反时限零序电流保护仿真平台的研发

于 游，潘昱辰，田景辅，高 阳，马 强

(1.国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006；2.沈阳工程学院，辽宁 沈阳 110136)

当前，我国220 kV及以上电网中普遍应用定时限零序电流保护作为输电线路接地故障的后备保护，主要作用是当线路发生经高阻接地故障接地距离保护不能动作时，由它来切除故障[1]。但是由于定时限零序电流在整定时简化为两段或一段[2]，上下级线路间的零序电流保护难以配合，存在大量的不配合点，而且其整定计算非常复杂。反时限电流保护动作时间与电流值呈反比，一般故障线路电流最大，动作时间最短，离故障点越远电流越小，动作时间越长，具有天然的选择性。用反时限零序电流保护替代定时限零序电流保护，能够解决定时限保护的选择性问题，大幅减少整定工作量，并同时兼作接地故障的远后备，是继电保护工作者的共识[3-4]。

反时限零序电流保护原理虽然简单，但是要想用一条反时限曲线适应不同结构电网和各种故障，研究工作非常复杂和困难。一是反时限电流保护的动作时间与输入电流值为非线性关系，这意味着对于一条线路而言，故障点在不同位置、经不同的电阻值接地，线路两端和周围的反时限零序电流保护动作行为与配合情况不同；二是反时限电流保护的动作时间与输入电流值为积分关系，在任何一点跳开后，电网电流将重新分布，动作时间将随之发生变化，手工计算难以实现；三是要确定适当的反时限曲线参数，使该曲线在不同的网架结构和经不同电阻接地故障下具有最优性能，研究工作量非常大。

由于研究难度大，缺乏有效的技术手段，目前反时限零序电流保护的研究存在许多问题。所研究的模型基本都是简化电网模型，故障类型一般为金属性接地和规程规定电阻上限值接地2个极端点，而且没有定量考虑电网断路器相继动作后电流的重新分布[5-7]，这些研究与实际的电网结构和故障状况尚有距离，反时限零序电流保护的实际配合情况需要进一步研究。到目前为止，反时限零序电流保护在220 kV电网中除少数500 kV电网[8-9]仍未得到应用，而且在整定上只能采取简化的整定方法[10]，还没有案例来证明其方案的有效性。

因此要深入研究反时限零序电流保护的性能，弄清在电网应用中存在的问题，合理整定其他保护与其配合，需要开发专门的反时限零序电流保护分析仿真平台，为研究工作提供有力的工具。

1 反时限零序电流保护仿真平台的搭建

1.1 仿真平台搭建思路

平台的仿真计算环境应最大可能与实际电网一致，这样才能使研究结果符合电网实际。因此，分析与仿真平台的建模系统，不但要支持图形化的自定义建模，还要有调用整定计算平台的电网模型和参数库功能，这样分析平台才具备与实际电网完全一致的模型和数据，而且故障计算结果可经过整定计算软件验证，从而保证零序电流计算结果的准确。

由于要具备对整个大型电网的全部设备进行批量计算和仿真，反时限零序电流保护的仿真计算量非常大，客户端计算机有限的计算能力满足不了计算要求，因此平台的架构应设计为基于B/S架构(Brower/Server，即浏览器/服务器架构)，服务器的计算能力要远大于客户端计算机，而且可以扩展，能够满足仿真计算需求。

1.2 仿真平台的结构

研发的B/S架构反时限零序电流保护仿真平台如图1所示。系统部署在调度数据网Ⅲ区，与一体化整定计算系统共用服务器计算资源，客户端通过浏览器进行访问系统，开展有关计算和仿真研究，平台支持多用户同时工作。

图1 B/S架构反时限零序电流保护仿真平台

仿真平台具体的内部结构如图2所示。平台底层模块为仿真平台数据建模，采取界面友好、易操作的图形化方式建模，也可直接调用电网整定计算系统的网络拓扑与参数；故障计算模块是按照仿真计算要求，计算仿真范围内的各点零序电流值、零序电压值以及夹角；仿真计算模块是应用层模块，具有各种分析和仿真功能，按照用户指令计算分析反时限零序电流保护数据，并将结果输出给用户。

图2 反时限零序电流保护仿真平台内部结构

2 仿真平台的功能设计

2.1 零序电流及反时限时间的计算

根据不同的要求和计算条件，计算出电网各点的反时限零序电流值以及对应的动作时间，该功能是研究反时限性能和开展仿真的基础，平台具有如下计算功能。

a.基于图形可在电网任意点设置接地故障，接地电阻值、接地类型、是否相继可设置，计算出电网中各点的零序电流值和角度。

b.支持设置3个不同的一般反时限曲线(启动值、时间系数不同)，根据零序电流计算出3条曲线对应的动作时间。

c.以上计算结果可在图形上显示出来，可根据需要显示全部或显示正方向。

d.可按(a)、(b)功能在线路起端、中间、末端分别设置故障点，全网或全图批量计算线路两端的零序电流值及不同曲线的动作时间，并报表输出。

2.2 零序电压的计算

基于图形可在电网任意点设置接地故障，接地电阻值、接地类型、是否相继可设置，计算出电网中各点的零序电压值，转变为二次值在图形各计算点上标出。

2.3 静态分析

静态分析是指仅考虑故障状态下一侧开关相继和不相继两种方式下，电网各点的反时限零序电流保护配合情况，不考虑相继后的电流重新分布，主要目的是研究线路断路器未断开前或一侧由快速保护断开情况下，电网各点反时限零序电流保护间的配合情况，与2.4节的动态仿真进行对比，能够检查出当前各种分析方法下的反时限性能存在的问题和不足。具有如下计算功能。

a.基于图形可在电网任意点设置接地故障，接地电阻值、接地类型、是否相继可设置，反时限曲线参数和时间级差可设置，计算电网中各点的零序电流值和动作时间，并在图形上显示，按级差要求标注出不配合点。

b.按(a)设置功能在线路起端、中间、末端分别设置故障点，基于全网或全图进行批量故障计算，筛选出所有线路对应故障位置下的不配合点，将不配合点的位置、零序电流值及动作时间报表输出。

2.4 动态仿真

动态仿真是电网发生接地故障，反时限零序电流按动作时间先后跳闸时，能够计及这些跳闸后零序电流变化的仿真。要实现动态仿真，首先应解决动态电流下的反时限时间计算方法。

一般反时限动作方程为[11]

(1)

式中：I为输入电流的测量值；IB为基准电流；tp为时间常数；t为动作时间。

故障发生后故障电流可能是个变化量，此时不能直接按式(1)计算出动作时间，需要根据不同阶段的激励量I所维持的时间T来计算所积累的量，当各阶段的积累量总和达到动作门槛时，保护元件动作，过程可等效为

(2)

式中：T0为保护元件动作时间。在实际计算中，需要把连续过程离散化处理，可演变为

(3)

式中：Δt为2次累积的时间间隔；N为过流反时限元件从启动到动作所经历的能量累计的次数；t(I)n为第n次累计时刻对应的理论动作时间，该值随I的变化而变化。

本仿真平台按上述处理方法计算各点反时限零序电流保护时间，当发生某一处保护先动作后，重新计算电网各点电流值，再继续累计计算，直至故障线路两侧都断开后停止。

具体功能如下。

a.基于图形可在电网任意点设置接地故障，接地电阻值、接地类型、运行方式可设置，反时限曲线参数和时间级差可设置，仿真电网中各点保护的先后动作次序，按级差要求在图形上显示出不配合点或越级动作情况。本功能可以用来详细分析某一电网结构下的保护动作行为。

b.按(a)设置功能在线路起端、中间、末端分别设置故障点，基于全网或全图进行批量仿真计算，报表输出所有线路两侧都断开下的动作电流和动作时间。此功能可用来掌握动态下全网保护的动作数据，以及目标反时限曲线的快速性。

c．按(a)设置功能在线路起端、中间、末端分别设置故障点，基于全网或全图进行批量仿真计算，筛选出所有线路对应故障位置下的不配合点，将不配合点情况报表输出。此功能可以用来分析目标反时限曲线在不同故障情况下的选择性。

3 仿真平台应用算例

3.1 算例1

选择辽宁500 kV电网为计算范围，故障类型设置为单相接地，接地电阻值为150 Ω，故障点分别设置在线路起端0、50%、100%处，计算每条线路两侧零序电流值，对应的3条不同反时限曲线的动作时间，能够同时将105条500 kV线路计算完毕并将结果报表输出，供分析研究。

3.2 算例2

本案例为辽宁500 kV电网动态仿真计算，设立故障类型为金属性接地故障，反时限零序电流曲线的启动电流为300 A，时间常数为0.7，最小动作时间为0.5 s，仿真结果如图3所示。

图3 反时限零序电流保护动态仿真

根据仿真结果可知，考虑反时限零序电流保护的动态特性，在金属性单相故障情况下，500 kV电网中存在不少保护越级和级差不足0.3 s的情况，主要是故障线路先动作侧背后线路与后动作侧间的不配合，在以往分析中是未得到考虑，应对这一问题进一步进行研究。

4 结束语

反时限零序电流保护分析仿真平台是研究反时限零序电流保护的必要工具，通过这一工具，能够反映反时限保护在电网中各处的真实情况，发现其相互之间以及与其他保护配合上存在的问题，然后研究其内在机理，寻找相应的解决办法，为反时限零序电流保护在电网中的大范围应用扫清障碍。