基于PSASP保護自定義建模的電網連鎖故障仿真

朱自強,　丁　明,　張晶晶

(合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院,安徽 合肥　230009)

基于PSASP保護自定義建模的電網連鎖故障仿真

朱自強,丁明,張晶晶

(合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院,安徽 合肥230009)

摘要:文章針對連鎖故障中現(xiàn)有的繼電保護模型研究現(xiàn)狀進行了研究,分析了其中的某些不足之處,建立了一個較為詳細的保護距離模型。以電力系統(tǒng)保護為主要研究對象,基于PSASP用戶自定義模塊搭建保護模型以及系統(tǒng)控制措施模型,并應用于連鎖故障的仿真。仿真模擬了保護的不同動作特性、系統(tǒng)控制措施動作以及系統(tǒng)不同負荷水平對連鎖故障發(fā)展的影響,實現(xiàn)了連鎖故障的仿真分析,該模型能較為真實地反映保護裝置在電力系統(tǒng)中的實際行為。仿真算例證實了該模型的有效性及合理性。

關鍵詞:保護建模;控制措施;連鎖故障;PSASP軟件

近年來,隨著電網規(guī)模日益擴大和結構日趨復雜,大停電事故所帶來的損失也越來越大。世界范圍內發(fā)生的大停電事故,大多表現(xiàn)為連鎖故障,而在歷次的連鎖故障發(fā)生過程中,保護裝置都扮演著重要的角色[1]。2006年華中電網事故的最主要原因是500 kV嵩鄭Ⅱ線保護裝置誤動作[2]。2003年倫敦大停電事故最根本原因是由于繼電器規(guī)格安裝錯誤,導致后備保護誤動作進而引發(fā)連鎖故障[3]。印度2012年7月2次大停電事故的觸發(fā)原因均是潮流轉移導致的距離Ⅲ段保護跳閘[4]。

與此同時,越來越多的學者將研究的重點放在保護裝置的建模及其對連鎖故障發(fā)展的影響上。文獻[5-6]基于Markov狀態(tài)空間法,針對電力系統(tǒng)中常見的保護配置方式分別進行了概率建模;文獻[7-10]考慮到保護隱性故障對連鎖故障發(fā)展的影響,并利用概率模型對這一因素進行了模擬仿真;文獻[11]考慮了保護裝置的時變失效率,與恒定失效率相比,時變失效率能夠模擬失效率隨時間的變化;文獻[12]針對單一主保護和主后備保護系統(tǒng),基于狀態(tài)維修環(huán)境,首次建立了詳細的、考慮人為失誤影響的保護系統(tǒng)可靠性模型;文獻[13]在保護元件原理性失效概率模型的基礎上,確定了繼電保護系統(tǒng)的風險評估指標,并制定了階段式保護原理性失效風險評估的詳細流程;文獻[14]則提出一種關聯(lián)模型,研究連鎖故障過程中各故障元件之間的相關性以及與保護裝置的相關性。

上述分析方法在針對保護裝置建模時大多采用的是概率統(tǒng)計和概率抽樣的方法,難以真實反映連鎖故障發(fā)生和發(fā)展過程中保護整定值對連鎖故障的影響以及保護裝置的實際動作特性?；诖?文獻[15-16]使用PSASP的用戶自定義模塊,建立保護模型來仿真保護動作行為,并驗證了該方法的可行性。但其研究重點側重于保護裝置的建模,在連鎖故障的應用上并未深入展開,也未考慮保護不同動作特性的仿真。文獻[15]的保護模型僅針對相間距離保護建模,不能反映發(fā)生接地故障時保護的動作情況;文獻[16]的主保護采用定時判別法而不是定值判別法,在一定程度上簡化了模型,但是難以反映故障切除后系統(tǒng)振蕩等運行狀態(tài)對主保護的影響。

針對現(xiàn)有建模方法的不足,本文基于PSASP軟件,以線路保護為主,對保護裝置進行建模并應用到連鎖故障仿真中,討論保護的不同動作特性對于連鎖故障發(fā)展的影響。采用IEEE39節(jié)點算例,將保護裝置與控制措施配合,仿真不同負荷水平下故障的傳播,更加真實地模擬保護裝置在連鎖故障發(fā)展過程中的實際行為,驗證其合理性。

1繼電保護裝置建模

高等級電壓網絡常常使用縱聯(lián)保護,達到有選擇地、快速地切除全線路任意點短路的目的。閉鎖式距離縱聯(lián)保護可以看作兩端完整的三段式距離保護附加高頻通信部分,以距離Ⅲ段作為啟動元件,距離Ⅱ段作為方向判別元件與停信元件,距離Ⅰ段作為兩端各自獨立跳閘段。距離Ⅰ段和Ⅱ段采用方向阻抗圓特性,動作區(qū)域如圖1所示。

在連鎖故障的仿真過程中,如果對保護系統(tǒng)的每一個元件都詳細模擬,必將導致計算量的大幅增加,因此在對保護裝置進行建模時做部分簡化,側重于對縱聯(lián)保護原理的建模,反映保護在連鎖故障發(fā)生過程中的動作行為,以求在仿真速度和計算精準度間能夠取得較好的平衡。采用定值判別法,更為貼近實際電網的保護配置,進而可以模擬出保護不同動作特性對連鎖故障發(fā)生和發(fā)展的影響。

圖1　閉鎖式距離縱聯(lián)保護阻抗元件動作范圍和時限

本文使用PSASP軟件對上述保護原理進行建模。PSASP中的用戶自定義模型組建(UD)在程序中設置了50多個功能框,并可根據(jù)實際需要進一步擴充。每個用戶自定義的模型,都可以與所研究的電力系統(tǒng)連成統(tǒng)一整體。UD模型與電力系統(tǒng)聯(lián)系如圖2所示,輸入信息X和輸出信息Y表示電力系統(tǒng)的某個具體參數(shù)、變量或邏輯動作信號[17]。

圖2　UD模型與電力系統(tǒng)聯(lián)系

圖3　A相接地距離保護模型

其余部分模型搭建與此類似,篇幅所限,不再詳述。圖4所示為保護模型。模型由測量元件、振蕩閉鎖元件、邏輯判斷元件、動作元件、通信元件等構成。測量元件分別配置相間距離保護和接地距離保護,輸出測量阻抗幅值和相角,經過整定計算后輸出邏輯動作信號。各段動作信號經延時或振蕩閉鎖后輸出。

圖4　距離保護模型

2控制措施模型配置

在電力系統(tǒng)嚴重故障時采取有效而可靠的控制措施,維持電網電壓與頻率的穩(wěn)定,可以保障電力系統(tǒng)繼續(xù)運行,防止系統(tǒng)失穩(wěn)或崩潰。

2.1緊急控制措施

緊急控制是指電力系統(tǒng)在大的擾動或故障下維持穩(wěn)定運行和持續(xù)供電所采取的控制措施,如切機、快關汽門、電氣制動、切負荷、解列等措施,國外稱之為系統(tǒng)保護或特殊保護[15]。

參考文獻[18],本文采用緊急擴展等面積準則(EEEAC)對連鎖故障仿真過程中的失穩(wěn)現(xiàn)象進行實時分析、實時控制。EEEAC利用轉子角度δ和轉速ω構成的復合判據(jù)對臨界機群進行識別,即各發(fā)電機組的復合功角由大到小進行排序,在相鄰的復合功角間隙最大處,將發(fā)電機組分為臨界機群和剩余機群。該判據(jù)具有較高的靈敏度,它可以反映擾動前、擾動中、擾動后短時間內發(fā)電機組功角變化的趨勢。

2.2校正控制措施

對于一些微小概率但危害極大的事故,例如保護的誤動作、拒動作等,造成的系統(tǒng)穩(wěn)定性破壞,僅靠緊急控制策略不一定能起到很好的控制效果,尤其是對電網頻率和電壓等參數(shù)的控制,此時可以結合校正控制措施系統(tǒng)來進行改善。參考文獻[19],在仿真過程中加入頻率與電壓控制措施:① 若系統(tǒng)某機組i機端電壓Vi或頻率fi偏離額定值,超出正常運行范圍,則機組i將被高壓或高頻裝置切除一定出力;② 若某負荷i母線電壓Vi或母線頻率fi偏離額定值,低于正常運行范圍,則負荷i將被低頻或低壓裝置切除一定負載。切機或切負荷均可通過PSASP的UD模塊實現(xiàn)按輪次切除。

3仿真實例分析

以IEEE39節(jié)點系統(tǒng)為例進行仿真,其網絡結構如圖5所示,規(guī)定線路兩側中編號較小的節(jié)點側為i側,編號較大的節(jié)點側為j側,全網線路的兩側均添加保護模型,部分算例添加控制裝置以作對比。系統(tǒng)失穩(wěn)或達到預設仿真時長后,結束本次仿真,進行結果分析。

圖5　IEEE39節(jié)點系統(tǒng)

3.1保護裝置仿真與結果分析

算例1保護裝置正確動作仿真。

預設0.2 s時線路11上50%處發(fā)生三相永久接地短路,仿真時長50 s。

仿真結果如下:線路11上發(fā)生故障后,11線兩側UD保護模型均在0.24 s發(fā)出跳閘信號,線路11被切除,系統(tǒng)恢復穩(wěn)定,其他保護均無動作。線路11上電流曲線以及系統(tǒng)穩(wěn)定曲線如圖6所示。從圖6中可以看出,11線被切除后電流為0,系統(tǒng)功角在振蕩后趨于穩(wěn)定。

算例2保護誤動作仿真。

在算例1的基礎上假設線路9上i側距離Ⅲ段保護定時器含有隱性故障,線路9距離Ⅲ段出現(xiàn)誤動作,仿真時長50 s。

仿真結果如下:線路11上發(fā)生故障后,11線兩側UD保護模型主保護均在0.24 s發(fā)出跳閘信號,線路11被切除。線路9上i側距離Ⅲ段保護由于定時器的隱性故障導致誤動作,0.24 s誤切除9線。9線和11線切除后,線路18上潮流過載,距離Ⅲ段于1.76 s動作切除線路。整個系統(tǒng)于1.94 s失去穩(wěn)定,仿真結束,系統(tǒng)電壓振蕩曲線如圖7所示。

圖6　線路11故障后仿真曲線

圖7　線路11故障后保護誤動系統(tǒng)電壓振蕩曲線

從圖7可以看出,系統(tǒng)的最低電壓在18線切除后劇烈振蕩,系統(tǒng)因電壓振蕩而失去穩(wěn)定。

算例3保護裝置拒動作仿真。

預設0.2 s時線路11上50%處發(fā)生A相永久接地短路,線路11上i側主保護拒動,后備保護于故障發(fā)生后0.5 s動作切除線路,仿真時長50 s。

仿真結果如下:線路11上j側在故障發(fā)生后立即動作,i側主保護拒動,后備保護于0.74 s切除線路。該次仿真的事故序列見表1所列。

表1　算例3保護拒動后的事故序列仿真

從表1中可看出,由于11線的故障未能及時切除,導致10線上短路電流持續(xù)增大,后備保護切除11線后,潮流轉移導致10線過載,測量阻抗落入動作范圍,觸發(fā)保護動作。這一結果在實際仿真進行前是難以準確預測的,同時可以看出,保護在本次仿真中拒動對電力系統(tǒng)的影響不僅不能及時切除故障,還可能會引發(fā)其他繼發(fā)性故障。系統(tǒng)于4.04 s失去穩(wěn)定。

3.2保護與控制措施配合仿真

算例4保護裝置誤動與控制措施配合仿真。

在算例2的基礎上加入緊急控制措施和校正控制措施。

仿真結果如下:仿真開始至1.76 s保護動作情況同算例2結果。18線切除后系統(tǒng)解列成2個部分。在此過程中,臨界機群31～39于0.39 s各切8%發(fā)電量。該次仿真的事故序列見表2所列。

表2　算例4保護誤動后的事故序列仿真

系統(tǒng)穩(wěn)定曲線圖如圖8所示,可以看出系統(tǒng)電壓振蕩趨于平穩(wěn),其仿真結果明顯優(yōu)于電壓劇烈振蕩的算例2。

算例5保護裝置拒動與控制措施配合仿真。

在算例3的基礎上加入緊急控制措施和校正控制措施。

仿真結果如下:仿真開始至3.44 s保護動作情況同算例3結果。該次仿真的事故序列見表3所列。在此過程中,臨界機群30～38于2.02 s各切5%發(fā)電量,為保持系統(tǒng)電壓與頻率穩(wěn)定,校正控制裝置切負荷1 337 MW+367.68 MVar。

圖8　線路11故障后保護誤動作與控制措施動作仿真曲線

表3算例5保護拒動后的事故序列仿真

t/s切線路備注0.24L11(j側主保護)0.74L11(i側后備保護)主保護拒動1.72L10(i側Ⅲ段)3.44L194.98L1、L5系統(tǒng)解列9.71L611.15L30系統(tǒng)解列

3.3不同負荷水平下仿真結果比較

算例6不同負荷水平下保護動作仿真。

假定前述算例的負荷水平為正常負荷水平,全網各負荷、發(fā)電機出力減少50%為輕載,全網各負荷、發(fā)電機出力增加50%為重載,重新進行上述各算例的仿真。圖9所示為不同保護動作特性與不同負荷水平下連鎖故障發(fā)展過程的比較,控制措施切機、切負荷比較見表4所列。

從圖9和表4中可以得出以下結論:

(1) 保護誤動作會造成事故的擴大,使得原本可以穩(wěn)定的系統(tǒng)發(fā)展成大停電事故。保護拒動帶來的影響比誤動更為嚴重,在保護誤動的仿真中,初始故障均設置為三相接地短路,而保護拒動仿真中,初始故障設置為單相接地短路,但其后果比保護誤動的算例更為嚴重。控制措施能夠在一定程度上減輕事故的發(fā)展,使系統(tǒng)恢復穩(wěn)定,防止崩潰的發(fā)生。

(2) 在不同負荷水平之下,輕載時系統(tǒng)發(fā)生故障所引起的后果也較輕,且不易發(fā)生連鎖故障,重載時則更易引起系統(tǒng)失穩(wěn),時間上發(fā)展更為迅速,最終導致大停電事故發(fā)生。重載情況下需要切除更多的發(fā)電機和負荷才能使得系統(tǒng)保持穩(wěn)定,甚至需要主動解列電力系統(tǒng)。

(3) 通過數(shù)個仿真實例可以看出,雖然發(fā)生故障的初始線路可以預先設定,事故類型也可以預先設定,但是后續(xù)的繼電保護動作情況與控制措施切機、切負荷的動作情況卻是未知的。在加入保護模型后,能夠模擬出保護的動作情況,其仿真結果更能接近電力系統(tǒng)的實際運行情況以及連鎖故障的發(fā)展過程。

圖9　UD模型仿真結果比較

狀態(tài)負荷水平輕載正常重載保護正確動作無動作無動作切機(933MW+405MVar)、切負荷(1320MW+378MVar)保護誤動作無動作切機(475MW+103MVar)切機(1500MW+708MVar)切負荷(1596MW+875MVar)保護拒動作切機(153MW)切負荷(158MW+68MVar)切機(295MW+59MVar)、切負荷(1337MW+368MVar)切機(6198MW+213MVar)、切負荷(3187MW+819MVar)

4結束語

本文通過分析繼電保護的特性,基于PSASP

的用戶自定義模型搭建了較為詳細的保護模型,并實現(xiàn)了連鎖故障的仿真。在仿真中可以模擬電網中的保護動作,仿真保護的不同動作特性對連鎖故障發(fā)展過程的影響;同時加入了控制措施,仿真不同負荷水平下連鎖故障的發(fā)展和傳播,仿真表明保護不正確動作會給系統(tǒng)帶來惡劣影響,造成事故范圍的擴大;系統(tǒng)不同負荷水平也會對連鎖故障的傳播產生影響,該仿真結果更加接近實際電網在發(fā)生連鎖故障過程中的動態(tài)特性。

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(責任編輯張镅)

Simulation of power system cascading failure based on UD system of protection by PSASP

ZHU Zi-qiang,DING Ming,ZHANG Jing-jing

(School of Electric Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract:As current model of power system is difficult to accurately simulate the action logic of relay protection, a detailed relay protection model is proposed to simulate the power system cascading failures. With user-defined(UD) model in PSASP, a protection model is built to simulate cascading failures. The simulation includes different action characteristic of relay protection,control measures at different load levels and the effect of different load levels on the development of cascading failures. The results show that the simulation analysis of cascading failures based on this protection model can reflect the dynamic behavior of relay protection in power system. The rationality and effectiveness of the proposed protection model are verified by a test on IEEE 39-bus system.

Key words:protection modeling; control measure; cascading failure; PSASP software

收稿日期：2015-03-12；修回日期：2016-03-20

基金項目：國家電網公司大電網重大專項資助項目(SGCC-MPLG024-2012);安徽省自然科學基金資助項目(1408085ME100)

作者簡介：朱自強(1989-),男,安徽蕪湖人,合肥工業(yè)大學碩士生;

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.05.009

中圖分類號:TM743

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)05-0617-06

丁明(1956-),男,安徽合肥人,博士, 合肥工業(yè)大學教授,博士生導師.