电网方向性电流保护的建模与仿真.doc

电网方向性电流保护的建模与仿真 摘 要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。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，即三段式电流保护中I段保护的整定进行建模和仿真，还有关于方向性元件的建模的研究。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方向性元件的模型，并且进行了相应的仿真，最后对仿真结果进行具体的分析，进而完成整个设计。关键词：Simulink、Matlab、继电保护目 录1 绪论12 输电线路电流保护I段的整定计算22.1 电流速断保护22.2 电流保护I段整定计算23 输电线路电流保护I段的建模33.1 Matlab中Simulink介绍33.2输电线路电流保护I段的建模34 方向性元件建模74.1 方向性元件建模74.2. 输电线路电流保护1.2的构成75 方向性电流保护进行仿真95.1 三相短路95.2 两相短路115.3 两相短路接地135.4 单相短路接地156 结论17参考文献181 绪论 本设计的题目是电网方向性电流保护的建模与仿真，其中包括对输电线路电流保护进行I段的整定和对电网的方向性电流保护进行建模与仿真。输电线路是电气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，采用计算机仿真的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能力，并且是一个开放的环境。其中SIMULINK就是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，结合点办理系统的基本原理，搭建输电线路的基本模型，继而设置各种电力系统故障进行分析和调试，以其为电力系统线路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。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，即三段式电流保护中I段保护的整定进行建模和仿真，还有关于方向性元件的建模的研究。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方向性元件的模型，并且进行了相应的仿真，最后对仿真结果进行具体的分析，进而完成整个设计。2 输电线路电流保护I段的整定计算2.1 电流速断保护电流速断保护（电流保护I段）：根据继电器保护速动性的要求，保护装置动作切除故障的时间，必须满足稳定和保证重要用户供电的可靠性，原则上总是越快越好，因此力求装设快速动作的继电保护，电流速断保护就是这样的保护不可能保护线路的全长。2.2 电流保护I段整定计算 原始数据参数：电源：| = | = 110 kV，电源和的相位差d = 60，XGA = 18，XGB = 13； 线路：线路阻抗ZAB = 0.4W/km，线路长度LAB = (60 (1 + 14/27)km； 故障点位置：距A母线(20 (1 + 14/27)km处； 故障类型：三相短路、两相短路、两相短路接地、单相短路接地。解： 设短路点为C点，由条件得； 所以，对于保护1来说，I段整定值为1.56KA, 对于保护2来说，I段整定值为1.69KA。3 输电线路电流保护I段的建模3.1 Matlab中Simulink介绍本章简单介绍了此次设计用到的Matlab 中Simulink的知识，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 & System（信号与系统）、Math（数学模块）和Functions& Tables（函数和查询表）等子模型库。SIMULINK 在诸如Communication Toolbox，Nonlinear Control Design Blockset，Power System Blockset 等工具箱的配合下，还可以完成对诸如通行系统、非线性控制系统、电力系统的建模、分析和仿真。3.2输电线路电流保护I段的建模电力系统是由发电厂、变电所、输配线路直到用户等在电气上相互连接的一个整体，包括了从发电到输电、配电直到用户的全过程，整个电力系统组成了一个庞大且错综复杂的网络结构。本课题选择110kV双端电源供电系统作为仿真模型，原理图如图3-1，图3-1 110kV双端电源供电模型图图3-2为电力系统仿真模型，电源采用“Three-phase soure”模型，电源和电源电势相差。图3-2电力系统Simulink仿真模型根据原理图在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，为了后续的微机保护算法的仿真实现线路保护，运用傅里叶级数法，傅里叶级数算法（简称傅氏算法）的基本思路来自傅里叶级数，算法本身具有滤波作用。它假定被采样的模拟信号是一个周期性的时间函数，除基波外还含有不衰减的直流分量和各次谐波，可表示为 式中、分别为直流、基波和各次谐波的正弦项和余弦相得振幅，其中、。由于各次谐波的相位可能是任意值的，所以，把它们分解成有任意振幅的正弦项和余弦项之和。、分别为基波分量的正、余弦项的振幅，为直流分量的值。根据傅氏级数的原理，可以求出、分别为 傅里叶级数算法只需要求出求出、就可以求出基波电流的有效值，在MATLAB/Simulink中有单独的快速傅里叶变换模块，进行参数设置可以求出输入信号基波的有效值和相角，采样频率为仿真步长时间，因此在傅里叶级数算法仿真模型（如图3-3所示）。 图3-3：傅里叶计数法电流保护I段的模型电流保护段，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。4 方向性元件建模4.1 方向性元件建模在如图3-1所示的双端电源系统中，系统的三段电流保护还应该加上功率方向继电器来判断功率的方向，以保证断路器在正方向故障时能够可靠动作，而反方向故障时不动作。功率方向判断一般采用90接线法，即要对某一相进行功率方向的判断时，应采用该相的相电流和另外两相间的线电压进行比相，在此，比相的方法采用瞬时采样正弦型比相判据算法，并在MATLAB/Simulink中建立仿真模型，如断路器的a、b、c三相的功率方向判断模块如图4-1所示，其中功率方向判断结果中大于0表示正方向故障，可以动作，小于等于0表示反方向故障，断路器应该不动作。线路三段式电流保护必须与断路器的功率方向判断一起使用，只有当两个条件即方向、电流都满足的情况时断路器才能动作。图4-1方向性元件建模原理图4.2. 输电线路电流保护1.2的构成 如图4-2为线路中保护1的构成线路中保护1的构成 如图4-3为线路中保护2的构成线路中保护2的构成5 方向性电流保护进行仿真5.1 三相短路图5-1-1 A.B.C三相短路5-1-2三相短路中电流5-1-3三相短路电压5.2 两相短路5-2-1A.B两相短路5-2-2A.B两相短路电流5-2-3A.B两相短路电压5.3 两相短路接地5-3-1B.C两相短路接地5-3-2B.C两相短路接地电流5-3-3B.C两相短路接地电压5.4 单相短路接地5-4-1A相短路接地5-4-2A相短路接地电流5-4-3A相短路接地电压6 结论随着电力系统规模的不断扩大，对电力系统安全性、可靠性、高效性运行的要求越来越高，微机保护应运而生，且正逐渐地取代了传统继电保护，而微机保护算法是电力系统微机保护的核心，因此对微机保护算法的仿真研究具有重要的意义，本课题主要对电力系统微机保护的算法进行仿真研究。通过学习，对电力系统微机保护及其算法的知识有了一定的了解，且根据课程设计课题的要求完成了相关的建模与仿真。学习了目前电力系统继电保护的研究状况及其发展前景。分析了几种典型的电力系统微机保护算法的基本原理。在MATLAB/Simulink仿真软件平台下搭建110kV双侧电源系统微机保护仿真模型，实现该电力系统的线路三段式电流保护功能，并且对一段整定进行了建模。又在此基础上假设方向性元件进行了建模与仿真。针对仿真结果进行分析，并得出仿真结果与理论结果基本一致的结论。通过以上的工作基本上完成了本课题的基本要求，但是由于知识水平的有限和时间的急迫，对本课题的研究还存在一些不足之处，主要是在模型搭建时，考虑情况过于理想化了，如线路模型、变压器