MATLAB在三段式電流保護教學中的應用

李裕 冷雪梅 孫璟 張雪萍

摘要：三段式電流保護是電力系統繼電保護中最基本的保護，也是最重要的保護。它不僅在線路而且在電力設備中都得到普遍應用。為了便于學生通過學習三段式電流保護掌握過電流保護的原理，掌握繼電保護中近后備、遠后備概念、保護動作時間的配合及保護的“四性”等問題，提出在三段式電流保護教學過程中利用MATLAB進行仿真，分析不同保護范圍內故障時各段保護是如何配合動作的。

關鍵詞：三段式電流保護;教學;MATLAB仿真

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）33-0061-02

一、問題的提出

電力系統繼電保護課程是電氣專業非常重要的專業課程，其教學內容主要從分析被保護設備故障狀態與正常運行狀態的差異著手，并利用這些差異構成各種保護原理，并在此基礎上講述利用不同保護原理構成的保護裝置的邏輯圖。在教學過程中三段式電流保護在電力系統繼電保護課程中占有非常重要的地位，需要詳細講解。為了便于學生通過學習三段式電流保護掌握過電流保護的原理，掌握繼電保護中近后備、遠后備概念、保護動作時間的配合及保護的“四性”等問題，提出在三段式電流保護教學過程中利用MATLAB進行仿真，分析不同區域故障時各段保護是如何配合動作的。

二、三段式電流保護的重要性

電力系統中以電力線路規模巨大，線路保護成為繼電保護中的重要組成部分。[1]

電力線路的電流保護是電力系統繼電保護中最基本的保護，也是最重要的保護，它不僅在線路而且在電力設備中都得到普遍應用。

在電力系統繼電保護的教材中，大多都是最先講三段式電流保護，然后講其他的保護方式，這除了文中所列上述兩個原因外，還因為三段式電流原理簡單，可以通過對該部分知識的詳細講授，使學生容易掌握繼電保護中保護范圍、近后備、遠后備、保護動作時間的配合及保護的“四性”等概念，便于后期復雜保護的學習。

以往該部分知識的講授是由理論教學與實驗相結合完成。理論部分利用板書畫圖講解，但這種講解方式存在浪費時間、不直觀等缺點，不利于學生的理解。

學生實驗效果不好。很多高校的繼電保護教學實驗裝置都是直接廠家的插線式教學儀器。學生在做實驗的時候只需要按照實驗講義要求插拔相應的線路，完善對應的數據就好了。雖然做實驗的時間縮短了，但是學生做完實驗后依然不明白實驗原理是什么、為什么這么做實驗、解決了什么問題。

利用仿真可以方便設置不同位置的短路點，且在理論教學環節就可以通過仿真結果驗證理論，較在實驗室方便。

三、仿真實例

現以一單電源輻射型輸電網絡為例進行三段式電流保護的MATLAB仿真，并通過分析仿真結果來講解保護的相關概念。

1.實例計算

單電源輻射型網絡如圖1所示，其相關相關數據如下標注：

網絡電壓等級為10kV，AB線路長10km，BC線路長15km，單位阻抗為Z1=0.4Ω/km，其中=1.25，=1.1，=1.2，=1.5，=0.85，=0.3Ω，=0.2Ω。

整定計算結果如下：

（1）電流速斷保護。

動作值：（KA）;動作時間：t1=0s （在仿真時，為了方便觀察將I段動作時間近似設為0.001s）;靈敏性校驗：，靈敏性滿足要求。

（2）限時電流速斷保。

動作值：0.82（KA）;動作時間：（在仿真時，為了方便觀察將II段動作時間近似設為0.1s）;靈敏性校驗：，靈敏性滿足要求。

（3）定時限過電流保護。

動作值：（KA）;動作時間：（在仿真時，為了方便觀察將III段動作時間近似設為0.5s）;靈敏性校驗：近后備Ksen近=4.5>1.5，靈敏性滿足要求，可做本線路近后備保護;遠后備：Ksen=1.87>1.2，靈敏性滿足要求，可做下一條線路遠后備保護。

2.SIMULINK介紹

Simulink是以工具庫的形式掛接在MATLAB上的，不能獨立運行，只能在MATLAB環境中運行。[2]Simulink是一個用來對動態系統進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持連續、離散或兩者混合的線性和非線性系統，也支持具有多種采樣速率的多速率系統。

本設計中共使用了位于Simpowersystems模塊庫和Simulink模塊庫中的29 個不同的模塊。

3.三段式電流保護模塊系統介紹

線路三段式電流保護仿真模型可以分為4個部分搭建：

（1）一次部分：由交流電壓源模塊（AC Volatge block）、線路模塊（Series RLC Branch block）、電流測量器模塊（Current Measurement block）、斷路器模塊（break）、三相故障模塊（Three-Phase Fault block）、傅利葉變換模塊（Fourier block）等模塊組成，如圖2所示。圖中電流測量器模塊（Current Measurement block）相當于保護中電流互感器，通過它將電流引給二次保護;傅利葉變換模塊（Fourier block）提取一次電流的模值，其模值端接三段式電流保護[3];三相故障模塊（Three-Phase Fault block）設置短路故障，而故障發生時間有時間模塊（Timer）控制。

（2）電流保護各段模塊如圖3所示。

電流保護由繼電器模塊（Relay）和延時模塊（Transport Delay）兩個部分組成。繼電器模塊是將經過傅立葉模塊變換的電流與通過整定計算確定的繼電器設定的電流相比較，若大于預置值則輸出1，反之輸出0，這個信號再利用Transport Delay延遲模塊設置整定時間，因電流Ⅰ段是速斷保護，所以這個延遲時間很小（0.01s）。電流II、III段的電流比較及延時所選用的模塊及模塊參數的設定同電流I段，只是具體參數數值不一樣。

（3）保護出口模塊，如圖3所示，該模塊的主要功能是將保護模塊的動作行為保持，主要由非門（NOT）、加法器（SUM）和常數（constant）、使能子系統模塊（Enable Subsystem）構成。由于使能子系統模塊的特點是：使能端輸入正數或零時，子系統開啟;使能端輸入負數時，子系統關閉，模塊輸出端為初始值或保持前一狀態。而保護模塊中延遲模塊的輸出為“1”或“0”，因此不能接在使能端上，否則會一直使保護出口模塊始終處于使能狀態，輸出為“1”。由圖2可見，如保護模塊中延遲模塊的輸出為“0”，則經非門再與常數-0.5相加后，可是保護出口模塊使能端輸出為“1”。保護出口模塊輸出為“0”。

（4）保護總出口部分。該部分的功能就是將三段保護的輸出信號相與，就是當Ⅰ段輸出為1，Ⅱ段輸出為0，Ⅲ段輸出也為0時，經過一個乘法模塊，總輸出就為0，將斷路器跳開。同理，當故障發生在Ⅱ段或是Ⅲ段范圍內時保護也是按這個原理動作的。

四、仿真結果及分析

（1）模擬電流Ⅰ段保護動作，將三相故障模塊設在電流Ⅰ段的范圍內，即將線路1的值設置為2Ω，線路0、2分別為0.3、8Ω。

由圖4、圖5可以看出線路在0.1s發生了故障，產生一個較大的短路電流，之后經過一個很小的延時0.11s，斷路器1跳閘。電流Ⅰ段成功按時動作。

（2）模擬電流Ⅱ段保護動作，在電流Ⅱ段的范圍內設置故障，由于本設計是模擬線路不同段發生故障，所以就可以直接改變線路1的值來模擬線路不同段的故障。將線路1的值設置為4Ω，線路0、2分別為0.3、6。仿真參數同上，執行仿真后仿真結果如圖6、圖7所示：

由圖5可以看出線路在0.1s發生了故障，產生一個較大的短路電流，之后經過預先設置的延時0.1s，斷路器1在0.2s跳閘。電流Ⅱ段成功按時動作。

（3）模擬電流Ⅲ段保護動作，在電流Ⅲ段的范圍內設置故障，由于本設計是模擬線路不同段發生故障，所以就可以直接改變線路1的值來模擬線路不同段的故障。將線路1的值設置為10Ω，線路0、2分別為0.3、3.5。仿真參數同上，執行仿真后仿真結果如圖8、圖9所示：

由圖可以看出線路在0.1s發生了故障，產生一個較大的短路電流，之后經過預先設置的延時0.5s，斷路器1在0.6s跳閘。電流Ⅲ段成功按時動作。

五、結論

將三段式電流保護利用MATLAB進行仿真可以直接在理論課堂進行三段式電流保護的動作演示。通過設置故障點在不同位置，讓學生通過電壓電流波形觀察三段電流保護的動作情況，使學生能夠比較直觀地感受到三段式電流保護的保護范圍、后備保護、動作時間如何配合等概念，比起以往只是簡單畫圖講解教學效果較好。同時，也可以將學生所學的MATLAB知識與繼電器保護知識融會貫通，大大提高了學生的學習興趣。

參考文獻：

[1]賀家李，宋從矩.電力系統繼電保護原理[M].天津：中國電力出版，1994：202-235.

[2]王忠禮，段慧達，高玉峰.MATLAB應用技術：在電氣工程與自動化專業中的應用[M].北京：清華大學出版社，2007.

[3]楊蘭，楊廷芳，陳眾，等.MATLAB/SIMULINK在繼電保護設計中的應用[J].電氣傳動自動化，2006，28（01）：53-55.

（責任編輯：王祝萍）