基于MATLAB的高次谐波接地选线保护仿真设计论文

商丘学院本科毕业设计摘 要我国配网普遍采用小电流接地方式，配网单相接地故障占配网故障的 80%左右。要想快速准确地检测出故障线路一直是电力系统继电保护的重要研究课题。课题设计在对小电流不接地系统中单相接地故障的特点进行详细分析的基础上，运用高次谐波法，通过比较各个线路的零序电流及零序电压，选出故障线路;比较故障线路的各相电流、电压选出故障相。从而达到正确选线的目的。课题设计通过 MATLAB 建立仿真模型，VB 虚拟仿真平台的应用,对不同情况进行模拟仿真，采用高次谐波接地选线方法，进行正确选线。关键词：小电流接地系统;单相接地故障;高次谐波;MATLAB 仿真软件;VB 虚拟仿真平台商丘学院本科毕业设计IAbstractIn China,the indirectly earthed power system are commonly used in distribution network. And single-phase earth fault accounted for about 80% of all the failures in distribution network. To want to quickly detect accurately the fault line power system protection is always the important research subject. In the design in the small current grounding system are not one-phase ground fault characteristics of detail on the basis of analysis, apply high time harmonic method, through the comparison of each line zero sequence current and zero sequence voltage, and select a fault line; Comparison of the fault line three-phase, voltage elected fault phases.So as to achieve the purpose of the correct route. This design by MATLAB simulation model is established, and the application of the virtual simulation platform Visual Basic，different conditions for simulation, using high harmonic earthing selection, proper route.Keywords: Small current neutral grounding system; Single-line-to-g round; The high harmonic current; MATLAB simulation; Visual Basic program商丘学院本科毕业设计II目 录1 绪论 .11.1 课题的研究意义 .11.2 高次谐波接地选线保护现状及发展趋势 .11.3 课题的主要内容 .12 常用接地选线保护基本原理及应用特点 .22.1 电力系统中性点接地方式及发生单相接地故障的特点 .22.2 小电流接地系统高次谐波接地选线保护原理及特点 .22.3 小电流接地系统其它接地选线保护原理简介 .32.4 小结 .43 高次谐波接地选线系统的 MATLAB 仿真 .43.1 MATLAB 仿真软件意义 .43.2 仿真模型的搭建 .53.3 仿真过程及仿真结果 .63.4 五次谐波选线仿真设计 .84 接地选线保护虚拟仿真平台软件设计 .104.1 虚拟仿真平台简介及 VB 编程软件介绍 .114.2 将 MATLAB 仿真出的数据放到 VB 程序中 .114.3 虚拟仿真设计的平台界面 .124.4 虚拟仿真平台软件流程 .164.5 虚拟仿真平台的运行结果分析 .175 总 结 .19参考文献 .20附 录 .21致 谢 .24商丘学院本科毕业设计01 绪论1.1 课题的研究意义我国的电力系统中性点接地方式有两种，分别是中性点直接接地方式和中性点非直接 接地方式。 110kV 及以上的电网采用中性点直接接地方式，在这种系统里面，发生单相接地时，短路电流很大，所以叫大电流接地系统，电压等级在 110kV 以下的、6kV 以上的中低压配电网络中，其中性点接地方式主要为非直接接地方式，这样的系统一般叫做小电流接地系统 1。小电流接地系统直接面向用户。在瞬时故障下，短路点可以自己恢复，不需要运行人员采取什么措施，可以减少短时断电的次数。但是，随着配电网的迅速发展，电网中电缆线路的比例上升，缆线混合线路越来越多，系统线路也越来越多，系统单相接地故障电流增大，长时间运行就容易使故障放大，问题越来越严重，弧光接地还会引起整体电压过大，烧坏设备，使系统无法正常运行，所以运行人员必须及时查明故障线路，以便采取措施排除错误电路，使系统恢复正常。由于该种故障造成的故障电流很小，不易检测，尤其是对于中性点经消弧线圈接地的系统难以准确选出故障设备，因此，小电流接地系统中发生单相接地故障时如何正确选择故障线路，一直是继电保护领域里的一个研究方向 2。1.2 高次谐波接地选线保护现状及发展趋势对于故障选线的研究，20 世纪九十年代初紧接着小波分析的出现和发展，国内国外都有不少书中提到，利用小波分析良好的时频局部性，分析故障暂态电流的高频分量的方法。20 世纪 50 年代我国有根据首半波极性研制成功的接地保护装置和利用零序电流五次谐波研制成功的接地选线定位装置，近几年来，慢慢随着微机在电力系统中的推广，紧接着又出现了一些微机型接地选线装置和适合微机实现的选线理论 3。其中运用最普遍的是国网研究院所提出的微机小电流接地系统发生单向接地故障时的选线装置，主要原理是比较线路零序电流 5 次谐波的大小和方向。到目前为止，再不同选线理论的基础上先后推出了几代产品。在实际应用中，中性点不接地系统用比幅、比相原理选线得出的结果比较准确。但对于中性点经消弧线圈接地系统，基于稳态特征分量的选线效果不是很理想，所以此问题有需要继续研究。1.3 课题的主要内容 通过课题的研究，在了解小电流接地系统中单相接地故障的特点基础上，以高次谐波接地选线作为研究对象，研究这种保护的原理、特点及对应的微机保护的算法，利用商丘学院本科毕业设计1虚拟现实技术设计出高次谐波接地选线保护装置虚拟仿真平台并进行运行仿真调试。通过课题的毕业设计使我们学的理论知识能运用到实际中，让我们能够更好的分析解决实际中的问题。2 常用接地选线保护基本原理及应用特点2.1 电力系统中性点接地方式及发生单相接地故障的特点电力系统中性点运行方式主要分为两种，即直接接地和不直接接地。直接接地系统不能持续可靠供电，当系统中发生单相接地故障时，出现了中性点以外的接点，形成了短路回路,接地相电流特别大，为了保护设备不受损害，必须马上将接地相甚至三相切掉。不直接接地系统供电比较可靠，但对绝缘水平的要求也高。因这种系统中发生单相接地故障时,不直接构成短路回路，接地相电流不大，不必立即切除接地相，但这时非接地相的对地电压却升高为相电压的 1.7 倍 4。分析小电流系统单相接地时故障的运行状态，故障线路的零序电流是由线路流向母线，而非故障线路的零序电流是由母线流向线路，两者方向刚好相反 5。因为小电流系统单相接地时与正常运行时，状态信息的不同，故障线路的判定看起来非常容易，可实际上却不是这样，其原因主要有以下 3 点：（1）电容电流波形的不稳定（2）信噪比小、干扰大（3）电流信号太小2.2 小电流接地系统高次谐波接地选线保护原理及特点高次谐波选线方法的基本原理是，线路零序电流中有谐波太多，比较所有线路零序电流谐波分量的相位，故障线路零序电流相位应与正常线路零序电流相位相反，如果所有线路零序电流相位相同，就是母线故障 6。谐波选线方法采用有效的数字滤波手段，提取出能量最高的谐波频带范围，避免了提取单一谐波频率而导致的误差 7。对于中性点不接地的系统中，因为消弧线圈的补偿作用，故障线路的零序电流不再有幅值最大、方向与其他线路相反的特点，所以基波流方向法没有效果，但是对于零序电流中的高次谐波，消弧线圈的补偿效果可以当做没有，有和中性点接不地中零序电流基波相同的特点，可以用来正确选线。零序电流原理：图2.1中当线路1的A相发生接地短路故障：商丘学院本科毕业设计2AEBCCUABCIAIBBIAC线 路 线 路 I图 2.1 线路 1 的 A 相发生接地短路故障线路的零序电流：（2.1）CBII03（2.2）0U线路的零序电流：（2.3）CEBCBCBA IIII 03（2.4） 0-由此可见，由故障线路流向母线的零序电流，其数值等于全系统非故障原件对地电容电流的总和（不包括故障线路）其容性无功功率的方向是由线路流向母线，与非故障线路上相反。2.3 小电流接地系统其它接地选线保护原理简介（1）有效域技术根据故障信号特征的不同，不同的选线方法都有一些条件限制。如果在条件范围内选线方法得出的结果就是正确的，否则,选线结果可能出现偏差。装置对每一种选线方法都界定了有效域。当一个故障恰好在有效范围内的话，这种方法对故障得出的选线结果一定是正确的，不然把这种方法得出的选线结果乘以一个系数w(0 w 1)。根据所有选线方法的结合得到一个综合选线结果，这个结果准确率最高。传统比幅比相方法信号成分不够可靠、抗干扰能力差、有效范围较小，正确性不够高。智能型的比幅比相方法采用Butte- rworth数字滤波器，对信号进行有效的数字滤波处理，提取出更可靠的信号成分，提高选线正确性 8。（2）连续判断技术商丘学院本科毕业设计3连续判断技术是当小电流接地系统单相接地故障中的微弱的容易受干扰的情况故障信号采取的措施。这种技术不可以只从一次判断结果中得出结论，而是要结合全过程的情况进行分析。装置在故障没有完全消失的情况下，每隔1s 重复进行选线计算，直至故障消失，这样可以有效地排除随机大干扰(主要指开关操作) 的影响，提高了选线的准确率 9。2.4 小结段落中主要突出介绍了高次谐波选线方法的基本原理和特点在经消弧线圈接地的系统中，工频零序电容电流基本上被消弧线圈的电感电流所抵消，但是，高次谐波电容电流不会被抵消。当发生单相接地故障时，高次谐波电容电流的分布规律与中性点不接地系统基波电容电流规律差不多。故障线路的相位滞后五次谐波零序电压 90，正好与非故障线路相位完全相反，非故障线路中的五次谐波零序电流超前五次谐波零序电压 90，据此特点，可以实现故障选线 10。3 高次谐波接地选线系统的 MATLAB 仿真3.1 MATLAB 仿真软件意义MATLAB 是美国 MathWorks 公司在 20 世纪 80 年代中期研发出的数学软件，可以计算数值还可以看到数字，另外还可以进行数据处理和分析图形,使软件开发人员在程序编制过程中实现数值计算和图形显示提供了有力的条件 11。到目前为止，其最高版本 7.0 版已经推出。随着版本的不断出现，它在计算数值和符号应用方面不断更新。MATLAB 可以在不同科学领域不同的工作环境中广泛运用，尤其在控制、通信、信号处理及科学计算等领域中得到广泛的应用，是可以使工作起来又好又快。在通常的学习过程中,理论和实践是靠课堂上老师的讲解和实验室的实验来完成结合的。所学的抽象的理论,复杂的计算,由于实践的机会不多，而且隔得时间又长,很难迅速的掌握知识。当结合仿真实验学习时，在掌握了理论的基础上，对于复杂的计算，其计算由计算机来完成，可以迅速得出结果，而且还可以很快做出相应的图标曲线，其物理本质与规律性一看就可也看出来。并且可以方便，频繁地应用先进的软件工具与方法对基本原理，计算方法，先进技术，复杂的系统进行反复的实验研究。采用仿真实验的方法，加深了对数理基础，专业知识的理解，提高了学习效率。信息科学发展迅速，用于研发，测试的仪器更新速度加快，随着技术含量的提高，价格也越来越昂贵。并不是所有从事研究与开发的工程技术人员都能够拥有与科学技术商丘学院本科毕业设计4发展进程相应的仪器设备。计算机仿真可以用于大部分电子工程，现代通讯技术和通讯系统实验研究工作。在计算机及相应软件的配合下，通过专门培训就可以做出上述实验。传统的研究开发工作是从购买元件，做印制电路板，搭建电路，配置相应的仪器做实验开始的，显然这样的时代已经落伍了，也太浪费了。建模，仿真能力对年轻的一代电气技术人才已经不是特长，而是基本的技能和交流工具。我们学习掌握 MATLAB 软件工具，在某种意义上说是在科学计算，工程设计和工具应用上与国际接轨 12。3.2 仿真模型的搭建图 3.1 仿真模型的搭建电源基波部分电压是 28577V，A 相相位 0 度，B 相相位 240 度，C 相相位 120 度；五次谐波部分电压是 285