基于Matlab的距离保护仿真Word格式.docx
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微机保护
中图分类号：
TM773 文献标识码：
A 文章编号=1006-7167（2010）08-0053-05
DistanceProtectionSimulationBasedonMatlab
LUGui-hua,WANGBao-hua（SchoolofPowerEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094，China）
Abstract：
AdistanceprotectionsimulationmodeloftransmissionlinewasestablishedbyusingSimulinkandSimPowerSystemtoolboxinMatlab.S-functionwasusedtoprogramethedistanceprotectionofphasefaultsandearthfaultsandtherelevantprotectionmodelswerecreatedtobuilddistanceprotection.Thesimulationresultsshowthatthethree-stagedistanceprotectionmodelcanrespondtoallkindsoffaultswithinprotectionzonescorrectlyandsendcorrectsignaltothebreakeroftheline.
Keywords：
Matlab；
S-function；
simulink；
distanceprotection；
microprocessor-basedprotectiverelaying
i引言
Matlab软件中的SimPowerSystem电力系统仿真模块集是基于Simulink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⑴。
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。
Tel.：
13605194923；
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
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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：
7Ua-Ub^d7uc-UA
=—• T~，^ml~ ~^m3~~ ；
h- h ^ h !
c ~ h
（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：
UA UB
7一 7
^ 一 ， ^ mO —
IA+K3/0 IB + K 3/。
Uc
L ~—— ⑵
h+K3/0
式中A是补偿系数（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110kV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200km不变。
10.5kV10.5/121kV
r,
110kV100km
110/10.5kV
100Ion
图1单端电源电力系统
10kV
T2
S«
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
第8期
陆桂华，等：
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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0.03S，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0.033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0.03s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0.05s;
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.1s（实际中n段和m段延时分别为o.5s和1s,但由于仿真总时间较短，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
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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、
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