自适应微机继电保护的matlab仿真实现

自适应微机继电保护的自适应微机继电保护的 matlab 仿真实现仿真实现 摘要 摘要 自从微型计算机引入继电保护以后 继电保护技术 取得了明显的进步 特别是微机保护在利用故障分量方面 自适应控制理论与继电保护结合而产生的自适应微机保护 使得变电站和发电厂的集成控制和综合自动化得以比较容 易实现 本文采用自适应继电保护的原理 利用 matlab 进 行 10kV 配电系统模型的搭建 对系统在短路时的三段自适 应保护进行仿真模拟 关键词 关键词 自适应 微机继电保护 三段保护 一一 自适应控制原理在微机继电保护中的引入自适应控制原理在微机继电保护中的引入 自适应保护是一种保护理论 根据这种理论 可以使各种保护 功能更适应即时的电力系统工况 能够根据电力系统运行方式和故 障状态的变化而实时改变保护性能 特性或定值的保护 传统的继电保护也力图适应系统运行方式的变化和故障状态 如电流的速断保护整定时 按系统最大运行方式下线路末端发生三 相短路考虑 能保证所有可能的正常和故障状态下保护不会误切被 保护的线路 但按该方法设定的定值 在其它运行方式下不是最佳 的 而且在最小运行方式或最不利的短路条件下 保护可能失效或 性能严重变差 同时电流保护中的反时限特性 差动保护中的制动 特性等也是自适应性能的体现 在继电保护进入微机时代后 这些 特性能够更好的得以应用 更值得说明的是 微机具有极强的运算 能力和数据处理能力 这就为继电保护的实时性 可靠性和快速性 的实现提供了极为有利的条件 传统的电流速断装置是在离线状态下 假定工作在最大运行方 式下进行计算整定的 随着电力系统的不断发展 电网结构越来越 复杂 其规模也越来越大 而且处在不断地变化之中 使传统的继 电保护的速断保护显得力不从心 本文所模拟的配电系统微机三段 保护能够很好的体现不同工况的自适应性 即实时的判断故障类型 系统的运行方式以及系统等效阻抗等 使整定值更准确 判断的可 靠性更高 二二 自适应微机继电保护电流速断的推导与整定自适应微机继电保护电流速断的推导与整定 电流速断是一种有效的辅助性保护 由于它不带时限动作 因此从保护 选择性出发 电流速断的定值应该躲开最大运行方式时 下一条线路出口 三相短路时流过保护的电流 maxF I Ls k FkDZ ZZ Ek IkI min max 1 式中 为电流速断的整定值 DZ I 为系统等效电源的相电势 E 为保护装置到系统等效电源之间的最小阻抗 mins Z 为被保护线路的阻抗 L Z 为可靠系数 k k3 1 2 1 k k 实践上短路电流的大小与系统运行方式 短路类型和短路点在线路上的 位置有关 设在线路处短路 则短路电流为 L Z Ls d F ZZ Ek I 2 式中 为保护装设处到系统等效电源之间的实际阻抗 s Z 为故障类型系数 d k 当上述两式相等 即可求出在实际运行方式下电流速断的保护范围 Lk skLsd Zk ZkZZk min 3 由于 1 因此实际保护的范围总小于最 k k1 d k s Z mins Z 大运行方式下的保护范围 且保护范围将随变小和增大而缩短 由d k s Z 此可以得出保护范围等于零的条件为 minLs k d s ZZ k k Z 4 为克服传统电流速断保护的缺陷 自适应电流速断保护的定值应随 系统运行方式和短路类型的实际情况而改变 其电流整定值表示为 Ls kd DZ ZZ Ekk I 5 如电流速断的定值按上式整定 必须实际测定故障类型系数和保护 d k 装设处到系统等效电源之间的阻抗 在此基础上 令 s Z 与 两式相等 可得出自适应电流速断保 Ls d F ZZ Ek I Ls kd DZ ZZ Ekk I 护范围 6 Lk skL Zk ZkZ 1 上式表明根据也不是常数 它随着实际系统的 变化而变化 但总是根据电流速断动作原理 max DIIIrelssLre IKK IK 的基本要求而处于最佳状态 系统阻抗可由故障分量和求 s Z mg U mg I 出 自适应电流速断保护范围等于零的条件为 1 k L s k Z Z 7 与传动电流速断保护的保护范围等于零两式比较可以得出 sksLd skLs ZkZZk ZkZZ min 8 得出保护范围 与传统电流速断相比 自适应电流速断保护性能得到显著提高 2 1 电流 I 段 速断保护 的整定 I 段的电流定值按 9 式子进行计算 dIreldssd IK K EZZ 9 式中 为系统等效电源的相电势 s E 为短路点至保护安装处的阻抗 即被保护线路的阻抗 由短 d Z 路点的母线电压电流的有效值之比确定 为保护安装处到系统等效电源的阻抗 由保护安装处母线电 s Z 压电流有效值之比确定 为故障类型系数 两相短路时取 三相短路时取 1 d K 3 2 为可靠系数 取为 1 2 1 3 rel K 2 2 电流 II 段 限时电流速断保护 的整定 II 段电流整定值按下一段电流整定值 I 段整定 如 10 式 dIIreldI IKI 10 式中 为下一段保护 I 段的速断电流整定值 dI I 为 II 段的可靠系数 取为 1 1 1 2 rel K 2 3 电流 III 段 定时限电流速断 的整定 自适应过电流保护为克服传统保护的缺点 要求按照当时的负 荷电流来整定动作电流的定值 动作时限按反时限特性在线或离线 整定 设当时的负荷电流为 则其动作电流就整定为 Lmax I max DIIIrelssLre IK K IK 11 式中 为 III 段定时限过电流保护的可靠系数 取为 rel K 1 15 1 25 为自启动系数 由负载的性质及电网的具体接线决定 一 ss K 般取 1 5 3 为继电器的返回系数 re K 三三 matlab 仿真模型的搭建仿真模型的搭建 3 1 10kV 配电系统的仿真模型 针对微机继电保护的自适应保护原理 本文采用 matlab 对单电 源 10kV 配电系统进行仿真 并对保护二次侧的参数进行计算整定 具体参数为 电源为 10kV 三段线路为 4km 6km 10km 线路参 数按工程参数计算 互感器 PT CT 的变比取为 600 5 负荷取有较 高功率因数的参数 故障类型由故障模块设定 搭建的模型如图 一 图 1 10kV 配电系统的仿真模型 3 算法流程 为保证算法的准确快速性 采集的数据位每周波 512 个采样点 即采样时间为 0 039ms 电压电流有效值的计算采用全波傅式算法 即 n 222 12n i 1 I ii i n 222 12 i 1 U n uuu s ZUI 3 2 1 算法的启动 由于系统发生短路故障时 不论是三相短路还是两相短路 母线电压会急剧下降 甚至为零电位 故可以作为算法启动的 判据 设定当母线电压低于百分之十的额定电压时算法启动 3 2 2 故障类型的判断 由序分量的原理可知 当发生三相故障时会有很小的不平 衡负序电流出现 而两相故障时 会有较大的负序电流出现 可据此判断线路的故障类型 N 数据采集 正常状态的参数计算 10 s UU Y d K 初 始 化 故障类型判断子程序 dK 三段保护子程序 动作报告 结 束 图 2 算法主程序 3 2 3 动作信号的发生 算法启动后 首先计算出所需要的各种参数 当正常运行 时 断路器处于闭合状态置为 1 而当故障时 故障电流大于 整定值 经算法判断 发出分闸信号使断路器置为 0 3 3 算法流程图 依据上文的论述 算法的主流程图如图 2 故障类型子 程序如图 3 三段保护子程序如图 4 中断开始 计算三相电流有效值 计算 B C 相电流的旋转角 计算负序分量的有效值 2 2 3 abc rabs ia iai 2 10 r 2 100 r N N Y Y 3 2 d k 1 d k 中断结束 图 3 故障类型判断子程序 DL1 0 11 J II 2 J II 12 J II DL1 0 2lim t tt 13 J II DL1 0 Y N N Y Y N Y N N DL2 0 Y 中断结束 中断开始 计算三相母线电流有效值 图 4 三段保护子程序 3 4 仿真波形及整定值 1 系统正常运行时负荷侧互感器的电压电流波形如图 5 1 5 2 可知系统的参数为标准对称的正弦波形 图 5 1 正常运行时负荷侧 PT 波形 图 5 2 正常运行时负荷侧 CT 波形 2 系统发生两相 A C 短路时保护一的 PT CT 波形如图 6 1 6 2 保护二的 PT CT 波形如图 7 1 7 2 负荷侧的 PT CT 波形如图 8 1 8 2 可见系统发生两相短路时 故障 相电压急剧下降 故障电流急剧上升 非故障相电压上升 电流急 剧下降 图 6 1 发生两相短路时保护一的 PT 处电压波形 图 6 2 发生两相短路时保护一的 CT 处电流波形 图 7 1 发生两相短路时保护二的 PT 处电压波形 图 7 2 发生两相短路时保护二的 CT 处电流波形 图 8 1 发生两相短路时负荷侧的 PT 处电压波形 图 8 2 发生两相短路时负荷侧的 CT 处电流波形 算法的运行结果 故障类型 三段整定值 及动作信号 保护二区间两相短路时 保护二断路 器的信号为 0 跳开切除故障 而保护一处断路器信号为 1 正常供 电 保护一区间两相短路时 保护一断路 器的信号为 0 跳开切除故障 而保护二处断路器信号为 0 亦断开 停运下条线路 3 系统发生三相短路时保护一的 PT CT 波形如图 9 1 9 2 保护二的 PT CT 波形如图 10 1 10 2 负荷侧的 PT CT 波 形如图 11 1 11 2 可见系统发生三相短路时 故障相电压急 剧下降为超低水平 故障电流急剧上升为高水平 图 9 1 发生三相短路时保护一的 PT 处电压波形 图 9 2 发生三相短路时保护一的 CT 处电流波形 图 10 1 发生三相短路时保护二的 PT 处电压波形 图 10 2 发生三相短路时保护二的 CT 处电流波形 图 11 1 发生三相短路时负荷侧的 PT 处电压波形 图 11 2 发生三相短路时负荷侧的 CT 处电流波形 算法的运行结果 故障类型 三段整定值 及动作信号 保护二区间三相短路时 保护二断路器 的信号为 0 跳开切除故障 而保护一处断路器信号为 1 正常供 电 保护一区间三相短路时 保护一断路器的 信号为 0 跳开切除故障 而保护二处断路器信号为 0 亦断开停运 下条线路 3 5 小结 由以上对 matlab 搭建模型的仿真分析可知 运行结果准确 能 够判断出故障的类型和区间 且保护能可靠动作 从而使相应的断 路器断开 切除相应的故障线路 保证了电力系统的安全稳定运行 四四 结论与展望结论与展望 本文通过理论推导 针对传统继电保护存在的缺点 自适应计 算机继电保护具有其独特的优越性 并对配电系统进行了模型的搭 建和相应三段保护的编程 仿真结果较好地验证了理论的正确性 在后续的研究中 多段的三段保护的配合整定以及动作延时的仿真 模拟将会是重点 随着理论的成熟 自适应计算机继电保护会在实 践中发挥其强大的优势 为电力系统的安全稳定运行提供强大的保 障 参考文献参考文献 1 马永翔 电力系统继电保护 M 中国林业出版社 2006 8 2 何仰赞 温增银 电力系统分析 M 华中科技大学出版社 2002 3 3 付周兴 王清亮 电力系统自动化 M 中国电力出版社 2006 4 吴天明 MATLAB 电力系统设计与分析 M 国防工业出版社 2010 7 5 郑南宁 数字信号处理 M 清华大学出版社 2007 6 罗士萍 微机保护