繼電保護虛擬仿真實驗平臺的設計與實踐

梁營玉， 李武林

（中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院，北京100083）

0 引 言

電力系統繼電保護作為電氣工程及其自動化專業的主干課程，是理論學習與實踐應用于一體的專業課程［1-2］。為響應國家培育新型工科人才，樹立“厚基礎，強實踐，重研究”教育理念，落后的教學模式已經不能滿足培養當代學生的要求，同時也影響了學生的學習熱情和創新思維［3-5］。電力系統繼電保護課程的講授，應將理論與實踐結合，以教師為主導、學生為主體的教學模式，在理論教學的同時，還需要開設實驗課程來增強學生的創新意識，培養學生的創新精神。

繼電保護實驗的開設已涌現出一些成果。文獻［6］中針對繼電保護實驗存在的問題進行創新性改進，設計了圖形可編程實驗平臺；文獻［7-8］中都是將LabVIEW軟件引入繼電保護課程，設計了能開展保護裝置動作特性和綜合繼電保護的實驗平臺；文獻［9］中則是在LabVIEW軟件基礎上，開發了與數字信號處理器（digital signal processor，DSP）控制板卡連接的多功能電流保護實驗裝置，開展了一系列繼電保護實驗。文獻［10］中通過模擬實驗和仿真對比驗證了10 kV電網發生單相接地故障時的故障特征；文獻［11］中根據電力系統自身的高危特性，構建了繼電保護裝置與虛擬的電力系統連接的虛、實混合仿真實驗平臺；文獻［12］中提出了在新工科的背景下“理論-仿真-實驗”一體化的教學理念，同時引入了新能源接入電網的繼電保護仿真模型。文獻［13］中為了豐富繼電保護實驗內容，提出了全景繼電保護的教學模式；文獻［14］中提出了CDIO工程教育理念，并將其應用到繼電保護的課程教學中，使教學內容得以優化，教學手段得以改進。

為促進形成理論教學、實踐教學以及創新創業教學的新模式，本文基于PSCAD/EMTDC搭建了繼電保護虛擬仿真實驗平臺，通過將繼電保護基本原理應用到實驗仿真中，提高學生對于繼電保護原理的認知水平，同時也鍛煉學生的參與意識和創新能力。

1 繼電保護實驗平臺的設計要求

繼電保護對于整個電力系統至關重要，它是電網穩定、安全運行的保障［13］，掌握繼電保護的基本原理具有重要的意義。繼電保護實驗平臺是一種較為靈活的虛擬仿真平臺，主要設計原則和要求如下：

（1）平臺的設計目的在于使學生能全面掌握繼電保護的基本原理、動作特性，通過實驗平臺實現學生綜合能力和創新精神的培養。

（2）平臺的設計思路是在掌握基本理論知識的前提下，對繼電保護裝置進行動作特性驗證，進一步鞏固課本內容并提升對相關理論知識的認知程度。

（3）平臺的落腳點是使學生的綜合素質得到全面提升。本平臺還可開展綜合設計性實驗，學生可以自主開發拓展，為學生創新訓練項目奠定基礎并提供模型開發平臺。

2 繼電保護實驗平臺的理論支撐

繼電保護的可靠動作，意味著電力系統能快速切除故障，確保非故障區域能安全穩定運行，是電力系統安全可靠運行的關鍵。本平臺在如圖1所示的一次系統的基礎上，搭建了選相元件、方向元件兩個重要的繼保元件性能驗證模塊以及基于方向圓特性的距離保護實驗模塊。

圖1 兩電源系統結構圖

2.1 選相元件的工作原理

選相元件是距離保護和自動重合閘的核心元件。主要采用相電流差突變量選相元件和序分量選相元件。

相電流差突變量選相元件能正確區分單相接地故障和兩相接地故障。該選相元件是比較相電流差的突變量來實現故障選相，相電流差突變量的表達式為：

相電流差突變量選相元件的選相流程圖如圖2所示。

圖2 相突變量選相元件流程圖

圖2所述的選相判據如下，其中，λ為選相元件的幅值比例系數。

序分量選相元件主要是根據保護安裝處的電流各序分量的相位關系來確定故障相和故障類型。該選相元件利用的相位關系為：

序分量選相元件的流程及故障分區如圖3、4所示。

圖3 序分量選相元件的流程圖

圖4 序分量選相元件的故障分區圖

2.2 方向元件的工作原理

方向元件作為重要的繼電保護元件，是縱聯保護和兩端供電網絡電流保護的核心元件［15-16］。常用的方向元件包括相量故障分量方向元件和序故障分量方向元件。其中，相量故障分量方向元件根據不同故障類型可分為相故障分量方向元件和相量差故障分量方向元件；序故障分量方向元件分為正、負、零序故障分量方向元件。圖1對應的故障分量等值網絡如圖5所示。圖5（a）為系統發生正向故障時的等值網絡；圖5（b）為系統發生反向故障時的等值網絡。上述兩大類方向元件的原理均可以通過圖5所示的等值網絡進行分析。值得注意的是，發生單相接地故障時，相量故障分量方向元件和三種序故障分量方向元件起作用；發生非對稱的相間故障時，相量差故障方向元件和正負序故障分量方向元件起作用；發生對稱故障時，相量差故障方向元件和正序故障方向元件起作用。

由圖5可知，當系統發生正向故障時，母線M處的電壓、電流關系為：

圖5 系統故障分量的等值網絡

系統發生反向故障時，母線M處對應的電壓、電流關系為：

方向元件是通過保護安裝處的電壓、電流相位關系來實現故障方向的判斷。方向元件的判據為：

式中，φz為最大靈敏角，一般取線路的阻抗角。

2.3 方向圓特性阻抗繼電器工作原理

距離保護因靈敏度高且不受運行方式和接線方式影響的特點，在高電壓等級的輸電線路中被廣泛應用［15］。距離保護主要是依靠阻抗繼電器來實現電壓、電流比值的測量，通過比值的大小來判斷距離的遠近。測量阻抗為：

特別地，當輸電線路發生單相接地故障（A相接地故障為例）時，測量阻抗為：

當輸電線路發生相間短路故障（AB相間短路故障為例）時，測量阻抗為：

式中：Z1為輸電線路每公里的正序阻抗；l為保護安裝處到故障點的距離。

當輸電線路發生兩相接地故障（AB相接地故障為例）時，測量阻抗為：

當輸電線路發生三相短路故障時，測量阻抗為：

距離保護的方向阻抗繼電器的動作特性是以整定阻抗Zset為直徑通過坐標原點的一個圓，圓內為動作區，圓外為不動作區。距離保護Ⅰ段的整定阻抗Zset取線路阻抗的80%，方向阻抗繼電器的動作特性可以分為幅值比較特性和相位比較特性，如圖6（a）、（b）所示。

圖6 方向圓特性的動作特性

阻抗繼電器采用幅值比較的方式時，動作判據為：

阻抗繼電器采用相位比較的方式時，動作判據為：

3 繼電保護實驗平臺

繼電保護實驗平臺基于PSCAD/EMTDC設計的。PSCAD/EMTDC因其強大的電磁暫態功能、豐富的電力元件以及大量的電力系統模型而備受青睞。本實驗平臺的主界面如圖7所示，主要由一次系統、繼電保護模塊、故障模塊以及信號傳輸組成。其中，一次系統為兩電源供電系統，電壓等級為500 kV，兩端電力系統正序、零序阻抗分別為（0.01+j6）Ω和（0.01+j7.8）Ω，輸電線路正序、零序阻抗分別為（0.018 39+j0.263）Ω/km，（0.141 7+j0.602 7）Ω/km，線路Lpm長度為10 km，線路Lmn長度為100 km。

圖7 繼電保護仿真實驗平臺主界面

3.1 選相元件動作性能實驗

圖7中的選相元件模塊中搭建了兩種選相元件的詳細模型，如圖8所示。雙擊圖7中的“選相元件”即可打開該模塊，進入圖8所示界面。

圖8 選相元件動作性能驗證的仿真模型

本實驗的實驗目的和要求如下：

（1）進一步理解和掌握兩種選相元件工作原理。

（2）能夠使用PSCAD/EMTDC搭建選相元件的仿真模型。

（3）對兩種選相元件有效性進行驗證。

在實驗操作時，需要在線路MN的中點設置過渡電阻Rf=10 Ω，在0.5 s時發生故障，持續時長為0.5 s。在此基礎上，設置不同的故障類型為A相接地故障，BC相間短路故障，BC接地故障。

本實驗通過相電流差突變量選相元件和序分量選相元件分別對3種非對稱故障進行故障選相。將圖9所示的電流幅值和相角的仿真結果與上述選相判據對照可知，選相元件均可以正確動作，選出故障相，同時選相元件的響應速度較快。

圖9 選相元件動作性能仿真結果

3.2 方向元件動作性能實驗

在PSCAD/EMTDC上根據方向元件的動作判據搭建的方向元件性能驗證實驗平臺如圖10所示。該平臺分別設計了相故障分量方向元件與序故障分量方向元件的仿真模型。

圖10 方向元件動作性能驗證的仿真模型

本項實驗的實驗目的及要求如下：

（1）通過虛擬仿真進一步理解和掌握方向元件工作原理。

（2）通過虛擬仿真掌握方向元件的以下基本特性和優點。方向元件能正確識別故障方向；性能基本不受故障點過渡電阻的影響；方向元件能正確識別故障方向且不受系統振蕩的影響。

（3）能夠使用PSCAD/EMTDC搭建方向元件的仿真模型。

基于以上目的和要求設計方向元件動作性能的驗證實驗，在線路LMN的中點f1與線路LPM的中點f2處分別設置單相接地故障和相間短路故障，同時設置故障點的過渡電阻分別為1 Ω、10 Ω和50 Ω。

方向元件性能驗證實驗的仿真結果如圖11所示，分別展示了A相接地故障和BC相間短路故障的序故障分量方向元件和相故障分量方向元件的仿真結果，其中，φZ1、φZ2、φZ0和ΔφZ分別為正、負、零序以及相故障分量的阻抗角。

由圖11可知，方向元件具有很高的靈敏度，過渡電阻越小，方向元件的阻抗角越接近最大靈敏角。同時，方向元件具有很好的速動性，能在較短的時間內判斷故障方向，進一步驗證方向元件安全可靠的性能。

圖11 方向元件動作性能的仿真結果

3.3 方向圓阻抗特性實驗

方向圓阻抗特性實驗是一項綜合設計性實驗，在PSCAD/EMTDC上搭建的實驗平臺如圖12所示。其中，阻抗計算模塊分為單相接地的阻抗計算與相間短路的阻抗計算模塊。

本實驗開展的是方向圓阻抗繼電器在距離保護Ⅰ段的動作性能實驗，實驗目的和要求如下：

（1）通過虛擬仿真進一步理解和掌握對方向圓阻抗繼電器的工作原理。

（2）在線路MN上，以母線M為起點，設置故障位置分別為線路的10%、50%、70%以及90%，過渡電阻Rf=10 Ω，對A相接地故障和BC相間短路故障進行實驗，獲得相關數據。

（3）使用Matlab繪制測量阻抗的動態軌跡和方向圓特性。

（4）根據仿真結果分析方向圓的幅值比較特性和相位比較特性，通過對比分析總結出方向圓阻抗特性的優勢與不足。

（5）熟練使用PSCAD/EMTDC搭建繼電保護相關元件的虛擬仿真實驗平臺。

特別地，通常情況下的零序阻抗角與正序阻抗角相等，可將零序電流補償系數k看作實數。本實驗的模型中的正序和零序阻抗角不相等，故零序電流補償系數不是實數，即圖12中的km、kp分別為零序電流補償系數的幅值與相位，計算方法：k=（Z0-Z1）/（3Z1）。

圖12 方向圓阻抗特性的實驗仿真模型

通過進行方向圓阻抗特性實驗（見圖13），可以得出，單相接地故障與相間短路故障均可以正確動作，即在保護區內發生故障時阻抗繼電器可靠動作，保護區外發生故障時阻抗繼電器不動作。

圖13 方向圓阻抗特性的仿真結果

4 結 語

為讓學生直觀理解繼電保護的基本原理及保護裝置的動作過程，利用PSCAD/EMTDC搭建了繼電保護虛擬仿真平臺，具有如下優勢。

（1）使傳統的理論教學得到進一步的優化，提高了教學質量，達到了理論與實踐并重的目的。

（2）對電力系統繼電保護這門課程的理解進一步加深，激發學生們的學習熱情，同時掌握并熟練使用仿真軟件。

（3）使學生思維方式得到進一步的拓展，為后續開展大學生創新比賽、課程設計以及更深層次的理論研究奠定基礎。