电流保护matlab仿真毕业设计论文.doc

长春工程学院毕业设计（论文） i 电流保护 matlab 仿真 目 录 1 引言1 2 matlab 及其模块介绍.2 2.1 matlab 编程基础2 2.2 m 文件及 m 函数.3 2.3 simulink 介绍.3 2.4 s-function 简介5 3 线路继电保护的基本原理.8 3.1 整定基本要求8 3.2 保护整定原则10 4 线路继电保护仿真.18 4.1 保护仿真软件概述.18 4.2 仿真设计步骤19 4.3 线路单相自动重合闸电流保护仿真.19 4.4 线路三段式电流保护仿真27 5 仿真结果分析.36 5.1 线路单相自动重合闸电流保护仿真结果分析36 5.2 线路三段式电流保护仿真结果分析.37 6 总结38 致 谢40 参考文献41 长春工程学院毕业设计（论文） 1 1 引言引言 本设计的题目是线路继电保护整定计算的 matlab 仿真，包括对电力系统线路整定 计算仿真和故障仿真的研究。 输电线路是电力系统中的重要电气设备。不同地区、不同类型的发电和配电设备都是 通过它连接起来的，构成电力系统网络。它的安全运行直接关系到电力系统发电、供电和 配电的稳定运行。随着现代电力系统继电保护的日益发展采用计算机仿真方法来分析研究 电力系统继电保护是解决此类工程问题的一种有效手段。matlab 语言是目前国际上流行 的一种演算纸式的编程语言，它具有强大的矩阵分析与运算功能，并且是一个开放的环境。 其中 simulink 就是为 matlab 开发的一种优秀的控制系统仿真工具软件，它具有模块 化、可重载、可封装、面向结构图编程及可视化等特点，可大大提高系统仿真的效率和可 靠性。我们可以利用工具箱中的元件模型，结合电力系统中的基本原理，搭建输电线路模 型，继而设置各种电力系统故障进行分析和调试，以期为电力系统线路故障故障仿真提供 有力根据。 在线路继电保护整定计算仿真方面，我们使用了 simulink 和 simpowersystems 工具箱， 它常用于电力系统各个方面的仿真。例如 matlab 被用于发电机、变压器、线路和负荷 等元件的建模和仿真，在输电线路研究中，有利用 matlab 对输电线路进行故障定位数字仿 真的研究。在继电保护仿真中也应用到了 matlab，如基于 matlab 开发平台的继电保护仿 真系统。 本设计主要针对线路的继电保护三段式电流保护和零序电流保护进行仿真研究。 利用 matlab 和线路继电保护的内容，使用 simulink 和 simpowersystems 工具箱，搭建 了一个线路整定计算和故障仿真模型。在系统中设定不同的故障点，分别进行了相应的仿 真，且与线路的整定计算值相配合，做到有选择性的动作，对仿真结果进行分析。 本文第 1 部分为前言，介绍了本次设计的主要思路。 第 2 部分介绍了 matlab 基础和在设计中所用到知识。 第 3 部分是线路继电保护的基本原理等基础理论知识。 第 4 部分中对线路继电保护仿真中的模型构成、参数设定及故障发生时保护装置的动 作情况作了详细说明。并介绍了所设计的线路继电保护仿真与整定计算值的配合。 长春工程学院毕业设计（论文） 2 第 5 部分对仿真实验的结果进行了分析，不同层面做出分析，对于在整个设计过程的 不同阶段也做出具体分析。 在本文的第 6 部分中总结了此次设计并给出了结论。其中包括致谢词，参考文献等。 此次毕业设计在张龙斌老师的指导下完成。 2 matlabmatlab 及其模块介绍及其模块介绍 本章简单介绍了此次设计用到的 matlab 知识，首先介绍 matlab 软件编程基础知识， 再对计算机实现线路继电保护整定计算仿真设计中用到的仿真模块的来源、功能、参数等 进行介绍。 2.1 matlab 编程基础 2.1.1 变量和数学运算 首先从 matlab 数学运算开始说明。例如要计算 1+2+3 及 110+210+310 这两个算式， 接在提示符号之后的是要键入的算式，matlab 将计算的结果以 ans 显示。 2.1.2 数组和数据 matlab 的运算事实上是以数组（array）及矩阵（matrix）方式在做运算，而这两者在 matlab 的基本运算性质上是不同的，数组强调元素对元素的运算，而矩阵则采用线性代数 的运算方式。 在声明一个变量为数组或是矩阵时，如果是要个别输入元素，需要用中括号将元素置 于其中。数组由一维元素构成，而矩阵由多维元素组成。 在介绍矩阵运算之前首先介绍几个特殊的矩阵。zeros 函数生成元素皆为 0 的矩阵； ones 函数生成元素皆为 1 的矩阵，eye 生成一个单位矩阵，之所以称为 eye 是取其发音与 原来单位矩阵符号相同，而又避免与复数定义中的虚部所用的符号 i 混淆，所以改以 eye 替代。 上述三个函数的使用语法都相似，如 zeros（m）可以产生一个 mm 的正方矩阵，而 zeros（m，n）产生的是 mn 的矩阵。也可以使用这三个函数将一个 mn 矩阵原来元素全 部取代成为 0，1 或是单位矩阵的值，不过要加上 size 指令来指出其矩阵大小是 mn，所 长春工程学院毕业设计（论文） 3 以语法为： zeros（size（a） 其中 a 为原来的矩阵 2.2 m 文件及 m 函数 matlab程序大致分为两类：m脚本文件（m-script）和m函数（m-function），它们均 是普通的ascii 码构成的文件。 m脚本文件中包含一组有matlab语言所支持的语句，它类似dos下的批处理文件。它 的执行方式很简单，用户只需在matlab的提示符下输入该m文件的文件名，这样matlab就 会自动执行该m文件中的各条语句，并将结果直接返回到matlab工作空间。使用m函数格 式变成是matlab程序设计的主流。 matlab的m函数是有function语句引导的，其基本格式如下： function 返回变量列表=函数名(输入变量列表) 注释说明语句段，由%一道 输入、返回变量格式的检测 函数体语句 这里输入和返回变量的实际个数分别有nargin和nargout两个matlab的保留变量来给出。 只要进入该函数，matlab就将自动生成这两个变量，不论是佛直接使用这两个变量。如果 返回变量多于一个，则应该用方括号括起来。输入变量和返回变量之间用括号分隔。注释 语句段的每行语句都应该由百分号引导，百分号后面的内容不执行，只起注释作用。用户 采用help 命令则可以显示出来注释语句段的内容。此外、标准的变量树木检测也是必要的。 如果输入或返回变量格式不正确，则应该给出相应的提示。 另外，因为matlab是一中注释性语言，所以即使在某个或某些函数中存在语法错误， 如果没执行到该语句时可能就不会发现该错误，这在严格的程序设计中是不容许的。要检 查某目录中所有的m函数语法错误，首先应该用cd命令进入该目录，然后运行pcode*命令 进行伪代码转换。因为该命令会将matlab函数转换成伪代码，而在转换过程中该程序将自 动翻译每一条语句，所以一旦发现有语法错误，将会停止翻译，给出错误信息。改正了该 语法错误后，再重新执行pcode命令，直到没有错误为止。这样会保证目录下所有的程序不 含有语法错误。 长春工程学院毕业设计（论文） 4 2.3 simulink 介绍 simulink是以工具库的形式挂接在matlab上的，不能独立运行，只能在matlab环境中运 行。simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散 或两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样速率的多速率系统。 simulink是由模块库、模型构造及指令分析、演示程序等几部分组成。simulink提供了 用方框图进行建模的图形接口。模块框图是动态系统的图形显示，由一组称为模块的图标 组成，模块之间采用连线联接。每个模块代表了动态系统的某个单元，并且产生一定的输 出。模块之间的连线表明模块的输入端口与输出端口之间的信号连结。模块的类型决定了 模块输出与输入、状态和时间之间的关系。一个模块框图可以根据需要包含任何类型的模 块。 模块代表了动态系统的某个功能单元，每个模块一般包括一组输入、状态和一组输出 等几个部分。 simulink模块的基本特点是参数化的，许多模块都具有独立的属性对话框，在对话框 中用户可以定义模块的各种参数。simulink包含sinks（输出方式）、source（输入源）、 continuous（连续环节）、nonlinear（非线性）、discrete（离散环节）、signals 为相邻线路距离 ii 段动作时间。 ii t ii t ii t c 相间距离保护： a 与相邻线路相间距离段配合； = 3-13 iii set z 1 . )( 2 . min. ii setbab iii rel zkzk 式中：可靠系数，0.80.85； iii rel k 为本线路阻抗； ab z 为最小分支系数； min. b k 为相邻线路距离段动作阻抗。 ii set z 2 . 动作时限：（1） 、保护范围伸出相邻变压器其他各侧母线时，+t; iii t ii t (2)、保护范围伸出变压器其他各侧母线时，+t。 iii t t t 式中：为相邻线路重合后不经振荡闭锁的距离 ii 段动作时间； ii t 长春工程学院毕业设计（论文） 15 为相邻变压器相间短路后备保护动作时间。 t t 灵敏度校验：作为近后备时=/1.5；作为远后备时1.2. sen k iii set z ab z b 与相邻变压器的电流、电压保护配合整定； = 3-14 iii set z 1 . )( minmin. zkzk bab iii rel 式中：电流、电压保护的最小保护范围对应的阻抗值。 min z 动作时限：=+t。 为相邻变压器相间短路后备保护动作时间。 iii t t t t t c 与相邻线路距离段配合； = 3-15 iii set z 1 . )( 2 . min. iii setbab iii rel zkzk 式中：=0.80.85；可靠系数； iii rel k 为相邻线路距离段动作阻抗。 iii set z 2 . 动作时限：=+t。 为相邻线路距离 iii 段动作时间。 iii t iii t iii t d 躲过最小负荷阻抗； 若采用全阻抗特性，则整定值为 = 3-16 iii set z 1 . min. 1 l ressrel z kkk 式中：按实际最不利的系统频率下阻抗元件所见到的事故过负荷最小负荷阻抗（应 min.l z 配合阻抗元件的实际动作特性进行检查）整定； 可靠系数，一般取 1.2-1.25 rel k 电机自启动系数，取 1.5-2.5 ss k 阻抗测量元件（欠量动作）的返回系数，取 1.15-1.25。 rel k 3.2.3 线路重合闸 在电力系统故障中，大多数的故障是送电线路的故障。运行经验表明，架空线路故障 大都是一些瞬时性故障，如雷电引起的绝缘子表面闪络，大风引起的碰线，鸟类或是树枝 长春工程学院毕业设计（论文） 16 等物体落在导线上引起的短路等，在线路被继电保护迅速断开以后，电弧立即熄灭，外界 的物体也被电弧烧掉而消失。此时，如果把断开的线路再合上，就能够恢复正常供电。但 是，如果故障是永久性的，如线路倒杆、断线、绝缘子击穿或损坏引起的故障，在线路被 继电保护迅速断开以后，故障仍然存在，即使再合上电源，线路还要被继电保护再次断开， 因而就不可能立即恢复供电了，必须待工作人员检修后才可再次恢复供电。由于送点线路 具有以上性质，所以采用重合闸能够大大提高供电的可靠性，减少线路停电的次数。此外， 重合闸可以提高电力系统并列运行的稳定性，提高传输容量，纠正由于断路器本身的机构 不良或误动作而引起的跳闸。 三相一次重合闸的跳、合闸方式为无论本线路发生何种类型的故障，继电保护装置均 将三相断路器跳开，重合闸启动，经预先设置的延时发出重合闸脉冲，将三相短路器一起 合上。若是瞬时性故障，因故障已经消失，重合成功，线路继续运行；若是永久性故障， 继电保护再次动作跳开三相，并且不在重合。 重合闸的启动过程：当短路器由继电保护动作跳闸或其他非手动原因而跳闸后，重合 闸均应启动。一般使用断路器的辅助常开触点或者用合闸位置继电器的触点构成，在正常 情况下，当断路器由合闸位置变为跳闸位置时，马上发出启动指令。 重合闸的时间：启动元件发出启动指令后，时间元件开始记时，达到预定的演示后， 发出一个短暂的合闸脉冲命令，这个延时就是重合闸时间，是可以整定的。 一次重合闸脉冲：当延时时间到后，它马上发出一个可以合闸脉冲命令，并且开始记 时，准备重合闸的整组复归，在复归时间内即使再有重合闸时间元件发出命令，它也不再 发出第二个合闸命令。它可保证在一次跳闸后有足够的时间合上和再次跳开断路器。 自动重合闸与继电保护的配合 为了能尽量利用重合闸所提供的条件以加速切除故障，继电保护与之配合时，一般采 用重合闸前加速保护和重合闸后加速保护两种方式，根据不同的线路及其保护配置方式选 用。 1) 重合闸前加速保护 重合闸前加速保护一般又简称为“前加速” 。它是当任何一条线路上发生故障时，第一 次都有保护瞬时无选择性动作予以切除，重合闸以后保护第二次动作切除故障是由选择性 的。采用前加速保护会使断路器工作条件恶劣，动作次数较多；重合与永久性故障时，故 障切除的时间可能较长；若重合闸或断路器拒绝合闸，则将扩大停电范围，甚至在最末一 级线路上故障时，都会使连接在这条线路上的所有用户停电。 长春工程学院毕业设计（论文） 17 2) 重合闸后加速保护 重合闸后加速保护一般又简称为“后加速” 。它是当任线路第一次故障时，保护有选择 性动作，然后进行重合。如果重合于永久故障，则在断路器合闸后，再加速保护动作瞬时 切除故障，而与第一次动作是否带有时限无关。它的优点是第一次有选择性切除故障，不 会扩大停电范围；保证永久性故障能瞬时切除，并仍然是有选择性；与前加速相比，不受 网络结构和负荷条件的限制。 综上所述，基于本设计中的线路是简单的单相线路，所以采用重合闸后加速保护。 3.2.4 零序电流保护 （1）零序电流段的整定原则： 躲过本线路末端单相或两相接地短路时可能出现的最大零序电流 3-17 max . 0 3iki relset 式中：可靠系数，可取 1.2-1.3； rel k （2）零序电流 ii 段整定原则：按与相邻线路零序电流 i 段配合整定。 3-18 1 . . 0 2 . set b ii relii set i k k i 式中：为可靠系数，可取 1.151.2；分支系数； ii rel k b k . 0 相邻线路零序电流段整定值。 i set i 灵敏度校验： 3-19 ii set sen i i k 2 . min . 0 3 式中：3i0.min 线路末端接地短路时流过保护的最小零序电流； 保全线有灵敏系数的零序电流定值对本线路末端金属性接地故障的灵敏系数应满足如 下要求： a. 20km 以下线路，不小于 1.5； b. 2050km 的线路，不小于 1.4； c .50km 以上线路，不小于 1.3。 动作时限：因相间零序电流段保护定值与相邻线路零序电流保护段配合，所以 段动作时限比相邻线路零序电流保护段的动作时限高出一个 t 即可，可取 0.3s。 长春工程学院毕业设计（论文） 18 灵敏度不够时，按与相邻线路段配合来整定。 ii set ii rel ii set iki 1 . 2 . 3-20 式中：相邻线路零序电流段整定值。 ii set i 1 . 动作时限：因相间零序电流段保护定值与相邻线路零序电流保护段配合，所以 段动作时限比相邻线路零序电流保护段的动作时限高出一个 t 即可，可取 0.6s。 （3）零序电流保护的整定原则： 按照躲开在下级线路出口处相间短路时出现的最大不平衡电流来整定 max.unb i 3-21 iii rel iii set ki max.unb i 式中：1.1 iii rel k 灵敏度校验： 3-22 iii set sen i i k 2 . min . 0 3 式中：i0.min 线路末端接地短路时流过保护的最小零序电流； 被保护线路末段故障，保护的灵敏系数。 sen k 当线路长度为 20km 以下时，不小于 1.5； sen k 当线路长度为 2050km 时，不小于 1.4； sen k 当线路长度为 50km 以上时，不小于 1.3。 sen k 动作时限：因相间零序电流段保护定值与相邻线路零序电流保护段配合，所以 段动作时限比相邻线路零序电流保护段的动作时限高出一个 t 即可，可取 0.6s。 灵敏度不够时，按与相邻线路段配合来整定。 iii set b iii reliii set i k k i 1 . 0 2 . 3-23 式中：1.1，为分支系数。 iii rel k b k0 动作时限：因相间零序电流段保护定值与相邻线路零序电流保护段配合，所以 长春工程学院毕业设计（论文） 19 段动作时限比相邻线路零序电流保护段的动作时限高出一个 t 即可，可取 0.9s。 4 线路继电保护仿真线路继电保护仿真 4.1 保护仿真软件概述 matlab是mathworks公司推出的一套高性能的数值计算和可视化软件。matlab 7. 0中包 含有simulink及功能强大的仿真电力系统(simpowersystems)模块库，它的功能非常强大， 含有电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等电工科学中常用的基本元件和系统的仿 真模型，建模只需点击和拖拉即可完成。利用matlab进行继电保护原理及装置的计算机仿 真是当今高校及科研机构学习研究新型保护装置的重要手段之一。 本文根据以上线路继电保护基本原理思路，利用matlab中的simulink模块搭建出简单的 一次供电系统，在这基础上搭建线路继电保护模块，继而设置电力系统故障运行所搭建的 模型，调试程序，达到保护按电流三段式原理和零序电流保护原理动作的目的，成功完成 线路继电保护仿真。 4.2 仿真设计步骤 第一步，利用 simulink 中的 simpowersystems 工具箱构建一个简单的单电源供电系统， 并在 matlab 环境中调试成功。 第二步，根据线路三段式电流保护和自动重合闸保护原理构建线路继电保护模块，并 结合前面搭建的供电系统进行调试。再与整定值进行配合，使保护能有选择性的动作满足 实际要求。 第三步，根据所学的电力系统基本知识和线路继电保护知识，对仿真的结果（数据、 图像、波形等）进行分析，检测实际仿真结果是否与理论知识一致，最后达到保护按实际 情况有选择性的快速切除故障。 4.3 线路单相自动重合闸电流保护仿真 图中以单侧电源线路为例，在线路的不同段可分别设置故障发生器，并设置线路重合 闸电流保护。所建仿真模型如图 4-1 所示。 长春工程学院毕业设计（论文） 20 图 4-1 线路单相自动重合闸电流保护模型 该模型各个模块参数设置如下：（只需双击模块即可实现修改参数） 1） “交流电压源”模块实际为一个单相电源模块(ac volatge source block)，通过设定 该模块的参数来模拟单电源系统。其参数如下表 4-1 所示。 表 4-1 交流电压源模块参数表 交流电压源模块参数单电源系统 peak amplitude (v)100 phase (deg)0 frequency(hz)50 长春工程学院毕业设计（论文） 21 sample time0 measurementsnone 2）断路器模块“breaker”参数如表 42 所示。 表 4-2 断路器模块参数表 断路器模块参数break breakers resistance ron(ohms)0.01 initial state1 snubbers resistance rs(ohms)1e6 snubbers capacitance cs(f)inf external control of switching times measurementsbranch volatge and current 3)线路模块参数如表 43 所示 表4-3 线路模块参数表 线路模块参数line 1 300 km resistance(ohms)1 inductance(h/km)0.1 capacitance(h/km)inf set the initinal capacitor volatge capacitor initinal volatge (v)0 set the initinal inductor current inductor initinal current0 measurementsnone 4) 故障模块参数如表 4-4 所示。 表4-4 故障模块参数表 故障模块参数three-phase fault phase a fault phase b fault phase c fault fault resistances ron (ohms)0.001 长春工程学院毕业设计（论文） 22 ground fault ground resistances rg(ohms)0.001 external control of fault timing initinal status of fault0 0 1 snubbers resistances rp (ohms)1e6 snubbers capacitance cp (ohms)inf measurementsfault voltages and currents 5) 定时器模块参数如表 4-5 所示。 表4-5 定时器模块参数表 定时器模块参数timer time (s)0 0.3 amplitude0 1 6) 继电器模块参数如表 4-6 所示。 表4-6 继电器模块参数表 继电器模块参数relay switch on point3 switch off point2 output when on1 output when off0 enable zero crossing detection sample time (-1 for inherited)-1 7) 电流测量模块如表 4-7 所示。 表4-7 电流测量模块参数表 电流测量模块参数current measurement output signalmagnitude 4.3.1 “单相自动重合闸”电流保护模块子系统（subsystem） 单相自动重合闸电流保护模型可以分为 6 个部分： （1）测量模块，由万用表（multimeter）采集流过图 4-1 中线路首端断路器模块的电 长春工程学院毕业设计（论文） 23 流，从而得到电流的采样值。 （2）保护模块，模块主要由傅立叶变换模块（fourier） 、继电器(realy)、延迟模块 (transport delay,本例中设入延时值为 0.05s),其主要功能是将经傅立叶变换后的零序电流幅 值与定值相比较，一旦大于定值，才经延时输出为“0” 。 （3）保护出口模块，该模块的主要功能是将保护模块的动作行为保持，主要由非门 (not)、加法器(sum)和常数(constant)、使能子系统模块(enable subsystem)构成。由于使 能子系统模块的特点是：使能端输入正数或零时，子系统开启；使能端输入负数时，子系 统关闭，模块输出端为初始值或保持前一状态。而保护模块中延迟模块的输出为“1”或 “0” ，因此不能接在使能端上，否则会一直使保护出口模块始终处于使能状态，输出为 “1” 。由图 4-1 可见，如保护模块中延迟模块的输出为“0”,则经非门再与常数-0.5 相加后， 可是保护出口模块使能端输出为“1”。保护出口模块输出为“0” 。 （4）重合闸模块，主要功能是在第一次判断线路发生故障跳闸后，经过一段时间实现 断路器重合。主要由非门，一个常数发生器（发出-0.5） ，加法器、使能子系统、延迟模块 （transport delay,本例中设入延时值为 0.3s）组成。如保护模块输出为 0，则经整定延时后， 重合闸使能出口模块输出为“1” 。 （5）后加速模块，主要功能是判断断路器重合后故障是否存在。如故障依然存在，则 发出跳闸命令并不再重合；如故障解除，则保持合闸状态。主要由非门(not)、加法器 (sum)和常数(constant)、使能子系统模块(enable subsystem)等模块构成。后加速模块的逻 辑功能基本等同于保护模块和保护出口模块的功能合成，不同的是后加速模块是在重合闸 后启动的，另外，该模块要实现加速跳闸的功能，因此在本例中设定延时值为 0.01s。 （6）执行模块，将（2） 、 （3） 、 （4）部分的波形相加，最终形成正确的断路器控制波形。 注意在一个采样点，还有子系统命名问题，不能重复。 4.3.2 系统中的小模块介绍 1）基波傅立叶变换 傅立叶模块的作用是输出各相电流的基波和幅值，从而输入 s-function 模块中使运 算中通过公式 a+ jb = i*cosj + ji*sinj，把电流变换成复数形式进行运算。如图 4-3 所示。 长春工程学院毕业设计（论文） 24 图 4-2 基波傅立叶变换 2）继电器模块 它的功能就跟实际的继电器一样，当输入值大于预先设置的定值时，输出为“1” ，即 动作；当输入值小于预先设置的定值时，继电器返回，输出为“0” 。其参数设置如图 4-3 所示。 图 4-3 继电器模块参数设置图 3）延迟模块 它的功能就是将输入信号延迟一个时间，这个时间可以根据时间情况来设置。其参数 设置如图 4-4 所示。 长春工程学院毕业设计（论文） 25 图 4-4 延迟模块参数设置图 4）非门模块 它的功能就是对输入的信号值取反，输入是“1” ，输出则为“0” ； 输入是“0” ，输出 则为“1” 。 4.3.3 设置故障与仿真结果 因为本仿真是对线路发生接地故障时，断路器跳闸继而再重合闸，所以就在线路的中 点设置了一个接地故障，具体又分为永久性和瞬时性接地故障： 1）永久性接地故障 本设计设置的是线路在 0.3s 发生永久性接地故障，在设置完仿真参数后，执行仿真， 仿真结果是：线路在 0.3s 之前是正常运行的有一个线路电流，在 0.3s 发生永久性接地故障， 电路电流突然变大，在经过保护的 0.05s 延时后跳闸，经过 0.1s 延时后，重合闸动作，断 路器重合，又经过 0.08s 延时后，重合闸后加速，之后重合不成功，断路器跳开，不在重 合。仿真波形如下图 4-5 所示： 图 4-5 永久性接地故障仿真波形图 长春工程学院毕业设计（论文） 26 2）瞬时性接地故障 本设计设置的是线路在 0.3s 发生瞬时性接地故障，在设置完仿真参数后，执行仿真， 仿真结果是：线路在 0.3s 之前是正常运行的有一个线路电流，在 0.3s 发生永久性接地故障， 电路电流突然变大，在经过保护的 0.05s 延时后跳闸，经过 0.1s 延时后，重合闸动作，断 路器重合，又经过 0.01s 延时后，重合闸后加速，之后重合成功。仿真波形如下图 4-6 所示： 图 4-6 瞬时性接地故障仿真波形图 长春工程学院毕业设计（论文） 27 图 4-7 重合闸后加速模块各信号波形图 4.4 线路三段式电流保护仿真 本设计是根据继电保护中线路三段式电流保护的原理，模拟单侧电源系统中，线路发 生故障是保护的动作情况，并对其进行数字、波形仿真。这里当然涉及到了三段式电流的 整定计算与各段保护之间的配合，如前 3.2 所述。模型搭建起来之后，我们可以在线路的 不同段可分别设置故障，仿真线路保护中电流速断保护（段） 、限时电流速断保护(段) 和定时限过电流保护(段)的动作情况。所建仿真模型如图 4-8 所示。 长春工程学院毕业设计（论文） 28 图 4-8 线路三段式电流保护模型 4.4.1 该模型各个模块参数设置如下：（只需双击模块即可实现修改参数） 1） “交流电压源”模块实际为一个单相电源模块(ac volatge source block)，通过设定 该模块的参数来模拟单电源系统。其参数如下表 4-8 所示。 表 4-8 交流电压源模块参数表 交流电压源模块参数单电源系统 peak amplitude (v)10e3 phase (deg)0 长春工程学院毕业设计（论文） 29 frequency(hz)50 sample time0 measurementsnone 2）断路器模块“break”参数如表 49 所示。 表 4-9 断路器模块参数 断路器模块参数break breakers resistance ron(ohms)0.01 initial state1 snubbers resistance rs(ohms)1e6 snubbers capacitance cs(f)inf external control of switching times measurementsbranch volatge and current 3)线路模块参数如表 410 所示 表4-10 线路模块参数表 线路模块参数line 0/1/2 resistance(ohms)0.3/5/3.5 inductance(h/km)0 capacitance(h/km)inf set the initinal capacitor volatge capacitor initinal volatge (v)0 set the initinal inductor current inductor initinal current0 measurementsnone 4) 故障模块参数如表 4-11 所示。 表4-11 故障模块参数 故障模块参数three-phase fault phase a fault phase b fault phase c fault 长春工程学院毕业设计（论文） 30 fault resistances ron (ohms)0.001 ground fault ground resistances rg(ohms)0.001 external control of fault timing initinal status of fault0 0 1 snubbers resistances rp (ohms)1e6 snubbers capacitance cp (ohms)inf measurementsfault voltages and currents 5) 定时器模块参数如表 4-12 所示。 表4-12 定时器模块参数表 定时器模块参数timer time (s)0 0.1 amplitude0 1 6) 继电器模块参数如表 4-13 所示。 表4-13 继电器模块参数表 继电器模块参数relay/ relay1/ relay2 switch on point1800/820/320 switch off point1790/815/317 output when on1 output when off0 enable zero crossing detection sample time (-1 for inherited)-1 7) 电流测量模块参数如表 4-14 所示。 表4-14 电流测量模块参数表 电流测量模块参数current measurement output signalmagnitude 8) 乘法模块参数如表 4-15 所示。 表4-15 乘法模块参数表 乘法模块参数multiply 长春工程学院毕业设计（论文） 31 number of inputs* multiplicationelement-wise(.*) sample time-1 9) 延时模块参数如表 4-16 所示。 表4-16 延时模块参数表 延时模块参数transport delay/delay1/delay2 time delay0.01/0.1/0.2 initial input0 initial buffer size6144/10240/20480 pade order0 4.4.2 线路三段式电流保护模块子系统（subsystem） 线路三段式电流保护模型可以分为以下 4 个部分： 1）电流保护段，该子系统主要功能是：当线路在段范围内发生故障时，保护立即 启动并切除故障，它只能保护本线路的一部分。它是将经过傅立叶模块变换的电流与预先 设置的继电器电流相比较，若大于预置值则输出 1，反之输出 0，这个信号再经过延迟模块， 因电流段是速断保护，所以这个延迟时间很小（0.001） ，然后经过保护出口将最终的信 号输出给断路器的外部控制端。保护出口部分主要由非门(not)、加法器(sum)和常数 (constant)、使能子系统模块(enable subsystem)构成，其主要功能是将保护模块的动作行为 保持。这与单相重合闸仿真是一致的。 2）电流保护段，该子系统主要功能是：当线路在段范围内发生故障时，保护经过 一个动作延时启动并切除故障，它能保护本线路的全长。其动作原理与电流保护段基本 相同，只是延迟时间不一样，当满足灵敏度的情况下段的延迟时间是 0.5s，当灵敏度不 满足要求时，它的动作时间应与下一保护的段相配合，延迟时间就等于下一保护的段 延迟时间加上 0.5s。 3）电流保护段，该子系统主要功能是：当线路在段范围内发生故障时，保护经过 一个动作延时启动并切除故障，它不仅能保护本线路的全长，而且能保护下级相邻线路的 全长。其动作原理与电流保护段基本相同，也只是延迟时间设置不一样。当满足灵敏度 的情况下，它的动作时间应与下一保护的段相配合，所以延迟时间等于下一级保护的 长春工程学院毕业设计（论文） 32 段延迟时间加上 0.5s。若灵敏度不满足要求，则应当考虑电流电压连锁保护或是距离保护。 4）保护总出口部分，该部分的功能就是将 1） 、2） 、3）部分的输出信号相与，就是当 段输出为 1，段输出为 0，段输出也为 0 时，经过一个乘法模块，总输出就为 0，将 断路器跳开。同理，当故障发生在段或是段范围内时，保护也是按这个原理动作的。 4.4.3 设置故障与仿真结果 根据线路三段式保护的原理以及各段保护之间的配合，我们可以在线路的不同段设置 故障，模拟各段保护的动作情况。 1）模拟电流段保护动作，在电流段的范围内设置故障，将线路 1 的值设置为 5，线路 0、2 分别为 0.3、3.5。设置仿真参数如下图 4-9 所示: 图 4-9 三段式电流保护仿真参数设置图 执行仿真后，仿真结果如下图 4-10 所示： 长春工程学院毕业设计（论文） 33 图 4-10 电流段仿真波形图 1 图 4-10 电流段仿真波形图 2 由图可以看出线路在 0.05s 发生了故障，产生一个较大的短路电流，之后经过一个很 小的延时 0.001s，断路器 1 跳闸。电流段成功按时动作。 2）模拟电流段保护动作，在电流段的范围内设置故障，由于本设计是模拟线路不 同段发生故障，所以就可以直接改变线路 1 的值来模拟线路不同段的故障。将线路 1 的值 长春工程学院毕业设计（论文） 34 设置为 10，线路 0、2 分别为 0.3、3.5。仿真参数同 1） ，执行仿真后，仿真结果如下图 4-11 所示: 图 4-11 电流段仿真波形图 1 图 4-11 电流段仿真波形图 2 由图可以看出线路在 0.05s 发生了故障，产生一个较大的短路电流，之后经过预先设 长春工程学院毕业设计（论文） 35 置的延时 0.5s，断路器 1 在 0.55s 跳闸。电流段成功按时动作。 3）模拟电流段保护动作，在电流段的范围内设置故障，由于本设计是模拟线路不 同段发生故障，所以就可以直接改变线路 1 的值来模拟线路不同段的故障。将线路 1 的值 设置为 15.5，线路 0、2 分别为 0.3、3.5。仿真参数同 1） ，执行仿真后，仿真结果如下 图 4-12 所示: 图 4-12 电流段仿真波形图 1 图 4-12 电流段仿真波形图 2 由图可以看出线路在 0.05s 发生了故障，产生一个较大的短路电流，之后经过预先设 长春工程学院毕业设计（论文） 36 置的延时 1.0s，断路器 1 在 1.05s 跳闸。电流段成功按时动作。 5 仿真结果分析仿真结果分析 5.1 线路单相自动重合闸电流保护仿真结果分析 1）永久性接地故障 仿真结果如 4.3.3 中所示，从仿真的波形我们可以清楚直观的看到：线路在 0.3s 之前有一 个正常运行幅值为 1.51a 的线路正弦电流，在 0.3s 发生永久性接地故障，电路电流突然变 大到-4.5a，这时经过傅立叶变换的电流幅值大于保护模块中继电器设置的动作电流 3a,保 护启动，经过预先设置的 0.05s 延时后跳闸，由于线路采用的是单相自动重合闸，所以在 经过 0.1s（预先设置值）延时后，发出一个可以合闸脉冲命令，重合闸动作，断路器重合， 但由于所设置的故障是永久性故障，合闸之后故障依然存在，因此经过 0.08s（预先设置值） 延时后，会加速保护动作瞬时切除故障，并不再重合。这与单相自动重合闸的动作原理是 一致的，说明了仿真成功。 2）瞬时性接地故障 我们可以从 4.3.3 的仿真结果看到：线路在 0.3s 之前有一个正常运行幅值为 1.51a 的 线路正弦电流，在 0.3s 发生瞬时性接地故障，电路电流突然变大到-4.5a，这时经过傅立叶 变换的电流幅值大于保护模块中继电器设置的动作电流 3a,保护启动，经过预先设置的 0.05s 延时后跳闸，由于线路采用的是单相自动重合闸，所以在经过 0.1s（预先设置值）延 时后，发出一个可以合闸脉冲命令，重合闸动作，断路器重合，由于所设置的故障是瞬时 性故障，跳闸后的再次合闸电流幅值由于负荷自启动会很大，当大于 3.33a(预先设置值)继 电器动作，重合闸装置加速动作，将断路器成功合上，并不再跳开。这与单相自动重合闸 的动作原理是一致的，说明了仿真成功。 这里有必要说明一下重合闸后加速的整个动作过程，由于仿真中示波器窗口只能显示 比较小的一段时间，所以将故障时间设置在 0.23s，仿真时间为 0.5s，从波形图我们可以看 到： 信号 1：经过重合闸模块出来的信号在 0.392s 到 0.45s 之间为 1，这是因为故障是在 0.23s，加上 0.05s 延时跳闸时间，加上 0.1s 延时重合闸时间，还有一些装置本身工作时间， 所以在 0.392s 信号变为 1。 信号 2：它是电路中的电流经过傅立叶模块的电流信号再与电流继电器比较出来的信 长春工程学院毕业设计（论文） 37 号，在 0.375s 到 0.458s 之间为 1，这是根据线路中实际实时电流比较出来的。 信号 3：只是对信号 1 加了一个常数-0.5，使进入使能子系统的使能控制端有正有负。 信号 4：由于信号 3 在 0.392 之前为 0，即使能控制端输入为 0，所以经过 enabled subsystem2 后，输出也为 0；0.392s 之后由于控制端输入端变为 1，输入端(信号 2)也为 1，所以输出为 1；0.45s 后控制端输入端变为 0，使能子系统应该保持前一状态，所以输出 仍为 1。 信号 5：只是对信号 4 加了一个常数-0.5，使进入使能子系统的使能控制端有正有负。 信号 6：它的使能控制端是信号 5,输入 in1 是信号 4，与信号 4 的输出原理同理可得信 号 6 在 0.392s 变为 1，一直到仿真结束。 信号 7：只是对信号 6 延迟 0.08s,即重合闸后加速时间。 信号 8：是加法器 sum5 的输出信号。 信号 9：信号 8 减去信号 7。 通过波形分析，重合闸后加速模块是通过对重合闸期间电流信号变化的提取，来进行电流 继电器动作值的设置，使其在指定时刻重合闸，经过后加速时间重合，若重合与永久性故 障，则断路器跳闸并不在重合。 5.2 线路三段式电流保护仿真结果分析 仿真结果可以从 4.4.3 中可以看到： 对于电流段保护仿真，由图 4-10 可以看出线路在 0.05s 发生了故障，产生一个较大 的短路电流，之后经过一个很小的延时 0.001s，断路器 1 跳闸，电流段成功按时动作。 但是这个故障必须设置在电流速断的保护范围内。这期间其实电流段和段都启动了， 只是它们带有一个动作延时，在还没来得及动作时，电流段已经动作，并跳开短路器， 以致线路电流减小，段和段都返回而不动作。如果将线路 1 的值再设置的大点，也就 是远离保护段范围的末端，则保护段不会动作，而是限时电流速断保护（段）动作。 通过仿真波形我们可以看出仿真是合乎保护动作原理的，仿真成功。 对于电流段保护仿真，由仿真的波形图 4-11 可以看到，线路在 0.05s 发生了故障， 产生一个较大的短路电流，但这个电流值小于电流段的启动值，所以电流段不会启动， 而电流段和段会启动，在经过段预先设置的延时 0.5s 后，断路器 1 在 0.55s 跳闸， 电流段成功按时动作。这是因为电流三段虽然启动，但是还没来得及动作，电流段已 长春工程学院毕业设计（论文） 38 经将故障切除，以致电流减小使段返回，这也正是电流保护为什么要有动作时限配合的 原因。 对于电流段保护仿真，由仿真的波形图 4-12 可以看到，在 0.05s 发生了故障，产生 一个较大的短路电流，之后经过预先设置的延时 1.0s，断路器 1 在 1.05s 跳闸，电流段成 功按时动作。这是因为在线路末端发生短路，产生的短路电流较小，使得保护段和段 都不会启动，而段启动，经过预先设置的延迟时间 1.0s 后，段动作而跳闸，切除故障。 这里其实下一级线路的保护段也启动了，最先动作的应该是它，但为了模拟三段动作情 况，我们就假设了下一级线路的段因失灵或其他原因而拒动，来仿真段动作情况。电 流段它不仅作为本线路主保护拒动时的近后备保护，而且作为下级相邻线路保护拒动和 断路器拒动时的远后备保护，同时还作为过负荷时的过负荷保护。通过仿真波形我们可以 看出仿真是合乎保护动作原理的，电流段保护仿真成功。 6 总结总结 本次毕业设计是围绕“线路继电保护整定计算的 matlab 仿真”这一课题展开的， 在张老师的悉心指导下，对所预想的问题都有了较满意的答案。毕业设计这一实践性环节 培养了我针对实际问题确定研究方案的能力