基于保护和安全自动装置模型进行连锁故障仿真分析

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-I
摘要
在电网规模扩大且结构日趋复杂的同时，电网运行的安全性和可靠性受到
新的挑战，大停电事故带来的损失也更加巨大。

造成这大停电事故的罪魁祸首正是电网的连锁故障，而继电保护和安全自动装置对故障的发展起到关键作用，因此在对其进行的机电暂态及中长期过程仿真计算中应该考虑它们的动作特性。

除连锁故障之外需要考虑继保动作逻辑的还有电力系统的全过程动态仿真和电网动态安全评估系统。

目前，国内外的电力系统分析软件中保护及自动装置的建模和仿真还比较少，且多以国外的装置为原型，不能满足仿真需求，而人为设定继电器开关动作不但困难而且不够准确，影响仿真结果。

针对上述问题本文提出并研究了保护和安全自动装置建模方法，并基于所建立模型进行连锁故障仿真分析。

模型通过PSASP的用户自定义的方式搭建。

继电保护及安全自动装置是由不同的元件按照一定的逻辑关系组成的，装置中的很多元件具有一定的通用性。

建模时首先将这类元件单独建模，作为具体保护和自动装置模型的基本功能框。

保护及自动装置大都可以分解成基本元件的组合，完成基本元件建模后，由其根据各种保护原理进行具体保护建模，使所建立的模型具有较强的通用性。

最后汇总成继电保护和安全自动装置模型库。

在仿真计算中添加继保和安自模型，通过河南南部实际算例和WSCC9节点算例进行验证和连锁故障仿真计算，结果表明能够真实反映继电保护动作逻辑，反应电力系统全过程动态行为，实现连锁故障的仿真分析。

关键词：基本元件模型；继电保护；安全自动装置；连锁故障
Abstract
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-II The power grid is becoming larger and more complex, at the same time, the
safety and reliability of power system operation have faced new challenges, and large-scale blackouts cause huger lost. The culprit of large-scale blackouts is cascading failure, and relay protection and automatic devices play a critical role in development of failure, therefore during the simulation calculation of the cascading failure mechanical and electrical transient and long-term process should be considered in their operating characteristics.
At present, domestic and overseas power system analysis software is lack of relay model and their prototype most are foreign devices. The software can’t meet simulation demand. While, artificial relay switching is not only difficult but also inaccurate, impacting simulation results.
In order to solve the above issues, a method of relay Modeling is proposed and studied in this paper, then do cascading failure simulation based on the established models. Models are developed by User-Defined Model. Relay protection and automation devices is made up of different components with certain logic, these components has certain generality. First, Basic component model is developed, as the relay model basic frame. Various Relay protection models is composed of many basic component models which according to specific protection principle, therefore those models can have strong commonality.Protection relay models are introduced in simulation process, though WSCC 9-bus case and Henan actual example for verification and fault simulation chain. The simulation results show that the method can reflect protection action more accurately, and simulation of Cascading failure is realized.
Key words: Basic element model; Relay Protection; Automation Devices;
Cascading failure
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-III 目录
摘要 (I)
Abstract (I)
主要符号表 (VI)
第1章绪论 ....................................................................................................................... - 1 -研究的背景与意义 ............................................................................................................. - 1 -研究背景 ..................................................................................................................... - 1 -
研究目的与意义 ......................................................................................................... - 1 -国内外研究现状 ................................................................................................................. - 2 -本文的主要工作 ................................................................................................................. - 5 -第2章继电保护建模与仿真实现方法.................................................................................... - 6 -继电保护的基本任务和动作原理 ..................................................................................... - 6 -继电保护建模方法 ............................................................................................................. - 6 -建模思路 ..................................................................................................................... - 6 -
基本元件模型 ............................................................................................................. - 7 -
电流互感器模型 ....................................................................................................... - 14 -
电压互感器模型 ....................................................................................................... - 16 -继电保护模型仿真实现方法 ........................................................................................... - 18 -本章小结 ........................................................................................................................... - 19 -
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第3章继电保护装置的建模设计 ......................................................................................... - 21 -线路保护的建模 ............................................................................................................... - 21 -电流电压保护 ........................................................................................................... - 21 -
零序电流保护 ........................................................................................................... - 22 -
相间距离保护 ........................................................................................................... - 22 -
接地距离保护 ........................................................................................................... - 24 -
高频闭锁方向保护 ................................................................................................... - 25 -
其他保护 ................................................................................................................... - 26 -发电机保护的建模 ........................................................................................................... - 26 -过负荷保护 ............................................................................................................... - 26 -
异常运行保护 ........................................................................................................... - 26 -
低励失磁保护 ........................................................................................................... - 28 -变压器保护的建模 ........................................................................................................... - 29 -相间后备保护 ........................................................................................................... - 29 -
接地后备保护 ........................................................................................................... - 30 -
其他保护 ................................................................................................................... - 31 -本章小结 ........................................................................................................................... - 31 -第4章安全自动装置的建模设计 ......................................................................................... - 32 -自动重合闸装置的建模 ................................................................................................... - 32 -三相一次重合闸装置模型 ....................................................................................... - 32 -
检无压/检同期重合闸装置模型.............................................................................. - 33 --IV
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-V
综合重合闸装置模型 ............................................................................................... - 35 -切机/解列装置的建模 ..................................................................................................... - 37 -电流方向解列装置模型 ........................................................................................... - 37 -高频切机装置模型 ................................................................................................... - 39 -低频/低压减载装置模型 ......................................................................................... - 39 -本章小结 ........................................................................................................................... - 40 -
第5章模型验证和仿真应用 ................................................................................................. - 41 -模型验证 ........................................................................................................................... - 41 -算例介绍 ................................................................................................................... - 41 -
验证结果及分析 ....................................................................................................... - 41 -仿真应用 ........................................................................................................................... - 47 -电网连锁故障机理研究概况 ................................................................................... - 47 -
基于建立模型的连锁故障仿真................................................................................ - 48 -
连锁故障仿真平台设计 ........................................................................................... - 53 -本章小结 ........................................................................................................................... - 54 -结论 ................................................................................................................................... - 55 -参考文献 ................................................................................................................................... - 56 -
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-VI
主要符号表
英文字母
VAR、VAI 母线A相电压实部、虚部IARI、IAII 支路i侧A相电流的实部、虚部I1RJ、I1IJ支路j侧正序电流实部、虚部ANGB 母线电压相角
VT母线电压
IARJ支路j侧A相电流实部、虚部OP A、OP3线路操作：开断A相、开断三相RL、XL支路电阻、电抗
I0II、I0RI支路i侧零序电流虚部、实部
I2II、I2RI支路i侧负序电流虚部、实部
I2IJ、I2RJ支路j测负序电流虚部、实部SDL切负荷
ITS、EQ发电机电流、电势
TPG切机
EFD、OMG发电机励磁电压、角速度CLA、CL3线路操作：合上A相、合上三相OMB母线频率
ITR、TTI发电机电流实部、虚部
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-- 1 - 第1章绪论
研究的背景与意义
研究背景
在现代社会中，国民经济发展和工业生产的主要能源是电力，国民经济的发展和安全高效、高质量的工业生产需要电力系统的安全可靠运行作为支持。

进入21世纪，电力系统快速发展，现代电网无论是规模、容量还是覆盖范围都不断扩大，继电保护及安全自动装置作用也更加重要，结构也更加复杂。

因此，对电力系统运行的可靠性、安全性提出了更高的要求。

然而近些年，在世界范围内由连锁故障造成的电网大规模停电事故却频频发生[1-2]。

电力系统故障引起的停电不但对国民经济的发展和工业生产造成阻碍，对人民生活造成很大不便，而且故障本身对电网的安全运行也造成了负面影响。

因此，保证电力系统运行的安全、可靠和经济是供用电双方共同的迫切要求。

电网中的继电保护和安全自动装置对电力系统的安全稳定运行有举足轻重的作用，它们的动作情况直接影响到电网故障的发展状况。

整个电网在运行过程中，电网的故障或不正常运行状态可能有很多原因引起，为了保证电网运行的安全，我们既要采取有效措施避免电网运行时发生故障或进入不正常运行状态，还要保证一旦电网出现故障或不正常运行状态时继保及安自装置能够及时、可靠动作，有选择性的切除故障元件，将故障影响降到最低。

而继电保护和安全自动装置的隐形故障、误动、拒动都将引起故障或不正常运行状态的进一步恶化，最终可能产生连锁故障，导致停电范围的扩大。

研究目的与意义
近些年，世界范围内发生的大规模停电事故大多是由严重故障的冲击而引起，由最初的初始故障导致系统潮流、频率、电压等电气量和原动机等系统变量的长期动荡，当某些元件不能承受而退出运行就产生了连锁故障，从而使得整个系统失去稳定而崩溃，给社会造成惨重的经济损失[3-5]。

在连锁反应事故过程里，继电保护和安全自动装置是防止系统崩溃的重要防线，它们的动作逻辑
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直接关系到故障的发展情况[6]。

进入21世纪，实时的电网仿真计算已成为电网仿真发展的趋势，同时对于指导电力系统安全稳定运行起到重要作用的电网动态安全评估系统，也会因为前者的发展而愈加先进和重要。

将继电保护与安全自动装置的特性考虑到安全评估系统中，对电力系统受到扰动之后整个动态变化过程进行连续仿真，真实准确的反应变化全过程。

能够更好地发现电网中继电保护和安全自动装置的动作行为带来的影响，对于短期和中长期安全预警都有重要意义。

为满足我国大电网安全运行仿真的需要，研究和开发适于电力系统全过程动态仿真的继保及安自装置模型，准确模拟这些装置的动作行为和控制特性，不仅对研究非线性超大规模电力系统动态特性机理有重要作用，而且对分析事故机理及其防控措施有重要意义。

本文主要研究符合我国电网实际的典型继电保护和安全自动控制装置，并建立模型库，将仿真软件产生的电压、电流数据实时输送到继电保护和自动装置模块中，然后将模块的输出回送到仿真软件中去控制一次系统的开关，相应改变电网模型的拓扑结构，从而实现闭环式的稳定仿真，克服以往仿真软件不能真实反映因保护拒动或误动而产生连锁故障的缺点，对电力系统全动态过程进行有效仿真，为分析电力系统的中长期过程动态稳定性问题和提供事故防控手段(例如，第3道防线等等)提供强大的仿真功能[7]。

研究和开发继保和自动装置模型，提高仿真准确度，可完善全过程动态仿真、在线动态安全分析和调度员培训模拟（DTS）等稳定性仿真程序。

合理的模型不仅可用于常规暂态稳定仿真程序进行计算，而且可对严重事故的复杂过程进行分析或重演，找出事故发生的根本原因，为制定正确的反事故措施提供帮助。

因此，本文的成果具有很大的推广空间，可在电力系统的规划、运行和科研等机构的电力系统分析计算部门得到应用，这不仅对我国在该领域的研究有帮助，而且为保证我国电网的安全稳定运行提供有力仿真工具，取得经济价值的同时带来社会效益。

国内外研究现状
目前国内外广泛应用的电力系统机电暂态及中长期动态稳定仿真中对继电-- 2 -
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保护和安全自动装置模型的研究和应用较少，尚不够深入。

在国内常用的电力系统稳定仿真程序中，PSASP没有设置具体的继电保护模型，仅靠预设开关的延时开合来模拟保护功能，安全自动装置只考虑了简单的低周和低压减载模型；PSD-BPA程序中提供的少量继电保护模型，由于搭建粗略而且多以国外的继保和安自为模板而与我国电网中实际广泛应用的实际装置差别较大，所以仅能起到少量简单继电保护和安全自动装置的作用，不能真实反映继保装置在我国电力系统中的动作特性。

PSD-BPA稳定程序中的安全自动装置除了常规的低周低压减载外，虽然新增加了部分符合实际失步解列、低压低频解列等模型，但种类很少，仍不能满足我国电网仿真需求。

国外的仿真程序很多，但是其中包含大量继电保护和安全自动装置模型的程序却不多，在PSS/E、EUROSTAG、NETOMAC等程序中仅包含了少量的继电保护和安自装置模型，不但种类单调而且多是以国外所用装置为参考，不能反应国内广泛使用装置的特点[8-10]。

调度员培训系统中的继保模型多采用逻辑判别法、定值判别法、逻辑定值协调法和教案准备法等。

其中逻辑判别法依据预置的开关逻辑和时间设定反应保护动作特性，不需要进行故障过程的计算，所以速度快，但在复杂网络中实现困难，而且仿真不够精确，难以真实的再现电力系统继电保护和安全自动装置的动作行为，基于IF/THEN规则的逻辑判别法在国外应用较多；定值判别法依据保护定值动作，结果准确，但对数据的采集、录入和维护要求较高；逻辑定值协调法的问题在于如何对前面两种判别方法协调，才能更好的扬长避短；教案准备法需要在计算前预先准备好保护动作序列，缺乏灵活性。

调度员培训系统的安全自动装置仿真方面，在继保模型中可以包含安自装置模型，如国外常用高/低压继电器、高/低频继电器等代替各种解列和切机装置；动态仿真中的电源控制系统模型中可以考虑一些反映动态响应的自动装置如失步解列、高频切机、连锁切机等；通过模型拼装和决策表比较可以实现对部分反映稳态量的一些装置如低频/低压减载、解列装置、备自投和重合闸等的模拟[11-13]。

计及继电保护和安全自动装置动作的电力系统动态过程是时间不连续的离散过程。

连锁故障是典型离散过程，在连锁故障方面, 当前国内外
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研究采用的理论和方法主要有[14-17]：
1) 模型分析法。

包括利用复杂系统理论揭示连锁故障发生的内在机理和利用复杂网络理论从电网的网络结构角度研究电网发生大规模连锁故障的概率和故障的发展机理，前者包括分支过程模型[18]、自组织临界理论、OPA模型[19]、CASCADE模型[20]等，后者包括小世界模型[21]、Wat ts构造模型、无标度网络模型等。

2) 模式搜索法。

利用模式搜索法对连锁故障的发展过程进行模拟并对结果进行分析得出故障模式，分为解析法、随机模拟法等。

解析法一般是假设系统中的某个（或几个）元件发生故障，计算随后的系统响应。

模拟法基于蒙特卡洛概率抽样，例如Manchester模型，先抽样得到系统的初始故障序列，然后逐一对序列中的故障模式进行模拟搜索，方法缺点是效率低。

目前，各种模式搜索法考虑的因素主要包括线路潮流过载、系统的暂态稳定状况、保护误动作情况、电压过低等。

针对不同的考虑因素采取不同的方法进行处理。

上述方法中，前种方法侧重于利用复杂科学理论从宏观角度对整个系统进行研究，后一种方法着眼于实际应用，通过对故障过程的模拟分析电网发生连锁故障的概率以及故障的发展机理，并进行电网连锁故障防控手段的总结。

连锁故障过程十分复杂，在现在的有关研究当中，对于继保及安自装置的考虑比较简单，仿真中不能充分体现继电保护及安全自动装置对故障动态过程的影响，在有些模型例如Manchester模型中虽然对暂态稳定、电压稳定、低频减载、低压减载、保护隐藏故障等因素均有考虑，但是复杂的结构难以实现仿真。

总之，能被广泛接受并真正实用的连锁故障模型还没有实现。

在保护建模方面，二十世纪末基于Petri网的保护建模研究开始兴起。

Petri 网是描述和研究离散事件动态系统的一种建模工具。

研究初期主要利用Petri网及相关的时间Petri网、时延Petri网等对继电保护工作逻辑、执行周期、时间配合及随机特性进行研究，后来利用混杂Petri网进行继电保护模型的建立。

利用该种工具建模提出了不少方法，例如利用可编程的PTPN对继电保护系统建模、保护抽象混杂Petri网分层建模等，但总体而言这些研究还是初步的，很多问题尚待进一
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步研究[22-24]。

因此，应该建立与我国实际应用的继电保护和安全自动装置动作特性相一致的模型，这样在电力系统动态仿真程序中就能够真实反映故障过程中继保及安自装置动作特性带来的影响，使仿真结果更加的真实有效，同时对于电力系统机电暂态及中长过程动态仿真的发展也起到推动作用。

本文的主要工作
本文主要研究适用于电力系统机电暂态及中长期动态过程仿真的电网继电保护装置（包括主保护、后备保护等）和安全自动控制装置模型，在电力系统全过程动态仿真程序中实现这些装置模型闭环式的稳定仿真计算。

1. 调研国内外广泛应用的电力系统机电暂态及中长期动态稳定程序中继电保护和安全自动装置模型的应用情况及其仿真模拟方法；调研国内电网电气元件常用的继保和电网安自装置的类型及其在国内的应用情况。

继电保护和安全自动装置主要包含常规发电机组保护、变压器保护、线路保护、自动重合闸、切机减载等装置。

2. 研究国内电网电气元件继电保护和安全自动装置的原理，对其进行分割，包括启动元件、动作元件、方向元件、出口元件等，同时对TV和TA暂态特性对继电保护建模的影响进行研究，提出相应的适合机电暂态和中长期动态仿真的模型及模拟方法。

提出继电保护和安全自动装置模型的适用范围、参数设定。

3. 研究连锁故障的机理，在连锁故障的仿真过程中添加所建立的模型，克服以往需要人为设定继保动作行为的缺点，对连锁故障发展全过程进行闭环、交互式动态仿真。

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-- 6 - 第2章继电保护建模与仿真实现方法
继电保护的基本任务和动作原理
继电保护装置是指能反映电气元件或电力系统本身故障或不正常运行状态，能够发出警告信号或者跳闸命令的一种自动装置。

它的基本任务是：
1. 电气元件故障时，能够迅速准确的使故障元件从电力系统中分离，使元件受到尽量轻的破坏，并将对电力系统造成的不良影响减到最小。

2. 电气元件不正常运行时，通过对运行状态的判断，给予警告信号或跳闸。

继电保护装置一般包括测量环节、逻辑环节和执行环节。

保护装置由测量环节获得对保护对象的所需相关电气量，将其与所设定值进行比较以确定保护是否启动及是否发出逻辑信号，若是则信号经过逻辑环节的逻辑判断将动作信号最终传给执行环节进行执行。

输入信号输出信号
图2-1 继电保护装置基本构成图
继电保护建模方法
建模思路
通过对继电保护和安全自动装置工作原理的调研发现，很多保护和安自装置都是有一些具有通用性的元件组建而成。

这些通用性元件有过量元件、欠量元件、延时元件等，将这些元件作为保护和安自装置的基本结构进行建模形成基本元件模型，然后由基本元件模型构成具体的保护和安自装置模型。

这种建模方法显然比直接对具体保护和安自装置进行单独建模要简单方便的多，而且这样建模也使得模型具有很强的通用性。

基本元件模型通过基本功能框完成，将这些基本功能框封装起来形成一个具有相对完整功能的模型块，作为新的基本功能框使用。

这些模型块具有输入输出端口，可以构成保护的启动元件、动作元件、时延元件等不同部分，它们相互连接组成具体保护模型，保护的定值参数可以通过基本功能框自带的参数
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功能进行设定。

电网中的互感器是电力系统中较重要的高压设备之一，其性能的优劣对电力系统量测值准确与否及继电保护和安全自动装置动作可靠与否有直接的影响。

为能尽量减小其测量误差，有必要对其进行建模研究。

文中对常用的电流互感器和电压互感器分别进行了建模。

继电保护装置根据保护对象的不同可以分为线路保护、发电机保护、变压器保护和其他保护。

每类保护包含很多种具体的保护，将每类保护归类在一起进行建模，这样由于保护属于同一类保护具有一定的联系使得建模可以相互参考利用。

安自装置模型库可以分为低压/低频减载装置、自动重合闸以及解列装置等。

不同的继保模型和安自装置模型构成继电保护和安全自动装置模型库。

基本元件模型
继电保护及安全自动装置是由不同的元件（包括起动元件、动作元件、闭锁元件等）通过一定的逻辑关系组成的。

在以电气元件为基础对继保及安自装置进行分类时，很多装置中的元件具有一定的通用性[25]。

在进行模型设计的过程中，将这类元件单独进行建模，形成基本元件模型，作为保护模型的基本功能框，再和暂稳UD程序中所提供的基本功能框一起搭建具体的保护模型[26]，使模型具有较强通用性。

下面给出本文建立的基本元件模型。

1.过量元件
图2-2 过量元件模型图
该元件主要用于过电流保护、过负荷保护、过电压保护等装置中，其模型结构如图2-2所示。

当输入量低于整定值Y时，元件输出为0，当输入量高于整定值Y一定时长（固有动作时间）后，元件输出为1。

其中输入量可为线路电流信号、节点电压信号、节点频率信号等，分别构成过流元件、过压元件、过频元件等。

2. 增量元件
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该元件主要用于线路保护的负序、零序增量闭锁环节中，其模型结构如图2 -3所示。

当输入量的变化率（框DIFF的输出值）低于定值Y时，元件输出量为0，当检测量的变化率高于定值Y一定时长后，元件输出量为1。

其中输入量可为零序电压/电流信号、负序电压/电流信号等，构成零序电压/电流增量元件、负序电压/电流增量元件等不同增量元件。

图2-3 增量元件模型图
3. 延时元件
该元件主要用于各种保护和安自装置的时间延迟，用来模拟装置的实际动作时间，其模型结构如图2-4所示。

输入量经过定值t（在框DL Y1设定）时间延时后原样输出。

图2-4 延时元件模型图
4. 反时限元件
图2-5 反时限元件模型图
该元件主要用于各种保护和安自装置的时间延迟，用来模拟装置的实际动作时间，其模型结构如图2-5所示。

输出量根据输入量的不同而变化。

输入量In1经过延时In2后，输出等于In1，否则输出为0。

5. 欠量元件
该元件主要用于低电压保护、低频保护等装置中，其动作逻辑原理如图2-6所示。

当输入量高于定值Y时，元件输出量为0，当输入量低于定值Y一定时
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长后，元件输出量为1。

其中输入量可为节点电压信号、频率信号等，构成低压元件、低频元件等不同元件。

SOR21
2
DLY11Out
Y=A
1
In2
In112
+
CSW21
2
DLY21
图2-6 欠量元件模型图
6. 方向元件
功率方向元件主要用于带方向的保护装置中，可作为保护装置的闭锁元件。

当判断电流方向为从母线指向线路（正向）时元件动作，当判断电流方向为从线路指向母线（反向）时元件不动作。

功率方向元件通常采用90度接线方式，其动作判据为（以A 相为例）
0)90cos(>+︒-αϕd A BC I U (2-1)
式中：U BC ——B 、C 两相电压矢量差幅值；I A ——A 相电流幅值；d ϕ——A 相电压与相电流电角度差；α——继电器内角，通常取30~60度。

功率方向元件的模型结构如图2-7所示。

输入量为保护装设处的支路阻抗角
ANG ，当满足cos(90)0Ang α-︒+>一定时长后输出量为1，否则为0。

第一个定
值
，第二个定值。

ANG 1
2ANG 1
2
VAI IARI IAII
12
+
12
+Y=A Y=A
COS
12
DLY21DLY11Out
CSW11
2
1
图2-7 功率方向元件的模型图
7. 阻抗元件
阻抗元件主要用于线路的相间距离保护及接地距离保护中，作为主保护器件。

阻抗元件主要分为低阻抗元件（全阻抗元件）以及方向阻抗元件，另外少数保护装置中还用到了偏移阻抗元件和直线阻抗元件。

全阻抗继电器动作特性：
幅值比较方式：。