基于MATLAB-SIMULINK的变压器微机保护系统仿真研究

基于 MATLAB/SIMULINK 的变压器微机保护系统仿真研究基于 MATLAB/SIMULINK的变压器微机保护系统仿真研究摘 要 介绍了变压器微机保护的基本原理，重点分析了作为变压器主保护之一的差动保护原理和差动回路里的不平衡电流问题。在此基础上，利用 MATLAB/Simulink 里的 powersystem 模块库，搭建了变压器故障以及差动保护、过电流保护、接地保护的仿真模型，仿真分析其保护出口与故障波形均与理论分析一致，证明了仿真模型的正确性与有效性，研究中所搭建的变压器故障和保护模型以及所采用的仿真分析方法，具有较强的通用性和广泛的工程应用价值。关键词 MATLAB/Simulink, 变压器, 微机保护, 仿真分析1 前言电力变压器是电力系统中十分重要的电气设备，一 旦 发 生 故 障 ， 将给电力系统的稳定运行带来严重的后果,在现代供电力系统中，对于变压器的保护，微机保护以其独特的优势应用越来越普及。目前对于变压器微机保护的研究比较前沿的理论很多，如将数字信号处理技术应用于差动保护中，傅式算法实现及其改进算法，也有国外学者将专家系统，模糊逻辑和神经网络等人工智能方法引入变压器微机保护的研究中。变压器微机保护由主保护和后备保护构成。主保护主要是由差动保护来完成的，防止外部短路时的不平衡电流以及防止励磁涌流所致的误动。防止外部短路时的不平衡电流造成的误动，本文中采用动作可靠的比率制动方法。防止励磁涌流导致的误动作，则采用二次谐波制动的方法，二次谐波制动技术制动可靠，是防止励磁涌流引起的保护误动作的一个实用的解决方案。2 变压器差动保护原理变压器纵差保护是变压器绕组故障时变压器的主保护，差动保护的保护区是构成差动保护的各侧电流互感器之间所包围的部分。变压器差动保护涉及有电磁感应关系的各侧电流，其构成原理是磁势平衡原理。以双绕组变压器为例，如果两侧电流 、 都以流入变压器为正方向，则正常运行或外部故障时根据磁势平衡原理有：(1)式中： 、 是变压一次侧和二次侧绕组匝数， 是励磁电流。下面通过对外部短路和内部短路两种情况的分析阐述变压器纵联差动保护的基本原理：（1）外部短路如果变压器各侧以流入变压器的电流为正方向，如图 1（a）所示发生外部短路时流过变压器1的短路电流是从上往下流的，流入差动继电器中的电流为 ，即 =0，此时差动继电器不动作。（2）内部短路变压器内部发生短路时，如图 1（b）所示。这时电流实际方向与规定的正方向一致，且幅值均较大，流入差动继电器的电流就等于短路电流，即 = ，差动继电器可以动作切除故障。(a) 外部短路 （b）内部短路图 1 变压器纵差保护原理接线图3 变压器差动保护建模与仿真3.1 励磁涌流建模与仿真仿真模型中的电源、变压器、负载参数如下：电源参数：无穷大功率电源 UN=10000V,60HZ。变压器参数：S N=250MVA,60HZ,一次侧电压10000V，绕组阻抗 8 10-4，绕组电抗 8.4883 10-5H,二次侧电压 400V，绕组阻抗 1.28 10-6 , 绕组电抗 1.3581 10-7H ，磁阻 200，磁抗 0.53052H。负载：有功功率 1MW,感性功率 100var，容性功率 100var。搭建的励磁涌流仿真模型如图 2 所示。该模型由三相断路器控制开合闸时间，三相变压器的副边绕组开路（即空载） ，设置三相断路器在 0.02s 时合闸，相当于变压器空载投入运行，此时变压器原边绕组会产生较大的励磁涌流。设置总仿真时间为 0.2s，仿真算法采用 ode23tb。励磁涌流的仿真波形如图 3 所示。KK基于 MATLAB/SIMULINK 的变压器微机保护系统仿真研究图 2 励磁涌流仿真模型 图 3 励磁涌流仿真波形(a) A 相励磁涌流 FFT 分析3(b) B 相励磁涌流 FFT 分析(c) C 相励磁涌流 FFT 分析图 4 变压器励磁涌流 FFT 分析通过图 4 所示变压器励磁涌流 FFT 分析可知，励磁涌流包含有很大成分的非周期分量，使基于 MATLAB/SIMULINK 的变压器微机保护系统仿真研究涌流偏于时间轴的一侧。由于励磁涌流可达额定电流的 68 倍，包含有大量的高次谐波分量，并以二次谐波为主，因此对纵差动保护的影响很大。一般情况下二次谐波的含量不低于基波分量的15%。波形出现间断，间断角 j 一般大于 60。励磁涌流的波形与合闸瞬间电压的相位、铁芯中剩磁的大小和方向、变压器容量的大小、铁芯材料的性质和磁化曲线、变压器的饱和磁密、合闸回路的阻抗和时间常数等因素有关。3.2 三相变压器差动保护仿真分析数字式变压器微机差动保护一般由启动元件、谐波制动元件、差动元件、差动速断元件组成。(a)故障模型（b）保护模型图 5 差动保护故障与保护仿真模型5研究中所建立的变压器故障和保护装置模型如图 5 所示。一般电力系统继电保护是基于电流、电压基频分量来实现。但是由于故障时电流和电压量中含有大量的暂态分量（非整次谐波、非周期分量等） ，不利于保护的判断，因此微机继电保护装置中必须有滤波算法消除这些分量的影响。微机保护中通常采用傅立叶算法。通过 3.1 节仿真可知，三相变压器空载合闸时产生的励磁涌流中含有大量高频分量，二次谐波含量最多，而在短路电流中二次谐波含量很少，因此可以利用二次谐波的含量来构成制动原理，其判据如下：（2）式中 表示差动电流中的基波分量和二次谐波分量 ， 2二次谐波制动系数，由变压器实际决定，一般取 15%20%。 差动保护采用两折线比率制动特性的差动保护， 其动作方程可表示为：（3）（4）式中 差动电流 Id= ； /2； 启动电流；拐点电流； 分别为变压器原边、副边绕组电流互感器的二次电流带比率制动特性的差动保护，引入外部短路电流作为制动量，使差动保护的动作电流随外部短路电流增大而增大，提高差动保护的可靠性。当发生内部故障时，制动电流很小，差动电流很大，因此差动保护具有很高的灵敏性。3.2.1 区外故障及保护设置三相故障 2 为三相短路，故障时间设置为 0.10.2s， 三相短路故障电流如图 5（a） 、（b）所示，动作信号如图 6 所示。基于 MATLAB/SIMULINK 的变压器微机保护系统仿真研究（a） 一次测电流 （b） 二次侧电流图 5 区外故障时变压器一、二次电流图 6 区外故障时保护装置动作信号3.2.2 区内故障及保护设置三相故障 1 为三相短路，故障时间设置为 0.10.2s， 三相短路故障电流如图 7（a） 、（b）所示，动作信号如图 8 所示（a） 一次侧电流 （b） 二次侧电流图 7 区内故障时变压器一、二次电流图 8 区内故障时保护装置动作信号从图 7，图 8 中仿真曲线可以看出，变压差动保护中，区外故障时，保护装置不动作，而区内故障时，保护装置发出动作信号，保护装置动作。7此外，本文也对变压器的过流保护、接地保护进行了建模与仿真分析，仿真分析结果与理论吻合，此处不再赘述。4 结论与展望不断发展的电力系统对电力变压器保护提出了更高的要求。微机保护和传统的继电保护相比，具有较高的灵活性和可靠性，调试方便，同时还增加了故障录波、故障测距、事件顺序记录、通讯等附加功能，微机保护已经成为电力系统继电保护的发展方向。本文介绍了变压器微机保护原理及系统构成，并运用 MATLAB/Simulink 软件搭建了变压器故障和保护的仿真模型，对变压器各种故障和保护进行了深入的仿真分析， 重点分析了作为变压器主保护之一的差动保护原理、影响差动保护误动的主要原因和相应的解决方法。 同时也利用 MATLAB/Simulink 仿真平台，建立了变压器差动保护、过流保护以及接地保护的故障仿真模型，仿真结果证明了所建立的仿真模型的正确性与有效性。参 考 文 献1 王帅、卓俊帆、曹祖亮、张双平.几种电力系统微机保护算法浅析 J. 电气开关，2010，142 方辉洋.电力系统变压器微机保护的研究D：湖南大学硕士学位论文. 湖南：湖南大学，20093 戴道勇.电力变压器微机保护系统的研究D：安徽理工大学硕士学位论文. 安徽：安徽理工大学，20084 贺家李、李永丽、李斌、陈超英编著.电力系统继电保护原理与实用技术M. 北京：中国电力出版社，2009. 3363385 乌云高娃.变压器励磁涌流的分析与控制研究D：武汉大学博士生论文. 武汉： 武汉大学，2009（4）6 李凤荣.变压器纵差动保护及励磁涌流识别技术的研究D：华北电力大学硕士生论文 . 北京：华北电力大学，20067 贺家李主编.电力系统机电保护原理M.第四版. 北京：中国电力出版社.，2010. 257-2878 王晶、翁国庆、张有兵编著.电力系统的 MATLAB/SMULIN 仿真与应用M. 西安：西安电子科技大学出版社，2008（11）. 1872239 于群、曹娜编著.MATLAB/Simulink 电力系统建模与仿真M. 北京：机械工业出版社，2013（1）. 12417110 吴天明、赵新力、刘建存编著.MATLAB 电力系统设计与分析M.第 3 版. 北京：国防工业出版社，2010(7).25129411 张远.电力变压器继电保护动作行为仿真分析系统D：湖南大学硕士学位论文. 湖南：湖南大学,201212 张明君、王延平、梅彦平编著. 电力系统继电保护M. 北京：人民邮电出版社，2012（6）. 22422613 国家电力调度通信中心编著.国家电网公司继电保护培训教材M. 北京：中国电力出版社，2009. 390396基于 MATLAB/SIMULINK 的变压器微机保护系统仿真研究14 马永翔主编. 电力系统继电保护M. 第 2 版. 北京：北京大学出版社，2013（1）. 19319515 周睿、王群京、李国丽.变压器匝间短路研究分析J. 科园.2012,414216 许建安编著. 电力系统微机继电保护M.第二版. 北京：中国水利水电出版社. 2008. 16817517 李鑫蕊、杨珺、梁雪编著. 电力系统微机继电保护M. 北京：人民邮电出版社，2013（10）. 170171Abstract According to the principle of transformer microcomputer protection, the differential relay principle is analyzed as one of the major transformer protections, and the unbalanced current in the differential circuit is analyzed too. Based on this, using the SPS module in the MATLAB/Simulink, the simulation models of transformer faults and the differential protection, over current protection and earth- fault protection are constructed. According to the analysis, the protection act is identical with the theory analysis, which can certified the model is co