【正文】 電事故大多是由嚴(yán)重故障的沖擊而引起，由最初的初始故障導(dǎo)致系統(tǒng)潮流、頻率、電壓等電氣量和原動(dòng)機(jī)等系統(tǒng)變量的長期動(dòng)蕩，當(dāng)某些元件不能承受而退出運(yùn)行就產(chǎn)生了連鎖故障，從而使得整個(gè)系統(tǒng)失去穩(wěn)定而崩潰，給社會(huì)造成慘重的經(jīng)濟(jì)損失[35]。因此，保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全、可靠和經(jīng)濟(jì)是供用電雙方共同的迫切要求。進(jìn)入21世紀(jì)，電力系統(tǒng)快速發(fā)展，現(xiàn)代電網(wǎng)無論是規(guī)模、容量還是覆蓋范圍都不斷擴(kuò)大，繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置作用也更加重要，結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜。關(guān)鍵詞：基本元件模型；繼電保護(hù)；安全自動(dòng)裝置；連鎖故障AbstractThe power grid is being larger and more plex, at the same time, the safety and reliability of power system operation have faced new challenges, and largescale blackouts cause huger lost. The culprit of largescale blackouts is cascading failure, and relay protection and automatic devices play a critical role in development of failure, therefore during the simulation calculation of the cascading failure mechanical and electrical transient and longterm process should be considered in their operating characteristics.At present, domestic and overseas power system analysis software is lack of relay model and their prototype most are foreign devices. The software can’t meet simulation demand. While, artificial relay switching is not only difficult but also inaccurate, impacting simulation results.In order to solve the above issues, a method of relay Modeling is proposed and studied in this paper, then do cascading failure simulation based on the established models. Models are developed by UserDefined Model. Relay protection and automation devices is made up of different ponents with certain logic, these ponents has certain generality. First, Basic ponent model is developed, as the relay model basic frame. Various Relay protection models is posed of many basic ponent models which according to specific protection principle, therefore those models can have strong monality. Protection relay models are introduced in simulation process, though WSCC 9bus case and Henan actual example for verification and fault simulation chain. The simulation results show that the method can reflect protection action more accurately, and simulation of Cascading failure is realized.Key words: Basic element model。建模時(shí)首先將這類元件單獨(dú)建模，作為具體保護(hù)和自動(dòng)裝置模型的基本功能框。目前，國內(nèi)外的電力系統(tǒng)分析軟件中保護(hù)及自動(dòng)裝置的建模和仿真還比較少，且多以國外的裝置為原型，不能滿足仿真需求，而人為設(shè)定繼電器開關(guān)動(dòng)作不但困難而且不夠準(zhǔn)確，影響仿真結(jié)果。摘 要在電網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大且結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜的同時(shí)，電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可靠性受到新的挑戰(zhàn)，大停電事故帶來的損失也更加巨大。針對上述問題本文提出并研究了保護(hù)和安全自動(dòng)裝置建模方法，并基于所建立模型進(jìn)行連鎖故障仿真分析。保護(hù)及自動(dòng)裝置大都可以分解成基本元件的組合，完成基本元件建模后，由其根據(jù)各種保護(hù)原理進(jìn)行具體保護(hù)建模，使所建立的模型具有較強(qiáng)的通用性。 Relay Protection。因此，對電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、安全性提出了更高的要求。電網(wǎng)中的繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有舉足輕重的作用，它們的動(dòng)作情況直接影響到電網(wǎng)故障的發(fā)展?fàn)顩r。在連鎖反應(yīng)事故過程里，繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置是防止系統(tǒng)崩潰的重要防線，它們的動(dòng)作邏輯直接關(guān)系到故障的發(fā)展情況[6]。為滿足我國大電網(wǎng)安全運(yùn)行仿真的需要，研究和開發(fā)適于電力系統(tǒng)全過程動(dòng)態(tài)仿真的繼保及安自裝置模型，準(zhǔn)確模擬這些裝置的動(dòng)作行為和控制特性，不僅對研究非線性超大規(guī)模電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性機(jī)理有重要作用，而且對分析事故機(jī)理及其防控措施有重要意義。因此，本文的成果具有很大的推廣空間，可在電力系統(tǒng)的規(guī)劃、運(yùn)行和科研等機(jī)構(gòu)的電力系統(tǒng)分析計(jì)算部門得到應(yīng)用，這不僅對我國在該領(lǐng)域的研究有幫助，而且為保證我國電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力仿真工具，取得經(jīng)濟(jì)價(jià)值的同時(shí)帶來社會(huì)效益。國外的仿真程序很多，但是其中包含大量繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置模型的程序卻不多，在PSS/E、EUROSTAG、NETOMAC等程序中僅包含了少量的繼電保護(hù)和安自裝置模型，不但種類單調(diào)而且多是以國外所用裝置為參考，不能反應(yīng)國內(nèi)廣泛使用裝置的特點(diǎn)[810]。計(jì)及繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置動(dòng)作的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程是時(shí)間不連續(xù)的離散過程。利用模式搜索法對連鎖故障的發(fā)展過程進(jìn)行模擬并對結(jié)果進(jìn)行分析得出故障模式，分為解析法、隨機(jī)模擬法等。針對不同的考慮因素采取不同的方法進(jìn)行處理。在保護(hù)建模方面，二十世紀(jì)末基于Petri網(wǎng)的保護(hù)建模研究開始興起。因此，應(yīng)該建立與我國實(shí)際應(yīng)用的繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置動(dòng)作特性相一致的模型，這樣在電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真程序中就能夠真實(shí)反映故障過程中繼保及安自裝置動(dòng)作特性帶來的影響，使仿真結(jié)果更加的真實(shí)有效，同時(shí)對于電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)及中長過程動(dòng)態(tài)仿真的發(fā)展也起到推動(dòng)作用。 2. 研究國內(nèi)電網(wǎng)電氣元件繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置的原理，對其進(jìn)行分割，包括啟動(dòng)元件、動(dòng)作元件、方向元件、出口元件等，同時(shí)對TV和TA暫態(tài)特性對繼電保護(hù)建模的影響進(jìn)行研究，提出相應(yīng)的適合機(jī)電暫態(tài)和中長期動(dòng)態(tài)仿真的模型及模擬方法。它的基本任務(wù)是：1. 電氣元件故障時(shí)，能夠迅速準(zhǔn)確的使故障元件從電力系統(tǒng)中分離，使元件受到盡量輕的破壞，并將對電力系統(tǒng)造成的不良影響減到最小。圖21 繼電保護(hù)裝置基本構(gòu)成圖 建模思路通過對繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置工作原理的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，很多保護(hù)和安自裝置都是有一些具有通用性的元件組建而成。這些模型塊具有輸入輸出端口，可以構(gòu)成保護(hù)的啟動(dòng)元件、動(dòng)作元件、時(shí)延元件等不同部分，它們相互連接組成具體保護(hù)模型，保護(hù)的定值參數(shù)可以通過基本功能框自帶的參數(shù)功能進(jìn)行設(shè)定。繼電保護(hù)裝置根據(jù)保護(hù)對象的不同可以分為線路保護(hù)、發(fā)電機(jī)保護(hù)、變壓器保護(hù)和其他保護(hù)。 基本元件模型繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置是由不同的元件（包括起動(dòng)元件、動(dòng)作元件、閉鎖元件等）通過一定的邏輯關(guān)系組成的。1. 過量元件圖22 過量元件模型圖該元件主要用于過電流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、過電壓保護(hù)等裝置中，其模型結(jié)構(gòu)如圖22所示。當(dāng)輸入量的變化率（框DIFF的輸出值）低于定值Y時(shí)，元件輸出量為0，當(dāng)檢測量的變化率高于定值Y一定時(shí)長后，元件輸出量為1。圖24 延時(shí)元件模型圖4. 反時(shí)限元件圖25 反時(shí)限元件模型圖該元件主要用于各種保護(hù)和安自裝置的時(shí)間延遲，用來模擬裝置的實(shí)際動(dòng)作時(shí)間，其模型結(jié)構(gòu)如圖25所示。當(dāng)輸入量高于定值Y時(shí)，元件輸出量為0，當(dāng)輸入量低于定值Y一定時(shí)長后，元件輸出量為1。功率方向元件通常采用90度接線方式，其動(dòng)作判據(jù)為（以A相為例） (21)式中：UBC——B、C兩相電壓矢量差幅值；IA——A相電流幅值；——A相電壓與相電流電角度差；——繼電器內(nèi)角，通常取30~60度。圖27 功率方向元件的模型圖7. 阻抗元件 阻抗元件主要用于線路的相間距離保護(hù)及接地距離保護(hù)中，作為主保護(hù)器件。當(dāng)所測阻抗值（框X1/X2）低于阻抗定值時(shí)（框CSW2設(shè)定），輸出為1，構(gòu)成全阻抗/低阻抗元件。圖29 振蕩閉鎖元件模型圖對于檢驗(yàn)負(fù)序或零序電流/電壓分量或增量的振蕩閉鎖元件，其模型可利用上述過量元件或增量元件實(shí)現(xiàn)。其中輸入量可為零序電壓/電流信號(hào)、負(fù)序電壓/電流信號(hào)等。圖22 相位比較元件模型圖11. 相電壓補(bǔ)償方向元件圖212 相電壓補(bǔ)償方向元件模型圖 帶有相電壓補(bǔ)償特性的相位比較方向元件，主要用于電壓相位比較式高頻閉鎖方向保護(hù)[27]。k——靈敏系數(shù)，通過框4設(shè)定。圖214 比例制動(dòng)式差量元件模型圖13. 相位處理元件圖215 相位處理元件模型圖將變壓器二次側(cè)電流相位強(qiáng)制變換為與一次側(cè)電流相位一致，用于變壓器差動(dòng)保護(hù)。本文以研究電磁式電流互感器的外特性為重點(diǎn)，建立了反應(yīng)鐵心磁飽和特性的電磁式電流互感器模型。 電壓互感器模型電磁感應(yīng)式電壓互感器(TV)也是電力系統(tǒng)中重要且常見的高壓設(shè)備之一，作用是把電力系統(tǒng)一次側(cè)高壓按照比例關(guān)系變換成二次側(cè)低壓，供計(jì)量、儀表裝置、繼電器使用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高電壓與二次設(shè)備和電氣工作人員的隔離。圖219 電磁式電壓互感器模型圖其中，1框定值是， 2框是G，3框， 5框是，6框是。該種方法能夠真實(shí)反映電力系統(tǒng)故障的全過程，仿真結(jié)果比邏輯判別法更準(zhǔn)確。模型與系統(tǒng)側(cè)的聯(lián)系如圖220所示，其中X為輸入信息，Y為輸出信息：圖220 模型與電力系統(tǒng)的聯(lián)系 本章小結(jié)本章介紹了繼電保護(hù)裝置的基本任務(wù)和動(dòng)作原理，介紹了本文繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置的建模方法。在電力系統(tǒng)的仿真計(jì)算中其動(dòng)作行為直接關(guān)系到故障的發(fā)展過程，因此對仿真結(jié)果有直接影響。 線路保護(hù)的建模 電流電壓保護(hù)根據(jù)相間短路基本特征如電流突增、電壓突降等可以構(gòu)成電流電壓保護(hù)。保護(hù)I段為瞬時(shí)速動(dòng)保護(hù)，II段為延時(shí)速動(dòng)保護(hù)，它們構(gòu)成主保護(hù)，III段為定時(shí)限過電流保護(hù)，構(gòu)成后備保護(hù)，動(dòng)作時(shí)限除了保護(hù)繼電器固有反應(yīng)時(shí)間還要加上一定的延時(shí)。零序電流元件為該保護(hù)的動(dòng)作元件。距離保護(hù)優(yōu)點(diǎn)很多，它相比電流電壓保護(hù)更加適應(yīng)于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者運(yùn)行方式多變的電網(wǎng)。過流元件為起動(dòng)元件。但在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，測量阻抗將突然降低，導(dǎo)致保護(hù)的~一起啟動(dòng)。接地距離保護(hù)多以測量正序阻抗為基本原理，一般設(shè)兩、三段，每段保護(hù)的主保護(hù)元件為低阻抗元件。保護(hù)包括低阻抗元件、測量阻抗計(jì)算部分和延時(shí)元件，其中低阻抗元件為接地距離保護(hù)的主保護(hù)。在保護(hù)線路之外故障時(shí)，兩側(cè)短路功率反向，其中線路指向母線側(cè)保護(hù)發(fā)出閉鎖信號(hào)閉鎖線路兩側(cè)保護(hù)。負(fù)序電流過量元件、零序電流過量元件和負(fù)序電壓過量元件、過流元件、低壓元件為起動(dòng)元件。 發(fā)電機(jī)保護(hù)的建模 過負(fù)荷保護(hù)圖37 過負(fù)荷保護(hù)模型圖發(fā)電機(jī)過負(fù)荷保護(hù)有兩類，其中定子繞組過負(fù)荷保護(hù)又包括定時(shí)限過負(fù)荷保護(hù)和反時(shí)限過負(fù)荷保護(hù)。 異常運(yùn)行保護(hù) 發(fā)電機(jī)異常運(yùn)行保護(hù)主要包括定子鐵心過勵(lì)磁保護(hù)、頻率異常保護(hù)、逆功率保護(hù)以及定子過電壓保護(hù)。保護(hù)分為兩段式，低定值段帶時(shí)限動(dòng)作于信號(hào)和減小發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，高定值段動(dòng)作于解列滅磁。3. 逆功率保護(hù) 本保護(hù)反應(yīng)發(fā)電機(jī)逆功率故障，即發(fā)電機(jī)變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)運(yùn)行，從系統(tǒng)中吸取有功功率。4. 定子過電壓保護(hù)本保護(hù)反應(yīng)發(fā)電機(jī)定子繞組過電壓故障。過流元件1（2）為定子鐵心過勵(lì)磁保護(hù)中的低定值（高定值）電流元件（模擬過勵(lì)磁元件）。圖38 異常運(yùn)行保護(hù)模型圖 低勵(lì)失磁保護(hù)該保護(hù)主要反應(yīng)發(fā)電機(jī)的低勵(lì)失磁故障。 2. 發(fā)電機(jī)側(cè)主判據(jù)：1) 異步邊界阻抗繼電器動(dòng)作判據(jù)；2) 靜穩(wěn)極限阻抗繼電器動(dòng)作判據(jù)；3) 變勵(lì)磁電壓判據(jù)。本保護(hù)為發(fā)電機(jī)低勵(lì)失磁保護(hù)，包括低電壓元件（三相同時(shí)）、負(fù)序電壓元件、負(fù)序電流元件、勵(lì)磁低電壓元件、延時(shí)元件。 所謂復(fù)合電壓閉鎖元件是指低電壓繼電器和接于負(fù)序電壓上的負(fù)序電壓繼電器組成的電壓閉鎖元件。在過電流保護(hù)模型中，過流元件作為保護(hù)的主動(dòng)作元件，功率方向元件作為保護(hù)的閉鎖元件，當(dāng)功率方向判斷為自變壓器高壓側(cè)指向低壓側(cè)時(shí)不閉鎖該保護(hù)。負(fù)序電流增量元件、電流增量元件，是低阻抗后備保護(hù)的啟動(dòng)元件；低壓元件、負(fù)序電流過量元件、負(fù)序電壓過量元件，是過電流保護(hù)的啟動(dòng)元件；過流元件，是過電流保護(hù)的動(dòng)作元件。保護(hù)模型采用定時(shí)限分段保護(hù)，包括分段式零序過電流保護(hù)和過電壓保護(hù)。 本章小結(jié)本章主要是根據(jù)繼電保護(hù)的原理，針對國內(nèi)電網(wǎng)電氣元件常用的繼電保護(hù)裝置，通過用戶自定義模型搭建的基本元件模型和其自身的基本功能框的合理連接和搭配，搭建具有較強(qiáng)通用性的繼電保護(hù)模型，主要包括線路保護(hù)、發(fā)電機(jī)保護(hù)和變壓器保護(hù)中的各項(xiàng)具體保護(hù)。若是瞬時(shí)故障，