輸電線路縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)仿真設(shè)計(jì)

王 磊 張靜靜* 張克輝 杜明軒 李若舟 劉思雨 李霜霜

(1.河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000;2.河北華電石家莊鹿華熱電有限公司,石家莊 050200)

0 前 言

繼電保護(hù)技術(shù)和繼電保護(hù)裝置組成的系統(tǒng)一起構(gòu)成了電力系統(tǒng)繼電保護(hù).電力系統(tǒng)繼電保護(hù)在保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等方面有著及其重要的作用,因此,它是電力系統(tǒng)的重要組成部分[1].目前,大規(guī)模聯(lián)合電力系統(tǒng)越來(lái)越普遍,現(xiàn)代大電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式也趨于多樣化,正因如此,繼電保護(hù)的要求必須越來(lái)越高才能保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性[2].因此,靈敏度高、可靠性好的電流差動(dòng)保護(hù)得到了廣泛的研究[3].

本文在研究輸電線路縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)基本原理的基礎(chǔ)上,在Matlab的Simulink仿真平臺(tái)建立一次系統(tǒng)模型和保護(hù)模型,利用Matlab的圖形用戶界面GUI設(shè)計(jì)了仿真界面,通過(guò)界面輸入?yún)?shù),仿真波形可以很直觀地顯示在界面上,使驗(yàn)證保護(hù)的動(dòng)作特性更方便、快捷.

1 縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)概述

1.1 縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)的原理

輸電線路縱聯(lián)保護(hù)裝置,能夠?qū)⒕€路一側(cè)的電氣量傳輸?shù)搅硪粋?cè)去,使得線路兩側(cè)之間建立縱向的聯(lián)系[4].

電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)示意圖如圖1所示,流過(guò)差動(dòng)繼電器的電流時(shí)電流互感器二次側(cè)電流的和,由于兩個(gè)電流互感器總有勵(lì)磁電流的存在,并且勵(lì)磁特性不會(huì)完全的一樣,所以正常運(yùn)行或是區(qū)外故障時(shí),流過(guò)差動(dòng)繼電器的電流并不會(huì)為零,我們稱(chēng)這一電流為不平衡電流.若考慮勵(lì)磁電流的影響,二次側(cè)電流的數(shù)值為:

圖1 電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)示意圖

(1)

(2)

繼電器正確動(dòng)作時(shí),差動(dòng)電流Ir應(yīng)躲過(guò)正常運(yùn)行或是區(qū)外故障時(shí)的不平衡電流,也就是:

(3)

在工程應(yīng)用中,不平衡電流的穩(wěn)態(tài)值要采用互感器的10%的誤差按式(4)計(jì)算:

Iunb=0.1KstKnpIk

(4)

式中:Kst──電流互感器的同型系數(shù),若兩側(cè)的互感器型號(hào)和容量都相同時(shí)取0.5,不同則取1;Knp──非周期分量系數(shù);Ik──區(qū)外故障時(shí)兩個(gè)電流互感器的電流.

1.2 輸電線路縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)的特性分析

輸電線路縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)有不帶制動(dòng)作用和帶有制動(dòng)作用的兩種動(dòng)作判據(jù),如果縱差保護(hù)滿足靈敏度要求,一般采用不帶制動(dòng)作用的縱差保護(hù),如果縱差保護(hù)不滿足靈敏度要求或者對(duì)靈敏度有更高的要求時(shí),通常要采用的縱差保護(hù)要帶有制動(dòng)特性.兩種動(dòng)作判據(jù)的簡(jiǎn)要分析如下:

(1)不帶制動(dòng)特性的差動(dòng)繼電器特性

這種差動(dòng)繼電器的動(dòng)作方程為:

(5)

式中:Ir──差動(dòng)繼電器中流過(guò)的電流;

Iset──差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作電流整定值,其值通常按躲過(guò)外部短路時(shí)的最大不平衡電流和躲過(guò)最大負(fù)荷電流兩個(gè)條件來(lái)選取.取按這兩個(gè)條件選取的整定值中較大的一個(gè)作為差動(dòng)繼電器的整定值.

(2)帶制動(dòng)作用的差動(dòng)繼電器動(dòng)作特性

(6)

式中:K──制動(dòng)系數(shù),可在0-1之間選擇;

Iop0──克服繼電器動(dòng)作時(shí)出現(xiàn)的機(jī)械摩擦或保證電路狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)需要的一個(gè)很小的門(mén)限值,遠(yuǎn)小于無(wú)制動(dòng)作用時(shí)的Iset.

這種動(dòng)作電流隨制動(dòng)電流變化的特性被稱(chēng)為制動(dòng)特性.它既提高了內(nèi)部故障時(shí)的靈敏度,又提高了外部故障時(shí)不動(dòng)作的可靠性,因而在電流差動(dòng)保護(hù)中得到了非常大的應(yīng)用.

2 縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)仿真

2.1 建立雙電源輸電線路系統(tǒng)模型

利用Matlab/Simulink搭建的雙電源單回線仿真模型如圖2所示.

圖2 輸電線路縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)的主系統(tǒng)

2.2 輸電線路縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)仿真系統(tǒng)的構(gòu)成

提取線路仿真部分的結(jié)果,對(duì)其進(jìn)行一定的整理、分析、運(yùn)算便可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)作行為的仿真.根據(jù)M側(cè)電流(圖2左側(cè)電源電流)在發(fā)生各類(lèi)故障都會(huì)產(chǎn)生變化的特性,可以設(shè)計(jì)出故障啟動(dòng)元件和選相元件;根據(jù)M側(cè)和N側(cè)電流(圖2右側(cè)電源電流)在不同故障時(shí)電流向量和不同的特性,可以設(shè)計(jì)出差動(dòng)保護(hù)元件.這些元件按照一定的工作順序進(jìn)行工作便可以構(gòu)成最終的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作行為的仿真.如圖3所示,給出了輸電線路縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)仿真系統(tǒng)的邏輯框圖.需要指出的是,此處運(yùn)用啟動(dòng)元件與差動(dòng)繼電器的共同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù),可以使保護(hù)更加的安全可靠,防止了保護(hù)的誤動(dòng)作.

圖3 輸電線路縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)仿真系統(tǒng)的邏輯框圖

這些元件的工作順序?yàn)?由雙電源輸電線路一次系統(tǒng)模型模擬故障,提取故障后的雙端三相電流;線路M側(cè)的三相電流送至啟動(dòng)元件內(nèi),啟動(dòng)元件會(huì)對(duì)其進(jìn)行計(jì)算,如果計(jì)算結(jié)果滿足啟動(dòng)條件,則為發(fā)生故障,啟動(dòng)元件會(huì)輸出啟動(dòng)信號(hào),允許差動(dòng)繼電器動(dòng)作;線路M側(cè)的三相電流送至選相元件內(nèi),選相元件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算和判斷,選相元件會(huì)判斷出滿足什么相故障,并作出相應(yīng)的選相結(jié)果;M側(cè)和N側(cè)的電流同時(shí)送至差動(dòng)繼電器,差動(dòng)繼電器對(duì)其進(jìn)行計(jì)算和判斷,若符合差動(dòng)繼電器的動(dòng)作的條件,結(jié)合啟動(dòng)元件的啟動(dòng)信號(hào),差動(dòng)繼電器輸出動(dòng)作信號(hào),若不符合差動(dòng)繼電器的動(dòng)作條件,即使有啟動(dòng)信號(hào),差動(dòng)繼電器也不會(huì)輸出動(dòng)作信號(hào).

2.3 啟動(dòng)元件

啟動(dòng)元件有很多種,例如:電流元件、阻抗元件、負(fù)序和零序電流元件、相電流差突變量元件等.相電流差突變量元件在保護(hù)中更加可靠,所以在此采用相電流差突變量元件作為啟動(dòng)元件.

相電流差突變量元件的判據(jù)為:

(7)

式(7)所列出的啟動(dòng)判據(jù)在實(shí)際中會(huì)由于頻率的波動(dòng)而產(chǎn)生誤動(dòng)現(xiàn)象,所以在實(shí)際運(yùn)用中需要對(duì)式(7)進(jìn)行一定的完善,即:

(8)

2.4 故障選相元件

目前,穩(wěn)態(tài)量選相與突變量選相兩者相結(jié)合的選相方式已經(jīng)證明了具有很大的優(yōu)勢(shì),所以高壓線路的故障選相大多選擇這種方法[5].如圖4給出了故障選相元件原理流程圖.

圖4 故障選相元件原理流程圖

2.5 差動(dòng)繼電器

電流差動(dòng)保護(hù)的分析方法很多,可歸并為兩類(lèi):一類(lèi)通常被稱(chēng)為制動(dòng)特性分析法,它需要測(cè)量出差動(dòng)電流ID和制動(dòng)電流IR,并對(duì)差動(dòng)電流和制動(dòng)電流進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋容^和分析;另一類(lèi)是以動(dòng)作條件下兩端電流IM和IN的相互關(guān)系表示,在這一類(lèi)中廣泛應(yīng)用的有幅值特性分析法和相位特性分析法.制動(dòng)特性分析法有一定的優(yōu)點(diǎn),就是能夠直接看出差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作值的變化規(guī)律以及靈敏度裕度,但它也有很大的缺點(diǎn),就是被保護(hù)元件兩端電流的關(guān)系不能在差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作條件下直接給出.但是,后一類(lèi)則彌補(bǔ)了這一缺陷[19].所以我們采用式(6)作為搭建差動(dòng)繼電器的判斷方程,根據(jù)仿真的需要,K取值為0.7,Iop0取值為1.5,以A相為例搭建的繼電器模型如圖5所示.差動(dòng)繼電器的最終模塊如圖5所示,其中加入一個(gè)與門(mén),通過(guò)它與啟動(dòng)元件部分相連.差動(dòng)繼電器與啟動(dòng)元件共同作用可以保障差動(dòng)繼電器的可靠工作,有效的防止了差動(dòng)繼電器的誤動(dòng)作.

(a)A相繼電器模型

(b)差動(dòng)繼電器最終模型圖5 差動(dòng)繼電器部分模型圖

2.6 人機(jī)交互界面

利用Matlab軟件可以建立人機(jī)交互界面,如圖6所示.通過(guò)人機(jī)交互界面可以進(jìn)行主系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置和修改以及故障的設(shè)定等,方便了仿真系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定和結(jié)果演示.

圖6 人機(jī)交互界面

3 仿真結(jié)果與分析

以區(qū)內(nèi)A相接地短路故障為例進(jìn)行仿真.在故障類(lèi)型出選擇區(qū)內(nèi)A相接地短路,并輸入適當(dāng)?shù)膮?shù),單擊開(kāi)始仿真進(jìn)行仿真,會(huì)彈出仿真結(jié)果.

圖7所示為動(dòng)作情況,從上至下依次是M側(cè)電流、N側(cè)電流、啟動(dòng)信號(hào)、差動(dòng)繼電器信號(hào).可以看到發(fā)生區(qū)內(nèi)單相接地故障時(shí),M、N兩側(cè)故障相電流增大,非故障相電流不變;啟動(dòng)信號(hào)和差動(dòng)繼電器均跳變,輸出保護(hù)的動(dòng)作信號(hào).

圖7 人機(jī)交互界面動(dòng)作情況運(yùn)行結(jié)果

如圖8所示是故障選相結(jié)果,由上至下分別為A相接地、B相接地、C相接地、AB短路、BC短路、CA短路,可以看出A相接地故障器發(fā)生跳變,其余故障器均不動(dòng)作,則類(lèi)型選相結(jié)果為A相接地故障.

圖8 人機(jī)交互界面選相結(jié)果

從結(jié)果來(lái)看,人機(jī)交互界面可以正常運(yùn)行并仿真得到結(jié)果.通過(guò)人機(jī)交互界面還可以改變相應(yīng)的參數(shù)并進(jìn)行不同故障的仿真.

4 總 結(jié)

本文在Matlab的Simulink仿真平臺(tái)上建立縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)仿真模型,利用Matab的GUI設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面,通過(guò)人機(jī)交互界面設(shè)置參數(shù)進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果表明區(qū)內(nèi)故障保護(hù)可以正確動(dòng)作,驗(yàn)證了縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作特性,并且有利于課堂教學(xué)演示和后續(xù)的科研研發(fā).