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摘要：PSCAD是在世界范围内，被广大的电力系统稳定与控制的科研人员广泛使用的一种电力系统仿真软件。本文以PSCAD软件作为理论研究和仿真的基础。通过在PSCAD中搭建双端电源网络，模拟系统遭遇单相接地短路故障、两相短路故障、两相接地短路故障、三相短路故障，观察遭遇短路故障后的系统暂态特征。本文提出的保护方法，能够正确的识别出故障，并且能够可靠的将故障线路从系统中切除。以此做为接下来进一步研究新型保护原理的数据和平台基础。
关键词：距离保护、多边形阻抗继电器、PSCAD
ABSTRACT： PSCAD is a kind of power system simulation software widely used by the researchers of power system stability and control in the world.This paper takes PSCAD software as the basis of theoretical research and simulation.By setting up a two-terminal power supply network in PSCAD， the simulation system encounters single-phase ground short circuit fault， two-phase short circuit fault， two-phase ground short circuit fault and three-phase short circuit fault， and the transient characteristics of the system after the short circuit fault are observed.The protection method proposed in this paper can correctly identify the fault， and can reliably cut the fault line from the system.This will serve as the data and platform basis for further research on the new protection principle.
KEY WORDS：Distance protection， polygonal impedance relay，PSCAD
1 引言
在过去的几十年中，电力负荷不断增长，使电力系统遭遇了更大的运行压力。输电线路是电力系统各元件中发生故障几率最大的元件。输电线路的运行方式、接线形式和过渡电阻的大小，以及保护装置自身的定值高低、灵敏度大小、定值整定过程中考虑的各种因素都会对输电线路的运行可靠性产生至关重要的影响。为此有必要采用性能更完善、可靠性更高的继电保护装置[1]。
为研究系统在发生故障后，系统的特征情况，有动模仿真平台和软件仿真平台。平台的选择至关重要，本文采用PSCAD（Power Systems Computer Aided Design）仿真软件。PSCAD是于1976年由加拿大的Dennis Woodford博士等科研人员在曼尼托巴水电局开发完成的，是非常优秀的电磁暂态仿真软件，用户可以轻松地构建、模拟和建模系统，为电力系统控制、无功补偿、高压直流输电以及继电保护系统提供了无限的可能性[2]。
因而，本文采用PSCAD仿真软件，在EMTDC可视化界面中搭建双端供电网络。模拟输电线路遭到两相短路故障、两相接地短路故障、三相短路等故障的冲击，观察故障后的系统特征。以此作为保护原理验证的基础性数据，并进一步将多边形阻抗继电器的保護原理在软件环境中搭建出来。为接下来对故障后的系统动态特性进一步分析，进一步改进多边形阻抗继电器动作边界提供了数据基础，具有简洁高效灵活的优势[3-5]。
2 模型的搭建
2.1 线路模型的搭建
在PSCAD仿真软件中搭建如下双端供电网络：
模型两侧的发电机采用Synchronous Machine模型。系统频率50Hz，额定电压10kV，右侧发电机功角滞后左侧发电机20°。发电机其他主要参数如图2所示：变压器额定容量160MVA，Ynd11接线，电压等级10.5kV/230kV。
线路总长度 L=2000km。线路采用3 Conductor Delta Tower模型，如图3所示。
2.2 数据采样和信号处理模块的搭建
在线路两侧加入Multimeter元件，如图4所以。它的作用和电压互感器、电流互感器相同，采集保护安装处（断路器B1、B2处）的电压和电流，后送入信号处理模块（如图5），对故障后的电压电流量进行分析处理。
信号处理模块主要将采集到的电压与电流信号通过图6中的FFT快速傅里叶进行分解，这里主要进行七次谐波分解，求得出ABC三相对应基波分量的幅值与相位。
经FFT快速傅里叶分解出的电压和电流的基波分量，可以送至图7中的Sequence Filter正序负序零序分量滤过器中，分解各序的幅值和相位（iam、ibm、icm、iap、ibp、icp）其中零序分量后续将用于零序的相关保护模块。
2.3 继电保护模块的搭建
经FFT分解得到三相幅值和相位iam、ibm、icm、iap、ibp、icp等模拟量，送入继电保护模块中，如图8所示。
继电保护模块将输入的iam、ibm、icm、iap、ibp、icp等模拟量进行处理，计算出保护安装处的阻抗值。 对于中性点直接接地的系统，短路后会有零序电流产生，因而采用的是Line to Ground Impedance线对地阻抗元件，数据处理后得到接地短路时的以直角坐标形式表示的阻抗R+jX，也被成为测量阻抗，R表征测量阻抗的电阻部分，X表征测量阻抗的电抗部分;对于相间故障，采用Line to Line Impedance线对线阻抗元件，类似的可以得到相间故障时的测量阻抗。
处理后得到的阻抗R+jX，接入Trip Polygon多边形继电器元件。此过程如图8所示。
当R+jX在直角坐标系中所确定的一个点，在系统故障后进入到图9的多边形阻抗继电器的各边所“包围”的区域内部时，Trip Polygon多边形继电器元件动作，也就是多边形继电器元件输出值由不动作时的低电平信号“0”变成高电平信号“1”。
本文中的多边形阻抗继电器采用四边形动作特性。四边形各个端点的坐标分别为：A（50，55）、B（60，-15）、C（-5，65）、D（0，60）。本仿真模型的建立，基于基本的距离保护原理。当系统发生短路后，测量阻抗迅速由负荷阻抗过渡到短路阻抗，当短路阻抗的端点K位于由A、B、C、D四个点所确定的四边形阻抗特性内部时，四边形阻抗继电器元件动作，发出动作信号。
2.4 短路故障模块的搭建
该模块主要由“Timed Fault Logic”、“Three Phase Fault”、“Rotary Switch”三个元件构成。可以模拟输电线路发生单相接地短路、三相短路、两相短路等常见的短路故障。并且可以对故障发生的时刻，故障的类型进行设置。
3 仿真结果
3.1 单相接地短路故障
输电线路发生几率最大的故障是单相接地故障。在模型中，设置短路故障模块，使系统在0.2秒的时刻发生A相接地短路，短路点在线路全长的50%处，短路持续时间0.05秒。仿真结果如下图所示。
从结果分析可知，在发生故障期间（上图中fit信号为高电平的时间段）A相的电压大幅降低，同时电流急剧增大。在发生短路期间，继电保护模块中A相的Line to Ground Impedance线对地阻抗元件，测量到的短路阻抗在直角坐标系中的曲线如图12所示。
故障后的测量阻抗落入了由A（50，55）、B（60，-15）、C（-5，65）、D（0，60）四個点做确定的四边形内。此时，符合Trip Polygon多边形继电器元件的动作条件，该元件发出使断路器B1跳闸的信号，即图8 中的“IT_6”由低电平信号变为高电平信号，此信号控制断路器B1，使其从闭合状态变为断开状态，从而将单相接地故障切除。
断路器跳闸切除故障后，三相电压趋于正常，线路中的电流幅值将至0值，这意味着保护正确动作，仿真软件部分的算法可靠，能够正确的识别故障。
3.2 相间短路故障
对应相间短路故障，由图8中的相间阻抗元件进行故障的识别和判断。设置BC两相发生相间短路，故障持续时间0.05秒，得到的仿真结果如图13所示。
BC相间短路后，和B相C相相关的相间阻抗元件同样能够准确的识别到故障情况的发生，，“IT_6”在故障发生后变为高电平，对外输出使B1断路器跳开的信号，保护正确动作。
4 结语
本文利用PSCAD仿真软件，成功的将输电线路距离保护的原理，以软件的形式复现出来。此模型，利于我们对系统发生故障后系统各部分的电压电流和潮流的分布，故障后系统的状态有更深入的了解。单相故障和相间故障后，保护正确动作证明了模型的可靠性。再次模型的基础上可进一步开展更深入的其他研究。
参考文献
[1]段立立. 含宁东直流的山东电网交直流系统PSCAD建模与仿真[D]： 华北电力大学， 2012.
[2] 张爱兰. PSCAD/EMTDC和ATP仿真在数字式继电保护中的应用[J]. 电气传动自动化， 2012（6）： 36-39.
[3]彭湃，程汉湘. 基于PSCAD4.2软件的电力系统距离保护仿真分析[J]. 电工电气， 2014（7）： 28-31.
[4]韩晓雯. 基于PSCAD的电力系统电磁暂态和机电暂态混合仿真研究[D]. 华北电力大学（北京）， 2016.
[5]燕林滋，马金燕，李静，等. 基于PSCAD线路距离保护的仿真分析[J]. 内燃机与配件， 2017（ 03）： 139- 142.
作者简介：
郑雷（1983年出生），工程硕士，工程师，主要从事新能源发电及微电网控制方面工作，邮箱：[email protected]
关键词：距离保护、多边形阻抗继电器、PSCAD
ABSTRACT： PSCAD is a kind of power system simulation software widely used by the researchers of power system stability and control in the world.This paper takes PSCAD software as the basis of theoretical research and simulation.By setting up a two-terminal power supply network in PSCAD， the simulation system encounters single-phase ground short circuit fault， two-phase short circuit fault， two-phase ground short circuit fault and three-phase short circuit fault， and the transient characteristics of the system after the short circuit fault are observed.The protection method proposed in this paper can correctly identify the fault， and can reliably cut the fault line from the system.This will serve as the data and platform basis for further research on the new protection principle.
KEY WORDS：Distance protection， polygonal impedance relay，PSCAD
1 引言
在过去的几十年中，电力负荷不断增长，使电力系统遭遇了更大的运行压力。输电线路是电力系统各元件中发生故障几率最大的元件。输电线路的运行方式、接线形式和过渡电阻的大小，以及保护装置自身的定值高低、灵敏度大小、定值整定过程中考虑的各种因素都会对输电线路的运行可靠性产生至关重要的影响。为此有必要采用性能更完善、可靠性更高的继电保护装置[1]。
为研究系统在发生故障后，系统的特征情况，有动模仿真平台和软件仿真平台。平台的选择至关重要，本文采用PSCAD（Power Systems Computer Aided Design）仿真软件。PSCAD是于1976年由加拿大的Dennis Woodford博士等科研人员在曼尼托巴水电局开发完成的，是非常优秀的电磁暂态仿真软件，用户可以轻松地构建、模拟和建模系统，为电力系统控制、无功补偿、高压直流输电以及继电保护系统提供了无限的可能性[2]。
因而，本文采用PSCAD仿真软件，在EMTDC可视化界面中搭建双端供电网络。模拟输电线路遭到两相短路故障、两相接地短路故障、三相短路等故障的冲击，观察故障后的系统特征。以此作为保护原理验证的基础性数据，并进一步将多边形阻抗继电器的保護原理在软件环境中搭建出来。为接下来对故障后的系统动态特性进一步分析，进一步改进多边形阻抗继电器动作边界提供了数据基础，具有简洁高效灵活的优势[3-5]。
2 模型的搭建
2.1 线路模型的搭建
在PSCAD仿真软件中搭建如下双端供电网络：
模型两侧的发电机采用Synchronous Machine模型。系统频率50Hz，额定电压10kV，右侧发电机功角滞后左侧发电机20°。发电机其他主要参数如图2所示：变压器额定容量160MVA，Ynd11接线，电压等级10.5kV/230kV。
线路总长度 L=2000km。线路采用3 Conductor Delta Tower模型，如图3所示。
2.2 数据采样和信号处理模块的搭建
在线路两侧加入Multimeter元件，如图4所以。它的作用和电压互感器、电流互感器相同，采集保护安装处（断路器B1、B2处）的电压和电流，后送入信号处理模块（如图5），对故障后的电压电流量进行分析处理。
信号处理模块主要将采集到的电压与电流信号通过图6中的FFT快速傅里叶进行分解，这里主要进行七次谐波分解，求得出ABC三相对应基波分量的幅值与相位。
经FFT快速傅里叶分解出的电压和电流的基波分量，可以送至图7中的Sequence Filter正序负序零序分量滤过器中，分解各序的幅值和相位（iam、ibm、icm、iap、ibp、icp）其中零序分量后续将用于零序的相关保护模块。
2.3 继电保护模块的搭建
经FFT分解得到三相幅值和相位iam、ibm、icm、iap、ibp、icp等模拟量，送入继电保护模块中，如图8所示。
继电保护模块将输入的iam、ibm、icm、iap、ibp、icp等模拟量进行处理，计算出保护安装处的阻抗值。 对于中性点直接接地的系统，短路后会有零序电流产生，因而采用的是Line to Ground Impedance线对地阻抗元件，数据处理后得到接地短路时的以直角坐标形式表示的阻抗R+jX，也被成为测量阻抗，R表征测量阻抗的电阻部分，X表征测量阻抗的电抗部分;对于相间故障，采用Line to Line Impedance线对线阻抗元件，类似的可以得到相间故障时的测量阻抗。
处理后得到的阻抗R+jX，接入Trip Polygon多边形继电器元件。此过程如图8所示。
当R+jX在直角坐标系中所确定的一个点，在系统故障后进入到图9的多边形阻抗继电器的各边所“包围”的区域内部时，Trip Polygon多边形继电器元件动作，也就是多边形继电器元件输出值由不动作时的低电平信号“0”变成高电平信号“1”。
本文中的多边形阻抗继电器采用四边形动作特性。四边形各个端点的坐标分别为：A（50，55）、B（60，-15）、C（-5，65）、D（0，60）。本仿真模型的建立，基于基本的距离保护原理。当系统发生短路后，测量阻抗迅速由负荷阻抗过渡到短路阻抗，当短路阻抗的端点K位于由A、B、C、D四个点所确定的四边形阻抗特性内部时，四边形阻抗继电器元件动作，发出动作信号。
2.4 短路故障模块的搭建
该模块主要由“Timed Fault Logic”、“Three Phase Fault”、“Rotary Switch”三个元件构成。可以模拟输电线路发生单相接地短路、三相短路、两相短路等常见的短路故障。并且可以对故障发生的时刻，故障的类型进行设置。
3 仿真结果
3.1 单相接地短路故障
输电线路发生几率最大的故障是单相接地故障。在模型中，设置短路故障模块，使系统在0.2秒的时刻发生A相接地短路，短路点在线路全长的50%处，短路持续时间0.05秒。仿真结果如下图所示。
从结果分析可知，在发生故障期间（上图中fit信号为高电平的时间段）A相的电压大幅降低，同时电流急剧增大。在发生短路期间，继电保护模块中A相的Line to Ground Impedance线对地阻抗元件，测量到的短路阻抗在直角坐标系中的曲线如图12所示。
故障后的测量阻抗落入了由A（50，55）、B（60，-15）、C（-5，65）、D（0，60）四個点做确定的四边形内。此时，符合Trip Polygon多边形继电器元件的动作条件，该元件发出使断路器B1跳闸的信号，即图8 中的“IT_6”由低电平信号变为高电平信号，此信号控制断路器B1，使其从闭合状态变为断开状态，从而将单相接地故障切除。
断路器跳闸切除故障后，三相电压趋于正常，线路中的电流幅值将至0值，这意味着保护正确动作，仿真软件部分的算法可靠，能够正确的识别故障。
3.2 相间短路故障
对应相间短路故障，由图8中的相间阻抗元件进行故障的识别和判断。设置BC两相发生相间短路，故障持续时间0.05秒，得到的仿真结果如图13所示。
BC相间短路后，和B相C相相关的相间阻抗元件同样能够准确的识别到故障情况的发生，，“IT_6”在故障发生后变为高电平，对外输出使B1断路器跳开的信号，保护正确动作。
4 结语
本文利用PSCAD仿真软件，成功的将输电线路距离保护的原理，以软件的形式复现出来。此模型，利于我们对系统发生故障后系统各部分的电压电流和潮流的分布，故障后系统的状态有更深入的了解。单相故障和相间故障后，保护正确动作证明了模型的可靠性。再次模型的基础上可进一步开展更深入的其他研究。
参考文献
[1]段立立. 含宁东直流的山东电网交直流系统PSCAD建模与仿真[D]： 华北电力大学， 2012.
[2] 张爱兰. PSCAD/EMTDC和ATP仿真在数字式继电保护中的应用[J]. 电气传动自动化， 2012（6）： 36-39.
[3]彭湃，程汉湘. 基于PSCAD4.2软件的电力系统距离保护仿真分析[J]. 电工电气， 2014（7）： 28-31.
[4]韩晓雯. 基于PSCAD的电力系统电磁暂态和机电暂态混合仿真研究[D]. 华北电力大学（北京）， 2016.
[5]燕林滋，马金燕，李静，等. 基于PSCAD线路距离保护的仿真分析[J]. 内燃机与配件， 2017（ 03）： 139- 142.
作者简介：
郑雷（1983年出生），工程硕士，工程师，主要从事新能源发电及微电网控制方面工作，邮箱：[email protected]