基于PSCAD.电力系统距离保护的仿真分析.doc
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1、基于PSCAD.电力系统距离保护的仿真分析(完整资料)(可以直接使用,可编辑 优秀版资料,欢迎下载)基于PSCAD4.2电力系统距离保护的仿真分析摘 要:简要地介绍了SCA。软件及其工具箱,分析了输电线路距离保护的基本原理,并利用软件提供的工具箱搭建了距离保护仿真模型,设置了输电线路可能发生的接地故障和相间故障,最终得出了不同故障类型下输电线路的电压、电流以及其他量的变化规律的波形,从而实现了三段式距离保护的作用.仿真波形结果表明:利用该软件建立的模型是能够准确反应距离保护的作用机理,即距离保护装置能够快速响应故障信号并动作于断路器,实现输电线路的保护。关键词:PSCAD4.2;距离保护;接地
2、故障;仿真Analysis of powe yste distce protectio simulatnbed PSCAD。bstra:BriefiroucingPSCAD42 software an its tolbox ,thnnalyzin tebsc principe f th transmiionleistance protctio, and us thetoolbothat sotware povides to ud aprotecion simulati modl a set ground faut and phse trnsmission line flusthe system
3、 ayoccur,ta obanhe oltge,urrenandwavermvariation othrdffeenttypesf trsmisio linefailurs, enablingthreedisces rotection. Simulatonwaveorm rsulsshoed tha: usnghe mde of he oftwr isaccurtely al talih hreactin hanism of te itce rotecon , distace proection devican qikly respod tothircubreaer failue signa
4、l andactonitto ahive rotcton of transmssioles 。y words:PSCAD4;itanceProtecion;Grnaul;Siulaton0 引言电力系统保护中,输电线路的保护主要是距离保护,其不受运行方式的影响,继电保护性能得到提高,因而获得广泛的应用1。文献2中通过对继电器模块的搭建来得到对电力系统的继电保护,但如果保护原理发生变化则相应的继电器模块也会发生变化,保护模块的移植性不强。目前,虽然电力系统的保护已经进入微机自动化时3,但距离保护体系并不十分完善,其中接地电阻对距离保护的影响表现突出,文献46 详述了采用自适应的方法来消除接地电阻
5、对距离保护的影响。SCAD42是一种电力系统电磁暂态仿真软件,尤其在控制系统、无功补偿系统、高压直流输电以及继电保护系统等领域较为活跃,该软件主要对电力系统时域和频率等变量进行仿真分析,其结果一般以简单易懂的图形界面输出,使得仿真过程清晰、准确而灵活7。电力系统距离保护的原理在电力系统继电保护中,距离保护扮演着重要的角色。它满足电力系统的选择性、灵敏性、可靠性以及能够快速切除故障,从而快速恢复电网的正常稳定运行。距离保护是反应于保护安装地点到故障发生处之间的距离(阻抗),以此来根据阻抗的大小而整定动作时间的一种保护装置.为了满足选择性、速动性和灵敏性的要求,现在广泛采用的是三段式距离保护,其网
6、络接线如图1.图1 距离保护网络接线图第1段距离保护理想情况是线路AB的全长,即,但实际是不可能的,如果BC出口处发生故障,则保护2第1段不应该动作,所以其应该躲过这种情况而整定,于是保护2段的段整定值为(其中为继电保护中的可靠系数,一般取为080。9)同理,对保护1的第1段为:第2段距离保护与限时电流速断相似。当保护1的第1段末端发生故障时,对于保护2的测量阻抗就变为:则保护2的2段动作阻抗为:为了增加距离保护的可靠性,应该加设距离3段保护,可以作为距离1段 与2段的后备保护,对距离3段整定值,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确定.距离保护由于保护装置测量阻抗的计算不同,可
7、以分为接地距离保护和相间距离保护10。接地距离保护通过测量相电压,同时测量电流为带有零序电流补偿的相电流来进行保护的.其可以保护单相、两相以及三相接地故障,测量阻抗为上式中为零序补偿系数,一般近似认为其为一个实数.对于相间保护测量的是相与相之间的电压和电流,它能够反映相间故障,比如两相故障和三相短路等,其测量阻抗为由于电力系统存在以上的接地和相间距离保护,所以在仿真模块中应加设这两种保护以保证电力系统距离保护的可靠性可稳定性。2 距离保护模型的建立2.1电力系统距离保护的主电路模型的建立距离保护模型采用的是两级线路的单端电源输电线路系统,即系统发电、变电、输电、配电以及用户用电。如图2所示。距
8、离保护安装在线路1与变压器之间的断路器B处以此来作为本线路1的主保护同时也作为下一级线路2的后备保护。当线路1与线路之间发生接地故障或是相间故障时将电压电流所反应出的测量阻抗与控制系统的整定值比较,从而得出逻辑控制信号来使得1动作,做到保护输电线路的目的。图2 距离保护的主电路模型以上主电路中主要的元件模型参数如下.三相电源:额定电压为230,频率5Hz,采用单线视图,其余默认。三相断路器:采用单线视图和高压模式,以便更好的观察断路器对于故障时的动作,其余默认。负荷:每相的有功和无功分别是10M和25MV,频率50H.三相故障源:采用故障内部控制方式,中性点接地,其中可以设置接地故障和相间故障
9、模式. 22电力系统距离保护的控制电路模型的建立控制系统的作用是对故障发生时,通过对输电系统电压电流的测量并对其进行FFT转化变成各相和各序值,并利用线对地阻抗、相间阻抗以及阻抗圆模块来获得逻辑值,最终来控制断路器的保护动作.利用FFT组件进行快速傅里叶变换,从而来得到基频的幅值和相角以及直流分量.线对地阻抗可以将采集来的电压电流幅值和相角以及序电流进行处理以得到直角坐标形式(即和X)的输出阻抗,将其输入到阻抗圆组件中来得到逻辑值,它模拟了接地阻抗继电器,其原理接线如图3所示.同时由于电力系统也存在相间短路故障,比如B两相,ABC三相等等,因此可以利用相间阻抗模块对输入电压电流的幅值和相角进行
10、输电系统的保护,其原理如图4所示.图3 线对地阻抗图4 相间阻抗测量3 仿真波形分析1接地故障的分析在接地故障中,单相接地影响很大,下面主要对A相接地故障进行分析研究.仿真模型中故障源的故障发生时间受外部组件控制,本系统将其设置成0(S)发生故障持续时间也是0。2(S)。电力系统发生相接地短路之前,电压电流是三相对称的正弦波,且电源提供的有功功率和无功功率基本是保持不变的,负荷所消耗的功率是由电源所供给的。如果不计输电线路和变压器的损耗等,则有功功率和无功功率的波形在故障前分别稳定在100 (MW)和25 (r)。发生A相接地短路期间,即0.2(S)到0。4(S)。电压和电流发生明显的故障振荡
11、,表现为电压下降以及电流突然急剧增加,但随之由于控制系统给出逻辑“”电平(故障信号)使得断路器立马动作来保护电力系统,所以电压恢复故障之前的三相对称状态,而电流因为输电线路断开从而趋于0,另一方面,由于输电线路与负荷断开使得电源发出的功率也逐步为0.其仿真波形如图所示。图 相接地故障时各电气量变化规律在上述波形中:横坐标单位为(S),选取时间范围是0(S)到5(S);纵坐标各变量单位为s(kV)、Is(kA)、P(MW)、s(Ma);三相电压和电流中蓝色表示A相,绿色表示B相,红色表示C相.在控制系统中,最后一个或门所输出的逻辑电平TS和控制断路器的两开关的逻辑状态输出B1如图6所示。在故障未
12、发生之前,断路器是闭合的故而是低电平,同时控制系统的逻辑输出也是低电平,但是故障发生后,由于测量阻抗在阻抗圆内,故而控制系统输出高电平,即B1为,使得两输入选择器选择A端与常数相连接变为,这一信号传给断路器,最终使得断路器在短路瞬间保护动作而断开。图6控制触发信号上述两个波形是重合的,其中T表示或门所输出的逻辑电平,B1表示两开关的逻辑状态,在.(S)以前输出逻辑“”,之后为“。对三相电压和电流的幅值相角进行仿真分析,由波形可知其幅值开始是平稳的,但是在故障发生后就突然发生很大的波动,故障消失后,由于断路器的保护断开使得电流幅值也趋于0,而电压基本不受影响,使用F组件进行快速傅里叶变换来得到三
13、相电压基频的幅值和相角如图7所示,此外图中也给出了控制故障源发生故障的时序控制lt的波形,在.2(S)发生故障,为高电平,其持续时间也是0。2(S)。图7 A相接地故障时电压的幅值和相角变化曲线在上图中,横轴单位为秒(S),v表示三相电压的幅值(kV),v表示三相电压的相角(a),fit的纵轴表示故障的逻辑选通“0”表示关断故障,而“1表示出现故障,蓝色表示A相,绿色表示相,红色表示C相. 3相间故障的分析将模型中的三相故障源的故障类型设置成A相间短路,其他参数不变。仿真得到如图8所示的电压电流、波形以及功率波形,其变化规律与单相接地大致相同,主要是故障期间波形的不太一样,因为未发生故障时两者
14、的负荷以及输电系统结构没有发生改变,但是故障期间由于短路时等效接地电阻等因素不同而使得短路电流有所不同。图8A短路时各电气量变化规律在上述波形中:横坐标单位为(S),选取时间范围是0(S)到05(S);纵坐标各变量单位为Vs(V)、Is(kA)、s(M)、Q(MVa);三相电压和电流中蓝色表示A相,绿色表示B相,红色表示C相.4 结语本文利用PSCAD4。2软件搭建了电力系统距离保护的模型,能够正确反映保护范围内的各种相间故障和接地故障,并对模型进行仿真分析,结果表明该软件对电力系统的暂态过程仿真有很好的作用,从而验证了该模型是能够准确反应距离保护的作用机理。进一步表明了SCA42对电网的仿真
15、运行分析提供了一种光明前景,使得电力系统的安全稳定运行得到进一步的增强。参考文献1 李晓明 段距离保护作为后备保护的性能分析.继电器,2005, 3(1):12。2杨兰,杨廷芳.MatlabSIMULIN在继电保护设计中的应用J.电气传动自动化, 206, 8(1): 53-553 刘强.基于Mtla的微机保护原理教学仿真平台。电气电子教学学报, 007, 29(3): 9。4 索南加乐,许庆强自适应接地距离继电器电力系统自动化,05,29(17):54-85 李 岩,陈德树,尹项根等。新型自适应姆欧继电器的研究J中国电机工程学报,203,23(1):8086沈 冰,何奔腾,张武军。新型自适应
16、继电器J.电力系统自动化,2007,31(7):3944 李广凯,李庚银。电力系统仿真软件综述J.电气电子教学学报,2005,27( 3) : 65 李学生PCAD建模与仿真北京:中国电力出版社,2013.9贺家李,李永丽,董新洲等.电力系统继电保护原理M。北京:中国电力出版社,00。10 张保会,尹项根电力系统继电保护M.北京:中国电力出版社,05。基于H控制理论的电力系统稳定器蔡超豪,王奇 引言电力系统稳定器(PSS)作为一种附加的励磁控制装置对电力系统稳定性的改善具有重要作用。但由于它是在系统某典型运行点将电力系统模型线性化而设计的,当运行点发生变化时,PS对振荡的抑制作用会有所减弱,必
17、须仔细选择其参数才能使其具有较好的适应性。H控制理论是当代控制理论中一个引人注目的分支,它以某一闭环传递函数的范数作为性能指标谋求最优控制,H控制理论可以解决具有建模误差、参数不确定和干扰频谱不固定系统的控制问题。将其应用于电力系统稳定器设计,可以将系统的非线性作为不确定因素计入设计方案,因而设计出的稳定器具有很好的鲁棒性。本文研究了H设计中权函数的选择方法,应用Matlab工具箱进行电力系统稳定器的设计。实例仿真表明,基于控制理论的电力系统稳定器,配合PID电压调节器使用,具有良好的动态品质和调节精度,并能在较大的运行范围内抑制振荡,提高电力系统的动态稳定性。为了方便起见本文将常规的电力系统
18、稳定器简称为CPS,而将按H控制理论设计的稳定器简称为HPSS。2 混合灵敏度问题 许多控制问题均可统一于标准H控制问题.在实际控制系统中,经常是干扰和受控对象的不确定性同时存在。同时抑制干扰和受控对象的不确定性称为H控制的混合灵敏度问题。以图1的反馈控制系统为例,G(s)为被控对象的传递函数,K()为控制器,y为系统输出信号,u为控制输入,为对象输出,r为参考输入,e为控制误差,d为加权后的干扰输入。W1(s)、W(s)、W(s)、V()为加权函数,w是加权前的干扰信号,1、z2、z3为加权后的输出.如果不考虑加权函数,干扰w到输出z、z、z3的闭环传递函数绝对值分别称为灵敏度函数S、输入灵
19、敏度函数R和互补灵敏度函数T:S=(IGK)(I)1KS=G(IGK)1ISS是闭环系统对干扰抑制能力的度量,R是对加性摄动(中低频模型参数摄动)G+G中允许摄动G幅度大小的度量,而T是对乘性摄动(高频未建模不确定性)(I+)G中允许摄动幅度大小的度量.干扰w到输出z1、z2、z3的传递函数阵为:混合灵敏度优化问题就是寻求真实有理函数控制器K,使得闭环系统稳定,且满足性能指标这样混合灵敏度问题就转化为一个标准H控制问题。由图1也可得出:式中P称为增广被控对象。增广被控对象也可用状态方程来表示:求解H控制问题经常采用增广对象的状态空间表达式来进行。所以先在频率域内选择加权函数W1、W2、W3、,
20、使之满足闭环系统设计的多目标要求,然后转化成状态空间表达式,在时域内进行优化设计。atlb鲁棒控制工具箱中提供了专门的函数来构造增广对象的状态空间表达式。由增广对象求控制器K,需要解个黎卡提方程,Matla工具箱中也设置了专门的函数来求解。加权函数选择. 加权函数V(s) V()用来配置闭环控制系统的极点。如果控制对象的开环系统具有弱阻尼极点(离虚轴很近)的话,在构成控制器以后这些极点将作为闭环系统极点出现,使设计的控制系统不能取得满意的效果。为此采用部分极点配置技术,选择加权函数V=ME,用抵消控制对象的弱阻尼极点,用M来重新安排开环系统极点的位置,增大极点的实部,使阻尼比达03以上。32加
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