基于EMTP的数字式距离保护仿真教学

第28卷 第5期2006年10月电气电子教学学报JO U RN A L O F EEEVol.28 No.5Oct.2006基于EMTP的数字式距离保护仿真教学屈桂银,刘建华,苏 盛,曾祥君(长沙理工大学 电气与信息工程学院,湖南长沙410077)y摘 要:针对教学需要,为促进学生对继电保护系统尽早形成整体认识,并深入了解数字式继电保护的各个实现细节,提出了一种在EM T P电磁暂态仿真软件基础上编制自定义模块实现简化的线路距离保护教学系统。

该自定义模块在EM TP故障仿真的过程中与EM TP仿真软件以闭环方式进行交互,对数字式继电保护的各实现环节进行了仿真建模。

文末对相间短路故障和单相接地故障进行了仿真分析。

关键词:G642 4EM T P;数字式距离保护;仿真中图分类号:G642 4 文献标识码:A 文章编号:1008-0686(2006)05-0101-05Educational Use of EMTP for the S tudy ofa Distance Relaying of Transmission LinesQU Gui yin,LIU Jian hua,SU Sheng,ZENG Xian gjun(Colle ge of E lec tr ica l Eng ine ering,Chang sha Univ er sity of Scienc e and Tec hnology,Chang sha410077,China)Abstract:In order to enhance understanding o f the basic co ncepts of distance relaying of underg raduate students w ho are new to the subject o f pow er system protective relay ing.This paper pro poses an EM TP based integr ated simulatio n sy stem to provide systematic relaying co ncepts by mo deling a digital relaying system using self defined model functio ns in a closed loop manner.Various elements of dig ital distance re lay ing are org anized to g enerate a systematic approach to modeling the actual hardw ar e of dig ital relaying system s.Case studies relating to the most commo nly encountered single phase to gro und fault and phase to phase fault are presented and various fault distances and fault inception ang les are considered. Keywords:EM TP;distance protection;sim ulation0 引言继电保护系统的作用是在电网发生故障时根据异常信号检测、定位并隔离故障点,以确保电力系统的安全稳定运行和主设备安全。

随着电网的互联和远距离输电的兴起,传统的模拟保护系统在性能上越来越难以达到现代电网的保护要求,而数字式的微机保护系统则成为继电保护的主流。

在开发微机保护系统时,可以先利用电磁暂态仿真软件EMT P 对电网的各种故障和继电保护装置的保护逻辑进行模拟仿真测试。

为了促进电气专业学生对数字式继电保护系统的整体及各实现环节的深入认识,作为电气与信息工程学院电气工程专业教学环节创新的一部分,本文在EMT P电磁暂态仿真软件的基础上编制了自定义模块,对数字式继电保护的低通滤波、直流滤波及基频分量求取等实现环节进行了建模,并对单相接地短路及相间短路故障进行了仿真分析。

由于学生可以形象地看到仿真过程中继电保护每一实现环节对继电保护系统性能的影响,因此该仿真系统对促进学生理解数字式继电保护的工作原理具有积极的作用。

y收稿日期:2006-06-26;修回日期:2006-07-14第一作者:屈桂银(1954-),男,湖南石门人,大专,实验师,主要从事电气实验教学及电力系统模拟仿真研究。

1 数字式距离保护的设计用微机实现的距离保护是目前输电系统中一种最常见的保护类型,它具有可靠性高、维护量小及快速性的特点。

距离保护利用CT上测量到的电流数据和PT上测量到的电压数据计算阻抗,并通过测量线路阻抗的变化监测故障。

由于距离保护一般采用基频分量计算阻抗,而电网故障时,电流电压等电气量测信号中将包含丰富的高频信号和直流衰减信号。

为准确估计故障阻抗,在计算线路阻抗前需要利用各种信号处理方法来提取基波分量。

1 1 抗混叠低通滤波根据采样定律,采样频率必须达到模拟信号最高频率的2倍才可以完整地复现模拟信号中包含的信息。

由于数字采样的频率限制,为保证微机保护能真实地还原实际系统的模拟信号,必须首先对模拟信号进行低通滤波。

本文利用二阶巴特沃兹低通滤波器对高频分量进行滤除,低通起始频率为50赫,截止频率为300赫,阻带衰减28dB,采样频率设置为1.5kH z(30点/每工频周)。

模拟低通滤波器的传递函数为H(s)=1s2+2s+1,该传递函数可以通过双线性变换后传递函数为H(Z)= a0+a1Z-1+a2Z-21+b1Z-1+b2Z-2的数字滤波器来实现,其中a0=0 000108058,a1=0 000216116,a2=0 000108058,b1=-1 9708328899,b2=0 970815132。

1 2 直流分量滤波电力故障发生时,电流和电压的急骤变化特性是由高频信号和直流衰减信号综合而成的。

低通滤波器能够滤除高频信号但是不能消除直流衰减信号。

假定发生故障后,直流分量按指数衰减x k= n=1x tk sin2 nk N+A exp-k t T其中 t为采样间隔,T为时间常数,N为周期内采样点数。

将其代入式y k=x n-xk-1ex p( t/T)则有y k = n=1X n a n sin2 nk N+n其中a n=E2n+F2nE n=1-1/ex p( t/T)cos(2n /N)F n=1/exp( t/T)sin(2n /N)n=tan-1(F n/E n)因此,其中直流信号即可消除。

1 3 基频分量提取在滤除了高频分量和直流分量之后,可以利用快速傅立叶变换求取基频分量有效值。

假定每个周波取得N个采样点z(k),则采样信号可以表示为X(n) N-1k=0x(k)w nk N (n=0,1,2,!,N-1)其中:w nk n=e-j(2 nk/N),n为谐波次数;对基频分量,n =1。

k为数据窗内的采样点数量。

其中,所有N 个采样点用来计算基频分量。

2 EMTP自定义模块及仿真设置2 1 EMTP自定义模块EM TP自定义模块(TACS)是一种EM TP电磁暂态仿真软件提供的接口方式。

用户可以在定义接口的输入和输出数据基础上实现用户自定义的逻辑和控制,利用该方式可以实现电网故障过程中数字式阻抗保护的动作行为的模拟仿真。

笔者开发的自定义模块结构如图1所示。

在经定义的接口接收到电流电压采样数据后,首先完成数字滤波以消除高频信号和直流信号,然后按照保护逻辑进行故障的检测与定位,并在检测到故障时发送跳闸信号。

图1 基于EM T P自定义模块的数字式阻抗保护仿真系统1 2 仿真设置在实验中,笔者利用结合自定义模块的EM TP 仿真软件对图2所示的长160公里的154kV电压等级的输电线路进行了不同故障类型和故障点的仿真测试。

仿真设置电气参数如表1所示,在表2所列的各种故障条件下进行了仿真分析。

102 电气电子教学学报 第28卷图2 故障仿真系统表1 线路及电源参数线路参数(!/km)Z 0Z 1Z 2R 0.34340.13420.1342L 0.131580.47650.4765C 0.00520.00900.0090电源容 量功率因数次暂态电抗负 荷100M VA0.857.71%80M VA表2 仿真故障条件设置故障类型短路点故障初始角单相接地10%,20%,30%,40%,50%,60%,80%,90%0∀,30∀,45∀,60∀,90∀相间短路30%,50%,70%0∀,90∀3 仿真结果3 1 抗混叠低通滤波由于在90∀起始角情况下较0∀起始角情况下发生短路故障产生更丰富的高频故障信号,本文首先对90∀起始角50%线路处故障的情况进行了仿真分析。

图3和图4分别为单相短路故障电压信号经低通滤波前后的三相电压波形。

将两图比较可清楚看到抗混叠滤波器的低通滤波效果,还可看出滤波对采样数据起到了明显的相位滞后作用,这对提高继电保护装置的动作速度有着重要的影响。

图5和图6所示为相间短路故障时滤波前后的电压波形图。

图3 单相故障90∀初始角时电压歧变波形图4 单相故障90∀低通滤波后的电压波形图5 相间故障90∀故障初始角时电压波形图6 相间故障低通滤波后的电压波形3 2 直流衰减分量的消除短路故障时,电压信号的畸变主要由高频信号构成,而电流分量的畸变主要受按指数衰减的直流电流分量的影响。

在电压过零处故障时电流直流分量最大,而在电压顶点处故障时电流直流分量最小。

使用基波分量判断故障的继电保护必须将其中的直流衰减分量去除才能保证正确的检测故障。

此处采用三相量去除直流分量进行基波分量的求解。

在0∀初始相角20%及70%线路处单相接地故障时未经处理的电流及滤除直流分量的电流波形如103第5期屈桂银等:基于EM T P 的数字式距离保护仿真教学图7和图8所示。

由图7、8可看出直流滤波对于直流分量最严重的0∀起始故障角的效果是很明显的。

图7 0∀故障起始角、20%处故障时电流波形图8 0∀起始角70%线路处故障电流波形H T #3 3 阻抗计算在预处理阶段利用抗混叠滤波和直流滤波求得基波分量后,可以用快速傅立叶变换求取电流、电压的有效值再计算故障阻抗。

图9所示为在电压过零时(0∀起始故障角)在不同位置发生单相接地故障时电阻和电抗测量曲线。

由其中可以看出测量曲线在故障后约半周平稳。

(a)电阻(b) 电抗图9 0∀起始故障角阻抗收敛特性图10所示的90∀故障起始角时单相接地故障电阻及电抗测量曲线。