电力系统继电保护实验指导书精简版.docx
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电力系统继电保护实验指导书精简版
电力系统继电保护实验指导书
实验一同步发电机出口短路的MATLAB仿真分析
实验二双端电源高压输电线路短路故障的MATLAB仿真分析
实验三三段式电流保护综合实验
附录1：
微机线路保护装置参数整定操作
电气工程教研室
2011-8-28
实验一同步发电机出口短路的MATLAB仿真分析
同步发电机是电力系统中的重要元件，同步电机是由多个由磁耦合关系的绕组构成，同步电机的突然短路的暂态过程要比恒定电压源电路复杂很多，所产生的冲击电流可能达到额定电流的十几倍。
对电机本身和相关的电气设备都可能产生严重的影响。
1.实验原理
同步电机突然短路电路模型如下图1-1所示。
使用简化的同步电机，三相并联PLC负载，通过三相电路短路发生器实现同步电机的三相短路，再用示波器观察同步发电机在发生三相短路时的暂态过程。
图1-1实验原理图
2．电路各元件的选取、参数设置
2.1同步发电机的选取，设置
打开Matlab仿真软件，在命令窗口中输入“Simulink”在弹出的窗口中将简化同步电机（SimplifiedSynchronousMachine）添加到“模型编辑窗口”重命名为“SM”双击设置其参数设置为如图1-2：
图1-3PM
图1-2SM
2.2常数发生器的选取、设置
将常数发生器（Constant）拖放到当前仿真窗口双击参数设置如图1-3，用于发电机功率输入，并重命名为PM；再选取一常数发生器，参数设如图1-4，用于发电机电压输入。
图1-4VLLrms图1-5V-I
2.3三相电压-电流测量元件选取、设置
在测量元件库中选择三相-电流测量元件（Three-PhaseV-IMeasurment），复制粘贴到仿真窗口中，双击设置参数如图1-5
2.4三相并联负载的选取、设置
在线路元件库中选择三相并联PLC负载元件复制粘贴到电路图中，双击设置其参数如图1-6并重命名为Load。
2.5短路发生器的选取、设置
将三相电路故障发生器拖放到电路图中，部分参数设置如图1-7
2.6示波器、选择器及三相序信号分析器的选取
在元件库中拖入两个选择器（Selector）一个用于电流电路选择，一个用于电压电路选择；四个示波器（Scope）分别用于观察电流、电压、序分量电流幅值、序分量电流相角；一个序信号分析器。
2.7仿真参数设置
将以上电器电气连接起来，在“Simulation选项卡下选择SimulationParameters”将参数设置为：
起始时间0S停止时间0.5SSolverOptions：
TypeVariable-StepOde15s（stiff/NDF）
图1-6Load
图1-7
3、实验要求
3.1按照所给出的系统结构和系统参数，利用MATALAB软件对同步发电机出口三相短路过程进行仿真，并对仿真结果进行分析。
3.2改变系统参数，对发电机出口两相短路进行仿真分析。
4、参考文献
吴天明，等，MATLAB电力系统设计与分析，国防工业出版社，2004年第1版。
P412~P430。
实验二双端电源高压输电线路短路故障的MATLAB仿真分析
1.实验原理
电力系统中，大多数故障是由于输电线路短路引起的。
在发生短路故障的情况下，电力系统从一种状态剧烈变化到另一种状态，产生复杂的暂态过程。
仿真的电力系统暂态过程以高压输电线路故障暂态为分析对象,涉及的故障类型有:
单相接地短路、两相接地短路、三相接地短路。
建立双端恒定电压源高压输电线路的电路模型如图2-1所示。
图2-1双端恒定电压源高压输电线路的电路模型
使用理想三相电压源作电路的供给电源，分布参数输电线路（DistributedParameterLine）作为输电线路，输电线路Line1长度为100km，输电线路Line2长度为200km。
使用三相断路开关元件（TherePhaseBreaker）作为故障发生器。
使用万用表（Multimeter）测量系统的电气参数，并用示波器显示出波形。
通过仿真模型中的序量分析器可以得到故障点所在相的电压各序量的有效值及其相位。
2.仿真系统参数
2.1仿真内部参数设置选项
如图2-2所示，包括仿真起止时间（Simulationtime）、求解类型（type）、求解程序（Solver）、最大步长（Maxstepsize）、最小步长（Minstepsize）、初始步长（Initialstepsize）、设置相对容许误差限（Relativetolerance）、设置绝对容许误差限（Absolutetolerance）。
在变步长算法中，步长大小与信号变化快慢反向相关。
容许误差限的作用是控制计算精度。
当误差超过容许误差限时会自动修正步长。
在迭代的每一步（不妨设是第i次迭代），程序都会将计算出来的值与期望值相见得出一个误差e（i），若e（i）满足：
e（i）<=max（相对容许误差限*|y（i）|,绝对容许误差限），则表明第i次迭代是正确的，否则，程序会自动将步长减小，再来验证上述不等式是否成立。
重复上述过程，直到上述不等式成立为止。
图2-2
2.2理想三相电压源元件，参数设置：
线电压有效:
220e3V，A相相角:
0，频率:
50HZ；
内部连接方式:
Yg型（表示三相电源Yg型连接，中性点直接接地）;
三相电源电阻:
0.312欧;三相电源电感:
6.63e-3H。
参数设置对话框如图2-3所示
图2-3理想三相电压源图2-4输电线路
2.3输电线路元件，参数设置:
线路相数:
3;用于电感和电容的频率:
50HZ;
单位长度电阻:
[0.012730.3864];
单位长度电感:
[0.9377e-37.741e-3];
单位长度电容:
[12.74e-94.1264e-3];
线路1长度:
100km，线路2长度:
200km；
不测电气量。
参数设置对话框如图2-4所示。
2.4三相断路器元件，参数设置：
断路器电阻：
0.001欧；
初始状态：
open（表示初始状态下断路器打开）；
迟滞电阻：
1e6欧;
迟滞电容：
inf
转换时间：
[2/608/60]（表示在
2/60时闭合，8/60时打开）
测量：
电压和电流
参数设置对话框如图2-5所示。
图2-5三相断路器
3、实验要求
3.1按照所给出的系统结构和系统参数，利用MATALAB软件对双端电源高压输电线路单相接地短路故障过程进行仿真，并对仿真结果进行分析。
3.2改变系统参数，对不同短路位置的单相短路故障进行仿真分析。
3.3改变系统参数，对同一短路位置的两相接地短路、三相接地短路进行仿真分析。
4、参考文献
吴天明，等，MATLAB电力系统设计与分析，国防工业出版社，2004年第1版，P367~P405。
实验三三段式电流保护综合实验
1实验目的
图3-1系统等值电路图
电力系统输电线路的电流保护一般由三段式保护构成，分别是：
电流速断保护（Ⅰ段）、限时电流速断保护（Ⅱ段）、定时限过电流保护（Ⅲ段）。
本实验为综合性实验，通过本实验，要达到以下目的。
1．掌握三段式电流保护各段的工作原理、整定计算、保护构成和保护特点。
2．掌握三段式电流保护各段保护之间的协调机制和配合原则，并掌握通过保护动作信息推测线路故障位置。
2实验仪器和设备
实验设备采用求是的《工厂供电系统实训装置》，由其提供模拟的电力系统，包括系统运行方式的调节和两级串联输电线路，保护设备采用南自的HAS-531微机线路保护测控装置。
微机线路保护装置参数整定的原则及方法另见附录。
3实验内容
本实验的一次系统等效电路见图3-1，输电线路WL1和WL2的线路阻抗分别为R2=28Ω和R3=55Ω，d2点、d3点为各自线路末端的短路点，系统电压为100V，系统最大运行方式下，系统阻抗Xsmax为：
32Ω。
系统最小运行方式下，系统阻抗Xsmin为：
35Ω。
系统正常运行方式下，系统阻抗Xs为：
34Ω。
具体实验内容如下：
1）短路电流计算。
计算d2点、d3点的三相和两相短路电路。
2）三段式电流保护整定计算。
分别对线路WL1和WL2的三段式电流保护进行整定计算。
3）线路WL1保护实验。
将电流互感器TA12与微机保护的信号输入端子连接，分别在系统最小，正常，最大方式下，在d2点进行三相短路，测试三段式动作行为，然后在d3进行三相短路，再次测试三段式动作行为。
4）线路WL2保护实验。
将电流互感器TA13微机保护的信号输入端子连接，分别在系统最小，正常，最大方式下，在d3进行三相短路，测试三段式动作行为。
5）将线路WL1和WL2合并为一条输电线路，由断路器QF11控制，增设虚拟输电线路WL3,并设其线路阻抗R4=80Ω，见系统等效电路中的虚线部分。
然后，重做实验内容1）~3）。
4实验原理
从继电保护的基本要求出发，强调选择性、速动性、灵敏性、可靠性的协调和统一，突出三段式电流保护的整体配合原则，具体实验原理包括三段式保护各自的动作电流整定原理、动作时限整定原理和灵敏度配合原理。
5实验方法
5.1原有系统保护实验
1）短路电流计算。
对系统短路电流进行计算，并将结果填入下列短路电流计算表。
表3-1原有系统的短路计算表
d2点短路
d3点短路
最小运行方式
三相短路
两相短路
正常运行方式
三相短路
两相短路
最大运行方式
三相短路
两相短路
2）三段式电流保护整定计算。
对线路WL1和线路WL2的电流保护进行配置并进行整定计算，线路WL1应设置全部3段保护；线路WL2设置电流速断保护（Ⅰ段）和定时限过电流保护（Ⅲ段）。
本实验设备中的线路的正常负荷为信号灯，电流较小，在此可假设WL1的正常负荷电流为0.20A。
将整定计算结果填入下表。
表3-2原有系统的保护整定计算表
动作电流
动作时限
灵敏度校验
线路
WL1
电流速断保护
限时电流速断保护
定时限过电流保护
线路
WL2
电流速断保护
定时限过电流保护
3）线路WL1保护实验。
将电流互感器TA12与微机保护的信号输入端子连接，接线图见图6-2。
分别在系统最小，正常，最大方式下，在d2点进行三相短路，测试三段式动作行为，然后在d3进行三相短路，再次测试三段式动作行为。
并将实验数据记录在表3-3中。
图3-2线路WL1（断路器QF11）保护实验接线图
表3-3三段式电流保护三相短路实验数据记录表
三段都投入
Ⅰ段退出
Ⅱ段退出
d2点短路
d3点短路
d2点短路
d3点短路
d2点短路
d3点短路
最小运
行方式
动作段数
动作时间
短路电流/A
正常运
行方式
动作段数
动作时间
短路电流/A
最大运
行方式
动作段数
动作时间
短路电流/A
说明：
如果第一次实验时，不是Ⅲ段保护动作，则应逐步退出Ⅰ段、Ⅱ段保护，重做短路实验，直至三段保护动作。
4）线路WL2保护实验。
将电流互感器TA12微机保护的信号输入端子连接，接线图见图6-3。
分别在系统最小，正常，最大方式下，在d3进行三相短路，测试三段式动作行为。
并将实验数据记录在表6-4中。
表6-4三段式电流保护三相短路实验数据记录表
三段都投入
Ⅰ段退出
d2点短路
d3点短路
d2点短路
d3点短路
最小运
行方式
动作段数
动作时间
短路电流/A
正常运
行方式
动作段数
动作时间
短路电流/A
最大运
行方式
动作段数
动作时间
短路电流/A
图3-3线路WL2（断路器QF11）保护实验接线图
说明：
如果第一次实验时，不是Ⅲ段保护动作，则应逐步退出Ⅰ段、Ⅱ段保护，重做短路实验，直至Ⅲ段保护动作。
5.2系统虚拟拓展后的保护实验
1）短路电流计算。
对虚拟拓展后的系统短路电流进行计算，并将结果填入下列短路电流计算表。
表3-5系统虚拟拓展后的短路计算表
d2点短路
d3点短路
d4点短路
最小运行方式
三相短路
两相短路
正常运行方式
三相短路
两相短路
最大运行方式
三相短路
两相短路
2）三段式电流保护整定计算。
对虚拟拓展后的线路WL1和线路WL3的电流保护进行配置并进行整定计算，线路WL1应设置全部3段保护；线路WL3设置电流速断保护（Ⅰ段）和定时限过电流保护（Ⅲ段）。
本实验设备中的线路的正常负荷为信号灯，电流较小，在此可假设WL1的正常负荷电流为0.15A。
WL2的正常负荷电流为0.1A。
将整定计算结果填入下表。
表6-6系统虚拟拓展后的保护整定计算表
动作电流
动作时限
灵敏度校验
线路
WL3
电流速断保护
限时电流速断保护
定时限过电流保护
3）系统虚拟拓展后的线路WL1保护实验。
将电流互感器TA12与微机保护的信号输入端子连接，接线图见图6-2。
分别在系统最小，正常，最大方式下，在d2点进行三相短路，测试三段式动作行为，然后在d3进行三相短路，再次测试三段式动作行为。
并将实验数据记录在表6-7中（本设备只能进行三相短路实验）。
表6-7系统虚拟拓展后三段式电流保护三相短路实验数据记录表
三段都投入
Ⅰ段退出
Ⅱ段退出
d2点短路
d3点短路
d2点短路
d3点短路
d2点短路
d3点短路
最小运
行方式
动作段数
动作时间
短路电流/A
正常运
行方式
动作段数
动作时间
短路电流/A
最大运
行方式
动作段数
动作时间
短路电流/A
说明：
如果第一次实验时，不是Ⅲ段保护动作，则应逐步退出Ⅰ段、Ⅱ段保护，重做短路实验，直至三段保护动作。
6实验报告要求
6.1详细说明实验内容和实验步骤
6.2认真整理实验记录
6.3比较各项的实验数据，分析其产生的原因
附录1：
微机线路保护装置参数整定操作
装置的面板由LCD显示器、LED指示灯及简易键盘组成。
LED指示灯指示装置的工作状态及保护信号。
其中“24V”指示灯指示装置工作电源是否正常，正常运行时这个灯应常亮。
“运行”指示灯指示装置运行状态，正常运行时运行指示灯应有规律地闪动。
故障指示灯有3个，其中“事故”和“预告”指示灯分别表示有未复归的保护信号，“装置故障”指示灯指示装置通过自检发现有故障。
Uab=10.0kV
Ia=300A
Ic=300A
f=50.00Hz
当保护动作或装置发生故障时，面板上相应的“事故”、“预告”、“装置故障”信号指示灯会亮，并在LCD显示器的最后一行显示保护动作或装置故障的类型。
请注意，此时显示的内容不表示事件发生的顺序。
若要进一步了解详细情况，可在主菜单中选择“事件记录”来查看事件顺序记录（SOE）。
由于装置不可能检出所有的故障，故运行人员应注意LED指示灯在运行中是否正常，保护及测量CT采样值是否正常。
例如，当装置的5V电源故障时，整个装置均不工作，也不会发出信号。
这时应采取措施，保证设备正常工作。
装置的当地监控功能通过面板上的LCD显示器及简易的键盘操作实现。
01．保护投退
02．保护定值
03．事件记录
04．输入输出
05．采样数值
06．实时时钟
07．电能脉冲
08．出厂设置
09．设备信息
10．退出
LCD显示器为带背光的8×4汉字字符液晶显示模块，简易键盘由“↑”、“↓”、“→”、“←”、“取消”、“确认”及“复归”七个触摸键组成。
正常运行时液晶显示器自动循环显示各遥测量及一些保护模拟量的一次值。
若需查看未显示的项目，可按“↑”、“↓”键选择。
需要显示的项目可在“出厂设置”菜单下设定。
若需要复归保护动作或装置故障信号，可按下“复归”键，选择“是”后再按“确认”键即可。
按下除“↑”、“↓”键外的其他键，LCD显示器显示上图所示的主菜单。
通过“↑”、“↓”键可选择任一种功能，按“确认”键后进入该菜单的功能，按“取消”键或选择“退出”并按“确认”键后回到自动循环显示界面。
速断
RLP01投入
速断方向
RLP02退出
保护投退
将光标移至“保护投退”并按“确认”键后，进入保护投退设置功能。
保护投退设置的界面如上图所示
此时光标位于第1个投退项目即“速断”的投退设置。
通过按“↑”、“↓”键可选择其它投退项目。
当光标位于某一项目时，可通过“→”“←”键来改变设置。
当全部投退项目设置完成后，可按“确认”键来保存这些设置。
PASSWORD1：
0000
按下“确认”键后，进入输入PASSWORD界面，如下图所示。
通过按“↑”、“↓”键可改变PASSWORD各位数字的值，通过按“→”“←”键可选择要改变的位。
若用户没有修改过PASSWORD，则出厂默认的PASSWORD为1000同0000均可（修改PASSWORD的方法见“保护定值”的使用方法）。
当输入正确的PASSWORD后，就将所修改的保护投退设置保存好了。
保护定值
保护定值套数
00：
001.00
一次电压系数
Kv101：
010.00
进入保护定值功能后，即可对装置整定值进行当地修改。
本装置可存贮三套定值。
“0”号定值为当前使用的定值套号（1、2或3），其余号定值为装置对应于0号定值的本套定值。
显示格式如下图。
通过“↑”“↓”键可选择显示或要修改的定值，按下“→”键进入光标所在定值的编辑状态。
在编辑状态下，通过“↑”“↓”“→”“←”键可对定值进行编辑。
编辑完成后按“确认”键，在核实输入正确的口令后，再按“确认”键后本号定值修改有效，按“取消”键无效。
整定值定义及说明详见附录一。
注：
一次电压、电流系数×10后为实际的一次PT、CT变比。
事件记录
No.0005-05-26
时间15:
33:
56：
128
开关变位：
开入3分->合
本单元可存贮64次事件记录，其中第0号为最新记录，第1号为上一次记录，依次类推。
该记录存放在非易失性存贮器中，具有掉电长期保存功能，事件记录分开关变位、保护动作和装置故障三种类型。
事件记录显示格式如下图。
其中，No.后为记录号，05-05-26为该事件发生的日期，即2005年5月26日。
15:
33:
56.128该事件发生的时间，即11时21分22秒525毫秒。
通过按“↑”“↓”键可选择显示其余的64个事件。
当事件类型为保护动作时，可以按“确认”键去查看该保护的动作值，再按“确认”键返回。
输入输出
1．开入
2．开出
选择输入输出菜单后将显示以下内容。
通过“↑”“↓”键可选择查看开入量还是进行开出操作。
当选择开入时，屏幕显示如下：
开出FEDCBA9876543210
0000000000000000
其中“0”表示输入的开关未闭合，“1”表示输入的开关已闭合，在上图中，第7个和第13个开入量为1，其余为0。
开入量
01－08：
00000010
09－16：
00001000
按“取消”键可退出并返回上一级菜单。
当选择开出时，屏幕显示如下：
通过“↑”“↓”“→”“←”键可对开出量进行编辑。
“1”对应输出继电器闭合或指示灯亮，“0”对应输出继电器断开或指示灯灭。
编辑完成后按“确认”键，在核实输入正确的口令后，再按“确认”键后，相应的继电器就能出口。
采样数值
05.005.00
257.7657.56
457.724.99
64.985.01
在主菜单中选择“采样数值”后屏幕显示以下内容：
由于屏幕只能显示4行，需要查看屏幕外的数据时，可通过按“↑”“↓”键来选择。
其中大部分装置的0通道为A相测量电流，1通道为B相测量电流，2通道为A相测量电压，3通道为B相测量电压，4通道为C相测量电压，5通道为A相保护电流，6通道为B相保护电流，7通道为C相保护电流。
8~12通道在不同类型的装置中各不相同（见采样实时显示）。
实时时钟
本单元具有掉电运行的实时时钟功能，进入实时时钟模块后，LCD显示器将显示装置的实时时钟，如下图所示：
通过简易键盘可对时钟进行修正。
按“确认”键后进入时钟编辑状态。
在编辑状态下，通过“↑”“↓”“→”“←”键可对时钟进行编辑。
编辑完成后按“确认”键，在核实输入正确的口令后，再按“确认”键后，修改有效。
若此时不想修改时钟，可按“退出”键退出时钟编辑状态。
日期
05年05月26日
时间
18时16分23秒
该时钟也可由通信网统一校时（精确到2ms），以使整个系统保持同一时基。
实时时钟主要作为事件顺序记录的时间依据。
电能脉冲
进入电能计量模块后，可对脉冲电度度表脉冲计数进行初值设定，初值设定后，该值将随着电能脉冲的累积而变化，直到下一次重新设定初值。
每个装置共安排了2路脉冲计数输入。
出厂设置
出厂设置在装置出厂前以设置完成，用户通常不必更改。
出厂设置项目如下表所示：
序号
代号
名称
整定范围
0
Kv2
二次电压比例系数
11.80（12）
1
Kic
二次测量电流比例系数
235.50（140）
2
Kib
二次保护电流比例系数
14.20（14.8）
3
Ki0
二次零序电流比例系数
235.20（14.8）
4
Kv0
二次零序电压比例系数
4.75（14.8）
5
Imp/kWh1
脉冲电能表常数1
每千瓦（乏）时脉冲数/1000
6
Imp/kWh2
脉冲电能表常数2
每千瓦（乏）时脉冲数/1000
7
Imp/kWh3
脉冲电能表常数3
每千瓦（乏）时脉冲数/1000
8
Imp/kWh4
脉冲电能表常数4
每千瓦（乏）时脉冲数/1000
9
Inalarm
开关量报警设定
（Σ2（n-1））/100
10
PU0
PT零序系数
11
Disp
滚动显示项目选择
12
Address
装置通讯地址
0~244
13
BaudRate
装置通讯波特率
14
RealyCheck
自检出口继电器设置
其中，二次电压比例系数、二次测量
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