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基于MATLAB的电力系统继电
2 o# e! Z2 D k: P# T保护仿真研究
- }7 B! U! x7 f, @6 X3 }% _胥杰1，陈峦1,2 N9 D; h# r1 r
(1．新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐830047；
- Z# W. B7 P; I5 d9 |8 u2．电子科技大学自动化工程学院，四川成都610054)3 _. w+ H$ j3 `0 m
摘要：基于MATLAB的仿真技术可以辅助继电保护系统的分析和设计，针对电力系统继电保护领域的核心内容，* e J9 G4 z: O: h# R' F6 t6 L, z; o1 {
构建了系统仿真模型．举例说明了电力系统故障、零序电流保护和变压器纵差保护等仿真实例的实现方案。在运行9 {6 c- h' E5 g, t/ a
这屿仿真实例的基础上．对仿真结果进行了深入分析。通过仿真实例证明了电力系统继电保护仿真的有效性和可
0 \4 ~' u4 J+ [* \4 M1 b行性。
3 X# I2 D b9 Q# t7 r关键词：电力系统；继电保护；仿真；MATLAB
! X3 I, m& I& S- tMATLAB—-based Simulafion of Power System Relay Protection
1 N1 }! N/ U% ]% a/ k4 E0 N" I7 OXu Jiel．Chen Luanl，2# A" Y' N4 H7 G8 q/ D" m0 ~. s) }
(1．College of Electrical Engineering，Xinjiang University，Urumqi Xinjiang 830047；! N3 y4 v' v+ O3 [% Z8 E! i' |
2．College of Automation Engineering，University of Electronic Science and Technology，Chengdu Sichuan 610054)/ w4 g: o+ p0 W$ }; f3 q" _! q. ^
Abstract：MATLAB-based simulation technology can support the analysis and design of relay protection systems．A
2 q( y7 Q$ o6 \4 ksimulation model is built for the study of power system relay protection．As an example，the power system fault simulation，
* ^. H/ m: ]. N! r( hzero-sequence current protection simulation and transformer differential protection simulation are presented herein．The ease
6 F& Q3 t( J, Ostudies show that the simulation of power system relay protection is effective and feasible．
% s" o( E& f4 d) I+ w$ l+ rKey Words：power system；relay protection；simulation；MATLAB
4 w4 @, r1 X6 M/ j中图分类号：TM743 文献标识码：A 文章编号：0559—9342(2010)03-0084-03
" O- S0 G; O; K3 x% W$ a# V为了设计出高性能的继电保护产品．常常要进& j6 d; A- `( }2 f! U
行继电保护模拟实验．传统的继电保护实验是在真
1 u7 k/ e" F0 }实的物理模型上进行的．实验系统复杂。实验成本. h4 J( o% j2 S% S7 \
高，效率低．灵活性和通用性差。电力系统继电保, g/ z) a3 U, M2 h: M
护数字仿真是利用计算机软件仿真电力系统故障情7 O$ V( A) Z" }3 _6 ~) z; i
况下电气量变化的特征．模拟继电保护装置处理和
! a- M8 L: A2 w& O# D( Y9 L. c; {动作的过程．具有安全、经济、可重复、不受环境. h5 D" `1 p4 q# j/ s7 ?8 |+ ~
限制、研究开发周期短、效率高等优点【ll。通过对各4 c9 c0 u$ h* C. C3 c O
种不同继电保护技术的仿真。可使研究者形象地观, [, ^1 w! _+ c( a: X
察到电力系统从正常状态到发生故障期间电气量的( W; E6 }& p: E5 y6 }
变化情况以及继电保护装置中每一部分处理和动作
" Y! w1 g' I, b( Q) N% G的过程。利用计算机软件模拟真实保护设备装置的
) ^4 U9 w9 a8 X5 F, Q1 p运行情况．能及早发现和解决设备运行中可能I叶{现
6 l% E6 W' }1 t5 Q2 V( ~的问题．因此．电力系统继电保护计算机仿真具有
9 w. s, o/ E4 ^( M, ^/ B十分重要的现实意义嘲。
! h& n- M1 i! t$ a0 [; v本文设计了电力系统故障、空载合闸励磁涌流、/ ]& R" @8 d8 k
四Water Power VoL3&No．3
* p! }+ ]2 d, R单侧电源相问短路的电流保护、零序电流保护、变$ j1 D! U* \3 y* f8 I
压器纵差保护、微机保护算法等仿真实例的实现方
1 m5 t' a4 Q+ `' ?6 ~. Q案，在运行这些仿真实例的基础上，对仿真结果进9 d2 i) G& I6 h" v$ R
行了分析M。
7 U% y% G; u6 f5 P/ t2 C! C1电力系统故障仿真
" {8 ? A* h! H# C本研究采用双电源供电的系统模型．电压等级$ U" P' f p8 ^) i# A2 q
为220kV。如图1所示。该模型中同步发电机的容- H9 ]0 |/ L& [; Z- S/ ]8 v
量为500 MV·A，电压为13．8 kV，频率为50 Hz。
3 f" \: k" F: L% J Yi相变压器的容量为500 MV·A，Dll／Yg接线形式，
7 K) P+ D6 u, X3 X2 Y- E收稿目期：2009-05—23
! x+ U# ?/ y4 t3 J2 G: ^5 v基金项目：新疆大学2l世纪高等教育教学改革丁程资助项目
% L4 b( A# k: h, c( \9 q(XJU2008JGY21)
, K' H$ u; x$ L- m5 q3 j作者简介：胥杰(1985一)，男，四川绵阳人，主要从事电力系统
3 m# E- }) \ l: I继电保护方面的研究．
4 a+ R! m( A) }万方数据
, y9 T [0 X3 v W( E" b* w三：：：2：： ：=：二：：：：：：：：：：：=：：：三：兰=：!二==巨l二三===：幽●●■■●●■■■●●●■■●■■●●■■■●■■■■■■■■■■●■■■■■■■●●●■●■●■■■■■■■■●■■■●■■■■■■■■■■■■■●■■■■■■■■■■■■■■■■●■■■■■■■■■■●■■■■■■■■■■■■■■●■■■●■●●■■■■■■■●●■■■■■■■■■■■■■■■■■●■■■■●■■■■■●■●■■■●■●●■■■■■■●■■■■●■■一■■●■■●●■■■■■■■■■●■■●■■■■■■■●■■●●一
4 p7 b' _8 J& i* f# q. G6 o) Z圈1电力系统故障模型" k x4 i) n- f' s
频率为50 Hz。150 km线路的正序阻抗为0．01165+' U) ]7 L8 U2 j) k9 l3 o* ]# h
i0．0008679刚km，对地电容为13．41x10。9 F／km；1008 X/ \5 m$ v' J- H6 d
km线路的正序阻抗为0．01165+jo．0008679 ll／km．6 z; K/ f, h& I" i/ G2 ?. e
对地电容为13．41×10母F／km。负荷l的电压为220
@6 D4 F& ]$ qkV．有功负荷为220x106／250 W．无功负荷为200 F G Y$ O! T0 ~/ \
W：负荷2的电压为220 kV。有功负荷为220x106／4 b Q" d, C: K, K L
250W。无功负荷为200W；负荷3的电压为220 kV．
% ~6 v+ I6 M/ M' b+ a有功负荷为220x106／250 W．无功负荷为200 W：负$ M2 t& M- Y8 L% U! u( Q
荷4的电压为13．8 kV。有功负荷为220x106 W：无% g% |. y, Z' ^: a/ J: k" m+ }
功负荷为0 W。
/ f# i* ~" H- Y在构建的故障系统MATLAB仿真模型中．通过; p3 n% |( x* B! Y0 y6 w* D/ [) J
故障模块可设置i相短路、两相短路、两相短路接+ p+ @! C, C. G! \! ]7 F
地和单相短路接地故障。以单相接地短路故障为例。: G5 ^& Y! @) o+ J: \! u+ f
设置i相短路元件参数为A相接地短路．运行仿真7 C& c1 w+ x0 F0 h. n- }1 d
模型．得到线路单相接地短路时母线的短路电压及. I. `: B4 g1 X/ B% C' ]0 q) u( K
电流波形如图2所示。3 }' m5 D) g- f; m! V# {+ L/ @* e
400
0 ?+ S: _1 `8 ^8 C5 k之2008 _6 L4 I7 Q' H
日兰0* g0 A# p% Y- M) j1 [8 ]( H, V
脚一20(t
7 G3 `8 s. N: U( |一40(}
. O- o9 p* t. y& h2007 \: e* c+ R; F( q5 F
≤0) T5 p$ s h+ y3 ?% M
喜-n()(1
- Z& ^8 k* D; `% V+ c) b) [: \7 ~2 g* y—4()(J# C. }2 I0 F/ d
0 0．05 0．1 0．15 0．2 0．25 0．3) x0 m) O# D- p' d6 H0 v
时问／s
) ]9 j& @# P7 a, z0 E; {1 O' V9 y【一。土。^．．；⋯．．，：。i．一) |% ^) k3 J- r5 T* ]+ P
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9 D5 ^. x X; T( ^、， 一、’，‘一～% P0 K% b8 _ J/ f3 F4 ]7 E
0 0．0．5 0．1 0．15 0．2 0．25 0．3" ^0 Q- r' B4 e, h
时fHJ／s' `; p* V; A' x0 e) Y4 G6 a8 S
图2 电力系统单相接地短路时故障仿真) r; p/ l6 W% g7 k, D
波形显示。在0～0．03 s期间，线路工作在稳定; V8 I; ~% f( g& m, ~: _
状态。三相电流和电压对称；在0．03 s时发生A相
* m1 \: b, w6 R; q9 e) ~$ u. \( T接地短路．A相电压基本为0．B相和C相电压也* Z/ M) s- n: S, z
相对减小．故障相A相的电流迅速上升为短路电
2 S; o9 e' S0 ?% L$ y流．B相和C相电流也相对增大；0．08 s时切除
/ p& {) ?7 m* S: l故障．i相电压电流经暂态后达到新的稳定状态．
7 Z2 P4 V" \6 p# Y' I并重新恢复=三相对称运行工作状态。8 v6 R6 I- Q% L$ h
同理．可以设置其他的短路故障类型，并观察4 t& _( h3 P8 r) ^$ p- n s
其仿真波形．也可以对仿真模型中的i相故障模块
- q* {2 q. \4 Q3 C设置接地电阻参数．通过观察对应的仿真波形．分
. U7 W U5 ]4 Z! S" V8 z9 c析接地电阻对电力系统故障的影响。
) j7 f2 F$ k9 T2 H2零序电流保护仿真" i! ? z. K" M% ?3 g8 W: i
用Sireulink和PSB模块库构建一个220 kV的$ W" m# Q% C/ o1 E
单侧电源供电系统模型．模拟输电线路发生接地故
" b# A( W/ D6 w1 o. k1 Q障。同时，建立一个零序电流保护及单相重合闸装0 c4 u4 b6 p9 l, I E7 L
置的仿真模型．通过该系统可十分方便地进行不同
5 ~# \+ z( L% V) y" \接地电阻及电弧情况下的故障分析以及继电器动作
, H9 c6 w! ^- j: Q: e3 x% D8 s, e特性的模拟。以单相接地短路为例。将故障模块设( v" S" q4 R1 X) F2 u+ m; o6 y
置为A相接地短路，仿真结果如图3所示。
& N% a" v5 p* X x6 f5 m9 D之IOXl0、
& P8 n Z- {# |7 k n8 @6 N9 D“0
- _* b" T- D% y5 B粤一IO×10。8 ~$ r6 n" j6 ~
0 0．OB 0．1 0．15 0．2 0．25 0．3
8 V1 f$ B# f Z% ?时删／s
1 x5 A2 l1 _6 W委一⋯1 00⋯0。IBCA。．。。。．。。．，。。．：。．。。。．]。
! E7 x" \( Z t( r0 y时间／s 争03E三!I三三豆[I三量L——二_二上—二———L————_工————_=士====：====d
* R0 u6 n+ f$ U+ i, E篓0 0．05 0．1 0．15 0．2 0．25 0．3
, Z' g# N0 H$ B8 b时问／s; J* m2 e$ }7 ]% v
图3零序电流保护仿真
6 P% p& x& R- L3 W& G. H7 C# Z t由图3可以看出．在0．03 s的时候线路发生单 m O0 q0 y3 _0 k/ a1 y& R J9 m
相接地故障．A相电流发生急剧变化．电压变得不
* d; [1 v4 S9 G4 S3 ]9 W a: b; x, q$ O对称．继电器动作后经0．05 s保护出口跳闸．跳闸后
) U, x( c" Z n# }( f经O．3 s自动重合闸．此时故障仍存在．保护只用
- z5 S- g& Z3 J9 G. V) P0．01 s立即发跳闸命令。从而完成了从跳闸到重合2 x' l$ c! x u* l
闸再跳闸的整个过程。
* X, K" |# {- b; o/ R" v5 r3变压器纵差保护仿真
0 {2 Z) C+ v7 b" r7 }* x7 f采用双侧电源供电模型．电压等级为735 kV／6 r9 X5 e% J2 l5 L$ R _
315 kV．变压器两侧安装有断路器，如图4所示。# ?9 U' [6 p n* z
该模型中i相电源侧的电压为735 kV．频率为50' }2 Q* [. ]3 ?5 p8 J2 E r& c
Hz：低压侧的电压为315 kV。频率为50 Hz。三相
6 j: h/ X( D2 c6 c1 z变压器的SN=250 MV·A，U。√以N=735 kV／315 kV，
! @3 {% N3 u% H0 M0 J# a( d接线方式Y．dll。在变压器纵差保护的MATLAB, L4 Z8 x' @( R5 W3 b
仿真模型中。通过故障模块可设变压器区内、区外. a) k& G) e, R7 b* Y9 x6 l
的各种故障。以区内j相短路为例．设置故障元件& \* L% s4 Z3 O. U
为A、B、C三相短路，短路点设置在内部(两边电3 o' n' \- B1 G: u: E9 {
流表以内)．得到变压器纵差保护内部i相故障模
% L" J4 m! H9 P/ X7 E" U型。运行该仿真模型，即可得到电压、电流和跳闸. u0 ]1 m' p( r
波形．如图5所示。
P: R2 t9 h$ S+ K% i由图5可见，在0～0．03 s期间．线路T作在稳, i7 X7 R: ]& ~7 Q5 G
定状态．i相电流和电压对称。在0．03 8时发生三
3 U/ \6 l; q% ]; [相短路．三相电压变小．i相电流迅速上升为短路- q: w _& s2 g" O6 l6 h
电流．i相电压和电流对称。说明i相短路为对称
: w: e" ^; l7 }. ?% }' t" y" h4 F8 x短路。在0．13 s时，变压器纵差保护动作，切除故
9 j, Q) X" N4 |4 C& Y. g$ S图4双电源系统双绕组压器模型2 h @# p0 F) F3 j' ?" F- ]
Water Power V01．36．No．3四
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: _" u. J2 A$ |: |万方数据
1 D2 o2 y% U. j0 i4 o掣吾-l1OX0时刈矗茎赢丽嫩苜贰萨而=畜=菌=百=玄丽甙甄而言网赢
+ H6 e0 N9 h( N% [) _1 ?/ n- d- a时间／s 委蠹匿耍亟匦亟三0 0．02 0．04 o．06 o．08 QI n12 Q14 n16 Q18 Q2
3 z" y3 Z% e. r8 m: p+ cI}|,Ifnq／s 羹n5E三三三三玉雪蚕0 0．02 0．04 n06 Q08 Ql Q 12 Q14 Q 16 n18 n23 u' M ^# V# m& p# Q) p
时闯／s
1 G% A: p( F6 D8 I0 ~2 K+ F圈5变压器纵差保护的仿真结果
9 O6 @ @! _/ v& U2 V7 H障，电压为电源电压，电流几乎为0。& m% X$ C' \3 k
4结语
* |/ q3 b3 X' w6 J8 K& J基于计算机技术的电力系统继电保护数字仿真; e, B' T4 M$ E
可以辅助继电保护系统的分析和设计．将MATLAB r& l- \1 \: X! k: s5 Q& z9 U
仿真技术应用于电力系统继电保护研究中具有十分. s9 {2 R* ?' n% I, @7 Y4 Y5 ?6 A
重要的现实意义。针对电力系统继电保护技术的核" V, q: E; t b0 q/ N& q: D
心内容．构建了继电保护系统的MATLAB仿真模; K' j4 ^. D% e- \6 c% O, R
型。除所介绍的电力系统故障仿真、零序电流保护
) O& L( _2 z, i. n仿真和变压器纵差保护仿真外，模型还可以对空载
& {% P2 J$ s% ^合闸励磁涌流仿真、单侧电源相间短路的电流保护
1 l+ a5 F* S3 |: {: Z' |- {仿真和微机保护算法仿真等进行实际仿真运行，实
# ^. k+ p. ~% H' F9 i践表明将MATLAB应用于电力系统继电保护数字仿
, L/ x2 I) @! i* g5 ]真中是有效的和可行的。
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-■-——●———+--—+—-—●—-—+—-—+—-—+—·—+—-—+—·—+—·+-+·—+--+-+-+——+一—+——卜—+一+-'-I---—+一-+-+-+一+-+-+-+一+-+-+-+-+-+-+-+-+-—●。·—+一-—+——+一+·—●一·+·
& _2 F7 m, Q7 E(上接第68页)直线PB与A断面的夹角为Ot，则直4 e- [4 X$ j3 }
线PB与A断面上任何一点的夹角均为Ot．因而直
4 Z+ [$ N1 z3 D5 _9 O# s线咫与断面的圆心的夹角也为01．。假定C(Ⅳ，E，8 V+ L5 m# W: U
日)为隧洞断面圆周上任意一实测点，则其对应断
9 d0 e. A: N3 ^6 N- l面所对应圆心角ot=arctan【(Ⅳ_Ⅳo)／(H一舶)】。
+ D M4 `/ f- R9 x/ _) HB. z, ^) U1 E3 ~5 t8 D/ u" e
(』I。磊，％)1 K1 ]- r9 B, t7 o+ g
图3断面圆心对应角计鼻示霖- Y: |: \+ @* R6 a
2．2．4建立数学模型
" ?* V. ~5 m, J( M" w( t①角度ct=arctan【(Ⅳ-Ⅳo)／(H-Ho)】；②断面圆7 j- \0 G6 `2 B2 A$ I( i. o5 @
心角坐标O(X，Y，z)，X=No一38sinct，Y=O。压7 b# \, ~% x. k: a" ]- U
Ho一38cosct；⑧断面实测半径尺=【(Ⅳ—x)2+(层一y)2+5 A- a& ~2 c) t4 l! f4 C
(H—z)21比；④断面理论半径：L=7．25一od50。3 d8 D5 }. A/ ~ z, t6 F7 c6 r" x. m
2．3放样实施5 a- Y' a/ B3 R F3 D1 S
把全站仪所测的坐标Ⅳ．E。日输入计数器。计 B9 x: M9 }# v3 ]0 T# ]3 P
算所测点的实际半径和理论半径．比较实际半径和
8 O5 l1 R7 o) Z( C理论半径．当实际半径与理论半径之差为正时。应
) S1 h, N! D0 y向内移动棱镜．移动数值为其差值，反之向外移动
6 T o- ~1 e. w/ u' R0 Q圈Water POll．1et VoL36．No．，
& a' T2 K* y0 z( e* k1 T棱镜。反复移动，直到位置达到精度要求。5 y' w. c" r# Q0 W
3结语3 d% B9 o( d6 h# j
溪洛渡水电站是围家重点工程．GPS、电子全% \1 t1 d* ]/ A# R0 G7 w
站仪、断面仪等当代工程测昔技术在洞群施工测冒! m0 V5 j7 V3 @' X1 Z
中得到了广泛的应用。随着测绘科技的发展，隧洞
/ L, o$ y& a1 I5 r' A G工程施丁测量技术和方法也会不断地创新和发展．
. K6 m' u ?1 t; O+ ?将会有更多的施T测量新技术、新方法应用于隧洞 A! k# R" \; N
工程施T测量中。 S1 L% O3 ]3 y7 O
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# f) M( c T% I8 D0 ]) R0 P3 x) s* r万方数据 |
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狗仔卡
发表于 2012-12-23 02:13:35
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