功率方向元件的MATLAB仿真

刘海洋，刘维亭

（江苏科技大学 江苏 镇江 212003）

近年来随着舰船综合电力推进系统（IPS）[1]的不断发展，从“系统电力集成”的角度研究把全船的能源进行统一管理、综合利用、有效分配[2]。它通过引入先进的环形区域配电概念来降低舰船电力系统建造成本，提高舰船电力系统的可靠性、生命力。

1 问题的提出

目前，传统的配电网络采用三段式过电流保护（电流速断保护、限时电流速断保护、过电流保护）来确保配电网络的保护性，但是随着环形配电网络[3]的引入，传统意义上的三段式过电流保护已经无法满足四性中的选择性。如图1，图2所示。

图1 k1点短路故障Fig.1 Short-circuit fault at k1

对于电流速断保护：

图2 k2点短路故障Fig.2 short-circuit fault at k2

对于过电流保护：

k1点短路时，若t2

为了使得保护2和3不发生误动，需要同时满足t2

因此，引入了方向性过电流保护[4]这个概念。何为方向性过电流保护？简单来说，就是指在原有的过电流保护基础上增加功率方向元件，规定当功率为正方向时保护动作；而当功率为反方向时保护闭锁不动作。

2 方向性过电流保护的理论依据

方向性过电流保护=传统的过电流保护+功率方向元件，其中，功率方向元件是这种新型过电流保护的核心，目前，有0°和90°两种接线方式，下面以A相功率方向继电器0°接线方式为例，如图3所示。

图3 A相功率方向继电器0°接线图Fig.3 A phase directional power relay with 0°wiring

图中的方框表示功率方向元件，为了方便计算，这里假定相量 U r超前相量 I r60°。 则有：=，=IA；φr=arctan

k1 点短路故障时：φrA=φk=60°；k2 点短路故障时：φrA=180°+φk=240°。

从功率角度来看：

当 UrIrcos（φr－φκ）＞0 时，认为故障发生在正方向，功率方向元件动作；

当 UrIrcos（φr－φκ）＜0 时，认为故障发生在反方向，功率方向元件不动作。

为了在正方向短路情况下使元件动作最灵敏，A相功率方向元件应接成最大灵敏角φsen。即当k1点发生短路故障时，动作输出量UκIrcosφ应该最大。所以当正方向（点k1）短路故障时，应满足公式（1）：

这里φr=φk=φsen，其中φk指的是线路的阻抗角，通常来讲，线路的阻抗角就是该线路的最大灵敏角。由此，可以确定φ的范围，如公式（2）所示：

虽然0°接线方式存在较多的电压死区，在应用方面不如90°接线方式，但它们的原理都是一样的。下面的仿真部分以90°接线方式为计算环境。

3 功率方向元件的系统组成及设计

功率方向判别元件主要由信号形成，信号移相，滤波，信号转化，方向判别，输出这6大部分组成，其具体构成框图如图4所示。

图4 功率方向元件结构图Fig.4 Block diagram of power directional element

这里，着重介绍移相和方向判别2个部分。

移相：

选用简单的RC电路来进行移相，后面接一个Gain模块对信号进行放大。注意，在α一定的情况下，R、C参数随着电压信号频率的改变而改变，其关系如公式（3）：

方向判别：

该部分是方向功率元件最关键的部分，故名思意，它所要实现的功能就是判断电压信号和电流信号是否同方向。若输出为1，则说明电路中的电压电流同方向，方向功率元件动作；若输出为0，则说明电路中的电压电流反方向，方向功率元件不动作。这里，值得我们注意的是，通常电路中因为各种因素的变化，可能会产生短时的电流过高的现象，这些现象都属于正常的，那就要求方向功率元件对此有一个自动识别的功能，不能因为电流一过高就动作，当然，时间再长也不能长过一个周期，否则会误判。为此，我们需要为功率方向元件设定一个时间范围，换句话说，只有在这段设定的时间范围内，功率方向元件才能够动作，这是个大前期，一般我们将这段时间设置为T/4～T。在本次仿真中，搭建了2个模块来实现这个功能，如图5，图6所示。

图5 上限时间（T）的确定Fig.5 Determination of the upper limit time

图6 下限时间（T/4）的确定Fig.6 Determination of the lower limit time

其中，On/Off Delay和Discrete Monostable模块的时间我取 0.36和 0.8而不是 0.4（T/4）和 0.75（T），主要是因为仿真的方波的上升沿是有斜率的，并非标准的方波，需要适当扩大一点时间范围，否则会使其动作条件产生误差。

4 MATLAB建模仿真

1）确定移相角的取值[5]，依据计算可得表1。

表1 正方向故障时各相方向功率元件的动作条件Tab.1 Operating conditions of direction of the power components of each phase when it is positive direction failure

从表1中可以分析得出：

当 α∈（30°，60°）时，不论电路中的阻抗如何（－90°<φk<90°），功率方向元件均能正确动作，这里取α=45，那么依据计算可知，当电压U的相量角为0°固定时，电流的相量角的范围为（-135°，45°）。

2）搭建仿真模型，如图7所示。

图7 功率方向元件的仿真图Fig.7 Simulation figure of power directional element

3）仿真结果

图8 最灵敏动作条件Fig.8 Most sensitive operating conditions

图9 感抗临界动作条件Fig.9 Inductance critical operating conditions

5 结束语

方向性过电流保护在整个环形区域电力系统[7-8]中起着举足轻重的作用，它动作的正确与否对系统能否稳定运行有重大影响。因此，在电力系统运行中，防止功率方向元件误动作就显得非常重要。通过仿真结果来看，它与理论分析的结果相一致，较好地实现了功率方向的判断，体现了良好的过电流保护的选择性，保证了整个电力系统的安全运行[6]。

图10 容抗临界动作条件Fig.10 Capacitive reactance critical operating conditions

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