【文章內(nèi)容簡介】 裝置如低頻 /低壓減載、解列裝置、備自投和重合閘等的模擬 [1113]。 計及繼電保護和安全自動裝置動作的電力系統(tǒng)動態(tài)過程是時間不連續(xù)的離散過程。連鎖故障是典型離散過程， 在連鎖故障方面 , 當前國內(nèi)外 4 研究采用的理論和方法主要有 [1417]： 1) 模型分析法。包括利用復雜系統(tǒng)理論揭示連鎖故障發(fā)生的內(nèi)在機理和利用復雜網(wǎng)絡理論從電網(wǎng)的網(wǎng)絡結構角度研究電網(wǎng)發(fā)生大規(guī)模連鎖故障的概率和故障的發(fā) 展機理，前者包括分支過程模型 [18] 、自組織臨界理論、 OPA模型 [19]、 CASCADE模型 [20]等，后者包括小世界模型 [21]、 Watts構造模型、無標度網(wǎng)絡模型等。 2) 模式搜索法。利用模式搜索法對連鎖故障的發(fā)展過程進行模擬并對結果進行分析得出故障模式，分為解析法、隨機模擬法等。解析法一般是假設系統(tǒng)中的某個（或幾個）元件發(fā)生故障，計算隨后的系統(tǒng)響應。模擬法基于蒙特卡洛概率抽樣，例如 Manchester模型，先抽樣得到系統(tǒng)的初始故障序列，然后逐一對序列中的故障模式進行模擬搜索，方法缺點是效率低。 目前 ，各種模式搜索法考慮的因素主要包括線路潮流過載、系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定狀況、保護誤動作情況、電壓過低等。針對不同的考慮因素采取不同的方法進行處理。 上述方法中，前種方法側重于利用復雜科學理論從宏觀角度對整個系統(tǒng)進行研究，后一種方法著眼于實際應用，通過對故障過程的模擬分析電網(wǎng)發(fā)生連鎖故障的概率以及故障的發(fā)展機理，并進行電網(wǎng)連鎖故障防控手段的總結。 連鎖故障過程十分復雜，在現(xiàn)在的有關研究當中，對于繼保及安自裝置的考慮比較簡單，仿真中不能充分體現(xiàn)繼電保護及安全自動裝置對故障動態(tài)過程的影響，在有些模型例 如 Manchester模型 中雖然對暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、低頻減載、低壓減載、保護隱藏故障等因素均有考慮，但是復雜的結構難以實現(xiàn)仿真?？傊?，能被廣泛接受并真正實用的連鎖故障模型還沒有實現(xiàn)。 在保護建模方面，二十世紀末基于 Petri網(wǎng)的保護建模研究開始興起。 Petri網(wǎng)是描述和研究離散事件動態(tài)系統(tǒng)的一種建模工具。研究初期主要利用 Petri網(wǎng)及相關的時間 Petri網(wǎng)、時延 Petri網(wǎng)等對繼電保護工作邏輯、執(zhí)行周期、時間配合及隨機特性進行研究，后來利用混雜 Petri網(wǎng)進行繼電保護模型的建立。利用該種工具建模提出了不少方法，例如利用可編程 的 PTPN對繼電保護系統(tǒng)建模、保護抽象混雜 Petri網(wǎng)分層建模等，但總體而言這些研究還是初步的，很多問題尚待進一第 1 章 緒 論 5 步研究 [2224]。 因此， 應該 建立與我國實際應用的繼電保護和安全自動裝置動作特性相一致的模型 ，這樣在電力系統(tǒng)動態(tài)仿真程序中就能夠真實反映故障過程中繼保及安自裝置動作特性帶來的影響，使 仿真 結果更加 的真實 有效 ， 同時 對于電力系統(tǒng)機電暫態(tài)及中長過程動態(tài)仿真 的發(fā)展也起到推動作用 。 本文的主要工作 本 文 主要研究適用于電力系統(tǒng)機電暫態(tài)及中長期動態(tài)過程仿真的電網(wǎng)繼電保護裝置（包括主保護、后備保護等）和安 全自動控制裝置 模型 ，在電力系統(tǒng)全過程動態(tài)仿真程序 中 實現(xiàn)這些裝置模型閉環(huán)式的穩(wěn)定仿真 計算 。 1. 調(diào)研國內(nèi)外廣泛應用的電力系統(tǒng)機電暫態(tài)及中長期動態(tài)穩(wěn)定程序中繼電保護和安全自動裝置模型的應用情況及其仿真模擬方法 ； 調(diào)研國內(nèi)電網(wǎng)電氣元件常用的繼保和電網(wǎng)安自裝置的類型及其在國內(nèi)的應用情況。繼電保護和安全自動裝置主要包含常規(guī)發(fā)電機組保護、變壓器保護、線路保護 、自動重合閘、切機減載 等裝置 。 2. 研究國內(nèi)電網(wǎng)電氣元件繼電保護和安全自動裝置的原理， 對其進行分割，包括啟動元件、 動作 元件、方向元件、出口元件 等，同時對 TV 和 TA 暫態(tài)特性對繼電保護建模的影響進行研究， 提出相應的適合機電暫態(tài)和中長期動態(tài)仿真的模型及模擬方法。提出繼電保護和安全自動裝置模型的適用范圍、參數(shù) 設定 。 3. 研究 連鎖故障 的 機理 ， 在連鎖故障的仿真過程中添加所建立的模型，克服以往需要人為設定繼保動作行為的缺點，對連鎖故障發(fā)展全過程進行閉環(huán)、交互式動態(tài)仿真。 6 第 2 章 繼電保護建模與仿真實現(xiàn)方法 繼電保護的基本任務和動作原理 繼電保護裝置是指能反映電氣元件或電力系統(tǒng)本身故障或不正常運行狀態(tài)，能夠發(fā)出警告信號或者跳閘命令的一種自動裝置。它的基本任務是： 1. 電氣元件故障時，能夠迅速準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。 2. 電氣元件不正常運行時，通過對運行狀態(tài)的判斷，給予警告信號或跳閘。 繼電保護裝置一般包括測量環(huán)節(jié)、邏輯環(huán)節(jié)和執(zhí)行環(huán)節(jié)。保護裝置由測量環(huán)節(jié)獲得對保護對象的所需相關電氣量，將其與所設定值進行比較以確定保護是否啟動及是否發(fā)出邏輯信號，若是則信號經(jīng)過邏輯環(huán)節(jié)的邏輯判斷將動作信號最終傳給執(zhí)行環(huán)節(jié)進行執(zhí)行。 測 量 部 分邏 輯 部 分執(zhí) 行 部 分輸 入 信 號 輸 出 信 號 圖 21 繼電保護裝置基本構成圖 繼電保護建模方法 建模思路 通過對繼電保護和安全自動裝置工作原理的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，很多保護和安自裝置都是有一些具有通用性的元件組建而成。這些通用性元件有過量元件、欠量元件、延時元件等，將這些元件作為保護和安自裝置的基本結構進行建模形成基本元件模型，然后由基本元件模型構成具體的保護和安自裝置模型。這種建模方法顯然比直接對具體保護和安自裝置進行單獨建模要簡單方便的多，而且這樣建模也使得模型具有很強的通用性。 基本元件模型通過基本功能框完成，將這些基本 功能框封裝起來形成一個具有相對完整功能的模型塊，作為新的基本功能框使用。這些模型塊具有輸入輸出端口，可以構成保護的啟動元件、動作元件、時延元件等不同部分，它們相互連接組成具體保護模型，保護的定值參數(shù)可以通過基本功能框自帶的參數(shù)第 2 章 繼電保護建模與仿真實現(xiàn)方法 7 功能進行設定。 電網(wǎng)中的互感器 是電力系統(tǒng)中較重要的高壓設備之一， 其性能的優(yōu)劣對電力系統(tǒng)量測值準確與否及繼電保護和安全自動裝置動作可靠與否有直接的影響。為能盡量減小其測量誤差，有必要對其進行建模研究。文中對常用的電流互感器和電壓互感器分別進行了建模。 繼電保護裝置根據(jù)保護對象的不同可以分 為線路保護、發(fā)電機保護、變壓器保護和其他保護。每類保護包含很多種具體的保護，將每類保護歸類在一起進行建模，這樣由于保護屬于同一類保護具有一定的聯(lián)系使得建?？梢韵嗷⒖祭?。 安自裝置模型庫可以分為低壓 /低頻減載裝置、自動重合閘以及解列裝置等。不同的繼保模型和安自裝置模型構成繼電保護和安全自動裝置模型庫。 基本元件模型 繼電保護及安全自動裝置是由不同的元件（包括起動元件、動作元件、閉鎖元件等）通過一定的邏輯關系組成的。在以電氣元件為基礎對繼保及安自裝置進行分類時，很多裝置中的元件具有一定的通用性 [25]。在進行模型設計的過程中，將這類元件單獨進行建模，形成基本元件模型，作為保護模型的基本功能框，再和暫穩(wěn) UD 程序中所提供的基本功能框一起搭建具體的保護模型 [26]，使模型具有較強通用性。下面給出本文建立的基本元件模型。 1. 過量元件 I n 1I n 2S O R 212D L Y 21D L Y 11O u t12+Y = AC S W 1121圖 22 過量元件模型圖 該元件主要用于過電流保護、過負荷保護、過電壓保護等裝置中，其模型結構如圖 22 所示。 當輸入量低于整定值 Y 時，元件輸出為 0，當輸入量高于整定值 Y 一定時長（固有動作時間）后，元件輸出為 1。 其中輸入量可 為線路電流信號、節(jié)點電壓信號、節(jié)點頻率信號等，分別構成過流元件、過壓元件、過頻元件等。 2. 增量元件 8 該元件主要用于線路保護的負序、零序增量閉鎖環(huán)節(jié)中，其模型結構如圖 23 所示。 當輸入量的變化率（框 DIFF 的輸出值）低于定值 Y 時 ，元件輸出量為0，當檢測量的變化率高于定值 Y 一定時長后，元件輸出量為 1。其中輸入量可為零序電壓 /電流信號、負序電壓 /電流信號等，構成零序電壓 /電流增量元件、負序電壓 /電流增量元件等不同增量元件。 S O R 212D L Y 21D L Y 11O u tY = AC S W 1121I n 2I n 112+Ds1 K?1Y m a xY m i nD I F F1圖 23 增量元件模型圖 3. 延時元件 該元件主要用于各種保護和安自裝置的時間延遲，用來模擬裝置的實際動作時間，其模型結構如圖 24 所示。輸入量經(jīng)過定值 t（在框 DLY1 設定）時間延時后原樣輸出。 I n 1 D L Y 11O u t 圖 24 延時元件模型圖 4. 反時限元件 I n 2I n 1O u tD L Y 312 圖 25 反時限元件模型圖 該元件主要用于各種保護和安自裝置的時間延遲，用來模擬裝置的實際動作時間，其模型結構如圖 25 所示。輸出量根據(jù)輸入量的不同而變化。 輸入量 In1經(jīng)過延 時 In2 后，輸出等于 In1，否則輸出為 0。 5. 欠量元件 該元件主要用于低電壓保護、低頻保護等裝置中，其動作邏輯原理如圖 26所示。當 輸入量高于定值 Y 時，元件輸出量為 0，當輸入量低于定值 Y 一定時第 2 章 繼電保護建模與仿真實現(xiàn)方法 9 長后，元件輸出量為 1。其中輸入量可為節(jié)點電壓信 號、頻率信號等，構成低壓元件、低頻元件等不同元件。 S O R 212D L Y 11O u tY = A1I n 2I n 112+C S W 212D L Y 21 圖 26 欠量元件模型圖 6. 方向元件 功率方向元件主要用于帶方向的保護裝置中，可作為保護裝置的閉鎖元件。當判斷電流方向為從母線指向線路（正向）時元件動 作，當判斷電流方向為從線路指向母線（反向）時元件不動作。功率方向元件通常采用 90 度接線方式，其動作判據(jù)為（以 A 相為例） 0)90c o s ( ???? ?? dABC IU (21) 式中： UBC—— B、 C 兩相電壓矢量差幅值； IA—— A 相電流幅值； d? —— A 相電壓與相電流電角度差； ? —— 繼電器內(nèi)角，通常取 30~60 度。 功率方向元件的模型結構如 圖 27 所示。輸入量為保護裝設處的支路阻抗角ANG， 當滿足 c o s ( 9 0 ) 0Ang ?? ? ? ?一定時長后輸出量為 1，否則為 0。第一個定值 ??? 90Y ，第二個定值 ??Y 。 A N G12A N G12V A RV A II A R II A I I12+12+Y = A Y = AC O S12D L Y 21D L Y 11O u tC S W 1121 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及接地距離保護中，作為主保護器件。阻抗元件主要分為 低阻抗元件（全阻抗元件）以及方向阻抗元件，另外少數(shù)保護裝置中還用到了偏移阻抗元件和直線阻抗元件。 全阻抗繼電器動作特性： 幅值比較方式： 10 J zdZZ? (22) 等價于： J J zdU I Z? (23) 式中： ZJ—— 測量阻抗； Zzd—— 定值。 相位比較方式： 2 7 0 a rg 9 0J z dJ z dZZZZ???? (24) 等價于： 2 7 0 a r g 9 0J J z dJ J z dU I ZU I Z???? (25) 方向阻抗繼電器動作特性： 幅值比較方式： 1122J zd zdZ Z Z?? (26) 等價于： 1122J J z d J z dU I Z I Z?? (27) 建模過程中主要考慮了常用的低阻抗元件和方向阻抗元件，根據(jù)上 述繼電器的動作特性，可得到阻抗元件的模型結構如圖 28 所示。 當所測阻抗值（框 X1/X2）低于阻抗定值時（框 CSW2 設定），輸出為 1，構成全阻抗 /低阻抗元件。當所測線路阻抗角（框 +）在定值范圍內(nèi)（框 CA1 設定）時，輸出為 1，構成方向阻抗元件。 第 2 章 繼電保護建模與仿真實現(xiàn)方法 11 S Q R 212I A R II A I IX 1 / X 212C S W 212O u tA N G12I A R II A I I12+*12O R1