继电保护虚拟仿真实验平台的设计与实践

梁营玉， 李武林

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京100083）

0 引 言

电力系统继电保护作为电气工程及其自动化专业的主干课程，是理论学习与实践应用于一体的专业课程［1-2］。为响应国家培育新型工科人才，树立“厚基础，强实践，重研究”教育理念，落后的教学模式已经不能满足培养当代学生的要求，同时也影响了学生的学习热情和创新思维［3-5］。电力系统继电保护课程的讲授，应将理论与实践结合，以教师为主导、学生为主体的教学模式，在理论教学的同时，还需要开设实验课程来增强学生的创新意识，培养学生的创新精神。

继电保护实验的开设已涌现出一些成果。文献［6］中针对继电保护实验存在的问题进行创新性改进，设计了图形可编程实验平台；文献［7-8］中都是将LabVIEW软件引入继电保护课程，设计了能开展保护装置动作特性和综合继电保护的实验平台；文献［9］中则是在LabVIEW软件基础上，开发了与数字信号处理器（digital signal processor，DSP）控制板卡连接的多功能电流保护实验装置，开展了一系列继电保护实验。文献［10］中通过模拟实验和仿真对比验证了10 kV电网发生单相接地故障时的故障特征；文献［11］中根据电力系统自身的高危特性，构建了继电保护装置与虚拟的电力系统连接的虚、实混合仿真实验平台；文献［12］中提出了在新工科的背景下“理论-仿真-实验”一体化的教学理念，同时引入了新能源接入电网的继电保护仿真模型。文献［13］中为了丰富继电保护实验内容，提出了全景继电保护的教学模式；文献［14］中提出了CDIO工程教育理念，并将其应用到继电保护的课程教学中，使教学内容得以优化，教学手段得以改进。

为促进形成理论教学、实践教学以及创新创业教学的新模式，本文基于PSCAD/EMTDC搭建了继电保护虚拟仿真实验平台，通过将继电保护基本原理应用到实验仿真中，提高学生对于继电保护原理的认知水平，同时也锻炼学生的参与意识和创新能力。

1 继电保护实验平台的设计要求

继电保护对于整个电力系统至关重要，它是电网稳定、安全运行的保障［13］，掌握继电保护的基本原理具有重要的意义。继电保护实验平台是一种较为灵活的虚拟仿真平台，主要设计原则和要求如下：

（1）平台的设计目的在于使学生能全面掌握继电保护的基本原理、动作特性，通过实验平台实现学生综合能力和创新精神的培养。

（2）平台的设计思路是在掌握基本理论知识的前提下，对继电保护装置进行动作特性验证，进一步巩固课本内容并提升对相关理论知识的认知程度。

（3）平台的落脚点是使学生的综合素质得到全面提升。本平台还可开展综合设计性实验，学生可以自主开发拓展，为学生创新训练项目奠定基础并提供模型开发平台。

2 继电保护实验平台的理论支撑

继电保护的可靠动作，意味着电力系统能快速切除故障，确保非故障区域能安全稳定运行，是电力系统安全可靠运行的关键。本平台在如图1所示的一次系统的基础上，搭建了选相元件、方向元件两个重要的继保元件性能验证模块以及基于方向圆特性的距离保护实验模块。

图1 两电源系统结构图

2.1 选相元件的工作原理

选相元件是距离保护和自动重合闸的核心元件。主要采用相电流差突变量选相元件和序分量选相元件。

相电流差突变量选相元件能正确区分单相接地故障和两相接地故障。该选相元件是比较相电流差的突变量来实现故障选相，相电流差突变量的表达式为：

相电流差突变量选相元件的选相流程图如图2所示。

图2 相突变量选相元件流程图

图2所述的选相判据如下，其中，λ为选相元件的幅值比例系数。

序分量选相元件主要是根据保护安装处的电流各序分量的相位关系来确定故障相和故障类型。该选相元件利用的相位关系为：

序分量选相元件的流程及故障分区如图3、4所示。

图3 序分量选相元件的流程图

图4 序分量选相元件的故障分区图

2.2 方向元件的工作原理

方向元件作为重要的继电保护元件，是纵联保护和两端供电网络电流保护的核心元件［15-16］。常用的方向元件包括相量故障分量方向元件和序故障分量方向元件。其中，相量故障分量方向元件根据不同故障类型可分为相故障分量方向元件和相量差故障分量方向元件；序故障分量方向元件分为正、负、零序故障分量方向元件。图1对应的故障分量等值网络如图5所示。图5（a）为系统发生正向故障时的等值网络；图5（b）为系统发生反向故障时的等值网络。上述两大类方向元件的原理均可以通过图5所示的等值网络进行分析。值得注意的是，发生单相接地故障时，相量故障分量方向元件和三种序故障分量方向元件起作用；发生非对称的相间故障时，相量差故障方向元件和正负序故障分量方向元件起作用；发生对称故障时，相量差故障方向元件和正序故障方向元件起作用。

由图5可知，当系统发生正向故障时，母线M处的电压、电流关系为：

图5 系统故障分量的等值网络

系统发生反向故障时，母线M处对应的电压、电流关系为：

方向元件是通过保护安装处的电压、电流相位关系来实现故障方向的判断。方向元件的判据为：

式中，φz为最大灵敏角，一般取线路的阻抗角。

2.3 方向圆特性阻抗继电器工作原理

距离保护因灵敏度高且不受运行方式和接线方式影响的特点，在高电压等级的输电线路中被广泛应用［15］。距离保护主要是依靠阻抗继电器来实现电压、电流比值的测量，通过比值的大小来判断距离的远近。测量阻抗为：

特别地，当输电线路发生单相接地故障（A相接地故障为例）时，测量阻抗为：

当输电线路发生相间短路故障（AB相间短路故障为例）时，测量阻抗为：

式中：Z1为输电线路每公里的正序阻抗；l为保护安装处到故障点的距离。

当输电线路发生两相接地故障（AB相接地故障为例）时，测量阻抗为：

当输电线路发生三相短路故障时，测量阻抗为：

距离保护的方向阻抗继电器的动作特性是以整定阻抗Zset为直径通过坐标原点的一个圆，圆内为动作区，圆外为不动作区。距离保护Ⅰ段的整定阻抗Zset取线路阻抗的80%，方向阻抗继电器的动作特性可以分为幅值比较特性和相位比较特性，如图6（a）、（b）所示。

图6 方向圆特性的动作特性

阻抗继电器采用幅值比较的方式时，动作判据为：

阻抗继电器采用相位比较的方式时，动作判据为：

3 继电保护实验平台

继电保护实验平台基于PSCAD/EMTDC设计的。PSCAD/EMTDC因其强大的电磁暂态功能、丰富的电力元件以及大量的电力系统模型而备受青睐。本实验平台的主界面如图7所示，主要由一次系统、继电保护模块、故障模块以及信号传输组成。其中，一次系统为两电源供电系统，电压等级为500 kV，两端电力系统正序、零序阻抗分别为（0.01+j6）Ω和（0.01+j7.8）Ω，输电线路正序、零序阻抗分别为（0.018 39+j0.263）Ω/km，（0.141 7+j0.602 7）Ω/km，线路Lpm长度为10 km，线路Lmn长度为100 km。

图7 继电保护仿真实验平台主界面

3.1 选相元件动作性能实验

图7中的选相元件模块中搭建了两种选相元件的详细模型，如图8所示。双击图7中的“选相元件”即可打开该模块，进入图8所示界面。

图8 选相元件动作性能验证的仿真模型

本实验的实验目的和要求如下：

（1）进一步理解和掌握两种选相元件工作原理。

（2）能够使用PSCAD/EMTDC搭建选相元件的仿真模型。

（3）对两种选相元件有效性进行验证。

在实验操作时，需要在线路MN的中点设置过渡电阻Rf=10 Ω，在0.5 s时发生故障，持续时长为0.5 s。在此基础上，设置不同的故障类型为A相接地故障，BC相间短路故障，BC接地故障。

本实验通过相电流差突变量选相元件和序分量选相元件分别对3种非对称故障进行故障选相。将图9所示的电流幅值和相角的仿真结果与上述选相判据对照可知，选相元件均可以正确动作，选出故障相，同时选相元件的响应速度较快。

图9 选相元件动作性能仿真结果

3.2 方向元件动作性能实验

在PSCAD/EMTDC上根据方向元件的动作判据搭建的方向元件性能验证实验平台如图10所示。该平台分别设计了相故障分量方向元件与序故障分量方向元件的仿真模型。

图10 方向元件动作性能验证的仿真模型

本项实验的实验目的及要求如下：

（1）通过虚拟仿真进一步理解和掌握方向元件工作原理。

（2）通过虚拟仿真掌握方向元件的以下基本特性和优点。方向元件能正确识别故障方向；性能基本不受故障点过渡电阻的影响；方向元件能正确识别故障方向且不受系统振荡的影响。

（3）能够使用PSCAD/EMTDC搭建方向元件的仿真模型。

基于以上目的和要求设计方向元件动作性能的验证实验，在线路LMN的中点f1与线路LPM的中点f2处分别设置单相接地故障和相间短路故障，同时设置故障点的过渡电阻分别为1 Ω、10 Ω和50 Ω。

方向元件性能验证实验的仿真结果如图11所示，分别展示了A相接地故障和BC相间短路故障的序故障分量方向元件和相故障分量方向元件的仿真结果，其中，φZ1、φZ2、φZ0和ΔφZ分别为正、负、零序以及相故障分量的阻抗角。

由图11可知，方向元件具有很高的灵敏度，过渡电阻越小，方向元件的阻抗角越接近最大灵敏角。同时，方向元件具有很好的速动性，能在较短的时间内判断故障方向，进一步验证方向元件安全可靠的性能。

图11 方向元件动作性能的仿真结果

3.3 方向圆阻抗特性实验

方向圆阻抗特性实验是一项综合设计性实验，在PSCAD/EMTDC上搭建的实验平台如图12所示。其中，阻抗计算模块分为单相接地的阻抗计算与相间短路的阻抗计算模块。

本实验开展的是方向圆阻抗继电器在距离保护Ⅰ段的动作性能实验，实验目的和要求如下：

（1）通过虚拟仿真进一步理解和掌握对方向圆阻抗继电器的工作原理。

（2）在线路MN上，以母线M为起点，设置故障位置分别为线路的10%、50%、70%以及90%，过渡电阻Rf=10 Ω，对A相接地故障和BC相间短路故障进行实验，获得相关数据。

（3）使用Matlab绘制测量阻抗的动态轨迹和方向圆特性。

（4）根据仿真结果分析方向圆的幅值比较特性和相位比较特性，通过对比分析总结出方向圆阻抗特性的优势与不足。

（5）熟练使用PSCAD/EMTDC搭建继电保护相关元件的虚拟仿真实验平台。

特别地，通常情况下的零序阻抗角与正序阻抗角相等，可将零序电流补偿系数k看作实数。本实验的模型中的正序和零序阻抗角不相等，故零序电流补偿系数不是实数，即图12中的km、kp分别为零序电流补偿系数的幅值与相位，计算方法：k=（Z0-Z1）/（3Z1）。

图12 方向圆阻抗特性的实验仿真模型

通过进行方向圆阻抗特性实验（见图13），可以得出，单相接地故障与相间短路故障均可以正确动作，即在保护区内发生故障时阻抗继电器可靠动作，保护区外发生故障时阻抗继电器不动作。

图13 方向圆阻抗特性的仿真结果

4 结 语

为让学生直观理解继电保护的基本原理及保护装置的动作过程，利用PSCAD/EMTDC搭建了继电保护虚拟仿真平台，具有如下优势。

（1）使传统的理论教学得到进一步的优化，提高了教学质量，达到了理论与实践并重的目的。

（2）对电力系统继电保护这门课程的理解进一步加深，激发学生们的学习热情，同时掌握并熟练使用仿真软件。

（3）使学生思维方式得到进一步的拓展，为后续开展大学生创新比赛、课程设计以及更深层次的理论研究奠定基础。