反時限零序電流保護仿真平臺的研發

于 游，潘昱辰，田景輔，高 陽，馬 強

(1.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；2.沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136)

當前，我國220 kV及以上電網中普遍應用定時限零序電流保護作為輸電線路接地故障的后備保護，主要作用是當線路發生經高阻接地故障接地距離保護不能動作時，由它來切除故障[1]。但是由于定時限零序電流在整定時簡化為兩段或一段[2]，上下級線路間的零序電流保護難以配合，存在大量的不配合點，而且其整定計算非常復雜。反時限電流保護動作時間與電流值呈反比，一般故障線路電流最大，動作時間最短，離故障點越遠電流越小，動作時間越長，具有天然的選擇性。用反時限零序電流保護替代定時限零序電流保護，能夠解決定時限保護的選擇性問題，大幅減少整定工作量，并同時兼作接地故障的遠后備，是繼電保護工作者的共識[3-4]。

反時限零序電流保護原理雖然簡單，但是要想用一條反時限曲線適應不同結構電網和各種故障，研究工作非常復雜和困難。一是反時限電流保護的動作時間與輸入電流值為非線性關系，這意味著對于一條線路而言，故障點在不同位置、經不同的電阻值接地，線路兩端和周圍的反時限零序電流保護動作行為與配合情況不同；二是反時限電流保護的動作時間與輸入電流值為積分關系，在任何一點跳開后，電網電流將重新分布，動作時間將隨之發生變化，手工計算難以實現；三是要確定適當的反時限曲線參數，使該曲線在不同的網架結構和經不同電阻接地故障下具有最優性能，研究工作量非常大。

由于研究難度大，缺乏有效的技術手段，目前反時限零序電流保護的研究存在許多問題。所研究的模型基本都是簡化電網模型，故障類型一般為金屬性接地和規程規定電阻上限值接地2個極端點，而且沒有定量考慮電網斷路器相繼動作后電流的重新分布[5-7]，這些研究與實際的電網結構和故障狀況尚有距離，反時限零序電流保護的實際配合情況需要進一步研究。到目前為止，反時限零序電流保護在220 kV電網中除少數500 kV電網[8-9]仍未得到應用，而且在整定上只能采取簡化的整定方法[10]，還沒有案例來證明其方案的有效性。

因此要深入研究反時限零序電流保護的性能，弄清在電網應用中存在的問題，合理整定其他保護與其配合，需要開發專門的反時限零序電流保護分析仿真平臺，為研究工作提供有力的工具。

1 反時限零序電流保護仿真平臺的搭建

1.1 仿真平臺搭建思路

平臺的仿真計算環境應最大可能與實際電網一致，這樣才能使研究結果符合電網實際。因此，分析與仿真平臺的建模系統，不但要支持圖形化的自定義建模，還要有調用整定計算平臺的電網模型和參數庫功能，這樣分析平臺才具備與實際電網完全一致的模型和數據，而且故障計算結果可經過整定計算軟件驗證，從而保證零序電流計算結果的準確。

由于要具備對整個大型電網的全部設備進行批量計算和仿真，反時限零序電流保護的仿真計算量非常大，客戶端計算機有限的計算能力滿足不了計算要求，因此平臺的架構應設計為基于B/S架構(Brower/Server，即瀏覽器/服務器架構)，服務器的計算能力要遠大于客戶端計算機，而且可以擴展，能夠滿足仿真計算需求。

1.2 仿真平臺的結構

研發的B/S架構反時限零序電流保護仿真平臺如圖1所示。系統部署在調度數據網Ⅲ區，與一體化整定計算系統共用服務器計算資源，客戶端通過瀏覽器進行訪問系統，開展有關計算和仿真研究，平臺支持多用戶同時工作。

圖1 B/S架構反時限零序電流保護仿真平臺

仿真平臺具體的內部結構如圖2所示。平臺底層模塊為仿真平臺數據建模，采取界面友好、易操作的圖形化方式建模，也可直接調用電網整定計算系統的網絡拓撲與參數；故障計算模塊是按照仿真計算要求，計算仿真范圍內的各點零序電流值、零序電壓值以及夾角；仿真計算模塊是應用層模塊，具有各種分析和仿真功能，按照用戶指令計算分析反時限零序電流保護數據，并將結果輸出給用戶。

圖2 反時限零序電流保護仿真平臺內部結構

2 仿真平臺的功能設計

2.1 零序電流及反時限時間的計算

根據不同的要求和計算條件，計算出電網各點的反時限零序電流值以及對應的動作時間，該功能是研究反時限性能和開展仿真的基礎，平臺具有如下計算功能。

a.基于圖形可在電網任意點設置接地故障，接地電阻值、接地類型、是否相繼可設置，計算出電網中各點的零序電流值和角度。

b.支持設置3個不同的一般反時限曲線(啟動值、時間系數不同)，根據零序電流計算出3條曲線對應的動作時間。

c.以上計算結果可在圖形上顯示出來，可根據需要顯示全部或顯示正方向。

d.可按(a)、(b)功能在線路起端、中間、末端分別設置故障點，全網或全圖批量計算線路兩端的零序電流值及不同曲線的動作時間，并報表輸出。

2.2 零序電壓的計算

基于圖形可在電網任意點設置接地故障，接地電阻值、接地類型、是否相繼可設置，計算出電網中各點的零序電壓值，轉變為二次值在圖形各計算點上標出。

2.3 靜態分析

靜態分析是指僅考慮故障狀態下一側開關相繼和不相繼兩種方式下，電網各點的反時限零序電流保護配合情況，不考慮相繼后的電流重新分布，主要目的是研究線路斷路器未斷開前或一側由快速保護斷開情況下，電網各點反時限零序電流保護間的配合情況，與2.4節的動態仿真進行對比，能夠檢查出當前各種分析方法下的反時限性能存在的問題和不足。具有如下計算功能。

a.基于圖形可在電網任意點設置接地故障，接地電阻值、接地類型、是否相繼可設置，反時限曲線參數和時間級差可設置，計算電網中各點的零序電流值和動作時間，并在圖形上顯示，按級差要求標注出不配合點。

b.按(a)設置功能在線路起端、中間、末端分別設置故障點，基于全網或全圖進行批量故障計算，篩選出所有線路對應故障位置下的不配合點，將不配合點的位置、零序電流值及動作時間報表輸出。

2.4 動態仿真

動態仿真是電網發生接地故障，反時限零序電流按動作時間先后跳閘時，能夠計及這些跳閘后零序電流變化的仿真。要實現動態仿真，首先應解決動態電流下的反時限時間計算方法。

一般反時限動作方程為[11]

(1)

式中：I為輸入電流的測量值；IB為基準電流；tp為時間常數；t為動作時間。

故障發生后故障電流可能是個變化量，此時不能直接按式(1)計算出動作時間，需要根據不同階段的激勵量I所維持的時間T來計算所積累的量，當各階段的積累量總和達到動作門檻時，保護元件動作，過程可等效為

(2)

式中：T0為保護元件動作時間。在實際計算中，需要把連續過程離散化處理，可演變為

(3)

式中：Δt為2次累積的時間間隔；N為過流反時限元件從啟動到動作所經歷的能量累計的次數；t(I)n為第n次累計時刻對應的理論動作時間，該值隨I的變化而變化。

本仿真平臺按上述處理方法計算各點反時限零序電流保護時間，當發生某一處保護先動作后，重新計算電網各點電流值，再繼續累計計算，直至故障線路兩側都斷開后停止。

具體功能如下。

a.基于圖形可在電網任意點設置接地故障，接地電阻值、接地類型、運行方式可設置，反時限曲線參數和時間級差可設置，仿真電網中各點保護的先后動作次序，按級差要求在圖形上顯示出不配合點或越級動作情況。本功能可以用來詳細分析某一電網結構下的保護動作行為。

b.按(a)設置功能在線路起端、中間、末端分別設置故障點，基于全網或全圖進行批量仿真計算，報表輸出所有線路兩側都斷開下的動作電流和動作時間。此功能可用來掌握動態下全網保護的動作數據，以及目標反時限曲線的快速性。

c．按(a)設置功能在線路起端、中間、末端分別設置故障點，基于全網或全圖進行批量仿真計算，篩選出所有線路對應故障位置下的不配合點，將不配合點情況報表輸出。此功能可以用來分析目標反時限曲線在不同故障情況下的選擇性。

3 仿真平臺應用算例

3.1 算例1

選擇遼寧500 kV電網為計算范圍，故障類型設置為單相接地，接地電阻值為150 Ω，故障點分別設置在線路起端0、50%、100%處，計算每條線路兩側零序電流值，對應的3條不同反時限曲線的動作時間，能夠同時將105條500 kV線路計算完畢并將結果報表輸出，供分析研究。

3.2 算例2

本案例為遼寧500 kV電網動態仿真計算，設立故障類型為金屬性接地故障，反時限零序電流曲線的啟動電流為300 A，時間常數為0.7，最小動作時間為0.5 s，仿真結果如圖3所示。

圖3 反時限零序電流保護動態仿真

根據仿真結果可知，考慮反時限零序電流保護的動態特性，在金屬性單相故障情況下，500 kV電網中存在不少保護越級和級差不足0.3 s的情況，主要是故障線路先動作側背后線路與后動作側間的不配合，在以往分析中是未得到考慮，應對這一問題進一步進行研究。

4 結束語

反時限零序電流保護分析仿真平臺是研究反時限零序電流保護的必要工具，通過這一工具，能夠反映反時限保護在電網中各處的真實情況，發現其相互之間以及與其他保護配合上存在的問題，然后研究其內在機理，尋找相應的解決辦法，為反時限零序電流保護在電網中的大范圍應用掃清障礙。