【正文】 的同時，算例主要反應上下級線路上保護模型的配合，反應保護模型動作的選擇性。同時本章還將模型添加到連鎖故障仿真計算中進行應用，使對連鎖故障仿真結(jié)果更加準確。對具體的某個保護模型進行驗證時，需要人為設定暫態(tài)作業(yè)，包括保護反應的故障設置、保護類型添加、保護參數(shù)設置，然后將仿真結(jié)果與不添加保護模型時實際分析結(jié)果相比較，本文采用這種方法對各個具體模型驗證的過程在此不贅述。 模型驗證圖中為華北華中特高壓電網(wǎng)中500kV的部分線路，在孟牡線、牡嘉線、陜嘉線上三條線路兩側(cè)添加相間距離保護作為主保護和綜合重合閘裝置，進行測試。故障設置為線路牡嘉線發(fā)生永久性三相接地短路故障(1~3s)。圖51 測試系統(tǒng)接線圖1. 牡嘉線(300915)1) 線路在未添加保護模型的情況下發(fā)生故障的電氣檢測量如下面兩圖所示?？梢姽收虾缶€路300915的電流增大，其兩端的端電壓降低。圖52 無保護模型系統(tǒng)電氣量圖2) 保護距離I段動作圖53中線路電流故障時電流激增，電壓下降，在保護動作將線路切除后電流為0，電壓有所恢復，當重合閘后線路由于是永久性故障所以電流再次升高，電壓再次下降，隨后保護第二次動作將線路斷開，電壓逐漸恢復。圖53 距離I段動作系統(tǒng)電氣量圖圖54 線路兩側(cè)保護及重合閘動作信號圖圖54中，故障發(fā)生后距離I段（圖中jl1）瞬時動作，距離II段（jl2）和距離III段（jl3）沒有動作，第一次開斷三相信號op31由0變1動作于三相切除，由于是永久性故障，所以重合后距離I段再次瞬時動作。3) 保護距離I段拒動，距離II動作圖55 保護動作后系統(tǒng)電氣量圖圖56 線路兩側(cè)保護及重合閘動作信號圖圖55中，線路的故障電流在保護動作由很大數(shù)值變?yōu)?，而電壓有所恢復，重合閘后線路電流再次激增，同時電壓降低，在保護二次動作斷開線路，此時線路無電流，電壓也逐步恢復。圖56中，op31由0變1動作于三相切除，由于是永久性故障所以重合后距離II段再次動作。2. 陜嘉線（301221）1) 線路300915三相短路故障(1~3s)，線路301221的電氣量變化如圖。圖中電流故障后急劇上升，電壓迅速降低。圖57 無保護模型系統(tǒng)電氣量圖2) 保護距離II段動作圖58 保護動作后系統(tǒng)電氣量圖陜州側(cè)：嘉和側(cè)：圖59 線路兩側(cè)保護及重合閘動作信號圖圖58中，電氣量的變化與保護動作情況相吻合，即故障時陜嘉線電流升高，電壓降低，而故障切除時陜嘉線電流減小。圖59中，op31由0變1動作于三相切除，由于是永久性故障，，嘉和側(cè)保護沒有啟動。3. 孟牡線1) 300915發(fā)生三相短路(1~3s)，牡嘉線上保護拒動，孟牡線上電氣量變化如圖。可見發(fā)生故障后孟牡線電流升高。圖510 無保護模型系統(tǒng)電氣量圖2) 保護距離II段動作圖512中，op31由0變1動作于三相切除，由于是永久性故障，重合后因孟牡線阻抗不斷降低，距離I段瞬時動作，牡丹側(cè)保護沒有啟動。圖511表明保護動作引起的系統(tǒng)量變化，與分析情況相吻合，即在故障時電流激增，故障切除后電流下降。圖511 保護動作后系統(tǒng)電氣量圖孟津側(cè)：牡丹側(cè)：圖512 保護及重合閘動作信號圖 仿真應用隨著電網(wǎng)結(jié)構日益復雜和電網(wǎng)規(guī)模的日趨擴大，在其經(jīng)濟效益得到提升的同時，電網(wǎng)運行的安全性和可靠性也受到新的挑戰(zhàn)，大規(guī)模的停電事故在全世界范圍內(nèi)頻發(fā)，如2003年8月的美加大停電、2005年的莫斯科大停電和2008年中國由冰災引起的大停電等[3334]。大停電對電力系統(tǒng)安全性和可靠性帶來嚴重破壞的同時，給各國造成了巨大的經(jīng)濟損失，引起了各國學者和政府的普遍重視。而連鎖故障正是電網(wǎng)大規(guī)模停電事故的罪魁禍首。從上世紀末，國內(nèi)外學者對連鎖故障展開了廣泛而深入的研究，各國相關部門也開展對連鎖故障的科研項目，如美國能源部和國家科學基金資助的CERTS(Consortium for Electric Reliability Technology Solutions)項目、中國國家自然科學基金重大項目《電力系統(tǒng)廣域安全防御基礎理論及關鍵技術研究》等。連鎖故障的發(fā)生原因和發(fā)展過程都比較復雜，它的機理可以簡單概括為電網(wǎng)中的某個元件發(fā)生故障后，由于元件故障或繼電保護裝置動作行為改變了電網(wǎng)的拓撲結(jié)構，造成系統(tǒng)各個節(jié)點的潮流發(fā)生變化，電網(wǎng)中伴隨著潮流的大范圍轉(zhuǎn)移出現(xiàn)負荷的重新分配，在此過程中如果系統(tǒng)剩余的正常運行元件不能夠承受這種變化，有新元件在這種變化下發(fā)生故障，又將引起新一輪的潮流轉(zhuǎn)移，從而引起一系列的連鎖故障，最終致使電網(wǎng)大面積停電和癱瘓。到目前為止，對電力系統(tǒng)連鎖故障的機理研究可以概括為兩大類[35]：一類是基于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)分析理論。如考慮繼電保護裝置隱性故障的連鎖故障模型、考慮線路過載的連鎖故障模型等。另一類是以前沿的復雜性科學理論，包括自組織臨界理論和復雜網(wǎng)絡理論作為理論基礎。其中基于自組織臨界理論的模型，包括Carreras等人提出的OPA模型、Dobson等人提出的CASCADE模型和分支過程模型等?；趶碗s網(wǎng)絡理論的連鎖故障模型，包括小世界模型、Watts構造模型、Holme和Kim的相隔中心性模型、Crucitti和Latora的有效性能模型等。前一類是對電力系統(tǒng)現(xiàn)象的研究，描述系統(tǒng)整體狀態(tài)和行為與連鎖故障的關系，后一類是對電力系統(tǒng)行為本質(zhì)的研究，從不同時間尺度和網(wǎng)架結(jié)構的角度討論連鎖故障，兩類研究相輔相成。除了模型分析法外，其他對連鎖故障的研究方法，如模式搜索法、風險評估等都取得了不少成果。1. 仿真分析在進行連鎖故障仿真時，將所建立的繼電保護和安全自動裝置模型添加到電力系統(tǒng)仿真程序中，能夠準確反映故障全過程的繼電保護動作邏輯和系統(tǒng)的實時狀態(tài)，以更好的對故障進行分析、重演。在仿真開始前，對系統(tǒng)進行潮流計算給出其初始狀態(tài)。然后在暫態(tài)穩(wěn)定的作業(yè)定義中，按照實際電力系統(tǒng)的保護配置將所需要的模型，通過UD模型調(diào)用添加到仿真對象中，構成元件的主保護和后備保護，并進行定值參數(shù)的設定。在網(wǎng)絡故障中，人為設定連鎖故障的初始故障。在一步仿真計算中，電力系統(tǒng)仿真計算軟件所產(chǎn)生的一系列的系統(tǒng)電氣量信息可以實時輸送到繼保及安自裝置模型中，模型進行相應判斷后動作，并將動作信息輸送回電力系統(tǒng)仿真計算軟件中，去使電網(wǎng)的拓撲結(jié)構作出相應的改變，實現(xiàn)本次計算，并等待下一步仿真軟件的計算，這樣就實現(xiàn)了連鎖故障的閉環(huán)、動態(tài)交互式的仿真分析。圖513 連鎖故障仿真過程2. 仿真實例本文以美國西部電網(wǎng)WSCC三機九節(jié)點系統(tǒng)為例，介紹在PSASP中基于所建模型的連鎖故障仿真分析過程?；鶞手等B=100MVA，UB=230kV，系統(tǒng)頻率為50Hz。負荷STNA230：125+j50MVA，STNB230：90+j30MVA，STNC230：300+j35MVA。九節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構如圖514。在線路4上添加相間距離保護。算例中保護定值并非嚴格按照《繼電保護和安全自動裝置整定計算》進行整定，算例只是為了在連鎖故障仿真中說明添加本文所建模型的應用。圖514 三機九節(jié)點系統(tǒng)故障設置：線路4在1s時發(fā)生永久三相接地短路故障（14s）。圖515 PSASP中系統(tǒng)潮流計算結(jié)果保護模型的動作情況及系統(tǒng)變化分析如下：在故障發(fā)生后，線路4的測量阻抗降低，進入兩側(cè)相間距離保護I段動作范圍。由于線路4的切除引起整個系統(tǒng)的傳遞功率大范圍轉(zhuǎn)移，母線STNC230上的負荷只能依靠母線GEN2230維持，使得全網(wǎng)的潮流出現(xiàn)大的變化。其中流經(jīng)線路線路3的功率顯著增大，++，致使所測線路2的阻抗變?。ㄈ鐖D519所示，橫坐標為時間，單位是秒，豎坐標為阻抗，標幺值），進入到線路2相間距離保護I段的動作域內(nèi)。全網(wǎng)的潮流再次變化。此時發(fā)電2已經(jīng)從系統(tǒng)脫離，單獨支撐負荷STNC230，并且負荷超過發(fā)電2的最大發(fā)電功率。在仿真過程中，線路4上保護裝置的動作行為能夠人為設定，但是線路2保護的動作卻不會提前知道，也就難以進行人為設定。通過本方法可以清晰地反應連鎖故障發(fā)展的全過程。圖516 線路4 三相斷線故障后潮流分布通過對事故發(fā)生過程的分析，得出連鎖故障發(fā)生的原因是：由于線路4的短路故障導致其上傳遞的功率轉(zhuǎn)移到了其他線路上，引起了系統(tǒng)負荷的重新分配，在潮流的轉(zhuǎn)移過程中，使線路2過載，導致線路2的阻抗低于相間距離保護I段定值，保護動作將其切除。圖517 線路4三相接地短路后阻抗變化圖518 線路4上保護I段動作情況圖519 線路2阻抗在線路4被切除后變化圖520 線路2 上保護I段動作情況解決辦法：在線路4發(fā)生短路故障，待保護將其切除后，電網(wǎng)除了潮流發(fā)生變化外，電網(wǎng)的各點電壓也發(fā)生變化，在STNC230上裝設低壓減載安全穩(wěn)定裝置，當母線電壓過低并且線路4保護動作時切除節(jié)點STNC230上部分負荷。圖521 負荷切除動作信號圖522 線路4的保護I段動作信號圖523 線路2的保護I段動作信號可見當線路4保護將線路切除后，安裝在STNC230上的低壓減載安自裝置動作（圖中sdl），將負荷部分切除（90%），此時系統(tǒng)的負荷壓力減輕，系統(tǒng)的潮流轉(zhuǎn)移相對變小，線路2上的保護沒有動作，連鎖故障沒有形成。 連鎖故障仿真平臺設計在實現(xiàn)了繼保及安自裝置的建模后，可以搭建連鎖故障仿真分析平臺，在平臺中實現(xiàn)對連鎖故障的閉環(huán)、交互式仿真計算，準確反應系統(tǒng)故障后的保護裝置實際動作情況和系統(tǒng)的實時狀態(tài)。平臺由仿真軟件如PSASP、圖形化界面、模型庫構成。平臺每部分的功能如下：1. 圖形化界面就是將連鎖故障仿真過程中需要的操作和結(jié)果的輸出、分析操作集中到一個界面上顯示，通過操作命令實現(xiàn)界面軟件與仿真軟件的數(shù)據(jù)傳遞，它是整個軟件的人機接口。數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)中模型的配置、參數(shù)組別的設定、電網(wǎng)的拓撲結(jié)構、仿真中檢測的電氣量等。在PSASP中與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)傳遞可以利用自帶的用戶自定義模型(UDM)功能實現(xiàn)。2. 繼電保護模型庫包括繼電保護和安全自動裝置模型，模型種類全面，能夠滿足仿真需要。模型庫中模型根據(jù)各類繼電保護和安自裝置原理，以國內(nèi)實際應用的裝置為原型。本文通過PSASP的UD功能搭建實現(xiàn)，能在仿真過程中準確反映繼保裝置的動作行為。 本章小結(jié)本章將所建立的模型添加到實際算例中進行仿真計算，以驗證保護模型的正確性和有效性。仿真中將模型添加到上下級線路中，人為在相關線路上設置故障。故障發(fā)生后，在故障線路上的主保護能夠及時可靠的動作，并且階梯式保護的各段都能夠可靠動作。同時故障線路的上下級線路保護可靠拒動；故障發(fā)生后，當故障線路上保護拒動時，其上下級線路能夠可靠動作，起到后備保護的作用。連鎖故障是近幾年大電網(wǎng)發(fā)生嚴重故障的罪魁禍首，而繼電保護和安自裝置的動作邏輯對連鎖故障的發(fā)生和發(fā)展有著重要影響。本章在對一個簡單連鎖故障仿真算例中添加所建立的繼保及安自裝置模型，實現(xiàn)對故障全過程的動態(tài)、閉環(huán)、交互式仿真，找出發(fā)生連鎖故障的原因，根據(jù)原因給出解決方法。在仿真過程添加所建立的模型，能夠克服以往不能準確反應保護動作情況而要人為設定的缺點，更加真實的反應繼電保護及安全自動裝置的動作行為對故障發(fā)展的影響。這種基于所建立模型的連鎖故障仿真方法，對于分析電力系統(tǒng)的中長期過程動態(tài)穩(wěn)定性問題和事故重演、分析、預防提供仿真支持。結(jié) 論目前電力系統(tǒng)仿真程序中的繼電保護和安全自動裝置相對較少，而且多以國外裝置為原型，本文針對這一問題采用用戶自定義模型建立符合國內(nèi)繼保實際情況的模型庫，并將模型應用到連鎖故障仿真中，使電力系統(tǒng)全過程動態(tài)仿真更加真實準確。本文主要的結(jié)論和創(chuàng)新成果如下： 1. 本文調(diào)研了繼電保護和安全自動裝置的原理，以國內(nèi)電網(wǎng)常用主保護、后備保護為原型，采用用戶自定義功能建立了基本元件模型和互感器模型，并進一步建立了通用的繼電保護（發(fā)電機保護、變壓器保護、線路保護等）和安全自動裝置仿真模型，包括啟動元件、保護元件、方向元件、出口元件、自動重合閘等，組成保護模型庫。2. 本文建立模型所用方法簡單靈活，便于進行拓展和維護。用戶根據(jù)繼保原理將保護和安自裝置分解成啟動、判斷、動作等部分，然后用基本元件模型就可以方便搭建不同具體模型，可以根據(jù)保護原理和技術的不斷發(fā)展搭建新模型進一步豐富模型庫內(nèi)容。本文采用用戶自定義工具進行建模，用戶可以在不必知道模型內(nèi)部實現(xiàn)代碼的情況下進行模型搭建。3. 通過算例對模型進行驗證，確保模型的正確性和有效性。在連鎖故障仿真中添加所建立模型，用來反應故障過程中繼保及安自裝置的影響，實現(xiàn)電力系統(tǒng)全過程和全元件的閉環(huán)式仿真。該方法克服了以往仿真軟件不能真實反映保護動作特性的缺點，能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)全動態(tài)過程進行有效仿真，給研究和分析電力系統(tǒng)動態(tài)特性機理、嚴重事故特征及其穩(wěn)定措施提供有力仿真工具。4. 設計了連鎖故障仿真計算平臺，在平臺內(nèi)實現(xiàn)連鎖故障的仿真計算應用。由于精力和時間有限，還有很多工作需要去完善，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1. 本文僅對一些常用的繼電保護和安全自動裝置進行了建模，有些保護裝置未能包含，可以進一步完善模型庫。2. 下一步可以加強用戶自定義模型功能和程序接口的開發(fā)，使添加保護模型的仿真程序計算在保證準確的同時，更加具有效率，達到在線應用的水平。參考文獻[1] 薛禹勝．綜合防御由偶然性演化為電力災難——北美“814”，2003，27(18)：1～5[2] 蔡洋．，2007，31(11)：6～10[3] Novosel D，Begovic M，Mandani V．Shedding light on Power Energy，2003，2(1)：32～43[4] 宋新立，湯涌，卜廣全，等．大電網(wǎng)安全分析的全過程動態(tài)仿真技術．電網(wǎng)技術，2008，32(22)：23～28[5] 李春艷，孫元章，陳向宜，鄧桂平．西歐“”，2006，30(24)：16～21[6] 楊明玉，田浩，姚萬業(yè)．基于繼電