从仿真结果进行电力系统故障分析

刘 静 袁 甄

（1.黑龙江大学信息科学与技术学院，哈尔滨 150080； 2.哈尔滨光宇电气自动化有限公司，哈尔滨 150080）

1 引言

电力系统故障分析技能是维持系统安稳运行的重要手段，它不仅仅用于故障后进行原因分析，更为重要的一点是，可以用它来评估、设计各种继电保护的方案和算法，以排除隐患。要实现这种未雨绸缪的方案、算法评估，很实用的一个手段就是进行电力系统故障仿真，利用仿真结果数据来分析继电保护的动作行为。本文采用Matlab软件，搭建一简化系统模型，仿真该模型中主变两侧系统的典型故障，从结果数据中来分析差动保护、各序功率方向元件的动作行为。本文的目的是在于通过简单仿真实例来阐述从仿真结果来分析故障、评价继保方案的思路。

2 仿真建模

本文建立一简化的系统模型，主要考虑考核的是差动、功率方向动作行为的不利因素，模型的高压侧采用部分接地方式，而模型的低压侧为弱馈端。系统的单线示意图见图1。图中，k1点模拟A相接地短路故障，k2点模拟B、C相间短路故障。故障分析时系统的电压参考正方向就是分析点各相对地的电位升方向；各分析点的电流参考正方向由CT的极性端标明，而Matlab的Simulink仿真时的电流参考正方向就是有功潮流方向，如图中箭头标注。理顺清楚仿真电流参考正方向和故障分析的电流参考正方向的关系很重要，这点将在下一节的具体分析中体现。

图1 故障分析的系统模型单线图

按照图1，输入各元件的基本参数，其他参数保留缺省值，系统频率为50Hz。

3 故障分析及结论的应用

3.1 主变高压侧单相接地故障

利用故障发生器在主变高压侧模拟A相接地故障，故障起始时刻为0.02s，仿真结果整理在表1中。

表1 系统侧A相接地故障仿真结果

下面，根据仿真结果，校正图1中各保护安装处的电流序分量的相位。注意，与Simulink仿真潮流参考正方向一致的保护1、3、5处的电流相位不必作变化，而反方向的保护2、4、6的电流相位要在仿真结果上再超前平移180°。同时，将各电流的幅值换算到主变和负荷的额定电流基准值下。校正后的结果如表2所示，在此基础上进行具体分析。

（1）差动保护

1）主变差动。考察保护3和保护4处的故障电流，可以看出，正序和负序形成的差流基本为零（考虑平衡掉变压器接线组别造成的30°角差），但保护3处要流过零序电流，而保护4处没有零序电流进行平衡，所以，差动回路将会出现零序差流，造成保护误动作。所以，在设计变压器差动保护时，要考虑零序电流的去除措施，凡是在保护区内存在接地中性点的情况，就要采取消除零序电流法，以防止区外接地故障时主变差动保护误动作。但这样做同时会降低保护区内接地故障时差动的灵敏性，通常条件允许时可增设主变的零序差动保护。

表2 校正后的故障分析数据

2）线变组差动。假设保护1和保护4构成线变组差动，由于保护4处的正序穿越电流，使得线变组差动的正序差动电流变小，而且该弱化作用随着故障点的位置和系统运行方式而变化的。比如，不再忽略保护1和保护6间的线路阻抗，且故障点靠近主变侧，即降低M侧的正序分支系数，提升主变侧的正序分支系数[2]，则这种弱化作用是会加强的。可以采用故障分量差动[3]、常规差动+负序分量差动、复式差动等方式来克服这一影响。比如，在CT二次断线允许差动跳闸的情况下，可以采用以下形式的复式差动，

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图2 Matlab仿真系统图

（2）序功率方向

定义正序功率（ PT32）、负序功率（ QT32）和零序功率（ ZT32）方向元件为

下面分析保护1和保护6处的序功率方向元件的动作行为。相对于故障点，这两处的系统各序阻抗角近似为90°。

根据式（2）、（3）、（4），结合表2，计算出保护1和6处的功率方向元件的力矩值，如表3所示。从结果数据可看出，电源侧的保护1处的T32P、T32Q均可以正确反应故障方向，弱馈侧保护6的T32P由于正序穿越电流的影响，误将故障判为反方向，而T32Q、T32Z均能正确反应故障方向。而两侧的序方向功率之和（净功率）均能正确反应故障方向。这样，在实现方向纵联方案时，可以考虑采用序方向功率之和。但同时应该注意到，当发生的是相间短路时，由于T32Z为零，而T32P+T32Q可能由于弱馈端而在零点附近，是不确定的，所以不能用净功率方案作为方向纵联正方向判据的惟一充分条件。

表3 保护1和保护6处的序功率方向元件动作行为

（3）低压侧保护5处的负序过流保护

从表2数据可看出，流经保护5处的负序电流约是额定负载的44%，很可能造成此处的负序过流保护误动作。所以，在负荷侧整定负序过流定值时，要考虑在反向故障时，保护应可靠不误动。

3.2 主变低压侧B、C相短路故障

类似3.1节的分析方法，获得故障分析的结果数据如表4所示。经过分析，各保护安装处的各序功率方向均能正确反应故障点的方向，但同样，在保护2处，由于是弱馈端，其功率方向元件基本没有输出，对于方向纵联，必须采取必要措施进行弥补，比如“回音法”[3]。

表4 负荷侧BC短路故障仿真结果

4 结论

建立合理的仿真模型，确定准确的切入点对仿真结果进行分析，从而得出指导继电保护设计的有益结论，是本文论述的重点。由于篇幅所限，本文建立了一个简单的系统模型，实际进行故障仿真时要考虑许多因素，主要有以下几个方面：

（1）保护1与保护6之间的线路模型[4]。本文的模型相当于故障发生在线路靠近保护6的安装处（H母线），线路阻抗合并到了电源模型内阻抗中了。这样做为了突出弱馈系统中负荷端穿越电流对差动的影响。如果要更为突出弱馈问题对方向纵联的影响，可以将故障点移至靠近M母线侧。更一般的情况，就要在M母线和H母线间搭建至少两个线路单元组成的线路模型，故障发生器设置在这两个单元之间，调整两个线路单元的阻抗，相当调整故障点在整条线路上的位置。

（2）CT模型。对于差动或纵联保护，要设置带饱和特性的CT模型进行针对性的仿真，考核保护算法在CT饱和下的可靠性。

（3）CVT模型。主要考核暂态过程。

（4）故障的过渡电阻。这是考核保护算法动态特性的一个很重要的指标。

（5）变压器饱和磁路。设计变压器保护时，必须考虑励磁涌流的影响[5]，所以变压器的仿真模型必须要考虑磁路饱和问题。

（6）电源AVR。如果需要仿真发电厂出口的短路，就必须考虑发电机的自动励磁调节，得出扰动的动态过程数据。

（7）线路串补电容和并补电抗器，对距离保护、纵联保护和线路暂态保护的影响。

（8）完备系统建模。综合考虑以上各因素，再结合实际的系统，比如平行线（要考虑零序互感）、环网等，建立一定假设条件下的完备系统，作为系统仿真的数学模型。

建立了完备的仿真模型后，在典型的故障点设置典型的故障，得出相应的仿真结果，运用故障分析的理论，对结果进行分析。在分析的过程中，要注意以下几点：

1）针对保护对象，将结果的相关幅值换算成该保护对象额定值下的标幺值[2]。

2）注意Simulink仿真的参考正方向和电力系统的参考正方向，当两者一致时，电流相位不用作变化；当两者相反时，仿真结果的电流相位要向超前的方向平移180°。

3）选取序分量作为分析的主要对象。因为在参数对称系统中，每相电气量均由1/2/0三序分量构成，且符合叠加原理，所以分析序分量，最能抓住问题的实质[2]。而且，从工频变化量保护的角度来看，负序和零序分量就是故障分量，正序电流在去除负荷电流后也就是故障分量了[3]。

4）继电保护算法的一个核心就是尽量找到故障态与非故障态间的互异特性，两者差别越大，则算法的灵敏度越高，当然要考虑各种可能因素下的可靠性。所以，在探究新的保护算法或设计新的继保方案时，应尽量从故障分量、方向、矢量差等角度入手。

[1] 吴天明,谢小竹,彭彬.MATLAB电力系统设计与分析[M].北京：国防工业出版社,2004.

[2] 刘万顺.电力系统故障分析[M].北京：中国电力出版社,2004.

[3] 葛耀中.新型继电保护和故障测距的原理与技术,西安：西安交通大学出版社,2007.

[4] 陈怡,蒋平,万秋兰,等.电力系统分析[M].北京：中国电力出版社,2005.

[5] 王维检.电气主设备继电保护原理与应用[M].北京：中国电力出版社,2002.