（电力系统及其自动化专业论文）继电保护数字仿真建模方法与系统开发.pdf

山东大学博士学位论文 算出一次电压。仿真结果证明了c v t 建模方法和暂态误差修正方法的正确性和 有效性。 ( 3 ) 现有振荡模型的建立都是通过改变“o - t 时间段的平均频率 来实现， 不能直接反映系统的实际运行状态。为解决该问题，本文提出了一种基于瞬时 频率的振荡建模新方法，通过对瞬时频率的变化在约束条件下进行拟合，能准 确地仿真出实际系统的振荡过程，不受“o - t 时间段平均频率”的束缚。利用该 方法，建立了一种全过程振荡模型，通过m a t l a b 中的电力系统仿真软件包p s b 对其振荡以及振荡中发生故障的情况进行了仿真。仿真结果表明，该模型可以 准确反映预先设置的频率变化规律，满足继电保护研究的要求。 ( 4 ) 针对目前继电保护数字仿真在模型种类、灵活性以及应用方面的不足， 本文提出并构建了一个通用继电保护数字仿真平台。该平台具有三方面的特点： 其一，建立了继电保护仿真元件库。元件库由滤波库、算法库、启动元件库、 选相元件库等子库组成，包含了继电保护研究中最为常用的算法和元件模型， 可以方便地搭建不同种类的继电保护模型。其二，设计了友好的人机交互界面。 充分借助图形、波形、数据和向量图等形式，从可视化的角度展现系统结构、 参数设置、运行状态、故障特征、继电保护工作原理及动作行为。其三，能够 真实地反映电力系统正常及不同故障情况下的物理现象；反映互感器对电压、 电流信号的传变过程；动态显示不同原理继电器对故障的完整响应过程，以“透 明”的方式展现继电保护的工作原理和技术特点。 ( 5 ) 在深入分析距离保护基本原理的基础上，利用通用仿真平台设计开发 出微机型距离保护动态仿真系统。该系统能够对电力系统的各种工况，包括正 常、不正常以及各类故障进行仿真，动态显示故障发生后的电磁暂态过程；能 够较为完整地反映距离保护的启动、选相、阻抗计算、阻抗比较等环节的动作 响应过程和相互配合情况。整套仿真系统在同一编程环境下开发，无需任何数 据格式转换；一次系统仿真与距离保护仿真同步进行，逐点计算，逐点显示仿 真结果。系统可以实现闭环仿真，保护的动作结果可直接反馈至一次系统模型。 仿真系统设置灵活，能够对距离保护的各类影响因素进行仿真和分析。 关键词：继电保护；数字仿真；电流互感器；电压互感器；振荡；建模；仿真 平台；距离保护 n 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ec o r r e c to p e r a t i o no fp r o t e c t i o nr e l a y si sc r u c i a lt ot h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t y o fp o w e rs y s t e m s t r a d i t i o n a lr e l a yt e s t i n gm e t h o d sc o s th i g ha n dh a v el o w f l e x i b i l i t y m o r e o v e r , t h ed e t a i l e dr e s p o n s ep r o c e s so fi n t e r n a lc o m p o n e n t st oaf a u l t c a nn o tb eo b s e r v e d r e c e n ty e a r st h es o f t w a r eb a s e dd i g i t a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g y f o rr e l a yp r o t e c t i o n h a sb e e nr e c o g n i z e da sa nu s e f u lt 0 0 1 t h i sn e wt e c h n o l o g y c o u l dp r o v i d ew i t hu ss om a n yh e l p s ，s u c ha sp h y s i c a lp h e n o m e n ao fp o w e rs y s t e m u n d e rn o r m a la n df a u l tc o n d i t i o n s ，t r a n s f o r m i n gp r o c e s so fc ta n da t , d y n a m i c b e h a v i o r so fd i f f e r e n tk i n do fr e l a y sa sw e l la sa n a l y s i st of a c t o r si m p a c t i n gr e l a y s o p e r a t i o n s ot h i st o o lp l a ya nv e r yi m p o r t a n tr o l e i nr e s e a r c h ，d e v e l o p m e n t ， t e a c h i n ga n dt r a i n i n go fp r o t e c t i v er e l a y i n g t h i sp a p e rf o c u s e so ns o l v i n gs o m ek e yp r o b l e m sr e l a t e dt os y s t e mm o d e l i n g ， r e l a ym o d e l i n ga n dd e v e l o p m e n to fs i m u l a t i o ns y s t e m t h em a i nc o n t e n t sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) an e wm o d e l i n gm e t h o do fc u r r e n tt r a n s f o r m e rb a s e do n “e x t r e m e p a i r s ”i sp r e s e n t e d t w oa s s u m p t i o n sa n dt h r e et y p e so fm a g n e t i z i n gt r a je c t o r i e sf o r m a g n e t i cc o r em o d e l i n gb a s e do np r e i s a c ht h e o r ya r es u m m a r i z e d t w o f a c t o r s d e t e r m i n i n gt h en a t u r eo fm a g n e t i z a t i o nt r a je c t o r y , e x t r e m ep o i n t se x p e r i e n c e da n d c h a n g i n g t r e n d so fm a g n e t i cf i e l d i n t e n s i t y , a r ep r o p o s e d f o rt h ef o r m e r , m e m o r i z i n ga n df o r g e t t i n gp r o p e r t yo f “e x t r e m ep a i r s ”i sp r e s e n t e d m a g n e t i cc o r e w i l lm e m o r i z et h em a x i m u ma n dm i n i m u mp o i n t se x p e r i e n c e db ym a g n e t i cf i e l d i n t e n s i t y ( i n c l u d i n gt w ok i n d so fs p e c i a l “e x t r e m ep o i n t s ”) ，a n dw i t ht h et i m e s e q u e n c ef r o mn e a rt of a r , t h e s ep o i n t sc o m b i n ea s “e x t r e m ep a i r s ”w h e nm a g n e t i c f i e l di n t e n s i t yi sg r e a t e rt h a no re q u a lt o ( 1 e s st h a no re q u a lt o ) am a x i m u mp o i n t ( m i n i m u mp o i n t ) m e m o r i z e d m a g n e t i cc o r ew i l lf o r g e tt h e “e x t r e m ep a i r s ” c o r r e s p o n d i n gt ot h em a x i m u mp o i n t ( m i n i m u mp o i n t ) i fo n l yo n ee x t r e m ep o i n t i sm e m o r i z e d ，f o r g e t t i n gp h e n o m e n o nw i l ln o to c c u r t h en e a r e s te x t r e m ep o i n t si n t i m es e q u e n c ei st h es t a r t i n gp o i n to ft h eg e n e r a lm a g n e t i z a t i o nc u r v et h a tm a g n e t i c c o r ei sr u n n i n go n i fn o n eo fe x t r e m ep o i n t si sm e m o r i z e d ，m a g n e t i cc o r ew i l lr u n i i i 山东大学博士学位论文 o nt h eb a s i cm a g n e t i z a t i o nc u r v e w i t ht h i sp r o p e r t y , am o d e l i n gm e t h o do fm a g n e t i c c o r ei s p r o p o s e da n dac u r r e n tt r a n s f o r m e r m o d e li sb u i l tu s i n gt h i sm e t h o d s i m u l a t i o nr e s u l t st e s t i f i e dt h ea c c u r a c ya n de f f e c t i v e n e s so ft h em o d e la n dt h e m o d e l i n gm e t h o d ( 2 ) an e wm o d e l i n gm e t h o do fc a p a c i t o rv o l t a g et r a n s f o r m e r ( c v t ) b a s e do ni n t e g r a le q u i v a l e n tt r a n s f o r m a t i o na n ds u p e r p o s i t i o nt h e o r e mi sp r e s e n t e d u s i n gt r a p e z o i d a li n t e g r a le q u i v a l e n tt r a n s f o r m a t i o n ，t h eh i g h o r d e re q u i v a l e n t c i r c u i to fc v tc a nb et r a n s f o r m e di n t oas i m p l ed cc i r c u i tj u s tc o n t a i n i n gd c c u r r e n ts o u r c e s ，d cv o l t a g es o u r c ea n dr e s i s t o r s t h e nt h en o d e v o l t a g ee q u a t i o n so f t h ec i r c u i ta r ee s t a b l i s h e d s i m u l a t i n gt h et r a n s i e n tc h a r a c t e r so fc v t j u s tn e e d st o s o l v et h e s es i m p l el i n e a re q u a t i o n s t h ed e c o m p o s i t i o no fn o r m a lc o m p o n e n ta n d f a u l tc o m p o n e n tb a s e do ns u p e r p o s i t i o nt h e o r e mi su s e dt os o l v et h ei n i t i a lv a l u e p r o b l e m o ft h em o d e l i n ga l g o r i t h m a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n t e dm o d e l i n gm e t h o d ，a n o v e lc o r r e c t i n gm e t h o df o rt r a n s i e n te r r o r so fc v ti sp r o p o s e d u s i n gt h i sm e t h o d ， c v t sp r i m a r ys i d ev o l t a g ec a nb ec a l c u l a t e da c c u r a t e l yw i t ht h es e c o n d a r yv o l t a g e k n o w n s i m u l a t i o nr e s u l t st e s t i f i e dt h ea c c u r a c ya n de f f e c t i v e n e s so ft h em o d e l i n g m e t h o da n dt h ec o r r e c t i n gm e t h o d ( 3 ) an e wo s c i l l a t i o nm o d e l i n gm e t h o db a s e do ni n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c yi s p r o p o s e d t h ee x i s t i n go s c i l l a t i o nm o d e l i n gm e t h o d sa r ea l lb a s e do nc h a n g i n gt h e a v e r a g ef r e q u e n c yo f0 一ti n t e r v a l ，w h i c hc a nn o td i r e c t l yr e f l e c ta c t u a ls t a t eo f p o w e rs y s t e m s t os o l v et h ep r o b l e m ，t h i sp a p e rp r o p o s e san e wm o d e l i n gm e t h o d b a s e do ni n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c y b yf i t t i n gt h ec h a n g e so fi n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c y u n d e rs o m ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n s ，t h em e t h o dc a na c c u r a t e l ys i m u l a t et h eo s c i l l a t i o n p r o c e s so fr e a ls y s t e mw i t h o u ti n t r o d u c i n gt h e “a v e r a g ef r e q u e n c yo f0 一ti n t e r v a l ” w i t ht h em e t h o d ，ao s c i l l a t i o nm o d e lr e f l e c t i n gw h o l ep r o c e s si sb u i l t ，a n dt w o t y p i c a lc a s e so fo s c i l l a t i o n ( w i t h o u t w i t hf a u l t ) a r es i m u l a t e du s i n gt h ep o w e r s y s t e mb l o c k ( p s b ) i nm a t l a b t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sm o d e lc a n m a t c hw e l lt h ep r e - s e tc u r v eo ff r e q u e n c yd u r i n go s c i l l a t i o n s ，a n di sm o r es u i t a b l e f o rt h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fr e l a yp r o t e c t i o n i v ( 4 ) a i m i n gt ot h es h o r t c o m i n g so ft h er e l a ym o d e l sa v a i l a b l e am u l t i - p u r p o s e 山东大学博士学位论文 r e l a ys i m u l a t i o np l a t f o r mi sd e v e l o p e d t h ep l a t f o r mh a st h r e ec h a r a c t e r i s t i c s f i r s t l y , as i m u l a t i o nc o m p o n e n tl i b r a r yf o rr e l a yp r o t e c t i o ni sd e v e l o p e d t h el i b r a r yi s c o m p r i s e do ft h ef i l t e rs u b l i b r a r y , t h ea l g o r i t h ms u b - l i b r a r y ，t h es t a r t u ps u b l i b r a r y ， t h ep h a s es e l e c t i o ns u b l i b r a r y , e t c e a c hs u b l i b r a r yi n c l u d e st h ew i d e l yu s e d a l g o r i t h m sa n dc o m p o n e n tm o d e l s u s i n gt h ec o m p o n e n t si n t h el i b r a r y , r e l a y m o d e l sw i t hd i f f e r e n to p e r a t i n gp r i n c i p l e sc a nb eb u i l tv e r ye a s i l y s e c o n d l y , a f r i e n d l y g u ii s d e s i g n e d f o rt h es i m u l a t i o np l a t f o r m r e s o r t i n gt os e v e r a l d e m o n s t r a t i n gm e t h o d ss u c h a s g r a p h i c s ，w a v e f o r m s ，d a t af o r m s a n dv e c t o r d i a g r a m se t c ，p o w e rs y s t e m c o n f i g u r a t i o n ，p a r a m e t e rs e t t i n g ，o p e r a t i o ns t a t u s ， c h a r a c t e r i s t i c so ff a u l t ，p r i n c i p l e so fr e l a yp r o t e c t i o nc a nb ed i s p l a y e dv i v i d l y t h i r d l y , t h i sp l a t f o r mc o u l dr e f l e c tt h ep h y s i c a lp h e n o m e n ao fp o w e rs y s t e mi nt h e n o r m a la n dd i f f e r e n tf a u l tc o n d i t i o n s ，t h et r a n s f o r m i n gf e a t u r e so fc ta n dve e s p e c i a l l yt h ew h o l er e s p o n d i n gp r o c e s so fr e l a yt of a u l t s ( 5 ) u s i n gt h er e l a ys i m u l a t i o np l a t f o r mp r o p o s e d ，ad y n a m i cs i m u l a t i o n s y s t e mf o rm i c r o p r o c e s s o r - b a s e dd i s t a n c ep r o t e c t i o ni sd e s i g n e d t h es y s t e mc o u l d s i m u l a t et h ed i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s o fp o w e rs y s t e ma n dd i s p l a yt h e e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n tp r o c e s s a f t e rf a u l t ，c o u l dr e f l e c tt h e a c t i n g a n d c o o r d i n a t i n gp r o c e s so fd i f f e r e n tm o d u l e si nt h ed i s t a n c ep r o t e c t i o n ，i n c l u d i n g s t a r t u p ，f o u r i e ra l g o r i t h m ，p h a s es e l e c t i o n ，i m p e d a n c ec o m p u t i n ga n di m p e d a n c e c o m p a r i s o ne t c t h es i m u l a t i o ns y s t e mw a sd e v e l o p e du n d e rt h es a m ep r o g r a m m i n g e n v i r o n m e n t ，s ot h ed a t a f o r m a tc o n v e r s i o ni sn o tn e e d e d p o w e rs y s t e ma n d d i s t a n c er e l a yi ss i m u l a t e ds y n c h r o n o u s l y , t h u st h ec l o s e d - l o o ps i m u l a t i o nc o u l db e r e a l i z e dm o r ee a s i l y t h ep a r a m e t e rs e t t i n gi nt h i ss y s t e mi sv e r yf l e x i b l e ，s ot h e v a r i o u sf a c t o r sa f f e c t i n gt h ed i s t a n c er e l a y so p e r a t i o nc a nb es i m u l a t e da n d r e s e a r c h e d k e yw o r d s ：p r o t e c t i v er e l a y i n g ；d i g i t a ls i m u l a t i o n ；c u r r e n tt r a n s f o r m e r ；v o l t a g e t r a n s f o r m e r ；o s c i l l a t i o n ；m o d e l i n g ；s i m u l a t i o np l a t f o r m ；d i s t a n c e p r o t e c t i o n v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名_ 盗蜩 e t l 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者虢杠导师虢趣k 日期：逆p 塑 山东大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 随着电力系统的发展，电网规模逐渐扩大，网络接线越来越复杂，加上串 补电容器、并联电抗器等设备的使用，使得电力系统发生故障的概率不断增加， 故障类型也有复杂化的趋势。同时现代电网联系紧密，旦发生局部事故处理 不当，很可能波及整个电网，给国民经济造成巨大的损失。因此，对作为电网 “第一道防线”的继电保护装置提出了更高的要求，一旦发生故障，应该能够 快速而且有选择地切除故障，使其对整个电力系统的影响降低到最小。 为了保证保护的可靠性，对继电保护在发生故障时的动作行为进行分析和 测试是非常必要的。目前常规的保护测试方法大致分为三种：基于动模系统的 测试方法；基于r t d s 的测试方法；基于测试仪的方法。这三种方法的区别在 于提供给保护装置的“故障信息 来源不同，对一次系统和故障的模拟方法和 特性也不同。前两种方法具有较好的效果，但投资大、占用面积大，不易实现； 后一种方法投资小、实现方便，但属于静态测试，不能反映暂态响应情况。更 重要的是，在这三种测试方法中，对于微机保护装置的掌握和评价只是取决于 它最后给出的结果，对其内部各环节的响应过程无从知道。换句话说，微机保 护装置就像一个黑匣子，我们只知道它的输入和输出，在某些故障情况下保护 发生不正确动作，也无法分析其原因。 随着计算机的发展，将数字仿真技术应用于继电保护领域成为必然的趋势。 通常对于继电保护数字仿真的定义如图卜1 所示。 l 保护用一次系统数字仿真c 或录波数据， 保护动作信号tj 一次电气信号 继电保护数字仿真 图1 1 继电保护数字仿真的概念 l 狭义继电保 l 护数字仿真 f i g 1 1t h ec o n c e p to fr e l a yp r o t e c t i o nd i g i t a ls i m u l a t i o n 广义的继电保护数字仿真包括保护用一次系统数字仿真和继电保护数字仿 ，il_l，、l-i 义电护字真广继保数仿 山东大学博士学位论文 真两个部分。一次系统数字仿真( 有时直接采用录波数据) 为继电保护数字仿 真提供必要的一次电气量数据，继电保护数字仿真又将其输出反馈到一次系统 数字仿真。狭义的继电保护数字仿真则仅包括继电保护数字建模一个部分。本 文的研究对象为广义的继电保护数字仿真。 利用继电保护数字仿真技术，仅需要一台普通的微机就能够再现电力系统 的各种故障过程，仔细地研究不同动作原理、不同动作特性的保护在电力系统 正常运行状态、不正常运行状态以及各种故障情况下的动作行为，观察保护的 动态变化过程，并且能够对影响保护的各种因素进行分析，对保护的原理进行 评价和改进。因此，继电保护数字仿真技术在继电保护的研究、开发、教学以 及工程师的培训中都有着广阔的应用前景。 1 2 继电保护数字仿真的研究现状 继电保护数字仿真包括保护用一次系统仿真与继电保护仿真两个方面。对 一次系统电磁暂态过程的数字仿真为继电保护仿真提供了必要的数据来源，下 面首先介绍几种常用电磁暂态仿真程序的发展过程。 1 2 1 电磁暂态计算程序的发展 上世纪7 0 年代，电磁暂态仿真程序e m t p ( e 1 e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t p r o g r a m ) 在d o m m e lhw 教授提出的算法基础上开发完成，它能够对电力系统 中从数微秒至数秒之间的电磁暂态过程进行模拟，仿真精度很高阳叫0 1 。a t p ( a 1 t e r n a t i v et r a n s i e n tp r o g r a m ) 是e m t p 最为常用的版本之一，它具备友 好的图形输入界面a t p d r a w ，省去了繁琐的填卡操作，并且具备一定程度的扩展 建模功能。12 j 。电力系统电磁暂态及电力电子数字仿真软件包e m t p e ( e 1 e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t p o w e re 1 e c t r o n i c s ) 由我国电力科学研究院 系统所在e m t p 的基础上开发改进而成，它新增了工作平台、闪络率计算支持程 序和图形输出程序n3 。 直流电磁暂态计算程序p s c a d e m t d c ( e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n ti nd c s y s t e m ) 是目前世界上广泛应用的又一电力系统离线仿真软件。该软件可用于 交直流混合系统、电力电子以及非线性控制系统的仿真。特别是图形界面p s c a d 的开发成功，使得用户可以在一个完全集成的图形环境下构造电路、运行结果、 分析数据，从而大大提高了研究工作的质量和效率n 卜1 5 3 。 2 山东大学博士学位论文 而m a t l a b 则是功能强大的科学和工程计算软件，它不但具有以矩阵计算为 基础的强大数学计算和分析功能，还具有丰富的可视化图形表现功能和方便的 程序设计能力。s i m u l i n k 是m a t l a b 提供的实现动态系统建模和仿真的集成环 境，利用其图形化的用户界面，可以方便地完成模型的创建、调试和仿真工作。 除了通用的信号显示和分析库之外，s i m u l i n k 为电力系统分析建立了专用库集 s i m p o w e r s y s t e m s ，该库中包含了常用的电源、线路、开关以及r l c 元件，用户 可以方便地搭建所需的电力系统的模型。特别的，m a t l a b 提供了灵活的编程环 境，可以利用其方便地实现各类保护算法，这是m a t l a b 较以上两种软件的最大 优势n 7 侧。本论文进行的保护仿真与软件设计主要通过m a t l a b 来实现。 1 2 2 继电保护数字仿真技术的研究现状 继电保护数字仿真最早出现在上世纪8 0 年代。因为当时电磁暂态仿真程序 尚未普及，保护模型很难得到准确且丰富的一次故障数据，这方面的研究停滞 不前。 1 9 9 0 年后，在国外随着以e m p t 、e m t d c 、m a t l a b 电力系统仿真包等电磁暂 态仿真程序的完善和应用，继电保护数字仿真得到很大的发展。根据仿真实现 方法的不同，可以将继电保护的数字仿真分为两类。 第一类，一次系统仿真与继电保护建模在同一软件环境中完成。一次系统 仿真利用电磁暂态仿真程序( 如e m t p 、e m t d c 等) 完成，而继电保护仿真则利 用电磁暂态仿真程序提供的开发拓展环境进行建模。文献 2 0 2 1 利用e m t p 中 的m o d e l s 功能建立了距离保护仿真模型；文献 2 2 利用e m t p 中的t a c s 功能设 计了数字保护模型；文献 2 3 则直接利用f o r t r a n 语言为e m t p 设计了线路保护 与变压器差动保护模型；文献 2 4 则在p s c a d e m t d c 软件环境下设计了正序方 向元件模型。这类模型，一次系统与继电保护的建模在同一环境下，因此，较 容易实现闭环仿真。 第二类，一次系统的建模与继电保护仿真在不同软件环境中完成，一次系 统模型与继电保护模型之间的交互通过软件接口来实现。文献 2 5 利用m a t l a b 建立继电保护模型，而一次系统的建模则在a t p 中完成，两种模型的交互通过 一种叫“i n t e r a c t i o nb u f f e r 的模块来实现；文献 2 6 同样利用m a t l a b 的编 程环境设计了继电保护模型；文献 2 7 则提出了电磁暂态程序e m t p 同m a t l a b 山东大学博士学位论文 曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 舅皇i m i , , 皇曼鼍曼曼曼皇曼曼曼鼍曼曼鼍鼍 之间的接口方案。 我国在这方面的研究起步较晚，2 0 0 0 年后陆续取得一些探索性的成果。文 献 2 8 建立了距离保护仿真模型，它以录波数据做为输入，用v c + + 构造了距离 保护的模型，用户可以任意定义保护模型的动作方程和动作特性，最后以图形 的形式清晰地呈现继电保护的动作过程和动作结果；文献 2 9 对实际的r c s 一9 0 1 型微机保护装置进行了建模；文献 3 0 3 1 利用m a t l a b 建立了变压器差动保护 仿真模型；文献 3 2 则通过m a t l a b 与v b 数据交换的方式实现继电保护的数字 仿真。 但是，现有的保护仿真模型存在以下问题： ( 1 ) 以往的继电保护数字仿真均采用e m t p 等软件的仿真结果或者录波数 据作为保护模型的输入。而e m t p 等软件在保护必须要考虑的一些情 况如电流互感器动态磁化特性、电压互感器暂态传变特性、系统振荡 等方面还存在着不足。录波数据能够反映的故障情况则非常有限。 ( 2 ) 该领域国外研究较早，文献也较多，但是其仿真的保护算法均较为简 单，与现在复杂的保护装置本身相比差别较大，无法真实反映保护各 元件的动作过程。特别是利用e m t p 等软件自身的开发环境，实现复 杂的保护算法非常困难。 ( 3 ) 文献较多，但应用较少。国内外大量文献对继电保护数字仿真的发展 进行了报道，但试探性的研究较多，实际应用的却很少，这主要因为 继电保护概念复杂、抽象，仿真工具很难被掌握和使用，特别是对于 继电保护的初学者。 因此，继电保护数字仿真还有很多工作要做。 1 2 3 电流互感器建模的研究现状 为了保证电力系统的安全稳定运行，需要对电力系统及其电力设备的相关 电气量进行测量，以便对其进行必要的监控和保护。通常的测量和保护装置不 能直接接到高电压、大电流的电力回路上，而需将这些高电平的电气量按比例 变换为低电平的参数和信号，以供给保护和其它的测量监控设备使用。进行这 种变换的变压器通常称为互感器或者仪用变压器盯1 。 在互感器中，将一次大电流转换为成等比例小电流的仪器称为电流互感器， 4 山东大学博士学位论文 将一次高电压转换为成等比例低电压的仪器称为电压互感器。互感器的准确测 量是继电保护设备正确动作的前提条件。正常运行时，一次系统处于正弦稳态， 互感器能够对电流和电压信号进行准确的传变；但当发生故障，电流和电压发 生变化时，互感器均会产生不同程度的传变误差，而该误差往往成为继电保护 装置不正确动作的主要原因之一。 利用数字仿真的方法，对电流互感器、电压互感器进行准确的建模，对互 感器误差的产生机制及其对继电保护的影响进行分析，进而采取适当的补偿措 施，具有重要的工程意义。本节主要讨论保护用电流互感器建模的研究现状。 目前电力系统广泛采用的p 型( 保护用) 电流互感器是一种电磁式电流互 感器。这类互感器通过闭合铁心磁场，建立一次侧和二次侧之间的电磁联系。 因此，电流互感器的建模通常都是由铁心磁化特性( 即曰一特性) 和互感器电 磁感应方程的耦合来实现。其关键就是对铁心磁化过程的建模。 如果电流互感器没有深度饱和，此时的铁心磁化过程存在磁滞效应，磁通 密度b 和磁场强度h 表现为多值非线性对应关系，也就是说：同一h 值，在不 同的磁化过程，其对应的b 值可能并不相同。按照是否考虑铁心的磁滞特性i 目前提出的电流互感器模型，可以分为两类。 第一类模型忽略电流互感器的磁滞效应，仅用单根磁化曲线来仿真铁心的 磁化轨迹h 8 。5 0 1 。对于这类模型的报道，各文献仅在对磁化曲线的拟合方法上有 所差异。 第二类模型考虑铁心的磁滞效应。j r l u c a s 等学者提出采用非线性电感和 非线性电阻并联的形式来模拟铁心的磁化过程，非线性电感模拟无磁滞效应时 的磁化特性，非线性电阻模拟铁心的涡流和磁滞损耗晦；a t p 中的t y p e 9 6 元件 假设铁心的极限磁滞回环与次级磁滞回环具有相似性，由极限磁滞回环生成次 级磁滞回环嗡引；文献 5 2 通过平移单根磁化曲线模拟铁心的磁滞效应；华北电 力大学的余保东博士则提出利用人工神经网络来拟合磁化轨迹的各个组成部分 畸3 l 。因为上述模型并未计及铁心在磁化过程中的宏观特性，因此，仿真精度往 往无法满足要求。 为了能够准确仿真铁心的动态磁化过程，国内外学者对铁磁材料的宏观建 模方法进行了大量的研究。其中较为突出的是基于磁畴运动假设提出的j a 理 论和基于偶极子翻转假设提出的p r e i s a c h 理论。根据j a 理论建立的铁心模型 5 山东大学博士学位论文 在特定参数已知的情况下，可以对铁心的动态磁化过程进行准确地模拟，但是， 其中某些参数无法通过测量获得，限制了该理论的应用范围瞄引。 基于p r e i s a c h 理论的铁心模型，因为偶极子分布函数的不确定性以及二重 积分的难度，使得该理论在电力系统数字仿真领域很难得到应用。文献 5 7 5 8 在p r e i s a c h 假设的基础上，进一步提出了分布函数变量可分离的假设，建立了 不同磁化轨迹之间的联系，为p r e i s a c h 理论在实际建模中的应用提供了前提。 文献 5 6 首次提出了基于p r e i s a c h 理论的电流互感器模型，并提出了利用单调 性逼近求解的寻解算法，取得了很好的仿真结果。但是，建模的一些关键理论 如假设条件的确定、磁化轨迹的分类、磁化轨迹的决定因素等，还需要进一步 进行讨论。本文在此基础上展开研究。 1 2 4 电压互感器建模的研究现状 电力系统广泛采用电磁式电压互感器( p t ) 和电容式电压互感器( c v t ) 传变一次电压信号。电磁式电压互感器暂态过程较短，对保护影响较小。而电 容式电压互感器，在正常运行时，一次系统处于j 下弦稳态，能够准确地进行传 变；但当发生故障，一次电压突变时，因为c v t 含有大量的电感和电容元件， 其储能释放过程决定了其二次电压无法与一次电压的变化相同步，暂态过程可 能延续数十毫秒，该过程引入的测量电压正、负误差，会导致继电保护装置误 动或者拒动。特别是，由此造成的保护误动，很可能会成为大规模电网连锁跳 闸的根源。因此，大量研究都集中在对c v t 的暂态传变特性的仿真、分析和补 磨乡 7 0 8 7 i z ； o 目前，电容式电压互感器建模主要利用e m t p 、e m t d c 等电磁暂态计算程序 中的既有模块搭建完成，较少涉及数值计算方法，其实，仿真算法本身也是分 析、消除c v t 暂态误差的有效途径。 国内外学者为消除c v t 暂态误差对于继电保护的影响进行了大量的研究工 作，其中有两个重要的研究方向，一是计及c v t 暂态过程的“等传变”保护算 法的研究；一是基于二次电压的c v t 暂态误差修正与补偿。这两种方案均是建 立在c v t