基于Simulink的單相模擬三相三段式電流保護系統建模及實驗分析

摘 要：基于Simulink的單相三段式電流保護的建模與仿真，在保證可靠性和選擇性的前提下，強調靈敏度，力爭速動性。現從Matlab的環境搭建、模型建立及實驗分析三個方面分析并實踐其原理。

關鍵詞：Simulink;單相三段式電流保護;繼電保護

中圖分類號：TM743" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）04-0016-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.04.003

0" " 引言

三段式電流保護是電力系統中常用的一種保護方式，具有速度快、誤差小、可靠性高等優點。傳統的方法在進行三段式電流保護的計算和調試時可能存在誤差和不確定性等問題[1]，而Matlab仿真和調試為此提供了快速而有效的解決方案，極大地提高了保護系統的可靠性和穩定性。

1" " 三段式電流保護案例整定計算

35 kV單側電源輻射式線路如圖1所示，XL-1的繼電保護方案擬定為三段式電流保護，保護采用兩相不完全星形接線，電流互感器變比nTA采用1 000/5。

線路AB長100 km，BC長150 km，系統等效電源相電動勢E為35/ kV，系統最小短路阻抗Zs.min為10 Ω，最大短路阻抗Zs.max為12 Ω，線路正序阻抗Z1為0.4 Ω/km，電流Ⅰ段保護可靠系數Krel Ⅰ取1.25，電流Ⅱ段保護可靠系數KrelⅡ取1.15，電流Ⅲ段保護可靠系數KrelⅢ取1.2，電流繼電器返回系數Kre取0.9，電流繼電器自啟動系數Kss取1.3，電流互感器接線系數Kcom取1，AB段的最大負荷電流50 A，對保護1處進行整定計算并校驗靈敏度。

1.1" " 線路XL-1的無時限電流速斷保護

Ⅰ段保護繼電器電流整定值Iop Ⅰ：

Iop Ⅰ===≈2.52 A

式中：Iset.1 Ⅰ為Ⅰ段保護繼電器動作電流;Ik.B.max為B點最大短路電流。

無時限電流速斷保護應該瞬時動作，即動作時間t1 Ⅰ=0 s。

靈敏度系數Ksen Ⅰ校驗：

Ksen Ⅰ==

=×100%

=56.6%gt;15%～20%

式中：Zk.min為電流Ⅰ段最小保護范圍阻抗;ZA-B為AB線路阻抗。

1.2" " 線路XL-1的帶時限電流速斷保護

Ⅱ段保護繼電器電流整定值IopⅡ：

IopⅡ==

=≈1.32 A

式中：Iset.1Ⅱ為Ⅱ段保護繼電器動作電流;Ik.C.max為C點最大短路電流。

動作時限：t1Ⅱ=t2 Ⅰ+Δt=0.5 s。為了便于在模擬實驗中觀察，本保護整定為0.5 s。

靈敏度Ksen Ⅱ校驗：

Ksen Ⅱ==

=≈1.30gt;1.25

式中：Ik.B.min為線路XL-1末端短路時B點最小短路電流。

1.3" " 線路XL-1的定時限過電流保護

Ⅲ段保護繼電器電流整定值Iop Ⅲ：

Iop Ⅲ==

=≈0.433 A

式中：Iset.1 Ⅲ為Ⅲ段保護繼電器動作電流;KL.max為最大負荷電流。

動作時限：t1Ⅲ=t2 Ⅲ+Δt=2.5+0.5=3 s。本保護整定取3 s。

靈敏度校驗：根據規程[2]在線路XL-1末端B點短路為近后備保護，靈敏度系數KsenⅢ的最小允許值為1.5;在線路XL-2末端C點短路為遠后備保護，靈敏度系數KsenⅢ應大于1.2。

KsenⅢ==≈3.88gt;1.5

KsenⅢ==

=≈1.8gt;1.2

式中：Ik.C.min為C點末端的最小短路電流;ZB-C為BC線路的阻抗。

2" " 系統仿真模型構建及主要參數設置

2.1" " 系統主要參數計算

為了和實際實驗比較相近，電源使用36 V單相交流電源模塊。

線路XL-1使用電阻R1、R2代替，線路XL-2使用電阻R3代替：

XXL-1=≈14 Ω

XXL-2=≈21 Ω

式中：XXL-1、XXL-2分別為線路XL-1、XL-2的阻抗。

系統最大、最小阻抗XS.max、XS.min：

XS.max=≈3.5 Ω

XS.min=≈4.2 Ω

2.2" " 系統仿真模型構建

系統的Simulink仿真模型如圖2所示。

圖中Breaker1、Breaker2是斷路器，Rf表示系統負荷，Three-Phase Fault是用于設置故障的故障模塊[3]。

這里以保護1的電流Ⅱ段保護為例來簡單說明保護的實現原理。電流Ⅱ段保護主要由Id1、S-R Flip-Flop1、T1等構成。Id1用于判斷過流，S-R Flip-Flop1用于保持電流Ⅱ段動作狀態。！Q端初始輸出設置為1，當電流測量值大于整定值Id1時S端輸入為1且R端輸入為0，此時！Q端輸出為0，經過延時模塊T1的0.5 s延時（電流Ⅲ段設置為3 s）后斷路器輸入信號為0，斷路器跳閘。斷路器跳閘后S-R Flip-Flop1的S端信號改變為0時，！Q端保持0不變，所以當保護動作后信號會一直保持。仿真模型的參數設置按照給定經過一定比例計算之后決定;本次實驗設置在0.5 s時發生故障，這里把電阻短接來模擬故障產生短路電流;本實驗的故障模式為一次實驗只有一個故障點有故障。

2.3" " 系統仿真模型主要參數設置

系統阻抗RS設置為3.5 Ω，電流Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段整定值分別為2.52、1.32、0.433 A，Ⅱ、Ⅲ段延時分別為1、3.5 s;R1設置為8 Ω，R2為6 Ω，R3為21 Ω，Rf為86.2 Ω。

3" " 系統實驗及結果分析

驗證Ⅰ段保護時，使線路XL-1發生短路故障。如圖3（a）所示，系統短路時A處流過的電流大于2.6 A，A處電流三段保護都應啟動，電流Ⅰ段無時限立即動作跳閘，電流Ⅱ、Ⅲ段延時動作跳閘。

驗證Ⅱ段保護時，使線路XL-1末端發生短路故障。如圖3（b）所示，系統短路時A處流過的電流大于1.6 A，A處的電流Ⅰ段不啟動，電流Ⅱ段先電流Ⅲ段動作跳閘。

驗證Ⅲ段保護時，使線路XL-2末端發生短路故障。如圖3（c）所示，系統短路時A處流過的電流大于0.5 A，A處的電流I、Ⅱ段不啟動，電流Ⅲ段啟動且延時動作跳閘。

4" " 結束語

本設計完成了用單相三段式電流保護模擬三相三段式電流保護實驗，在進行三段式電流保護的Matlab仿真時，需要注意搭建準確的仿真模型，正確設置仿真參數和算法，從而提高電力系統的可靠性和安全性[4]。

在此過程中，加強實驗與Matlab虛擬仿真相結合，有利于更加生動形象地理解三段式電流保護之間的配合、動作過程以及保護的動作特性[5]。

[參考文獻]

[1] 張保會，尹項根.電力系統繼電保護[M].北京：中國電力出版社，2022.

[2] 繼電保護和安全自動裝置技術規程：GB/T 14285—2006[S].

[3] 于群，曹娜.MATLAB/Simulink電力系統建模與仿真[M].北京：機械工業出版社，2019.

[4] 于群，曹娜.電力系統繼電保護原理及仿真[M].北京：機械工業出版社，2018.

[5] 王樹文，湯旭日.Matlab仿真應用[M].北京：中國電力出版社，2018.

收稿日期：2023-01-10

作者簡介：賴淞林（2001—），男，廣東人，研究方向：電力系統及其自動化。

通信作者：賈紅芳（1978—），女，山西人，講師，研究方向：電力系統及其自動化。