基于PSCAD光纤通道联调的仿真平台

冯知海，李清泉，胡云龙，杨茂亭

(国网山东省电力公司检修公司，济南 250000)

0 引 言

电流差动保护具有原理简单、所需电气量少、灵敏度高以及天然选相的功能，是最为理想的保护原理，但其传输通道始终是制约其发展的主要因素。电流差动保护通道的发展经历了导引线通道、输电线路载波(高频)通道、微波通道和光纤通道。其中，导引线通道只能用于距离在15～20 km以内的短线路；载波通道不仅衰耗较大，而且投资大，不适用于大量应用；微波通道往往不能满足继电保护极高的可靠性要求。光纤通道则较以上3种通道具有许多明显的优点：通信容量大、中继距离长、不受电磁干扰、资源丰富、重量轻、体积小等，而且随着近几年光纤通信技术的快速发展，光纤通道已经普遍应用于电网的运行中[1-2]。

以实际运行的某220 kV高压输电线路为例，在PSCAD软件中搭建了电流差动保护模型，并结合现场的调试原理、步骤对输电线路进行通道联调的仿真分析。现场工作人员在进行相关工作前，可以结合该模型熟悉通道联调的步骤及调试结果，不仅对双方断路器的正确变位有确切的认识，更加有助于提高工作人员的调试效率。

1 光纤电流差动保护原理

输电线路两端以光纤作为通信通道，通过比较两端的电流量，判断是否动作于本侧或对侧跳闸。一次侧的电流信号通过互感器变换、保护装置的编码、光电转换，最后以光信号的形式通过光纤传输到对侧，对侧以相反的形式解码，再与本侧的电流量作比较。其简化原理图如图1所示，图中两电流互感器之间的区域即为电流差动的保护范围。理想情况下，流入继电器的电流为

式中：nTAM、nTAN分别为M侧、N侧电流互感器的变比。

图1 输电线路电流差动保护原理图

图2中：Id为动作电流；Ires为制动电流；I0为启动电流；Ires0为拐点处的制动电流；Kres为制动系数，其值为Kres=Id/Ires。由图2可得差动保护的动作判据为

图2 两折线比率差动保护的动作特性

2 仿真模型的建立

结合图2的动作特性，搭建了1条长度为70 km的220 kV输电线路模型，如图3所示。其线路参数参照文献[3]进行设置。

图3 输电线路仿真模型

考虑到通道联调时，需要进行弱馈保护实验，电源模型采用“Three-Phase Voltage Source Model 3”，可以方便直观地根据实际调节供电侧和受电侧的电压相量。对于220 kV线路的输电线路常采用π形等值电路，故选用“Coupled Pi Section Transmission Line”线路模型。断路器采用“3 Phase Breaker”元件，由保护模块控制(0=ON(闭合断路器)；1=OFF(断路器跳闸))，用以切除故障。测量表计“Multimeter”实现表计安装处的电压和电流的实时测量功能。

保护封装模块“Control 201”“Control 211”作为整个模型的核心，其内部的工作逻辑框图如图4所示[2,4]。两模块间以数据组的形式，即元件“Data Merge”和“Data Signal Array Tap”，将差动保护所需要的启动量、电流量、开关位置、远跳信号、控制字、通道状态等经过逻辑运算后发往对侧，从而模拟了实际的光纤通道。其中A相差动元件的仿真模型图如图5所示。以元件“Two State Switch”模拟现场“A相跳闸、B相跳闸、C相跳闸、重合闸、光纤电流差动保护”压板(0=退出压板；1=投入压板)，如图6所示。

图4 光纤电流差动保护逻辑框图

图5 A相差动元件的仿真模型

图6 光纤电流差动保护压板投退模型

为保证该仿真模型中输电线路发生故障时的正确性与全面性，图3设置了F1(区外近M端)、F2(区外近N端)和F3(区内)3处故障点。故障模块采用元件“Three Phase Fault”，并将其设置为外部控制方式；故障位置和故障类型的选择均采用元件“Rotary Switch”，以便于通过元件“Control Panel”灵活控制；故障的持续时间由元件“Timed Fault Logic”控制。模型中故障模块的控制模型如图7所示。

图7 故障模块的控制模型

3 仿真分析

差动保护模型搭建完成后，即可根据现场通道联调的调试步骤进行仿真分析。首先需要确定差动保护等相应控制字、压板已置“1”，通道正常，即可开始进行仿真调试[4-5]。

检查输电线路两侧的采样值及差流是否正确。在保证输电线路两侧的电流互感器的变比系数相对应的情况下，在201或211开关断开的情况下，在一侧输入三相电流，由于对侧没有电流，导致仿真波形显示有较大差流，且与输入的电流相等；当两侧开关均处于合位时，在线路两侧输入额定电流，进行仿真，仿真结果如图8所示。由图8易得两侧电流相差180°且无差流。

当输电线路的一侧处于停电检修状态，同时线路发生故障，即输电线路空冲时故障：N侧断路器处于分闸位置且M侧断路器在合闸位置，此时在输电线路上的“F3”位置设置各种故障，设置故障发生时间为0.2 s,保证故障电流大于差动保护电流的整定值，M侧差动保护动作，N侧不动作。其动作逻辑如图9所示。

IM为母线M侧电流；IN为母线N侧电流；IMN为两侧差流。

图9 线路空冲时的断路器动作状态

对于某些线路，由于一侧为大电源端，另一侧为弱电源端，在线路发生故障时，很容易导致弱电源端拒动，因此引入了弱馈保护功能。图3中将N侧设为弱电源端，即设置其三相电压为正序34 V(小于65%UN但是大于TV断线的告警电压33 V)，使201和211两个断路器均处于合位，在输电线路的“F3”处模拟各种类型的故障，当故障电流大于差动保护整定值时，M、N侧差动保护均能正确动作于跳闸，如图10所示。

远方跳闸功能：使201、211两个断路器在合闸位置，在M侧由元件“Two State Switch”将“远跳受本侧控制”控制字置“0”，模拟故障使N侧的211断路器跳闸，同时给M侧发远跳，201断路器能够正确动作。在M侧将“远跳受本侧控制”控制字置“1”，当N侧向M侧发远跳时，201断路器不动作，而当在M侧通过元件“Integer Constant”延时1.5 s发电流差动保护启动信号时，201断路器能够正确动作。仿真结果如图11所示。

图10 弱馈保护功能时的断路器动作状态

图11 远方跳闸时的断路器动作状态

4 结 语

基于PSCAD搭建的输电线路电流差动保护模型不仅可以正确反映区内的各种短路故障，而且形象地对通道联调的过程进行了仿真，定性、定量地分析了仿真数据。该仿真平台使现场工作人员掌握了通道联调的原理，更加明确了通道联调的步骤，得到了现场工作人员的认可。