【正文】 提供幫助。目前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的電力系統(tǒng)機電暫態(tài)及中長期動態(tài)穩(wěn)定仿真中對繼電保護和安全自動裝置模型的研究和應(yīng)用較少，尚不夠深入。PSDBPA穩(wěn)定程序中的安全自動裝置除了常規(guī)的低周低壓減載外，雖然新增加了部分符合實際失步解列、低壓低頻解列等模型，但種類很少，仍不能滿足我國電網(wǎng)仿真需求。調(diào)度員培訓(xùn)系統(tǒng)中的繼保模型多采用邏輯判別法、定值判別法、邏輯定值協(xié)調(diào)法和教案準(zhǔn)備法等。調(diào)度員培訓(xùn)系統(tǒng)的安全自動裝置仿真方面，在繼保模型中可以包含安自裝置模型，如國外常用高/低壓繼電器、高/低頻繼電器等代替各種解列和切機裝置；動態(tài)仿真中的電源控制系統(tǒng)模型中可以考慮一些反映動態(tài)響應(yīng)的自動裝置如失步解列、高頻切機、連鎖切機等；通過模型拼裝和決策表比較可以實現(xiàn)對部分反映穩(wěn)態(tài)量的一些裝置如低頻/低壓減載、解列裝置、備自投和重合閘等的模擬[1113]。連鎖故障是典型離散過程，在連鎖故障方面, 當(dāng)前國內(nèi)外研究采用的理論和方法主要有[1417]：1) 模型分析法。2) 模式搜索法。解析法一般是假設(shè)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(yīng)。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。上述方法中，前種方法側(cè)重于利用復(fù)雜科學(xué)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(yīng)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(jié)?？傊鼙粡V泛接受并真正實用的連鎖故障模型還沒有實現(xiàn)。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。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，很多問題尚待進一步研究[2224]。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。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。提出繼電保護和安全自動裝置模型的適用范圍、參數(shù)設(shè)定。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(wù)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。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。保護裝置由測量環(huán)節(jié)獲得對保護對象的所需相關(guān)電氣量，將其與所設(shè)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。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(jié)構(gòu)進行建模形成基本元件模型，然后由基本元件模型構(gòu)成具體的保護和安自裝置模型?；驹Ｐ屯ㄟ^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。電網(wǎng)中的互感器是電力系統(tǒng)中較重要的高壓設(shè)備之一，其性能的優(yōu)劣對電力系統(tǒng)量測值準(zhǔn)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。文中對常用的電流互感器和電壓互感器分別進行了建模。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谩２煌睦^保模型和安自裝置模型構(gòu)成繼電保護和安全自動裝置模型庫。在以電氣元件為基礎(chǔ)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]。下面給出本文建立的基本元件模型。當(dāng)輸入量低于整定值Y時，元件輸出為0，當(dāng)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。2. 增量元件 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(jié)構(gòu)如圖23所示。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(gòu)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。輸入量經(jīng)過定值t（在框DLY1設(shè)定）時間延時后原樣輸出。輸出量根據(jù)輸入量的不同而變化。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。其中輸入量可為節(jié)點電壓信號、頻率信號等，構(gòu)成低壓元件、低頻元件等不同元件。當(dāng)判斷電流方向為從母線指向線路（正向）時元件動作，當(dāng)判斷電流方向為從線路指向母線（反向）時元件不動作。 功率方向元件的模型結(jié)構(gòu)如圖27所示。第一個定值，第二個定值。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。相位比較方式： (24) 等價于： (25) 方向阻抗繼電器動作特性： 幅值比較方式： (26) 等價于： (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(jié)構(gòu)如圖28所示。當(dāng)所測線路阻抗角（框+）在定值范圍內(nèi)（框CA1設(shè)定）時，輸出為1，構(gòu)成方向阻抗元件。振蕩閉鎖元件主要包括檢驗負序或零序電流/電壓（或電流/電壓增量）和檢驗阻抗變化兩種類型。對于反應(yīng)阻抗變化的振蕩閉鎖元件，其原理：分段式保護中的三段如果同時發(fā)出動作信號，則表明線路出現(xiàn)故障，保護應(yīng)正常啟動，不發(fā)出閉鎖信號；如果各段保護不同時發(fā)出動作信號（I、II段在III段動作后才動作），則認(rèn)為線路存在功率振蕩而非故障，此時發(fā)出閉鎖信號，將一段、二段保護可靠閉鎖。當(dāng)輸入量的計算差值ΔX（框SQR2輸出）大于定值Y時，元件輸出1，否則輸出0。圖210 差量元件模型圖10. 相位比較元件 該元件可作方向元件使用，所比較相位（相位差）在某個角度范圍內(nèi)時元件動作，主要用于線路的橫聯(lián)差動保護、相差動高頻保護等裝置中，其動作判據(jù)： (28)式中：，為動作角，當(dāng)處于二者之間時，元件動作；，為元件輸入量（比較元素），可為電壓向量、電流向量、經(jīng)補償后的電壓/電流向量等。輸入量的相位角ANGANG2之差在處于、（框CSW1設(shè)定）之間一段時長后，元件輸出量為1，否則為0。兩個ANGUp模塊比較后得ΔANG，當(dāng)ΔANG在FIFI2（在框CSW1設(shè)定）范圍內(nèi)時，元件經(jīng)延時輸出1。補償電壓計算公式為（A相為例）： (29)圖213中，其中n——零序補償系數(shù)，通過框2設(shè)定?？蚩?的A、B參數(shù)取線路的和線路的。變量的制動量由框RAMP設(shè)定。輸入量IARJ、IAIJ計算得二次側(cè)電流相角，經(jīng)整定值Y的補償，再經(jīng)過模幅角轉(zhuǎn)換為實虛部，并與二次側(cè)電流幅值計算得變換后的二次側(cè)電流。因此，為能得到較為精確的測量量，在構(gòu)建其數(shù)學(xué)模型時，應(yīng)該計及CT飽和因素，從而在電力系統(tǒng)暫態(tài)過程中較真實的反應(yīng)電流互感器的工作特性。電磁式電流互感器的結(jié)構(gòu)類似于電力變壓器，其等效電路圖為：圖216 電磁式電流互感器等效電路圖 基本方程式為： (210) 經(jīng)整理可得 (211) 與的關(guān)系可由電流互感器的伏安特性曲線代替，并且 (212) 寫出電流互感器的傳遞函數(shù)關(guān)系式如下： (213) 令，則有： (214) 電流互感器角差計算式為： (215) (216)式216即為上面各式的綜合。圖217 電流互感器模型圖 其中，1框是， 2框是。 電磁式電壓互感器的一、二次側(cè)繞組都有一定的阻抗，因此電流流過時會有電壓降和相位偏移，使電壓互感器測量電壓出現(xiàn)幅值誤差及相位誤差。基本方程式為： (217) 寫出電磁式電壓互感器的傳遞函數(shù)關(guān)系式如下： (218)令，則有： (219) (220) 令，則有 (221)在忽略勵磁電流的情況下，電壓互感器的角差計算公式為： (222)寫在一起則有： (223)由此，可以得到電磁式電壓互感器模型如下圖所示。 繼電保護模型仿真實現(xiàn)方法現(xiàn)有電力系統(tǒng)仿真程序中的繼電保護和安全自動裝置仿真一般分為兩種：邏輯判別法及定值判斷法。本文建立的模型在電力系統(tǒng)程序的仿真多采用定值判斷法，即根據(jù)系統(tǒng)故障狀態(tài)下發(fā)生變化的各電氣量是否達到保護和安自裝置的定值要求來決定保護動作與否，若達到要求則保護啟動并向系統(tǒng)發(fā)出動作信號驅(qū)動相關(guān)繼電器動作。同時在已經(jīng)知道保護動作行為時可以結(jié)合邏輯判斷法原理對模型進行適當(dāng)?shù)暮喕蛑苯舆M行繼電器的預(yù)先設(shè)定。系統(tǒng)為模型提供充足的輸入信息，如潮流計算中的功率、電壓等已知量或者暫穩(wěn)計算中的母線、正序網(wǎng)絡(luò)等變量，模型將信息處理結(jié)果反饋回系統(tǒng)，反饋信息有潮流、暫穩(wěn)計算中的待求量或者是切機、重合閘等操作信號，這樣就構(gòu)成了一個閉環(huán)、交互式的整體。根據(jù)繼電保護裝置結(jié)構(gòu)的通用性，建立了基本元件模型，包括過量元件、欠量元件、延時元件等類型，將這些模型進行與或組合或者通過輸入輸出端口的連接進一步組成具體的保護模型，模型通過與仿真軟件的端口進行信息傳遞，仿真時多采用定值仿真法實現(xiàn)模型仿真計算。第3章 繼電保護裝置的建模設(shè)計繼電保護的動作正確與否直接影響到電力系統(tǒng)的運行安全。本章在上文基本元件模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)繼電保護的原理進行具體繼電保護裝置的建模。繼電保護的參數(shù)通過用戶自定義模型的自帶參數(shù)進行設(shè)定，具體整定按照繼電保護和安全自動裝置整定計算原理等規(guī)定進行，文中不再詳細說明。每段保護的主保護元件為過電流元件或低電壓元件（多為過電流元件），閉鎖元件包括方向元件、低電壓元件、過電流元件以及負序電壓元件。 過流元件、低電壓元件是電流保護的主保護；方向元件當(dāng)故障發(fā)生在保護區(qū)域內(nèi)時啟動，故障發(fā)生在保護區(qū)域外時，發(fā)出閉鎖信號；延時元件用于電流電壓保護動作時限的設(shè)置。 零序電流保護零序電流保護所依據(jù)的原理是中性點直接接地系統(tǒng)在接地短路時會出現(xiàn)較大的零序電流，其廣泛應(yīng)用在110kV和更高電壓等級線路中。圖32 零序電流保護模型圖本保護為三段式方向性零序電流保護，每段包括零序過流元件、零序方向元件和延時元件，每段可單獨投切。零序方向元件是根據(jù)零序阻抗角度進行方向判別，當(dāng)故障發(fā)生在保護區(qū)域內(nèi)時啟動。距離保護主要部分是阻抗元件，在此基礎(chǔ)上添加方向元件和時間元件即為階梯式的距離保護，一般裝設(shè)三到四段，I、II段是主保護，III、IV段為后備保護。圖33 相間距離保護模型圖本保護為分段式相間距離保護，分為三段。模型中負序電流（零序電流、負序電壓、零序電壓）過量元件為起動、振蕩閉鎖元件。負序電流（零序電流、負序電壓、零序電壓）增量元件為振蕩閉鎖元件。圖34 相間距離保護阻抗元件模型圖在系統(tǒng)的振蕩中心進入保護區(qū)域時，測量阻抗在逐漸減小階段，保護各段的啟動順序依次是、。本文基于上述分析，實現(xiàn)振蕩閉鎖元件。 接地距離保護 零序電流保護在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運行方式多變的電力系統(tǒng)靈敏度低而且保護范圍有時會出現(xiàn)不夠的情況，此時在中性點接地系統(tǒng)中應(yīng)采用接地距離保護。接地距離保護接線簡單可靠，但受接地電阻影響較大，所以當(dāng)線路裝設(shè)接地距離保護時，根據(jù)運行需要還應(yīng)裝設(shè)階段式零序電流保護作為后備保護。本保護為分段式接地距離保護，分為三段。測量阻抗計算部分取線路電流、零序電流信號、線路零序阻抗計算線路的測量阻抗，并根據(jù)測量阻抗的變化區(qū)分系統(tǒng)正常與故障狀態(tài)。在保護線路內(nèi)部故障時，兩側(cè)短路功率均為母線指向線路，保護動作，滿足線路全長任一點故障瞬時切除。高頻閉鎖方向保護通常由起動元件和方向元件構(gòu)成，它們可接全電壓和全電流，此時要配置振蕩閉鎖裝置，或接相序電壓和相序電流，例如負序、零序此時不反應(yīng)系統(tǒng)振蕩。圖36 高頻閉鎖方向保護模型圖本保護為高頻閉鎖方向保護，由起動元件、功率方向元件、閉鎖元件組成。零序電壓過量元件、負序電流（零序電流、負序電壓、零序電壓）增量元件為振蕩閉鎖元件。 其他保護其他保護有電壓相位比較式高頻閉鎖方向保護、高頻閉鎖距離/零序保護、相差動高頻保護，它們通過在高頻保護的基礎(chǔ)上添加上電壓相位比較元件、方向元件、差量元件構(gòu)成，本文不再贅述。對于定時限保護發(fā)出報警信號或減載信號，對于反時限保護，則發(fā)出切機跳閘信號。根據(jù)發(fā)電機過負荷保護的原理和整定公式[32]，可得保護的模型圖如圖38。其主要反應(yīng)發(fā)電機的內(nèi)部及機端故障。式中：U、f——運行電壓及頻率有名值；Ugn——發(fā)電機額定電壓；B、Bn——磁通量及額定磁通量；fgn——發(fā)電機額定頻率。2. 頻率異常保護保護采集發(fā)電機運行頻率f，當(dāng)檢測到其異常時，計算頻率異常運行時間，當(dāng)該時間超過定值時保護動作。例如在頻率異常保護動作于切機之前，應(yīng)保證低頻減負荷裝置先減負荷，使系統(tǒng)頻率及時恢復(fù)，使事故影響盡量降低，僅在頻率仍未恢復(fù)，并可能危及機組安全的情況下才切機，防止出現(xiàn)頻率連鎖惡化的情況。保護通過采集發(fā)電機運行功率，利用計算保護定值，保護帶時限動作于信號或發(fā)電機解列。燃氣輪機、柴油發(fā)電機也有必要裝設(shè)逆功率保護，可以防止未燃盡物質(zhì)出現(xiàn)爆炸或者著火的可能，動作于跳閘解列。保護檢測發(fā)電機機端電壓，當(dāng)其超過發(fā)電機額定電壓乘以可靠系數(shù)后的值時，保護帶時限動作于解列滅磁。每種保護可單獨投切。過壓元件為定子過電壓保護中的低定值電壓元件。低頻元件為頻率異常保護的頻率元件。其動作主判據(jù)有：1. 系統(tǒng)側(cè)主判據(jù)——高壓母線三相同時低電壓繼電器