基于Matlab的船舶电力系统电流保护协调性分析软件设计

曾宪敏，曾祥君，毕大强，张芳，王良秀



基于Matlab的船舶电力系统电流保护协调性分析软件设计

曾宪敏1，曾祥君1，毕大强2，张芳1，王良秀3

（1.智能电网运行与控制湖南省重点实验室，长沙理工大学，湖南长沙 410076；2.电力系统国家重点实验室，清华大学电机系，北京 100084；3. 中国船舶重工集团公司第七O四研究所，上海 200031）

利用Matlab/Simulink仿真工具箱和友好的图形用户界面GUI，实现船舶电力系统电流保护协调性分析软件的设计。其界面能显示不同位置电流继电器的保护整定值及动作时间等参数，并可按用户要求绘制和调试上下级保护以及电流三段保护配合曲线。界面中的继电器参数可直接传递给Simulink中相应继电器，方便直观地对系统上下级保护和电流三段保护之间的协调性进行分析。仿真算例验证了软件的保护协调性分析功能。

船舶电力 Matlab GUI Simulink 电流保护配合

0 引言

随着船舶电力系统结构形式日趋复杂、电压等级提高、设备趋向大容量化，对供电可靠性的要求越来越高，从而船舶电力系统保护及协调性分析显得越来越重要[1-2]。保护协调性分析是验证保护动作顺序是否正确、保护是否具有选择性的方法、上下级保护的配合是否合适。保护协调配合复杂，传统人工整定效率比较低。考虑到Matlab/simulink在船舶电力系统仿真中的应用，本文利用Matlab GUI设计了中压船舶电力系统电流保护协调性分析软件，并结合实际系统Simulink模型对该软件进行仿真。

1 电流保护协调性分析软件的设计

1.1 软件设计基本流程

该软件设计流程如图1所示，首先按软件需要选择控件，完成界面布局；然后给控件加入自定义的初始化函数，实现其功能；再整定各个继电器参数，绘制保护配合曲线；最后通过Simulink模型实现联合仿真验证。

图1 电流保护协调性分析软件设计流程图

1.2 GUI界面设计实现

在Matlab环境下,要设计一个界面友好的计算机仿真软件,设计过程主要包括两大部分：1)GUI界面设计；2)回调程序的设计[3]。GUI通常包含三个主要的部分：窗口系统、图形对象和应用程序接口[4]。GUI是个树状的结构，如图2所示。

图2 GUI的基本结构

GUI界面设计主要包括控件摆放和属性设置。打开GUI 后，系统会自动生成fig以及m文件，如常用的界面资源文件和后台代码文件，关于事件处理的代码可以在m文件中编写[5]。

按中压船舶电力系统电流保护协调性分析软件需求，将相应控件合理布局在GUI界面上，通过设置每个控件的属性，可以控制控件的外形、功能及效果。

图3是基于Matlab图形用户界面开发环境GUI开发出来的仿真界面，中压船舶电力系统电流保护协调性分析软件界面图。

图中1区显示各个继电器的名称，其命名方式为‘relay+数字’，该名字必须与Simulink模型中相应继电器的名称一致，以实现GUI与Simulink中相应继电器的参数传递；2区的加减按钮用于选择继电器的个数，图示是选择了两个继电器；3区是继电器电流三段保护的一些参数，用户只需要用鼠标、键盘就可以随意更改这些参数，却并不需要更改内部程序[6]；4区和5区是用于更改图形界面的Y轴和X轴的最大值；6区是反时限曲线参数Tp的最小值，是软件自动计算的结果，用于输入Tp的参考值。

图3 电流保护协调性分析软件界面图

参数设定好后绘图，坐标轴上显示所选用的继电器的动态仿真比较曲线。再通过“数据传输到Simulink”按钮把继电器参数传递到Simulink仿真模型中，进行仿真验证。

1.3 保护动作反时限特性曲线

反时限过电流保护是动作时限与被保护线路中电流大小有关的一种保护，当电流大时保护的动作时限短，而电流小时动作时限长[7]。其动作特性曲线如图4所示。软件中可以选择设置不同规范的反时限曲线。

图4 反时限过电流保护的动作特性曲线

从图3 中的GUI界面可以看出，每个继电器都包含瞬时电流速断保护、短延时电流速断保护和反时限过电流保护。其中反时限过电流保护动作特性曲线可在IEC60255规范的3种曲线（IEC255-3-A、IEC255-3-B、IEC255-3-C）和ANSI规范的5中曲线（ANSI-A、ANSI-B、ANSI-C、ANSI-D、ANSI-E）之间任意选择，图3中曲线类型处各继电器统一选择一般反时限（IEC255-3-A）做实验验证。

1.4 GUI界面控件回调程序的设计

完成了GUI界面控件布局之后，再通过编写各个控件的回调程序来实现控件的功能，回调程序是图形界面最重要的部分。M文件给回调函数的运行提供了一个框架（在GUI中激活控件以实现它的功能）。该软件界面使用了pushbuttons、radiobutton、popupmenus和slider四种控件，使用这四种控件时系统会自动生成以下语句：

1）Function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)

2）function radiobutton8_Callback(hObject, eventdata, handles)

3）function popupmenu3_Callback(hObject, eventdata, handles)

4）function slider12_Callback(hObject, eventdata, handles)

其中pushbutton1、radiobutton8、popupmenu3和slider12为控件的Tag（标签）属性值，数字是该控件的一个编号。hObject就是当前要执行Callback的元件（例如，pushbutton等），eventdata这是Matlab保留的一个参数，handles就是当前figure的句柄。在上述语句下面编写当前控件的回调函数，就可以实现控件需要实现的功能。当用鼠标或键盘操作控件时，被认为是触发，回调程序必须响应[8]。Callback是其中的一种回调方式，根据需要可选择其他回调方式，如ButtonDownFcn，CreateFcn等[9]。

2 仿真验证

2.1 Simulink搭建的船舶电力系统模型

参照船舶电力系统设备的一些参数，设计一个简单的AC 6.3KV、50Hz中压船舶电力系统，用于对电流保护协调性分析软件进行仿真验证。总体结构如图5所示。其中station1是一个6.25 MVA、6.3 kV、50 Hz的三相交流同步发电机，relay20和relay21是与图3中1区相对应的两个继电器，线路末端是两个等效负荷。在0.5 s时设置了一个三相短路故障[10]。

2.2 GUI和Simulink之间参数传递

该软件是基于GUI和Simulink联合仿真实现的。在GUI设置“＋”，“－”控件来选择需要进行协调分析的继电器个数，图5中包含了继电器relay20和relay21，以该图为例验证软件的应用。首先需要计算两继电器的速断电流整定值和动作时间，短延时电流整定值和延迟时间，以及反时限动作曲线的选择。在图3中3区设置各个继电器的参数，并绘制和调试两个继电器保护配合曲线，然后点击“数据传输到Simulink”控件，系统会自动打开图5所示的Simulink模型，并通过该控件的一段子程序来实现GUI和Simulink之间的参数的一键传递，并进行仿真验证分析。

图5 电流保护协调性分析仿真验证模型图

2.3 Simulink仿真结果分析

2.3.1保护不协调动作的仿真结果

按图3所示的relay20和relay21参数绘制保护配合曲线图，两个保护动作曲线是交叉的。其中每条动作曲线分为三段，右边直线段、中间直线段和左边曲线段，分别为瞬时速断、短延时速断和反时限电流保护的动作曲线。将数据传递到Simulink模型，仿真时间设置为2 s。经测定系统短路电流值大于relay20和relay21两个继电器的瞬时电流速断保护整定值，继电器跳闸时间决定于瞬时电流速断保护动作时间，所以两个继电器的三段保护都应该发出跳闸信号。结果显示按照图3所示的整定值，两个继电器的跳闸时间如图6所示，relay21比relay20先跳闸，上级保护relay20没有延时动作，这不符合保护选择性要求，得调整继电器的参数，使各保护能协调动作。

2.3.2保护协调动作的仿真结果

调整图3中继电器参数，结果如图7所示，relay21的瞬时电流速断保护、短延时电流速断保护、反时限过电流保护分别在故障发生后0.1、0.3、0.3 s发跳闸信号，relay20的瞬时电流速断保护、短延时电流速断保护、反时限过电流保护分别在故障发生后0.2、0.4、0.4 s发跳闸信号。

图6 relay20和relay21跳闸时间

图7 保护协调动作曲线图

图8 relay20电流三段保护的动作时间

图9 relay21电流三段保护的动作时间

经Simulink仿真模型实验验证得出，relay20和relay21的三段保护的各自发跳闸信号的时间如图8和9所示，由于故障时间设置为0.5 s，所以测得的两个继电器的三段保护各自发跳闸信号的时间与GUI中设置值是一致的。

由于实验用继电器没有设置返回值，所以上下级继电器都应该动作跳闸。由图5可以看出relay20的动作时间是0.7097，relay21的动作时间是0.6083，为各自瞬时电流速断动作的时间。显然relay20比relay21延时动作，符合上下级继电器保护动作选择性的要求。

3 结论

本文提出了基于GUI和Simulink联合仿真实现的中压船舶电力系统电流保护配合分析软件。该软件能按用户需要，绘制和调试各个继电器保护配合曲线，并能将GUI中参数一键传递到Simulink模型中仿真验证。这为船舶电力系统中分析与验证多个电流继电器之间的整定配合，提高保护的选择性提供了一种工具。

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Design of a Current Protection Coordination Analysis Software for Shipboard Power System Based on Matlab

Zeng Xianmin1, Zeng Xiangjun1, Bi Daqiang2, Zhang Fang1, Wang Liangxiu3

(1. Changsha University of Science and Technolngy, Changsha 410076, China; 2. Tsinghua University, Beijing 100084, China; 3. No.704 Research Institute, CSIC, Shanghai 200031,China, China)

TM773

A

1003-4862（2014）10-0015-04

2014-01-13

曾宪敏（1989-），男，硕士研究生。研究方向：船舶电力系统保护。