彭湃，程漢湘

(廣東工業(yè)大學自動化學院，廣東 廣州 510006)

0 引言

距離保護在電力系統(tǒng)繼電保護中扮演很重要的角色，廣泛應用于高壓輸電系統(tǒng)中，距離保護的核心元件是距離繼電器［1-2］，它是根據(jù)測量阻抗的大小來反映故障點的遠近以決定是否發(fā)出跳閘信號［3-6］。對于高壓輸電線路，最常見的故障一般是單相接地故障，而接地電阻將會影響距離保護的測量阻抗，從而可能引起保護的超范圍動作或使保護的范圍縮短，使得保護誤動或拒動［7-9］，鑒于此，已有一些工作者做了大量的研究，文獻［10］提出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的自適應距離保護具有更好的躲過渡電阻特性，文獻［11-12］采用自適應的方法來消除接地電阻對距離保護的影響。正確地對距離保護進行配置有利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，進而提高供電的質(zhì)量，所以有必要對距離保護進行各方面的研究和分析。

PSCAD(Power Systems Computer Aided Design)是一款電磁暫態(tài)軟件包，它由很多可視化模塊組成，具有較完善的模型庫，該軟件不僅可以用來分析電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程，而且也可以對一般的電力電子電路和繼電保護進行有效的仿真應用［13］，為繼電保護的研究提供良好的仿真分析平臺。

1 距離保護的原理及整定原則

距離保護相對電流、電壓保護有著獨特的優(yōu)勢，其基本不會受電網(wǎng)接線方式和系統(tǒng)運行方式的影響。目前廣泛采用的是三段式距離保護，其系統(tǒng)接線如圖1所示。

圖1 距離保護系統(tǒng)接線圖

如圖1所示，對于距離Ⅰ段，有保護1的第1段整定值為:

保護2的第1段整定值為:

但是對于距離Ⅱ段，有保護1的第2段整定值為:

對于距離Ⅲ段整定值的考慮與過電流保護相似，其啟動阻抗要躲開電力系統(tǒng)正常運行時的最小負荷阻抗來選擇。為了能更好地對距離保護的邏輯關系理解，給出了如圖2所示的三段式距離保護裝置的組成元件和邏輯框圖。其中Z1、Z2、Z3均為距離元件。

圖2 三段式距離保護裝置的組成元件和邏輯框圖

2 仿真模型的搭建

電力系統(tǒng)三段式距離保護采用如圖3所示的仿真模型。模型是由雙側(cè)電源分別經(jīng)過兩斷路器和輸電線路相連，在輸電線路之間加入一個三相故障源可以用來設置系統(tǒng)故障的類型和發(fā)生的起止時間，兩母線分別掛有負荷。

圖3 雙側(cè)電源的距離保護系統(tǒng)接線圖

系統(tǒng)通過測量保護線路的三相電壓和電流，經(jīng)過如圖4所示的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可以將測量的電壓和電流進行FFT變化，然后得到各序分量，最后求得測量阻抗實現(xiàn)三段式距離保護的正確動作。

圖4 距離保護控制系統(tǒng)

3 仿真結(jié)果分析

3.1 故障時的動作特性仿真分析

將圖3所示的系統(tǒng)中的故障源設置成A相接地來進行故障仿真分析，故障發(fā)生時間為0.2 s，持續(xù)時間0.1 s，得到測量點處的三相電壓和電流波形如圖5所示。

圖5 三相電壓和電流波形

可以看出，線路發(fā)生單相接地故障時，將會對測量處的電壓和電流產(chǎn)生一定影響，故障在0.2 s發(fā)生，此時尤其對系統(tǒng)電流產(chǎn)生較大影響，使得電流急劇增加，從而使得控制系統(tǒng)中的測量阻抗在整定值范圍之內(nèi)，斷路器B1動作而斷開，電流就會趨于0，但電壓影響不大。

3.2 影響距離保護因素的仿真分析

3.2.1 短路點過渡電阻對保護的影響

電力系統(tǒng)中的短路一般都不是金屬性的，而是在短路處存在過渡電阻，由于其存在，將會對輸電系統(tǒng)的測量阻抗產(chǎn)生影響，一般下會使得距離保護的保護范圍縮短，過渡電阻的大小也將會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的影響。對如圖3所示的系統(tǒng)在故障源支路中使用不同電阻值來模擬過渡電阻，得到如圖6、7所示電壓和電流仿真波形。

由圖6、7可以看出，當發(fā)生故障出現(xiàn)過渡電阻時，其會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生影響，且隨著電阻值的大小影響程度也會不一樣。當電阻值為20 Ω時，對繼電保護影響不大，斷路器仍然在0.2 s故障發(fā)生時動作，因而電流為0，而當電阻值提高到25 Ω時，其已經(jīng)影響到測量電壓和電流了，從而對測量電阻產(chǎn)生了誤差而達不到動作的范圍，導致斷路器不發(fā)生動作，最終出現(xiàn)如圖7所示的電流波形。

圖6 過渡電阻R=20 Ω時的波形

圖7 過渡電阻R=25 Ω時的波形

3.2.2 輸電線路串聯(lián)電容對保護的影響

高壓輸電線路的串聯(lián)電容補償可以很大程度上縮短兩電力系統(tǒng)的電氣距離，雖然可以對系統(tǒng)進行無功補償，提高傳輸容量，增加電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但也會對繼電保護產(chǎn)生極為不利的影響，其影響的程度一般是由自身的電容值和安裝的位置有關。故障時間仍舊為0.2 s對于不同電容值其仿真波形如圖8、9所示。

圖8 串聯(lián)電容為55 μF時電壓和電流

由圖8、9可以看出，當輸電線路串聯(lián)電容時電壓和電流都會受到影響，且主要表現(xiàn)為對電壓的影響，是因為其補償系統(tǒng)無從而來影響電壓的穩(wěn)定。當電容值為55 μF時，距離保護還能夠正常動作于線路故障，使得斷路器在0.2 s動作，所以會出現(xiàn)電流為0的情況，而當電容值提高到60 μF時，測量阻抗已經(jīng)達到其整定動作的范圍，故而斷路器還沒等到故障就已經(jīng)動作了，電流提前降為0，同時電壓也受到了很大的影響。

圖9 串聯(lián)電容為60 μF時電壓和電流

4 結(jié)束語

(1)利用PSCAD搭建了電力系統(tǒng)距離保護雙側(cè)電源模型，能很好地對發(fā)生故障時測量點的電壓和電流進行仿真分析，從而能夠更加深入地理解距離保護，為距離保護的測量控制系統(tǒng)算法的研究提供了很好的平臺。

(2)過渡電阻以及輸電線路串聯(lián)電容等都會一定程度影響到輸電線路上測量電壓和電流，從而降低距離保護系統(tǒng)的正確動作率，對于電容器既要考慮到它可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和輸電系統(tǒng)的傳輸容量，同時也要看到其對繼電保護的不利影響，要綜合考慮各方面因素。

(3)距離保護的合理配置對提高電力系統(tǒng)的可靠性、靈敏性、速動性有著很重要的意義，使得繼電保護系統(tǒng)更加完善，將會推動智能電網(wǎng)的飛速發(fā)展。

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