基于PSCAD光纖通道聯(lián)調(diào)的仿真平臺(tái)

馮知海，李清泉，胡云龍，楊茂亭

(國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟(jì)南 250000)

0 引 言

電流差動(dòng)保護(hù)具有原理簡(jiǎn)單、所需電氣量少、靈敏度高以及天然選相的功能，是最為理想的保護(hù)原理，但其傳輸通道始終是制約其發(fā)展的主要因素。電流差動(dòng)保護(hù)通道的發(fā)展經(jīng)歷了導(dǎo)引線通道、輸電線路載波(高頻)通道、微波通道和光纖通道。其中，導(dǎo)引線通道只能用于距離在15～20 km以內(nèi)的短線路；載波通道不僅衰耗較大，而且投資大，不適用于大量應(yīng)用；微波通道往往不能滿足繼電保護(hù)極高的可靠性要求。光纖通道則較以上3種通道具有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)：通信容量大、中繼距離長(zhǎng)、不受電磁干擾、資源豐富、重量輕、體積小等，而且隨著近幾年光纖通信技術(shù)的快速發(fā)展，光纖通道已經(jīng)普遍應(yīng)用于電網(wǎng)的運(yùn)行中[1-2]。

以實(shí)際運(yùn)行的某220 kV高壓輸電線路為例，在PSCAD軟件中搭建了電流差動(dòng)保護(hù)模型，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試原理、步驟對(duì)輸電線路進(jìn)行通道聯(lián)調(diào)的仿真分析?，F(xiàn)場(chǎng)工作人員在進(jìn)行相關(guān)工作前，可以結(jié)合該模型熟悉通道聯(lián)調(diào)的步驟及調(diào)試結(jié)果，不僅對(duì)雙方斷路器的正確變位有確切的認(rèn)識(shí)，更加有助于提高工作人員的調(diào)試效率。

1 光纖電流差動(dòng)保護(hù)原理

輸電線路兩端以光纖作為通信通道，通過(guò)比較兩端的電流量，判斷是否動(dòng)作于本側(cè)或?qū)?cè)跳閘。一次側(cè)的電流信號(hào)通過(guò)互感器變換、保護(hù)裝置的編碼、光電轉(zhuǎn)換，最后以光信號(hào)的形式通過(guò)光纖傳輸?shù)綄?duì)側(cè)，對(duì)側(cè)以相反的形式解碼，再與本側(cè)的電流量作比較。其簡(jiǎn)化原理圖如圖1所示，圖中兩電流互感器之間的區(qū)域即為電流差動(dòng)的保護(hù)范圍。理想情況下，流入繼電器的電流為

式中：nTAM、nTAN分別為M側(cè)、N側(cè)電流互感器的變比。

圖1 輸電線路電流差動(dòng)保護(hù)原理圖

圖2中：Id為動(dòng)作電流；Ires為制動(dòng)電流；I0為啟動(dòng)電流；Ires0為拐點(diǎn)處的制動(dòng)電流；Kres為制動(dòng)系數(shù)，其值為Kres=Id/Ires。由圖2可得差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)為

圖2 兩折線比率差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作特性

2 仿真模型的建立

結(jié)合圖2的動(dòng)作特性，搭建了1條長(zhǎng)度為70 km的220 kV輸電線路模型，如圖3所示。其線路參數(shù)參照文獻(xiàn)[3]進(jìn)行設(shè)置。

圖3 輸電線路仿真模型

考慮到通道聯(lián)調(diào)時(shí)，需要進(jìn)行弱饋保護(hù)實(shí)驗(yàn)，電源模型采用“Three-Phase Voltage Source Model 3”，可以方便直觀地根據(jù)實(shí)際調(diào)節(jié)供電側(cè)和受電側(cè)的電壓相量。對(duì)于220 kV線路的輸電線路常采用π形等值電路，故選用“Coupled Pi Section Transmission Line”線路模型。斷路器采用“3 Phase Breaker”元件，由保護(hù)模塊控制(0=ON(閉合斷路器)；1=OFF(斷路器跳閘))，用以切除故障。測(cè)量表計(jì)“Multimeter”實(shí)現(xiàn)表計(jì)安裝處的電壓和電流的實(shí)時(shí)測(cè)量功能。

保護(hù)封裝模塊“Control 201”“Control 211”作為整個(gè)模型的核心，其內(nèi)部的工作邏輯框圖如圖4所示[2,4]。兩模塊間以數(shù)據(jù)組的形式，即元件“Data Merge”和“Data Signal Array Tap”，將差動(dòng)保護(hù)所需要的啟動(dòng)量、電流量、開(kāi)關(guān)位置、遠(yuǎn)跳信號(hào)、控制字、通道狀態(tài)等經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算后發(fā)往對(duì)側(cè)，從而模擬了實(shí)際的光纖通道。其中A相差動(dòng)元件的仿真模型圖如圖5所示。以元件“Two State Switch”模擬現(xiàn)場(chǎng)“A相跳閘、B相跳閘、C相跳閘、重合閘、光纖電流差動(dòng)保護(hù)”壓板(0=退出壓板；1=投入壓板)，如圖6所示。

圖4 光纖電流差動(dòng)保護(hù)邏輯框圖

圖5 A相差動(dòng)元件的仿真模型

圖6 光纖電流差動(dòng)保護(hù)壓板投退模型

為保證該仿真模型中輸電線路發(fā)生故障時(shí)的正確性與全面性，圖3設(shè)置了F1(區(qū)外近M端)、F2(區(qū)外近N端)和F3(區(qū)內(nèi))3處故障點(diǎn)。故障模塊采用元件“Three Phase Fault”，并將其設(shè)置為外部控制方式；故障位置和故障類型的選擇均采用元件“Rotary Switch”，以便于通過(guò)元件“Control Panel”靈活控制；故障的持續(xù)時(shí)間由元件“Timed Fault Logic”控制。模型中故障模塊的控制模型如圖7所示。

圖7 故障模塊的控制模型

3 仿真分析

差動(dòng)保護(hù)模型搭建完成后，即可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)通道聯(lián)調(diào)的調(diào)試步驟進(jìn)行仿真分析。首先需要確定差動(dòng)保護(hù)等相應(yīng)控制字、壓板已置“1”，通道正常，即可開(kāi)始進(jìn)行仿真調(diào)試[4-5]。

檢查輸電線路兩側(cè)的采樣值及差流是否正確。在保證輸電線路兩側(cè)的電流互感器的變比系數(shù)相對(duì)應(yīng)的情況下，在201或211開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的情況下，在一側(cè)輸入三相電流，由于對(duì)側(cè)沒(méi)有電流，導(dǎo)致仿真波形顯示有較大差流，且與輸入的電流相等；當(dāng)兩側(cè)開(kāi)關(guān)均處于合位時(shí)，在線路兩側(cè)輸入額定電流，進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖8所示。由圖8易得兩側(cè)電流相差180°且無(wú)差流。

當(dāng)輸電線路的一側(cè)處于停電檢修狀態(tài)，同時(shí)線路發(fā)生故障，即輸電線路空沖時(shí)故障：N側(cè)斷路器處于分閘位置且M側(cè)斷路器在合閘位置，此時(shí)在輸電線路上的“F3”位置設(shè)置各種故障，設(shè)置故障發(fā)生時(shí)間為0.2 s,保證故障電流大于差動(dòng)保護(hù)電流的整定值，M側(cè)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，N側(cè)不動(dòng)作。其動(dòng)作邏輯如圖9所示。

IM為母線M側(cè)電流；IN為母線N側(cè)電流；IMN為兩側(cè)差流。

圖9 線路空沖時(shí)的斷路器動(dòng)作狀態(tài)

對(duì)于某些線路，由于一側(cè)為大電源端，另一側(cè)為弱電源端，在線路發(fā)生故障時(shí)，很容易導(dǎo)致弱電源端拒動(dòng)，因此引入了弱饋保護(hù)功能。圖3中將N側(cè)設(shè)為弱電源端，即設(shè)置其三相電壓為正序34 V(小于65%UN但是大于TV斷線的告警電壓33 V)，使201和211兩個(gè)斷路器均處于合位，在輸電線路的“F3”處模擬各種類型的故障，當(dāng)故障電流大于差動(dòng)保護(hù)整定值時(shí)，M、N側(cè)差動(dòng)保護(hù)均能正確動(dòng)作于跳閘，如圖10所示。

遠(yuǎn)方跳閘功能：使201、211兩個(gè)斷路器在合閘位置，在M側(cè)由元件“Two State Switch”將“遠(yuǎn)跳受本側(cè)控制”控制字置“0”，模擬故障使N側(cè)的211斷路器跳閘，同時(shí)給M側(cè)發(fā)遠(yuǎn)跳，201斷路器能夠正確動(dòng)作。在M側(cè)將“遠(yuǎn)跳受本側(cè)控制”控制字置“1”，當(dāng)N側(cè)向M側(cè)發(fā)遠(yuǎn)跳時(shí)，201斷路器不動(dòng)作，而當(dāng)在M側(cè)通過(guò)元件“Integer Constant”延時(shí)1.5 s發(fā)電流差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，201斷路器能夠正確動(dòng)作。仿真結(jié)果如圖11所示。

圖10 弱饋保護(hù)功能時(shí)的斷路器動(dòng)作狀態(tài)

圖11 遠(yuǎn)方跳閘時(shí)的斷路器動(dòng)作狀態(tài)

4 結(jié) 語(yǔ)

基于PSCAD搭建的輸電線路電流差動(dòng)保護(hù)模型不僅可以正確反映區(qū)內(nèi)的各種短路故障，而且形象地對(duì)通道聯(lián)調(diào)的過(guò)程進(jìn)行了仿真，定性、定量地分析了仿真數(shù)據(jù)。該仿真平臺(tái)使現(xiàn)場(chǎng)工作人員掌握了通道聯(lián)調(diào)的原理，更加明確了通道聯(lián)調(diào)的步驟，得到了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的認(rèn)可。