短路和系统振荡对阻抗继电器的影响毕业设计说明书.doc

毕业设计说明书毕业设计说明书( (论文论文) ) 短路和系统振荡对阻抗继电器的影响 undergraduate design(thesis) short circuit and oscillation of the influence of power impedance relay supervised by lecturer gu yan school of electric power engineering nanjing institute of technology june 2011 南京工程学院电力工程学院毕业论文 ii 摘 要 在现代电网中，随着超高压、大容量、远距离输电线路的不断增多，对电力 系统的继电保护装置提出了更高、更严格的要求。短路伴随振荡条件下距离继电 器动作行为的分析是一项十分重要的工作，振荡是电力系统中一种较为多见的异 常运行状态。引起振荡的原因有很多，电力系统振荡会引起距离保护的误动，如 何防止振荡引起距离保护的误动一直是继电保护工作者的重要课题。 本文介绍了距离保护在高压电路中的必要性，以及我国传统和目前几种阻抗 继电器的原理,介绍了几种常见的阻抗圆特性并给出了动作方程和动作区域的图形； 分析了对距离保护的影响；振荡对距离保护的影响。经过分析表明：短路时，电 流和电压量突变。而振荡时，电气量呈现周期性变化，可能造成保护误动作。 关键词 距离保护，短路，振荡，阻抗动作特性 朱俊杰：短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 iii abstract in the modern grid, along with the ultrahigh pressure, high capacity, long distance transmission lines of power system, increasing the relay protection device put forward higher, more stringent requirements. short circuit with oscillation condition distance relay action behavior analysis is a very important work, is a kind of electric power system oscillation less than seen abnormal operating condition. cause oscillation of electric power system, there are many reasons caused the oscillations distance protection maloperation causes, how to prevent the oscillation maloperation distance protection has been an important subject of relay protection workers. this paper introduces in high voltage circuit distance protection, and the necessity of traditional chinese and at present the principle of several impedance relay, introduces several common impedance circle characters and gives the movement equation and action area graphics; analyses the influence of distance protection; the influence of distance protection oscillations. after analysis shows that the voltages and currents short-circuit, quantity mutations. but oscillates, present cyclical change electric parameters, may cause the protection misoperation. key words distance protection，short-circuit，power swing，operating characteristics 南京工程学院电力工程学院毕业论文 iv 目 录 摘 要.i abstractii 1 绪论1 1.1 引言.1 1.2 我国阻抗继电器研究现状.1 1.3 距离保护构成.3 2 几种常见的阻抗继电器动作特性和动作方程5 2.1 圆特性阻抗继电器.5 2.2 四边形特性阻抗元件.10 3 存在过渡电阻短路时对距离保护的影响13 3.1 短路点过渡电阻的性质.13 3.2 单侧电源线路上过渡电阻的影响.14 3.3 双侧电源上过渡电阻的影响.15 3.4 过渡电阻对不同动作特性阻抗元件的影响.16 3.5 防止过渡电阻影响的方法.17 4 振荡对距离保护的影响20 4.1 电力系统振荡对距离保护的影响.20 4.2 振荡闭锁.25 5 matlab 的仿真.31 5.1 matlab 软件概述31 5.2 仿真模型的建立与分析.32 5.3 仿真结果分析.33 6 总 结39 谢 词40 参考文献41 附录 1 外文资料翻译.42 a1.1 分布式发电系统中燃料电池和蓄电池组的控制算法42 a1.2 control algorithm of fuel cell and batteries for distributed generation system- 54 朱俊杰：短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 - 1 - 1 绪 论 1.1 引言 随着我国的国民经济高速发展，用电负荷的要求越来越高，用户对于电能的 质量要求越来越高，对于电能的可靠性提出了更高的要求，所以对于继电保护装 置的可靠性，选择性，速动性和灵敏性都有着很高的要求。 在110kv以上的输电线路中，距离保护占了大多数。距离保护在保护110kv 输电线路可靠输送电起到重要的作用。距离保护的核心元件就是阻抗继电器，它 的作用是测量保护安装处到输电线路故障点之间的阻抗，这个阻抗也就反映了故 障点离保护安装处的距离。因为输电线路的阻抗不会随着电网运行方式的变化而 变化。同时也与短路故障的类型没有关系，所以距离保护相比于电流保护而言更 加稳定可靠；距离保护也不会因为重负荷情况下短路时造成灵敏度不足的情况； 同时距离保护对于各种复杂的电网结构更好的适应性。总之，距离保护的性能更 为完善。 距离保护中的阻抗继电器是反映距离保护性能的一个硬指标，阻抗继电器测 量距离越准确，距离保护装置的性能越好。 本文主要研究输电线路短路与振荡时对阻抗继电器的影响。 1.2 我国阻抗继电器研究现状 1.2.1 传统距离保护原理 1.2.1.1 直线特性阻抗继电器 直线特性阻抗继电器主要有电阻型继电器，电抗型继电器，限相继电器1。 其阻抗特性2在阻抗复平面中分别为一直线。电阻继电器动作与否，只取决于测 量阻抗的电阻值，电抗继电器动作与否，只取决于测量阻抗的电抗分量。直线特 性虽然判据简单，但无方向性而且不能准确反映实际测量的阻抗变化情况，因 此单纯利用电阻、电抗值作判别误差很大，在实际应用中效果并不理想。 南京工程学院电力工程学院毕业论文 - 2 - 1.2.1.2 圆特性阻抗继电器 圆特性阻抗继电器3，有全阻抗圆、方向阻抗圆、偏移阻抗圆，是传统继电 保护中应用最为广泛的阻抗继电器。它实际是把阻抗继电器的动作特性扩大为一 个圆，以便继电器的制造和调试，简化继电器的接线。其中全阻抗圆特性无方向 性，方向阻抗圆存在电压死区，偏移阻抗圆特性是前两者的综合。特性较好，应 用较多。 1.2.1.3 四边形特性阻抗继电器 四边形特性阻抗继电器45是综合了电阻电抗型直线特性，并考虑了阻抗的 方向性，是一种较为精确反映故障测量阻抗边界的阻抗继电器，并且具有良好的 抗过渡电阻的能力。在传统继电保护中，因实现因难而很少使用，但随着微机保 护的出现。四边形阻抗特性继电器得到了广泛的应用。 1.2.2 现有阻抗继电器新原理简介 现有一些较新的距离保护原理主要是同时利用电流电压量的变化情况，来鉴 别故障，进行线路保护。主要有电流自适应保护、工频变化量距离保护、以及利 用行波来鉴别故障的距离保护原理等。 1.2.2.1 电流自适应保护原理 自适应电流速断保护67是利用在线测得到的电流电压值，由微机保护装置 在线实时计算电流定值，可以免去麻烦的人工整定工作且能使保护范围显著扩 大。因此在理论上其速断定值不是常数，是由当前的系统运行方式和故障状态 决定。7即根据电力系统当前实际运行方式和故障状态实时、自动整定计算，无 需人工参与，能使速断定值和保护范围能保持最佳状态。但实际上，计算电流整 定值的过程，引入了电压量，并要求输入被保护线路的阻抗值，即利用在线电压， 实时算得的系统综合阻抗值，得到实时电流整定值，而后与在线电流相比较，以 判别故障情况。可以看出其本质上还是距离保护，它同样受到pt断线，过渡电阻 等因素的影响，而且对系统阻抗的计算算法也较复杂8。 1.2.2.2 工频变化量距离保护原理 工频变化量距离保护原理9，是由我国继电保护专家在80年代率先提出的， 主要是利用故障前后电流电压的工频分量的变化量和线路阻抗值的信息来求得补 偿电压，并与故障前的电压记忆量进行比较，来实现对故障的判别，对线路进行 保 朱俊杰：短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 - 3 - 护。从其动作判据上讲，它可以看作是一种本质为距离保护的电压自适应保护， 其在双侧电源系统中能严格区分区内外故障，且不受系统振荡的影响，具有自适 应能力强，判据简单便于微机实现等优良特性，并且此保护原理在220kv以上高 压，超高压电网微机线路保护中已成功运用10。 1.2.2.3 行波距离保护原理 行波距离保护原理11在20世纪50年代就己被提出，最初主要是利用行波进行故 障测距12。1983年，pacrossly等人提出了利用相关算法计算行波传播时间进 而求得故障距离，通过对故障距离和被保护线路长度的比较决定保护是否动作的 行波距离保护方案。即所谓行波测距式距离保护13；1989年，我国学者根据输电 线路故障行波的特征，提出了行波特征鉴别式距离保护，该保护首先利用行波的 特征，判断出故障发生的区间。若判断为正方向区内故障，再进一步计算出故障 距离14。 早期行波测距式距离保护的主要不足之处在于： 1)没有考虑正方向区外故障时保护误动的问题； 2)采用相关算法提取与初始正向行波对应的反向行波误差较大，距离计算精度 不高； 3)由于相关算法的实质是比较两波形的相似性，因而受线路参数的影响较大， 当线路为有损或接地电阻较大时，v-、v+波形的相关性降低； 4)灵敏度不高，要求v-和v+的信号有足够的能量，以保证能被正确检测。其后 的研究者对行波测距式距离保护方案存在的问题提出了解决的方法，并对这一原 理的实现做了进一步的补充，但因其结果不能满足实际要求，最终没有在实际系 统中得到应用。近年来，国内学者将现代电子技术和新兴数学工具用于行波测距， 使得测距精度大大提高。行波测距装置的成功应用无疑为进一步研制行波测距式 距离保护打下了良好的基础，为保护的计算精度提供了保证。目前，已有学者提 出了方向行波测践式距离保护，但是依然存在无法区分正方向区内区外故障的问 题。 1.3 距离保护构成 1.启动元件 启动元件的作用是反应系统故障参数或故障分量，判别系统是否 已经发生故障。被保护线路正常运行时，该元件不启动，因此整套保护不投入工 南京工程学院电力工程学院毕业论文 - 4 - 作。当系统发生故障时，它立即启动，使整套保护投入工作。早期的距离保护， 启动元件采用电流继电器或者阻抗继电器，后来采用了灵敏度更高的负序电流元 件、负序电流与零序电流复合元件、增量元件等。 2测量元件 测量元件的作用是反应故障点到保护安装处的阻抗(或者距离)， 它是距离保护中的核心元件。测量元件一般是有方向性的。早期的距离保护装置 中的测量元件一般由阻抗继电器来担任，例如，有整流型阻抗继电器、晶体管型 阻抗继电器、集成电路型阻抗继电器等。在微机型距离保护装置中，阻抗测量元 件是由软件实现的。不管是早期的距离保护装置，还是现代的微机距离保护装置， 其测量元件测量的都是阻抗，所以它会受系统振荡的影响。所以，在距离保护中 还必须设置振荡闭锁装置，以防止距离保护中的测量元件在系统振荡时动作致使 保护误动。 3振荡闭锁部分 在系统发生振荡时，因为不是短路，距离保护部应该动作。 但是振荡时的电压、电流幅值周期性变化，有可能导致距离保护误动。为了防止 距离保护误动，要求该元件精确判断系统振荡，并将保护闭锁。 4电压回路断线部分 电压回路断线时，将会造成保护测量电压的消失，从 而可能使距离保护的测量部分出现误判断，这种情况下要求该部分应该将保护闭 锁，以防止出现不必要的误动。 5. 配合逻辑部分 该部分用来实现距离保护各个部分之间的逻辑配合以及三 段式距离保护中各段之间的时限配合。 6. 出口部分 出口部分包括跳闸出口和信号出口，在保护动作时接通跳闸回 路并发出相应的信号。 朱俊杰：短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 - 5 - 2 几种常见的阻抗继电器动作特性和动作方程 阻抗继电器动作区域的形状称为动作特性。例如动作区域为圆形时，称为圆 特性；动作区域为四边形时，称为四边形特性。动作特性既可以用阻抗复平面上 的集合图形来描述，也可以用复数的数学方程来描述，这种方程称为动作特性的 方程。下面介绍几种常见的阻抗继电器的动作特性和动作方程。 2.1 圆特性阻抗继电器 2.1.1 偏移圆特性 偏移圆特性的动作区域如图 2.1 所示，它有两个整定阻抗，即正方向整定阻 抗和反方向阻抗，两整定阻抗对应矢量末端的连线就是特性圆的直径。 set1 z set2 z 特性圆包含坐标原点，圆心位于处，半径为。圆内为 set1set2 1 + 2 zz（） set1set2 1 |+| 2 zz（） 动作区，圆外为非动作区。当测量阻抗正好在圆周上时，阻抗继电器临界动作。 南京工程学院电力工程学院毕业论文 - 6 - 图 2.1 偏移圆特性 对应该特性的动作方程，可以有两种不同的表达方式：一种是比较两个大小 绝对值比较原理表达式；另一种是比较两个量相位的相位比较原理表达式。分别 称它们为绝对值比较动作方程和相位比较方程。 绝对值比较原理：当测量阻抗落在圆内或者圆周上时，末端到圆心的 m z m z 距离一定小于或等于半径；而当测量阻抗落在圆外时，末端到圆心的距离 m z m z 一定大于圆的半径。所以动作方程表示为 （2.1） mset1set2set1set2 11 |+| 22 zzzzz（）（） 相位比较方程：，是矢量末端的连线，就是特性圆的直径，它将特 set1 z set2 z 性圆分成两部分，如图 2.2 所示。 朱俊杰：短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 - 7 - 图 2.2 用相位比较法实现的偏移圆特性 由图可见，当测量阻抗落在右下部分圆周上任一点时，有 （2.2） set1m mset2 arg90 zz zz 当阻抗落在左上部分圆周的圆内任一点时，有 （2.3） set1m mset2 arg90 zz zz 当测量阻抗落在圆内任一点时，有 （2.4） set1m mset2 -90 0.5 时，直 线簇则与-jx 相交，振荡中心将位于保护范围的反方向。 当两侧系统的电势时，即时，继电器测量阻抗的变化将具有更 mn ee1h 复杂的形式。按照式(4.4)进行分析的结果表明，此复杂函数的轨迹应是位于直线 某一侧的一个圆，如图 4.4 所示。当 h1 时，则为下面的圆周 2。在这种情况下，当0时，由于两侧电势不相 等而产生一个环流，因此，测量阻抗不等于，而是一个位于圆周上的有限数值。 朱俊杰：短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 - 25 - 图 4.4 当时测量阻抗的变化1h 引用以上推导结果，可以分析系统振荡时距离保护所受到的影响。如仍以变 电所 m 处的距离保护为例，其距离 i 段启动阻抗整定为 0.85，在图 4.5 中以长 l z 度 ma 表示，由此可以绘出各种继电器的动作特性曲线，其中曲线 1 为方向透镜 电器特性，曲线 2 为方向阻抗继电器特性，曲线 3 为全阻抗继电器特性。当系统 振荡时，测量阻抗的变化如图 4.2 所示(采用 h1 的情况)，找出各种动作特性与 直线的交点，其所对应的角度为和，则在这两个交点的范围以内继电器oo “ 的测量阻抗均位于动作特性圆内，因此，继电器就要启动，也就是说，在这段范 围内，距离保护受振荡的影响可能误动作。由图中可见，在同样整定位的条件下， 全阻抗继电器受振荡的影响最大，而透镜型继电器所受的影响最小。一般而言， 继电器的动作特性在阻抗平面上沿方向所占的面积越大，受振荡的影响就越oo 大。 南京工程学院电力工程学院毕业论文 - 26 - 图 4.5 系统振荡时 m 变电所测量阻抗的变化图 此外，根据图 4.2 分析可知，距离保护受振荡影响还与保护的安装地点有关。 当保护安装处安装地点越靠近振荡中心时，收到影响越大。而振荡中心在保护范 围以外或者位于保护的反方向时，则在振荡的影响下距离保护不会动作。 当保护的动作带有较大的延时(例如，延时大于 1.5s)时，如距离 iii 段，可利 用延时躲开振荡的影响。 4.2 振荡闭锁 对于在系统振荡时可能误动作的保护装置，应该装设专门的振荡闭锁回路， 以防止系统振荡时误动。当系统振荡使两侧电源之间的角度摆到180时，保 护所受到的影响与在系统振荡中心处三相短路时的效果是一样的，因此，就必须 要求振荡闭锁回路能够有效地区分系统振荡和发生三相短路这两种不同情况。 4.2.1 电力系统发生振荡和短路时的主要区别 电力系统发生振荡和短路时的主要区别如下： （1）振荡时，电流和各点电压的幅值均作周期性变化，只在180时才出现 最严重的现象；而短路后，短路电流和各点电压的值，当不计其衰减时，是不变 朱俊杰：短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 - 27 - 的。此外，振荡时电流和各点电压幅值的变化速度(和)较慢而短路时电 di dt du dt 流是突然增大，电压也突然降低，变化速度很快： （2）振荡时，任一点电流与电压之间的相位关系都随的变化而改变；而短路 时，电流和电压之间的相位是不变的。 （3）振荡时，三相完全对称，电力系统中没有负序分量出现；而当短路时， 总要长期(在不对称短路过程中)或瞬间(在三相短路开始时)出现负序分量。 （4）振荡时，测量阻抗的电阻分量变化较大，变化速率取决于振荡周期；而 短路时，测时阻抗的电阻分量虽然因弧光放电而略有变化，但分析计算表明其电 弧电阻变化率远小于振荡所对应的电阻的变化率。 根据以上区别，振荡闭锁回路从原理上可分为两种，一种是利用负序分量(或 增量)的出现与否来实现；另一种是利用电流、电压或测量阻抗变化速度的不同来 实现。 构成振荡闭锁回路时应满足以下基本要求： （1）系统发生振荡而没有故障时应可靠地将保护闭锁，且振荡不停息，闭 锁不应解除。 （2）系统发生各种类型的故障(包括转换性故障)，保护应不被闭锁而能可靠 地动作。 （3）在振荡的过程中发生故障时，保护应能正确地动作。 （4）先故障而后又发生振荡时，保护不致无选择性的动作。 4.2.2 反映测量阻抗变化速度的振荡闭锁回路 在三段式距离保护中，当其 i、ii 段采用方向阻抗继电器，其 iii 段采用偏移 特性阻抗继电器时，如图 4.6 所示，根据其定值的配合，必然存在着 的关系。可利用振荡时各段动作时间不同的特点构成振荡闭锁。 iiiiii zzz 南京工程学院电力工程学院毕业论文 - 28 - 图 4.6 三段式距离保护的动作特性 当系统发生振荡且振荡中心位于保护范围以内时，由于测量阻抗逐渐减小， 因此，先启动，再启动，最后启动。而当保护范围内部故障时，由于测 iii z ii z i z 量阻抗突然减小，因此将同时启动。基于上述区别实现这种振荡 iiiiii zzz、 闭锁回路的基本原则是：当同时启动时，允许、动作于跳闸而当 i z iii z i z ii z 先启动，经延时后，、才启动时，则把和闭锁，不允许它们动 iii z 0 t ii z i z i z ii z 作于跳闸。按这种原则构成振荡闭锁回路的结构框如图 4.7 所示。 图 4.7 反映测量阻抗变化速度的振荡闭锁回路结构框图 朱俊杰：短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 - 29 - 4.3.3 新型振荡闭锁原理 4.3.3.1 启动元件动作 160ms 以内开放保护的条件 当距离保护的启动元件是一种反映正负序综合电流工频变化量的过电流元件， 在单纯系统振荡而无故障时，启动元件初期不动作，其后因电流互感器的饱和而 可能动作；所以按躲过最大负荷电流整定的正序过电流元件先于启动元件动作， 否门闭锁了“保护开放”的逻辑；在线路故障同时伴有振荡时，启动元件和正序过 电流元件同时动作，但出于正序过电流元件经延时 10ms 输出，启动元件先于正 序过电流元件动作，结果否门闭锁解除，由启动元件开放保护 160ms，即开放条 件是启动元件动作瞬间，若按躲过最大负荷整定的正序过电流元件不动作或动作 时间不足 10ms，则将保护开放 160ms，其原理逻辑框图 4.8 所示。 图 4.8 振荡闭锁逻辑框图 4.3.3.2 系统振荡中不对称故障时开放条件 在系统振荡中发生不对称短路故障时，振荡闭锁分量元件开放保护的动作条 件为： (4.5) 021 |i |+|i |mi 根据振荡对称的特征，所以正序电流幅值很大，而零序和负序电流较小。式 (4.5)满足要求，将保护闭锁。 系统振荡时又发生区内不对称短路，将有较大的负序电流分量或零序电流分 量，此时，式(4.5)是否成立，取决于短路时刻两侧系统电势角摆开程度。如果系 统电势角不够大，振荡电流数值较小，而不对称短路时序分量电流的数值很大， 则式（4.5）成立；保护装置立即开放，短路时刻若系统两侧电势角已摆开较大， 此时系统电压低，正序分量电流足够大，使式（4.5）暂时不成立；保护装置暂时 南京工程学院电力工程学院毕业论文 - 30 - 被 闭锁，但系统电势角还会变化，则装置将在系统电势角逐步减小时开放，在不利 的情况下，可能由一侧瞬时开放保护跳闸后，另一侧相继跳闸。 系统振荡中，若又发生区外不对称故障，这时，相间、接地距离元件都将可 能误动，但是，可以通过正确地设置制动系数 m，使式(4.5)在此情况下可靠不成 立，以确保振荡闭锁序分量元件不开放保护。装置中的 m 值就是根据最不利情况 下以振荡闭锁序分量元件不开放保护为原则，并有一定裕度。 4.3.3.3 系统振荡中发生对称性故障时保护开放的条件 (1)振荡中心电压 osu 在启动元件开放 160ms 以后或系统振荡过程中，如果又发生了三相短路故障， 则上述两个开放保护的条件均不成立，不能开放保护。因此，还必须设置专门的 振荡判别条件。系统振荡时，振荡中心的电压可以由保护装置算得： 11 cos osuu 式中：母线正序电压； 1 u 正序电压、电流夹角。 1 系统振荡时，振荡周期在 180左右，振荡中心电压在 0.05左右，三相 osu n u 短路故障电阻就是弧光电阻，该电阻上压降的幅值也在 0.05左右。 n u (2)振荡中心电压与三相短路弧光电阻上的压降的关系 osu g ir 若系统阻抗角为 90，振荡电流垂直于相量，并与振荡中心电压mnee 同相位。 osu 假设线路为感抗，在系统中发生三相短路故障时短路电流也与ki 垂直，而且三相短路时，过渡电阻凡即弧光电阻上的压降与同相位，mnee osu 并等于。如图 4.9(a)所示，母线正序电压。由此可见，三相 g ir 1m lg uj i xi r 短路弧光电阻上的压降虽然不能测到，但可以由振荡中心电压代替，说 osu g i r 明反映了弧光电阻上的压降。但是，系统实际阻抗角不等于 90，振荡中心电 osu 压仍然可以反映弧光电阻压降，这可由图 4.9(b)得到证明。通过 d 点做补偿 g i r 角。相量为线路电感分量上的电压，为线路电阻分量上的90 l l j i x l i r 电压，则线路上的电压降。因为三相短路时母线上的电压 l ll uj i xi r 等于线路压降与弧光电阻压降之和，因此，电压相量就是三相短路时弧 1mu osu 光电阻压降。由于超高压线路角很小，所以，oa=oc=，则 osu 1cos()mu 约等于 oa，这说明振荡中心电压仍可以反映弧光电阻压降。 1 1 cos mu g i r 朱俊杰：短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 - 31 - (a) ；(b) 。90 l 90 l 图 4.9 系统振荡中心电压相量图 osu (3)系统振荡中发生对称性短路故障的判据 三相短路时弧光电阻上的压降约为 5%，而系统振荡中心电压为，在振荡周 1 u 0 u 期的 180左右一段时间内降到最低点也约为 5%。所以，振荡中心在式（4.6） 1 u 表示的范围内三相短路弧光电阻压降相近，很难区分是振荡还是短路。 0.030.08 (4.6) n u osu n u 实际上，振荡中心电压是在（0.030.08）范围内，是指两侧系统 e，势角 n u 摆开为 171183.5范围，如果按最大振荡周期 3s 计算从 171183.5需要 104ms，其后振荡中心电压值就偏移式（4.6）范围。所以在满足判据（4.6）后， 经过 150ms 延时可以有效地区分三相短路和振荡。延时后式（4.6）仍能成立，判 为三相短路，立即开放保护，否则就是系统振荡，闭锁保护。 (4)振荡中三相短路后被保护的动作判据 为了保证三相故障短路时，保护可靠不被闭锁，装置可设置如下后备动作判 据，并延时 500ms 后开放保护。 0.10.25 （4.7） n u osu n u 该段振荡中心电压范围对应系统电势角为 151191.5，按最大振荡周期 3s 计算，振荡中心在该区域停留时间为 373ms，所以，装置对应的延时取 500ms 已 有足够裕度。 南京工程学院电力工程学院毕业论文 - 32 - 5 matlab 的仿真 本课题的主要任务之一是用matlab对短路和振荡进行仿真。因此，在本章 我们首先对于所使用到的matlab编程语句及在编写该软件过程中使用的特殊功 能作简要的介绍，然后做仿真比较振荡与短路之间的区别。 5.1 matlab 软件概述 matlab是“矩阵实验室”(matrix lab-oratory)的缩写，由美国 mathworks公司推出的一种以矩阵运算为基础的交互式程序设计语言和科学 计算软件，适用于工程应用和教学研究等领域的分析设计与复杂计算。与其它计 算机语言相比，它具有语句简洁，编程效率高，强大而简易的绘图功能，有效方 便的矩阵和数组运算，直观便捷的动态仿真，尤其是扩充能力强。正因为这些特 点，matlab己成为教学研究与工程应用的不可缺少的助手。 1、matlab语言的主要特点 matlab自1982年推出以来一直被誉为“巨人肩上的工具”。由于使用 matlab编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以不象学习 其它高级语言那样难于掌握，用matlab编写程序犹如在演算纸上排列出公式与 求解问题，所以又被称为演算纸式科学算法语言。在这个环境下，对所要求解的 问题，用户只需简单地列出数学表达式，其结果便以数值或图形方式显示出来。 科技和工程人员即使不掌握fortran和c语言，只要经过短期学习，也能利用 matlab轻松地去完成专业的科学计算和作图任务，所以它不仅是科研的工具， 也是教育工作者和学生的好帮手。 概括起来说，matlab的基本特点如下： (1)极强的数值计算功能和作图功能(可以做动画和用户界面)，也有很强的符 号计算功能。 (2)图形窗el式的操作界面，易于学习和掌握。使用常用的数学符号和表达式， 填进人们的思维习惯。此外，它默认使用复数与矩阵，计算速度快。 朱俊杰：短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 - 33 - (3)用简单的指令就可以完成大量的计算与作图功能，编程语法简单，程序设 计方便。绝大部分指令的程序是开放的，用户可以模仿和修改。 (4)配备有大量不同领域的专用工具箱，用户还可以开发自己的专用工具箱。 2、matlab的主要组成部分 (1)开发环境 matlab开发环境由一组工具和组件组成，这些工具是图形化的用户界面， 包括matlab桌面和命令窗口、命令历史窗口、帮助信息浏览器、工作空间浏览 器、文件和搜索路径浏览器。 (2)matlab的数学函数库 mailab集成了丰富的数学in数库，其强大的计算能力覆益了从基本函数(如 求和、正弦、余弦和复数运算等)到高级函数(如矩阵求逆、矩阵特征值、贝塞尔 函数和快速傅里叶变换)的范围。 (3)matlab语言 matlab语言是一种以矩阵运算为基础的高级语言，包括控制流的描述、函 数、数据结构、输入输出及面向对象的编程环境，既可以编制快速使用小程序， 也可以大型复杂的应用程序。 (4)图形功能 matlab提供了功能强大的图形系统，既可以用高级命令完成二维和三维数 据的可视化、图像处理、动画和图形表达等功能，也可以通过使用句柄完成复杂 的图形功能，实现对所有图形对象的操作。 (5)应用程序接口(apl) matlab还提供了应用程序接口函数，允许用户使用c或fortran语言编写 程序与natlab连接，功能包括与matlab的动态连接、调用matlab作为运 算引擎、读写mat文件等。 5.2 仿真模型的建立与分析 本文拟定仿真的电力系统如图5.1所示，使用理想三相电压源作为电路的电源， 电压源为y型连接，中性点不接地；使用分布参数输电线作为输电线路，两条输 电线路的参数设置相同，line1 末端为中性点接地；使用三相短路故障发生器使 电路发生a相接地短路。 南京工程学院电力工程学院毕业论文 - 34 - 图5.1 单电源仿真模型的建立 参数的设置将影响仿真结果的可靠性。系统中元件的主要参数设置如下： 三相电源：电压2.5mva a相初始相位为0，频率为默认60hz不变，y型接法 输电线路：线路长度100km，其余参数保持为默认值不变。 三相短路故障发生器：a相接地短路，0.01s发生短路，0.04s排除故障 仿真参数的设置：起始时间为0s，终止时间为0.1s，变步长，matlab 针对 刚性系统（如发电机等）提供了ode15s，ode23s，ode23t 与ode23tb 等算法。本 文采用ode23tb算法。 5.3 仿真结果分析 当a相发生接地短路时故障点a相电压降为零，由于系统为不接地系统，即 xff(0),由公式可知，单相短路电流减为零，非故障相即bc两相电压上升为线电 压，其夹角为60。故障切除后各项电压水平较原来相对升高，这是中性点电位升 高导致的。 朱俊杰：短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 - 35 - 图5.2 故障a点相电压 图5.3 故障b点相电压 图5.4 故障c点相电压 南京工程学院电力工程学院毕业论文 - 36 - 图5.5 故障点三相电压 当输电线路发生a 相接地短路时，b 相、c 相电流没有变化，始终为0。在 正常状态时，三相短路故障发生器处于断开状态，a相电流为0。在0. 01s 时，三 相短路故障发生器闭合，此时a 相接地短路，其短路电流波形发生了剧烈的变化， 但大体上仍呈正弦规律变化。在0. 04s时，三相短路故障发生器打开,故障排除， 此时故障点a 相电流迅速变为0。具体的仿真波形如图5.6和图5.7所示。 图5.6 故障a点相电流 朱俊杰：短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 - 37 - 图5.7 故障b、c点相电流 如图5.8所示故障点电流各序分量相同，在故障发生后故障点电流迅速增大， 故障排除后电流迅速减为零。 如图5.9所示故障点电压各序分量在短路故障发生后也迅速增加，且故障排除 后负序分量和零序分量降为零，而正序分量维持短路时的值不变。即其a相电位 升高。 图5.8 故障点a相电流各序分量幅值图 南京工程学院电力工程学院毕业论文 - 38 - 图5.9 故障点a相电压各序分量幅值图 由图形可以得出以下结论：当输电线路发生a 相接地短路时，b 相、c 相 电流没有变化，始终为0。对于故障相a 相的电流:在稳态时，故障点a 相电流由 于三相短路故障发生器处于断开状态，因而电流为0。在0. 01s 时，三相短路故障 发生器闭合，此时电路发生a 相接地短路，a 相短路电流波形发生了尖锐的抖 动，大体上仍然呈现正弦规律变化。在0. 04s时，三相短路故障发生器打开，相当 于排除故障，此时故障点a 相电流变化为0。 图5.10 振荡中单相接地故障动模实验录波图 朱俊杰：短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 - 39 - 图5.11 振荡中单相接地仿真图 图5.12 纯振荡仿真波形 南京工程学院电力工程学院毕业论文 - 40 - 6 总 结 本人在毕业设计中，查阅了大量的相关资料，并进行了认真学习。对于短路 和振荡的生成原理、如何判别区分以及发生故障后的保护措施进行了简单的概述。 详细介绍了阻抗继电器的动作方程以及动作条件、过渡电阻对于短路的影响。在 振荡时，振荡闭锁所需要的必要条件，以及简单介绍了新型振荡闭锁的原理。最 后利用matlab的强大计算、分析、模拟功能，模拟了单相接地故障以及系统发 生振荡时的波形。与单纯理论分析相比较，使用开发的matlab软件进行模拟故 障，可以使分析过程大大简化，并且在分析中容易寻找规律，所得结论明确。因 此该软件的开发具有较大的实际意义。 朱俊杰：短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 - 41 - 谢 词 本论文是在讲师顾艳老师的悉心关怀和精心指导下完成。在论文完成之际， 首先向顾老师表示衷心的感谢!这段时间以来，顾老师在学业上耐心指导；给予了 我无微不至的爱护和关怀；顾老师严谨求实的科学态度、勤奋忘我的工作精神和 博大精深的学术知识使我受益匪浅。 在整个课题研究期间，顾老师严格要求，悉心指导，使我独立从事科学研究 的能力得到很大的提高，为今后的工作奠定了坚实的基础；在平时的生活中，顾 老师也给予了我无微不致的关怀。可以说，顾老师不仅是我学业上的良师，更是 我前进道路上的益友，在此，向顾老师表示诚挚的感谢和崇高的敬意，并祝愿恩 师身体健康、桃李满天下! 在论文的撰写过程中，同组的同学对我的课题研究也给予了极大的帮助，提 出了许多宝贵的建议。在此向他们和所有关心、帮助过我的老师、同学致以深深 的谢意! 最后深深感谢父母多年来在物质和精神上给予的理解和支持，他们的关怀使 我得以健康的成长，圆满地完成了学业。 南京工程学院电力工程学院毕业论文 - 42 - 参考文献 1 许正亚编著输电线路新型距离保护m北京：中国水利水电出版 2002:7- 10 21 杨奇逊主编微型机继电保护基础m北京：中国电力出版社。1997：5-6 3 洪佩孙，许正亚编著输电线路距离保护m北京：水利电力出版社， 1986:5 4 贺家李，宋从矩编著电力系统继电保护原理m北京：水利电力出版杜， 1984：11-12 5 王瑞敏主编电力系统继电保护原理m北京：农业出版社1992：23 6 葛耀中，杜兆强，刘浩芳自适应速断保护的动作性能分析j电力系统自 动化，2001(18)：2836 7 葛耀中对自适应电流速断保护的评价j电力自动化设备，2000(6)：1-5 8 范春菊，郁惟镶自适应式电流速断保护方案j电力自动化设备，1999(3)： 1617 9 沈国荣工频变化量距离继电器研究j江苏电机工程，1986(s1)：10-12 10 沈国荣工频变化量方向继电器原理的研究j，电力系统自动化，1983(1)： 28-38 11 沈国荣，李抗，朱声石等超高速方向保护j电力系统自动化，1987(3)： 12-17 12 董杏丽，葛耀中，董新洲基于小波变换的行波测距式距离保护的研究 j电网技术，2001(7)：912 13 葛耀中，董杏丽，董新洲，索南加乐基于小波变换的电流行波母线保护的 研究（一）原理与判据j电工技术学报，2003(2)：9599 14 董杏丽，葛耀中，董新洲基于小波变换的电流行波母线保护的研究(二)保 护方案与仿真试验j电工技术学报，2003(3)：98101 朱俊杰：短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 - 43 - 附录 1 外文资料翻译 a1.1 分布式发电系统中燃料电池和蓄电池组的控制算法 phatiphat thounthong, stephane rael, and bernard davat, member, ieee 摘要-,本文旨在提出一种作为电源和电池的混合动力来源的pemfc(离子交换膜燃料电池) 新型控制算法，作 为分布式发电系统的互补，尤其是对未来的电动汽车的应用。考虑了燃料电池的动力学,可避免柴油(氢和空 气)缺少问题。很明显，比现有的控制算法要来的简单。该控制策略在于使用电池提供能量，负荷并在直流 母线上。其结构是一个燃料电流，电池电流，电池状态的充电（soc）的串级控制。为了验证所提出的原则， 硬件系统实现了为燃料电流环和电池电流和soc循环数值计算（dspace的）类比电路。实验以在马达驱动 下的小规模设备(一个功率500w燃料电池,33a,48 v铅酸电池存储器)的控制方案说明。 关键词关键词-电池组电池组串级控制,转换器,电流控制、电动汽车、储能,燃料电池(fcs)的配合使用。 介绍介绍 燃料电池(fc), 在当今时代称为高效能源,是一种众所周知的特别电力能源,以减少石油资源和危险的二氧 化碳排放量1、2。这里有许多种未来燃料电池以电解质为主要特征。最有前途的是在使用电动汽车的应 用-聚合物电解质膜燃料电池，因为pemfc(质子交换膜燃料电池体积小、重量轻相对自然,容易建造)3、4。 根据近期作品在1.2kw质子交换膜燃料电池(巴拉德系统能力股份有限公司)5,质子交换膜燃料电池 0.5kw zentrum sonnenenergie和wasserstoff-forschung,德国(zsw股份有限公司)6,其中最主要缺点是,它主要 由成倍的时间常数温度、供油系统(泵、阀门,在某些情况下,优化氢)。因此, 在很短的时间,快速负荷需求会引 起电压降,这是公认的燃料短缺现象7,8。 图a1.1给出了0.5-kw质子交换膜燃料电池电压响应目前的电流，得到降解脉宽调制器(pwm)的pid控制 以提高转换电流校正,本文后面会解释。这些测试操作有两种不同的方式:当前步骤和当前的斜率。它显示出 一个电压曲线在图a1.1(a),比图a1.1(b), 在当前步骤，由于燃油流量(特别是气流的阻滞)，使燃料电池的能源 累计较为困难9,10。因此,利用动态的,燃料电池在当前的电力斜率必须控制,例如,4as-1 0.5kw,12.5 v质子 南京工程学院电力工程学院毕业论文 - 44 - 交换膜燃料电池11。2.5kws1，40kw, 70 v质子交换膜燃料电池12;500 w.s1为2.5kw,22v质子交换膜 燃料电池13。 质子交换膜燃料电池的主要来源是一个机端母线(称为fcvs),电力系统必须至少一种辅助电源时, 在用电 负荷需求的直流母线高功率在很短的时间(例如,电机加速和减速时)，提升系统性能。 因此,许多近期作品已经就如何使用电池源在很短的时间和热身时间的废热发电高功率燃料电池的补偿 系统 14,16。你也能充分利用这一辅助能源达到一个实际的混合源的平均功率上从顶点瞬态的能量,并要 熟练的二次启动17,18。 图a1.1 结构的混合动力来源,电池fc砂土和粘性土的,由变频控制和fc能量状态,电压,和电流。注意,它已 被认为有任何损失转换器. pl,pi,pbat是负荷功率,电流,电池电源主要目的 。 本文提出了一种新的混合控制算法-电池的电动机电源应用。其控制策略在于利用燃料电池来供应能量 负荷并使电池证明对燃料的动力学。这比一般的的定义简单,用在混合源规定是为了减少一些模糊的定义。 为了证实该原理，硬件系统的实现的一个电池类比电路的电流环数值计算，用于循环的电池电流和荷电 状态(soc)。实验结果与小型装置试验台的40a基础上,12.5 v pemfc连接到直流环节(48 v,500 w)传统转换 器、铅酸电池(33ah,12v)连接在四组直流电机,再加上一个直流发电机作为电力负荷连接到直流环节,提出了系 统的性能两个象限的转换器。 ii电池的混合动力来源 a:电池的结构/电池的混合动力 电池能源电压在没有电流的情况下是最高的，因为没有电压损失在欧姆电阻上。主机额定电流,由变频 控制下降到约一半的空电压(19-(21)。不过,电池电压,例如,在一个铅酸电池,是接近恒定、独立的情况下，放 电电流大幅度下降的情况下,几乎是完全放电。22-24 之前的很多燃料混合源连接操作的电池直接向直流环节例如,直流环节电压(电池电压)honda混合的监控 144v和接口,(注:单向转换器递升直流环节,因为通常低于直流母线电压(图2)。一个高阻抗(铷)是一种保护装 置，防止直流母线过电压的。 朱俊杰：短路和系统振荡对阻抗继电器的影响的探究 - 45 - 图a1.2 fc转换电路 图a1.3 pid 控制器 27. 当一个燃料电池工作时,其燃料(氢和氧)流经“燃料电池电流处理器”的处理。目前的需求是当前的燃料电 池参考来自ifcref复合控制的详细算法。 燃料流量必须加以调整以适应反应物交换率的速度处理器。因为 这个原因,内在的电池必须使用电流控制回路才能从混合控制算法的能源需求生成直流环节, 25,才能同步电 池的处理器(图a1.3)。