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数字式距离保护装置动作逻辑仿真
作者:广东电网公司惠州供电局 肖伟强            来源:             发布时间: 2011-07-08
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    Matlab的M语言,通过采用电磁暂态仿真程序(EMTP)数据和采集故障录波数据仿真实际电力系统数字式距离保护装置动作逻辑,分析数字式距离保护装置的动态特性。该系统实现了数字式距离保护仿真程序与故障暂态计算的同步,具有卓越的通用性,可视性及灵活性,同时具有较大的实用价值。
   随着科技和经济的发展,电网规模日益增大,电网结构日趋复杂,继电保护装置是电力系统安全运行的必要保障,对继电保护动作逻辑进行分析与研究具有十分重要的意义。传统的理论分析和物理试验方法都具有一定的局限性。20世纪90年代中期,出现了数字式线路保护,继电保护的数字化大大提高了保护动作的正确率和可靠性,使得保护的整体性能得到了极大的改善,数字式线路保护已全面超越传统保护,并逐渐取而代之。
    但是继电保护的数字化也带来了一些新的问题,保护装置对用户来说只是一个黑匣子,其内部逻辑和各个元件具体情况是不可知的,因此难以对保护的不正确动作行为进行分析。为此,人们希望寻求一种简单易用的工具,不仅可以模拟保护算法执行的全过程,同时在这个过程中还可根据实际需要即时显示一些中间变量,从而能够加快新原理的研究和开发。
    在已知数字式距离保护算法原理的基础上,本文介绍的是在与继电保护运行部门合作过程中,根据实际需要而开发的一种基于Matlab的数字式继电保护装置的动作仿真系统(简称动作仿真系统)的实现方案,为保护的运行、维护及故障分析人员提供有力的辅助工具。
    动作仿真系统基本原理及其构成
    针对微机保护的内部实现原理,运用准确直观的Mat1ab语言和ATP-EMTP仿真软件,对南瑞继保电气有限公司的LFP-902A型超高压线路保护装置内部的功能模块和逻辑运算进行抽象提炼,运用模块化设计思想,将仿真软件划分为功能相对独立的模块,主要分为数据处理模块、元件保护算法模块和结果输出模块。此外,每个模块又可以继续细化分为若干个子模块。数据处理模块包括数据采样、格式转换、低通滤波以及频率转换。元件保护算法模块主要负责仿真保护装置,包括了基本算法和元件算法。结果输出模块的功能是根据元件保护算法的结果做出判断,仿真输出保护装置的动作结果及跳闸逻辑,并生成仿真报告。保护动作仿真的流程如图1所示。
    <IMG=S20110107000101>
    图1  数字式距离保护仿真流程图
    系统功能模块介绍
    1.数据处理模块
    (1)数据采样和格式转换
    采用的是IEEE标准的COMTRADE格式的波形文件作为输入信号。COMTRADE格式主要是为了解决各种数字故障录波装置和数字保护以及微机测试装置中的数据交换问题。COMTRADE至多由4个文件组成,本软件只需其中的配置文件(*.cfg)和数据文件(*.dat),配置文件和数据文件是配套文件,缺一不可。另外,为了更好地仿真实际装置的保护动作情况,采用暂态仿真程序(EMTP)作为故障数据的另一重要来源。EMTP能够对电网的稳态和暂态仿真分析并作出预测,EMTP输出的文件为LIS格式(ASCII形式)和PL4格式(二进制文件),但该模块只需取用LIS格式中的采样数据信息并进行格式转换,把EMTP输出的文件中的有效数据提取出来再生成COMTRADE格式的文件存盘,然后导入程序。
    (2)低通滤波(ALF)
    由于线路故障的初期,电流、电压中含有大量高次谐波和非周期分量,对于基于工频量的保护而言,它们都为干扰信号,因此对应于数字式保护装置,在采样前应进行的模拟低通滤波,本保护仿真平台的处理程序中设置了数字低通滤波模块,以滤掉这些不需要的分量以提取工频量。需注意的是,滤波后需对波形的幅值进行补偿,防止它对保护产生影响。
    由于各种滤波算法实现的效果不同,各厂家的微机保护装置所用的滤波算法也不相同,所以滤波模块需包含各种常见的典型滤波算法,如全波差分傅里叶算法、半波差分傅里叶算法、积分算法、Turkey时窗函数法或卡尔曼算法等,供用户选择。本软件采用Turkey时窗函数的低通滤波,该方法实现简单、数据窗短,很适合用来滤去高频分量。
    (3)频率转换
    在微机保护中,大多数保护原理反映工频分量,考虑目前的硬件水平,采样点数一般在12~36之间,即采样频率为600~1800Hz。在仿真中采样频率必须与实际保护相一致,因此在进行仿真之前必须对原始波形数据进行频率转换。具体说,南瑞LFP-902A保护采样频率为1200Hz,每工频周期包含24个采样点,假设导入的数据采样频率为1000Hz,每工频周期包含20个采样点,这就需要运用插值运算实现频率转换。
    距离保护仿真软件中频率转换前后的比较如图2所示(前2个周波幅值为0,左图20个采样点/周波,右图24个采样点/周波),频率转换后的波形数据即已达到保护的要求。
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    图2  频率转换前(1000Hz)后(1200Hz)的波形
    2.元件保护算法模块
    在距离保护动作仿真软件中,元件保护算法模块主要仿真保护装置中各测试元件的工作原理,把保护装置这个黑匣子中的内部工作情况反映出来。
    元件保护算法包括了基本算法和元件算法,基本算法中包含各种通用的基本算法,如半波积分算法、傅里叶算法、半波傅里叶算法、超前移相算法、滞后移相算法、比相算法和解微分方程算法等,它们主要用于数据处理;元件算法是各种元件具体算法的数字实现,如电抗元件算法、突变量元件算法、工频变化量元件算法、正序极化接地元件算法、选相元件算法和低压距离元件算法等,主要完成各元件的动作判断、阻抗计算等,它也是仿真软件的核心,在仿真开始之后,通过不断地将经过数据处理环节之后的数据送入保护元件算法中来实现仿真,并根据仿真逻辑来记录相应的计算结果。
    3.结果输出模块
    为了实际的需要,需要将关键的信息和整个仿真过程中的各种信息充分地显示出来,本仿真平台将结果以文档的方式输出,并具体列出各元件保护算法的结果以及做出保护装置动作判断的逻辑依据。此外,充分发挥Matlab的图形显示功能,把仿真过程中的关键数据在窗体中以图形的形式输出。因此,故障过程中用户会清晰地看到诸如故障相间测量阻抗值及接地阻抗值逐渐进入保护动作阻抗圆内的过程。
    动作仿真系统的测试及验证
    数字式距离保护仿真系统的测试过程如图3所示。
    要验证仿真软件的可信度及与RCS-902实际微机保护装置的距离保护是否具有可比性,须设计好短路计算模型,进而得到大量适宜的COMTRADE格式文件,就动作边界、动作时间、过渡电阻影响及不同故障位置影响等方面与实际保护进行同步对比测试。对所开发的数字式距离保护仿真软件与LFP-902A实际微机保护装置的距离保护进行了同步对比测试,并对所做的大量测试进行了详细分析。
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    图3  仿真系统的测试过程
    从动作边界看:仿真系统与微机保护装置均能正确区分动作边界,正方向和反方向故障时两者均能正确判向;带过渡电阻故障时两者对动作边界的判断十分吻合。定检测试中仿真软件与微机保护装置体现出来的差异在用故障计算数据进行测试时也同样表现出来。
    从动作时间看:仿真软件与微机保护装置的变化量距离保护动作时间一致。仿真软件以理论计算为判断动作的依据,而实际微机保护装置可能考虑了许多工程方面的问题,从而动作更谨慎一些。此外,故障程度越严重时同段保护的动作时间越短。
    总体来看,仿真软件与微机保护装置对同样的数据所反映出的选择性、灵敏性基本吻合,其核心测量元件的动作时间可比,证实仿真软件原理和实现对于实际微机保护装置的仿真是正确和可行的。同时,仿真软件中核心测量元件的动作时间总体偏短,并具有一致性,表明仿真软件只涉及了保护原理的理论动作时间。本项目以广东电网公司现有超高压线路的主要保护产品LFP-902A型超高压线路保护装置作为研究对象,实现真正意义上的保护装置动作全过程仿真。
 
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