继保仿真

继电保护数字仿真

实验报告

1

继电保护数字仿真实验

一．线路距离保护数字仿真实验

1. 实验预习

电力系统线路距离保护的工作原理，接地距离保护与相间距离保护的区别，距离保护的整定。 2. 实验目的

仿真电力系统线路故障和距离保护动作。 3. 实验步骤

（1） 将dist_protection拷到电脑，进入PSCAD界面; （2） 打开dist_protection;

（3） 认识各个模块作用，找到接地距离保护和相间距离保护部分； （4） 运行。 4. 实验记录

（1） 断路器B1处保护的包括故障瞬间及断路器断开瞬间的三相测量电压、电流；

A相接地时电压

A相接地时电流

（2） 各个接地距离、相间距离保护测量阻抗的变化。

在dist_relay模块中找到显示接地距离、相间距离保护测量阻抗和整定阻抗的两个XY_Plot，利用Plot右侧的滑竿可以清楚看到测量阻抗与整定阻抗的关系。注意记录的Plot要显示整个运行期间测量阻抗与整定阻抗的关系。 A相接地时

2

X CoordinateY CoordinateX CoordinateY CoordinateRbRcRcircle400 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 -xXbXcXcircle+y150 100 50 RbcRcaRcircleXbcXcaXcircle+y+x0 -50 -100 -150 -x+x-y-400 -200 0 200 400 -150 -50 -y50 150

正常情况

5.实验分析

（1）dist_protection所设是何故障，由何种距离保护动作；

答：dist_protection所设是A相接地短路故障，由I段距离保护动作。

（2）示例中整定阻抗是否与教材所授一致，整定阻抗的阻抗角是否为线路阻抗角;

答：示例中未考虑可靠系数,示例中整定阻抗与教材所授不一致；整定阻抗的阻抗角与线路阻抗角不同。 6.进一步思考

（1）按教材所授重新设置I段整定阻抗，要求整定阻抗的阻抗角为线路阻抗角； （2）改变线路故障位置，使B1断开。 要求上交满足（1）（2）项的仿真示例。

实验结果：以下为改变整定阻抗使I段保护恰好不能动作 R=21， 圆心（1.6，20.9） 电压

3

400 300 200 100 Vsy (kV)0 -100 -200 -300 -400 Is电流 3.0 2.0 1.0 y (kA)0.0 -1.0 -2.0 -3.0 故障时测量阻抗与整定阻抗关系 X CoordinateY CoordinateX CoordinateY CoordinateRbRcRcircle400 200 0 -200 -400 -xXbXcXcircle+y40 20 RbRcRcircleXbXcXcircle+y+x0 -20 -40 -x+x-y-400 -200 0 200 400 -40 -20 -y0 20 40 60 正常时测量阻抗与整定阻抗关系 X CoordinateY CoordinateRbRcRcircle200 XbXcXcircle+y100 -x+x0 -100 -200 -200 -100 -y0 100 200 4

二． 变压器的励磁涌流数字仿真实验

1. 实验预习

产生励磁涌流的原因，单相变压器与三相变压器励磁涌流的区别联系。 2. 实验目的

通过仿真清楚励磁涌流的产生原因，找到影响其形状和大小的因素，进行傅立叶分析分析其构成。 3. 实验步骤

（1） 将Current_in_rush拷到电脑，进入PSCAD界面; （2） 打开Current_in_rush; （3） 认识各个模块作用，

a. 知道怎么通过下面模块设置合闸角，初始设为0，如图1所示； b.

图1. 合闸角设置

c. 改变下面模块的设置时间从而改变空载合闸时的剩磁（断路器跳开外部电

源后，磁通将随时间衰减），

图2. 变压器与外接电源断开时间设置

（4） 按初始条件运行，观察并记录变压器三相励磁电流，两相励磁电流差，三相磁通的变化；

（5） 使控制角为90度运行，观察并记录仿真结果； （6） 增大断路器断开时间（参见（3）b.），使断路器重新合上时的剩磁约为0，运

行，观察并记录仿真结果。

4. 实验记录

各种运行条件下的三相励磁电流，两相励磁电流差，三相磁通的变化。

（注意，将图粘贴在所交实验报告上，要求图形清晰可见，与实验分析结合能说明问题。为此，可取某变量的部分时间段曲线，而不是整个运行期间的。）

实验结果

（1） 初始合闸角为0，三相励磁电流

6.0 4.0 2.0 0.0 -2.0 yimcimbima-4.0 -6.0 -8.0 -10.0 两相励磁电流差 5

10.0 7.5 5.0 2.5 0.0 yimcrimbrimar-2.5 -5.0 -7.5 -10.0 三相磁通的变化 FluxaFluxcFluxb0.200 0.150 0.100 0.050 0.000 y-0.050 -0.100 -0.150 -0.200 初始合闸角为0度，即电压过零时刻时，励磁涌流最严重，变压器严重饱和。由上述实验结果，根据三相励磁电流的波形：（1）在t=0.205s合闸时，三相励磁涌流幅值各不相同，有两相涌流含量较小，但一相幅值很大。（2）励磁涌流的波形均为间断的，有一相的涌流位于时间轴下侧，但各相涌流仍均位于时间轴一侧。

根据三相磁通变化的波形，由于三相电压之间有120度相位差，使各相磁通之间也互差120度，这就相当于单相变压器在不同的时刻合闸，正是这导致了三相励磁涌流的不相同。 （2）设置初始合闸角为90度，三相励磁电流

0.060 0.040 0.020 0.000 imcimbimay-0.020 -0.040 -0.060 imcrimbrimar两相励磁电流差 0.100 0.080 0.060 0.040 0.020 y0.000 -0.020 -0.040 -0.060 三相磁通的变化 6

0.080 0.060 0.040 0.020 0.000 FluxaFluxcFluxby-0.020 -0.040 -0.060 设置初始合闸角为90度时，由于该时刻变压器铁心中磁通为0，理论上将不会产生励磁涌流。由上述实验结果，在t=0.205s合闸后，不再产生励磁涌流，此时两相励磁涌流的差幅值很小，不会影响变压器差动保护的动作。 （3）增大断路器断开时间至1S，三相励磁电流

-0.080 2.0 1.0 0.0 -1.0 -2.0 yimcimbima-3.0 -4.0 -5.0 -6.0 imcrimbrimar两相励磁电流差 6.0 4.0 2.0 0.0 y-2.0 -4.0 -6.0 FluxaFluxcFluxb三相磁通的变化 0.150 0.100 0.050 0.000 y-0.050 -0.100 -0.150 7

0.125 0.100 0.075 0.050 0.025 0.000 FluxaFluxcFluxby-0.025 -0.050 -0.075 -0.100 当断路器断开时间至1S，上述实验结果与之前在电压过0点合闸相比，涌流得以减小。可见，若继续增大断路器断开时间直至在三相磁通均降为0时再合闸，将不再产生励磁涌流。 1. 实验分析

（1）由图形简单分析单相励磁涌流的特点；

-0.125 6.0 4.0 2.0 0.0 -2.0 yimcimbima-4.0 -6.0 -8.0 以上图为例，单相励磁涌流的特点：三相涌流各不相同，说明涌流的大小与合闸角有关；由波形可见，涌流的波形完全位于时间轴一侧，并且出现间断，而且，图中幅值最大的一相涌流间断角要明显小于幅值较少的波形，说明涌流越大，间断角越小。

（2）由图形简单分析两相励磁涌流之差的特点；

10.0 7.5 5.0 2.5 0.0 y-10.0 imcrimbrimar-2.5 -5.0 -7.5 以上图为例，两相励磁涌流差的波形至少有一个波形幅值非常大，由于各相涌流存在相位差，即使单相涌幅值并不大，但两相励磁涌流差可能会很大，这可能会造成变压器差动保护的误动作。

2. 进一步思考

在PSCAD元件库中找到FFT元件，对单相励磁电流进行傅立叶分析，找到间断角与各次谐波含量的关系，绘制表格，类似于教材179页表6.1。

-10.0 8

三． 变压器纵差动保护

1. 实验预习

变压器纵差动保护的基本原理和接线方式，及其整定计算原则，习题6.5求解。 2. 实验目的

清楚（1）双绕组Yd11接线三相变压器模拟式纵差动保护原理接线，（2）如何根据采用的差动保护继电器、电流互感器变比整定动作电流。参见《电力系统继电保护习题集》习题6.5。 3. 实验步骤

（1） 将Transformer_protection拷到电脑，进入PSCAD界面; （2） 打开Transformer_protection; （3） 认识各个模块作用,

a. 故障设置模块，如何设置不同类型故障；

b. 电流互感器变比设置、接线（用差计算实现）和测量；

4. 实验记录

（1） 变压器外部的三相最大短路电流，并求出工频有效值； （2） 变压器外部短路时，两侧电流互感器二次侧的电流及流入差动继电器的电流

（将三个电流放在一张图上）；

变压器内部短路时，两侧电流互感器二次侧的电流及流入差动继电器的电流（将三个电流放在一张图上） 实验结果：

（1）3相短路接地 高压侧三相短路电流

3.0 2.0 1.0 0.0 Isy-1.0 -2.0

-3.0 Ir低压侧三相短路电流 15.0 10.0 5.0 0.0 y-5.0 -10.0

-15.0 外部短路时，两侧电流互感器二次侧的电流及流入差动继电器的电流 9

50 40 30 20 10 0 isatIratIreay-10 -20 -30 -40

-50 isatIratIrea内部短路时，两侧电流互感器二次侧的电流及流入差动继电器的电流 30 20 10 0 y-10 -20 -30

-40 （2）A相接地 高压侧三相短路电流

1.50 1.00 0.50 0.00 Isy-0.50 -1.00

-1.50 isatIratIrea外部短路时，两侧电流互感器二次侧的电流及流入差动继电器的电流 30 20 10 0 y-10 -20

-30 内部短路时，两侧电流互感器二次侧的电流及流入差动继电器的电流 10

改变参考电压（100s）

REAL POWER2.00 1.75 1.50 1.25 1.00 0.75 0.50 0.25 0.00 -0.25 20 10 0 -10 -20 -30 -40 377.150 Power (MW)REACTIVE POWERReactive Power (MVAR)OMEGAspeed (rad/s)376.900 0.0140 0.0120 0.0100 0.0080 0.0060 0.0040 0.0020 0.0000 MECHANICAL TORQUETorque (pu)1.40 FIELD CURRENTField Current (pu)1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 FIELD VOLTAGEField Voltage (pu)1.20 1.10 1.00 0.90 0.80 0.70 14.30 14.20 14.10 14.00 13.90 13.80 13.70 13.60 96.0 TERMINAL VOLTAGEVoltage (kV)98.0 100.0 102.0 104.0 106.0 108.0 ... ... ... 16

改变参考转速（70s）

70S40 30 REAL POWERPower (MW)20 10 0 -10 -20 20 REACTIVE POWERReactive Power (MVAR)10 0 -10 -20 -30 -40 -50 377.60 377.40 377.20 377.00 376.80 376.60 376.40 OMEGAspeed (rad/s)0.0070 0.0060 MECHANICAL TORQUETorque (pu)0.0050 0.0040 0.0030 0.0020 0.0010 1.40 1.30 1.20 1.10 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 FIELD CURRENTField Current (pu)1.40 FIELD VOLTAGEField Voltage (pu)1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 13.840 13.820 13.800 13.780 13.760 13.740 13.720 13.700 13.680 69.0 TERMINAL VOLTAGEVoltage (kV)70.0 71.0 72.0 73.0 74.0 75.0 76.0 77.0 78.0 ... ... ... 17

（2） sync_exciter_governor的运行结果，即

找到BRK1控制信号、改变参考电压和参考转速的Timer元件由零变为1的时间，记下右侧各个输出变量在各个时间点的变化。

BRK1控制信号（200s）

200S70.0 69.0 68.0 67.0 66.0 65.0 64.0 63.0 -2.075 REAL POWERPower (MW)REACTIVE POWERReactive Power (MVAR)-2.325 382.0 380.0 378.0 376.0 374.0 372.0 370.0 368.0 366.0 OMEGAspeed (rad/s)MECHANICAL TORQUE0.650 Torque (pu)0.600 0.550 0.500 0.450 0.400 FIELD CURRENT1.170 1.160 1.150 1.140 1.130 1.120 1.110 1.100 1.090 Field Current (pu)FIELD VOLTAGEField Voltage (pu)1.40 1.30 1.20 1.10 1.00 0.90 TERMINAL VOLTAGE13.900 Voltage (kV)13.850 13.800 13.750 13.700 190.0 195.0 200.0 205.0 210.0 215.0 220.0 225.0 230.0 ... ... ... 18

改变参考电压(100s)

100S70.0 68.0 66.0 64.0 62.0 60.0 58.0 56.0 54.0 -2.140 -2.160 -2.180 -2.200 -2.220 -2.240 -2.260 -2.280 -2.300 REAL POWERPower (MW)REACTIVE POWERReactive Power (MVAR)382.0 380.0 378.0 376.0 374.0 372.0 370.0 368.0 366.0 OMEGAspeed (rad/s)MECHANICAL TORQUE0.650 Torque (pu)0.600 0.550 0.500 0.450 0.400 FIELD CURRENT1.170 1.160 1.150 1.140 1.130 1.120 1.110 1.100 1.090 Field Current (pu)FIELD VOLTAGEField Voltage (pu)1.40 1.30 1.20 1.10 1.00 0.90 14.00 13.90 TERMINAL VOLTAGEVoltage (kV)13.80 13.70 13.60 13.50 13.40 95.0 100.0 105.0 110.0 115.0 120.0 125.0 130.0 135.0 140.0 ... ... ... 19

改变参考转速(300s)

300SREAL POWER69.40 69.20 69.00 68.80 68.60 68.40 68.20 68.00 67.80 -2.075 Power (MW)REACTIVE POWERReactive Power (MVAR)-2.325 381.0 380.0 379.0 378.0 377.0 376.0 375.0 374.0 OMEGAspeed (rad/s)MECHANICAL TORQUE0.650 Torque (pu)0.600 0.550 0.500 0.450 0.400 FIELD CURRENT1.170 1.160 1.150 1.140 1.130 1.120 1.110 1.100 1.090 Field Current (pu)FIELD VOLTAGEField Voltage (pu)1.40 1.30 1.20 1.10 1.00 0.90 13.910 13.900 13.890 13.880 13.870 13.860 13.850 13.840 280 300 320 340 360 380 400 ... ... ...TERMINAL VOLTAGEVoltage (kV) 20

注意，将图粘贴在所交实验报告上，要求图形清晰可见，与实验分析结合能说明问题。为此，可取某变量的部分时间段曲线，而不是整个运行期间的。

5. 实验分析

（1） sync_in_paralell_4us

a. 找到相当于可编程定时计数器的部分，说明计数脉冲频率如小于设置频率

125000Hz会有什么影响； b. 求取越前相角Ryq的原因;

c. 结合实验记录4（1）b. 和所学专业知识言简意赅地说明各个变量在各个时

间点发生何种变化及变化的原因。

（2） sync_exciter_governor

结合实验记录4（2）和所学专业知识言简意赅地说明各个变量在各个时间点发生何种变化及变化的原因。

6. 进一步思考

（1） sync_ in_paralell_4us电力系统中，可否调励磁从而调机端电压？ 可否改变参考

转速从而调频？请简单说明原因。

答：sync_ in_paralell_4us电力系统中，不可以调节励磁从而调节端电压，可以通过调节转速从而调频，即为一次调频。

（2） sync_exciter_governor电力系统中，可否调励磁从而调机端电压？ 可否改变参

考转速从而调频？请简单说明原因。

答：nc_exciter_governor电力系统中，不可调励磁从而调机端电压，可改变参考转速从而调频。

21

注意，将图粘贴在所交实验报告上，要求图形清晰可见，与实验分析结合能说明问题。为此，可取某变量的部分时间段曲线，而不是整个运行期间的。

5. 实验分析

（1） sync_in_paralell_4us

a. 找到相当于可编程定时计数器的部分，说明计数脉冲频率如小于设置频率

125000Hz会有什么影响； b. 求取越前相角Ryq的原因;

c. 结合实验记录4（1）b. 和所学专业知识言简意赅地说明各个变量在各个时

间点发生何种变化及变化的原因。

（2） sync_exciter_governor

结合实验记录4（2）和所学专业知识言简意赅地说明各个变量在各个时间点发生何种变化及变化的原因。

6. 进一步思考

（1） sync_ in_paralell_4us电力系统中，可否调励磁从而调机端电压？ 可否改变参考

转速从而调频？请简单说明原因。

答：sync_ in_paralell_4us电力系统中，不可以调节励磁从而调节端电压，可以通过调节转速从而调频，即为一次调频。

（2） sync_exciter_governor电力系统中，可否调励磁从而调机端电压？ 可否改变参

考转速从而调频？请简单说明原因。

答：nc_exciter_governor电力系统中，不可调励磁从而调机端电压，可改变参考转速从而调频。

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