基于双侧电源的距离保护特性的仿真和研究

彭湃，程汉湘

(广东工业大学自动化学院，广东 广州 510006)

0 引言

距离保护在电力系统继电保护中扮演很重要的角色，广泛应用于高压输电系统中，距离保护的核心元件是距离继电器［1-2］，它是根据测量阻抗的大小来反映故障点的远近以决定是否发出跳闸信号［3-6］。对于高压输电线路，最常见的故障一般是单相接地故障，而接地电阻将会影响距离保护的测量阻抗，从而可能引起保护的超范围动作或使保护的范围缩短，使得保护误动或拒动［7-9］，鉴于此，已有一些工作者做了大量的研究，文献［10］提出了基于人工神经网络的自适应距离保护具有更好的躲过渡电阻特性，文献［11-12］采用自适应的方法来消除接地电阻对距离保护的影响。正确地对距离保护进行配置有利于电力系统的稳定性、可靠性，进而提高供电的质量，所以有必要对距离保护进行各方面的研究和分析。

PSCAD(Power Systems Computer Aided Design)是一款电磁暂态软件包，它由很多可视化模块组成，具有较完善的模型库，该软件不仅可以用来分析电力系统的暂态过程，而且也可以对一般的电力电子电路和继电保护进行有效的仿真应用［13］，为继电保护的研究提供良好的仿真分析平台。

1 距离保护的原理及整定原则

距离保护相对电流、电压保护有着独特的优势，其基本不会受电网接线方式和系统运行方式的影响。目前广泛采用的是三段式距离保护，其系统接线如图1所示。

图1 距离保护系统接线图

如图1所示，对于距离Ⅰ段，有保护1的第1段整定值为:

保护2的第1段整定值为:

但是对于距离Ⅱ段，有保护1的第2段整定值为:

对于距离Ⅲ段整定值的考虑与过电流保护相似，其启动阻抗要躲开电力系统正常运行时的最小负荷阻抗来选择。为了能更好地对距离保护的逻辑关系理解，给出了如图2所示的三段式距离保护装置的组成元件和逻辑框图。其中Z1、Z2、Z3均为距离元件。

图2 三段式距离保护装置的组成元件和逻辑框图

2 仿真模型的搭建

电力系统三段式距离保护采用如图3所示的仿真模型。模型是由双侧电源分别经过两断路器和输电线路相连，在输电线路之间加入一个三相故障源可以用来设置系统故障的类型和发生的起止时间，两母线分别挂有负荷。

图3 双侧电源的距离保护系统接线图

系统通过测量保护线路的三相电压和电流，经过如图4所示的控制系统，该控制系统可以将测量的电压和电流进行FFT变化，然后得到各序分量，最后求得测量阻抗实现三段式距离保护的正确动作。

图4 距离保护控制系统

3 仿真结果分析

3.1 故障时的动作特性仿真分析

将图3所示的系统中的故障源设置成A相接地来进行故障仿真分析，故障发生时间为0.2 s，持续时间0.1 s，得到测量点处的三相电压和电流波形如图5所示。

图5 三相电压和电流波形

可以看出，线路发生单相接地故障时，将会对测量处的电压和电流产生一定影响，故障在0.2 s发生，此时尤其对系统电流产生较大影响，使得电流急剧增加，从而使得控制系统中的测量阻抗在整定值范围之内，断路器B1动作而断开，电流就会趋于0，但电压影响不大。

3.2 影响距离保护因素的仿真分析

3.2.1 短路点过渡电阻对保护的影响

电力系统中的短路一般都不是金属性的，而是在短路处存在过渡电阻，由于其存在，将会对输电系统的测量阻抗产生影响，一般下会使得距离保护的保护范围缩短，过渡电阻的大小也将会对电力系统产生不同程度的影响。对如图3所示的系统在故障源支路中使用不同电阻值来模拟过渡电阻，得到如图6、7所示电压和电流仿真波形。

由图6、7可以看出，当发生故障出现过渡电阻时，其会对电力系统产生影响，且随着电阻值的大小影响程度也会不一样。当电阻值为20 Ω时，对继电保护影响不大，断路器仍然在0.2 s故障发生时动作，因而电流为0，而当电阻值提高到25 Ω时，其已经影响到测量电压和电流了，从而对测量电阻产生了误差而达不到动作的范围，导致断路器不发生动作，最终出现如图7所示的电流波形。

图6 过渡电阻R=20 Ω时的波形

图7 过渡电阻R=25 Ω时的波形

3.2.2 输电线路串联电容对保护的影响

高压输电线路的串联电容补偿可以很大程度上缩短两电力系统的电气距离，虽然可以对系统进行无功补偿，提高传输容量，增加电力系统的稳定性，但也会对继电保护产生极为不利的影响，其影响的程度一般是由自身的电容值和安装的位置有关。故障时间仍旧为0.2 s对于不同电容值其仿真波形如图8、9所示。

图8 串联电容为55 μF时电压和电流

由图8、9可以看出，当输电线路串联电容时电压和电流都会受到影响，且主要表现为对电压的影响，是因为其补偿系统无从而来影响电压的稳定。当电容值为55 μF时，距离保护还能够正常动作于线路故障，使得断路器在0.2 s动作，所以会出现电流为0的情况，而当电容值提高到60 μF时，测量阻抗已经达到其整定动作的范围，故而断路器还没等到故障就已经动作了，电流提前降为0，同时电压也受到了很大的影响。

图9 串联电容为60 μF时电压和电流

4 结束语

(1)利用PSCAD搭建了电力系统距离保护双侧电源模型，能很好地对发生故障时测量点的电压和电流进行仿真分析，从而能够更加深入地理解距离保护，为距离保护的测量控制系统算法的研究提供了很好的平台。

(2)过渡电阻以及输电线路串联电容等都会一定程度影响到输电线路上测量电压和电流，从而降低距离保护系统的正确动作率，对于电容器既要考虑到它可以提高系统稳定性和输电系统的传输容量，同时也要看到其对继电保护的不利影响，要综合考虑各方面因素。

(3)距离保护的合理配置对提高电力系统的可靠性、灵敏性、速动性有着很重要的意义，使得继电保护系统更加完善，将会推动智能电网的飞速发展。

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