一种基于实时数字仿真的距离保护过负荷特性验证方法

摘要

本发明提供一种基于实时数字仿真的距离保护过负荷特性验证方法，包括以下步骤：基于实时数字仿真器建立验证仿真模拟系统；连接验证仿真模拟系统和继电保护装置；进行距离保护过负荷特性验证。本发明提供的基于实时数字仿真的距离保护过负荷特性验证方法，充分利用实时数字仿真器(RTDS)可以进行实时闭环仿真试验的特点，通过设计合理的仿真模型和试验方案，实现对超高压线路保护装置的距离保护元件在各种过负荷工况下的特性的有效性全面地验证。

说明书

技术领域

本发明涉及一种验证方法，具体涉及一种基于实时数字仿真的距离保护过负荷特性验证 方法。

背景技术

随着电网的不断发展其电气结构越来越复杂，输送的电能也越来越多。线路通常是以距 离元件作为后备保护，而常规距离保护元件仅通过判别测量得到的故障点到保护安装处的电 气距离来确定是否发生了区内故障。这也同时引入新的问题，即电网在发生故障后，潮流转 移而导致正常线路出现过负荷时，正常线路后备保护测量得到的阻抗进入其动作区域，从而 导致后备距离保护在这种情况下会出现误动作，切除无故障线路。从而加剧大电网事故的扩 散甚至导致严重后果。

发明内容

为了验证距离保护过负荷应对策略的正确性和有效性，本发明提供一种基于实时数字仿 真的距离保护过负荷特性验证方法，充分利用实时数字仿真器(RTDS)可以进行实时闭环仿 真试验的特点，通过设计合理的仿真模型和试验方案，实现对超高压线路保护装置的距离保 护元件在各种过负荷工况下的特性的有效性全面地验证。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种基于实时数字仿真的距离保护过负荷特性验证方法，所述方法包括以下 步骤：

步骤1：基于实时数字仿真器建立验证仿真模拟系统；

步骤2：连接验证仿真模拟系统和继电保护装置；

步骤3：进行继电保护装置的距离保护过负荷特性验证。

所述步骤1中，验证仿真模拟系统采用电压等级为1000kV和500kV的电磁环网模型， 电磁环网模型包括第一等值电源、第二等值电源、第三等值电源、母线P、母线Q、母线 M、母线N、单回输电线路PQ、双回输电线路MN、I号变压器和II号变压器；

母线P和母线Q连接1000kV的单回输电线路PQ，其中母线P连接第一等值电源和I 号变压器，母线Q连接第二等值电源和II号变压器；I号变压器与II号变压器分别将1000kV 电压降至500kV电压并与500kV变电站的母线M和母线N相连接；母线M连接第三等值 电源，并通过双回输电线路MN与母线N连接，母线N连接负荷。

所述单回输电线路PQ及双回输电线路MN的长度均为200km～300km，且单回输电 线路PQ及双回输电线路MN II回输电线路的两端均装有经中性点小电抗接地的并联电抗 器。

所述步骤2中，验证仿真模拟系统通过模拟量输出模块将模拟量信号输出给电流电压 放大器，再由电流电压放大器将模拟量信号放大后输出给继电保护装置；同时，验证仿真 模拟系统通过数字量输出模块将开关量信号传输给开关量转换装置，开关量转换装置将转 换后的开关量信号输出给继电保护装置；继电保护装置输出的断路器跳闸信号再通过开关 量转换装置反馈给验证仿真模拟系统的数字量输入模块，从而形成闭环测试系统。

所述步骤3中，将继电保护装置安装于MN II回输电线路上，于是MN II回输电线路 为被保护输电线路，其余线路为非保护输电线路；在被保护输电线路以及非保护输电线路 共设置6个故障点，故障点分别位于MN I回输电线路和MN II回输电线路的两端及线路 中点，每个故障点分别模拟各种类型的金属瞬时性故障或过渡电阻短路故障。

验证项目包括正常过负荷下动作特性验证、正常过负荷期间发生故障时动作特性验证、 事故过负荷下动作特性验证、事故过负荷期间发生单一故障时动作特性验证和稳定破坏时 动作特性验证。

正常过负荷验证中，通过增加第一等值电源和第三等值电源出力，使流过双回输电线 路MN的负荷电流及其两侧母线电压功角增大，模拟正常过负荷，使负荷阻抗进入距离保 护III段动作区，验证距离保护III段在正常过负荷时的动作特性，且满足MN II回输电线 路距离保护不误动作。

正常过负荷期间发生单一故障时动作特性验证中，通过增加第一等值电源和第三等值 出力，使MN II回输电线路处于过负荷状态，即负荷阻抗在故障前就进入距离保护III段动 作区，模拟MN II回输电线路上的线路出口、中点及末端各种类型的金属瞬时性故障及经 过渡电阻短路故障，试验过程中，金属瞬时性故障时，距离保护按照整定时间正确动作切 除故障；经过渡电阻短路故障时，距离保护具有耐过渡电阻能力；

正常过负荷期间发生发展性故障时动作特性验证中，首先MN II回输电线路处于过负 荷状态，然后在正常过负荷期间，模拟不同故障点经不同时间相继发生单相接地故障的发 展性故障，且相继发生发展性故障的时间间隔为0ms～200ms；需满足在试验过程中发展为 区内故障时，距离保护动作切除区内故障，不受区外故障影响。

金属瞬时性故障包括单相接地故障、两相接地故障、两相短路故障、三相接地故障及 三相短路故障；经过渡电阻的单相接地故障中过渡电阻阻值的取值范围为20Ω～200Ω。

对称事故过负荷下动作特性验证中，初始状态时将MN I回输电线路停运，模拟单回 输电线路PQ发生相间故障后切除该故障线路，MN II回输电线路发生对称事故过负荷，即 在过负荷期间，负荷阻抗进入距离保护III段动作区，验证距离保护III段在对称事故过负 荷时的动作特性，且满足MN II回输电线路距离保护不误动作；

不对称事故过负荷下动作特性验证中，初始状态时将MN I回输电线路停运，模拟单 回输电线路PQ单相接地故障，故障后线路单相跳闸在单相重合闸期间，MN II回输电线路 发生不对称事故过负荷，且过负荷期间，负荷阻抗进入距离保护III段动作区，且满足MN II 回输电线路距离保护不误动作。

对称事故过负荷期间发生单一故障时动作特性验证中，初始状态为单回输电线路PQ 及MN II回输电线路运行，MN I回输电线路退出运行，模拟单回输电线路PQ发生相间故 障，模拟该故障线路的保护跳闸，引起负荷从1000kV单回输电线路PQ转移到500kV双 回输电线路MN II回输电线路，引起MN II回输电线路过负荷；在此期间，模拟MN II回 输电线路上的线路出口、中点及末端发生金属瞬时性故障，需满足在区内发生故障后距离 保护按照整定时间正确动作切除故障；

不对称事故过负荷期间发生单一故障时动作特性验证中，初始状态为单回输电线路PQ 及MN II回输电线路运行，MN I回输电线路退出运行；在不对称事故过负荷期间模拟不同 位置发生金属瞬时性故障，需满足在区内发生故障后距离保护按照整定时间正确动作切除 故障。

稳定破坏时动作特性验证中，增大第一等值电源和第三等值电源出力，模拟静稳破坏， 通过模拟重载时平行线路跳闸引起动稳破坏导致的全相振荡；线路开关单相跳开引起的非 全相振荡，在全相及非全相振荡过程中再发生区内、外金属性瞬时故障；

需满足在振荡过程中，距离保护不误动作；振荡中故障时，MN II回输电线路区内故 障时，距离保护正确动作切除故障相；振荡中故障时，MN II回输电线路区外故障时，距 离保护不误动作。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明充分利用了实时数字仿真器设计了闭环仿真系统，可以实现系统正常过负荷、对 称性事故过负荷、不对称事故过负荷以及各种过负荷状态下的故障模拟。并将系统电气量实 时传送给被试装置。同时接受被试装置的跳闸信号，控制仿真系统相关断路器，从而实现对 距离保护过负荷逻辑的实时闭环全面检验。

附图说明

图1是本发明实施例中1000kV和500kV的电磁环网模型示意图；

图2是本发明实施例中验证仿真模拟系统和继电保护装置连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种基于实时数字仿真的距离保护过负荷特性验证方法，所述方法包括以下 步骤：

步骤1：基于实时数字仿真器建立验证仿真模拟系统；

步骤2：连接验证仿真模拟系统和继电保护装置；

步骤3：进行继电保护装置的距离保护过负荷特性验证。

所述步骤1中，验证仿真模拟系统采用电压等级为1000kV和500kV的电磁环网模型 (如图1)，电磁环网模型包括第一等值电源、第二等值电源、第三等值电源、母线P、母 线Q、母线M、母线N、单回输电线路PQ、双回输电线路MN、I号变压器和II号变压器；

母线P和母线Q连接1000kV的单回输电线路PQ，其中母线P连接第一等值电源和I 号变压器，母线Q连接第二等值电源和II号变压器；I号变压器与II号变压器分别将1000kV 电压降至500kV电压并与500kV变电站的母线M和母线N相连接；母线M连接第三等值 电源，并通过双回输电线路MN与母线N连接，母线N连接负荷。

所述单回输电线路PQ及双回输电线路MN的长度均为200km～300km，且单回输电 线路PQ及双回输电线路MN II回输电线路的两端均装有经中性点小电抗接地的并联电抗 器。

所述步骤2中，(如图2)验证仿真模拟系统通过模拟量输出模块将模拟量信号输出给 电流电压放大器，再由电流电压放大器将模拟量信号放大后输出给继电保护装置；同时， 验证仿真模拟系统通过数字量输出模块将开关量信号传输给开关量转换装置，开关量转换 装置将转换后的开关量信号输出给继电保护装置；继电保护装置输出的断路器跳闸信号再 通过开关量转换装置反馈给验证仿真模拟系统的数字量输入模块，从而形成闭环测试系统。

所述步骤3中，将继电保护装置安装于MN II回输电线路上，于是MN II回输电线路 为被保护输电线路，其余线路为非保护输电线路；在被保护输电线路以及非保护输电线路 共设置6个故障点，故障点分别位于MN I回输电线路和MN II回输电线路的两端及线路 中点，每个故障点分别模拟各种类型的金属瞬时性故障或过渡电阻短路故障。

验证项目包括正常过负荷下动作特性验证、正常过负荷期间发生故障时动作特性验证、 事故过负荷下动作特性验证、事故过负荷期间发生单一故障时动作特性验证和稳定破坏时 动作特性验证。

正常过负荷验证中，通过增加第一等值电源和第三等值电源出力，使流过双回输电线 路MN的负荷电流及其两侧母线电压功角增大，模拟正常过负荷，使负荷阻抗进入距离保 护III段动作区，验证距离保护III段在正常过负荷时的动作特性，且满足MN II回输电线 路距离保护不误动作。

正常过负荷期间发生单一故障时动作特性验证中，通过增加第一等值电源和第三等值 出力，使MN II回输电线路处于过负荷状态，即负荷阻抗在故障前就进入距离保护III段动 作区，模拟MN II回输电线路上的线路出口、中点及末端各种类型的金属瞬时性故障及经 过渡电阻短路故障，试验过程中，金属瞬时性故障时，距离保护按照整定时间正确动作切 除故障；经过渡电阻短路故障时，距离保护具有耐过渡电阻能力；

正常过负荷期间发生发展性故障时动作特性验证中，首先MN II回输电线路处于过负 荷状态，然后在正常过负荷期间，模拟不同故障点经不同时间相继发生单相接地故障的发 展性故障，且相继发生发展性故障的时间间隔为0ms～200ms；需满足在试验过程中发展为 区内故障时，距离保护动作切除区内故障，不受区外故障影响。

金属瞬时性故障包括单相接地故障、两相接地故障、两相短路故障、三相接地故障及 三相短路故障；经过渡电阻的单相接地故障中过渡电阻阻值的取值范围为20Ω～200Ω。

对称事故过负荷下动作特性验证中，初始状态时将MN I回输电线路停运，模拟单回 输电线路PQ发生相间故障后切除该故障线路，MN II回输电线路发生对称事故过负荷，即 在过负荷期间，负荷阻抗进入距离保护III段动作区，验证距离保护III段在对称事故过负 荷时的动作特性，且满足MN II回输电线路距离保护不误动作；

不对称事故过负荷下动作特性验证中，初始状态时将MN I回输电线路停运，模拟单 回输电线路PQ单相接地故障，故障后线路单相跳闸在单相重合闸期间，MN II回输电线路 发生不对称事故过负荷，且过负荷期间，负荷阻抗进入距离保护III段动作区，且满足MN II 回输电线路距离保护不误动作。

对称事故过负荷期间发生单一故障时动作特性验证中，初始状态为单回输电线路PQ 及MN II回输电线路运行，MN I回输电线路退出运行，模拟单回输电线路PQ发生相间故 障，模拟该故障线路的保护跳闸，引起负荷从1000kV单回输电线路PQ转移到500kV双 回输电线路MN II回输电线路，引起MN II回输电线路过负荷；在此期间，模拟MN II回 输电线路上的线路出口、中点及末端发生金属瞬时性故障，需满足在区内发生故障后距离 保护按照整定时间正确动作切除故障；

不对称事故过负荷期间发生单一故障时动作特性验证中，初始状态为单回输电线路PQ 及MN II回输电线路运行，MN I回输电线路退出运行；在不对称事故过负荷期间模拟不同 位置发生金属瞬时性故障，需满足在区内发生故障后距离保护按照整定时间正确动作切除 故障。

稳定破坏时动作特性验证中，增大第一等值电源和第三等值电源出力，模拟静稳破坏， 通过模拟重载时平行线路跳闸引起动稳破坏导致的全相振荡；线路开关单相跳开引起的非 全相振荡，在全相及非全相振荡过程中再发生区内、外金属性瞬时故障；

需满足在振荡过程中，距离保护不误动作；振荡中故障时，MN II回输电线路区内故 障时，距离保护正确动作切除故障相；振荡中故障时，MN II回输电线路区外故障时，距 离保护不误动作。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域 的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换， 这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求 保护范围之内。