吳云飛

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基于Matlab的距離保護動作特性仿真

吳云飛

（四川師范大學(xué)工學(xué)院，四川 成都 610000）

繼電保護數(shù)字仿真技術(shù)是繼電保護裝置開發(fā)與研究的重要手段。模擬故障時繼電保護的動作特性將有助于事故后進行準(zhǔn)確的校驗和事故分析?；贛atlab建立輸電線路距離保護動作特性仿真模型，模擬故障情況下繼電裝置的動作過程和動作結(jié)果，并選取單相接地短路為例驗證了距離保護動作行為，表明通過數(shù)字仿真有助于分析影響繼電保護正確動作的因素，輔助繼電保護系統(tǒng)的分析和設(shè)計。

距離保護；動作特性；Matlab；電力系統(tǒng)

可靠、高效的繼電保護裝置是保證電力系統(tǒng)以及電氣設(shè)備正常運行的必要條件。為了提高保護裝置的性能，需要對發(fā)生故障時繼電保護裝置的動作特性進行分析，找到正確動作的條件以及影響裝置正確動作的因素，提出理論的解決方案并逐步改良完善[1-2]。傳統(tǒng)的繼電保護實驗使用真實的保護裝置和線路的物理模型模擬，實驗成本較高、實驗材料有限，效率低。而數(shù)字仿真可利用計算機軟件建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，模擬真實系統(tǒng)故障狀態(tài)下的電氣特性，具有安全經(jīng)濟、準(zhǔn)確、可重復(fù)、形象直觀、效率高、靈活等優(yōu)點，有利于提前發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)備運行中可能產(chǎn)生的問題，輔助繼電保護技術(shù)的研究。作為數(shù)字仿真軟件，Matlab在科學(xué)計算、工程計算及可視化等方面功能極其強大，在電力工程方面的運用非常廣泛[1]。本文選用的距離保護仿真模型在其Simulink環(huán)境下直接搭建，并借助Matlab豐富的工具箱資源，完成距離保護動作行為的動態(tài)仿真。

1 距離保護原理

距離保護是反映故障安裝地點至故障點之間的距離，并根據(jù)距離的遠近而確定動作時限的一種保護裝置。它主要運用在110 kV及以上的線路中，作為線路的主保護之一，主要優(yōu)點是保護范圍廣、靈敏度高、受系統(tǒng)運行方式影響小[2]。

圖1 距離保護原理示意圖

其基本工作原理示意圖如圖1所示[3]，故障時，首先判斷故障的方向。如果故障位于保護區(qū)的正方向，則設(shè)法測出故障點到保護安裝處的距離k，并將k與對應(yīng)的整定值set進行比較，如果k＜set，比如k1點故障，則說明故障在保護范圍之內(nèi)，保護應(yīng)立即動作，跳開相應(yīng)的斷路器；如果k＞set，比如k2點故障，則說明故障發(fā)生在保護范圍之外，保護不應(yīng)動作，對應(yīng)的斷路器不會跳開；如果故障位于保護區(qū)的反方向上，比如k3點故障，則無需進行比較和測量，直接判為區(qū)外故障。

2 距離保護仿真建模

2.1 總體結(jié)構(gòu)

仿真總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 仿真總體結(jié)構(gòu)

仿真結(jié)構(gòu)包含一次系統(tǒng)和繼電保護兩大部分[4]，一次系統(tǒng)是圖2中的暫態(tài)仿真系統(tǒng)，其主要作用是建立故障時的電網(wǎng)線路仿真模型；繼電保護模塊由啟動元件、算法元件、故障選相元件、阻抗等各個功能元件組成，模擬繼電保護裝置阻抗繼電器的動作情況。

建模的完整思路[5]為：暫態(tài)仿真模塊采用Matlab的Simulink工具包建立電力線路模型，設(shè)置故障信號輸入模塊，比如“three-phase fault”，得到仿真系統(tǒng)故障時的電氣量；從這些電氣量分離出三相電流，并將三相電流送入啟動元件；啟動元件，利用“突變量法”判斷是否存在故障，當(dāng)判斷結(jié)果為“是”（即輸出為“0”），則判斷為故障；由算法模塊對三相電流、電壓波形進行濾波，將濾波之后的電壓、電流送入故障選相模塊，故障模塊進行選相之后，判斷故障是相間故障還是接地故障；由阻抗計算模塊得到測量阻抗，并將測量阻抗送入阻抗比較模塊；阻抗比較模塊根據(jù)繼電器的接線方式以及保護的各段整定值比較判斷繼電器是否應(yīng)動作，再根據(jù)時限特性判斷啟動或返回，最后輸出動作信號。

2.2 系統(tǒng)完整模型

聯(lián)合暫態(tài)仿真模塊和距離保護原理，圖3給出了Simulink中搭建的距離保護動作行為仿真系統(tǒng)[6]。其中，距離保護裝置I段整定值set=240×（0.020 83+0.276 0），保護范圍為線路全長的80%.仿真采用變步長、ODE23T算法。兩側(cè)電源電壓有效值設(shè)置為500 kV，頻率為50 Hz，中性點接地方式為直接接地，等效電源相角為0°。各個主要部分及模塊說明如下。

2.2.1 暫態(tài)仿真模塊

根據(jù)距離保護原理示意圖，利用Simulink構(gòu)建出了雙端電源模型，如圖4所示。此模型輸出的電氣量將作為繼電保護模塊的輸入量。

圖4中線路總長度為300 km，電壓等級為500 kV，具體參數(shù)如下。電源內(nèi)阻m=n=5.74+14.28 Ω，線路參數(shù)：1=0.020 63 Ω/km，0=0.114 6 Ω/km，1=0.878 5 mH/km，0=2.266 4 mH/km，1=0.012 8 μF/km，0=0.005 13 μF/km。模型中的參數(shù)可根據(jù)需要進行修改，比如電源電壓、頻率、相角差、故障類型、故障點位置、線路參數(shù)等。

圖3 距離保護動作行為仿真系統(tǒng)

圖4 暫態(tài)仿真子模塊

2.2.2 啟動元件

2.2.3 算法模塊

繼電保護中保護大多是以基頻分量作為處理量，但實際上故障發(fā)生時三相電壓、電流中都存在著大量暫態(tài)分量，并且實際還存在測量誤差。如果將這樣未經(jīng)處理的原始電氣量送入繼電器，將會產(chǎn)生很大的誤差。算法模塊的主要作用是對三相電流、電壓波形進行濾波，盡可能地濾去非周期分量和高頻分量，再將濾波之后的電壓、電流送入故障選相模塊。

2.2.4 故障選相模塊

為了使測量元件能夠準(zhǔn)確地測量故障距離，必須根據(jù)故障特征判斷出故障的類型和相別。同時，在220 kV及其以上電壓等級線路中，常要求分相跳閘，需要準(zhǔn)確地判斷出故障類型和故障相別。

2.2.5 阻抗計算、比較模塊

阻抗計算、比較模塊是仿真系統(tǒng)的核心，要求它迅速、準(zhǔn)確地計算出故障點的距離和方向，并與保護的整定距離進行比較，判斷保護是否啟動。將測量電壓、電流代入測量阻抗的定義式，可以得出測量阻抗，再與整定阻抗比較，就能得到保護動作信號。同時，為了分析保護的動作特性，可以將計算出的測量阻抗由復(fù)數(shù)形式分解為實部和虛部形式來表達電阻和電抗，再經(jīng)過繪圖模塊得到測量阻抗的變化軌跡。

3 單相接地故障仿真

系統(tǒng)可以模擬各種短路故障，下面以單相短路為例給出仿真過程與仿真結(jié)果。

在“three-phase fault”模塊中設(shè)置A相接地故障，故障時間為0.2～0.5 s，模塊內(nèi)設(shè)置“switch time”為[12/60 30/60]。模擬保護區(qū)內(nèi)即I段范圍內(nèi)故障，設(shè)置故障點為距左側(cè)電源150 km處，得到圖5的三相電壓、三相電流仿真結(jié)果。圖6中，0.2 s時，啟動和選相信號為邏輯1表示繼電保護部分啟動，動作信號由1變?yōu)?表示正確動作。區(qū)內(nèi)故障時，測量阻抗變化軌跡如圖7所示。修改故障點位置也可以模擬區(qū)外故障的測量阻抗變化軌跡。仿真結(jié)果與理論分析一致。

圖5 保護區(qū)內(nèi)故障的三相電壓、電流波形

圖 6 保護區(qū)內(nèi)故障的啟動信號、選相信號、動作信號

此外，該系統(tǒng)可以模擬其他短路故障，比如兩相短路、兩相接地短路、三相短路、經(jīng)過渡電阻短路、系統(tǒng)振蕩、負荷電流對距離保護的影響等情況，可以改變仿真模型的相關(guān)參數(shù)來驗證，借助仿真結(jié)果可分析短路類型及典型參數(shù)對繼電保護動作特性的影響等。此外，還可以利用Matlab的圖形用戶界面設(shè)計功能（GUI），實現(xiàn)繼電保護數(shù)字仿真的人機交互功能，有助于更直觀地展示故障期間的電氣量變化及繼電保護裝置的動態(tài)響應(yīng)過程。

圖7 區(qū)內(nèi)故障測量阻抗軌跡

4 結(jié)論

本文借助Matlab軟件，搭建了包含一次部分和繼電保護部分的電力系統(tǒng)距離保護仿真模型，仿真并研究了輸電線路距離保護的電流、電壓、測量阻抗軌跡等電氣動作特性，仿真結(jié)果表明，數(shù)字仿真技術(shù)可以很好地輔助繼電保護設(shè)計，幫助工程人員更好地理解電力系統(tǒng)各元件的工作狀態(tài)和電氣量的暫態(tài)過程，適合進行繼電保護原理的深入研究，進行繼電保護裝置的開發(fā)、設(shè)計和測試，應(yīng)受到廣泛的重視。

［1］李海濤，鄧櫻.Matlab程序設(shè)計教程［M］.北京：高等教育出版社，2010.

［2］賀家李，宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護原理［M］.北京：中國電力出版社，2004.

［3］張保會，尹項根.電力系統(tǒng)繼電保護［M］.北京：中國電力出版社，2016.

［4］許明，高厚磊，侯梅毅，等.數(shù)字仿真技術(shù)在繼電保護教學(xué)中的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38（15）：104-109.

［5］胥杰，陳巒.基于Matlab的電力系統(tǒng)繼電保護仿真研究［J］.水利發(fā)電，2010，36（03）：84，86.

［6］盛義發(fā)，唐耀庚，蘇澤光，等.基于Matlab的電力系統(tǒng)故障的仿真分析［J］.南華大學(xué)學(xué)報（理工版），2003，17（04）：45-51.

2095－6835（2018）21－0140－03

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.21.140

吳云飛（1980—），女，重慶人，碩士，講師，研究方向為計算機應(yīng)用技術(shù)，電氣工程及其自動化。

〔編輯：張思楠〕