基于PSASP保护自定义建模的电网连锁故障仿真

朱自强,　丁　明,　张晶晶

(合肥工业大学 电气与自动化工程学院,安徽 合肥　230009)

基于PSASP保护自定义建模的电网连锁故障仿真

朱自强,丁明,张晶晶

(合肥工业大学 电气与自动化工程学院,安徽 合肥230009)

摘要:文章针对连锁故障中现有的继电保护模型研究现状进行了研究,分析了其中的某些不足之处,建立了一个较为详细的保护距离模型。以电力系统保护为主要研究对象,基于PSASP用户自定义模块搭建保护模型以及系统控制措施模型,并应用于连锁故障的仿真。仿真模拟了保护的不同动作特性、系统控制措施动作以及系统不同负荷水平对连锁故障发展的影响,实现了连锁故障的仿真分析,该模型能较为真实地反映保护装置在电力系统中的实际行为。仿真算例证实了该模型的有效性及合理性。

关键词:保护建模;控制措施;连锁故障;PSASP软件

近年来,随着电网规模日益扩大和结构日趋复杂,大停电事故所带来的损失也越来越大。世界范围内发生的大停电事故,大多表现为连锁故障,而在历次的连锁故障发生过程中,保护装置都扮演着重要的角色[1]。2006年华中电网事故的最主要原因是500 kV嵩郑Ⅱ线保护装置误动作[2]。2003年伦敦大停电事故最根本原因是由于继电器规格安装错误,导致后备保护误动作进而引发连锁故障[3]。印度2012年7月2次大停电事故的触发原因均是潮流转移导致的距离Ⅲ段保护跳闸[4]。

与此同时,越来越多的学者将研究的重点放在保护装置的建模及其对连锁故障发展的影响上。文献[5-6]基于Markov状态空间法,针对电力系统中常见的保护配置方式分别进行了概率建模;文献[7-10]考虑到保护隐性故障对连锁故障发展的影响,并利用概率模型对这一因素进行了模拟仿真;文献[11]考虑了保护装置的时变失效率,与恒定失效率相比,时变失效率能够模拟失效率随时间的变化;文献[12]针对单一主保护和主后备保护系统,基于状态维修环境,首次建立了详细的、考虑人为失误影响的保护系统可靠性模型;文献[13]在保护元件原理性失效概率模型的基础上,确定了继电保护系统的风险评估指标,并制定了阶段式保护原理性失效风险评估的详细流程;文献[14]则提出一种关联模型,研究连锁故障过程中各故障元件之间的相关性以及与保护装置的相关性。

上述分析方法在针对保护装置建模时大多采用的是概率统计和概率抽样的方法,难以真实反映连锁故障发生和发展过程中保护整定值对连锁故障的影响以及保护装置的实际动作特性。基于此,文献[15-16]使用PSASP的用户自定义模块,建立保护模型来仿真保护动作行为,并验证了该方法的可行性。但其研究重点侧重于保护装置的建模,在连锁故障的应用上并未深入展开,也未考虑保护不同动作特性的仿真。文献[15]的保护模型仅针对相间距离保护建模,不能反映发生接地故障时保护的动作情况;文献[16]的主保护采用定时判别法而不是定值判别法,在一定程度上简化了模型,但是难以反映故障切除后系统振荡等运行状态对主保护的影响。

针对现有建模方法的不足,本文基于PSASP软件,以线路保护为主,对保护装置进行建模并应用到连锁故障仿真中,讨论保护的不同动作特性对于连锁故障发展的影响。采用IEEE39节点算例,将保护装置与控制措施配合,仿真不同负荷水平下故障的传播,更加真实地模拟保护装置在连锁故障发展过程中的实际行为,验证其合理性。

1继电保护装置建模

高等级电压网络常常使用纵联保护,达到有选择地、快速地切除全线路任意点短路的目的。闭锁式距离纵联保护可以看作两端完整的三段式距离保护附加高频通信部分,以距离Ⅲ段作为启动元件,距离Ⅱ段作为方向判别元件与停信元件,距离Ⅰ段作为两端各自独立跳闸段。距离Ⅰ段和Ⅱ段采用方向阻抗圆特性,动作区域如图1所示。

在连锁故障的仿真过程中,如果对保护系统的每一个元件都详细模拟,必将导致计算量的大幅增加,因此在对保护装置进行建模时做部分简化,侧重于对纵联保护原理的建模,反映保护在连锁故障发生过程中的动作行为,以求在仿真速度和计算精准度间能够取得较好的平衡。采用定值判别法,更为贴近实际电网的保护配置,进而可以模拟出保护不同动作特性对连锁故障发生和发展的影响。

图1　闭锁式距离纵联保护阻抗元件动作范围和时限

本文使用PSASP软件对上述保护原理进行建模。PSASP中的用户自定义模型组建(UD)在程序中设置了50多个功能框,并可根据实际需要进一步扩充。每个用户自定义的模型,都可以与所研究的电力系统连成统一整体。UD模型与电力系统联系如图2所示,输入信息X和输出信息Y表示电力系统的某个具体参数、变量或逻辑动作信号[17]。

图2　UD模型与电力系统联系

图3　A相接地距离保护模型

其余部分模型搭建与此类似,篇幅所限,不再详述。图4所示为保护模型。模型由测量元件、振荡闭锁元件、逻辑判断元件、动作元件、通信元件等构成。测量元件分别配置相间距离保护和接地距离保护,输出测量阻抗幅值和相角,经过整定计算后输出逻辑动作信号。各段动作信号经延时或振荡闭锁后输出。

图4　距离保护模型

2控制措施模型配置

在电力系统严重故障时采取有效而可靠的控制措施,维持电网电压与频率的稳定,可以保障电力系统继续运行,防止系统失稳或崩溃。

2.1紧急控制措施

紧急控制是指电力系统在大的扰动或故障下维持稳定运行和持续供电所采取的控制措施,如切机、快关汽门、电气制动、切负荷、解列等措施,国外称之为系统保护或特殊保护[15]。

参考文献[18],本文采用紧急扩展等面积准则(EEEAC)对连锁故障仿真过程中的失稳现象进行实时分析、实时控制。EEEAC利用转子角度δ和转速ω构成的复合判据对临界机群进行识别,即各发电机组的复合功角由大到小进行排序,在相邻的复合功角间隙最大处,将发电机组分为临界机群和剩余机群。该判据具有较高的灵敏度,它可以反映扰动前、扰动中、扰动后短时间内发电机组功角变化的趋势。

2.2校正控制措施

对于一些微小概率但危害极大的事故,例如保护的误动作、拒动作等,造成的系统稳定性破坏,仅靠紧急控制策略不一定能起到很好的控制效果,尤其是对电网频率和电压等参数的控制,此时可以结合校正控制措施系统来进行改善。参考文献[19],在仿真过程中加入频率与电压控制措施:① 若系统某机组i机端电压Vi或频率fi偏离额定值,超出正常运行范围,则机组i将被高压或高频装置切除一定出力;② 若某负荷i母线电压Vi或母线频率fi偏离额定值,低于正常运行范围,则负荷i将被低频或低压装置切除一定负载。切机或切负荷均可通过PSASP的UD模块实现按轮次切除。

3仿真实例分析

以IEEE39节点系统为例进行仿真,其网络结构如图5所示,规定线路两侧中编号较小的节点侧为i侧,编号较大的节点侧为j侧,全网线路的两侧均添加保护模型,部分算例添加控制装置以作对比。系统失稳或达到预设仿真时长后,结束本次仿真,进行结果分析。

图5　IEEE39节点系统

3.1保护装置仿真与结果分析

算例1保护装置正确动作仿真。

预设0.2 s时线路11上50%处发生三相永久接地短路,仿真时长50 s。

仿真结果如下:线路11上发生故障后,11线两侧UD保护模型均在0.24 s发出跳闸信号,线路11被切除,系统恢复稳定,其他保护均无动作。线路11上电流曲线以及系统稳定曲线如图6所示。从图6中可以看出,11线被切除后电流为0,系统功角在振荡后趋于稳定。

算例2保护误动作仿真。

在算例1的基础上假设线路9上i侧距离Ⅲ段保护定时器含有隐性故障,线路9距离Ⅲ段出现误动作,仿真时长50 s。

仿真结果如下:线路11上发生故障后,11线两侧UD保护模型主保护均在0.24 s发出跳闸信号,线路11被切除。线路9上i侧距离Ⅲ段保护由于定时器的隐性故障导致误动作,0.24 s误切除9线。9线和11线切除后,线路18上潮流过载,距离Ⅲ段于1.76 s动作切除线路。整个系统于1.94 s失去稳定,仿真结束,系统电压振荡曲线如图7所示。

图6　线路11故障后仿真曲线

图7　线路11故障后保护误动系统电压振荡曲线

从图7可以看出,系统的最低电压在18线切除后剧烈振荡,系统因电压振荡而失去稳定。

算例3保护装置拒动作仿真。

预设0.2 s时线路11上50%处发生A相永久接地短路,线路11上i侧主保护拒动,后备保护于故障发生后0.5 s动作切除线路,仿真时长50 s。

仿真结果如下:线路11上j侧在故障发生后立即动作,i侧主保护拒动,后备保护于0.74 s切除线路。该次仿真的事故序列见表1所列。

表1　算例3保护拒动后的事故序列仿真

从表1中可看出,由于11线的故障未能及时切除,导致10线上短路电流持续增大,后备保护切除11线后,潮流转移导致10线过载,测量阻抗落入动作范围,触发保护动作。这一结果在实际仿真进行前是难以准确预测的,同时可以看出,保护在本次仿真中拒动对电力系统的影响不仅不能及时切除故障,还可能会引发其他继发性故障。系统于4.04 s失去稳定。

3.2保护与控制措施配合仿真

算例4保护装置误动与控制措施配合仿真。

在算例2的基础上加入紧急控制措施和校正控制措施。

仿真结果如下:仿真开始至1.76 s保护动作情况同算例2结果。18线切除后系统解列成2个部分。在此过程中,临界机群31～39于0.39 s各切8%发电量。该次仿真的事故序列见表2所列。

表2　算例4保护误动后的事故序列仿真

系统稳定曲线图如图8所示,可以看出系统电压振荡趋于平稳,其仿真结果明显优于电压剧烈振荡的算例2。

算例5保护装置拒动与控制措施配合仿真。

在算例3的基础上加入紧急控制措施和校正控制措施。

仿真结果如下:仿真开始至3.44 s保护动作情况同算例3结果。该次仿真的事故序列见表3所列。在此过程中,临界机群30～38于2.02 s各切5%发电量,为保持系统电压与频率稳定,校正控制装置切负荷1 337 MW+367.68 MVar。

图8　线路11故障后保护误动作与控制措施动作仿真曲线

表3算例5保护拒动后的事故序列仿真

t/s切线路备注0.24L11(j侧主保护)0.74L11(i侧后备保护)主保护拒动1.72L10(i侧Ⅲ段)3.44L194.98L1、L5系统解列9.71L611.15L30系统解列

3.3不同负荷水平下仿真结果比较

算例6不同负荷水平下保护动作仿真。

假定前述算例的负荷水平为正常负荷水平,全网各负荷、发电机出力减少50%为轻载,全网各负荷、发电机出力增加50%为重载,重新进行上述各算例的仿真。图9所示为不同保护动作特性与不同负荷水平下连锁故障发展过程的比较,控制措施切机、切负荷比较见表4所列。

从图9和表4中可以得出以下结论:

(1) 保护误动作会造成事故的扩大,使得原本可以稳定的系统发展成大停电事故。保护拒动带来的影响比误动更为严重,在保护误动的仿真中,初始故障均设置为三相接地短路,而保护拒动仿真中,初始故障设置为单相接地短路,但其后果比保护误动的算例更为严重。控制措施能够在一定程度上减轻事故的发展,使系统恢复稳定,防止崩溃的发生。

(2) 在不同负荷水平之下,轻载时系统发生故障所引起的后果也较轻,且不易发生连锁故障,重载时则更易引起系统失稳,时间上发展更为迅速,最终导致大停电事故发生。重载情况下需要切除更多的发电机和负荷才能使得系统保持稳定,甚至需要主动解列电力系统。

(3) 通过数个仿真实例可以看出,虽然发生故障的初始线路可以预先设定,事故类型也可以预先设定,但是后续的继电保护动作情况与控制措施切机、切负荷的动作情况却是未知的。在加入保护模型后,能够模拟出保护的动作情况,其仿真结果更能接近电力系统的实际运行情况以及连锁故障的发展过程。

图9　UD模型仿真结果比较

状态负荷水平轻载正常重载保护正确动作无动作无动作切机(933MW+405MVar)、切负荷(1320MW+378MVar)保护误动作无动作切机(475MW+103MVar)切机(1500MW+708MVar)切负荷(1596MW+875MVar)保护拒动作切机(153MW)切负荷(158MW+68MVar)切机(295MW+59MVar)、切负荷(1337MW+368MVar)切机(6198MW+213MVar)、切负荷(3187MW+819MVar)

4结束语

本文通过分析继电保护的特性,基于PSASP

的用户自定义模型搭建了较为详细的保护模型,并实现了连锁故障的仿真。在仿真中可以模拟电网中的保护动作,仿真保护的不同动作特性对连锁故障发展过程的影响;同时加入了控制措施,仿真不同负荷水平下连锁故障的发展和传播,仿真表明保护不正确动作会给系统带来恶劣影响,造成事故范围的扩大;系统不同负荷水平也会对连锁故障的传播产生影响,该仿真结果更加接近实际电网在发生连锁故障过程中的动态特性。

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(责任编辑张镅)

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

基金项目：国家电网公司大电网重大专项资助项目(SGCC-MPLG024-2012);安徽省自然科学基金资助项目(1408085ME100)

作者简介：朱自强(1989-),男,安徽芜湖人,合肥工业大学硕士生;

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.05.009

中图分类号:TM743

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)05-0617-06

丁明(1956-),男,安徽合肥人,博士, 合肥工业大学教授,博士生导师.