苑 博 ，邱湘可

（1.西安工程大學(xué) 陜西 西安 710048；2.國網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司 河北 承德 067000）

在電力系統(tǒng)各個(gè)組成部分中，配電網(wǎng)是與電力用戶之間最直接、最緊密的。在我國配電網(wǎng)絡(luò)中，6～66 kV的中低壓網(wǎng)絡(luò)，均采用小電流接地方式。在小電流接地系統(tǒng)中，單相故障是最常發(fā)生的一種。單相故障發(fā)生時(shí)，小電流系統(tǒng)中的故障電流很小，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性較高；同時(shí)，由于接地故障零序電流小，非常不利于判斷故障線路[1]。

1958年以來，我國對小電流接地系統(tǒng)做了大量的研究。PSCAD仿真軟件擁有完整全面的元件庫，穩(wěn)定的計(jì)算流程，友好的圖形界面，等特點(diǎn)被廣大電力系統(tǒng)研究、分析人員所推崇，廣泛用于電力系統(tǒng)暫態(tài)過程計(jì)算、直流系統(tǒng)分析與工程研究、FACTS控制器設(shè)計(jì)、電能質(zhì)量現(xiàn)象分析和電力電子器件設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。

文中介紹了PSCAD仿真軟件及其仿真環(huán)境，搭建了小電流接地系統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)仿真模型，并在不同情況下進(jìn)行了大量的仿真，仿真結(jié)果與實(shí)際一致，直觀的展現(xiàn)了小電流接地系統(tǒng)單向故障的特點(diǎn)，為單相接地故障選線方法的研究提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 PSCAD

1.1 PSCAD軟件簡介

PSCAD/EMTDC是加拿大馬尼托巴高壓直流研究中心出品的一款電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件，PSCAD（Power Systems Computer Aided Design）是用戶界面，EMTDC（Electromagnetic Transients including DC）是內(nèi)部程序。

EMTDC最初代表直流暫態(tài)，是一套基于軟件的電磁暫態(tài)模擬程序。這個(gè)程序被廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)許多類型的模擬研究，其中包括交流研究，雷電過電壓和電力電子學(xué)研究[2]。

PSCAD代表電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，使用戶能更方便地使用EMTDC進(jìn)行電力系統(tǒng)分析，使電力系統(tǒng)復(fù)雜部分可視化成為可能，而且軟件可以作為實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器的前置端，模擬任意大小的交直流系統(tǒng)。PSCAD的主程序結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PSCAD主程序結(jié)構(gòu)Fig.1 The main program structure of PSCAD

1.2 PSCAD元件模型庫

PSCAD提供大量經(jīng)過嚴(yán)格測試的電力系統(tǒng)元件模型，從簡單的無源元件和控制元件到發(fā)電機(jī)、FACTS器件、傳輸線等復(fù)雜的元件模型，都包含在PSCAD的元件模型庫之中。打開軟件后，工作去窗口中會自動(dòng)加載庫文件，點(diǎn)擊加號可打開，如圖2所示界面。

圖2 元件庫Fig.2 Master Library

2 故障仿真算例及分析

2.1 仿真模型的建立

本文建立的小電流接地系統(tǒng)的仿真模型如圖3所示。該系統(tǒng)共有5條饋線，全部采用相同負(fù)載。

在PSCAD/EMTDC中有4種常用的線路模型：

π型模型：當(dāng)采用物理模擬時(shí)，輸電線路的分布參數(shù)效應(yīng)往往用多級集中參數(shù)的型等效電路級聯(lián)來模擬。當(dāng)采用數(shù)字仿真時(shí)，有時(shí)也采用這種方法來模擬輸電線路。其優(yōu)點(diǎn)為它不受線路參數(shù)矩陣是否平衡的限制；對感興趣的任何一根單導(dǎo)線（包括地線）都可作為多相輸電線路中的一相來處里。缺點(diǎn)為計(jì)算效率很低，模擬一條輸電線路就要耗費(fèi)很多節(jié)點(diǎn)，而且容易產(chǎn)生虛假振蕩。

Bergeron模型：輸電線路的Bergeron模型的主要思想是將分布參數(shù)的線路化為集中參數(shù)的模型來處理，然后用集中參數(shù)電路的分析方法來研究。在雷電過電壓計(jì)算中，一般只需考慮單相導(dǎo)線即可，在計(jì)算操作過電壓時(shí)涉及三相，但應(yīng)用相模變換，可將三相網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃У膯蜗嗑W(wǎng)絡(luò)。

頻率相關(guān) （模式） 模型 （Frequency-Dependent（Mode）model）：該模型由J.Marti提出的考慮頻率特性的線路模型發(fā)展而來，該模型基于常量轉(zhuǎn)換矩陣 （Constant transformation matrix），其中的元件參數(shù)與頻率相關(guān)。該模型在考慮線路換位的情況下，采用模態(tài)技術(shù)求解線路常數(shù)。能較精確模擬理想換位導(dǎo)線（或兩根導(dǎo)線水平設(shè)置）和單根導(dǎo)體的系統(tǒng)。但在用于精確模擬交直流系統(tǒng)相互作用的時(shí)候該模式就不能給出可靠的解了，另外不能準(zhǔn)確模擬不對稱的線路也是該模型的一個(gè)缺點(diǎn)。

圖3 小電流接地系統(tǒng)仿真模型Fig.3 Simulation model of small current grounding system

頻率相關(guān) （相位） 模型 （Frequency-Dependent（Phase）model）：元件參數(shù)與頻率相關(guān)，該模型考慮了內(nèi)部轉(zhuǎn)換矩陣（Internal transformation matrices），在相位范圍內(nèi)直接求解換位問題?？删_模擬所有結(jié)構(gòu)的傳輸線，包括不平衡幾何結(jié)構(gòu)的線路。除非有特殊的原因選取前兩個(gè)模型，頻率相關(guān)（相位）模型在仿真計(jì)算中，應(yīng)為首選項(xiàng)。該模型在世界上是最為先進(jìn)和精確的傳輸線時(shí)域分析模型。

本仿真采用的是頻率相關(guān)（相位）模型，設(shè)置為理想換位模型。導(dǎo)線型號全部為LGJ-120，等腰三角形排列，導(dǎo)線距地15 m，導(dǎo)線間距離為1.5 m。3條出線長度分別是20 km，30 km，40 km，45 km，50 km。 變壓器為 220 kV/35 kV， 容量為100 MVA。

2.2 對零序特征量的仿真分析

2.2.1 故障時(shí)刻對故障零序特征量的影響

故障時(shí)刻的不同，會對暫態(tài)過程產(chǎn)生影響。以線路3為故障線路，過渡電阻和故障點(diǎn)距母線距離保持不變，分別在相電壓正、負(fù)半波的任意時(shí)刻、過零點(diǎn)和峰值時(shí)發(fā)生短路故障。 t1=0.1 s，t2=0.11 s，t3=0.101 0 s，t4=0.111 0 s，t5=0.105 0 s，t6=0.115 0 s。仿真結(jié)果如圖4所示。

2.2.2 接地電阻對故障零序特征量的影響

接地電阻的大小隨故障情況而變化。以線路3為故障線路，使短路時(shí)刻固定在t=0.1 s，短路點(diǎn)距母線距離都為10 km，設(shè)接地電阻分別為R1=10，R2=50，R3=100，進(jìn)行A相短路仿真。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 故障時(shí)刻對故障零序特征量的影響Fig.4 Impact of fault time on fault zero-sequence characteristic quantity

2.2.3 結(jié)果分析

1）由圖4可見，不同的短路時(shí)刻產(chǎn)生的故障零序特征量也明顯不同。當(dāng)故障發(fā)生在故障相電壓峰值時(shí)，暫態(tài)現(xiàn)象最明顯；當(dāng)故障發(fā)生在電壓過零時(shí)，暫態(tài)電流的值不是很大。因此當(dāng)故障在電壓過零點(diǎn)發(fā)生時(shí)，暫態(tài)信號特別微弱，不能夠給出可靠的判斷，不能使用小波法進(jìn)行選線[5]。零序電壓的極性與發(fā)生短路時(shí)刻的故障相電壓極性相關(guān)，零序電壓與故障相電壓極性相反，相差180°。故障發(fā)生后的四分之一個(gè)周期內(nèi)，故障電路零序電流會有一個(gè)較大的沖擊電流，極性與短路時(shí)刻有關(guān)，與零序電壓相差180°。

2）由圖5可見，接地電阻對故障零序特征量及故障點(diǎn)壓都有比較大的影響。接地電阻越大，故障線路和非故障線路首半波的零序電流沖擊值越小，甚至消失；故障后故障相電壓越明顯；零序電壓波形越平滑。

3 結(jié)論

PSCAD/EMTDC仿真平臺使電力系統(tǒng)暫態(tài)分析更加簡單直觀，使電力系統(tǒng)研究人員從繁瑣的建模中解放出來。它操作簡單，模型更加專業(yè)，應(yīng)用范圍廣泛。通過PSCAD/EMTDC對小電流接地系統(tǒng)的進(jìn)行仿真，能夠很好的克服純理論分析的抽象性，使小電流接地系統(tǒng)故障特征更加形象直觀地展現(xiàn)出來，使研究人員更好的理解系統(tǒng)特性，幫助進(jìn)一步的改進(jìn)選線和定位方法。

圖5 接地電阻對故障特征量的影響Fig.5 Impact of grounding resistance on the fault characteristic quantity

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