PSCAD／EMTDC和ATP仿真在數字式繼電保護中的應用

張愛蘭

（武漢大學電氣工程學院，湖北武漢 430072）

1 引言

電力系統的繼電保護是一門綜合了電力系統網絡分析、自動控制理論和微機技術的綜合學科，保護裝置主要分為線路保護和主設備保護。其中主設備保護包括變壓器保護、母線保護、發電機保護、發電機變壓器組保護和電抗器、電容器保護等幾大類型；各種類型的保護裝置又可以根據具體的應用采用不同的保護原理，而繼電保護的原理也是多種多樣［2］。

數字式繼電保護是指將微型機、微控制器等器件作為核心部件構成的繼電保護，依據其維護調試方便、可靠性高、易于獲得附加功能、靈活性大、保護性能得到很好改善等特點廣泛應用于電力系統中，進一步提高了電力系統的安全、穩定、可靠和經濟運行，為電網高質量的電能傳輸和供電提供了更好的技術保障，也為變電站實現無人或少人值班創造了必要的條件［3］。

雖然理論上大部分保護裝置的軟件仿真可以整合大多數的保護理論和保護方式，但還需要根據具體情況進行配置，而且由于時間精力有限，不可能面面俱到，這里只選擇了PSCAD／EMTDC和ATP兩種仿真軟件仿真數據或記錄真實故障電壓、電流值對繼電保護的動態特性進行分析和校驗，分析和改進保護動作特性，這種方法方便靈活，可以任意改變保護裝置的結構、電力系統結構、故障類型、故障地點等，具有低成本、高效率、靈活方便等優點。

2 基于PSCAD仿真的數字式繼電保護

當系統發生單相接地故障時，對220kV雙電源系統進行仿真。其中Em和En為兩端系統電勢，Zm和Zn為系統的阻抗，R和XL分別為線路的電阻和電抗及故障點位與線路中點處。故障示意圖如圖1所示。

圖1 故障示意圖

系統參數為：

m 側系統電阻 Rm＝9.186Ω，電感 Lm＝138mH；

n 側系統電阻 Rn＝9.186Ω，電感 Ln＝138mH，功角滯后 20°。

線路單位長度參數為：線路總長度L＝100km，線路正序阻抗和導納為R1＝3.4676Ω，X1＝42.3366Ω，G1＝1.0×10-5MΩ，B1＝0.00027MΩ；零序阻抗和導納為 R0＝30.0023Ω，X0＝114.2641Ω，G0＝1.0×10-5MΩ，B0＝0.00019MΩ。

在PSCAD中搭建的系統仿真模型如圖2所示。設線路中點處發生A相接地故障，故障起始時刻為 0.2s，故障持續時間為 0.1s，仿真時間在 0.5s時結束，采樣頻率為4kHz。

圖2 系統PSCAD仿真模型

將系統電流電壓信號進行傅里葉快速變換，得到三相的電壓電流幅值和相位，再對其進行變換，得到正序、負、零序的電壓電流幅值和相位。

將所得數據輸入到距離保護控制模塊中。接地距離保護和相間接線距離保護的接線方式如圖3所示，這些控制著線路斷路器的開關，讓其在整定范圍能動作，整定范圍外不動作，保證其選擇性。

下面以線路距離一段保護為例，整定范圍為整個線路的80%。

在線路50%短路，即離母線M距離50kM的位置短路。

不加距離保護時的三相電壓電流波形如圖4所示。依次為三相電壓仿真波形圖、三相電流仿真波形圖及故障時間設置波形圖。

圖3 繼電器阻抗控制模塊

圖4 50%故障時不加保護故障波形

從圖中可以看出，當A相發生單相接地故障時，A相電壓有明顯的電壓降低，而B、C兩相電壓基本保持不變；A相電流明顯增大，而B、C兩相電流基本保持不變。

加上距離一段保護后的電壓電流波形如圖5所示，可以看出加上距離一段保護時，因為故障在一段保護范圍之內，阻抗繼電器發出了信號讓斷路器跳閘，所以三相電流立刻變為零，三相電壓也恢復成電源電壓。

圖5 50%故障時加上保護后的故障波形

有些算法在進行保護計算之前需要濾波，這里采用零點濾波器的設計方法設計濾波器進行濾波。濾波器傳遞函數為，這是一個 4階的傳遞函數，對應的離散的計算公式為y（n）＝x

用Matlab編寫程序如下：

濾波程序為：

該濾波器能濾除3次和5次諧波，基波增益為6。用該濾波器對A相電流和電壓進行濾波，波形如圖6所示。

圖6 A相濾波前后電流、電壓波形

3 基于ATP仿真的數字式繼電保護

在ATP中建立系統仿真模型，如圖7所示。設線路中點發生C相單相接地故障，故障起始時刻為 0.1s，故障持續時間為 0.1s，仿真時間在 0.5s 時結束。采樣頻率為600Hz，即采樣間隔為，每周期采樣點為12。

圖7 系統仿真模型

ATP中的仿真波形如圖8所示，其中（a）為三相電流仿真波形，（b）為三相電壓仿真波形。從（a）中可看出，當C相發生單相接地故障時，C相電流明顯增大，而A、B兩相電流基本保持不變，仍為負荷電流；C相電壓有明顯的電壓降低，而A、B兩相電壓基本保持不變。

圖8 仿真波形

同PACAD所設計濾波器一樣，能濾除3次和5次諧波，基波增益為6。用該濾波器對C相電流和電壓進行濾波，波形如圖9所示。

圖9 C相濾波前后電流、電壓波形

4 結論

通過以上的兩個仿真實驗，PSCAD／EMTDC的簡單操作及強大功能可見一斑，使電力系統復雜部分的可視化成為可能。而ATP可模擬任意結構的復雜電力網絡及其控制系統，且具有很強的擴展能力。兩者仿真結果證明仿真的準確性和可靠性，二者在數字式繼電保護中皆可得到廣泛可靠的應用。

［1］鐘慧榮，蔣秀潔.PSCAD在電力系統分析實驗教學中的應用［J］.實驗科學與技術，2008.

［2］丁 剛.電力系統微機繼電保護仿真研究［D］.中國優秀碩士學位論文全文數據庫，2006.

［3］楊奇遜，黃少鋒.微機型繼電保護基礎［M］.北京：中國電力出版社，1987.