【正文】 的同時(shí)，算例主要反應(yīng)上下級(jí)線路上保護(hù)模型的配合，反應(yīng)保護(hù)模型動(dòng)作的選擇性。同時(shí)本章還將模型添加到連鎖故障仿真計(jì)算中進(jìn)行應(yīng)用，使對(duì)連鎖故障仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確。對(duì)具體的某個(gè)保護(hù)模型進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，需要人為設(shè)定暫態(tài)作業(yè)，包括保護(hù)反應(yīng)的故障設(shè)置、保護(hù)類(lèi)型添加、保護(hù)參數(shù)設(shè)置，然后將仿真結(jié)果與不添加保護(hù)模型時(shí)實(shí)際分析結(jié)果相比較，本文采用這種方法對(duì)各個(gè)具體模型驗(yàn)證的過(guò)程在此不贅述。 模型驗(yàn)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(hù)作為主保護(hù)和綜合重合閘裝置，進(jìn)行測(cè)試。故障設(shè)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(cè)試系統(tǒng)接線圖1. 牡嘉線(300915)1) 線路在未添加保護(hù)模型的情況下發(fā)生故障的電氣檢測(cè)量如下面兩圖所示?？梢?jiàn)故障后線路300915的電流增大，其兩端的端電壓降低。圖52 無(wú)保護(hù)模型系統(tǒng)電氣量圖2) 保護(hù)距離I段動(dòng)作圖53中線路電流故障時(shí)電流激增，電壓下降，在保護(hù)動(dòng)作將線路切除后電流為0，電壓有所恢復(fù)，當(dāng)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(hù)第二次動(dòng)作將線路斷開(kāi)，電壓逐漸恢復(fù)。圖53 距離I段動(dòng)作系統(tǒng)電氣量圖圖54 線路兩側(cè)保護(hù)及重合閘動(dòng)作信號(hào)圖圖54中，故障發(fā)生后距離I段（圖中jl1）瞬時(shí)動(dòng)作，距離II段（jl2）和距離III段（jl3）沒(méi)有動(dòng)作，第一次開(kāi)斷三相信號(hào)op31由0變1動(dòng)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(shí)動(dòng)作。3) 保護(hù)距離I段拒動(dòng)，距離II動(dòng)作圖55 保護(hù)動(dòng)作后系統(tǒng)電氣量圖圖56 線路兩側(cè)保護(hù)及重合閘動(dòng)作信號(hào)圖圖55中，線路的故障電流在保護(hù)動(dòng)作由很大數(shù)值變?yōu)?，而電壓有所恢復(fù)，重合閘后線路電流再次激增，同時(shí)電壓降低，在保護(hù)二次動(dòng)作斷開(kāi)線路，此時(shí)線路無(wú)電流，電壓也逐步恢復(fù)。圖56中，op31由0變1動(dòng)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(dòng)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(wú)保護(hù)模型系統(tǒng)電氣量圖2) 保護(hù)距離II段動(dòng)作圖58 保護(hù)動(dòng)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(hù)及重合閘動(dòng)作信號(hào)圖圖58中，電氣量的變化與保護(hù)動(dòng)作情況相吻合，即故障時(shí)陜嘉線電流升高，電壓降低，而故障切除時(shí)陜嘉線電流減小。圖59中，op31由0變1動(dòng)作于三相切除，由于是永久性故障，，嘉和側(cè)保護(hù)沒(méi)有啟動(dòng)。3. 孟牡線1) 300915發(fā)生三相短路(1~3s)，牡嘉線上保護(hù)拒動(dòng)，孟牡線上電氣量變化如圖。可見(jiàn)發(fā)生故障后孟牡線電流升高。圖510 無(wú)保護(hù)模型系統(tǒng)電氣量圖2) 保護(hù)距離II段動(dòng)作圖512中，op31由0變1動(dòng)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(shí)動(dòng)作，牡丹側(cè)保護(hù)沒(méi)有啟動(dòng)。圖511表明保護(hù)動(dòng)作引起的系統(tǒng)量變化，與分析情況相吻合，即在故障時(shí)電流激增，故障切除后電流下降。圖511 保護(hù)動(dòng)作后系統(tǒng)電氣量圖孟津側(cè)：牡丹側(cè)：圖512 保護(hù)及重合閘動(dòng)作信號(hào)圖 仿真應(yīng)用隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜和電網(wǎng)規(guī)模的日趨擴(kuò)大，在其經(jīng)濟(jì)效益得到提升的同時(shí)，電網(wǎng)運(yùn)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(guó)由冰災(zāi)引起的大停電等[3334]。大停電對(duì)電力系統(tǒng)安全性和可靠性帶來(lái)嚴(yán)重破壞的同時(shí)，給各國(guó)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，引起了各國(guó)學(xué)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?zhǔn)?。從上世紀(jì)末，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)連鎖故障展開(kāi)了廣泛而深入的研究，各國(guó)相關(guān)部門(mén)也開(kāi)展對(duì)連鎖故障的科研項(xiàng)目，如美國(guó)能源部和國(guó)家科學(xué)基金資助的CERTS(Consortium for Electric Reliability Technology Solutions)項(xiàng)目、中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目《電力系統(tǒng)廣域安全防御基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)研究》等。連鎖故障的發(fā)生原因和發(fā)展過(guò)程都比較復(fù)雜，它的機(jī)理可以簡(jiǎn)單概括為電網(wǎng)中的某個(gè)元件發(fā)生故障后，由于元件故障或繼電保護(hù)裝置動(dòng)作行為改變了電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，造成系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(fù)荷的重新分配，在此過(guò)程中如果系統(tǒng)剩余的正常運(yùn)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(duì)電力系統(tǒng)連鎖故障的機(jī)理研究可以概括為兩大類(lèi)[35]：一類(lèi)是基于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)分析理論。如考慮繼電保護(hù)裝置隱性故障的連鎖故障模型、考慮線路過(guò)載的連鎖故障模型等。另一類(lèi)是以前沿的復(fù)雜性科學(xué)理論，包括自組織臨界理論和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論作為理論基礎(chǔ)。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(guò)程模型等?；趶?fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的連鎖故障模型，包括小世界模型、Watts構(gòu)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(lèi)是對(duì)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(guān)系，后一類(lèi)是對(duì)電力系統(tǒng)行為本質(zhì)的研究，從不同時(shí)間尺度和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的角度討論連鎖故障，兩類(lèi)研究相輔相成。除了模型分析法外，其他對(duì)連鎖故障的研究方法，如模式搜索法、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等都取得了不少成果。1. 仿真分析在進(jìn)行連鎖故障仿真時(shí)，將所建立的繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置模型添加到電力系統(tǒng)仿真程序中，能夠準(zhǔn)確反映故障全過(guò)程的繼電保護(hù)動(dòng)作邏輯和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，以更好的對(duì)故障進(jìn)行分析、重演。在仿真開(kāi)始前，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行潮流計(jì)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(shí)際電力系統(tǒng)的保護(hù)配置將所需要的模型，通過(guò)UD模型調(diào)用添加到仿真對(duì)象中，構(gòu)成元件的主保護(hù)和后備保護(hù)，并進(jìn)行定值參數(shù)的設(shè)定。在網(wǎng)絡(luò)故障中，人為設(shè)定連鎖故障的初始故障。在一步仿真計(jì)算中，電力系統(tǒng)仿真計(jì)算軟件所產(chǎn)生的一系列的系統(tǒng)電氣量信息可以實(shí)時(shí)輸送到繼保及安自裝置模型中，模型進(jìn)行相應(yīng)判斷后動(dòng)作，并將動(dòng)作信息輸送回電力系統(tǒng)仿真計(jì)算軟件中，去使電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作出相應(yīng)的改變，實(shí)現(xiàn)本次計(jì)算，并等待下一步仿真軟件的計(jì)算，這樣就實(shí)現(xiàn)了連鎖故障的閉環(huán)、動(dòng)態(tài)交互式的仿真分析。圖513 連鎖故障仿真過(guò)程2. 仿真實(shí)例本文以美國(guó)西部電網(wǎng)WSCC三機(jī)九節(jié)點(diǎn)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(guò)程。基準(zhǔn)值取SB=100MVA，UB=230kV，系統(tǒng)頻率為50Hz。負(fù)荷STNA230：125+j50MVA，STNB230：90+j30MVA，STNC230：300+j35MVA。九節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖514。在線路4上添加相間距離保護(hù)。算例中保護(hù)定值并非嚴(yán)格按照《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置整定計(jì)算》進(jìn)行整定，算例只是為了在連鎖故障仿真中說(shuō)明添加本文所建模型的應(yīng)用。圖514 三機(jī)九節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)故障設(shè)置：線路4在1s時(shí)發(fā)生永久三相接地短路故障（14s）。圖515 PSASP中系統(tǒng)潮流計(jì)算結(jié)果保護(hù)模型的動(dòng)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(cè)量阻抗降低，進(jìn)入兩側(cè)相間距離保護(hù)I段動(dòng)作范圍。由于線路4的切除引起整個(gè)系統(tǒng)的傳遞功率大范圍轉(zhuǎn)移，母線STNC230上的負(fù)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(cè)線路2的阻抗變小（如圖519所示，橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位是秒，豎坐標(biāo)為阻抗，標(biāo)幺值），進(jìn)入到線路2相間距離保護(hù)I段的動(dòng)作域內(nèi)。全網(wǎng)的潮流再次變化。此時(shí)發(fā)電2已經(jīng)從系統(tǒng)脫離，單獨(dú)支撐負(fù)荷STNC230，并且負(fù)荷超過(guò)發(fā)電2的最大發(fā)電功率。在仿真過(guò)程中，線路4上保護(hù)裝置的動(dòng)作行為能夠人為設(shè)定，但是線路2保護(hù)的動(dòng)作卻不會(huì)提前知道，也就難以進(jìn)行人為設(shè)定。通過(guò)本方法可以清晰地反應(yīng)連鎖故障發(fā)展的全過(guò)程。圖516 線路4 三相斷線故障后潮流分布通過(guò)對(duì)事故發(fā)生過(guò)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(dǎo)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(fù)荷的重新分配，在潮流的轉(zhuǎn)移過(guò)程中，使線路2過(guò)載，導(dǎo)致線路2的阻抗低于相間距離保護(hù)I段定值，保護(hù)動(dòng)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(hù)I段動(dòng)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(hù)I段動(dòng)作情況解決辦法：在線路4發(fā)生短路故障，待保護(hù)將其切除后，電網(wǎng)除了潮流發(fā)生變化外，電網(wǎng)的各點(diǎn)電壓也發(fā)生變化，在STNC230上裝設(shè)低壓減載安全穩(wěn)定裝置，當(dāng)母線電壓過(guò)低并且線路4保護(hù)動(dòng)作時(shí)切除節(jié)點(diǎn)STNC230上部分負(fù)荷。圖521 負(fù)荷切除動(dòng)作信號(hào)圖522 線路4的保護(hù)I段動(dòng)作信號(hào)圖523 線路2的保護(hù)I段動(dòng)作信號(hào)可見(jiàn)當(dāng)線路4保護(hù)將線路切除后，安裝在STNC230上的低壓減載安自裝置動(dòng)作（圖中sdl），將負(fù)荷部分切除（90%），此時(shí)系統(tǒng)的負(fù)荷壓力減輕，系統(tǒng)的潮流轉(zhuǎn)移相對(duì)變小，線路2上的保護(hù)沒(méi)有動(dòng)作，連鎖故障沒(méi)有形成。 連鎖故障仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)在實(shí)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(tái)，在平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)對(duì)連鎖故障的閉環(huán)、交互式仿真計(jì)算，準(zhǔn)確反應(yīng)系統(tǒng)故障后的保護(hù)裝置實(shí)際動(dòng)作情況和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。平臺(tái)由仿真軟件如PSASP、圖形化界面、模型庫(kù)構(gòu)成。平臺(tái)每部分的功能如下：1. 圖形化界面就是將連鎖故障仿真過(guò)程中需要的操作和結(jié)果的輸出、分析操作集中到一個(gè)界面上顯示，通過(guò)操作命令實(shí)現(xiàn)界面軟件與仿真軟件的數(shù)據(jù)傳遞，它是整個(gè)軟件的人機(jī)接口。數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)中模型的配置、參數(shù)組別的設(shè)定、電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、仿真中檢測(cè)的電氣量等。在PSASP中與數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)現(xiàn)。2. 繼電保護(hù)模型庫(kù)包括繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置模型，模型種類(lèi)全面，能夠滿足仿真需要。模型庫(kù)中模型根據(jù)各類(lèi)繼電保護(hù)和安自裝置原理，以國(guó)內(nèi)實(shí)際應(yīng)用的裝置為原型。本文通過(guò)PSASP的UD功能搭建實(shí)現(xiàn)，能在仿真過(guò)程中準(zhǔn)確反映繼保裝置的動(dòng)作行為。 本章小結(jié)本章將所建立的模型添加到實(shí)際算例中進(jìn)行仿真計(jì)算，以驗(yàn)證保護(hù)模型的正確性和有效性。仿真中將模型添加到上下級(jí)線路中，人為在相關(guān)線路上設(shè)置故障。故障發(fā)生后，在故障線路上的主保護(hù)能夠及時(shí)可靠的動(dòng)作，并且階梯式保護(hù)的各段都能夠可靠動(dòng)作。同時(shí)故障線路的上下級(jí)線路保護(hù)可靠拒動(dòng)；故障發(fā)生后，當(dāng)故障線路上保護(hù)拒動(dòng)時(shí)，其上下級(jí)線路能夠可靠動(dòng)作，起到后備保護(hù)的作用。連鎖故障是近幾年大電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障的罪魁禍?zhǔn)?，而繼電保護(hù)和安自裝置的動(dòng)作邏輯對(duì)連鎖故障的發(fā)生和發(fā)展有著重要影響。本章在對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)故障全過(guò)程的動(dòng)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(guò)程添加所建立的模型，能夠克服以往不能準(zhǔn)確反應(yīng)保護(hù)動(dòng)作情況而要人為設(shè)定的缺點(diǎn)，更加真實(shí)的反應(yīng)繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置的動(dòng)作行為對(duì)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(duì)于分析電力系統(tǒng)的中長(zhǎng)期過(guò)程動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性問(wèn)題和事故重演、分析、預(yù)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(hù)和安全自動(dòng)裝置相對(duì)較少，而且多以國(guó)外裝置為原型，本文針對(duì)這一問(wèn)題采用用戶自定義模型建立符合國(guó)內(nèi)繼保實(shí)際情況的模型庫(kù)，并將模型應(yīng)用到連鎖故障仿真中，使電力系統(tǒng)全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真更加真實(shí)準(zhǔn)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(hù)和安全自動(dòng)裝置的原理，以國(guó)內(nèi)電網(wǎng)常用主保護(hù)、后備保護(hù)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(jìn)一步建立了通用的繼電保護(hù)（發(fā)電機(jī)保護(hù)、變壓器保護(hù)、線路保護(hù)等）和安全自動(dòng)裝置仿真模型，包括啟動(dòng)元件、保護(hù)元件、方向元件、出口元件、自動(dòng)重合閘等，組成保護(hù)模型庫(kù)。2. 本文建立模型所用方法簡(jiǎn)單靈活，便于進(jìn)行拓展和維護(hù)。用戶根據(jù)繼保原理將保護(hù)和安自裝置分解成啟動(dòng)、判斷、動(dòng)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(hù)原理和技術(shù)的不斷發(fā)展搭建新模型進(jìn)一步豐富模型庫(kù)內(nèi)容。本文采用用戶自定義工具進(jìn)行建模，用戶可以在不必知道模型內(nèi)部實(shí)現(xiàn)代碼的情況下進(jìn)行模型搭建。3. 通過(guò)算例對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)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(lái)反應(yīng)故障過(guò)程中繼保及安自裝置的影響，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)全過(guò)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(shí)反映保護(hù)動(dòng)作特性的缺點(diǎn)，能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)全動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行有效仿真，給研究和分析電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性機(jī)理、嚴(yán)重事故特征及其穩(wěn)定措施提供有力仿真工具。4. 設(shè)計(jì)了連鎖故障仿真計(jì)算平臺(tái)，在平臺(tái)內(nèi)實(shí)現(xiàn)連鎖故障的仿真計(jì)算應(yīng)用。由于精力和時(shí)間有限，還有很多工作需要去完善，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1. 本文僅對(duì)一些常用的繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置進(jìn)行了建模，有些保護(hù)裝置未能包含，可以進(jìn)一步完善模型庫(kù)。2. 下一步可以加強(qiáng)用戶自定義模型功能和程序接口的開(kāi)發(fā)，使添加保護(hù)模型的仿真程序計(jì)算在保證準(zhǔn)確的同時(shí)，更加具有效率，達(dá)到在線應(yīng)用的水平。參考文獻(xiàn)[1] 薛禹勝．綜合防御由偶然性演化為電力災(zāi)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(guò)程動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)．電網(wǎng)技術(shù)，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(wàn)業(yè)．基于繼電