输电线路纵联电流差动保护仿真设计.pdf

欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟收稿日期：作者简介：王磊（），男，讲师，主要研究方向为电力系统与电机控制。通讯作者：张静静（），女，讲师，主要研究方向为事故检测与复杂系统建模。犱 狅 犻：输电线路纵联电流差动保护仿真设计王磊张静静张克辉杜明轩李若舟刘思雨李霜霜（河北建筑工程学院，河北 张家口 ；河北华电石家庄鹿华热电有限公司，石家庄 ）摘要：目前，电流差动保护在高压线路已经被广泛采用，但其投入使用前必须要进行严格的实验才能保证系统的安全和稳定。由于物理实验很难模拟高压环境，所以使用计算机仿真极为重要。基于 建立了仿真系统，实现了系统和纵联电流差动保护的模拟，最后建立了人机交互界面，通过人机交互界面可以直接设定系统参数和故障类型，并进行仿真得到仿真结果，对课堂教学和理论研究有着较大意义。关键词：高压线路；纵联电流差动保护；仿真；人机交互；课堂教学中图分类号：犜犕 文献标识码：犃 前言继电保护技术和继电保护装置组成的系统一起构成了电力系统继电保护电力系统继电保护在保障电力系统安全稳定和经济运行等方面有着及其重要的作用，因此，它是电力系统的重要组成部分目前，大规模联合电力系统越来越普遍，现代大电网的结构和运行方式也趋于多样化，正因如此，继电保护的要求必须越来越高才能保证系统运行的安全性和可靠性因此，灵敏度高、可靠性好的电流差动保护得到了广泛的研究本文在研究输电线路纵联电流差动保护基本原理的基础上，在 的 仿真平台建立一次系统模型和保护模型，利用 的图形用户界面 设计了仿真界面，通过界面输入参数，仿真波形可以很直观地显示在界面上，使验证保护的动作特性更方便、快捷 纵联电流差动保护概述 纵联电流差动保护的原理输电线路纵联保护装置，能够将线路一侧的电气量传输到另一侧去，使得线路两侧之间建立纵向的联系图电流纵联差动保护示意图电流纵联差动保护示意图如图所示，流过差动继电器的电流时电流互感器二次侧电流的和，由于两个电流互感器总有励磁电流的存在，并且励磁特性不会完全的一样，所以正常运行或是区外故障时，流过差动继电器的电流并不会为零，我们称这一电流为不平衡电流若考虑励磁电流的影响，二次侧电第 卷 第期 年月河 北 建 筑 工 程 学 院 学 报犑 犗 犝 犚 犖 犃 犔犗 犉犎 犈 犅 犈 犐犐 犖 犛 犜 犐 犜 犝 犜 犈犗 犉犃 犚 犆 犎 犐 犜 犈 犆 犜 犝 犚 犈犃 犖 犇犆 犐 犞 犐 犔犈 犖 犌 犐 犖 犈 犈 犚 犐 犖 犌犞 狅 犾 犖 狅 犑 狌 狀 流的数值为：犐犿狀犜 犃（犐犕犐犕）犐狀狀犜 犃（犐犖犐犖烍烌烎）（）式中：犐犕、犐犖分别表示两个电流互感器的励磁电流；犐犿、犐狀分别表示两个电流互感器的二次电流；狀犜 犃表示两电流互感器的额定变比当正常运行或是区外短路时，犐犕犐犖，所以流过差动继电器的不平衡电流为：犐狌 狀 犫犐犿犐狀狀犜 犃（犐犕犐犖）（）继电器正确动作时，差动电流犐狉应躲过正常运行或是区外故障时的不平衡电流，也就是：犐狉犐犿犐狀犐狌 狀 犫（）在工程应用中，不平衡电流的稳态值要采用互感器的 的误差按式（）计算：犐狌 狀 犫 犓狊 狋犓狀 狆犐犽（）式中：犓狊 狋电流互感器的同型系数，若两侧的互感器型号和容量都相同时取 ，不同则取；犓狀 狆非周期分量系数；犐犽区外故障时两个电流互感器的电流差动保护的判据式（）有两种实现方法：一是躲过最大的不平衡电流犐狌 狀 犫 ，这样，式（）变形为犐狉犐犿犐狀犐狌 狀 犫 ，采用这样的方法可以防止区外故障时误动，但是区内故障时灵敏度大大降低；二是采用浮动门槛，也就是带制动特性的差动保护，通过式（）可以看出区外故障的不平衡电流与短路电流的大小有关，短路电流越小，不平衡电流也就越小，所以可以依据短路电流的大小调整差动保护的门槛值 输电线路纵联电流差动保护的特性分析输电线路纵联电流差动保护有不带制动作用和带有制动作用的两种动作判据，如果纵差保护满足灵敏度要求，一般采用不带制动作用的纵差保护，如果纵差保护不满足灵敏度要求或者对灵敏度有更高的要求时，通常要采用的纵差保护要带有制动特性两种动作判据的简要分析如下：（）不带制动特性的差动继电器特性这种差动继电器的动作方程为：犐狉犐犿犐狀犐狊 犲 狋（）式中：犐狉差动继电器中流过的电流；犐狊 犲 狋差动保护的动作电流整定值，其值通常按躲过外部短路时的最大不平衡电流和躲过最大负荷电流两个条件来选取取按这两个条件选取的整定值中较大的一个作为差动继电器的整定值（）带制动作用的差动继电器动作特性这种原理的差动继电器比较特殊，它有两组线圈，分别为制动线圈和动作线圈制动线圈流过的是两侧互感器的循环电流犐犿犐狀，其在正常运行或是区外故障时制动功率增强动作线圈中流过的是两侧互感器的和电流犐犿犐狀，其在内部故障时制动功率减弱，相应的动作功率增强继电器的动作方程是犐犿犐狀犓 犐犿犐狀犐狅 狆（）式中：犓制动系数，可在之间选择；犐狅 狆克服继电器动作时出现的机械摩擦或保证电路状态发生翻转需要的一个很小的门限值，远小于无制动作用时的犐 这种动作电流随制动电流变化的特性被称为制动特性它既提高了内部故障时的灵敏度，又提高了外部故障时不动作的可靠性，因而在电流差动保护中得到了非常大的应用河 北 建 筑 工 程 学 院 学 报第 卷 纵联电流差动保护仿真 建立双电源输电线路系统模型利用 搭建的双电源单回线仿真模型如图所示图输电线路纵联电流差动保护的主系统 输电线路纵联电流差动保护仿真系统的构成提取线路仿真部分的结果，对其进行一定的整理、分析、运算便可以实现动作行为的仿真根据侧电流（图左侧电源电流）在发生各类故障都会产生变化的特性，可以设计出故障启动元件和选相元件；根据侧和侧电流（图右侧电源电流）在不同故障时电流向量和不同的特性，可以设计出差动保护元件这些元件按照一定的工作顺序进行工作便可以构成最终的差动保护动作行为的仿真如图所示，给出了输电线路纵联电流差动保护仿真系统的逻辑框图需要指出的是，此处运用启动元件与差动继电器的共同作用来实现差动保护，可以使保护更加的安全可靠，防止了保护的误动作图输电线路纵联电流差动保护仿真系统的逻辑框图这些元件的工作顺序为：由双电源输电线路一次系统模型模拟故障，提取故障后的双端三相电流；线路侧的三相电流送至启动元件内，启动元件会对其进行计算，如果计算结果满足启动条件，则为发生故障，启动元件会输出启动信号，允许差动继电器动作；线路侧的三相电流送至选相元件内，选相元件对其进行计算和判断，选相元件会判断出满足什么相故障，并作出相应的选相结果；侧和侧的第期王磊张静静张克辉 等输电线路纵联电流差动保护仿真设计电流同时送至差动继电器，差动继电器对其进行计算和判断，若符合差动继电器的动作的条件，结合启动元件的启动信号，差动继电器输出动作信号，若不符合差动继电器的动作条件，即使有启动信号，差动继电器也不会输出动作信号 启动元件启动元件有很多种，例如：电流元件、阻抗元件、负序和零序电流元件、相电流差突变量元件等相电流差突变量元件在保护中更加可靠，所以在此采用相电流差突变量元件作为启动元件相电流差突变量元件的判据为：犐犓犐犓犐犓犖 犐 （）式（）所列出的启动判据在实际中会由于频率的波动而产生误动现象，所以在实际运用中需要对式（）进行一定的完善，即：犐犓犐犓犐犓犖犐犓犖犐犓 犖 犐 （）式中：犐犓 故障分量在犽时刻的突变量；犐犓 在犽时刻的测量电流采样值；犐犓犖 犽时刻前一个周期的电流采样值（犖是一个工频周期）；犐犓犖 犽时刻前两个周期的电流采样值；犐 突变量启动判据的门槛值 故障选相元件目前，稳态量选相与突变量选相两者相结合的选相方式已经证明了具有很大的优势，所以高压线路的故障选相大多选择这种方法如图给出了故障选相元件原理流程图图故障选相元件原理流程图 差动继电器电流差动保护的分析方法很多，可归并为两类：一类通常被称为制动特性分析法，它需要测量出差河 北 建 筑 工 程 学 院 学 报第 卷动电流犐犇和制动电流犐犚，并对差动电流和制动电流进行适当的比较和分析；另一类是以动作条件下两端电流犐犕和犐犖的相互关系表示，在这一类中广泛应用的有幅值特性分析法和相位特性分析法制动特性分析法有一定的优点，就是能够直接看出差动保护动作值的变化规律以及灵敏度裕度，但它也有很大的缺点，就是被保护元件两端电流的关系不能在差动保护动作条件下直接给出但是，后一类则弥补了这一缺陷 所以我们采用式（）作为搭建差动继电器的判断方程，根据仿真的需要，犓取值为 ，犐狅 狆取值为 ，以犃相为例搭建的继电器模型如图所示差动继电器的最终模块如图所示，其中加入一个与门，通过它与启动元件部分相连差动继电器与启动元件共同作用可以保障差动继电器的可靠工作，有效的防止了差动继电器的误动作（）相继电器模型（）差动继电器最终模型图差动继电器部分模型图 人机交互界面利用 软件可以建立人机交互界面，如图所示通过人机交互界面可以进行主系统参数的设置和修改以及故障的设定等，方便了仿真系统的参数设定和结果演示第期王磊张静静张克辉 等输电线路纵联电流差动保护仿真设计图人机交互界面 仿真结果与分析以区内相接地短路故障为例进行仿真在故障类型出选择区内相接地短路，并输入适当的参数，单击开始仿真进行仿真，会弹出仿真结果图所示为动作情况，从上至下依次是侧电流、侧电流、启动信号、差动继电器信号可以看到发生区内单相接地故障时，、两侧故障相电流增大，非故障相电流不变；启动信号和差动继电器均跳变，输出保护的动作信号如图所示是故障选相结果，由上至下分别为相接地、相接地、相接地、短路、短路、短路，可以看出相接地故障器发生跳变，其余故障器均不动作，则类型选相结果为相接地故障从结果来看，人机交互界面可以正常运行并仿真得到结果通过人机交互界面还可以改变相应的参数并进行不同故障的仿真河 北 建 筑 工 程 学 院 学 报第 卷图人机交互界面动作情况运行结果图人机交互界面选相结果 总结本文在 的 仿真平台上建立纵联电流差动保护仿真模型，利用 的 设计了人机交互界面，通过人机交互界面设置参数进行仿真，仿真结果表明区内故障保护可以正确动作，验证了纵联电流差动保护的动作特性，并且有利于课堂教学演示和后续的科研研发第期王磊张静静张克辉 等输电线路纵联电流差动保护仿真设计参考文献 王晓峰超高压输电线路自适应电流差动保护原理的研究贵阳：贵州大学，闫超电流纵差保护原理分析与仿真评估济南：山东大学，：，：，：，：马静，王希，王增平一种基于电流突变量的故障选相新方法中国电机工程学报，（）：犛 犻 犿 狌 犾 犪 狋 犻 狅 狀犇 犲 狊 犻 犵 狀狅 犳犔 狅 狀 犵 犻 狋 狌 犱 犻 狀 犪 犾犆 狌 狉 狉 犲 狀 狋犇 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋 犻 犪 犾犘 狉 狅 狋 犲 犮 狋 犻 狅 狀犳 狅 狉犜 狉 犪 狀 狊 犿 犻 狊 狊 犻 狅 狀犔 犻 狀 犲 狊犠犃 犖 犌犔 犲 犻，犣 犎 犃 犖 犌犑 犻 狀 犵 犼 犻 狀 犵，犣 犎 犃 犖 犌犓 犲 犺 狌 犻，犇 犝犕 犻 狀 犵 狓 狌 犪 狀，犔 犐犚 狌 狅 狕 犺 狅 狌，犔 犐 犝犛 犻 狔 狌，犔 犐犛 犺 狌 犪 狀 犵 狊 犺 狌 犪 狀 犵（，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；河 北 建 筑 工 程 学 院 学 报第 卷