电力网络中故障与开关事件的建模

主要收获

• 首先设定一个可量化的研究目标，然后根据需要验证的具体瞬态过程或工况来调整模型的详细程度。
• 仅在波形时序和开关特性会影响判断时才使用EMT，而在进行广泛筛选或时间窗口较长时，则使用RMS。
• 首先通过严格的事件定时、故障阻抗和边界等效模型来确保精度，然后通过有针对性的网络简化与时间步长控制来提高速度。

准确的故障和开关模型将为您提供值得信赖的暂态分析结果。

故障研究只有在模型与您试图理解的事件相符时才具有价值，而不仅仅是与您能够快速模拟的事件相符。停电造成的损失已经相当严重，因此可避免的建模错误不容忽视。劳伦斯伯克利国家实验室的一项研究估计，美国电力用户的停电成本每年约为440亿美元。正是这种影响，使得严谨的故障和开关事件建模值得投入精力。

“实际做法很简单：先确定研究目标，选择能够满足该目标的最小模型，然后再优化速度。”

断路器操作、故障阻抗和保护时序，恰恰处于“勉强合格”与“误导性”之间的界线上。只有准确把握这些细节，才能避免因图表看似合理，却导致采取错误的工程措施。

从故障与开关研究目标开始

请将目标定义为可量化的结果以及通过/未通过的判定标准。您应明确是要验证保护动作、检查设备运行状态，还是确认抗扰性能。每个目标对应不同的时间窗口、网络细节和输出集。明确的目标能防止您构建那些运行缓慢却无法提供任何答案的冗余模型。

在着手处理模型细节之前，请先确定一组最基本的输入参数。这样可以确保团队对哪些内容必须精确、哪些可以简化达成共识。此外，这还能大大简化重新运行和审查的过程，因为您可以清楚地看到发生了哪些变化以及原因。以下这五项通常足以让您顺利起步：

• 定义您需要表示的故障类型和开关事件
• 设置确切的事件时间及所需的顺序约束
• 选择决定研究结果（通过或未通过）的评估指标
• 确认研究边界处的源强度假设
• 商定可接受的运行时间和可接受的误差范围

明确目标还能促使我们在早期提出一个有用的问题：您需要波形细节，还是系统级趋势？如果您的答案是“两者都需要”，请将工作划分为不同阶段，因为一个模型很少能同时很好地满足这两种需求。这种划分也是节省大部分仿真时间的关键所在，同时又能确保在关键环节不打折扣。

根据瞬态细节选择 EMT 或 RMS 仿真

当开关暂态、谐波以及快速控制交互作用至关重要时，EMT仿真才是正确的选择。当您主要需要观察较长时间段内的相量幅值和相位角行为时，RMS仿真才是正确的选择。选择应根据您所研究的现象的时间尺度来决定。如果对所有情况都选择EMT，不仅会降低工作效率，而且仍无法解决事件建模不佳的问题。

EMT 采用较小的时间步长来解析高频成分，因此当模型细节允许时，它能够捕捉断路器预触、变压器涌流以及换流器开关效应。RMS 假设每个时间步长内呈正弦稳态，因此适用于负荷流、较慢的电压恢复以及稳定性分析。 一种常见的工作流程是：在前几十或几百毫秒内使用 EMT，待快速能量交换稳定后切换至 RMS。这种交接仅在您在输出中明确定义了“稳定”的含义时才有效。

在需要对结果进行论证时，工具的重要性远不及模型透明度。SPS SOFTWARE 支持基于物理原理的 EMT 和 RMS 建模，您可以在其中检查和编辑组件行为，这有助于团队在不同研究类型中保持一致性。当结果需要经受审查并被重复使用时，这种一致性便成为一项实际优势。它还能帮助您避免那些只有在花费数小时进行计算后才会显现的隐含假设。

基于位置阻抗和时序的短路故障建模

电力系统的故障仿真始于三个决定大多数结果的关键参数：故障类型、故障阻抗，以及故障发生和消除的确切时间。故障位置至关重要，因为网络阻抗会随距离和拓扑结构的变化而变化。时间点同样重要，因为故障发生时的电压相位决定了第一个峰值。如果这些输入参数不明确，仿真结果也会不明确。

大多数研究应优先考虑单线接地故障的建模，因为该类故障在许多系统中占主导地位。在保护教学资料中，单线接地故障通常被认为约占电力系统故障总数的70%。这一统计数据很有参考价值，因为它能告诉我们建模工作首先会在哪些方面见效。此外，它也支持采用多种阻抗值，因为“固态”和“电阻性”接地故障会对系统中的不同部分产生不同的影响。

故障阻抗应反映实际物理路径，而不仅仅是一个方便的数值。电弧电阻、塔基、电缆护套回流以及接触面状况都会改变电流幅值和直流偏移衰减。清除时间应与预期的保护和断路器动作顺序相关联，包括任何预设延时。如果研究目标是设备工作状态，还需要建模上游网络的表示方式，因为一个弱的戴维南源会使峰值急剧下降。

通过逼真的触点行为来模拟断路器和开关的操作

断路器的建模应与所验证的应力相匹配，而不仅仅是与所实现的逻辑相匹配。对于相量分析而言，一个能在特定时刻瞬间完成开合的理想开关通常已足够。而对于EMT故障分析，则需要更加谨慎，因为触点分离、电弧熄灭和再击穿会影响最初几毫秒的动态过程。若将断路器视为完全理想状态，则开关事件的建模结果可能会产生误导。

从能够准确反映关键参数的最简单模型开始。受控开关操作需要一个能够考虑电流过零点的模型，因为机械开闸时间和极点散布会影响断流效果。变压器通电研究需要考虑预击穿行为，才能正确模拟浪涌电流，因为实际合闸角很少与指令时间完全一致。如果要评估暂态过电压，电容器组开关操作可能需要考虑预接入元件或阻尼。

触点行为也直接取决于您在仿真中如何对齐事件。断路器指令时间与触点分离时间不同，跳闸信号也与电流中断不同。应明确建模事件延迟，确保各相之间保持一致，并将其作为参数记录下来。养成这一习惯，当有人质疑为何两次运行结果不同时，将使敏感度分析更容易进行。

处理保护逻辑重合闸及瞬态故障清除

保护和重合闸逻辑必须表现为一系列测量、决策和执行机构延时，而不仅仅是一个简单的断开指令。瞬态故障只有在死区内电弧熄灭和去离子化具有合理性的情况下才会消除。如果忽略这些机制，可能会无意中“证明”某种方案可行，而实际上该方案依赖于现场永远无法达到的时序。当保护和断路器模型采用相同的时序假设时，才能获得最大的价值。

假设有一条25 kV架空馈线，其支路由重合闸保护。在0.12秒时发生线对地闪络，故障电阻为15欧姆；继电器经过25毫秒的滤波后发出跳闸指令，触点在35毫秒后闭合，随后经过400毫秒的死区时间才进行重合闸。 如果死区时间为200毫秒，或者假设在跳闸时刻发生瞬时断开，则模拟得到的电压恢复曲线和二次合闸电流将呈现截然不同的形态。这一单一的时序链往往决定了暂态故障是能干净利落地消除，还是演变为持续性故障。

要准确模拟继电器的行为，并不需要对每个内部模块进行建模，但必须确保模型能准确反映继电器“所感知”的情况。滤波、相量估计窗口长度以及电流互感器饱和等因素，都可能改变动作时间及元件安全性。应将这些假设与研究目标保持一致，然后检查模型对那些无法严格控制的时序参数的敏感性。当结果取决于几毫秒的差异时，正确的应对方式通常是加强建模的严谨性，而非采取更乐观的假设。

在保持开关瞬态精确性的同时提高仿真速度

在保持事件物理特性不变的同时，减少不必要的带宽和网络细节，能最大程度地提升仿真速度。EMT运行缓慢的主要原因是时间步长过小且状态数量庞大。您可以通过仅在故障区域及驱动瞬态响应的开关设备周围保持高保真度，从而缩短仿真运行时间。

“在确定哪些波形必须保持可靠之前，绝不能开始进行速度优化工作。”

简化网络通常是最稳妥的第一步。将电网中较远的部分替换为戴维南等效电路，确保其在您关注的频率范围内具有与短路强度及X/R比相匹配的特性。将用于调节开关点附近瞬态电压和电流的变压器、电缆和电抗器保留在模型中。设定一个时间窗口，使其在目标量稳定后结束，因为在EMT分辨率下模拟多出一秒的时间可能会消耗您大部分的运行时间。

时间步长的选择同样需要谨慎对待。步长过大会导致峰值被平滑、干扰信号失真，并改变保护时序；步长过小则会使计算量激增，而收益甚微。一个好的做法是先运行一个高保真度的基准案例，然后调整简化程度和时间步长，直到关键峰值和时序保持在可接受范围内。

验证结果并避免常见的故障建模错误

验证是指检查仿真结果是否表现得像一个电力系统，而非一个单纯的曲线生成器。您应验证故障前的负荷流量和电压是否符合预期，并确保故障电流水平与短路计算结果一致。储能元件必须表现出符合物理规律的能量交换，尤其是在开关操作期间。如果这些检查未能通过，那么无论选择何种速度和细节级别，都无法挽救该研究。

常见的错误往往集中在时序和边界条件方面。跳闸时间常与接触分离时间混淆，闭合时间常与有效电气闭合角混淆。即使拓扑结构发生变化，源等效参数仍被重复用于不同案例，这会悄然改变故障电平和直流偏移。出于方便，故障阻抗常被设为零，随后又利用这些结果来论证保护设置的合理性，而实际上这些保护设置永远不会遇到这种工况。

优秀的电力系统故障仿真工作，主要在于有条不紊的重复操作，而非英雄式的建模。 当每个案例采用统一的事件定义、参数命名和验证检查时，您将获得更佳的结果，因为差异便会变得有意义，而非偶然。当您需要透明且可检查、可控制的模型时，SPS SOFTWARE便是理想之选，因为信任源于能够解释的内容，而非仅仅能够运行的内容。最严谨的研究最终都会得出一个简单的结论：如果结果无法从输入数据到波形进行合理解释，那么它尚不足以指导工程决策。