（电力系统及其自动化专业论文）数字继电保护混杂建模与仿真的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文数字继电保护混杂建模与仿真 的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：磊蛔篁 日期：丝丝塑砑 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅： 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：幽导师签名：邋 e t 期：趟l2 ：研日期：一2 “ 4 - 1 2 z 7 华北电力火学硕士学位论文 1 1 课题提出的背景和意义 第一章引言 继电保护装置是电力系统的重要组成部分，它在保证系统安全、稳定和经济运 行等方面起着非常重要的作用，因此，理解保护系统的内部动态特性、研究描述其 动态行为的方法以及分析工具是一项非常必要的工作。但是，目前的大多数电力系 统分析工具缺少对继电保护模型的系统化描述，对继电保护系统的动态行为大都采 用预先指定动作状态或给出定值的处理方法，无法真实完全的反映继电保护元件的 内部动态行为。所以研究数字继电保护的详细建模方法，分析故障发生时数字继电 保护的动态特性，揭示其真实的内部动作过程，并将描述内部动态过程的所有变量 以曲线的方式显示出来是一项非常有意义的工作。本课题的目的就是建立一个能够 详细描述数字继电保护系统的模型库，构建一个数字保护系统的仿真分析研究环 境，来指导数字继电保护系统新理论的研究以及新产品的开发。 数字继电保护系统的动态特性是一种混杂的动态行为，既有描述电气参数变化 和算法的连续动态关系，又具有复杂的逻辑动态关系。数字保护继电器的功能主要 是用软件来实现的。为了实现用不同原理构成的数字保护继电器，首先，对电力系 统中的电压、电流等连续信号进行采样、a d 转换以及数字滤波，以获取所需要的 预处理信号。然后利用保护算法，如d f t 算法，微分算法等计算出保护判据所需要 的电气特征量，来进行逻辑判决，以决定是否输出保护的动作信号。 实现上述数字继电保护的软件模型，是一项非常困难的工作。然而，要真正分 析保护系统的内部动态行为和工作过程，就必须找出一种既能够描述如保护算法等 连续动态变量的动态关系，又能够刻画其逻辑动态关系的建模方法。 本课题应用混杂系统理论进行研究电力系统数字继电保护系统的建模，采用了 面向对象的，模块化的建模思想，应用文献 1 中提出的g h p n 网的建模方法，对保 护继电器进行建模并且构建了一个保护系统的模型库。该模型库能够在以下几个方 面得到应用。 首先，保护设备厂家可以应用数字保护软模型研究保护的新原理并可在软模型 上测试各种新算法，代替重复的制造样机进行测试，加速了保护产品的开发过程。 其次，电力企业和用户可以应用数字保护模型来分析保护设备的运行情况。尤 其在保护出现拒动或误动的时候。通过该研究环境分析拒动或误动的原因。 第三，对高校和一些培训机构而言，使用保护的软模型可以代替价格昂贵的傈 华北电力大学硕士学位论文 护实验台，节省大量的资金。并且，保护软模型还能够有效的演示保护系统工作流 程，揭示保护继电器的内部动态过程，大大加强初学者对保护概念的理解。 1 2 国内外关于本课题的研究现状及动向 1 2 1 混杂系统理论及其研究现状 混杂系统自1 9 8 6 年在美国高级控制会议上提出以来，不久便成为离散事件系统 研究和过程控制应用中的一个新的热点，并被公认为对解决生产过程自动化、自动 化调度、机器人控制、计算机通讯等一系列工程技术问题具有重要的指导意义。混 杂系统研究是控制论和计算机科学相结合的产物，这是因为控制论研究的对象大多 是连续变化系统，而计算机科学的研究对象大多是离散系统，所以混杂系统研究得 到了控制科学界和计算机科学界的高度重视。 但利用混杂系统理论来研究电力系统动态描述、分析及控制等问题只是刚刚开 始 | 。6 l 。目前的研究大都集中在电力系统混杂控制方面，对电力系统混杂建模和动态 过程分析这方面的研究无论是从公开发表的国夕卜文献来看，还是从国内文献来看 都是比较少的。 最早提出将混杂系统理论用于电力系统建模是i a h i s k e n s ，他在2 0 0 0 年的 i s c a s 电路与系统的国际会议上发表的“h y b r i ds y s t e m sv i e wo fp o w e rs y s t e m m o d e l l i n g ”论文”1 中，利用混杂自动机理论讨论了o l t c 的混杂建模方法，并用微 分代数冲击切换( d i f f e r e n t i a la l g e b r a i ci m p u l s i v es w i t c h e d ，d a i s ) 模型来 描述电力系统的混杂特性。之后，他利用该模型进行了电力系统的许多分析研究工 作，如在文献 8 ，9 中，他讨论了混杂电力系统模型参数辨识问题，在参数辨识和 最小方差算法的病态条件之间确立了一种关系，指出如果轨迹灵敏度与相应的参数 关系是非线性相关时，模型参数才是唯一可辨识的；在文献 1 0 1 2 中，他描述了 关于电力系统混杂模型的逆问题，主要讨论的是电力系统模型的有效性问题。 国内对混杂系统理论的研究也正在兴起1 ”3 ，近几年关于混杂系统理论研究的 文献也在渐渐增多。但大都集中在电力系统的混杂控制方面的研究，如清华大学卢 强院士提出的电力系统混成自动电压控制的研究“，就是利用混杂系统控制方法来 研究电力系统的电压控制问题。文献 2 0 对电力系统混杂特性进行了分析，指出混 杂控制系统理论方法在解决电力系统优化调度和稳定控制等方面的一些特点。 1 2 2 数字继电保护建模的研究现状 目前，国内外大多数电力系统分析工具缺少对继电保护模型的系统化描述，对 保护系统的动态行为采用预先指定动作状念的处理方法，无法真实完全的反映继电 2 华北电力大学硕士学位论文 保护元件的内部动态规律。特别是对保护误动或拒动引发的级联故障，缺乏有效的 仿真处理方法。 例如在电磁暂态分析程序e m t p 中，对继电保护模型的处理方法是：文献 2 1 提 出可以用任意高级语言如f o r t r a n 、c 等编写独立的继电保护模型，将e m t p 仿真产 生的暂态波形数据转化成保护模型能够处理的数据格式提供给保护模型，保护模型 根据这些数据进行计算，做出保护动作方案的选择。优点是用户可以自定义和修改 保护模型，灵活性高；缺点是保护模型与电力系统模型的交互性差，对一些复杂的 动作行为，如故障后重合闸失败等无法正确仿真。文献 2 2 提出将建好的保护模型 编译链接到e m t p 中，修改e m t p 中相应的模块为继电保护模块提供接口。优点是继 电保护模型与电力系统模型的交互性好，缺点是用户无法修改保护模型，灵活性差。 国内的电力系统分析综合程序p s a s p 则是国内进行电力系统计算和仿真的经典 软件，其结果也为大家所普遍接受，但用户需要通过类似填写数据的方式进行设计 和定义各种系统元件及控制装置，所以具有一定的局限性，不能搭建算法复杂的模 型。 因此，研究一种适用于电力系统分析的数字继电保护建模方法是非常必要的。 1 3 本文主要的研究工作 本课题将对保护的运行特性进行归纳分析，以混杂系统理论作为保护建模的指 导思想，以g h p n 网作为建模工具，总结出保护建模分析的方法，并利用面向对象的 技术开发保护的软件模型。 1 、学习一种面向对象的仿真语言m o d e l i c a 和混杂系统基本动态模型库d y m o l a 的使用，并学会用m o d e l i c a 语言在d y m o l a 中进行编程和建模。 2 、分析了线路保护常用的继电器的工作原理、接线方式、动作特性，在综合考 虑连续状态变量和离散事件动态特性的基础上，利用混杂系统理论建立继电保护的 混杂模型。 3 、在混杂系统仿真平台d y m o l a 上，搭建了三相电力系统软件包，使之能够准 确的模拟三相电力系统的运行状况并能完全反应出电力系统中各种常见故障所产 生的信号。 4 、将所建立的数字保护模型在d y m o l a 三相平台下仿真，验证其正确性 5 、对所建立的模型进行校验，搭建一个典型电力系统并配置各种保护装置，设 置不同故障类型，分析数字继电保护模型的内部动态规律，总结运行经验，以应用于 实际的电力系统。 华北电力大学硕士学位论文 1 ，4 本文的结构 法。 本文第二章叙述了混杂系统理论的基本知识并描述了混杂动态系统的建模方 本文第三章叙述了数字继电保护模型库的建模方法和仿真环境，重点介绍了数 字继电保护模型子库的结构和元件模型的实现。 本文第四章叙述了以数字继电保护模型子库为材料，以g h p n 网理论为建模方 法建立线路距离保护模型的过程，并在仿真平台下进行了仿真验证。 本文第五章为结论，对本论文的工作做了总结。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章混杂系统理论基础和建模方法 2 1 混杂系统理论基本概念 “混杂系统( h y b r i ds y s t e m s ) ”指的是具有连续变量动态行为和离散事件变 量动态行为以及这两种行为相互作用，相互影响构成的系统。连续动态一般由微分 方程或差分方程来描述，其动态演化过程依赖于连续系统的控制输入和离散事件状 态的逻辑变化。 2 1 1 混杂系统理论的提出 混杂系统的提出是由于离散事件系统的深入研究和现代工业过程控制的需要。 自1 9 8 6 年在美国高级控制会议上提出以来”，不久便成为离散事件系统研究和过 程控制应用中一个新的热点，并被公认为对生产过程自动化、自动化调度、机器人 控制、计算机通讯等一系列工程技术问题具有重要的指导意义。混杂系统是介于控 制论和计算机科学之间的研究对象。因为控制论研究的对象大多是连续变化系统， 而计算机科学的研究对象大多是离散系统。因而得到了控制科学界和计算机科学界 的高度重视“”州。 从概念上讲，“混杂系统( h y b r i ds y s t e m s ) ”是指具有两种不同特性行为的 系统。在控制系统中，这两种不同行为表现为连续变量动态和离散事件变量动态。 混杂系统就是由连续变量动态系统和离散事件变量动态系统相互混杂、相互作用而 形成的统一的动态系统。该系统中既包含了符合牛顿力学因果律的连续变量动态系 统又包含了遵从优化决策信息逻辑原则的离散事件动态系统，而且两者之间处在一 种强相互作用的制约机制中。通常认为，一个混杂系统应当具备如下的几个特征： ( 1 ) 系统中同时包含按照离散事件系统机制演化的离散事件和基于连续变量系 统规律变化的连续变量，系统的状态演化过程是一种“混杂”运动过程： ( 2 ) 系统中离散事件和连续变量之间依据某种规则构成相互作用，离散事件过 程和连续变量过程是互为约束的： 2 1 2 混杂动态系统的特征分析 从以上概念上可看出，在微观上，混杂动态系统间歇式地表现出其连续性的演 化，在宏观上，则又表现出跳跃式的离散状态的迁移，而且二者交替演进，形成 复杂的动态过程。 通过以上综合分析混杂动态系统所涉及的组织结构和行为演化的概念、特征和 5 华北电力火学硕士学位论文 性质，可以得出这样一个基本结论：由于混杂动态系统的内部结构和状态信息的 非纯一性和耦合响应及反馈组态关系的复杂性，应当采用多层面的互补嵌套与综 合集成方法，运用多种理论知识和技术手段来研究混杂动态系统的建模和优化控 制与决策问题，而绝不能寄希望于单一完美的建模方法和分析工具解决好混杂控 制系统的所有问题。另外，还应当强调指出的是，关于混杂动态系统理论的研究必 须结合实际工程背景，从应用角度开展研究工作，不但不会影响理论研究的进展， 还会促进理论研究工作的进化和技术支持工具的革新，美国加州大学的研究工作 就是典型代表。8 = “3 。本文将以电力系统为实际背景，用于混杂系统理论对其进行分析 和建模。 2 1 3 混杂问题的研究方法 混杂动态系统非纯一的复杂组织结构和信息耦合关系决定了混杂控制系统问 题的求解需要混杂的求解方法。多学科的理论方法和数学工具都在混杂控制系统理 论研究中发挥着重要作用。事实上，关于混杂控制系统理论的研究已经开创和形成 了桥接自动控制、应用数学、人工智能与计算智能、运筹学、理论计算机科学以及 应用逻辑学等方面的一个新的学科体系。当然，在这一新的学科体系中，自动控制 仍然处在核心地位，发挥着主导作用，其他学科作为辅助，可为其提供有效的方 法和工具。 在自动控制方面，除了包括通常的线性、非线性控制，最优控制，随机控制， 自适应控制，智能控制等之外，还有离散事件动态系统的理论和方法。 在应用数学方面主要有微分方程、微分包含、可行性理论( v i a b i l i t yt h e o r y ) 、 李代数、泛函分析以及微分几何等。 在人工智能和计算智能方面，除了以传统的人工智能为基础的知识工程方法 外，还包括神经网络、模糊逻辑和模拟进化算法等计算智能技术，以及基于a g e n t 技术的分布式人工智能方法。 在运筹学方面包括线性规划、非线性规划、整数规划、模糊规划和随机规划，以 及非光滑规划和微分对策等。 在理论计算机科学方面涉及自动机理论、p e t r i 网理论、程序的逻辑验证和仿 真检验等。 应当指出的是，以上关于各种方法与工具的罗列并不等于说只是简单地叠加和 套用某些方法就可以解决混杂控制系统的问题，而是说明不同的分析综合方法需 要不同的数学工具和技术支撑。在实际应用中必须具体情况具体分析，寻求最佳匹 。配模式。 6 华北电力人学硕士学位论文 2 2 混杂动态系统的建模方法 22 1 混杂动态系统建模所存在的问题 混杂系统尽管有多种不同的类型，但具有共同的基本特征，主要表现为三个方 面。是系统状态演化过程是离散事件运动和连续变量运动的混杂过程：二是离散 事件和连续变量互为约束，依据某种规则构成相互作用：三是系统状态随时间演化。 由于混杂系统的特点，使得它的建模面临三个基本问题。一是对连续变量动态的描 述，通常具有微分方程或差分方程形式：二是对离散事件动态的描述，一般为逻辑 变量关系形式：三是对离散事件和连续变量相互作用的描述，通常依问题类型的不 同而不同。 建模仍然是混杂动态系统研究工作的根本性环节。由于混杂动态系统组织结构 的非纯一性和复杂性，针对不同类型的问题背景，选择适配的建模工具就成为重 要的环节。必须根据具体情况具体分析建模的对象，选取恰当的建模工具。p e t r i 网、有限自动机、a g e n t 技术、格论( 1 8 t t i c et h e o r y ) 等都是可以利用的工具。 混杂自动机或p e t r i 网是着重描述事件驱动机制，将离散事件和连续变量置于 单一框架内考虑的一类混杂系统模型。混杂自动机或p e t r i 网模型能对“事件发生 对整个系统的推动作用”进行清晰的结构表征，适合于强调系统逻辑行为等的一类 混杂系统。p e t r i 网模型可视为有限自动机的扩展。由于其定义增加了“变迁”节 点，非常适合于处理混杂系统并发过程，因此，p e t r i 网理论研究目前得到了迅速 发展。尤其，对于处理混杂系统的并发过程，p e t r i 网建模更有效，更简洁。 2 2 2p e t r i 网和赋时p e t ：r i 网基础 p e t r i 网是一个具有库所( p l a c e ) 和变迁( t r a n s i t i o n ) 两类节点的有向图。 为了区分这两类节点，一般用圆圈“o ”表示库所，用竖线“l ”来表示变迁。p e t r i 网通常用一个四元组= ( m ，0 ) 来描述。其中，m 为库所的集合，为变迁集合， ，c m 为连接库所与变迁的集合，o c m 为连接变迁与库所的集合。变迁t 的 前置集( p r e s e t ) 表示为r ，是库所m m 的集合，( f ) i 。变迁，的后置集( p o s t s e t ) 表示为t ，是库所m m 的集合，( f ，脚) o 。 赋时p e t r i 网为p e t r i 网引入全局时间变量f ，在变迁触发过程中考虑变迁触发 开始和触发结束所需的时间。它有两种实现形式：一种是将各事件的持续时问标在 库所旁，这样库所中新产生的标记要经过一定的时间后才能参与p e t r i 网的运行。 第二种是时间标法，即将时间标在变迁上，这样授权的变迁要延迟一段时间才能发 生，或者发生变迁后，立即从库所中移走相应的标记，却要延迟段时间在输出库 华北电力火学硕士学位论文 所中产生标记。 2 2 3 广义混杂p e t ri 网( g h p n ) 模型 为了使赋时p e t r i 网能够描述混杂动态行为，本文引用了文献 1 中提出的把 连续动态的数学模型嵌入进赋时p e t r i 网中，将混杂系统的连续动态与离散事件有 机地融台在一个框架下进行统一的描述，对p e t r i 网进行了扩展，创建的混杂动态 系统的g h p n ( g h p n - - g e n e r a l i z e dh y b r i dp e t r in e t s ) 网建模方法。在本文研究的电 力系统混杂建模框架中，连续动态行为或由线性微分方程进行描述或由差分方程进 行描述。因此，本文采用广义混杂p e t r i 网( g h p n 网) 对微机保护进行建模。 混杂动态系统的g h p n 模型可表示为一个六元组( ，f ，。，f 。) 。其中每个 元素的定义如下： p e t r i 网n = ( 膨，d ) 用于描述动态系统离散事件的逻辑动态行为。库所 = 珑l ，一，m 。 表示动态系统模式集合。变迁= 如，e , u ) 为动态系统事件集合。 输入弧，为连接库所与变迁的弧，表示当前运行模式与将要发生事件间的关系。输 出弧0 为连接变迁与库所的弧，表示当前发生的事件与下一个系统模式间的关系。 函数，( ) 定义为动态系统运行模式动态的描述。设动态系统具有种运行模式 f = f ”，f ”一) ，其中f m ，：r “jr ”，j = l ，。则函数z ，( ) 的合式公式表 达式为： p ，) ； = 厂”。) 式( 2 1 ) 式中：x r ”，厂一为系统模式m ，的闭环连续动态系统描述。 函数，( ，) 定义为动态系统模式变迁条件函数。设动态系统变迁条件的集合为 g = 9 1 ，一，g 。其中，g ，：r ”斗震”为光滑的超平面。设j ( m ，e ) 为 1 ，嬲 的子 集。则函数z ，( ，) 的合式公式表达式为： 式中， 触发。 z ，e ) = o 、( 矿( 工( f ) ) j 或a 3 1 0 l o o 其中：a 2 l l ，p f ) 一，。( 一) i 一1 0 ( 一) 一m 2 ) | l 妒p 指a b 、b c 、c a 三种相别，a 3 1 0 为零序电流突变量，乇。为突变量起动定值。 其实现代码如下： f u n c t i o nd 1 1 i n p u td e f i n e s s a m p l e d a t ap n b u f ：a 、b 、c 三相电流数据采样值 i n p u tr e a li o d ：突变量起动定值 o u t p u t b o o l e a n i s s t a r t u p d i l ：输出逻辑值 a l g o r i t h m 3 l 华北电力火学硕士学位论文 计算相相电流突变量值。 计算零序电流突变量值。 is s t a r t u p d i l ：= b i a b i q do fb i b c i q do rb i c 8 i q do rb 3 1 0 i q d ； e n dd 1 1 ： b ) 两健全相电流差突变量起动元件d 1 2 非全相运行期间，发展性故障靠反映两个健全相相电流差突变量的d 1 2 元件起 动。d 1 2 投入的条件除了d i l 动作，还有另一个条件为故障处理程序判为发生了单 相故障。 c ) 零序电流辅助起动元件，。 。作为在单相经大电阻接地或零序四段区内故障而按照本线路末端故障整定 的d 1 1 元件灵敏度不够时的起动元件，它可以整定的比较灵敏，带延时动作，是辅 助起动元件。其判据为： 3 1 。 ，。 其中：3 1 0 为三倍的零序电流，k 为零序四段电流定值。其实现代码和d 1 1 类似， 不再详述。 d ) 静稳破坏检测元件 本保护模型库还设置了静稳破坏检测元件，它由一个反映b c 相的阻抗元件 ( z b c ) 和反映a 相电流的电流元件( a l j ) 构成，在任元件动作后，程序转入 振荡闭锁模块。 3 6 4 2 阻抗元件 数字距离保护中的阻抗元件的动作特性主要有三种，如图3 2 2 所示。 0 ：爿。兰x d z r 。t g o i ；r 。r d z + 。t g ( 9 0 一岛) 式( 3 - - 4 4 ) 测量阻抗在第三象限： x 。， o ，r ， 0 ；r 。r d z ：i x 。i r 。t g o 式( 3 4 5 ) 阻抗元件的实现代码基类如下： f u n c t i o ni m p p o l y g o n o n e ”i m p e d a n c eq u a n d r a n g l ec h a r a c t e r i s t i c s ” i n p u tr e a lr m ； 电阻测量值 i n p u tr e a lx m ； ，电抗测量值 i n p u tr e a lr d z ； ，电阻整定值 i n p u tr e a lx d z ； 电抗整定值 o u t p u tb o o l e a ni s i n ； ，输出动作逻辑值 p r o t e c t e d ；中间变量 a l g o r i t h m 不同动作特性的动作方程算法 e n d i m p p o l y g o n o n e ； 3 6 43 选相元件 在数字保护中，为提高系统的稳定性，可实现单相重合闸或综合重合闸。这样， 当线路发生单相故障时，实现单相跳闸，而后进行单相重合闸；当线路发生多相故 3 3 华北电力火学硕士学位论文 障时，实现三相跳闸。因此，发生故障时应由选相元件选出故障相。实际系统中有 序电压选相、序电流选相、相电压选相、相电流选相、突变量选相等多种方式。这 里选用相电流选相。选相方法如下： 各利1 故障时短路电流的相量图如图3 2 3 所示。首先计算相电流差突变量的有 效值i a b 、i b c 、i c a ，并把它们分为大、中、小。如果( 大中) ，。，) 式( 4 一1 ) 式中：如为相间电流突变量定值- ，。为零序电流定值，。为相间电流突变量计 算值。当，。大于定值k 时，函数( 锄) 的值为1 ；否则为0 a 即当电力系统 发生故障时，# ，( n o r m ，s t a r t u p ) 为真，起动元件起动条件满足，起动元件动作。 起动元件起动后，将正常运行模式n o r m 中的托肯移到起动后运行模式 3 8 华北电力大学硕士学位论文 s t a r t p o s t 。模式中的托肯用来表示相应的模式是否处于激活状态。在保护的g h p n 模型中，托肯的个数定义为1 。如果模式的托肯为l ，表示该模式是当前运行状态， 处于激活状态；如果模式的托肯为0 。表示该模式不是当前运行状态，处于被禁止 运行状态。 总结以上论述，起动元件动作必须满足以下两个条件： 输入函数p ，( n o r m s t a r t u p ) 蔓j ，即p ( n o r m ，s t a r t u p ) 2 ( p p ，) v ( ，o ，。) 为真； 起动元件前导模式n o r m 的托肯为1 。 2 ) 静稳条件破坏的g h p n 模型 f ，( s s t a b ) n o r ms s t a bo s c i l l 图4 2 静稳条件破坏的g h p n 定义 静稳破坏事件动作的条件由g h p n 的输入弧函数，( n o r m ，s s t a b ) 来定义： 孽，( n o r m ，s s t a b ) = ( 二i q o ) a ( ( z 戚：z 肼) v ( ，i j ) ) 式( 4 2 ) 输出弧函数g o ( s s t a b ，o s c i l l ) 和变迁函数g r ( s s t a b ) 都定义为永真式。 事件s s t a b 触发必须满足以下两个条件： 输入函数，( n o r m ，s s t a b ) 为真； 起动元件的前导n o r m 的托肯为1 。 b 起动后模式 起动元件起动后，有三种可能发生的离散事件：保护的距离i 段动作，或i i 段 动作或转振荡闭锁模式o s c i l l 。 a ) 继电器i 、i i 段动作的g h p n 模型如图4 3 所示。 华北电力大学硕士学位论文 图4 3 保护i 、i i 段动作的g h p n 定义 继电器i 段动作的条件由输入弧函数f ，( s t a r t p o s t ，z o n e l ) 来定义： ，( s t a r t p o s t ，z o n e l ) = ( z 。z ，) ( d i r e c t ( ) ) 式( 4 3 ) 继电器i i 段动作的条件由输入弧函数，( s t a r t p o s t ，z o n e 2 ) 来定义： 孽，( s t a r t p o s t ，z o n e 2 ) = ( z 。 z ，) ( z 。s z ) ( d i r e c t ( ) ) ( f ) 式( 4 - 4 ) 式中：z 。，为各相或相间测量阻抗，z ，和z ，为i 、i i 段阻抗定值，t 。为故障发生时 刻，乃为继电器i i 段时间定值，d i r e c t ( ) 为判阻抗方向函数。 距离继电器i 、i i 段的输出弧函数z o ( z o n e l ，o p e r p o s t ) 和g o ( z o n e 2 ，o p e r p o s t ) 以及 动作变迁函数，( z o n e l ) 和z ，( z o n e 2 ) 皆定义为永真式。 i 段和1 i 段的动作条件必须满足各输入函数为真，同时，起动后模式中的托肯 为1 。如果i 段动作，起动后模式中的托肯为0 ，则i i 段保护被禁止。 b ) 转振荡闭锁模式的g h p n 模型 起动元件起动后，距离保护感受反方向或经过1 5 0 m s 距离保护的i 、i i 段都不 动作，或测量在i i i 段外，保护转入振荡闭锁模式运行。则转振荡闭锁模式的g h p n 模型如下图， ，( o s c i l l o c u r ) s t a r t p o s to s c i l l o c u ro s c 删 图4 4 转振荡闭锁模式的g h p n 定义 转振荡闭锁模式的变迁函数l ，( s t a r t p o s t ，o s c i l l o c u r ) 定义为： 孽，( s t a r t p o s o s c i l l o c u r ) = ( ( ( z 卅 z ，) 砌1 1 ) v ( ( 乙 z ) k g l l l ) ) ( 1 d i r e c t 0 ) 式( 4 - 5 ) 式中：k g l l l 为距离i 、i i 段不经振荡闭锁标志。若为l ，不经振荡闭锁，否则， 经振荡闭锁。 c 振荡模式 在振荡模式中，悬挂着两类可能会发生的事件：一是振荡停息，二是在振荡期 间又发生故障，保护继电器软模型在振荡模式下设置了i 、i i 和i i i 段距离保护。 a ) 振荡停息的g h p n 模型 华北电力火学硕士学位论文 o s c i l ln o r m 图4 5 振荡停息的g h p n 定义 判振荡停息的判据，( o s c i l l ，s s t a b r e t ) 是六种相别的i i i 段阻抗元件、判静稳破坏 a 相电流元件和辅助零序电流起动元件连续4 5 s 返回。f ，( o s c i l l ，s s t a b r e t ) 定义为： z ，( o s c i l l ，s s t a b r e t ) = ( z 。 z ，) 【，_ o 。4 ) ( 4 一l j ) 式中：a r d f l a g 为重合闸继电器的动作标志。a r d f l a g = l 表示重合闸己动作， a r d f l a g = 0 表示重合闸没有动作。 42 1 3 距离保护继电器的g h p n 模型 上一节详细分析了三段式距离保护继电器各元件g h p n 模型的模式定义、动态描 述以及模式之间的变迁关系，将这些不同功能元件组成在一起，构成一个完整的三 段相间、三段接地距离保护继电器的g h p n 模型，如图4 7 所示。 4 l 华北电力大学硕士学位论文 o o e r r 乱 ：羹惑 图4 7 三段相间、三段接地距离保护继电器g h p n 模型 其中，v = 吒，砭) 为保护安装处三相瞬时电压输入信号，= ，。，。，。 为保护 安装处- - + h 瞬时电流输入信号，o u t 为保护逻辑跳闸信号。左下角为保护模型图标。 42 14 距离保护系统暂态模型 应用此距离保护继电器，再将上一章介绍的保护子库中的互感器、前置滤波器、 保护继电器( g h p n ) d r e l a y 、重合继电器a r d 和断路器c b 的模型组合在一起，构 成了一个完整的距离保护系统暂态模型，如图4 - 8 所示。 4 2 仝 华北电力大学硕十学逝论文 d i r e l a y 图4 - 8 距离保护系统的暂态模型 4 3 距离保护继电器g h p n 模型内部动态分析 图4 - 9 为一双电源供电的输电线路。在两侧母线处都安装了考虑距离保护系统 模型的断路器。当发生故障时，对微机保护系统的内部动态行为进行了仿真。 主要参数如下： ( 1 ) 发电机参数 图4 - 9 双电源的简单电力系统 表4 一l 发电机的主要参数 发电额定功率额定惯性额定定子电定子x dx 。 x d 机名有功因数电压时间频率阻漏抗 ( m _ i ；| f )( k v )常数( h z ) c - i 1 0 0 0o 92 23 s5 00 0 0 2 5o 2 01 8o 2 5o 2 1 6 4 3 华北电力大学硕士学位论文 i 发电 tdt 。 x 。 x q x 。t 。 t 。 机名 g l8 0 so 0 3 s 1 7o 5 5o 2 50 4 s0 0 5 ( 2 ) 变压器参数 表4 - 2 变压器参数 变压额定绕组l绕组2变压器接短路空载损短路损零序阻 器名容量额定电额定电法电抗耗耗抗f ( m v a )压压( )序阻抗 t 11 2 0 02 2 02 2y 0 a 1 11 5 45 7 51 8 0 01 t 21 2 0 02 2 02 2y 0 a l l1 5 45 7 51 8 0 01 ( 3 ) 线路参数 表4 3 双回线路参数 线路额定电压正序电阻正序电抗正序电容零序电抗 ( k v ) ( q k m )( q k m )( n f k m )( q k m ) l 一1 0l o 50o 0 1 6 70o 8 6 2 - 2 0l o 50o 0 1 6 7o0 8 6 3 42 2 00 00 0 0 5o oo 0 1 7 3 一l o l2 2 00 o l l0 1 l o0 1 9 2 5o 3 5 3 一l o l2 2 0o 0 i l0 1 1 00 1 9 2 5o 3 5 1 0 2 01 0 50 0 0 2 5o 0 2 50 0 4 3 7o 0 8 1 l 一1 1 0l o 5o oo 0 1 6 70 o0 0 5 5 1 2 一1 2 01 0 5o oo 0 1 6 7o o0 0 5 5 1 3 1 42 2 00 o0 0 0 50 0 00 0 1 7 l3 10 l2 2 0o 0 l lo 1 l0 1 9 2 50 3 5 1 3 1 0 l2 2 00 o l lo 1 1o 1 9 2 2 50 3 5 1 1 0 1 2 0l o 50 0 0 2 50 0 2 5 0 ，0 4 3 7o 0 8 ( 5 ) 负荷参数 表4 5 负荷参数 4 4 华北电力大学硕士学位论文 负荷名称额定电压( k v )额定有功额定无功 j l l2 2 01 0 o1 oj l 22 2 015 o1 o l 32 2 01 0 01 of 4 3 1 母线出口三相短路永久性故障仿真 设在运行t 0 秒时，线路母线3 处发生三相永久性短路故障，保护g h p n 模型内 部动作的部分曲线如下图： o i s p r o l jo i s t a n c e r e l a y i n p u t s g n a l ls ( g n a t l l 一一d i s p r o l jo i s t a n c e r eq a y t n p u t s i g n a f ts i g n a t ( 2 11 o i s p l 0 1 - 1o l s t a n l 图4 一1 0 永久性故障后距离保护l 三相电流曲线图 o i s p r o l 一1o i s t e n c e r e l a y i n p u l s i g n a l ls i g n a l | l d i s p r o l 一1o l s t a n c e r e l a ys a m p o a t a p n i b h3 6 j 图4 1 l 永久性故障后距离保护l a 相电流及采样近观曲线图 4 5 华北电力大学硕士学位论文 02 0 1 00 0 1 d i s p r 0 1 1d i s t a n c e r e l a yi a ，n p n g 1 3 o i s pr q l - 1d i s t a n c e r e l a y i a m l m l g 1 2 l 图4 1 2 永久性故障后距离保护l a 相电流幅值和相角变化曲线图 d i s p r o l 一1d i s t a n c e r e l a y i s s t a r t u p d l l 图4 - 1 3 永久性故障后距离保护l 起动元件曲线图 d i s p r o l 一1d i s t a n c e r e l a yn o r m s t a t e 图4 一1 4 永久性故障后距离保护l 继电器n o r m 状态曲线图 d i s p r o l 一1o i s t a n c e r e l a y s t a r t u p c o n d i t i o n 图4 一1 5 永久性故障后距离保护l 继电器起动变迁条件曲线图 华北电力_ 人学硕士学位论文 d i e p r 0 1 1c ) i s t a n c e r e l a y z o n e lc o n d i u o n 图4 - 1 6 永久性故障后距离保护l 继电器保护i 段变迁条件曲线图 一o i s p r o l 一1d i s t a n c e r e l a y z o n e 2c o n d i t i o n 图4 1 7 永久性故障后距离保护l 继电器保护i i 段变迁条件曲线图 d i s p r o i 一1o i s t a n c e r e l a y r e l a y o u t p u ts i g n a l 1 图4 一1 8 永久性故障后距离保护l 继电器保护输出信号曲线图 图4 1 9 距离保护1 永久性故障后断路器动作曲线图 d i s p r o l 一2d i s t a n c e r e l a y z o n e lc o n d i t i o n 图4 2 0 距离保护2 永久性故障后继电器保护i 段变迁条件曲线图 4 7 华北电力大学硕士学位论文 d l s p r 0 1 2d i s t a nc e r e l a y z o n e 2c o n d i b o n o bog1o1112 131 415 图4 - 2 l 距离保护2 永久性故障后继电器保护i i 段变迁条件曲线图 d i s p r o l 一2d i s t a n c e r e l a y r e t a 旧u t p u ts i g n a l 1 】 图4 2 2 距离保护2 永久性故障后继电器保护输出信号曲线图 d i s p r o l 一2 o i r b r e a kc 日l n p u t s l g n a i 【1j 图4 2 3 距离保护2 永久性故障后断路器动作曲线图 从以上仿真曲线分析可知：在故障发生，因为故障发生点在保护1 的i i 段范围 内，保护2 的i 段范围内，所以保护2 的i 段首先动作。从动作曲线可看出，保护 保护2 的i 段动作在故障发生大约2 0 m s 后，这是保护内部采样及运算的时间延迟， 保护2 的i 段动作后，又经过大约5 0 m s ，断路器动作，切除线路电流，这是因为从 保护输出到断路器跳闸，还要经过断路器的动作时间，此时故障线路断开。保护l 的i i 段延时0 5 s 动作，在经过5 0 m s 的断路器延时，保护l 也跳开。 43 2 母线出口三相短路瞬时性故障重合闸成功 设在运行1 0 秒时，线路母线3 处发生三相瞬时性短路故障，故障持续0 6 s 。 保护g h p n 模型内部动作的部分曲线如下图： 华北电力大学硕士学位论文 02 00 图4 2 4 距离保护l 瞬时性故障后三相重合闸电流曲线图 d i s p r 0 1 1d l s t a n c e r e a y i n p u t s i g n a f ls i g n a l ( 1 删 砌 0 0 0 1 00 图4 2 5 距离保护l 瞬时性故障a 相电流近观及采样曲线图 d i s pr o l - 10 l s 怕n c e r e i a y i 加p n g 【1 ，1 10 0 d i s p r 0 1 1d i s t a n c b r e l a y 1 a m p a n g 1 2 j l 一 l l 一一! 艘一一；。! 签一! 塑1 烈。+ 3 i ! ! ， 图4 2 6 距离保护l 瞬时性故障a 相电流幅值和相角变化曲线图 4 9 华北电力大学硕士学位论文 图4 2 7 距离保护l 瞬时性故障起动元件曲线图 d i s p r e l 一1d i s t a n e e r e l a y n o r ms t a t e 图4 2 8 距离保护1 瞬时性故障继电器n o c m 状态曲线图 d i s p r s l - 1d i s t a n c e r e l a ys t ar t u pc o n d i t i o n 图4 2 9 距离保护l 瞬时性故障继电器起动变迁条件曲线图 d i s p r o t 一1d i s t a n c e r e i a y z o n e lc o n d i t i o n 1012141s18 图4 - 3 0 距离保护1 瞬时性故障继电器保护i 段变迁条件曲线图 o i s p r o l _ 1d i s t a n c e r e l a y z o n e 2c o n d i t i o n 图4 3 l 距离保护1 瞬时性故障继电器保护i i 段变迁条件曲线图 5 0 华北电力人学硕士学位论文 d i s p r o l 一1o i s t a n c e r e l a y r e l a y o u t p u ts i g n a l f l 图4 3 2 距离保护1 瞬时性故障继电器保护输出信