丁天池，夏 天，劉鵬飛

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林132012;2.中國電力科學(xué)研究院，北京100192)

0 引言

在電網(wǎng)規(guī)模擴大且結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜的同時，大停電事故帶來的損失巨大［1］。許多學(xué)者、專家對引起大停電事故的連鎖故障進行分析時意識到，大電網(wǎng)受到擾動后系統(tǒng)的機電暫態(tài)及中長期特性應(yīng)給予更多關(guān)注［2－3］。目前，研究連鎖故障的方法很多，如模式搜索法的隨機模擬，模型分析法的OPA模型、CASCADE模型、小世界網(wǎng)絡(luò)模型以及綜合風(fēng)險評估等，但這些方法都存在一定的缺陷。因此，為了禰補這些方法的不足，本文提出了一種基于繼電保護和安自裝置建模的連鎖故障仿真方法，即在保證仿真計算準確性和不大量增加仿真時間的情況下，利用用戶自定義模型進行建模，形成繼電保護和安自裝置模型庫，并在PSASP中反映電力系統(tǒng)的全過程動態(tài)行為，實現(xiàn)連鎖故障的仿真分析。

1 繼電保護和安自裝置模型建模

電網(wǎng)發(fā)生連鎖故障的原因就是某些故障元件的退出引起潮流的大規(guī)模轉(zhuǎn)移、系統(tǒng)無功不平衡和電壓的降低，進一步導(dǎo)致與其相關(guān)的元件退出運行，故障由局部蔓延全網(wǎng)，系統(tǒng)狀況更加惡化并進入臨近狀態(tài)，最終導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰。本文所建立的模型通過PSASP中用戶自定義模型功能建立，采用定值判別法，利用模型的保護原理、定值配合和動作延時來反映選擇性，靠自身的模型來反映靈敏性要求，真實反映繼電保護裝置的動作邏輯。

1.1 基本元件模型

繼電保護和安自裝置是由不同的元件按照一定的邏輯關(guān)系組成的，很多裝置中的元件具有一定的通用性。根據(jù)中國現(xiàn)有各類保護和安自裝置的特點［4－5］，將裝置中所使用的基本元件進行匯總，如表1所示。

表1 基本元件匯總

模型的建立以過量元件為例，如圖1所示。在圖1中，當檢測到輸入量x的變化量Δx≥0時，元件延時T s后動作。系統(tǒng)的電氣量可以實時輸送到過量元件中作為其輸入量x，如線路電流、母線電壓等。模型的延時框用來模擬保護裝置的動作時間。輸出y可以是開斷三相線路、切負荷等。

圖1 過量元件UD模型

1.2 具體保護模型

繼電保護和安自裝置都可以分解成基本元件的組合，在完成基本元件建模后，由其根據(jù)各種保護原理進行具體保護建模，使建立的模型具有較強的通用性。建模時以每個保護或裝置作為1個基本單元，重點體現(xiàn)保護或裝置所反應(yīng)的故障、保護或裝置的邏輯判斷環(huán)節(jié)以及出口動作量，每個保護或裝置均包括了啟動元件、保護元件、閉鎖元件、出口元件等。下面以相間距離保護為例進行介紹。

圖2 相間距離保護UD模型

模型由起動元件、動作元件、振蕩閉鎖元件部分構(gòu)成。這3部分的動作信號分別為TM1、TM2、TM3，相間距離保護的動作信號為TM，TM=1時保護模型的輸出有效。模型的輸入量包括線路的電流、零序電壓、負序電流等。

保護分為3段，每段保護都可單獨投切。每段主保護為阻抗元件。阻抗元件包括低阻抗元件、方向阻抗元件、延時元件。低阻抗元件在線路阻抗值低于整定值時起動;方向阻抗元件用方向阻抗繼電器區(qū)分故障發(fā)生在區(qū)外還是區(qū)內(nèi);延時元件模擬相間距離保護各段的動作時間。另外，本模型還有振蕩閉鎖元件、過量元件、增量元件。

圖2為相間距離保護UD模型。圖2中框構(gòu)成振蕩閉鎖。實現(xiàn)振蕩閉鎖回路的基本原則:當3段同時起動時，允許Ⅰ段、Ⅱ段動作于跳閘;若Ⅲ段先起動、經(jīng)t延時后，Ⅰ段、Ⅱ段才起動時，則把Ⅰ段和Ⅱ段閉鎖，不允許它們動作跳閘。

2 連鎖故障模型的仿真計算

在實現(xiàn)了繼電保護和安自裝置的建模后，可以搭建連鎖故障仿真分析平臺，在平臺中實現(xiàn)連鎖故障的閉環(huán)、交互式仿真計算，以及準確反應(yīng)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PSASP、圖形化界面軟件、模型庫構(gòu)成。圖形化界面軟件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1個界面上顯示，通過操作命令實現(xiàn)界面軟件與PSASP的數(shù)據(jù)傳遞。數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)中添加的模型、故障的設(shè)置、仿真中檢測的電氣量等。PSASP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)，通過輸入X和輸出Y進行聯(lián)系。

圖3為連鎖故障仿真計算過程。在仿真開始前，對系統(tǒng)進行潮流計算，給出初始狀態(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(gòu)成元件的主保護和后備保護，并進行定值參數(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。在仿真計算中，PSASP產(chǎn)生的系統(tǒng)的電氣量可以實時輸送到繼電保護和安自裝置模型中，模型進行相應(yīng)判斷后動作，并將動作信息輸送到PSASP中，實現(xiàn)本次計算，等待下一步仿真軟件的計算，這樣實現(xiàn)了連鎖故障的閉環(huán)、動態(tài)交互式的仿真分析。

圖3 連鎖故障仿真計算過程

3 仿真分析實例

下面以9節(jié)點系統(tǒng)為例，闡述PSASP中連鎖故障仿真分析過程。9節(jié)點系統(tǒng)接線圖如圖4所示。

在線路3、4、5兩側(cè)分別添加相間距離保護。在線路4的中間處設(shè)定1 s時發(fā)生永久性三相接地短路故障。保護模型的動作情況及系統(tǒng)分析如下:

故障發(fā)生0.04 s后，線路4兩側(cè)的相間距離保護Ⅰ段動作，將線路4的三相切除。此時由于線路4上傳遞的功率都轉(zhuǎn)移到線路5上，同時母線STNC－230上負荷的送端只剩下母線GEN2－230，使全網(wǎng)的潮流出現(xiàn)大的變化。流經(jīng)線路3、線路5的功率顯著增大，致使所測線路5的阻抗變小，進入到線路5相間距離保護Ⅱ段的動作域內(nèi)。線路5兩側(cè)的相間距離保護Ⅱ段經(jīng)延時后在1.47 s動作，三相切除，全網(wǎng)的潮流再次變化。此時發(fā)電3已經(jīng)從系統(tǒng)脫離，需要發(fā)電1、發(fā)電2共同負擔(dān)原來的負荷，各線路傳遞的功率增幅加大，導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定度下降。

圖4 9節(jié)點算例

在該仿真實例中，雖然線路4繼電保護動作能夠人為設(shè)定，但是線路5的切除卻不會提前知道并進行模擬。通過分析事故發(fā)生過程，得出連鎖故障原因:由于線路4傳遞的功率轉(zhuǎn)移到了線路5上，使線路5的阻抗低于相間距離保護Ⅱ段定值，因此保護動作將其切除。

4 結(jié)論

通過分析繼電保護和安自裝置特性，在PSASP中實現(xiàn)了連鎖故障的閉環(huán)、交互式仿真計算分析。仿真實例表明:該仿真方法不需要人為設(shè)定繼電器的動作行為，克服了以往仿真軟件不能真實反映因保護拒動或誤動而產(chǎn)生連鎖故障的缺點，可以真實反映系統(tǒng)實際的全過程動態(tài)行為，實現(xiàn)連鎖故障的仿真分析。

［1］薛禹勝.綜合防御由偶然性演化為電力災(zāi)難—北美“8·14”大停電的警示［J］.電力系統(tǒng)自動化，2003，27(18):1 －5.

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［3］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(shù)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(22):23 －28.

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［5］中國電力科學(xué)研究院.0版潮流計算用戶手冊［M］.北京:中國電力出版社，2010.