有影響，還會影響到相鄰線路，因此我們的仿真電網(wǎng)模型中也包括了相鄰線路。系統(tǒng)中安裝有4個距離保護(hù)繼電器，F(xiàn)l, F2, F3,F4為可能的故障地點，它們處于所在線路中的位置分別為5 % , 50%, 95%和5%a PTl和PT2為繼電器2可能選用的電壓互感器。
　　
　　串補(bǔ)電容的主電路仿真模型按照如圖2所示的原理圖搭建。仿真模型考慮了串補(bǔ)電容器、MOV,火花間隙、旁路開關(guān)以及放電阻尼回路。MOV、火花間隙和??路開關(guān)共同構(gòu)成了電容的過電壓保護(hù)。MOV是串補(bǔ)本體中一個重要元件，仿真建模中按照工程實際參數(shù)定義了MOV的額定電壓以及非線性電壓一電流特性曲線，以保證在實現(xiàn)MOV的各種保護(hù)時有較高的**度。固定串補(bǔ)的火花間隙與旁路開關(guān)均按照理想開關(guān)仿真，并按照工程實際放置了放電回路的阻尼環(huán)節(jié)?？紤]到實際旁路開關(guān)的動作延時，我們在仿真模型中對開關(guān)的控制電路也做了相應(yīng)的設(shè)置。
　　保護(hù)繼電器的建模是仿真分析的關(guān)鍵點之一。文獻(xiàn)[11^-13)對繼電保護(hù)建模做了較詳盡的介紹。文獻(xiàn)【12]還將建模仿真的結(jié)果與RTDS仿真進(jìn)行了對比，實驗證明只要模型足夠**，兩者之間的誤差非常小。本文中距離保護(hù)的模型是使用PSCAD的自定義模型功能并用FORTRAN代碼來實現(xiàn)的。該模型詳細(xì)模擬了實際的數(shù)字式距離保護(hù)裝置的基木環(huán)節(jié)，具有轉(zhuǎn)高的可靠性。
　　

　　該模型被分解成如圖3所示的幾個功能模塊，每一個模塊都模擬實際繼電器中與之對應(yīng)的硬件或者軟件代碼。要實現(xiàn)對繼電保護(hù)裝置的建模，首先就要深入了解圖3中的各個模塊，隔離變壓器、模擬低通濾波器、采樣保持電路、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字直流濾波、全波傅氏算法和判斷邏輯的基本原理。然后用適當(dāng)?shù)慕９ぞ邔⑵鋵崿F(xiàn)就可以了。
　　

　　要實現(xiàn)系統(tǒng)模型與保護(hù)繼電器模型的閉環(huán)仿真，還必須依靠PSCAD/EMTDC與用戶模型之間的接口來實現(xiàn)。PSCAD/EMTDC的自定義模型功能為用戶提供了適合各種類型數(shù)據(jù)的公用數(shù)組作為程序的接口。自定義模型的默認(rèn)編程語言即為FORTRAN，我們可以非常方便地調(diào)用保護(hù)繼電器模型的子函數(shù)。在進(jìn)行仿真研究時，我們可以按照系統(tǒng)的實際情況，保護(hù)繼電器模型從系統(tǒng)模型中取得電壓電流值，經(jīng)過運算后其輸出結(jié)果又可以直接控制一次系統(tǒng)的開關(guān)，改變系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，真正實現(xiàn)閉環(huán)仿真。
　　本文*終建立的正序電壓極化的歐姆繼電器模型包括了瞬時過流元件、相間與接地距離元件的I段、II段以及所有的輔助元件。模型建立了友好的人機(jī)界面，提供了可以根據(jù)工程實際的保護(hù)功能投退以及相關(guān)整定值的修改的人機(jī)接口。模型還建立了良好的內(nèi)部數(shù)據(jù)輸出接口，用戶無須更改源程序便可方便地觀測各種內(nèi)部數(shù)據(jù)。
　　2固定串補(bǔ)電容對距離保護(hù)的影響分析
　　在實現(xiàn)了保護(hù)繼電器模型與串聯(lián)補(bǔ)償系統(tǒng)模型之間的閉環(huán)仿真的基礎(chǔ)上，我們就可以仿真分析固定串補(bǔ)電容對繼電保護(hù)的影響。下面就從串補(bǔ)電容對保護(hù)距離、保護(hù)方向性以及測量電抗的影響三個方面分別展開。
　　2. 1對保護(hù)范圍的影響
　　輸電線路加裝串聯(lián)補(bǔ)償電容后，短路阻抗與短路距離之間不再成線性正比關(guān)系，這將使距離保護(hù)無法正確測量故障距離，對其工作將產(chǎn)生不利的影響。距離保護(hù)的測量電抗決定于串補(bǔ)電容是否投入運行和MOV保護(hù)是否動作。因為當(dāng)電容的過電壓保護(hù)動作時繼電器“看到”的電抗是一個值，而當(dāng)過電壓保護(hù)不動作時“看到”的又是另一個值。這就給距離保護(hù)的保護(hù)范圍的整定造成了一定的困難。
　　在實際情況下，保護(hù)裝置都是按照其可能遇到的*壞的工作情況來整定的f}l。以圖3中的繼電器2為例，選用母線側(cè)電壓互感器PTl，我們試圖保護(hù)線路全長的80，如果串補(bǔ)電容的補(bǔ)償度為60 }o當(dāng)我們將距離保護(hù)I段整定為so%，串補(bǔ)電容因為MOV保護(hù)不動作而仍然投入運行，那么保護(hù)I段的實際保護(hù)范圍將會達(dá)到140%，這是**不允許的。因此保護(hù)的I段必須整定為20%以防止超越保護(hù)，但是在這種情況下，如果固定串補(bǔ)電容的MOV保護(hù)動作了，保護(hù)I段的實際保護(hù)范圍將只有20 } ,F2將會被視為區(qū)外故障陰。
　　對此我們進(jìn)行了大量的仿真分析。在整定值不調(diào)整和調(diào)整兩種情況下對各個繼電器在不同故障下的動作情況進(jìn)行歸納總結(jié)。由于繼電器3正向故障不受影響，反相故障與繼電器2取線路側(cè)電壓互感器時反相故障類似，繼電器4與繼電器1類似，我們僅對繼電器1和2進(jìn)行了仿真分析。表1為整定值不調(diào)整情況下各個繼電器在各種情況下的工作情況。表2為整定值按照前面的理論分析調(diào)整了之后的情況。表中結(jié)果對各種類型故障均適用。
　　

　　可以看到在整定值不調(diào)整的情況下若電容的過電壓保護(hù)能夠準(zhǔn)確動作，那么各個繼電器在各種J清況下均能可靠動作;若電容過電壓保護(hù)不動作，那么可能出現(xiàn)超越保護(hù)的情況，這是不能允許的。因此必須對原有整定值進(jìn)行調(diào)整。從表2可以看到，調(diào)整整定值后超越保護(hù)現(xiàn)象不再出現(xiàn)，但是保護(hù)范圍卻縮短了。這與前面理論分析的結(jié)果完全一致。
　　對于距離保護(hù)的II段，如果整定為120%而電容的MOV保護(hù)不動作，那么實際保護(hù)范圍將達(dá)到180，這將可能引起與相鄰線路保護(hù)的配合問題，特別是在相鄰線路較短的情況下。但是如果整定為60%而電容MOV保護(hù)動作，那么實際保護(hù)范圍將只有60%，這對于II段來講又是不可以接受的?；谝陨戏治鑫覀兛梢缘玫揭韵陆Y(jié)論:保護(hù)I段的整定必須考慮到電容容抗以防止發(fā)生超越保護(hù)，保護(hù)B段的整定不能考慮電容的容抗以防止在電容MOV保護(hù)動作情況下發(fā)生保護(hù)范圍的縮短。
　　前面己經(jīng)提到距離保護(hù)的I段整定值必須嚴(yán)格限制以防止超越保護(hù)。實際情況下這一保護(hù)范圍將可能進(jìn)一步縮短，因為低頻分量將會引起測量電抗的波動[2]。這一點將在后面詳細(xì)論述。
　　2. 2對距離保護(hù)方向性的影響
　　由于固定串補(bǔ)電容可能會在系統(tǒng)中引起電壓反相和電流反相，因此可能造成距離保護(hù)失去方向性，從而發(fā)生正向區(qū)內(nèi)故障拒動和反相故障誤動的情況。以圖1所示系統(tǒng)中的繼電器2為例，當(dāng)采用母線側(cè)電壓互感器PT1時，反向故障與無串補(bǔ)線路相同。正向近端故障時可能會引起電壓反向，從而導(dǎo)致繼電器拒動。同理，當(dāng)采用線路側(cè)電壓互感器PT2時，反向故障繼電器可能會拒動。一般來講，采用帶有記憶作用的極化電壓能夠有效地解決這個問題。
　　為了驗證這一結(jié)論，我們進(jìn)行了仿真分析。圖4是極化電壓的記憶作用對距離元件影響示意圖?？梢钥吹皆诙搪钒l(fā)生后極化電壓相角發(fā)生大的波動，但是記憶環(huán)節(jié)卻能在一定時間保證其相角基本不變。對于正向故障，極化電壓記憶作用未消失前距離元件能可靠動作，但記憶作用消失以后就不能保證動作的可靠性了。對于反相故障，極化電壓記憶作用未消失前距離元件能可靠不動作，但記憶作用消失以后就不能保證動作的可靠性了。這與理論分析的結(jié)果也是完全一致的。從圖中還可以看到極化電壓的記憶作用持續(xù)時間足以保證正向故障不發(fā)生拒動反相故障不發(fā)生誤動。
　　

　　通過前面的理論分析和仿真分析，我們可以得到采用具有良好記憶作用的正序極化電壓的距離繼電器能夠保證串補(bǔ)線路中距離保護(hù)的方向性。
　　2. 3對短路后測量阻抗的影響
　　前面的分析表明，有串補(bǔ)電容線路發(fā)生故障時，系統(tǒng)將會有頻率為碼的低頻分量，該低頻分量在以某一時間常數(shù)衰減的同時，還以GJ一}o的角速度相對于工頻交流分量轉(zhuǎn)動[f21。使用繼電器模型能夠十分方便地觀測繼電器的測量電阻電抗值。圖3所示系統(tǒng)中對于故障F4繼電器1測量到的阻抗如圖5斯示，可以看到在沒有考慮到電容的MOV保護(hù)時，短路發(fā)生后需要較長時間測量阻抗才能夠穩(wěn)定下來。這種故障阻抗的變化，可能會引起保護(hù)區(qū)的超越或者縮短。
　　

　　為了更好地分析故障后距離繼電器的測量電阻和電抗，圖6將各種情況下的R一曲線綜合到了一起。*初分別對應(yīng)于MOV動作和不動作的串聯(lián)補(bǔ)償系統(tǒng)的阻抗軌跡完全重合，這是因為串補(bǔ)電容均完全投入，兩者的電路完全一致。在短路發(fā)生后的某一時刻兩個曲線開始分開，這是因為電容的MOV保護(hù)動作，將電容短路，從而對應(yīng)MOV動作的串聯(lián)補(bǔ)償系統(tǒng)的阻抗軌跡和對應(yīng)無串補(bǔ)線路的阻抗軌跡迅速收斂到同一點。MOV保護(hù)不動作的串聯(lián)補(bǔ)償系統(tǒng)的阻抗軌跡則以螺旋的形式逐漸收斂到*終的測量電抗，由于收斂較慢而且有較大的波動，可能會引起保護(hù)范圍的超越或者縮短。
　　

　　無論是MOV還是空氣間隙開關(guān)，當(dāng)它們導(dǎo)通時都改變了距離繼電器所“看到”的電抗。但它們的影響還不**于此，當(dāng)MOV和空氣間隙開關(guān)可靠動作時，還能夠有效地抑制低頻分量，縮短暫態(tài)過程，從而提高距離保護(hù)的可靠性。由此可見串補(bǔ)電容的過電壓保護(hù)對距離保護(hù)的影響至關(guān)重要。
　　3結(jié)論
　　只要能夠建立保護(hù)繼電器的詳細(xì)**模型，完全可以用來代替保護(hù)裝置事物研究各種新型裝置對繼電保護(hù)帶來的影響。固定串補(bǔ)電容對距離保護(hù)范圍可能造成較大影響。若不更改保護(hù)的整定值，距離保護(hù)在MOV保護(hù)不動作的情況下可能會發(fā)生超越保護(hù)，這是不能允許的，因此需要對保護(hù)范圍進(jìn)行重新整定。在重新整定后又不可避免地引起保護(hù)范圍縮短，在補(bǔ)償程度較大線路，距離保護(hù)I段可能變得很小。根據(jù)理論分析，電壓反相、電流反相引起的距離保護(hù)失去方向性的問題，在使用帶記憶作用的極化電壓后一般也能得到很好的解決。仿真分析驗證了這一結(jié)論，因為串入電容而正向故障拒動和反相故障誤動的情況均不會出現(xiàn)。固定串補(bǔ)電容可能會引起故障后測量電抗值的波動，這可能會使保護(hù)范圍發(fā)生超越或者縮短。若電容的MOV保護(hù)動作，這個問題可以得到較好的解決。

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