MATLAB/Simulink 輔助“電力系統繼電保護原理”教學的探索

諸葛致，郭振威

（桂林電子科技大學，廣西 桂林541000）

本文以三段式電流保護為例，介紹應用MATLAB/Simulink 進行“電力系統繼電保護原理”輔助教學。教學目的主要有3 個：①學習電力系統繼電保護MATLAB/Simulink 模型構建與電力系統故障保護仿真分析方法；②深刻理解電網電流保護三段式配置的基本方法；③掌握電流保護各段保護的定值整定以及三段之間的定值配合。

1 三段式電流保護原理構成

三段式電流保護由電流Ⅰ段保護（電流速斷保護）、電流Ⅱ段保護（限時電流速斷保護）和電流Ⅲ段保護（定時限過電流保護）構成。線路三段式電流保護模型可以分為以下4 部分[1]。

電流速斷保護：當在本保護范圍內發生接地故障時，保護瞬間啟動并將故障切除，它不能保護線路全長，保護范圍僅為線路的一部分；它將測量變換的電流值與繼電器的預先整定電流值進行比較，如果測量值小于整定值，輸出0，反之輸出1。電流Ⅰ段是瞬時動作，輸出的跳閘信號在經過保護固有延時，然后經過保護出口模塊，最終將跳閘信號傳送給斷路器的外部控制端。

限時電流速斷保護：當在本保護范圍內發生接地故障時，保護瞬時啟動但是在一定延時后才跳閘清除故障。它的保護范圍是整條線路，其動作原理與電流Ⅰ段保護相同，延時時間不同，在靈敏度滿足的情況下，取0.5 s 的延遲時間[2]。

定時限過電流保護：當在本保護范圍內發生接地故障時，保護啟動后經過一定的動作延時，才切除故障，本段保護范圍覆蓋本線路的全部，也能保護下級相鄰整條線路。

保護動作出口：主要由常數、加法器、非門和使能子系統構成。這部分主要功能是保持保護模塊的動作行為。該部分的作用是在單側電源系中，在不同的線路位置模擬故障，模擬線路發生不同故障時保護動作的情況，將電流速斷保護、限時電流速斷保護和定時限過電流保護的輸出信號相或。

2 三段式電流保護MATLAB/Simulink 建模[3]

2.1 三段式電流保護系統模型

為了加強學生對于單側電源系統上下級保護單元電流保護的整定配合原理的理解，以圖1 所示的單側電源110 kV 供電系統電流保護2 與電流保護3 仿真為例展開討論。

圖1 單側電源三相供電系統

在MATLAB/Simulink 平臺下，單側電源三相供電系統建模如圖2 所示，為了易于理解，本文以單相電流保護為例展開論述。

圖2 單側電源三相供電系統Simulink 模型

2.2 三段式電流保護Simulink 建模

在本系統中，保護3 配有三段式電流保護，由電流保護Ⅰ段、電流保護Ⅱ段與電流保護Ⅲ段構成；保護2配有兩段式電流保護，由電流保護Ⅰ段和電流保護Ⅲ段構成。三段式電流保護動作邏輯Simulink 模型如圖3所示。由圖3 可見，電流保護Ⅰ段、電流保護Ⅱ段或電流保護Ⅲ段任意一段電流保護動作，都會使對應的斷路器2 或者斷路器3 跳閘。

圖3 三段式電流保護動作邏輯Simulink 模型

電流保護Ⅰ段Simulink 建模如圖4 所示。如果檢測到的故障電流啟動繼電器Relay，經過固有延時后，故障仍然存在，發出對應的跳閘命令；否則繼電器Relay返回，不發出跳閘命令。

圖4 電流保護Ⅰ段Simulink 模型

電流保護II 段Simulink 建模如圖5 所示。如果檢測到的故障電流啟動繼電器Relay，經過整定的動作時限后，故障仍然存在，發出對應的跳閘命令；否則繼電器Relay 返回，不發出跳閘命令。

圖5 電流保護Ⅱ段Simulink 模型

電流保護III 段Simulink 建模如圖6 所示。如果檢測到的電流啟動繼電器Relay，經過整定的動作時限后，故障仍然存在，發出對應的跳閘命令；否則繼電器Relay 返回，不發出跳閘命令。

圖6 電流保護Ⅲ段Simulink 模型

3 三段式電流保護仿真整定設置

電流保護Ⅰ段的整定主要是繼電器Relay 動作電流值的計算與設置。保護3 電流Ⅰ段動作值應該大于母線B 在最大運行方式下的三相短路的電流值；保護2 電流Ⅰ段動作值應該大于母線C 在最大運行方式下的三相短路的電流值。

電流保護Ⅱ段的整定主要是繼電器Relay 動作電流以及延時繼電器Transport Delay 值的計算與設置。保護3 電流Ⅱ段動作值應該大于保護2 電流Ⅰ段動作值，與進行配合整定；保護3 電流Ⅱ段動作時間比保護2 電流Ⅰ段動作時間高1 個時間級差Δt，本案例取Δt=0.5 s。

電流保護Ⅲ段的整定工作主要是繼電器Relay 動作電流以及延時繼電器Transport Delay 值的計算與設置。保護3 電流Ⅲ段動作值根據AB 線路上的最大負荷150 A 進行整定；保護3 電流Ⅲ段動作時間比保護2 的電流Ⅲ段動作時間高1 個時間級差Δt。保護2 電流Ⅲ段動作值根據BC 線路上的最大負荷100 A 進行整定；保護2 電流Ⅲ段動作時間為1 s。

4 三段式電流保護仿真分析

根據所給定的系統模型，計算保護的整定值，整定設置各繼電器的參數。根據線路三段式保護的原理以及各段保護之間的配合，改變線路參數來模擬改變故障位置，分析波形，觀察各段保護動作情況；改變故障模塊參數來模擬故障類型，分析波形，觀察保護動作情況。

當線路AB 發生接地短路時，保護3 電流三段的動作情況如圖7 所示，（a）（b）（c）分別是電流Ⅰ段、電流Ⅱ段和電流Ⅲ段動作情況，各子圖第一行波形為檢測到的電流。

由圖7 電流三段動作情況分析可知，線路AB 發生接地短路時，保護3 電流Ⅰ段出口動作跳閘；電流Ⅱ段和電流Ⅲ段啟動后，因為整定延時，來不及出口動作發信號，故障就已經被電流Ⅰ段出口跳閘切除，故此時，電流Ⅱ段和電流Ⅲ段返回。

圖7 電流保護三段動作情況

5 總結

在“電力系統繼電保護課原理”課程教學過程中，引入MATLAB/Simulink 輔助工具，通過讓學生根據繼電保護基本原理搭建仿真模型，在仿真實踐中驗證基本原理，可以加深學生對于保護原理實踐運行情況的理解，極大促進繼電保護教學開展，有利于培養學生的動手實踐能力與創新思維精神。