基于matlab的輸電線路電流保護(hù)的建模

前言1.1課題研究背景及意義電力系統(tǒng)是由發(fā)電廠、變壓裝置、輸送線路以及用電終端設(shè)備組成的一個整體，其中電能的產(chǎn)生、變壓輸送、配電以及使用幾乎同時進(jìn)行[1]。因此，任意時刻只要一處出現(xiàn)故障產(chǎn)生，就會導(dǎo)致整個系統(tǒng)不能正常工作，一方面用戶得不到需要的電能，影響用戶的生活，一方面工廠、企業(yè)以及一些電能不能中斷的設(shè)備斷電，會造成一定的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的事故[2]。為了保證電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，防止經(jīng)濟(jì)的損失以及事故的發(fā)生和擴(kuò)大，在電力系統(tǒng)中安裝繼電保護(hù)裝置是非常重要的措施，同時，也必須保證繼電保護(hù)裝置的穩(wěn)定性和可靠性。近年來隨著我國工業(yè)水平的不斷發(fā)展，電網(wǎng)的整體規(guī)模不斷擴(kuò)大，電力系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，對電網(wǎng)的控制也變得越來越棘手，因此對繼電保護(hù)裝置的性能提出了更高的要求[3]，從而有效的保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。任何設(shè)置在投入市場之前都必須進(jìn)行大量的測試，以確保其性能可以滿足苛刻的工作要求，繼電器保護(hù)裝置也不例外。但是傳統(tǒng)的理論分析方法和物理實驗法存在局限性，直接利用電力系統(tǒng)進(jìn)行性能測試，目前存在技術(shù)不足，且存在影響用戶供電以及安全問題，不具有可行性。近年來隨著科技水平的快速發(fā)展，計算機(jī)的性能得到了巨大的提升，廣泛的應(yīng)用于生活中的各個角落。同時計算機(jī)在虛擬仿真領(lǐng)域也日益凸顯出巨大的優(yōu)勢，因其性價比高、功耗較低、分析結(jié)果穩(wěn)定可靠、運(yùn)行速度快，用戶操作簡單等優(yōu)點，目前已逐漸成為研發(fā)、測試?yán)^電保護(hù)裝置的重要手段[4]。通過該方法，只需要一臺計算機(jī)就可以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的種種故障進(jìn)行再現(xiàn)分析，并以此作為激勵，模擬繼電保護(hù)各功能模塊的動作行為和時序關(guān)系，并且能夠根據(jù)對出現(xiàn)的可能結(jié)果和影響因素進(jìn)行分析，從而改進(jìn)繼電保護(hù)裝置的性能，提高其穩(wěn)定性和安全性[5]。因此，將計算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于繼電保護(hù)裝置的特性研究領(lǐng)域，對于繼電保護(hù)裝置的研發(fā)以及提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性都具有重要的意義和影響。在電力系統(tǒng)的保護(hù)研究中，對繼電器裝置的穩(wěn)定性進(jìn)行研究具有十分重要的意義，它不僅關(guān)乎到電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，其誤觸發(fā)或拒動會造成更大的故障，甚至造成連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致大型故障的出現(xiàn)。因此，為了增強(qiáng)電力系統(tǒng)的可靠性，本文對輸電線路電流繼電保護(hù)的可靠性進(jìn)行了研究。1.2國內(nèi)外研究及發(fā)展?fàn)顩r在電氣工程領(lǐng)域的理論學(xué)習(xí)和研究中，基于計算機(jī)的繼電器數(shù)字仿真技術(shù)一直以來都是研究的熱點，其在系統(tǒng)的仿真中具有十分重要的地位[6]。當(dāng)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)故障后，可利用計算機(jī)仿真技術(shù)再現(xiàn)故障，可通過該故障研究繼電保護(hù)裝置的動作特性，還可以對故障產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析和研究。因此數(shù)字電路的仿真對于電力系統(tǒng)中繼電器的特性改進(jìn)具有重要的意義和作用[7]。國外對計算機(jī)數(shù)字仿真技術(shù)研究起步較早，已經(jīng)進(jìn)行了深入的研究，如今已經(jīng)有非常成熟的技術(shù)，也有比較成熟的產(chǎn)品。20世紀(jì)70年代加拿大的H.W.Dommel教授通過對Bergeron模型進(jìn)行了改進(jìn)，增強(qiáng)了其實用性，之后經(jīng)過不斷的研究終于推出了電磁暫態(tài)程序（EMTP，E1ectromagneticTransientsProgram）的初始版本，當(dāng)時該軟件對于暫態(tài)進(jìn)行研究具有重要的作用。后續(xù)通過不斷的發(fā)展和改進(jìn)，EMTP工具在電力系統(tǒng)的分析中得到了廣泛的應(yīng)用，該工具內(nèi)部包含了較多的元件模型，能實現(xiàn)較多的電力系統(tǒng)分析功能，計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，具有重要的指導(dǎo)意義[8]。同時該工具也有嚴(yán)重的不足，在仿真之前的預(yù)處理過程非常復(fù)雜，這給研究者的操作帶來了眾多不便。直流電磁暫態(tài)仿真工具EMTDC，即ElectroMagneticTransientinDCSystem是1976年由DennisWoodford博士研發(fā)的一款仿真分析工具，它是目前被廣泛使用的一款仿真工具。該軟件帶有可視化操作界面PSCAD，用戶可以在圖像可視化的界面下完成對電力系統(tǒng)的仿真和分析，極大的提高了工作的效率和質(zhì)量。為了對電力系統(tǒng)進(jìn)一步仿真和研究，加拿大的高壓直流研究中心專門研發(fā)了RTDS仿真工具。該工具的研發(fā)推出是計算機(jī)技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、并行計算技術(shù)以及控制理論技術(shù)的綜合產(chǎn)物。RTDS仿真工具采用當(dāng)時非常先進(jìn)的計算機(jī)硬件技術(shù)和軟件技術(shù)組成，其優(yōu)勢主要在于仿真的實時性和閉環(huán)運(yùn)行能力。上個世紀(jì)70年代初，美國的CleveMoler教授為了教學(xué)方便，編寫了MTALAB軟件。經(jīng)過不斷的更新和發(fā)展，目前MTALAB在全世界擁有非常高的認(rèn)可度，目前已廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)。SIMULINK是MTALAB中的組建，主要用于提供動態(tài)系統(tǒng)的建模和系統(tǒng)仿真，該組件基于MTALAB強(qiáng)大的計算和分析能力，采用框圖模塊化的方式進(jìn)行建模和仿真，SIMULINK中有專門用于電力系統(tǒng)仿真的SPS專用器件庫（SimPowerSystems），利用圖像化的操作界面，可以高效的搭建仿真系統(tǒng)，完成模型的仿真和分析。和國外相比，國內(nèi)這方面的研究起步較晚，直到2000年后逐漸取得了一些成果。比較有代表是電力科學(xué)研究院開發(fā)的PASAP仿真工具和國電自動化研究所研發(fā)的FASTEST工具。近些年來，基于計算機(jī)的繼電保護(hù)仿真技術(shù)不斷被革新。根據(jù)數(shù)字仿真技術(shù)開發(fā)環(huán)境的差異，繼電器保護(hù)仿真主要分為以下兩種：（1）整個仿真系統(tǒng)的建模和仿真采用相同的開發(fā)工具實現(xiàn)。這種模式下，電力系統(tǒng)的一次仿真一般在EMTDC以及EMTP等軟件中完成，繼電器保護(hù)的仿真和建模則采用其他環(huán)境來實現(xiàn)。文獻(xiàn)[9][10]中應(yīng)用EMTP環(huán)境中的MODELS組件對距離保護(hù)進(jìn)行仿真；文獻(xiàn)[11]利用EMTP軟件中的TACS功能建立了仿真模型。文獻(xiàn)[12-14]則利用MATLAB/SIMULINK編程環(huán)境搭建仿真模型并進(jìn)行分析：文獻(xiàn)[12][13]利用SIMULINK搭建了接地距離保護(hù)以及相間距離保護(hù)模型，并分析了不同條件下的動態(tài)響應(yīng)。文獻(xiàn)[14]在SIMULINK中對繼電保護(hù)模塊和單相重合閘模塊進(jìn)行仿真分析。（2）整個仿真系統(tǒng)的建模和仿真采用不同的開發(fā)工具實現(xiàn)。文獻(xiàn)[15]中的一次仿真采用EMTP完成，利用MTALAB的M文件實現(xiàn)了線路保護(hù)功能仿真；文獻(xiàn)[16]結(jié)合了LABVIEW和MTALAB軟件，完成了對線路繼電保護(hù)仿真的實現(xiàn)；文獻(xiàn)[17]利用MATLAB強(qiáng)大的圖像處理能力和Delphi相結(jié)合，設(shè)計出了繼電保護(hù)仿真系統(tǒng)；文獻(xiàn)[18]采用VisualC++環(huán)境和RCS-901相配合的繼電保護(hù)仿真軟件，對RCS-901系統(tǒng)進(jìn)行了可視化建模，充分的將距離保護(hù)的內(nèi)部動作顯示出來。1.3本文主要研究內(nèi)容本文結(jié)合輸電線路電流保護(hù)繼電器的特點，深入理解階段式電流保護(hù)、距離保護(hù)以及縱連電流保護(hù)電路的基礎(chǔ)理論之上，基于MATLAB編程環(huán)境，利用Simulink可視化模塊界面搭建了階段式電流保護(hù)仿真模型，并詳細(xì)介紹了仿真模型的啟動元件模塊、傅里葉變換模塊以及電流比較模塊的實現(xiàn)過程。同時針對不同類型、不同位置點的短路故障，對電流繼電保護(hù)的觸發(fā)動作進(jìn)行了大量的仿真和分析，有效的驗證了在階段式電流保護(hù)方式下的電流繼電保護(hù)的行為特性，同時也說明了本系統(tǒng)搭建的仿真模型的正確性和有效性。本文的主要研究工作如下：（1）詳細(xì)介紹了本課題的研究背景、研究目的以及研究意義，并介紹了國內(nèi)外的繼電保護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀。最后介紹了本文的主要研究工作。（2）提出了輸電線路電流保護(hù)繼電器動作行為的仿真系統(tǒng)設(shè)計思想，介紹了系統(tǒng)整體的系統(tǒng)需求，并介紹了MATLAB/Simulink在電力仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用。（3）深入研究和學(xué)習(xí)了輸電線路電流繼電器保護(hù)的理論原理，詳細(xì)的介紹了輸電線路電流保護(hù)的主保護(hù)和后被保護(hù)原理，并對輸電線路的階段式電流保護(hù)、距離保護(hù)以及縱連電流差動保護(hù)的理論原理作了詳細(xì)的闡述。（4）首先介紹了MATLAB軟件仿真編程環(huán)境，之后基于MATLAB/Simulink的編程環(huán)境，搭建了階段式電流保護(hù)仿真模型，并對仿真模型的啟動元件、傅里葉變換模塊以及電流比較模塊的構(gòu)建進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和分析。（5）針對搭建的階段式電流保護(hù)仿真模型，進(jìn)行了各種仿真實驗，通過設(shè)置運(yùn)行故障，觀察啟動信號、各相電壓、各相電流以及繼電器的動作的變化，對實驗結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析和總結(jié)。2系統(tǒng)總體方案設(shè)計2.1系統(tǒng)功能要求本系統(tǒng)的主要目的是利用MATLAB的可視化平臺SIMULINK進(jìn)行建模，對輸電線路的電流繼電保護(hù)進(jìn)行建模和仿真，并確定模型中各元件參數(shù)，獲得輸電線路電流保護(hù)的仿真整定結(jié)果，從而對線路繼電保護(hù)展開下一步的研究。因此，系統(tǒng)的基本要求是：（1）真實性：可以模擬現(xiàn)實輸電線網(wǎng)的輸入?yún)?shù)，搭建出輸電線路電流繼電器保護(hù)仿真模型，并能準(zhǔn)確的模擬繼電保護(hù)裝置在故障發(fā)生時的動作特性。（2）實用性：可以設(shè)置和再現(xiàn)各種故障現(xiàn)象，并保證仿真輸出結(jié)果的正確性。（3）可視性：采用可視化的編程界面全過程顯示繼電保護(hù)動作的完整響應(yīng)過程，清晰明了的展示繼電器的工作原理和保護(hù)過程。2.2系統(tǒng)方案輸電線路電流保護(hù)的建模和仿真分析系統(tǒng)要求能夠根據(jù)需求，靈活再現(xiàn)電力系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種故障過程，從而研究電流繼電器保護(hù)在不同故障下的動作行為，通過對保護(hù)過程的響應(yīng)分析，確定可能影響保護(hù)動作正確執(zhí)行的原因，并分析所搭建的仿真模型系統(tǒng)的性能。該系統(tǒng)基于MATLAB軟件環(huán)境，采用M文件和SIMLINK仿真組件搭建模型并進(jìn)行動態(tài)仿真。系統(tǒng)主要由一次系統(tǒng)仿真和繼電保護(hù)仿真兩部分組成，其原理框圖如圖2-1所示。圖2-1輸電線路電流保護(hù)仿真模型系統(tǒng)框圖2.3MATLAB/SIMULINK在電力仿真中的應(yīng)用電力系統(tǒng)是一個復(fù)雜度和維度都很高的系統(tǒng)，因此可以將MTALB工具作為電力系統(tǒng)分析的有效工具。電力系統(tǒng)的仿真一般包括穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)分析，其理論性較強(qiáng)，學(xué)習(xí)和實驗的難度都較大。MATLAB軟件中集成了專門用于電力系統(tǒng)分析的SPS模塊庫，在SIMULINK組件中通過調(diào)用SPS庫元件，可以搭建出各種仿真模型，可用于對電子電力系統(tǒng)、電路、電力傳輸系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)等進(jìn)行仿真分析[19]。另外基于MATLAB強(qiáng)大的矩陣計算能力，可以采用M文件進(jìn)行編程，對矩陣進(jìn)行整體的計算。而電力系統(tǒng)中大多需要對多元的線性方程進(jìn)行求解，可抽象轉(zhuǎn)化為矩陣?yán)肕ATLAB進(jìn)行計算[20]，相比于其他編程語言，有效的提高了運(yùn)算速度，降低了系統(tǒng)的軟件復(fù)雜度，從而降低了入門門檻，經(jīng)過簡單的學(xué)習(xí)，就可以搭建出復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。隨著各種信號處理算法的開發(fā)和成熟，MATLAB在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用會越來越廣泛。3輸電線路電流保護(hù)的配置及原理3.1階段式電流保護(hù)基本原理學(xué)習(xí)輸電線路的電流保護(hù)原理是理解其保護(hù)機(jī)制的基礎(chǔ)，下面將對階段式電流保護(hù)原理進(jìn)行詳細(xì)的介紹。階段式電流保護(hù)一般用于110KV以及以下的電力系統(tǒng)中，其中性點采用了非直接接地的方式，在電力系統(tǒng)中起到主保護(hù)的作用。3.1.1階段式電流保護(hù)原理簡介在對階段式電流保護(hù)原理的介紹中，基于單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行介紹。如圖3.1是單電源供電下的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖，該電力系統(tǒng)主要分為A-B、B-C以及C-D三段線路，圖中繪制出了不同階段線路流過電流的最大負(fù)荷電流值變化情況。從圖中可以看出，電路中介入用戶的多少對整個電力系統(tǒng)的負(fù)荷電流大小是有影響的，且越靠近電源一側(cè)的線路段，其負(fù)載電流值越大。圖3-1單側(cè)電源供電電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖當(dāng)傳輸線路中任意一點存在短路故障時，則該短路故障點和電源間傳輸線路中故障電流可通過公式（3-1）進(jìn)行計算： （3-1）公式（3-1）中的表示電源側(cè)電源的電動勢；表示線路當(dāng)中的故障點到繼電保護(hù)裝置的阻抗值；表示保護(hù)裝置到電源的阻抗值；表示故障系數(shù)，當(dāng)兩相存在短路時該值為，當(dāng)三項存在短路時該值為1。當(dāng)電力系統(tǒng)的接線方式、用戶負(fù)荷接入大小、電力網(wǎng)絡(luò)、裝置分布以及開機(jī)方式發(fā)生變化時，系統(tǒng)的參數(shù)如電源電動勢和故障點到繼電保護(hù)裝置的阻抗值均會發(fā)生變換，同時故障點到繼電保護(hù)裝置的阻抗值和故障系數(shù)也會發(fā)生變化。電力系統(tǒng)通常有三種運(yùn)行方式，分別是最小、最大以及通常這三種運(yùn)行模式。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在最大運(yùn)行模式下，此時的電力系統(tǒng)阻抗相對最小，，在電網(wǎng)中相同點發(fā)生同類型的故障將導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置的故障電流值最大；當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于最小模式下時，與最大模式相比此時的系統(tǒng)阻抗值最大，因而在電網(wǎng)中相同點發(fā)生同類型的故障將導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置的故障電流值最??；當(dāng)系統(tǒng)存在三相短路且系統(tǒng)運(yùn)行在最大模式下，上圖中的曲線3表示了流過繼電器保護(hù)裝置的電流變化情況。當(dāng)系統(tǒng)存在三相短路且系統(tǒng)運(yùn)行在最小模式下，上圖中的曲線2表示了流過繼電器保護(hù)裝置的電流變化情況。在通常運(yùn)行模式下，電網(wǎng)中同一個位置發(fā)生故障時，流過繼電器保護(hù)裝置的電流均介于曲線3和曲線2兩者之間。通過圖中曲線1、2和曲線3可以看出，電網(wǎng)傳輸系統(tǒng)中有故障發(fā)生時，線路中繼電保護(hù)裝置的電流幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)正常工作情況下的負(fù)載電流幅值，因此可以采用過流保護(hù)繼電器根據(jù)不同的電流觸發(fā)來保護(hù)整個系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行，當(dāng)有故障發(fā)生時可以穩(wěn)定切斷，有效的保證了電力系統(tǒng)的安全。階段式電流保護(hù)主要由電流速斷保護(hù)、限時電流速斷保護(hù)以及定時限過流保護(hù)，下面將對各個部分的原理進(jìn)行詳細(xì)的介紹。（1）電流速斷保護(hù)當(dāng)電路中存在短路故障點時，流過繼電保護(hù)裝置的故障電流瞬間增大，此時觸發(fā)電流速斷保護(hù)裝置，切斷故障點。電力傳輸系統(tǒng)的電流速斷電路一般只能保護(hù)傳輸線路的局部部分，這樣是為了保證其正確的選擇性。下面以圖3-1中AB階段的保護(hù)2為例來進(jìn)行解釋，當(dāng)線路中BC階段的K2點出現(xiàn)短路故障時，繼電保護(hù)裝置1應(yīng)該產(chǎn)生動作，以切除故障位置，而不是繼電保護(hù)裝置1產(chǎn)生速度保護(hù)，因此要保證保護(hù)選擇的正確性。另外當(dāng)AB階段的末端K1點位置出現(xiàn)短路故障時，此時應(yīng)該產(chǎn)生動作和保護(hù)的是AB階段的保護(hù)裝置2。通過上述公式可知，當(dāng)K1點位置或K2點位置分別發(fā)生故障時產(chǎn)生的故障電流差異非常小，這就無法保證保護(hù)的選擇性，使得K1發(fā)生故障時觸發(fā)保護(hù)裝置2進(jìn)行切除，K2點發(fā)生故障時準(zhǔn)確觸發(fā)保護(hù)裝置1對故障點進(jìn)行切除。上述問題普遍存在于其他傳輸線路的保護(hù)裝置中，為了解決存在的問題，一般是以選擇性作為優(yōu)先條件，在對保護(hù)階段的閾值進(jìn)行設(shè)置時，保證當(dāng)下一保護(hù)階段的初始位置出現(xiàn)故障點時，該階段的保護(hù)裝置不會被觸發(fā)而產(chǎn)生動作信號。電流速度保護(hù)的工作原理可以解釋為：當(dāng)電力系統(tǒng)傳輸線路中發(fā)生故障時，該位置點的電流值瞬間升高，當(dāng)流過保護(hù)裝置的電流值大于保護(hù)裝置預(yù)先設(shè)定的電流閾值時，該保護(hù)裝置被觸發(fā)并產(chǎn)生相應(yīng)動作。一般情況下電力系統(tǒng)保護(hù)裝置的電流閾值通過電力系統(tǒng)的一次仿真來確定，也就是上圖中提到的。如上述分析保護(hù)1和2所示，為了保證動作選擇的準(zhǔn)確性，BC階段始端發(fā)生故障的最大故障電流必須小于速斷保護(hù)裝置2的閾值電流，閾值電流的計算公式為 （3-2）公式中的表示保護(hù)裝置2的閾值電流，表示線路BC始端發(fā)生短路故障時的最大電流值，表示可靠性系數(shù)，通常取值為1.2-1.3，可靠性系數(shù)的引入主要為了考慮系統(tǒng)可能受非周期分量的干擾，導(dǎo)致計算值大于實際值的情況。（2）限時電流速斷保護(hù)電力系統(tǒng)中同時都會設(shè)置主保護(hù)和備用保護(hù)，對主保護(hù)和備用保護(hù)的要求也不一樣，一般情況下將動作時限短，當(dāng)發(fā)生短路故障時能以最快的速度，選擇性的切斷故障點的保護(hù)作為系統(tǒng)的主保護(hù)，而后備保護(hù)主要是為了保證主保護(hù)由于一些原因針對故障不能準(zhǔn)確響應(yīng)時，來進(jìn)行觸發(fā)并動作切除故障點，從而保證整個系統(tǒng)的安全。主保護(hù)存在不能保護(hù)傳輸線路全長的缺點，因此加入備用保護(hù)，可以快速可靠的切除整個線路中的短路故障，因此也被稱為限時電流速斷保護(hù)。圖3-2限時電流速斷保護(hù)的動作特性圖3-2顯示了限時電流速斷保護(hù)的動作特性。由上述分析可知，繼電保護(hù)裝置2的目的主要是保護(hù)線路AB段，當(dāng)這一段出現(xiàn)短路故障時，能準(zhǔn)確觸發(fā)保護(hù)裝置產(chǎn)生動作。從上圖中可以看出，只有當(dāng)保護(hù)裝置2的限時電流速斷保護(hù)閾值電流小于AB線路末端發(fā)生故障的故障電流值時才能保護(hù)完整的AB線路。但這會將保護(hù)裝置2的動作范圍延伸到傳輸線路B，因此為了保證其正確的選擇性，應(yīng)加上適當(dāng)?shù)难訒r，以等待保護(hù)1響應(yīng)故障切除故障后再動作，同時為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，這個延時時間應(yīng)盡可能的小。雖然添加延時可以解決保護(hù)裝置保護(hù)范圍延長而導(dǎo)致的選擇性的問題，但為了系統(tǒng)系響應(yīng)的快速性，具體應(yīng)用設(shè)置中不應(yīng)使保護(hù)范圍延伸太長而超出相鄰的保護(hù)線路。為了保證正確的選擇性，保護(hù)裝置2的限時電流速斷保護(hù)故障閾值電流應(yīng)該大于保護(hù)裝置1的速斷保護(hù)電流閾值，同時引入可靠性系數(shù)（1.1~1.2），其閾值電流計算公式為 （3-3）（3）定時限過流保護(hù)電力系統(tǒng)中的過電流保護(hù)設(shè)置中的閾值設(shè)定應(yīng)該避開系統(tǒng)的最大負(fù)荷電流值，當(dāng)電路正常工作時該保護(hù)裝置不觸發(fā)不動作，當(dāng)電路發(fā)生故障導(dǎo)致電流急劇增大時該保護(hù)立即動作而保護(hù)電路。定時限過流保護(hù)的保護(hù)范圍可以覆蓋本線路段和像相鄰線路段，可以充當(dāng)后備保護(hù)的角色。為了保證定時限過流保護(hù)在系統(tǒng)正常運(yùn)行情況不動作，該保護(hù)裝置的電流閾值應(yīng)該大于系統(tǒng)傳輸線路的最大工作負(fù)荷電流；另外當(dāng)電路故障修復(fù)之后恢復(fù)正常時電路的最大負(fù)荷啟動電流也應(yīng)小于閾值電流，保護(hù)裝置的電流計算公式為 （3-4）其中為系統(tǒng)的定時限過流保護(hù)裝置的閾值電流，為加入的可靠性系數(shù)（1.15~0.95），為系統(tǒng)自啟動系數(shù)通常取值大于1，為返回恢復(fù)系數(shù)，0.85~0.95為其一般取值。另外定時限過流保護(hù)裝置的延時參數(shù)應(yīng)該根據(jù)選擇性優(yōu)先的原則設(shè)置，從靠近電源端向后成階梯狀延伸。3.1.2階段式電流保護(hù)的配合和應(yīng)用上述介紹的幾種保護(hù)機(jī)制，都有其優(yōu)缺點，電流速斷保護(hù)通常作為主保護(hù)，具有保護(hù)動作迅速的特點，其缺點是不能保護(hù)傳輸線路的全長。限時速斷保護(hù)的優(yōu)點在于可以保護(hù)傳輸線路的全部范圍，缺點是存在一定的延時影響其快速性；定時限過流保護(hù)可以保護(hù)本段和相鄰傳輸線路的安全且靈敏度較高，但是它也存在延時的缺點。在實際電力系統(tǒng)的應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)各種保護(hù)措施的優(yōu)點，采取多種電流保護(hù)措施，構(gòu)成一套完整的傳輸線路保護(hù)裝置，即為階段式電流保護(hù)?，F(xiàn)實應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)需求，選擇2種或3種來構(gòu)成保護(hù)裝置。4輸電線路階段式電流保護(hù)系統(tǒng)建模4.1系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境介紹4.1.1MATLAB概述MATLAB軟件是由美國MathWorks公司在20世界90年代研發(fā)推出的一款軟件系統(tǒng)，經(jīng)過近幾十年的發(fā)展和擴(kuò)充，目前已經(jīng)成為國際公認(rèn)的科技類最優(yōu)秀的軟件之一。該軟件功能強(qiáng)大，人機(jī)交互界面友好，操作簡單且支持眾多公司官方或第三方推出的應(yīng)用工具箱，現(xiàn)已成為計算機(jī)輔助分析、設(shè)計、仿真教學(xué)乃至商業(yè)計算領(lǐng)域必不可少的軟件工具。MATLAB官方開發(fā)了眾多專業(yè)性較強(qiáng)的工具箱，其中包括圖像處理、數(shù)字信號處理、控制系統(tǒng)、模糊邏輯等，這些工具箱給各個領(lǐng)域的科研帶來了很大的便捷性。該軟件之所以能迅速的在全世界普及，顯示出其他軟件不可比擬的優(yōu)勢，主要在于它具有以下特點：（1）基于矩陣運(yùn)算的強(qiáng)大計算能力；（2）類似于C，簡單上手的編程語言；（3）可視化的操作界面；（4）功能強(qiáng)大的用于各個領(lǐng)域研究的工具包；另外MATLAB軟件的GUI（GraphicalUserInterfaces），即圖像用戶界面，可以實現(xiàn)用戶和機(jī)器的交互，它是一個包含各類圖像對象（按鍵、窗口、工具欄、坐標(biāo)軸以及菜單）的操作界面。用戶可以通過命令行或鼠標(biāo)操作來實現(xiàn)相應(yīng)的功能。另外GUI還提供了一些常用的模塊組件，用于用戶搭建自己的顯示界面，這些組件主要有下拉菜單、按鈕、文本框等，使用者只需要了解基本的原理和使用方法，就可以搭建自己的界面，實現(xiàn)想要實現(xiàn)的功能，這進(jìn)一步提高了MATLAB的靈活性和實用性。4.1.2Simulink介紹Simulink是MATLAB軟件中提供的一個用于模型化建模與仿真的工具，在保持MATLAB的特性基礎(chǔ)之上又增加了許多新的功能。Simulink可以配置MATLAB及其它工具箱配合使用，可以完成對控制系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、電力系統(tǒng)以及其他領(lǐng)域的仿真和分析。在建模方式上，Simulink提供了交互式的圖像模塊化建模方式，用戶可以選擇合適的功能模塊元件，并將其拖拽到窗口，然后設(shè)置子模塊參數(shù)，可以快速的互聯(lián)組成一個仿真模型，搭建完模型后，可以添加顯示模塊如示波器（scopes）對仿真的波形進(jìn)行顯示，可以實時觀測到模型的運(yùn)行狀態(tài)。另外仿真的結(jié)果也會暫時緩存在其運(yùn)行工作空間，可根據(jù)需要進(jìn)行查閱。對于搭建好的仿真模型，用戶不僅可以清楚看到搭建的模型中每個功能模塊的具體動態(tài)響應(yīng)過程、還可以了解到各個子模塊之間的信號流向以及各個模塊之間的相互作用。另外Simulink以其強(qiáng)大的開放性能結(jié)構(gòu)，允許用戶采用其他語言如C或Fortran語言編寫構(gòu)建自己的功能模塊，并將其用于系統(tǒng)的建模和分析。Simulink可視化工具內(nèi)部集成了復(fù)雜且功能強(qiáng)大的模塊庫，主要包括信號源、非線性和線性組件、接收發(fā)送器以及其他連接模塊。SimPowerSystem（簡稱SPS）是專屬于Simulink的一個專業(yè)工具箱，可用于電路系統(tǒng)、電力電子系統(tǒng)、輸變電系統(tǒng)以及電機(jī)電氣系統(tǒng)等，是一個功能特別強(qiáng)大的工具箱。利用SPS工具箱在窗口建立完模型進(jìn)行仿真前，系統(tǒng)會轉(zhuǎn)換為類似于電路狀態(tài)所描述的狀態(tài)方程形式。SPS工具箱中包含了七個子模塊庫，共提供了約130多個功能模塊。其七個子模塊分別為電力電子模塊庫、元件字庫、電源子庫、應(yīng)用子庫、測量子庫以及電機(jī)子庫。除此之外，SPS工具箱還包含了Powergui分析工具和相量子庫，可以被用于系統(tǒng)建模中對信號進(jìn)行檢測和提取或者進(jìn)行傅里葉變換分析和三相相電壓進(jìn)行分析。4.1.3M文件介紹M文件是MATLAB專用的一種數(shù)據(jù)文件格式，不管是在MATLAB中編寫程序算法或者是在動態(tài)仿真環(huán)境Simulink下進(jìn)行建模和仿真，或者是搭建自己的GUI界面，均需要用到M文件。MATLAB最大的特點就是其簡潔性，可以將復(fù)雜的問題的直觀的展現(xiàn)出來，代替了其他語言的復(fù)雜、冗長性。系統(tǒng)提供了豐富的子函數(shù)，用戶可以直接調(diào)用完成自己的軟件功能，應(yīng)用MATLAB進(jìn)行編程的主要特點可總結(jié)如下：（1）編程效率高。MATLAB編程語言是類似于C語言又不同于C的面向過程的一種高級語言，它的語法簡單、易于理解，通過調(diào)用官方函數(shù)，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的設(shè)計效率和執(zhí)行效率。（2）使用簡單、方便。MATLAB語言是一種表意的解釋執(zhí)行的語言，它的編譯、鏈接和執(zhí)行融為一體，設(shè)計靈活方便，調(diào)試速度快。（3）強(qiáng)大的擴(kuò)展能力。MATLAB編程語言提供了大量的庫函數(shù)，當(dāng)進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算時，不需要自己編寫底層運(yùn)算函數(shù)，可以直接調(diào)用官方函數(shù)庫，用戶編寫的算法模塊也可以作為子模塊被調(diào)用；另外C、C++以及其他語言也可以和MATLAB進(jìn)行交互4.2階段式電流保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成及各模塊建模第三章詳細(xì)介紹了電力系統(tǒng)中繼電器保護(hù)的各種方式，本文以階段式電流保護(hù)的方式為例，在Simulink中搭建了階段式電流保護(hù)的仿真模型，并進(jìn)行仿真和分析。整個系統(tǒng)的仿真分析系統(tǒng)框圖如圖4-1所示。該系統(tǒng)由電力系統(tǒng)線路故障暫態(tài)仿真模塊、信號濾波模塊、啟動元件模塊、電流保護(hù)I段模塊、電路保護(hù)II段模塊以及電流保護(hù)III段等模塊構(gòu)成。圖4-1階段式電流保護(hù)的仿真分析系統(tǒng)框圖階段式電流保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行流程如下，搭建完模型后，首先運(yùn)行系統(tǒng)線路故障暫態(tài)仿真模塊，并對仿真結(jié)果進(jìn)行顯示；然后運(yùn)行啟動元件模塊，利用暫態(tài)仿真輸出的相電流進(jìn)行判斷，如果判斷發(fā)生了短路故障，則對三相電流數(shù)值進(jìn)行濾波處理；之后將處理后的電流信號分別輸入到電流保護(hù)I段模塊、電路保護(hù)II段模塊以及電流保護(hù)III段模塊，與各個模塊的保護(hù)繼電裝置的的閾值電流值進(jìn)行比較，并分別按照動作時限產(chǎn)生觸發(fā)動作信號。4.2.1階段式電流保護(hù)系統(tǒng)線路故障暫態(tài)建模圖4-2展示了單電源傳輸網(wǎng)絡(luò)的接線示意圖，根據(jù)該示意圖在MATLAB的Simulink環(huán)境中搭建階段式電流保護(hù)系統(tǒng)線路故障暫態(tài)的仿真模型，搭建完成的仿真模型如圖4-3所示。圖4-2單電源傳輸網(wǎng)絡(luò)的接線示意圖圖4-3單電源故障暫態(tài)仿真模型故障暫態(tài)仿真模型中的元件參數(shù)設(shè)置如下：單電源網(wǎng)絡(luò)中的電源線電壓為10.5KV，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于最大模式下時，系統(tǒng)的等效阻抗可表示為，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在最小模式下時的等效阻抗可表示為，通常運(yùn)行方式下，該系統(tǒng)的等效阻抗設(shè)置為。電力系統(tǒng)的共有兩個保護(hù)段分別為AB和BC段，每一段的長度均為10km，另外傳輸線路的零序阻抗為和正序阻抗為分別為和，系統(tǒng)的總負(fù)載設(shè)置為，系統(tǒng)發(fā)生故障時將線路末端負(fù)載設(shè)置為空載。除過上述參數(shù)之外，如系統(tǒng)的仿真時間、故障類型、故障位置等參數(shù)均可以根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行設(shè)置，后面對其有詳細(xì)介紹。4.2.2啟動元件啟動元件模塊主要用于對線路中的故障進(jìn)行判斷。該模塊該具有的特點是：如果如系統(tǒng)在正常運(yùn)行的情況下，系統(tǒng)線路中不存在短路故障，則該模塊不啟動。如果系統(tǒng)傳輸線路中出現(xiàn)了短路故障，則該模塊可以在故障發(fā)生的瞬間快速啟動，因此該模塊應(yīng)具有足夠的靈敏度。繼電保護(hù)裝置中的啟動元件有多種類型，如阻抗型元件、電流型元件、零序電流元件、相電流突變元件以及負(fù)序電流元件等等。本系統(tǒng)中采用了相電流突變元件，其啟動的條件如（4-1）所示。 （4-1）如果系統(tǒng)中諧波分量較多，當(dāng)頻率不穩(wěn)定時就可能會誤觸發(fā)啟動元件，對系統(tǒng)的運(yùn)行造成影響。因此為了提高穩(wěn)定性減少頻率波動帶來的影響，對其啟動條件做了一些約束，約束后的啟動條件如（4-2）所示。 （4-2）其中公式中的表示K時刻故障電流點的突變值，表示K時的測量電流值，表示相對K時刻前一個周期的測量電流值，N表示一個周期，表示相對K時刻前兩個周期的測量電流值，表示啟動元件的設(shè)定電流閾值（取值為0.2倍電流正常值）?？梢钥闯?，為了避免頻率波動對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，需要采集上一個時刻以及上上一個時刻的電流值作為判斷的約束條件。該模塊的工作流程簡述如下：首先將暫態(tài)仿真分離出的三相電流信號輸入到該元件模塊，通過延時模塊延時0.02秒，得到電流值，之后再經(jīng)過系統(tǒng)中的求差運(yùn)算模塊得到電流的變換量，通過相同的方式可以求得連續(xù)三個時刻的、以及，進(jìn)一步獲得連續(xù)時刻電流的變化量、以及。之后將得到的電流變化量與元件的設(shè)定電流閾值作比較，都三個計算結(jié)果都大于設(shè)定電流閾值時，元件模塊發(fā)出啟動信號，作為下一步系統(tǒng)的運(yùn)行信號。下圖4為搭建的啟動元件的仿真模型，其中4-4(a)展示了電流提取模塊的建模模型，圖4-4(b)為AB相電流突變啟動元件它的仿真模型，可以看出圖中其可以輸出三個連續(xù)時刻的，同樣的原理可以構(gòu)建BC相以及AC相的電流突變啟動元件它的仿真模型。4-4(c)中的三個輸入模塊subsysytem2、subsysytem1以及subsysytem分別三相電流的突變啟動元件，其中subsysytem2表示AC相電流突變啟動元件仿真模型，subsysytem1表示BC相電流突變啟動元件仿真模型，而subsysytem是AB相電流突變啟動元件的仿真模型。(a)電流突變量提取模塊建模(b)AB相電流突變啟動元件建模(c)啟動元件整個模塊的整體建模圖4-4啟動元件的仿真模型4.2.3傅里葉變換電力系統(tǒng)中對信號進(jìn)行分析時，一般利用的都是信號的基頻分量，但一般情況下線路發(fā)生故障時，其短路電流或電壓中包含有大量的非整次諧波分量，這會對系統(tǒng)故障的判斷造成影響，因此需要采取相應(yīng)的措施濾除這些諧波分量的影響。根據(jù)不同場合和應(yīng)用環(huán)境，有多種濾波方式可供選擇，如半周積分算法、微分方程算法、以及傅里葉變換算法，本系統(tǒng)中選擇傅里葉變換算法完成對信號的濾波處理。傅里葉變化可以將時域信號轉(zhuǎn)換到頻率域，可以準(zhǔn)確的將信號的基頻信號、諧波信號以及直流信號分離開來，因此可以將信號的非整次高頻信號以及按照置指數(shù)規(guī)律衰減的非周期分量中包含的低頻信號等其他噪聲信號可以很好濾除。Simulink中有系統(tǒng)集成的傅里葉變換功能模塊，搭建模型時直接調(diào)用該模塊，搭建完成的模型如圖4-5所示。該模塊的輸出信號為復(fù)數(shù)形式，直接將其輸入到后一級模塊即可。圖4-5信號濾波模塊的建模4.2.4電流比較部分上一章對電流速斷保護(hù)方式、過電流保護(hù)方式以及限時電流速斷保護(hù)方式的原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，知道了這三種方式的共同點都是基于傳輸線路中的電流瞬間升高而產(chǎn)生動作完成對電路的保護(hù)的，區(qū)別在于依據(jù)不同的原則選取和設(shè)定保護(hù)裝置的電流閾值。保護(hù)裝置的電流閾值可通過上文的公式進(jìn)行計算得到。該系統(tǒng)采用的是三段式保護(hù)電路，上一步經(jīng)過濾波處理后的電流信號直接輸入到電流比較模塊的I段電流保護(hù)模塊、II段電流保護(hù)模塊以及III段電流保護(hù)模塊，然后該模塊將與之前設(shè)定的繼電保護(hù)的電流閾值進(jìn)行比較，并分別按照其保護(hù)方式輸出動作信號。圖4-6電流比較模塊的建模圖4-6展示了I段電流保護(hù)模塊的仿真模型，I段為電流速斷保護(hù)類型。II段的電流保護(hù)方式為定時電流速斷保護(hù)，III段為定時限過流保護(hù)方式，其實現(xiàn)方式和I段類似，不同的是分別添加有延時模塊，分別有0.05秒和0.1秒的延時長度。5系統(tǒng)測試及結(jié)果分析上一章對階段式電流保護(hù)系統(tǒng)的仿真模型的建立進(jìn)行了介紹，本章將基于上文搭建的仿真對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，下面將詳細(xì)介紹仿真過程并對仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析。5.1兩相短路故障仿真及分析首先對兩相短路的情況進(jìn)行仿真分析，假設(shè)A、B相存在短路故障，故障的出現(xiàn)時間段為0.1~0.3秒。設(shè)置系統(tǒng)的運(yùn)行方式為通常運(yùn)行方式，并計算設(shè)置三段保護(hù)裝置的電流閾值。假設(shè)第一個故障點存在于傳輸線路的5km位置處，仿真得到的結(jié)果如圖5-1所示。圖中包含了三相相電壓、相電流以及電流的瞬時有效值波形，另外還包含了啟動元件的啟動信號以及三段保護(hù)電路保護(hù)裝置的輸出動作信號。（a）A相電壓輸出波形（b）B相電壓輸出波形（c）C相電壓輸出波形（d）A相電流輸出波形（e）B相電流輸出波形（f）C相電流輸出波形（g）電流瞬時有效值輸出波形（h）啟動信號輸出波形（i）I段電流保護(hù)繼電器輸出動作信號（j）II段電流保護(hù)繼電器輸出動作信號（k）III段電流保護(hù)繼電器輸出動作信號圖5-1A-B相間在5km處的短路故障模型仿真結(jié)果由上圖可以看出，在t=0.1秒，系統(tǒng)的A相和B相發(fā)生了短路故障，此時可以看出AB相相電壓迅速降低，其相電流升高，同時可以知道發(fā)生故障的相電流明顯高于三段電流保護(hù)裝置的電流閾值。另外結(jié)合右邊圖可以看出，啟動元件正常輸出了啟動信號，并且三段保護(hù)和預(yù)期一致，均被觸發(fā)產(chǎn)生動作輸出信號且符合系統(tǒng)設(shè)置的時延。接下來將相間短路的故障點設(shè)置在9km位置，其他參數(shù)保持不變，仿真結(jié)果如圖5-2所示?？梢钥闯?km位置處的故障與5km位置處的故障實驗仿真結(jié)果類似，發(fā)生故障時線電壓降低，相電流迅速升高，另外啟動元件也有相同的輸出啟動信號。通過圖5-2可以進(jìn)一步看出在9km處發(fā)生故障時，其相電電流有效值低于I段保護(hù)裝置的閾值電流，而高于II段以及III段的電流繼電保護(hù)裝置的閾值電流，這是因為I端保護(hù)不能保護(hù)全部范圍。同時可以看出I段保護(hù)裝置不產(chǎn)生動作，I段和III段電流繼電保護(hù)裝置被觸發(fā)分別延時0.05秒和0.1秒輸出動作信號，符合預(yù)期結(jié)果。（a）A相電壓輸出波形（b）B相電壓輸出波形（