基于PSCAD軟件平臺的電力繼電保護實驗

肖仕武，劉建輝，王增平

(華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206)

繼電保護是電力系統二次部分的核心。繼電保護實驗課程能使學生掌握繼電保護設備的工作原理，熟悉設備各環節的特性和調試以及整定方法，幫助學生把學到的繼電保護知識應用于實際。

目前高校開設的“電力系統繼電保護原理”課程實驗普遍存在一些問題。主要是傳統的電流繼電器和電壓繼電器等現已基本被微機繼電保護所代替，而當前微機保護實驗雖然向學生介紹了微機保護裝置各插件，對微機保護裝置進行外特性實驗，卻沒有讓學生參與微機保護軟件的編程與驗證實驗，他們不能很好地理解微機保護裝置內部的動作邏輯過程。因此開展模擬真實故障行為保護動作的實驗，讓學生參與到微機保護軟件的編寫與驗證中，需要有一個良好的保護實驗平臺支持。

1 基于分析軟件的繼電保護實驗

PSCAD/EMTDC是當前國際上普遍流行的一種電磁暫態分析軟件包，廣泛應用于世界各國的電力系統仿真，可對包含復雜非線性元件的大型電力系統進行全三相的精確模擬。其核心是內置的元件模型庫，該元件模型庫幾乎涵蓋了電力系統輸配變電的所有元件，并包含有大量測量、控制用模型元件。

PSCAD圖形用戶界面的成功開發，使得用戶可通過圖形添加的方式來解決一些復雜的電路功能，相對于基于數學模型的Matlab仿真軟件而言，更易為學生所接受［1］。

用PSCAD/EMTDC進行繼電保護實驗的流程圖如圖1所示。

圖1 實驗流程圖

學生首先根據原理圖搭建出仿真系統的一次和二次模型，然后設置各元件的參數和一次線路的故障，并且在需要觀測變量點添加測量電表，最后執行仿真輸出相關的電氣量。執行仿真時，PSCAD調用軟件自帶的編譯器將PSCAD中的電路模型編譯為主Fortran程序，即將可視化的模型元件轉換為EMTDC的子函數，并根據電路連接關系自動進行節點編號和參數傳遞，然后利用設定的Fortran編譯器通過調用EMTDC引擎庫文件生成最終的執行文件。在仿真進行過程中，用戶可以通過輸入輸出元件庫的控制元件自由調整參數值，以便觀察系統某些動態情況下的響應特性［2］。

2 零序電流保護仿真實驗

2.1 零序電流保護簡介

零序電流保護主要反映電力系統中的接地故障，通常采用三段式保護。零序電流保護的Ⅰ段按躲過本線路末端單相短路時流過保護裝置的最大零序電流整定。零序電流保護的Ⅱ段與保護安裝處相鄰線路零序電流保護的Ⅰ段相配合。零序電流保護的Ⅲ段與相鄰線路的Ⅱ段相配合，是Ⅰ、Ⅱ段的后備保護［3］。

2.2 單項接地零序電流保護仿真

單相接地零序電流保護實驗中需要用到零序電流提取單元和零序電流比較單元。

零序電流提取單元用于提取出保護所需要的零序電流，通過將測量電流分相、求和及求有效值，實現測量電流到零序電流的轉換。

零序電流比較單元將轉換后的零序電流與整定值作比較，大于整定值則給出一個動作信號。

仿真中線路選擇架空線，設置A相接地，故障時間設置為 5s，接地電阻分別為 10(Ohm)、20(Ohm)和30(Ohm)，實驗接線圖如圖2所示。

圖2 仿真實驗接線圖

仿真結果如圖3所示。由圖可見，不同的接地電阻時分別在0.516s、1.000s和1.500s發出保護動作信號。根據動作時間可以判斷，分別是保護的Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段發出跳閘信號。

圖3不同接地電阻下的仿真結果

2.3 兩相接地和三相短路保護仿真

設置A、B兩相接地和三相短路故障，相關參數設置不變，從仿真結果可以看出保護都正確動作，并能夠根據動作時間判斷是哪一段保護電路發出的跳閘信號。

通過以上各種情況的仿真，驗證了該保護能夠實現各種故障的切除，完全能夠實現三段式零序電流保護的功能。

3 縱聯電流差動保護和仿真實驗

3.1 縱聯電路差動保護簡介

隨著光纖通信技術在電力系統的廣泛應用，縱聯電流差動保護在電力系統得到日益廣泛的應用［4］。線路縱聯差動保護裝置動作速度快，不受單側電源運行方式和電力系統振蕩的影響。迄今為止，輸電線縱聯保護的原理主要有比較線路兩端功率方向的方向縱聯保護、比較線路兩端電流相位的相位差動縱聯保護和比較兩端全電流的電流差動縱聯保護。

3.2 單相接地的縱聯電流差動保護

縱聯電流差動保護實驗中需要用到快速傅里葉變換元件和雙斜率比率制動式電流差動繼電器，如圖4所示。快速傅里葉變換元件用于將兩側提取的電流信號轉換成對應信號的幅值和相角。雙斜率比率制動式電流差動繼電器是將傅里葉變換后的幅值和相角信號“描點”，若進入該繼電器的動作區域便給出動作信號。

圖4 電流傅氏變換和保護繼電器

仿真中線路采用架空線，設置A相接地故障，故障時間設置為1.000s，接地電阻為40(Ohm)。仿真運行結果如圖5所示，保護在1.023s發出了動作信號。圖6為動作特性圖，動作特性為雙斜率比率制動式電流差動，兩條直線的斜率分別為0.3和1.5，相交于動作特性直角坐標系上的點(2，1.6)。根據仿真結果進描點，發現在t=1.023s時，差動電流和制動電流所描點剛好進入動作區域，仿真結果完全符合理論分析的中繼電器的動作情況。

3.3 兩相接地的縱聯電流差動保護

設置AB兩相接地，保護在1.020s發出了動作信號。

通過以上各種情況的仿真，驗證了該平臺所進行的繼電保護實驗能實現各種類型故障的切除，無論是區內單相接地故障還是兩相接地故障，保護均在發生故障后約20ms時刻發出跳閘信號，實現了差動保護的速動性和選擇性。

圖5 兩端電流和跳閘時間圖

圖6 動作特性圖

4 結語

本文分析了當前“電力系統繼電保護原理”課程實驗教學存在的問題，提出了利用軟件平臺代替硬件平臺的方案。我們利用PSCAD/EMTDC軟件平臺進行了兩種繼電保護實驗，分別是零序電流三段式保護和縱聯電流差動保護實驗。結果表明，該實驗能可靠地完成硬件平臺的功能，同時能使學生參與到實驗中去，促進學生更好地理解問題、分析問題和解決問題，具有很大的應用前景。在實踐中仍保留了部分原繼電保護裝置實驗內容，以增加學生感性認識。

［1］ 孫佐.基于PSCAD/EMTDC的電力電子技術仿真教學［J］.池州，池州學院學報，2009，23(6):119-122

［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，2008，12:36-38

［3］ 趙尊華，薛素琴.淺論零序保護在電網中的應用［J］.濟南，科技信息，2010，29:359-360

［4］ 李煒.電容電流對線路縱聯差動保護整定計算的影響［J］.長沙，湖南電力，2005，25(1):19 －21