于 游，潘昱辰，田景輔，高 陽，馬 強(qiáng)

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；2.沈陽工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

當(dāng)前，我國220 kV及以上電網(wǎng)中普遍應(yīng)用定時(shí)限零序電流保護(hù)作為輸電線路接地故障的后備保護(hù)，主要作用是當(dāng)線路發(fā)生經(jīng)高阻接地故障接地距離保護(hù)不能動(dòng)作時(shí)，由它來切除故障[1]。但是由于定時(shí)限零序電流在整定時(shí)簡化為兩段或一段[2]，上下級(jí)線路間的零序電流保護(hù)難以配合，存在大量的不配合點(diǎn)，而且其整定計(jì)算非常復(fù)雜。反時(shí)限電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間與電流值呈反比，一般故障線路電流最大，動(dòng)作時(shí)間最短，離故障點(diǎn)越遠(yuǎn)電流越小，動(dòng)作時(shí)間越長，具有天然的選擇性。用反時(shí)限零序電流保護(hù)替代定時(shí)限零序電流保護(hù)，能夠解決定時(shí)限保護(hù)的選擇性問題，大幅減少整定工作量，并同時(shí)兼作接地故障的遠(yuǎn)后備，是繼電保護(hù)工作者的共識(shí)[3-4]。

反時(shí)限零序電流保護(hù)原理雖然簡單，但是要想用一條反時(shí)限曲線適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)電網(wǎng)和各種故障，研究工作非常復(fù)雜和困難。一是反時(shí)限電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間與輸入電流值為非線性關(guān)系，這意味著對(duì)于一條線路而言，故障點(diǎn)在不同位置、經(jīng)不同的電阻值接地，線路兩端和周圍的反時(shí)限零序電流保護(hù)動(dòng)作行為與配合情況不同；二是反時(shí)限電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間與輸入電流值為積分關(guān)系，在任何一點(diǎn)跳開后，電網(wǎng)電流將重新分布，動(dòng)作時(shí)間將隨之發(fā)生變化，手工計(jì)算難以實(shí)現(xiàn)；三是要確定適當(dāng)?shù)姆磿r(shí)限曲線參數(shù)，使該曲線在不同的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和經(jīng)不同電阻接地故障下具有最優(yōu)性能，研究工作量非常大。

由于研究難度大，缺乏有效的技術(shù)手段，目前反時(shí)限零序電流保護(hù)的研究存在許多問題。所研究的模型基本都是簡化電網(wǎng)模型，故障類型一般為金屬性接地和規(guī)程規(guī)定電阻上限值接地2個(gè)極端點(diǎn)，而且沒有定量考慮電網(wǎng)斷路器相繼動(dòng)作后電流的重新分布[5-7]，這些研究與實(shí)際的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和故障狀況尚有距離，反時(shí)限零序電流保護(hù)的實(shí)際配合情況需要進(jìn)一步研究。到目前為止，反時(shí)限零序電流保護(hù)在220 kV電網(wǎng)中除少數(shù)500 kV電網(wǎng)[8-9]仍未得到應(yīng)用，而且在整定上只能采取簡化的整定方法[10]，還沒有案例來證明其方案的有效性。

因此要深入研究反時(shí)限零序電流保護(hù)的性能，弄清在電網(wǎng)應(yīng)用中存在的問題，合理整定其他保護(hù)與其配合，需要開發(fā)專門的反時(shí)限零序電流保護(hù)分析仿真平臺(tái)，為研究工作提供有力的工具。

1 反時(shí)限零序電流保護(hù)仿真平臺(tái)的搭建

1.1 仿真平臺(tái)搭建思路

平臺(tái)的仿真計(jì)算環(huán)境應(yīng)最大可能與實(shí)際電網(wǎng)一致，這樣才能使研究結(jié)果符合電網(wǎng)實(shí)際。因此，分析與仿真平臺(tái)的建模系統(tǒng)，不但要支持圖形化的自定義建模，還要有調(diào)用整定計(jì)算平臺(tái)的電網(wǎng)模型和參數(shù)庫功能，這樣分析平臺(tái)才具備與實(shí)際電網(wǎng)完全一致的模型和數(shù)據(jù)，而且故障計(jì)算結(jié)果可經(jīng)過整定計(jì)算軟件驗(yàn)證，從而保證零序電流計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確。

由于要具備對(duì)整個(gè)大型電網(wǎng)的全部設(shè)備進(jìn)行批量計(jì)算和仿真，反時(shí)限零序電流保護(hù)的仿真計(jì)算量非常大，客戶端計(jì)算機(jī)有限的計(jì)算能力滿足不了計(jì)算要求，因此平臺(tái)的架構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)為基于B/S架構(gòu)(Brower/Server，即瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu))，服務(wù)器的計(jì)算能力要遠(yuǎn)大于客戶端計(jì)算機(jī)，而且可以擴(kuò)展，能夠滿足仿真計(jì)算需求。

1.2 仿真平臺(tái)的結(jié)構(gòu)

研發(fā)的B/S架構(gòu)反時(shí)限零序電流保護(hù)仿真平臺(tái)如圖1所示。系統(tǒng)部署在調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)Ⅲ區(qū)，與一體化整定計(jì)算系統(tǒng)共用服務(wù)器計(jì)算資源，客戶端通過瀏覽器進(jìn)行訪問系統(tǒng)，開展有關(guān)計(jì)算和仿真研究，平臺(tái)支持多用戶同時(shí)工作。

圖1 B/S架構(gòu)反時(shí)限零序電流保護(hù)仿真平臺(tái)

仿真平臺(tái)具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。平臺(tái)底層模塊為仿真平臺(tái)數(shù)據(jù)建模，采取界面友好、易操作的圖形化方式建模，也可直接調(diào)用電網(wǎng)整定計(jì)算系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c參數(shù)；故障計(jì)算模塊是按照仿真計(jì)算要求，計(jì)算仿真范圍內(nèi)的各點(diǎn)零序電流值、零序電壓值以及夾角；仿真計(jì)算模塊是應(yīng)用層模塊，具有各種分析和仿真功能，按照用戶指令計(jì)算分析反時(shí)限零序電流保護(hù)數(shù)據(jù)，并將結(jié)果輸出給用戶。

圖2 反時(shí)限零序電流保護(hù)仿真平臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 仿真平臺(tái)的功能設(shè)計(jì)

2.1 零序電流及反時(shí)限時(shí)間的計(jì)算

根據(jù)不同的要求和計(jì)算條件，計(jì)算出電網(wǎng)各點(diǎn)的反時(shí)限零序電流值以及對(duì)應(yīng)的動(dòng)作時(shí)間，該功能是研究反時(shí)限性能和開展仿真的基礎(chǔ)，平臺(tái)具有如下計(jì)算功能。

a.基于圖形可在電網(wǎng)任意點(diǎn)設(shè)置接地故障，接地電阻值、接地類型、是否相繼可設(shè)置，計(jì)算出電網(wǎng)中各點(diǎn)的零序電流值和角度。

b.支持設(shè)置3個(gè)不同的一般反時(shí)限曲線(啟動(dòng)值、時(shí)間系數(shù)不同)，根據(jù)零序電流計(jì)算出3條曲線對(duì)應(yīng)的動(dòng)作時(shí)間。

c.以上計(jì)算結(jié)果可在圖形上顯示出來，可根據(jù)需要顯示全部或顯示正方向。

d.可按(a)、(b)功能在線路起端、中間、末端分別設(shè)置故障點(diǎn)，全網(wǎng)或全圖批量計(jì)算線路兩端的零序電流值及不同曲線的動(dòng)作時(shí)間，并報(bào)表輸出。

2.2 零序電壓的計(jì)算

基于圖形可在電網(wǎng)任意點(diǎn)設(shè)置接地故障，接地電阻值、接地類型、是否相繼可設(shè)置，計(jì)算出電網(wǎng)中各點(diǎn)的零序電壓值，轉(zhuǎn)變?yōu)槎沃翟趫D形各計(jì)算點(diǎn)上標(biāo)出。

2.3 靜態(tài)分析

靜態(tài)分析是指僅考慮故障狀態(tài)下一側(cè)開關(guān)相繼和不相繼兩種方式下，電網(wǎng)各點(diǎn)的反時(shí)限零序電流保護(hù)配合情況，不考慮相繼后的電流重新分布，主要目的是研究線路斷路器未斷開前或一側(cè)由快速保護(hù)斷開情況下，電網(wǎng)各點(diǎn)反時(shí)限零序電流保護(hù)間的配合情況，與2.4節(jié)的動(dòng)態(tài)仿真進(jìn)行對(duì)比，能夠檢查出當(dāng)前各種分析方法下的反時(shí)限性能存在的問題和不足。具有如下計(jì)算功能。

a.基于圖形可在電網(wǎng)任意點(diǎn)設(shè)置接地故障，接地電阻值、接地類型、是否相繼可設(shè)置，反時(shí)限曲線參數(shù)和時(shí)間級(jí)差可設(shè)置，計(jì)算電網(wǎng)中各點(diǎn)的零序電流值和動(dòng)作時(shí)間，并在圖形上顯示，按級(jí)差要求標(biāo)注出不配合點(diǎn)。

b.按(a)設(shè)置功能在線路起端、中間、末端分別設(shè)置故障點(diǎn)，基于全網(wǎng)或全圖進(jìn)行批量故障計(jì)算，篩選出所有線路對(duì)應(yīng)故障位置下的不配合點(diǎn)，將不配合點(diǎn)的位置、零序電流值及動(dòng)作時(shí)間報(bào)表輸出。

2.4 動(dòng)態(tài)仿真

動(dòng)態(tài)仿真是電網(wǎng)發(fā)生接地故障，反時(shí)限零序電流按動(dòng)作時(shí)間先后跳閘時(shí)，能夠計(jì)及這些跳閘后零序電流變化的仿真。要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)仿真，首先應(yīng)解決動(dòng)態(tài)電流下的反時(shí)限時(shí)間計(jì)算方法。

一般反時(shí)限動(dòng)作方程為[11]

(1)

式中：I為輸入電流的測(cè)量值；IB為基準(zhǔn)電流；tp為時(shí)間常數(shù)；t為動(dòng)作時(shí)間。

故障發(fā)生后故障電流可能是個(gè)變化量，此時(shí)不能直接按式(1)計(jì)算出動(dòng)作時(shí)間，需要根據(jù)不同階段的激勵(lì)量I所維持的時(shí)間T來計(jì)算所積累的量，當(dāng)各階段的積累量總和達(dá)到動(dòng)作門檻時(shí)，保護(hù)元件動(dòng)作，過程可等效為

(2)

式中：T0為保護(hù)元件動(dòng)作時(shí)間。在實(shí)際計(jì)算中，需要把連續(xù)過程離散化處理，可演變?yōu)?/p>

(3)

式中：Δt為2次累積的時(shí)間間隔；N為過流反時(shí)限元件從啟動(dòng)到動(dòng)作所經(jīng)歷的能量累計(jì)的次數(shù)；t(I)n為第n次累計(jì)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的理論動(dòng)作時(shí)間，該值隨I的變化而變化。

本仿真平臺(tái)按上述處理方法計(jì)算各點(diǎn)反時(shí)限零序電流保護(hù)時(shí)間，當(dāng)發(fā)生某一處保護(hù)先動(dòng)作后，重新計(jì)算電網(wǎng)各點(diǎn)電流值，再繼續(xù)累計(jì)計(jì)算，直至故障線路兩側(cè)都斷開后停止。

具體功能如下。

a.基于圖形可在電網(wǎng)任意點(diǎn)設(shè)置接地故障，接地電阻值、接地類型、運(yùn)行方式可設(shè)置，反時(shí)限曲線參數(shù)和時(shí)間級(jí)差可設(shè)置，仿真電網(wǎng)中各點(diǎn)保護(hù)的先后動(dòng)作次序，按級(jí)差要求在圖形上顯示出不配合點(diǎn)或越級(jí)動(dòng)作情況。本功能可以用來詳細(xì)分析某一電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下的保護(hù)動(dòng)作行為。

b.按(a)設(shè)置功能在線路起端、中間、末端分別設(shè)置故障點(diǎn)，基于全網(wǎng)或全圖進(jìn)行批量仿真計(jì)算，報(bào)表輸出所有線路兩側(cè)都斷開下的動(dòng)作電流和動(dòng)作時(shí)間。此功能可用來掌握動(dòng)態(tài)下全網(wǎng)保護(hù)的動(dòng)作數(shù)據(jù)，以及目標(biāo)反時(shí)限曲線的快速性。

c．按(a)設(shè)置功能在線路起端、中間、末端分別設(shè)置故障點(diǎn)，基于全網(wǎng)或全圖進(jìn)行批量仿真計(jì)算，篩選出所有線路對(duì)應(yīng)故障位置下的不配合點(diǎn)，將不配合點(diǎn)情況報(bào)表輸出。此功能可以用來分析目標(biāo)反時(shí)限曲線在不同故障情況下的選擇性。

3 仿真平臺(tái)應(yīng)用算例

3.1 算例1

選擇遼寧500 kV電網(wǎng)為計(jì)算范圍，故障類型設(shè)置為單相接地，接地電阻值為150 Ω，故障點(diǎn)分別設(shè)置在線路起端0、50%、100%處，計(jì)算每條線路兩側(cè)零序電流值，對(duì)應(yīng)的3條不同反時(shí)限曲線的動(dòng)作時(shí)間，能夠同時(shí)將105條500 kV線路計(jì)算完畢并將結(jié)果報(bào)表輸出，供分析研究。

3.2 算例2

本案例為遼寧500 kV電網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算，設(shè)立故障類型為金屬性接地故障，反時(shí)限零序電流曲線的啟動(dòng)電流為300 A，時(shí)間常數(shù)為0.7，最小動(dòng)作時(shí)間為0.5 s，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 反時(shí)限零序電流保護(hù)動(dòng)態(tài)仿真

根據(jù)仿真結(jié)果可知，考慮反時(shí)限零序電流保護(hù)的動(dòng)態(tài)特性，在金屬性單相故障情況下，500 kV電網(wǎng)中存在不少保護(hù)越級(jí)和級(jí)差不足0.3 s的情況，主要是故障線路先動(dòng)作側(cè)背后線路與后動(dòng)作側(cè)間的不配合，在以往分析中是未得到考慮，應(yīng)對(duì)這一問題進(jìn)一步進(jìn)行研究。

4 結(jié)束語

反時(shí)限零序電流保護(hù)分析仿真平臺(tái)是研究反時(shí)限零序電流保護(hù)的必要工具，通過這一工具，能夠反映反時(shí)限保護(hù)在電網(wǎng)中各處的真實(shí)情況，發(fā)現(xiàn)其相互之間以及與其他保護(hù)配合上存在的問題，然后研究其內(nèi)在機(jī)理，尋找相應(yīng)的解決辦法，為反時(shí)限零序電流保護(hù)在電網(wǎng)中的大范圍應(yīng)用掃清障礙。