基于MATLAB/Simulink輸電線路距離保護的建模與仿真分析

張 立,方洋洋

(1.漢江水利水電(集團)有限責任公司水電公司,湖北 丹江口 442700;2.漢江師范學院物理與電子工程學院,湖北 十堰 442000;3.漢江師范學院新型功能材料制備與物性研究中心,湖北 十堰 442000)

0 引言

隨著現代電力系統不斷發展,距離保護能夠滿足更高電壓等級的復雜網絡,并且有選擇性地切除故障元件[1]。距離保護能夠確定反映出發生故障點到保護安裝點之間的距離和發生故障的方向,根據兩者之間的距離遠近來確定發生動作的時間。由于距離保護裝置的核心部分為測量部分,所以核心元件為阻抗繼電器。阻抗繼電器能夠測量短路點到保護安裝處二者之間的阻抗值,將測量阻抗值與整定阻抗值進行比較,即與預先設定的保護范圍進行比較,來確定距離保護是否應該發生動作。保護區內發生故障時會給出動作信號發生動作,而保護區外發生故障時則不會發生動作。由于考慮到二次側的測量阻抗會受到電壓互感器、電流互感器以及發生故障點過渡電阻等因素的影響,因此,通常將阻抗繼電器的保護范圍擴大為一個圓或者一個面的形式,簡化繼電器的接線,以及方便制造和調試。本文采用以方向阻抗繼電器為例,利用MATLAB進行建模和仿真分析[2]。

1 阻抗繼電器原理

阻抗繼電器按照結構可以分為單相式和多相式。當加入阻抗繼電器只有1個電壓和1個電流時,此種方式被稱為單相式阻抗繼電器。所加入阻抗繼電器的電壓可以為線電壓,也可以是相電壓;所加入阻抗繼電器的電流可以為相電流,也可以是兩相電流的差。電壓、電流和測量阻抗的關系表達式為

(1)

式中:Uk為電壓;Ik為電流;Zk為測量阻抗。

將有關Zk式中各變量寫成復數的R+jX形式,再利用幾何圖形來表示,采用實軸與虛軸建立起來的復數平面來分析阻抗繼電器的有關動作特性。

多相補償式繼電器是多相式阻抗繼電器的一種,它能夠反映出不同相別組合時的相間短路或者接地短路。其加入的電壓為補償后的電壓,而加入繼電器的并不是單一的電壓和電流,所以必須結合給定的短路點、系統和故障類型來進行具體分析。

2 方向阻抗繼電器數學模型

方向阻抗繼電器不僅能夠測量阻抗大小,還能判斷故障方向,能反映出輸入到繼電器的測量電壓和測量電壓之間的相角關系[3]。如圖1所示,方向阻抗繼電器在圓內會發生動作,而在圓外不會發生動作。它是一個通過坐標原點的圓,并且直徑為整定阻抗Zset。

圖1 方向阻抗繼電器特性

假設加入到方向阻抗繼電器的工作電壓Uk與工作電流Ik之間的相位差為φk,當相位差φk的數值發生變化時,方向阻抗繼電器的起動阻抗值也會相應隨之發生變化。假設當相位差φk與整定阻抗Zset的阻抗角兩者相等時,此時方向阻抗繼電器的起動阻抗也會達到最大值,即為圓的直徑。然而,此時距離保護范圍也就達到了最大保護范圍,在此種情況下的方向阻抗繼電器工作特性最靈敏。

(2)

電壓幅值比較方程為

(3)

相位動作比較方程為

(4)

電壓相位比較方程為

(5)

即:

(6)

(7)

式中:Up為極化電壓;U′為補償電壓。

無論阻抗繼電器采用哪種工作特性,根據距離保護的工作原理特性分析可知,所加入阻抗繼電器的電壓Uk和電流Ik的接線方式應該都滿足下列要求:

a.阻抗繼電器的測量阻抗Zk與短路點到保護安裝點之間的距離成正比;

b.阻抗繼電器的測量阻抗Zk應該與發生的故障類型無關,也就是距離保護的保護范圍不會受到故障類型的影響,因此不會受到故障類型的影響而發生變化。

3 方向阻抗繼電器仿真分析

3.1 電力系統Simulink仿真模型

利用電力系統雙電源對方向仿真[4],電力系統原理接線圖如圖2所示。根據原理圖進行搭建的Simulink仿真模型如圖3所示。

圖2 電力系統原理接線圖

圖3 Simulink仿真模型

采用0°接線方式[5],將K1、K2、K3分別接于A、B、C三相。繼電器模塊為已封裝的子系統,與繼電器的動作方程相對應,仿真采用相位比較的方式進行分析。相位顯示器能夠觀察各繼電器的比相相位。為計算簡便,將Powergui模塊設置模式為“相位仿真方式”,采用設計子系統來獲得三相電壓和電流的復數形式,如圖4所示。

圖4 0°接線的方向阻抗繼電器模塊

進入已封裝好的繼電器模塊[6],設置整定阻抗界面,輸入是距離Ⅰ段的整定值,如圖5所示。

圖5 整定阻抗界面

3.2 仿真結果分析

符合要求的方向阻抗繼電器接線方式有許多種。本文采用將K1、K2、K3分別接于A、B、C三相時,0°接線的電壓和電流組合,電壓電流關系見表1。

表1 電壓電流關系

為了分析阻抗繼電器的動作性能[7],對圖3中300 km、500 kV長的超高壓線路進行故障類型分別為三相短路、AB相短路、A相接地的仿真。相位仿真計算結果見表2。

表2 采用0°接線時的仿真計算結果

通過表2的仿真結果可知,三相短路、AB相短路、A相接地短路故障時的阻抗繼電器的相位,方向阻抗繼電器具有明確的方向性,并不會發生誤動,其用來作為距離保護,也可用來作為方向保護元件。

4 結論

本文利用Simulink進行了輸電線路距離保護的建模與仿真分析[8]。作為距離保護測量元件的阻抗繼電器要求不會受到故障類型的影響而發生改變,能夠真實反映出短路點到保護安裝處兩者之間的距離。一般采用0°接線方式,因為相間電壓和相間電流的0°接線方式能夠滿足上述要求。

a.仿真模型能夠將保護范圍內的故障類型反映出來,保護原理可以利用MATLAB建模和算法程序相結合進行驗證;

b.在短路故障條件下,距離保護的動作特性通過MATLAB軟件來進行仿真分析,很大程度上能夠簡化分析的過程,并且能夠讓規律在分析過程中清晰顯現出來;

c.方向阻抗繼電器中的阻抗元件具有方向

性,在正向區域的時候會發生動作,而反方向不會發生動作。但是,當處于阻抗元件臨界狀態時,可能會發生誤動作的情況。