基于Matlab的距離保護動作特性仿真

吳云飛

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基于Matlab的距離保護動作特性仿真

吳云飛

（四川師范大學工學院，四川 成都 610000）

繼電保護數字仿真技術是繼電保護裝置開發與研究的重要手段。模擬故障時繼電保護的動作特性將有助于事故后進行準確的校驗和事故分析。基于Matlab建立輸電線路距離保護動作特性仿真模型，模擬故障情況下繼電裝置的動作過程和動作結果，并選取單相接地短路為例驗證了距離保護動作行為，表明通過數字仿真有助于分析影響繼電保護正確動作的因素，輔助繼電保護系統的分析和設計。

距離保護；動作特性；Matlab；電力系統

可靠、高效的繼電保護裝置是保證電力系統以及電氣設備正常運行的必要條件。為了提高保護裝置的性能，需要對發生故障時繼電保護裝置的動作特性進行分析，找到正確動作的條件以及影響裝置正確動作的因素，提出理論的解決方案并逐步改良完善[1-2]。傳統的繼電保護實驗使用真實的保護裝置和線路的物理模型模擬，實驗成本較高、實驗材料有限，效率低。而數字仿真可利用計算機軟件建立適當的數學模型，模擬真實系統故障狀態下的電氣特性，具有安全經濟、準確、可重復、形象直觀、效率高、靈活等優點，有利于提前發現和解決設備運行中可能產生的問題，輔助繼電保護技術的研究。作為數字仿真軟件，Matlab在科學計算、工程計算及可視化等方面功能極其強大，在電力工程方面的運用非常廣泛[1]。本文選用的距離保護仿真模型在其Simulink環境下直接搭建，并借助Matlab豐富的工具箱資源，完成距離保護動作行為的動態仿真。

1 距離保護原理

距離保護是反映故障安裝地點至故障點之間的距離，并根據距離的遠近而確定動作時限的一種保護裝置。它主要運用在110 kV及以上的線路中，作為線路的主保護之一，主要優點是保護范圍廣、靈敏度高、受系統運行方式影響小[2]。

圖1 距離保護原理示意圖

其基本工作原理示意圖如圖1所示[3]，故障時，首先判斷故障的方向。如果故障位于保護區的正方向，則設法測出故障點到保護安裝處的距離k，并將k與對應的整定值set進行比較，如果k＜set，比如k1點故障，則說明故障在保護范圍之內，保護應立即動作，跳開相應的斷路器；如果k＞set，比如k2點故障，則說明故障發生在保護范圍之外，保護不應動作，對應的斷路器不會跳開；如果故障位于保護區的反方向上，比如k3點故障，則無需進行比較和測量，直接判為區外故障。

2 距離保護仿真建模

2.1 總體結構

仿真總體結構如圖2所示。

圖2 仿真總體結構

仿真結構包含一次系統和繼電保護兩大部分[4]，一次系統是圖2中的暫態仿真系統，其主要作用是建立故障時的電網線路仿真模型；繼電保護模塊由啟動元件、算法元件、故障選相元件、阻抗等各個功能元件組成，模擬繼電保護裝置阻抗繼電器的動作情況。

建模的完整思路[5]為：暫態仿真模塊采用Matlab的Simulink工具包建立電力線路模型，設置故障信號輸入模塊，比如“three-phase fault”，得到仿真系統故障時的電氣量；從這些電氣量分離出三相電流，并將三相電流送入啟動元件；啟動元件，利用“突變量法”判斷是否存在故障，當判斷結果為“是”（即輸出為“0”），則判斷為故障；由算法模塊對三相電流、電壓波形進行濾波，將濾波之后的電壓、電流送入故障選相模塊，故障模塊進行選相之后，判斷故障是相間故障還是接地故障；由阻抗計算模塊得到測量阻抗，并將測量阻抗送入阻抗比較模塊；阻抗比較模塊根據繼電器的接線方式以及保護的各段整定值比較判斷繼電器是否應動作，再根據時限特性判斷啟動或返回，最后輸出動作信號。

2.2 系統完整模型

聯合暫態仿真模塊和距離保護原理，圖3給出了Simulink中搭建的距離保護動作行為仿真系統[6]。其中，距離保護裝置I段整定值set=240×（0.020 83+0.276 0），保護范圍為線路全長的80%.仿真采用變步長、ODE23T算法。兩側電源電壓有效值設置為500 kV，頻率為50 Hz，中性點接地方式為直接接地，等效電源相角為0°。各個主要部分及模塊說明如下。

2.2.1 暫態仿真模塊

根據距離保護原理示意圖，利用Simulink構建出了雙端電源模型，如圖4所示。此模型輸出的電氣量將作為繼電保護模塊的輸入量。

圖4中線路總長度為300 km，電壓等級為500 kV，具體參數如下。電源內阻m=n=5.74+14.28 Ω，線路參數：1=0.020 63 Ω/km，0=0.114 6 Ω/km，1=0.878 5 mH/km，0=2.266 4 mH/km，1=0.012 8 μF/km，0=0.005 13 μF/km。模型中的參數可根據需要進行修改，比如電源電壓、頻率、相角差、故障類型、故障點位置、線路參數等。

圖3 距離保護動作行為仿真系統

圖4 暫態仿真子模塊

2.2.2 啟動元件

2.2.3 算法模塊

繼電保護中保護大多是以基頻分量作為處理量，但實際上故障發生時三相電壓、電流中都存在著大量暫態分量，并且實際還存在測量誤差。如果將這樣未經處理的原始電氣量送入繼電器，將會產生很大的誤差。算法模塊的主要作用是對三相電流、電壓波形進行濾波，盡可能地濾去非周期分量和高頻分量，再將濾波之后的電壓、電流送入故障選相模塊。

2.2.4 故障選相模塊

為了使測量元件能夠準確地測量故障距離，必須根據故障特征判斷出故障的類型和相別。同時，在220 kV及其以上電壓等級線路中，常要求分相跳閘，需要準確地判斷出故障類型和故障相別。

2.2.5 阻抗計算、比較模塊

阻抗計算、比較模塊是仿真系統的核心，要求它迅速、準確地計算出故障點的距離和方向，并與保護的整定距離進行比較，判斷保護是否啟動。將測量電壓、電流代入測量阻抗的定義式，可以得出測量阻抗，再與整定阻抗比較，就能得到保護動作信號。同時，為了分析保護的動作特性，可以將計算出的測量阻抗由復數形式分解為實部和虛部形式來表達電阻和電抗，再經過繪圖模塊得到測量阻抗的變化軌跡。

3 單相接地故障仿真

系統可以模擬各種短路故障，下面以單相短路為例給出仿真過程與仿真結果。

在“three-phase fault”模塊中設置A相接地故障，故障時間為0.2～0.5 s，模塊內設置“switch time”為[12/60 30/60]。模擬保護區內即I段范圍內故障，設置故障點為距左側電源150 km處，得到圖5的三相電壓、三相電流仿真結果。圖6中，0.2 s時，啟動和選相信號為邏輯1表示繼電保護部分啟動，動作信號由1變為0表示正確動作。區內故障時，測量阻抗變化軌跡如圖7所示。修改故障點位置也可以模擬區外故障的測量阻抗變化軌跡。仿真結果與理論分析一致。

圖5 保護區內故障的三相電壓、電流波形

圖 6 保護區內故障的啟動信號、選相信號、動作信號

此外，該系統可以模擬其他短路故障，比如兩相短路、兩相接地短路、三相短路、經過渡電阻短路、系統振蕩、負荷電流對距離保護的影響等情況，可以改變仿真模型的相關參數來驗證，借助仿真結果可分析短路類型及典型參數對繼電保護動作特性的影響等。此外，還可以利用Matlab的圖形用戶界面設計功能（GUI），實現繼電保護數字仿真的人機交互功能，有助于更直觀地展示故障期間的電氣量變化及繼電保護裝置的動態響應過程。

圖7 區內故障測量阻抗軌跡

4 結論

本文借助Matlab軟件，搭建了包含一次部分和繼電保護部分的電力系統距離保護仿真模型，仿真并研究了輸電線路距離保護的電流、電壓、測量阻抗軌跡等電氣動作特性，仿真結果表明，數字仿真技術可以很好地輔助繼電保護設計，幫助工程人員更好地理解電力系統各元件的工作狀態和電氣量的暫態過程，適合進行繼電保護原理的深入研究，進行繼電保護裝置的開發、設計和測試，應受到廣泛的重視。

［1］李海濤，鄧櫻.Matlab程序設計教程［M］.北京：高等教育出版社，2010.

［2］賀家李，宋從矩.電力系統繼電保護原理［M］.北京：中國電力出版社，2004.

［3］張保會，尹項根.電力系統繼電保護［M］.北京：中國電力出版社，2016.

［4］許明，高厚磊，侯梅毅，等.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.

［5］胥杰，陳巒.基于Matlab的電力系統繼電保護仿真研究［J］.水利發電，2010，36（03）：84，86.

［6］盛義發，唐耀庚，蘇澤光，等.基于Matlab的電力系統故障的仿真分析［J］.南華大學學報（理工版），2003，17（04）：45-51.

2095－6835（2018）21－0140－03

TM712

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.21.140

吳云飛（1980—），女，重慶人，碩士，講師，研究方向為計算機應用技術，電氣工程及其自動化。

〔編輯：張思楠〕