MATLAB在繼電保護教學中的應用

廣東理工學院電氣工程系 唐東成

MATLAB在繼電保護教學中的應用

廣東理工學院電氣工程系 唐東成

電力系統繼電保護是電氣工程專業一門重要的專業課程，在教學過程中既要注重理論教學，又要增加相應的實踐教學環節。開展實踐教學可加深對理論的理解，有利于掌握繼電保護技術。實踐教學主要利用實驗設備進行模擬，也可利用MATLAB進行仿真。本文以MATLAB仿真軟件示范繼電保護重合閘技術的數字仿真技術的在教學中的應用。

繼電保護；MATLAB；教學

0 引言

電保護是電力系統安全穩定運行必不可少的組成部分，其任務是在電力系統任一點發生故障時，快速、準確地將故障元件隔離，確保電氣設備和電力系統的安全可靠運行，最大限度地減少故障造成的危害和損失。掌握好繼電保護的原理和技術，是對各級各類電氣工程技術人員的基本要求[1]。為提高應用型本科高校更加重視學生的應用和實踐能力，培養實用型人才，在教育教學環節中增加不同形式的實踐環節是非常必要的。實踐表明，課程中選用MATLAB作為電力系統仿真的分析軟件，可以激發學生自主學習的積極性，提高了課堂的活躍度，培養學生合作處理問題、獨立分析解決問題的能力，教學質量較以往得到了提升[2]。實驗教學和理論教學是高校教學中居于同等重要地位的兩個教學環節。它們互為基礎、相互依存、相互轉化，具有很強的相關性[3]。本文采用MATLAB仿真技術建立教學情境，使學生在模擬電力系統情境下，整定計算繼電保護裝置參數、觀察繼電保護裝置的動作行為。

1 MATLAB仿真軟件簡介

MATLAB是一種適用于工程應用各領域分析設計與復雜計算的科學計算軟件， MATLAB在國內外的大學中，特別是數值計算應用最廣的電氣信息類學科中，已成為每個學生都應掌握的工具。其中Simulink是Mathworks公司開發的MATLAB仿真工具之一，其主要功能是實現動態系統建模、仿真與分析。

利用SIMULINK對系統進行仿真與分析, 在進入虛擬實驗環境后, 不需要書寫代碼, 只需使用鼠標拖動庫中的功能模塊并將它們連接起來, 按照實驗要求修改各元器件的參數。通過虛擬實驗環境建立實驗仿真電路模型, 可使一些枯燥的電路變得有趣味, 復雜的波形變得形象生動, 使得各種復雜的能量轉換過程比較直觀地呈現在學生面前。以下采用MATLAB來仿真繼電保護課程中的傳統實驗, 和傳統的硬件實驗對比, 此實驗方法有很大優越性。

2 MATLAB在繼電保護教學中的應用

本文以重合閘技術教學為例，介紹MATLAB在繼電保護教學中的應用。

在電力系統中，輸電(配電）線路，特別是架空線路是發生故障幾率最多的元件。因此，如何提高輸電線路工作可靠性，對電力系統的安全運行具有重要的意義。在輸電線路的故障中，約有90%以上是瞬時性故障。對于瞬時性故障，如在線路故障被斷開以后，把斷開的斷路器再次合上，就能恢復供電，從而減少停電時間，提高供電可靠性。由運行人員手動合閘，固然也能實現上述目的，但停電時間過長，用戶電動機多數已經停轉，效果很差。為此，在輸電線路中廣泛采用了自動重合閘裝置（簡稱ARC裝置）。通常自動重合閘與繼電保護進行配合，這樣可加快切除故障，提高供電可靠性，對保持系統暫態穩定有利。自動重合閘與繼電保護的配合，主要有重合閘前加速和重合閘后加速保護。

前加速：重合閘前加速就是當線路上（包括鄰線及以外的線路）發生故障時，靠近電源側的保護首先瞬時無選擇性動作跳閘，而后借住ARC來糾正這種非選擇性動作。當重合于故障時，無選擇性的保護自動解除，保護按原有選擇性要求動作。

后加速：重合閘后加速保護就是當線路上發生故障時，保護首先按有選擇性的方式動作跳閘。當ARC動作重合于永久性故障上時，保護得到加速，快速切除故障，與第一次切除故障是否帶有時限無關。若發生的故障是瞬時性的，則重合成功，恢復供電；若故障是永久性的，保護再次動作使斷路器跳閘。

為了加深對重合閘技術的理解，本文以A相線路自動重合閘電流保護為例建立電力系統仿真模型，并依次搭建電力系統模型、電流保護模型和重合閘機構模型。并對模型主要參數進行了配置。如圖1所示。圖中電源模塊主要參數為：電壓110KV，50Hz，電源等效電阻3Ω，等效電感為4H；三相并聯負載主要參數：用功功率10MW，無功功率0.01Mvar。

圖1 電力系統繼電保護仿真模塊

搭建子系統模塊包括：電流保護模型和重合閘機構模型，如圖2所示，其中傅立葉模塊主要參數為：頻率50Hz；延時模塊：10ms（可根據電流保護時限整定原則來進行整定）；Relay模塊：該模塊主要模擬繼電特性，其動作值可根據電流I段保護整定原則來整定。

圖2 子系統仿真模塊

圖3 重合閘模塊

圖4 重合閘后加速模塊

圖3、圖4為重合閘模塊、重合閘后加速模塊。這兩個模塊建立在子系統模塊內。單側電源系統中，主要對重合閘裝置重合時間進行整定。時間整定可根據經驗公式估算。

式中，tch為重合閘整定時間；txh為消弧及去游離時間，該值大小與電壓等級有關；ty為裕度時間，一般取0.1s～0.15s；th為斷路器合閘時間。

重合閘后加速模塊需要與電流保護配合，后加速模塊的Relay模塊參數與電流保護中Relay模塊參數相同。

3 實驗分析

在實驗教學環節中，學生可用MATLAB搭建上述模型，并根據所給的系統參數分析計算出電流保護模塊、重合閘模塊以及后加速模塊的動作整定值，時間整定值。用此模型驗證重合閘裝置在永久故障和瞬時故障下的動作情況。

（1）永久故障

在0.4s發生永久性接地故障，在設置完故障模塊參數后，執行仿真，分析重合閘模塊動作情況，如圖5所示。出現永久故障后，重合閘裝置經過短暫時間后斷路器重合，但此時線路故障并沒有消失，故重合閘加速保護，重合不成功，這樣可以減小永久故障對系統造成的影響。

圖5 A相永久性接地故障下線路電流波形

（2）瞬時性故障

本線路設置的在0.4s～0.5s發生瞬時性接地故障。重合閘模塊動作情況，如圖6所示。當出現瞬時故障后，保護裝置動作跳閘，經過一段時間后故障消失，故障消失后重合閘裝置重合，此時重合成功，線路恢復供電。

圖6 A相瞬時性接地故障下線路電流波形

4 結論

利用MATLAB仿真能良好的輔助繼電保護中的教學,并且可以加深學生對繼電保護課程的理解，提高教學質量。采用MATLAB仿真實驗具有較大的靈活性，在教學中還可彌補實驗臺進行模擬實驗的不足。豐富實驗教學的內容。

[1]許明,高厚磊,侯梅毅,梁景芳.數字仿真技術在繼電保護教學中的應用[J].電力系統保護與控制,2010,38(15):104-109.

[2]顧艷.基于繼電保護本科教學的探索與研討[J].電子世界,2013,17:163.

[3]梁國艷.應用型本科院校繼電保護教學改革的探索與思考[J].中國電力教育,2010(10):67-68.

唐東成（1987—），男，湖南邵陽人，碩士，研究方向：復雜系統分析與控制。