Teaching Protective Relaying Design and Application Using New Modeling and Simulation Tools

As the smart grid concepts are emphasized lately, the need to modernize the power engineering education is also well recognized. This paper presents a set of newly developed modeling, simulation and testing tools aimed at better understanding of the design concept and related applications for protective relaying and substation automation solutions for the smart grid. Since the smart grid applications require integration of data from multiple IEDs （intelligent electronic devices）, understanding properties of each IED type in detail, as well as their responses to the power system events is needed. In addition, understanding the communication requirements to perform data integration is also important. To illustrate how the mentioned smart grid issues may be taught, the following advanced teaching approaches are presented： （1） Use of modeling and simulation means to better understand interaction between the relays and power system; （2） Use of IED test facilities to better understand performance of physical devices used for protection, monitoring and control; （3） Utilization of communication network modeling tools to simulate the communication network within SAS （substation automation system）. Examples showing the use of proposed techniques for teaching the fundamentals and applications are presented. The examples demonstrate the adequacy and efficiency of the proposed techniques.

基于Simulink/MATLAB的实际地铁线路供电系统短路试验仿真分析

直流牵引供电系统在城市轨道交通中扮演着关键角色,其安全可靠的运行对整个城市轨道交通系统的运行至关重要。该文首先介绍地铁牵引供电系统的结构和功能,并建立地铁外部交流电源、整流机组和牵引网络的仿真模型。该仿真模型根据实际地铁牵引供电系统的结构和参数进行构建,旨在研究不同短路情况下的短路特性,包括电源出口短路、近距离短路和远距离短路。通过评估供电系统在短路故障下的稳定性和可靠性,得出若干研究结果。这些结果为地铁供电系统选择合适的一次设备提供理论依据,有助于确保城市轨道交通供电系统的稳定性和可靠性。

新型电力系统二次设备模型的创建

为了实现对二次设备模型物理机理的精确化描述,满足设备快速配置部署需求,现提出一套新型电力系统二次设备模型创建方法。首先,根据模型创建原理,研究了模型创建的步骤及模型特征。其次,以两个建模实例为例,实现对电力培训仿真系统开发和变压器保护模型创建。结果表明:提出的二次设备模型创建方法具有较高的可靠性和可行性,可确保二次设备模型具有较高的扩展性和通用性,同时还表现出强大的自动化识别功能。希望通过这次研究,为相关人员提供有效的借鉴和参考。

热电联产用户电房过流保护整定

随着配网自动化和智能电网的普及,配网增加了大量继电保护,电力管理部门要求执行防止拒动等反事故措施规定,用户端保护的电流和时间值受到很大压缩,加上新能源电源和中小型发电机组的接入,这些因素极大增加了保护整定的难度。为了更优地完成这项工作,文章以热电联产用户电房整定为切入点,结合供电局侧定值整定进行分析,为日后同类型的情况提供参考。

高压线路保护实用选相方案

对目前实用的突变量及稳态量选相元件进行了比较,指出了其特点和存在的不足。重点分析了目前选相方案的弱馈侧选相、灵敏度配合以及在系统振荡条件下存在的阻抗识别失配等问题,提出了改进的实用选相方案,采用同一区间的2种阻抗元件互补判别来解决失配问题。EMTP数字仿真计算与动模试验结果表明,新方案在性能上较原有方案有明显改善,尤其对于振荡中选相,可以完全克服阻抗法故障识别中的失配问题,选相结果不受系统振荡的影响。

一种用于测试保护的系统振荡模型

为了更方便地对保护元件和保护性装置的性能进行仿真测试，本文建立了一种新的振荡模型，包括纯振荡模型和振荡中故障模型，能够较好地模拟纯振荡和振荡中故障时电气量的变化情况。这一模型可用以检查各种微机线路保护，有广泛的实用性。

考虑机网协调的新型发电机失磁保护方案研究

随着大型发电机组大量投运,失磁故障对系统的危害日益增大。在厂网分开的背景下,如何同时确保发电机和电网的安全稳定运行是一个值得关注的研究课题。针对发电机失磁保护在系统振荡时容易误动或拒动的问题,研究了失磁和振荡两种情况下系统电气量变化规律的不同特征,并结合不同失磁类型的特点,提出了电压、无功和时间三种新型判据,进而设计了计及机网协调的新型失磁保护方案,并给出了相应动作参数的整定方法。计算机仿真实验表明,新型方案可有效区分失磁和振荡现象,具有动作速度快、可靠性高的优点。

多绕组电力变压器内部短路稳态分析 (一)建模与仿真

电力变压器线圈之间的耦合特性使其内部短路故障的外部特性具有复杂性。为了正确设计和整定变压器内部故障的继电保护方案,必须逐个地针对每种变压器内部短路故障分布情况找到外部故障特征。文中提出了一种分析电力变压器内部短路故障的电路模型和分析方法,并以一台双绕组变压器为例,对线圈内部对地短路、匝间短路、相间短路分别进行了仿真计算,给出了外特性随故障类型和故障位置变化的规律。

中性点不接地电网单相接地故障特征仿真研究与新结论

介绍了中性点不接地电网单相接地故障建模与仿真过程,研究并分析了单相接地时故障线路相电流、相电压,三序电压分量、电流分量,以及经凯伦贝尔变换后的模电流、模电压的特点。最后总结出一般性的结论,其中关于零序电流的分布与经典理论有较大的区别。

基于自定义模型的变压器纵差动保护PSCAD仿真

为了减少变压器的继电保护设计、整定计算存在的误差,提出一种根据内部漏抗参数等值计算与短路阻抗实际参数测定相结合的方法,利用曲线拟合技术,得出变压器在不同故障条件下的精确等值短路阻抗参数。在此基础上,采用FORTRAN语言接口技术,在PSCAD/EMTDC中,结合实际数字式变压器保护装置建立了主保护及后备保护的精确短路阻抗自定义模型,并利用等值系统模型对变压器线圈内部不同位置的对地短路、匝间短路、相间短路分别进行了仿真计算。结果表明,采用新型的拟合方法及自定义元件能准确地模拟并分析变压器内部故障及继电保护装置的动作行为,为继电保护的原理设计及实际应用提供科学依据。

自适应振荡闭锁判据的实现

探讨了在实际可能的系统运行工况和振荡模式下,采用“圆套圆”自适应振荡闭锁判据时,振 荡轨迹在内圆停留的时间与跨越时差比值的实际最大值,在此基础上提出了一套完整的自适应振 荡闭锁新策略。最后通过EMTP仿真实验验证了新方案的有效性。

数字保护继电器的抽象建模方法研究

该文提出了一种新的数字保护继电器抽象广义混杂Petri网(GHPN)分层建模方法,利用GHPN模型的连续层描述数字保护继电器连续变量的动态变化,由其逻辑层(Petri网)描述保护继电器的逻辑动态行为。文中建立了三段式数字距离保护继电器的GHPN模型,为了考虑影响保护动态行为的信号采集回路的非线性,建立了距离保护的暂态GHPN模型。仿真结果表明,保护模型GHPN是有效的,通过保护GHPN模型,可以详细地刻画保护内部动态行为以及保护与系统间的相互作用。

一种新型振荡中故障选相元件

振荡中故障准确选相是有选择切除故障和确保距离保护正确动作的前提。在分析现有振荡中选相元件需开放条件配合,导致出口延迟,且易出现误选,进而导致距离保护误动的基础上,提出了一种新型选相元件,此元件首先利用零、负序故障分量进行故障分区,在分区的基础上改变目前采用阻抗确定故障相的做法,而采用Clark变换,分别通过α,β模量信息进行故障选相。此选相方法充分发挥了零、负序故障分量以及模量变化在振荡期间不涉及相量偏移带来计算误差等优势,有效避免了阻抗选相在振荡中的弊端。文中给出了基于RTDS动模仿真数据的测试结果,理论和测试表明:此方法在振荡期间能够可靠、快速、准确地区分故障类型。

耦合双回线路任意点故障的仿真

在分析计及耦合的双回输电线路波过程的基础上 ,建立了双回线的扩展 Bergeron模型。以此为出发点针对线路故障的电磁暂态仿真问题 ,对 EMTP的耦合线路故障预处理方法进行了改进 ,使系统无需重新进行初始值及稳态计算而应用历史值即可完成新增短路节点的计算。

继电保护通道切换装置动模试验

建立了一次系统和保护通道的动模试验模型,设计了动模试验测试项目,针对各项目提出了具体的测试要求,并按照要求对继电保护的通道切换装置进行测试。测试结果表明,被测的继电保护通道切换装置基本满足技术要求,但是在给断电的切换装置重新上电后,或者备用通道延时增加、调整切换装置缓存后若立即发生区外故障,则保护容易发生误动。对误动的原因进行了分析,并提出了对应的解决方法。

汽轮机功率负荷不平衡保护改进与参数设置

通过对国内汽轮机功率负荷不平衡保护(PLU保护)误动作的总结分析,指出依靠机械功率和电气功率不平衡量作为PLU保护动作判据过于单一,在电网侧故障时有误动风险。为解决这一问题,将发电机高转速启动条件引入PLU保护并建立了稳定计算用仿真模型,提出了高转速启动定值的配置原则。基于发电机组所在区域电网,采用典型故障方式配置并校核高转速启动定值,使高转速启动定值的设置有据可依。仿真结果表明,该方法可以有效防止电网侧故障引起PLU保护误动,对提高PLU保护动作可靠性、保障电网安全稳定运行具有积极意义。

多绕组电力变压器内部短路稳态分析 (二)实验验证与差动保护灵敏度分析

通过在一台三相双绕组电力变压器内部设置各种短路来测试线端电压和电流,并与仿真计算的结果进行比较,验证了所提出的变压器内部短路故障分析的电路模型和计算方法。在此基础上,根据所设置的对地短路、匝间短路、相间短路等3种类型短路故障的仿真计算结果,分析了现有差动保护对这种变压器的保护灵敏度,指出纵差保护的灵敏度基本令人满意,而要提高零差保护的灵敏度,还需要进一步研究补偿措施。

一种通用的继电保护数据库模型

首先分析了公共信息模型在描述保护信息方面的不足,然后以仿真培训系统为实际应用背景,提出了一种通用的继电保护数据库模型,它能够从保护装置的内部结构和外部特征2个方面完整地表达实际的保护装置。该数据库模型允许用户在保护装置级进行保护配置,支持用户通过自定义新型号的保护装置扩展装置模型,支持装置模型升级后保护配置的自动更新,从而大大提高了保护数据库的维护效率。使用该数据库模型实现的各种仿真培训系统现场运行良好、运行维护方便,证明了该模型的有效性。

电力系统动态仿真中二次设备的建模研究

电力系统在事故条件下,二次设备动作将直接影响到系统的安全稳定和运行状态。要利用中长期动态仿真来再现系统故障后可能出现的连锁反应,就必须对继电保护和安全自动装置进行建模。为此,从仿真的角度对二次设备中继电保护和安全自动装置的建模方法进行了探讨,并在介绍传统自动低频减载装置(UFLS)工作原理的基础上,提出了一种适合中长期动态仿真的UFLS模型。

基于双侧电源的距离保护特性的仿真和研究

介绍了电磁暂态仿真软件PSCAD的功能,论述了电力系统距离保护的基本原理和整定原则,搭建了双侧电源的输电系统距离保护的仿真模型,分析了输电系统发生故障时距离保护装置的动作特性,同时对影响距离保护正确动作的因素进行了仿真分析和研究,得出短路点过渡电阻和线路上串联电容可能会影响继电保护的正确动作率。模型得出的距离保护分析结果与理论基本一致,从而表明使用PSCAD能够很好地在继电保护中仿真应用,这为研究继电保护算法提供很好的理论研究平台。