基于PSCAD软件平台的电力继电保护实验

肖仕武，刘建辉，王增平

(华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206)

继电保护是电力系统二次部分的核心。继电保护实验课程能使学生掌握继电保护设备的工作原理，熟悉设备各环节的特性和调试以及整定方法，帮助学生把学到的继电保护知识应用于实际。

目前高校开设的“电力系统继电保护原理”课程实验普遍存在一些问题。主要是传统的电流继电器和电压继电器等现已基本被微机继电保护所代替，而当前微机保护实验虽然向学生介绍了微机保护装置各插件，对微机保护装置进行外特性实验，却没有让学生参与微机保护软件的编程与验证实验，他们不能很好地理解微机保护装置内部的动作逻辑过程。因此开展模拟真实故障行为保护动作的实验，让学生参与到微机保护软件的编写与验证中，需要有一个良好的保护实验平台支持。

1 基于分析软件的继电保护实验

PSCAD/EMTDC是当前国际上普遍流行的一种电磁暂态分析软件包，广泛应用于世界各国的电力系统仿真，可对包含复杂非线性元件的大型电力系统进行全三相的精确模拟。其核心是内置的元件模型库，该元件模型库几乎涵盖了电力系统输配变电的所有元件，并包含有大量测量、控制用模型元件。

PSCAD图形用户界面的成功开发，使得用户可通过图形添加的方式来解决一些复杂的电路功能，相对于基于数学模型的Matlab仿真软件而言，更易为学生所接受［1］。

用PSCAD/EMTDC进行继电保护实验的流程图如图1所示。

图1 实验流程图

学生首先根据原理图搭建出仿真系统的一次和二次模型，然后设置各元件的参数和一次线路的故障，并且在需要观测变量点添加测量电表，最后执行仿真输出相关的电气量。执行仿真时，PSCAD调用软件自带的编译器将PSCAD中的电路模型编译为主Fortran程序，即将可视化的模型元件转换为EMTDC的子函数，并根据电路连接关系自动进行节点编号和参数传递，然后利用设定的Fortran编译器通过调用EMTDC引擎库文件生成最终的执行文件。在仿真进行过程中，用户可以通过输入输出元件库的控制元件自由调整参数值，以便观察系统某些动态情况下的响应特性［2］。

2 零序电流保护仿真实验

2.1 零序电流保护简介

零序电流保护主要反映电力系统中的接地故障，通常采用三段式保护。零序电流保护的Ⅰ段按躲过本线路末端单相短路时流过保护装置的最大零序电流整定。零序电流保护的Ⅱ段与保护安装处相邻线路零序电流保护的Ⅰ段相配合。零序电流保护的Ⅲ段与相邻线路的Ⅱ段相配合，是Ⅰ、Ⅱ段的后备保护［3］。

2.2 单项接地零序电流保护仿真

单相接地零序电流保护实验中需要用到零序电流提取单元和零序电流比较单元。

零序电流提取单元用于提取出保护所需要的零序电流，通过将测量电流分相、求和及求有效值，实现测量电流到零序电流的转换。

零序电流比较单元将转换后的零序电流与整定值作比较，大于整定值则给出一个动作信号。

仿真中线路选择架空线，设置A相接地，故障时间设置为 5s，接地电阻分别为 10(Ohm)、20(Ohm)和30(Ohm)，实验接线图如图2所示。

图2 仿真实验接线图

仿真结果如图3所示。由图可见，不同的接地电阻时分别在0.516s、1.000s和1.500s发出保护动作信号。根据动作时间可以判断，分别是保护的Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段发出跳闸信号。

图3不同接地电阻下的仿真结果

2.3 两相接地和三相短路保护仿真

设置A、B两相接地和三相短路故障，相关参数设置不变，从仿真结果可以看出保护都正确动作，并能够根据动作时间判断是哪一段保护电路发出的跳闸信号。

通过以上各种情况的仿真，验证了该保护能够实现各种故障的切除，完全能够实现三段式零序电流保护的功能。

3 纵联电流差动保护和仿真实验

3.1 纵联电路差动保护简介

随着光纤通信技术在电力系统的广泛应用，纵联电流差动保护在电力系统得到日益广泛的应用［4］。线路纵联差动保护装置动作速度快，不受单侧电源运行方式和电力系统振荡的影响。迄今为止，输电线纵联保护的原理主要有比较线路两端功率方向的方向纵联保护、比较线路两端电流相位的相位差动纵联保护和比较两端全电流的电流差动纵联保护。

3.2 单相接地的纵联电流差动保护

纵联电流差动保护实验中需要用到快速傅里叶变换元件和双斜率比率制动式电流差动继电器，如图4所示。快速傅里叶变换元件用于将两侧提取的电流信号转换成对应信号的幅值和相角。双斜率比率制动式电流差动继电器是将傅里叶变换后的幅值和相角信号“描点”，若进入该继电器的动作区域便给出动作信号。

图4 电流傅氏变换和保护继电器

仿真中线路采用架空线，设置A相接地故障，故障时间设置为1.000s，接地电阻为40(Ohm)。仿真运行结果如图5所示，保护在1.023s发出了动作信号。图6为动作特性图，动作特性为双斜率比率制动式电流差动，两条直线的斜率分别为0.3和1.5，相交于动作特性直角坐标系上的点(2，1.6)。根据仿真结果进描点，发现在t=1.023s时，差动电流和制动电流所描点刚好进入动作区域，仿真结果完全符合理论分析的中继电器的动作情况。

3.3 两相接地的纵联电流差动保护

设置AB两相接地，保护在1.020s发出了动作信号。

通过以上各种情况的仿真，验证了该平台所进行的继电保护实验能实现各种类型故障的切除，无论是区内单相接地故障还是两相接地故障，保护均在发生故障后约20ms时刻发出跳闸信号，实现了差动保护的速动性和选择性。

图5 两端电流和跳闸时间图

图6 动作特性图

4 结语

本文分析了当前“电力系统继电保护原理”课程实验教学存在的问题，提出了利用软件平台代替硬件平台的方案。我们利用PSCAD/EMTDC软件平台进行了两种继电保护实验，分别是零序电流三段式保护和纵联电流差动保护实验。结果表明，该实验能可靠地完成硬件平台的功能，同时能使学生参与到实验中去，促进学生更好地理解问题、分析问题和解决问题，具有很大的应用前景。在实践中仍保留了部分原继电保护装置实验内容，以增加学生感性认识。

［1］ 孙佐.基于PSCAD/EMTDC的电力电子技术仿真教学［J］.池州，池州学院学报，2009，23(6):119-122

［2］ 石访.电磁暂态软件PSCAD/EMTDC的应用现状与展望［J］.上海，华东电力，2008，12:36-38

［3］ 赵尊华，薛素琴.浅论零序保护在电网中的应用［J］.济南，科技信息，2010，29:359-360

［4］ 李炜.电容电流对线路纵联差动保护整定计算的影响［J］.长沙，湖南电力，2005，25(1):19 －21