朱自強(qiáng),　丁　明,　張晶晶

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽 合肥　230009)

基于PSASP保護(hù)自定義建模的電網(wǎng)連鎖故障仿真

朱自強(qiáng),丁明,張晶晶

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽 合肥230009)

摘要:文章針對(duì)連鎖故障中現(xiàn)有的繼電保護(hù)模型研究現(xiàn)狀進(jìn)行了研究,分析了其中的某些不足之處,建立了一個(gè)較為詳細(xì)的保護(hù)距離模型。以電力系統(tǒng)保護(hù)為主要研究對(duì)象,基于PSASP用戶自定義模塊搭建保護(hù)模型以及系統(tǒng)控制措施模型,并應(yīng)用于連鎖故障的仿真。仿真模擬了保護(hù)的不同動(dòng)作特性、系統(tǒng)控制措施動(dòng)作以及系統(tǒng)不同負(fù)荷水平對(duì)連鎖故障發(fā)展的影響,實(shí)現(xiàn)了連鎖故障的仿真分析,該模型能較為真實(shí)地反映保護(hù)裝置在電力系統(tǒng)中的實(shí)際行為。仿真算例證實(shí)了該模型的有效性及合理性。

關(guān)鍵詞:保護(hù)建模;控制措施;連鎖故障;PSASP軟件

近年來,隨著電網(wǎng)規(guī)模日益擴(kuò)大和結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜,大停電事故所帶來的損失也越來越大。世界范圍內(nèi)發(fā)生的大停電事故,大多表現(xiàn)為連鎖故障,而在歷次的連鎖故障發(fā)生過程中,保護(hù)裝置都扮演著重要的角色[1]。2006年華中電網(wǎng)事故的最主要原因是500 kV嵩鄭Ⅱ線保護(hù)裝置誤動(dòng)作[2]。2003年倫敦大停電事故最根本原因是由于繼電器規(guī)格安裝錯(cuò)誤,導(dǎo)致后備保護(hù)誤動(dòng)作進(jìn)而引發(fā)連鎖故障[3]。印度2012年7月2次大停電事故的觸發(fā)原因均是潮流轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的距離Ⅲ段保護(hù)跳閘[4]。

與此同時(shí),越來越多的學(xué)者將研究的重點(diǎn)放在保護(hù)裝置的建模及其對(duì)連鎖故障發(fā)展的影響上。文獻(xiàn)[5-6]基于Markov狀態(tài)空間法,針對(duì)電力系統(tǒng)中常見的保護(hù)配置方式分別進(jìn)行了概率建模;文獻(xiàn)[7-10]考慮到保護(hù)隱性故障對(duì)連鎖故障發(fā)展的影響,并利用概率模型對(duì)這一因素進(jìn)行了模擬仿真;文獻(xiàn)[11]考慮了保護(hù)裝置的時(shí)變失效率,與恒定失效率相比,時(shí)變失效率能夠模擬失效率隨時(shí)間的變化;文獻(xiàn)[12]針對(duì)單一主保護(hù)和主后備保護(hù)系統(tǒng),基于狀態(tài)維修環(huán)境,首次建立了詳細(xì)的、考慮人為失誤影響的保護(hù)系統(tǒng)可靠性模型;文獻(xiàn)[13]在保護(hù)元件原理性失效概率模型的基礎(chǔ)上,確定了繼電保護(hù)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo),并制定了階段式保護(hù)原理性失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的詳細(xì)流程;文獻(xiàn)[14]則提出一種關(guān)聯(lián)模型,研究連鎖故障過程中各故障元件之間的相關(guān)性以及與保護(hù)裝置的相關(guān)性。

上述分析方法在針對(duì)保護(hù)裝置建模時(shí)大多采用的是概率統(tǒng)計(jì)和概率抽樣的方法,難以真實(shí)反映連鎖故障發(fā)生和發(fā)展過程中保護(hù)整定值對(duì)連鎖故障的影響以及保護(hù)裝置的實(shí)際動(dòng)作特性?；诖?文獻(xiàn)[15-16]使用PSASP的用戶自定義模塊,建立保護(hù)模型來仿真保護(hù)動(dòng)作行為,并驗(yàn)證了該方法的可行性。但其研究重點(diǎn)側(cè)重于保護(hù)裝置的建模,在連鎖故障的應(yīng)用上并未深入展開,也未考慮保護(hù)不同動(dòng)作特性的仿真。文獻(xiàn)[15]的保護(hù)模型僅針對(duì)相間距離保護(hù)建模,不能反映發(fā)生接地故障時(shí)保護(hù)的動(dòng)作情況;文獻(xiàn)[16]的主保護(hù)采用定時(shí)判別法而不是定值判別法,在一定程度上簡化了模型,但是難以反映故障切除后系統(tǒng)振蕩等運(yùn)行狀態(tài)對(duì)主保護(hù)的影響。

針對(duì)現(xiàn)有建模方法的不足,本文基于PSASP軟件,以線路保護(hù)為主,對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行建模并應(yīng)用到連鎖故障仿真中,討論保護(hù)的不同動(dòng)作特性對(duì)于連鎖故障發(fā)展的影響。采用IEEE39節(jié)點(diǎn)算例,將保護(hù)裝置與控制措施配合,仿真不同負(fù)荷水平下故障的傳播,更加真實(shí)地模擬保護(hù)裝置在連鎖故障發(fā)展過程中的實(shí)際行為,驗(yàn)證其合理性。

1繼電保護(hù)裝置建模

高等級(jí)電壓網(wǎng)絡(luò)常常使用縱聯(lián)保護(hù),達(dá)到有選擇地、快速地切除全線路任意點(diǎn)短路的目的。閉鎖式距離縱聯(lián)保護(hù)可以看作兩端完整的三段式距離保護(hù)附加高頻通信部分,以距離Ⅲ段作為啟動(dòng)元件,距離Ⅱ段作為方向判別元件與停信元件,距離Ⅰ段作為兩端各自獨(dú)立跳閘段。距離Ⅰ段和Ⅱ段采用方向阻抗圓特性,動(dòng)作區(qū)域如圖1所示。

在連鎖故障的仿真過程中,如果對(duì)保護(hù)系統(tǒng)的每一個(gè)元件都詳細(xì)模擬,必將導(dǎo)致計(jì)算量的大幅增加,因此在對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行建模時(shí)做部分簡化,側(cè)重于對(duì)縱聯(lián)保護(hù)原理的建模,反映保護(hù)在連鎖故障發(fā)生過程中的動(dòng)作行為,以求在仿真速度和計(jì)算精準(zhǔn)度間能夠取得較好的平衡。采用定值判別法,更為貼近實(shí)際電網(wǎng)的保護(hù)配置,進(jìn)而可以模擬出保護(hù)不同動(dòng)作特性對(duì)連鎖故障發(fā)生和發(fā)展的影響。

圖1　閉鎖式距離縱聯(lián)保護(hù)阻抗元件動(dòng)作范圍和時(shí)限

本文使用PSASP軟件對(duì)上述保護(hù)原理進(jìn)行建模。PSASP中的用戶自定義模型組建(UD)在程序中設(shè)置了50多個(gè)功能框,并可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)一步擴(kuò)充。每個(gè)用戶自定義的模型,都可以與所研究的電力系統(tǒng)連成統(tǒng)一整體。UD模型與電力系統(tǒng)聯(lián)系如圖2所示,輸入信息X和輸出信息Y表示電力系統(tǒng)的某個(gè)具體參數(shù)、變量或邏輯動(dòng)作信號(hào)[17]。

圖2　UD模型與電力系統(tǒng)聯(lián)系

圖3　A相接地距離保護(hù)模型

其余部分模型搭建與此類似,篇幅所限,不再詳述。圖4所示為保護(hù)模型。模型由測(cè)量元件、振蕩閉鎖元件、邏輯判斷元件、動(dòng)作元件、通信元件等構(gòu)成。測(cè)量元件分別配置相間距離保護(hù)和接地距離保護(hù),輸出測(cè)量阻抗幅值和相角,經(jīng)過整定計(jì)算后輸出邏輯動(dòng)作信號(hào)。各段動(dòng)作信號(hào)經(jīng)延時(shí)或振蕩閉鎖后輸出。

圖4　距離保護(hù)模型

2控制措施模型配置

在電力系統(tǒng)嚴(yán)重故障時(shí)采取有效而可靠的控制措施,維持電網(wǎng)電壓與頻率的穩(wěn)定,可以保障電力系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行,防止系統(tǒng)失穩(wěn)或崩潰。

2.1緊急控制措施

緊急控制是指電力系統(tǒng)在大的擾動(dòng)或故障下維持穩(wěn)定運(yùn)行和持續(xù)供電所采取的控制措施,如切機(jī)、快關(guān)汽門、電氣制動(dòng)、切負(fù)荷、解列等措施,國外稱之為系統(tǒng)保護(hù)或特殊保護(hù)[15]。

參考文獻(xiàn)[18],本文采用緊急擴(kuò)展等面積準(zhǔn)則(EEEAC)對(duì)連鎖故障仿真過程中的失穩(wěn)現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、實(shí)時(shí)控制。EEEAC利用轉(zhuǎn)子角度δ和轉(zhuǎn)速ω構(gòu)成的復(fù)合判據(jù)對(duì)臨界機(jī)群進(jìn)行識(shí)別,即各發(fā)電機(jī)組的復(fù)合功角由大到小進(jìn)行排序,在相鄰的復(fù)合功角間隙最大處,將發(fā)電機(jī)組分為臨界機(jī)群和剩余機(jī)群。該判據(jù)具有較高的靈敏度,它可以反映擾動(dòng)前、擾動(dòng)中、擾動(dòng)后短時(shí)間內(nèi)發(fā)電機(jī)組功角變化的趨勢(shì)。

2.2校正控制措施

對(duì)于一些微小概率但危害極大的事故,例如保護(hù)的誤動(dòng)作、拒動(dòng)作等,造成的系統(tǒng)穩(wěn)定性破壞,僅靠緊急控制策略不一定能起到很好的控制效果,尤其是對(duì)電網(wǎng)頻率和電壓等參數(shù)的控制,此時(shí)可以結(jié)合校正控制措施系統(tǒng)來進(jìn)行改善。參考文獻(xiàn)[19],在仿真過程中加入頻率與電壓控制措施:① 若系統(tǒng)某機(jī)組i機(jī)端電壓Vi或頻率fi偏離額定值,超出正常運(yùn)行范圍,則機(jī)組i將被高壓或高頻裝置切除一定出力;② 若某負(fù)荷i母線電壓Vi或母線頻率fi偏離額定值,低于正常運(yùn)行范圍,則負(fù)荷i將被低頻或低壓裝置切除一定負(fù)載。切機(jī)或切負(fù)荷均可通過PSASP的UD模塊實(shí)現(xiàn)按輪次切除。

3仿真實(shí)例分析

以IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例進(jìn)行仿真,其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示,規(guī)定線路兩側(cè)中編號(hào)較小的節(jié)點(diǎn)側(cè)為i側(cè),編號(hào)較大的節(jié)點(diǎn)側(cè)為j側(cè),全網(wǎng)線路的兩側(cè)均添加保護(hù)模型,部分算例添加控制裝置以作對(duì)比。系統(tǒng)失穩(wěn)或達(dá)到預(yù)設(shè)仿真時(shí)長后,結(jié)束本次仿真,進(jìn)行結(jié)果分析。

圖5　IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

3.1保護(hù)裝置仿真與結(jié)果分析

算例1保護(hù)裝置正確動(dòng)作仿真。

預(yù)設(shè)0.2 s時(shí)線路11上50%處發(fā)生三相永久接地短路,仿真時(shí)長50 s。

仿真結(jié)果如下:線路11上發(fā)生故障后,11線兩側(cè)UD保護(hù)模型均在0.24 s發(fā)出跳閘信號(hào),線路11被切除,系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定,其他保護(hù)均無動(dòng)作。線路11上電流曲線以及系統(tǒng)穩(wěn)定曲線如圖6所示。從圖6中可以看出,11線被切除后電流為0,系統(tǒng)功角在振蕩后趨于穩(wěn)定。

算例2保護(hù)誤動(dòng)作仿真。

在算例1的基礎(chǔ)上假設(shè)線路9上i側(cè)距離Ⅲ段保護(hù)定時(shí)器含有隱性故障,線路9距離Ⅲ段出現(xiàn)誤動(dòng)作,仿真時(shí)長50 s。

仿真結(jié)果如下:線路11上發(fā)生故障后,11線兩側(cè)UD保護(hù)模型主保護(hù)均在0.24 s發(fā)出跳閘信號(hào),線路11被切除。線路9上i側(cè)距離Ⅲ段保護(hù)由于定時(shí)器的隱性故障導(dǎo)致誤動(dòng)作,0.24 s誤切除9線。9線和11線切除后,線路18上潮流過載,距離Ⅲ段于1.76 s動(dòng)作切除線路。整個(gè)系統(tǒng)于1.94 s失去穩(wěn)定,仿真結(jié)束,系統(tǒng)電壓振蕩曲線如圖7所示。

圖6　線路11故障后仿真曲線

圖7　線路11故障后保護(hù)誤動(dòng)系統(tǒng)電壓振蕩曲線

從圖7可以看出,系統(tǒng)的最低電壓在18線切除后劇烈振蕩,系統(tǒng)因電壓振蕩而失去穩(wěn)定。

算例3保護(hù)裝置拒動(dòng)作仿真。

預(yù)設(shè)0.2 s時(shí)線路11上50%處發(fā)生A相永久接地短路,線路11上i側(cè)主保護(hù)拒動(dòng),后備保護(hù)于故障發(fā)生后0.5 s動(dòng)作切除線路,仿真時(shí)長50 s。

仿真結(jié)果如下:線路11上j側(cè)在故障發(fā)生后立即動(dòng)作,i側(cè)主保護(hù)拒動(dòng),后備保護(hù)于0.74 s切除線路。該次仿真的事故序列見表1所列。

表1　算例3保護(hù)拒動(dòng)后的事故序列仿真

從表1中可看出,由于11線的故障未能及時(shí)切除,導(dǎo)致10線上短路電流持續(xù)增大,后備保護(hù)切除11線后,潮流轉(zhuǎn)移導(dǎo)致10線過載,測(cè)量阻抗落入動(dòng)作范圍,觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作。這一結(jié)果在實(shí)際仿真進(jìn)行前是難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的,同時(shí)可以看出,保護(hù)在本次仿真中拒動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響不僅不能及時(shí)切除故障,還可能會(huì)引發(fā)其他繼發(fā)性故障。系統(tǒng)于4.04 s失去穩(wěn)定。

3.2保護(hù)與控制措施配合仿真

算例4保護(hù)裝置誤動(dòng)與控制措施配合仿真。

在算例2的基礎(chǔ)上加入緊急控制措施和校正控制措施。

仿真結(jié)果如下:仿真開始至1.76 s保護(hù)動(dòng)作情況同算例2結(jié)果。18線切除后系統(tǒng)解列成2個(gè)部分。在此過程中,臨界機(jī)群31～39于0.39 s各切8%發(fā)電量。該次仿真的事故序列見表2所列。

表2　算例4保護(hù)誤動(dòng)后的事故序列仿真

系統(tǒng)穩(wěn)定曲線圖如圖8所示,可以看出系統(tǒng)電壓振蕩趨于平穩(wěn),其仿真結(jié)果明顯優(yōu)于電壓劇烈振蕩的算例2。

算例5保護(hù)裝置拒動(dòng)與控制措施配合仿真。

在算例3的基礎(chǔ)上加入緊急控制措施和校正控制措施。

仿真結(jié)果如下:仿真開始至3.44 s保護(hù)動(dòng)作情況同算例3結(jié)果。該次仿真的事故序列見表3所列。在此過程中,臨界機(jī)群30～38于2.02 s各切5%發(fā)電量,為保持系統(tǒng)電壓與頻率穩(wěn)定,校正控制裝置切負(fù)荷1 337 MW+367.68 MVar。

圖8　線路11故障后保護(hù)誤動(dòng)作與控制措施動(dòng)作仿真曲線

表3算例5保護(hù)拒動(dòng)后的事故序列仿真

t/s切線路備注0.24L11(j側(cè)主保護(hù))0.74L11(i側(cè)后備保護(hù))主保護(hù)拒動(dòng)1.72L10(i側(cè)Ⅲ段)3.44L194.98L1、L5系統(tǒng)解列9.71L611.15L30系統(tǒng)解列

3.3不同負(fù)荷水平下仿真結(jié)果比較

算例6不同負(fù)荷水平下保護(hù)動(dòng)作仿真。

假定前述算例的負(fù)荷水平為正常負(fù)荷水平,全網(wǎng)各負(fù)荷、發(fā)電機(jī)出力減少50%為輕載,全網(wǎng)各負(fù)荷、發(fā)電機(jī)出力增加50%為重載,重新進(jìn)行上述各算例的仿真。圖9所示為不同保護(hù)動(dòng)作特性與不同負(fù)荷水平下連鎖故障發(fā)展過程的比較,控制措施切機(jī)、切負(fù)荷比較見表4所列。

從圖9和表4中可以得出以下結(jié)論:

(1) 保護(hù)誤動(dòng)作會(huì)造成事故的擴(kuò)大,使得原本可以穩(wěn)定的系統(tǒng)發(fā)展成大停電事故。保護(hù)拒動(dòng)帶來的影響比誤動(dòng)更為嚴(yán)重,在保護(hù)誤動(dòng)的仿真中,初始故障均設(shè)置為三相接地短路,而保護(hù)拒動(dòng)仿真中,初始故障設(shè)置為單相接地短路,但其后果比保護(hù)誤動(dòng)的算例更為嚴(yán)重?？刂拼胧┠軌蛟谝欢ǔ潭壬蠝p輕事故的發(fā)展,使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定,防止崩潰的發(fā)生。

(2) 在不同負(fù)荷水平之下,輕載時(shí)系統(tǒng)發(fā)生故障所引起的后果也較輕,且不易發(fā)生連鎖故障,重載時(shí)則更易引起系統(tǒng)失穩(wěn),時(shí)間上發(fā)展更為迅速,最終導(dǎo)致大停電事故發(fā)生。重載情況下需要切除更多的發(fā)電機(jī)和負(fù)荷才能使得系統(tǒng)保持穩(wěn)定,甚至需要主動(dòng)解列電力系統(tǒng)。

(3) 通過數(shù)個(gè)仿真實(shí)例可以看出,雖然發(fā)生故障的初始線路可以預(yù)先設(shè)定,事故類型也可以預(yù)先設(shè)定,但是后續(xù)的繼電保護(hù)動(dòng)作情況與控制措施切機(jī)、切負(fù)荷的動(dòng)作情況卻是未知的。在加入保護(hù)模型后,能夠模擬出保護(hù)的動(dòng)作情況,其仿真結(jié)果更能接近電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況以及連鎖故障的發(fā)展過程。

圖9　UD模型仿真結(jié)果比較

狀態(tài)負(fù)荷水平輕載正常重載保護(hù)正確動(dòng)作無動(dòng)作無動(dòng)作切機(jī)(933MW+405MVar)、切負(fù)荷(1320MW+378MVar)保護(hù)誤動(dòng)作無動(dòng)作切機(jī)(475MW+103MVar)切機(jī)(1500MW+708MVar)切負(fù)荷(1596MW+875MVar)保護(hù)拒動(dòng)作切機(jī)(153MW)切負(fù)荷(158MW+68MVar)切機(jī)(295MW+59MVar)、切負(fù)荷(1337MW+368MVar)切機(jī)(6198MW+213MVar)、切負(fù)荷(3187MW+819MVar)

4結(jié)束語

本文通過分析繼電保護(hù)的特性,基于PSASP

的用戶自定義模型搭建了較為詳細(xì)的保護(hù)模型,并實(shí)現(xiàn)了連鎖故障的仿真。在仿真中可以模擬電網(wǎng)中的保護(hù)動(dòng)作,仿真保護(hù)的不同動(dòng)作特性對(duì)連鎖故障發(fā)展過程的影響;同時(shí)加入了控制措施,仿真不同負(fù)荷水平下連鎖故障的發(fā)展和傳播,仿真表明保護(hù)不正確動(dòng)作會(huì)給系統(tǒng)帶來惡劣影響,造成事故范圍的擴(kuò)大;系統(tǒng)不同負(fù)荷水平也會(huì)對(duì)連鎖故障的傳播產(chǎn)生影響,該仿真結(jié)果更加接近實(shí)際電網(wǎng)在發(fā)生連鎖故障過程中的動(dòng)態(tài)特性。

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(責(zé)任編輯張镅)

Simulation of power system cascading failure based on UD system of protection by PSASP

ZHU Zi-qiang,DING Ming,ZHANG Jing-jing

(School of Electric Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract:As current model of power system is difficult to accurately simulate the action logic of relay protection, a detailed relay protection model is proposed to simulate the power system cascading failures. With user-defined(UD) model in PSASP, a protection model is built to simulate cascading failures. The simulation includes different action characteristic of relay protection,control measures at different load levels and the effect of different load levels on the development of cascading failures. The results show that the simulation analysis of cascading failures based on this protection model can reflect the dynamic behavior of relay protection in power system. The rationality and effectiveness of the proposed protection model are verified by a test on IEEE 39-bus system.

Key words:protection modeling; control measure; cascading failure; PSASP software

收稿日期：2015-03-12；修回日期：2016-03-20

基金項(xiàng)目：國家電網(wǎng)公司大電網(wǎng)重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(SGCC-MPLG024-2012);安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1408085ME100)

作者簡介：朱自強(qiáng)(1989-),男,安徽蕪湖人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生;

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.05.009

中圖分類號(hào):TM743

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-5060(2016)05-0617-06

丁明(1956-),男,安徽合肥人,博士, 合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.