電力變壓器繼電保護動作行為仿真分析系統

近年來，隨著基于MATLAB的電力變壓器繼電保護建模與仿真分析系統的逐步開發與完善，對確保整個電力系統中變壓器的穩定、安全運行，都有著重要的意義。該文結合實際工作經驗，探討和研究了一種基于MATLAB軟件，所開發設計的可實現多種電力變壓器繼電保護行為的仿真分析系統。

電力變壓器是電力系統中非常重要的供電元件，其故障的發生對整個電力系統的正常運行和供電可靠性都會帶來嚴重的影響。同時，電力變壓器尤其是大容量的變壓器也是十分貴重的元件，必須根據變壓器的容量及重要性裝設性能優異、工作可靠的繼電保護裝置。然而據相關資料統計，在2007～2013年期間，我國電力變壓器縱差保護共動作1464次，其中誤動作或拒動作449次，動作正確率只有69.3%，其繼電保護正確率遠低于發電機保護和線路保護。因此，有必要加強對電力變壓器繼電保護動作行為的建模與仿真分析。本文在綜合分析電力變壓器繼電保護特點的基礎上，主要探討和研究了如何利用仿真分析系統，以實現對變壓器多種繼電保護行為的仿真分析。

一、MATLAB軟件簡介

MATLAB是目前國際公認的優秀科技應用軟件之一，它是以矩陣運算為基礎，將計算可視化程序設計融合到交互的工作環境當中，可實現工程計算、算法研究、數據分析、建模和仿真、程序開發等多種功能。隨著科技的逐步發展，MATLAB軟件也正逐步得以完善，并逐漸發展為一個具有極高通用性，并附帶有多種實用工具的運算操作平臺。

Simulink則是MATLAB所提供的用于對動態系統進行建模、仿真和分析的集成環境，也是結合了框圖界面與交互仿真功能的非線性動態系統仿真工具。Simulink可提供多種仿真工具，尤其是其不斷擴展的、內容豐富的模塊庫，不僅能夠進行線性和非線性系統的仿真，而且支持多種采樣頻率系統的放逐者，使不同的系統能以不同的采樣頻率組合，這樣就可以仿真較大和較復雜的系統，這也為電力變壓器繼電保護動作行為的建模與仿真提供了極大的便利。

本文所分析的變壓器繼電保護動作行為仿真系統，即主要是采用的Simulink模塊對系統進行建模與仿真，整個系統的操作簡單，人機界面友好，仿真結果準確、直觀，能充分滿足對變壓器繼電保護的故障分析、試驗研究、培訓教學等多方面的用途。

二、仿真分析系統軟件功能概述

本文所分析的電力變壓器繼電保護動作行為仿真分析系統軟件，是基于MATLAB軟件中的Simulink模塊構建出各類變壓器故障模型，并以Simulink模塊建模仿真出的故障數據波形與GUI界面相結合，共同構建得到的一款人機界面友好、操作簡便的電力變壓器繼電保護分析軟件。

在差動保護分析系統界面中科可實現由GUI界面提供的“參數錄入”，使數據信息能夠傳遞到Simulink差動保護模型的變壓器參數當中。其中，電力變壓器參數主要可通過相關計算軟件所得出，再將參數值輸入到“保護整定”中，以實現對變壓器差動保護動作值的整定。界面中的“故障類型”則主要包括了變壓器短路的各類故障情況，例如內部三相短路、內部各兩相線路間短路、內部A相接地故障、繞組之間的短路故障等等。當完成了各項參數的錄入工作以后，即可點擊界面中的“開始仿真”按鈕，分析系統即可根據編程得到具體分析結果，并根據變壓器的各類短路故障類型進行分析，以判斷變壓器差動保護動作是否正確。

三、仿真分析系統中模型構建與仿真分析

電源采用“Three-phase soure”模型，電源EN與電源EM的電勢相位差10°，其它設置基本相同；變壓器T采用“Three-phase transformer”模型，并選種飽和鐵芯，為了簡化仿真，可設定變壓器兩側的繞組接線方式相同，電壓等級也相同；三相電壓電流測量模塊UM、UN將在變壓器兩側測量得到的電壓、電流信號轉變為Simulink信號，相當于電壓、電流互感器的作用；三相斷路器模型QF1和QF2分別用于控制變壓器的投入，故障模塊Fault1和Fault2則分別用于仿真變壓器保護區內故障和區外故障。

變壓器差動保護的建模與仿真。變壓器空載合閘時勵磁涌流的仿真。仿真分析系統利用圖3中模型分析三相變壓器空載合閘過程時，設置三相斷路器模塊QF1的切換時間為0s，仿真時間為0.5s，仿真算法為Ode23t。三相斷路器模塊QF2、故障模塊Fault1和Fault2在仿真中均不動作（設置其切換時間不大于仿真時間即可）。為了觀察變壓器合閘時的勵磁涌流，系統在圖3中所示的模型中添加了示波器模塊，為了便于對勵磁涌流進行諧波分析，示波器模塊的參數應進行相應設置。

將電源EM的A相位初相位設置為0°后運行仿真，即可得到變壓器空載合閘后的三相勵磁涌流的波形。對仿真結果分析可知，可以明顯觀測得到變壓器勵磁涌流具有以下特點：包含有很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于時間軸的一側；包含有大量的高次諧波；波形之間容易出現間斷。仿真分析系統為了有效比較合閘時勵磁涌流與短路電流的大小，設置有故障模塊Fault1，使電路在0.25～0.45s之間發生三相短路，再進行運行仿真，即可得出：在本次仿真中，A相空載合閘時的勵磁涌流峰值相比短路電流要稍小，而B、C相空載合閘時的勵磁涌流峰值要比短路電流大。通過仿真分析，可實現對變壓器差動保護中短路故障電流和勵磁涌流的有效區分。

變壓器繞組內部故障的仿真。如果只是利用圖3中的模型，是無法進行變壓器繞組內部故障仿真的，為了有效解決這一問題，可將圖3中的三相變壓器模型改變為三個單相變壓器，并在系統變壓器屬性框中選中“三繞組變壓器”，從而構建出具有一個初級繞組、兩個次級繞組的單相變壓器（兩個次級繞組首尾相連，當作一個次級使用）。初級繞組和次級繞組可按照三相變壓器的接線組別進行連接，次級繞組的額定電壓、電阻和電感的參數可靈活調整以便進行變壓器內部故障的仿真，故障點可設置于兩個次級繞組的連接線上，也可設置于繞組首段，新的仿真模型如。

經過這樣設置處理后，即可進行變壓器內部整個繞組的單相接地、兩相短路、兩相接地短路、三相短路等故障的仿真分析。在分析過程中，可設置兩個次級繞組的參數相同，并設置三相斷路器模塊QF1、QF2的切換時間均為0s，故障模塊為Fault1，使電路在0.3s～0.5s之間發生AB相間短路，故障模塊Fault2不動作，再運行仿真，即可得到變壓器繞組50%處發生兩相短路故障時的電流波形圖。

本文結合實際工作經驗，探討和研究了一種基于MATLAB軟件，所開發設計的可實現多種電力變壓器繼電保護行為的仿真分析系統，并利用MATLAB軟件中的Simulink模塊，主要構建出了變壓器差動保護中的各類仿真模型，并對各個保護模型在不同故障類型下進行了仿真與分析，通過仿真所得出的結果也與繼電保護的實際理論相一致，這也證實了該系統建模與仿真的正確性。

（作者單位：國網四川省電力公司技能培訓中心）

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