PSCAD/EMTDC在繼電保護教學中的應用

張紫凡，劉文靜

(華南理工大學廣州學院，廣東廣州510800)

PSCAD/EMTDC是當前普遍流行的電磁暫態仿真分析軟件包，不僅在電力系統研究領域得到廣泛應用，而且在高校電氣工程及相關專業教學中日益受到青睞。該軟件由PSCAD和EMTDC兩部分組成[1]。EMTDC是具有復雜電力電子、控制器及非線性網絡建模能力的電力系統模擬分析程序[2]。PSCAD是用戶仿真界面，PSCAD圖形界面大大提高了EMTDC的功能，實現了以可視化的形式以及較為簡單的模型模擬復雜電力系統的功能[3]。

“電力系統繼電保護”課程雖然向學生介紹了繼保裝置的原理和動作特性，但是學生沒有參與繼保裝置設計和驗證，對所學到的抽象的理論缺乏感性認識和實際應用。PSCAD/EMTDC以其簡潔的圖形界面和精確的仿真結果，讓學生可以實現以下類型的繼保裝置的仿真工作:電網的相間電流和電壓保護;電網接地故障的電流和電壓保護;電網的距離保護;輸電線路的縱聯保護;主設備(發電機和變壓器)保護以及自動重合閘[5]。

利用PSCAD進行繼電保護的仿真，首先要搭建出仿真系統的一次模型，并根據繼電保護的功能建立二次模型。然后設置各個元件參數及一次線路的故障，并在需要觀測變量的位置添加測量儀表。最后，執行仿真命令并輸出相關電氣量數據。整個仿真過程既可用于課堂演示，也可作為課程實驗內容讓學生動手參與。

1 仿真模型中一次系統的建立

EMTDC中距離保護的仿真模型分為一次和二次兩部分。一次部分是有雙端電源的輸電電路，線路兩端均裝有斷路器，其中斷路器B1可由距離保護裝置控制開通和關斷。輸電線路LINE設有故障元件，可設置故障時間和故障類型。如圖1所示。

圖1 系統一次接線圖

2 仿真模型中二次系統的建立

該仿真模型能夠判斷系統是否發生相對地以及相間短路故障，若發現故障則保護動作跳開三相。距離保護二次系統的仿真模型如圖2所示。其中主要包括電壓電流的相序分量計算部分、跳閘控制信號輸出部分、相間阻抗計算部分和單相接地阻抗計算部分。

圖2 距離保護二次系統仿真模型圖

2.1 距離保護二次系統動作原理

從一次系統的數據采集到繼保裝置對斷路器發出跳閘信號的整個過程是由距離保護的二次系統來完成的，邏輯流程如圖3所示。

該流程圖主要包括“取值”、“故障判斷”及“跳閘信號輸出”三個部分。

(1)“取值”部分是由測量電表對測量點的電壓電流數據進行采集，并由FFT元件提取出三相電壓、電流的幅值及相位數據。

(2)“故障判斷”部分包括相對地短路故障及相間短路故障的判斷。

相間故障判斷功能:“計算相間阻抗值”環節是將三相電壓電流數據經“相間阻抗計算元件”進行計算，得到相間阻抗值。將相間阻抗值輸出至“相間阻抗圓繼電器”中判斷是否在保護圓范圍內，并輸出判斷結果至“跳閘信號輸出”部分。

圖3 距離保護仿真流程圖

接地故障判斷功能:將電壓電流值進行派克變換提取出序分量值，再計算出相對地阻抗值;將相對地阻抗值輸出至“接地阻抗圓繼電器”中判斷是否在保護圓范圍內，并輸出判斷結果至“跳閘信號輸出”部分。

(3)“跳閘信號輸出”部分將相間故障判斷值與接地故障判斷值進行“或”計算，若計算結果為1，則發出跳閘信號斷開三相，如計算結果為0，則保護不動作。

2.2 故障判別元件

在距離保護仿真模型的二次系統中，故障判別是其關鍵環節，起到故障判別作用的元件是阻抗圓繼電器，如圖4所示。通過參數設置，阻抗圓繼電器可以實現多種動作特性(全阻抗、方向阻抗和偏移阻抗)。阻抗圓繼電器將測量及計算得出的相間阻抗及相對地阻抗進行“描點”，若進入動作區域，則繼電器發出動作信號命令斷路器斷開故障線路。

圖4 阻抗圓繼電器

3 不同阻抗圓特性下的仿真

通過對阻抗繼電器的參數設置，可以實現不同的阻抗圓特性。系統參數設置輸電線路LINE1為:長度110 km、正序阻抗為 (3.81+j46.57)Ω、負序阻抗為0、零序阻抗為(33.00+j125.69)Ω?，F設置系統故障發生時間設置為0.2 s，故障持續時間為0.05 s，發生故障的位置為距線路首端75 km處(故障點至線路首端長度占線路全長的68%)。

不同阻抗圓特性下的阻抗圓繼電器的參數及系統故障設置如表1所示。表中三種阻抗圓特性均設置有A相接地故障作為橫向比較，偏移阻抗增加BC相間短路作為同一種阻抗圓下特性不同故障的縱向比較。

表1 阻抗圓繼電器參數設置表單位:Ω

圖5～圖9分別是表1中給出的五種不同仿真條件下的仿真結果。每一個仿真波形圖均包含三個子圖，分別是接地阻抗圓特性圖、相間阻抗圓特性圖、系統三相電壓電流波形及故障時間及斷路器狀態圖。

由以上仿真圖可以分析得知，當故障點在75 km處即在保護范圍內時，三種阻抗圓特性均能正確動作，在系統發生故障后的0.02秒的時間內能夠將故障切除。接地阻抗圓能夠判斷出系統接地故障并發出斷開信號，相間阻抗圓能夠判斷出相間故障并發出斷開信號。當故障點在100 km處時，即超出80%的保護范圍后，繼保裝置不動作。后續的仿真實驗顯示，此模型能夠正確判斷其他類型的故障，在此不逐一列舉。

4 結語

通過上述利用PSCAD對距離保護進行仿真和建模的過程，可以看出，利用PSCAD仿真平臺可以清楚地觀測到距離保護各元件的動作過程和各點電壓電流波形，加深學生對原理的理解。另外，我們利用此平臺進行了多種繼電保護裝置的建模仿真，并增加相應的課程設計和學生研究計劃鼓勵學生自己搭建模型，教師給予指導。教學中加入的仿真環節和理論教學結合，學生自行探索和教師指導結合，有效地提高了學生的學習效率。

圖5 仿真條件Ⅰ的繼電器仿真結果

圖6 仿真條件Ⅱ的繼電器仿真結果

圖7 仿真條件Ⅲ的繼電器仿真結果

圖8 仿真條件Ⅳ的繼電器仿真結果

圖9 仿真條件Ⅴ的繼電器仿真結果

[1]李學生.PSCAD建模與仿真[M].北京:中國電力出版社，2012.

[2]石訪.電磁暫態軟件PSCAD/EMTDC的應用現狀與展望[J].上海:華東電力，2008，21:36-38.

[3]張國琴，韓谷靜.PSCAD在電力電子教學中的應用研究[J].北京:中國電力教育，2013.41(2):81-82.