基于Matlab的距离保护仿真(共5页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上第29卷第8期 2010年8月实验室研究与探索 RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORYVol. 29 No. 8 Aug. 2010基于Matlab的距离保护仿真陆桂华，王宝华(南京理工大学动力工程学院，江苏南京)摘要：介绍了利用Matlab中的Simulink及PSB工具箱建立线路距离保护仿真模梨的方法，并用S函 数编制相间距离保护和接地距离保护算法程序，构建相应的保护模块，实现了三段式距离保护。仿真结 果表明，所建立的三段式距离保护模型能够正确反映在保护区内的不同类型的短路故障并发出动作信 号，使断路器跳闸实现输电线路的保护功

2、能。关键词：Matlab; S函数；仿真；距离保护；微机保护中图分类号：TM 773文献标识码：A文章编号= 1006 -7167(2010)08 -0053 -05Distance Protection Simulation Based on MatlabLU Gui-hua, WANG Bao-hua (School of Power Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing ，China)Abstract ： A distance protection simulation model of tr

3、ansmission line was established by using Simulink and SimPowerSystem toolbox in Matlab. S-function was used to programe the distance protection of phase faults and earth faults and the relevant protection models were created to build distance protection. The simulation results show that the three-st

4、age distance protection model can respond to all kinds of faults within protection zones correctly and send correct signal to the breaker of the line.Key words ： Matlab ； S-function ； simulink ； distance protection ； microprocessor-based protective relayingi引言Matlab软件中的SimPowerSystem电力系统仿真模 块集是基于Sim

5、ulink环境的电力系统仿真工具箱，提供 了各种电力系统仿真元件模块库，这些模块以图形的形 式表示电力系统设备的数学模型。用户可以通过搭积 木的方式建立所需仿真模型，能够设计并封装自己所需 的模块,还可以将仿真结果导入Matlab工作空间以分析 仿真结果。其灵活性、方便性及实时准确性为电力系统 继电保护的仿真验证提供了平台，极大地方便了继电保 护的算法分析设计。因而PSB在电力系统教学、课程设 计及相关研究领域中得到了广泛的应用。继电保护仿真时要求保护模块能够实时地监测一次收稿日期:2010-01 -03作者简介：陆桂华（1987 -)，女，江苏扬州人，硕士研究生，研究方 向为电力系统继电保护

6、。Tel. ： ； E-mail：Iuguihua8 163. com 通信作者：王宝华（1968 -),男，江苏海安人，副教授，博士，研究方 向为电子系统分析与控制。系统，并能及时将保护信号反馈给系统从而实现保护的 实时性。文献2中通过搭建继电器模块实现了传统方 式的继电保护，而且具有实时性,但若要改变保护原理就 得重新构建继电器模块,不利于保护模块的移植和推广。 目前,继电保护已经进人微机保护时代,保护原理都是用 软件程序实现34,因此保护算法主要用程序来实现。虽 然Matlab可以在工作空间中用保护算法程序对一次系统 仿真后的运行结果程序分析判断得出动作信号,但这样 却不能实现保护动作的

7、实时性及可观察性。因此，如何 利用Matlab建立具有实时性的微机保护模块是继电保护 仿真的关键。文献5中应用S函数实现变压器差动保 护的仿真。S函数是能够使程序与Simulink解法器进行 交互的模块，能够将程序嵌人到Simulink中实现用程序 实时地控制电力系统模型的功能。本文以距离保护为例研究了如何利用Matlab建 立可移植性高的微机保护装置，从而实现保护的实时 性。详细阐述了建立距离保护模块的过程，并将保护 算法集中在程序中，不仅可以对保护算法进行验证，还 可以通过修改保护程序构成基于其他保护原理的保护专心-专注-专业54实验室研究与探索第29卷图3保护模块结构框图因此，需要将相间

8、距离保护和接地距离保护组合 在一起构成总的保护模块，才能够反映保护范围内所 有类型的短路故障。保护动作判据采用全阻抗圆特 性，其动作方程为：|Zset|，相间距离保护和接地距离保护的整定值相同。设定不同的整定值会得到不同的保护范围，因此 可以将3个整定值不同的距离保护模块以及延时模块 构成三段式距离保护，实现本线路的主保护和下级线 路的后备保护。最后，再设计1个启动元件用于控制三段式距离 保护模块的投切。只有当启动元件判别出故障发生时 才将三段式距离保护模块投人工作。3.2距离保护模块构建接地距离保护和相间距离保护只是所选取的测量 电压和测量电流不同，其基本结构类似，结构框图 如图3所示。3保

9、护模块的构建3.1 距离保护设计原理距离保护由于测量阻抗的构成方式不同，可以分 别构成相间距离保护和接地距离保护w。相间距离 保护采用的测量电压是相间电压，测量电流也为相间 电流，能够反映相间短路、两相接地短路和三相短路故 障，但不能反映单相接地故障,其测量阻抗为：7 Ua-Ub d 7 uc - UA= T，ml m3 ；h -hh!ch(1)接地距离保护采用测量电压为相电压，测量电流 为带有零序电流补偿的相电流，能够反映单相接地故 障、两相接地故障、三相接地故障，但不能反应相间短 路故障，其测量阻抗为：UAUB7 一 7一，mOIA + K 3/0IB+K3/。UcLh+K 3/0式中A是

10、补偿系数(A - )/3z,o検块，因而所建立的仿真模型具有可移植性，可用于验 证各种新的保护原理，有利于保护原理的创新，具有一 定的推广价值。2仿真模型的建立建立具有两级线路的单端电源110 kV单回线输 电线路系统，如图1所示。距离保护安装在线路AB 的断路器处，作为本线路AB的主保护以及下级线路 BC的后备保护。在Matlab/Simulink中建立仿真模型，如图2所 示。在断路器处安装有保护模块及其启动元件。保护模块经封装成子系统，其输人信号为电压电流测 量值和由启动元件发出的投切信号，输出信号送至 断路器的控制端，以控制断路器的开合状态（信号0 表示跳闸，信号1表示合闸，断路器初始状

11、态为合 闸）。启动元件是通过负序电流来判别系统是否发 生故障，只有当故障发生时才将整套保护模块迅速 投人工作。使用元件库里的故障模块进行故障点的 设置，可以方便地设置故障类型以及故障起始时刻。 通过改变故障点2侧线路的长度来改变故障点的位 置，但2侧线路的长度之和始终保持200 km不变。10.5 kV 10.5/121 kVr,110 kV 100 km110/10.5 kV100 Ion图1单端电源电力系统10 kVT2S«1.2+j0.9MVA图2距离保护仿真模型动作出口童流测电电动保寺 继器作持开态间躲暂时保护程 序 S函数波里变免 基傅叶换量压测电第8期陆桂华，等：基于Ma

12、tlab的距离保护仿真55基波傅里叶变换模块的作用是滤除故障时测量 电气量中的谐波分量，只保留基波分量。将得到的 基波分量再送人S函数模块，该S函数模块会调用 相应的保护程序，在保护程序中将测量电气量的基 波分量进行运算得到测量阻抗，再将测量阻抗与整 定值比较。当满足动作方程时，程序就输出信号0， 表示跳闸；当不满足动作方程时就输出信号1,表示 不动作。S函数中的程序在仿真运行过程中是不断 循环执行的，保护输出信号能随着输人电气量的改 变而实时的改变，因此具有实时性8。该输出信号 还需要经过躲开暂态时间模块和继电器动作保持模 块才能作为最终的保护的动作出口信号。因为故障 发生瞬间，有很大的暂态

13、分量，尽管已用傅里叶滤 波，但暂态分量还是会大约持续衰减0.03 S，而保护 的整定都是按照故障后稳态分量计算的，暂态分量 会使保护误动，因此设计一个模块使得保护模块能 够躲开故障发生后的0.03 3这段时间，只有当躲过 这段时间后才开放保护。方法是将信号延时0.03 s 后再与原信号相或。该功能也可以由启动元件延时 后实现。继电器动作保持模块的作用是防止当测量 阻抗在动作临界值附近波动时断路器反复跳闸和合 闸。该模块使得断路器一旦跳闸后不会再因故障切 除而又再次自动重合闸。该模块的设计是用1个继 电器及其辅助电路实现的。相间距离保护模块内部结构如图4所示，将三相 电压和三相电流经过减法元件得

14、到相间电压和相间电 流，再分别经过傅里叶变换模块最后输入到S函数，S 函数中调用相间距离保护算法程序，将程序输出的动 作信号躲过暂态时间以及继电器保持后输出。接地距离保护的模块内部结构如图5所示，用三 相电流相加得到零序电流，再将三相电压和三相电流 以及所得到的零序电流分别经过基波傅里叶变换模块 后输人到S函数中，该S函数所调用的接地保护程序 计算后输出动作信号，再将信号躲过暂态时间及经继 电器保持后输出。将相间距离保护和接地距离保护分别封装成模 块，并将两者组合封装得到能够反映各种短路类型的 的距离保护模块，如图6所示。输人的电压电流测量 值经过2个保护模块后得到各自的动作信号，再经过 点乘

15、模块得到最终的距离保护的动作信号。因为信号 0表示动作跳闸，所以用点乘模块使得当相间2个保 护模块中任何1个发出动作信号0就可以使断路器 跳闸。图6各段距离保护模块内部结构由相间距离保护和接地距离保护组合封装构成的 模块，当设定不同的整定值时会得到不同的保护范围。 因此可以将3个整定值不同的距离保护模块以及延时 元件构成三段式距离保护，如图1所示。距离I段能 够瞬时切除故障，但保护范围较短；距离n段能够保护 本线路全长，但输出信号要经过延时元件延时0. 05 s; 距离m段能够保护本线路及下级线路全长，输出信号 延时o. 1 s(实际中n段和m段延时分别为o. 5 s和 1 s,但由于仿真总时

16、间较短，因此仿真时延时也取得 小）。最后，再将各段的动作信号相或后得到最终的 断路器动作信号。在三段式距离保护模块内添加使能元件并封装， 该模块的使能端由启动元件控制。启动元件的构成如 图8所示，是将三相电流分别傅里叶变换滤波后输人 到S函数中，该函数所调用的启动程序将三相电流经 过运算提取出负序分量，用于判断系统是否发生故障， 并将判断结果作为使能信号给保护模块。当故障发生56实验室研究与探索第29卷初始化函数输出图9保护程序流程图初始化函数用于说明程序输人和输出量的个数、 连续或离散状态个数以及采样时间等。本程序中采用 离散状态量，相间距离保护程序的输人量个数是 个，分别为经过傅里叶变换后

17、得到的三相电压和三相 电流的幅值和相角，输人量个数为1个动作信号。接 地距离保护程序的输人量个数是I4个，比相间距离保 护程序多了零序电流的幅值和相角。时才使保护模块投人工作。回图7三段式距离保护模块内部结构4距离保护S函数编程S函数模块能够将程序与Simulink结合在一起, 将电路模型的电气量采集输入到S函数模块，在仿真 时，S函数不断循环地调用并执行内部程序，对输人的 电气采集量进行处理，并将处理结果输出用以控制电 路模型，因而能够实现仿真的实时性。S函数的编写有固定的格式，它是由初始化函数、 动态更新函数以及输出函数构成。程序流程图如图9 所示。动态更新函数用于计算测量阻抗值，在动态更

18、新 函数中将由傅里叶变换模块得到的电压电流幅值和相 角组合成电压和电流的相量形式，并计算得到各相的 测量阻抗值。在用测量电压除以测量电流得到测量阻 抗时会遇到某时刻测量电流恰好过零点或者电流非常 小的情况，此时程序会出错，因此先判断该采样点的测 量电流值是否非常小，如果很小的话，就直接为测量阻 抗赋值；如果测量电流比较大的话，就用电压除以电流 的方式得到测量阻抗。输出函数用于保护动作判断，并输出最终的动作 信号。在输出函数中将动态更新函数得到的各相测量 阻抗与整定阻抗值比较，三相中只要有一相测量阻抗 值满足动作方程就输出跳闸信号。另外，由于傅里叶 变换模块需要经过1个周期才有输出，因此在输出函

19、 数开始的时候判断仿真的时间是否小于0.025 s。如 果是，则直接输出不动作的信号；否则，进行正常的保 护判断程序。5仿真结果仿真起止时间为0 0. 2 s,故障起始时刻t = 0.03 S，因为故障仿真属于暂态，因此采用ode23t算法 进行仿真。调节故障点的位置，仿真得到距离保护各段的保 护范围为：I段能保护本线路80 km内的各种故障，n 段能保护150 km; in段能保护本级以及下级线路全 长。改变故障类型仿真得到：各段中的相间距离保护 对于保护范围内的单相接地故障不会动作，而接地距 离保护对于范围内的相间短路也不会动作。以130 km处发生两相相间短路为例。此时 故障发生在I段范

20、围外，距离I段应该不动作，而距离 n段和距离in段分别延时o.o5 3和0.1 s动作。并 且这2段距离保护模块内所包含的相间距离动作而接 地距离不会动作。仿真结果如图10所示。图10(C)、 (d)、（e)所表示的各段保护动作情况只显示了 0. 13 S 以前的动作信号图像，这是因为当距离保护n段动作 使断路器跳闸后，启动元件因测量不到负序电流而发 出信号让保护模块停止工作。图10(e)中未能观察到 距离m段的跳闸信号，因为其信号要延时o. 1 s，即在 0. 15 8时才会发出跳闸信号。距离n段保护模块内部的相间距离和接地距离模 块的动作情况如图11所示，是未经延时元件的动作信 号。可以看

21、出，在相间短路时，相间距离保护动作而接 地距离保护不会动作。6结语本文利用Matlab所建立的三段式距离保护仿真第8期陆桂华，等：基于Matlab的距离保护仿真57模型，能够正确反映保护范围内的各种相间故障和接 地故障,实现了本线路保护和下级线路的后备保护。 仿真结果表明，所建立的保护模型具有实时性和正确护原理的理解。因此Matlab软件提供了方便的仿真 验证平台，利用Matlab建模结合保护算法程序能够直 观地验证保护原理，有利于新的继电保护算法的研究性，不仅验证了保护原理，而且通过仿真可以加深对保和开发。>/-1)0.020.040.060.080,100.120.140.160.180.20C 2000 t 0 -20008-0,10ti s (a)三相电压0.140.160.040.10"s (b)三相电流0.120.140.160.18§-0.02_I111_0.06 0.08 0.10 0.12 "s(C)距离保护I段动作情况0.140.160.180.200.020.04丄丄丄丄0.08 0.10 0.12 (d)距离保护 段动作情况0.140.160.180.20J.丄丄0.040.08 0.10"s(e)距离保护冚段动作情况0.120.140.160.180.20图10 II段范围内相间短路时距离