本发明属于电力系统故障仿真领域，具体涉及一种在PSCAD中实现故障起始角控制及自动遍历的方法。

背景技术：

在继电保护研究中，往往需要考虑不同故障起始角对算法的影响。故障起始角是指电力系统发生故障时，故障开始时刻相对于前面最近的、由负到正过零点的角度。通过研究不同故障起始角下的故障特性，可以明确故障起始角对继电保护算法的影响程度，并有望在此基础上形成不受故障起始角影响的新保护判据，从而进一步提高继电保护整体水平。

目前在以下场合需要研究故障起始角对继电保护算法的影响：

(1)行波保护。在故障起始角接近0°时发生故障，行波信号微弱，行波保护无法可靠工作。因此，必须通过设置故障起始角接近0°的实验，研究行波保护的性能。

(2)小电流接地系统的单相接地选线。不同故障起始角将会对小电流接地系统单相接地故障时的暂态零序电流幅值产生较大影响，影响利用暂态零序电流幅值的接地选线算法正确性和灵敏度。因此，需要通过设置不同故障起始角，对故障选线算法进行实验验证。

(3)电流互感器饱和。故障电流中的非周期分量是导致电流互感器饱和的直接因素，非周期分量的含量又与故障起始角密切相关，因此，可以通过在实验中设置不同的故障起始角，间接研究电流互感器的饱和特性。

(4)空投变压器的励磁涌流。空投变压器将会产生幅值巨大的励磁涌流，有效抑制励磁涌流的措施是选相合闸，即在电压的给定角度合闸，验证选相合闸算法性能时，必须建立合闸角度可控的实验模型。空投变压器选相合闸的角度控制与故障起始角控制的方法是完全一致的。

由此可见，故障起始角是涉及多个继电保护算法的共性基础问题，有必要研究简单、有效的故障起始角控制方法，用于高效的实验研究。

目前，对故障起始角的实验研究手段主要是动模实验和数字仿真。动模实验虽然可以更加真实的模拟物理设备，但是设备昂贵、参数设置不便，特别是难以精确控制故障起始角。

相比之下，数字仿真优势明显。PSCAD作为专业的数字仿真软件，被广泛用于电力系统的故障仿真领域研究。但是在PSCAD中对故障起始角进行仿真研究时，尚存以下问题，严重影响仿真精度和效率：

(1)在进行故障起始角仿真研究时，通常是设置“故障控制元件”中的“故障发生时刻”参数项后，在随机的故障起始角下触发故障，无法直接、准确的设定所要求的故障起始角数值，这种实验方法存在较大的故障起始角仿真误差。

(2)在研究不同故障起始角下的故障特性，且需要做大批量仿真时，通常采用手动改变参数的方式，即每次手动修改“故障控制元件”中的“故障发生时刻”参数项，这种实验方法，效率极低。

技术实现要素：

为克服现有技术中存在的上述问题，本发明公开了一种在PSCAD中实现故障起始角控制及自动遍历的方法。本发明通过计算期望故障起始角γ在给定频率f下所对应的时间间隔△t以及检测过零点时刻tcr，达到在故障起始角γ所对应绝对时刻触发故障的目的。本发明还通过设置故障起始角的变化范围及变化步长，利用“多重运行元件”在PSCAD中实现故障起始角的自动遍历和批量仿真。

本发明采用的具体技术方案如下：

在PSCAD中实现故障起始角控制及自动遍历的方法，包括以下步骤：

(1)首先根据预先设定的期望故障起始角γ，计算出γ在给定频率f下所对应的时间间隔，当γ的单位为角度时，计算方法为△t=γ×(T/360°)=γ×[1/(360°×f)]，△t的单位为s，其中T为周期，且T=1/f，当f=50Hz，即在额定频率情况下，有△t=γ×(0.02/360°)，将γ与(T/360°)分别接入到乘法器的2个输入端，则乘法器的输出值即为△t。

(2)将实时采集到的A相电压以时间连续信号uA(t)表示，首先将uA(t)经施密特触发器整形为方波信号vA(t)，PSCAD中实现施密特触发器功能的元件是“Single Input Level Comparator”，将该元件的阈值参数项“Threshold Input Value”设置为0，则当该元件的输入低于阈值0时，输出为0，当该元件的输入高于阈值0时，输出为1，从而实现将输入的正弦信号uA(t)整形为方波信号vA(t)输出。然后，利用D触发器锁存方波信号vA(t)的上升沿，PSCAD中实现D触发器功能的元件是“Flip-Flop”，通过将该元件的参数项“Flip-Flop Type”设置为“D”，参数项“Active clock Trigger edge”设置为“Positive[0->1]”，实现D触发器的上升沿锁存功能。至此，方波信号vA(t)经D触发器后输出为单位阶跃信号wA(t)，单位阶跃信号wA(t)由0变1的时刻，记为tcr，则tcr将对应于A相电压信号uA(t)的任一个确定的由负到正的过零点。

当故障起始角γ以B相电压或C相电压为基准相设置时，仅将上述uA(t)分别替换为B相电压信号uB(t)或C相电压信号uC(t)即可。

(3)根据步骤(1)得到的故障起始角γ所对应的时间间隔△t，以及步骤(2)得到的A相电压由负到正的过零点时刻tcr，求出tfault=tcr+△t，tfault即为实现故障起始角γ所应该施加故障的绝对时刻，将tcr与△t分别接入到加法器的2个输入端，则加法器的输出值即为tfault。

(4)将tfault作为变量参数设置到PSCAD的故障控制元件“Timed Fault Logic”的参数项“Time to Apply Fault”中，启动PSCAD运行仿真，即可实现在预先设定的故障起始角γ下准确触发故障，实现故障起始角的准确控制。

(5)步骤(1)中预先设定的期望故障起始角γ不是单一数值，而是预先设定的确定范围时，利用PSCAD的多重运行元件“Multiple Run”实现自动遍历，具体实现步骤是，对于预先设定的故障起始角γauto∈[α, β)，α,β∈[0°, 360°)，且α

本发明的有益效果包括：

(1)在故障仿真中可以准确的控制故障起始角。通过手动输入期望故障起始角的数值，可以在该故障起始角下准确触发故障，研究不同的故障起始角下的故障特征。

(2)通过设定故障起始角的变化范围以及变化步长，利用“多重运行元件”可以实现自动批量仿真，自动记录不同故障起始角下的仿真数据，极大的提高了仿真效率。

附图说明

图1是故障起始角示意图；

图2是实现故障起始角控制及自动遍历的原理框图；

图3是在PSCAD中搭建的控制逻辑图；

图4是在PSCAD中搭建的控制模块各位置处的输出信号图；

图5是以A相电压为基准相设置故障起始角为90°时的仿真结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

根据《GB/T 14598.121-2017 量度继电器和保护装置 第121部分：距离保护功能要求》的定义，故障起始角γ是指基频正弦波上故障开始时刻相对于前面最近的、由负到正过零点的角度。故障起始角γ及其对应的时间△t如图1所示，图1中同时给出了定义故障起始角γ所用到的故障时刻tfault以及电压正向过零时刻tcr的含义。

图2为本发明的原理框图，在PSCAD中搭建的控制逻辑如图3所示，图3中的信号UA、VA、WA、tcr、delt_t和tfault分别与说明书中提及的电压信号uA(t)、方波信号vA(t)、单位阶跃信号wA(t)、tcr、△t和tfault相对应。

实施例1：额定50Hz频率下、设置故障起始角γ=90°的故障仿真，实施步骤如下，其中故障起始角γ以A相电压为基准相设置。

(1)由于设定的故障起始角γ=90°，所以在图3的模块3中，设置“故障起始角控制滑块gama”的数值为90，并通过双输入选择器控制端置1的方式，使用单一故障起始角控制模式，即关闭“多重运行元件”功能。此时，图3模块3中的乘法器输入端将分别为数值90和数值(0.02/360)，其中，0.02为额定50Hz频率下一个周期对应的时间，乘法器的输出值即为delt_t=90×(0.02/360)=0.005，单位为s。

(2)将实时采集到的A相电压信号UA经图3模块2中的元件“Single Input Level Comparator”整形为方波信号VA，UA、VA波形如图4 a )和图4 b )所示，可见在UA瞬时值为正的时间区间内VA输出为高电平；在UA瞬时值为负的时间区间内VA输出为低电平。同时，将A相电压信号UA接入“Zero Detector”元件的输入端，“Zero Detector”的功能是检测输入信号UA的过零点，并在由负到正的过零点处输出正脉冲。

本实施例中，假定要求在0.295 s之后、第一次满足故障起始角γ=90°条件的时刻触发故障，将图3模块2的“Delay”元件中的参数项“On Time Delay”设置为0.295 s。图3模块2中的方波信号VA、“Delay”元件输出信号和“Zero Detector”元件输出信号经与门、D触发器处理后，形成单位阶跃信号WA，WA波形如图4 c )所示。单位阶跃信号WA由0变1的时刻，即上升沿将对应于0.295 s后A相电压信号UA的第一个由负到正的过零点，该时刻记为tcr。

为得到tcr的具体数值，利用单位阶跃信号WA的上升沿锁存当前时间元件“TIME”的数值，实现逻辑如图3的模块1所示。在单位阶跃信号WA由0变1之前，图3模块1中的双输入选择器控制端始终为0，模块1的输出信号out为双输入选择器的B通道输入值，本实施例中B通道输入值对应加法器1的输出，即为当前时间“TIME”加上1.0 s。由于PSCAD执行过程中的仿真时间进度与“TIME”元件值相等，因此，当B通道输入值作为模块1的输出信号out时，不会触发故障。此时的tcr为无效数值。

单位阶跃信号WA由0变1的上升沿会将图3模块1中的双输入选择器控制端置1，模块1的输出信号out为双输入选择器的A通道输入值，即当前时间“TIME”，并通过WA的上升沿触发采样保持器的“hold”端，将WA的上升沿对应的当前时刻锁定，该时刻即为A相电压信号UA由负到正的过零点时刻tcr。模块1的输出信号out的输出波形如图4 d)所示。本实施例中检测到的tcr=0.300 s。

(3)图3中模块1的输出信号out和模块3的输出信号delt_t，被输入到图3的加法器2中进行运算，得到tfault信号，在本实施例中，delt_t=0.005 s，delt_t信号的波形如图4 e)所示，模块1的输出信号out即为A相电压由负到正的过零点时刻tcr=0.300 s，则tfault=tcr+delt_t=0.300+0.005=0.305 s。tfault信号的输出波形如图4 f)所示。

(4)将tfault作为变量参数设置到图3所示的故障控制元件“Timed Fault Logic”的参数项“Time to Apply Fault”中，启动PSCAD运行仿真。即可实现在故障起始角γ为90°时准确触发故障，完成故障起始角的控制及在该故障起始角下的故障仿真。图5是本实施例的仿真结果波形图。

实施例2：设置故障起始角为30°至60°的自动批量仿真，实施例2中故障起始角γ仍以A相电压为基准相设置。实施步骤如下：

(1)与实施例1中故障起始角设置为单一数值γ=90°不同，实施例2中故障起始角设置为γauto∈[30°, 60°]，自动遍历步长为△φ=(β-α)/N =(60°-30°)/10 = 3°，即自动仿真次数为11。将上述数值，分别设置到图3模块3中的多重运行元件“Multiple Run”的对应参数项：变量起始值“Start of Range for Variable 1”设置为30，变量终止值“End of Range for Variable 1”设置为60，步长“Increment for Each Run”设置为3。然后，通过将图3模块3中的双输入选择器控制端置0的方式，启用多重运行元件“Multiple Run”。此时，模块3的输出信号delt_t将根据“Multiple Run”元件的每一次不同输出值来确定。

(2)本实施例第(2)步与实施例1中的第(2)步，在参数设置、实现过程和最终得到的输出信号out均完全相同。

(3)图3中模块1的输出信号out和模块3的输出信号delt_t，被输入到图3的加法器2中进行运算，得到tfault信号。

(4)将tfault作为变量参数设置到图3所示的故障控制元件“Timed Fault Logic”的参数项“Time to Apply Fault”中，启动PSCAD运行仿真，PSCAD将自动执行11遍故障仿真程序，每次仿真运行后生成的数据将单独保存在文件名顺序编号、后缀名为 .dat的数据文件中，共11个文件。

以上所示，仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。