比相式阻抗继电器工作仿真研究

蔡超豪，李赛男，姚俊阳，邢廉欣，刘 晶，李 达，高 珊，郭 晗

(沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136)

输电线路的主保护有纵联差动保护和距离保护等类型。距离保护的工作采用阻抗继电器做测量原件，距离保护按工作原理又分为比幅式(幅值比较式)和比相式(相位比较式)。阻抗继电器的动作特性一般设置成圆形或多边形，其中圆形的一般采用方向阻抗特性，即它的动作特性圆是以整定阻抗为直径且通过坐标原点的圆。它具有构成简单、线路正方向短路时灵敏性高、具有较好的躲负荷阻抗能力和经过渡电阻短路时躲过渡电阻影响的能力，因此应用比较广泛和成熟。利用MATLAB/Simulink软件搭建了仿真模型，对被保护线路和保护模块进行了参数设置(包括保护整定阻抗、短路类型等)，也对保护仿真算法等仿真参数进行了设置。对于各种相间短路，分别在金属性短路和经过渡电阻短路的情况下实施了仿真运行，获得了所需要的数据，并在此基础上分析了阻抗测量元件的工作情况。

1 阻抗继电器的工作原理

1.1 方向圆特性

两个整定阻抗Zset1=Zset2

动作区：圆内

非动作区：圆外

临界动作：圆周上

比相式

(1)

(2)

1.2 相位比较原理的实现

(3)

1.3 模拟式相位比较阻抗继电器的实现

电压的形成有依靠电路串并联连接和用模拟加减法器运算两种方式，此处只讨论第一种方式。仍以圆特性的方向阻抗元件为例，比较电压可由图2所示的回路连接形成。

图2 相位比较的电压形成

(4)

(5)

相位比较阻抗继电器动作条件为

(6)

2 相关模块作用

2.1 Continuous——连续性模块

①主要用于对连续系统的建模-微分方程、传递函数、状态空间表示等。

②Derivative：输入信号微分

③Integrator：积分器

④State-Space：线性状态空间系统模型

⑤Transport Delay：线性传递函数模型

⑥Zero-Pole：以零极点表示的传递函数模型

⑦Memory：存储上一时刻的状态值

⑧Transport Delay：输入信号延时一个给定时间再输出

⑨Variable Transport Delay：输入信号延时一个可变时间再输出

2.2 Powergui——电力系统分析工具

为了准确建立系统模型和进行仿真分析，Mathwork在MATLAB中提供了系统模型图形输出与仿真工具——Simulink。Simulink中有两个明显的功能：仿真与连接。

①Powergui模块可以显示系统稳定状态的电流和电压及电路所有的状态变量值。

②执行负载潮流计算，为了从稳态时开始仿真可以初始化包括三相电机在内的三相网络。

③当电路中出现阻抗测量模块时，Powergui也可以显示阻抗随频率变化的波形。

④Powergui可以产生扩展名为rep的结果报告文件。这个文件包含测量模块、电源、非线性模块等系统的稳定状态值。

2.3 三相可编程电压源

三相可编程电压源(Three-Phase Programmable Voltage Source)就是某些功能或参数可以通过计算机软件编程控制的电源。

①跟踪功能：即一种通道间联动的功能。跟踪功能指所有的输出同时被控制，并且通过保持电压与事先设定的电压一致，使它们都服从统一指挥。

②感应(SENSE)模式——补偿导线本身电阻：在普通模式下，电压通过导线直接加载在负载上，从而保持负载电压的稳定。

③任意波形电源：有些可编程电源有任意波形编辑功能，即产生随时间变化的波形。

④调制某些可编程任意电源有外部调制功能，利用后面板上的端子，可对两组输出进行调制。

2.4 分布参数线(Distributed Parameters Line)

分布参数电路是指在高频工作下,传输线的分布参数效应不能被忽略，其电气特性由单位线长上的分布电感、分布电容、分布电阻和分布电导来描述，这时传输线已与串联电感和电阻、并联电容和电导融为一体，利用传输线的分布参数特性所组成的电路就称为分布参数电路，以这区别于由集总参数元件组成的集总参数电路。

3 比相式阻抗继电器MATLAB仿真分析

3.1 仿真模型搭建和相关参数设置

1)电力系统Simulink仿真模型

方向阻抗继电器仿真所用的电力系统模型如图3所示。

图3 方向阻抗继电器仿真所用的电力系统模型

在图4中，电源采用“THREE-powergui”模型，参数设置如图5所示。电源与电源电势相位差60°，其他设置相同。

图4 电力系统Simulink仿真模型

图5 电源的参数设置

输电线路总长为300 km，参数设置如图6所示。

图6 输电线路的参数设置

2)“0°接线”的方向阻抗继电器模块构造

采用“0°接线”的方向阻抗继电器模块如图7所示。

图7 采用“0°接线”的方向阻抗继电器模块

打开继电器模块，可以看到用相位比较方式构成方向阻抗继电器的模块如图8所示，在模块“0°接线”中应用的数学运算模块组的“求和”、“叉乘”和“复数转换”等模块。

3.2 仿真结果分析

为了比较以上两种方向阻抗继电器的动作性能，对如图4所示的300 km长的500 kV超高压线路进行了三相短路、AB相短路仿真。故障点选取为保护范围内的正方向出口5 km处、近保护范围末端225 km处和保护范围外部230 km处等各点，过渡电阻从0变化到20 Ω(步长为10 Ω)，各相阻抗继电器的相位(单位：度)仿真结果见表1。

图8 “0°接线”用相位比较方式构成方向阻抗继电器模块

故障类型过渡电阻正方向出口5 km处故障A相B相C相200 km处短路A相B相C相220 km处短路A相B相C相三相短路0.01-1.120.31-0.88-4.462.89-3.78-26.8512-20.841064.9465.8167.01-4.8453.381-3.746-15.454.93-23.492087.4689.6288.25-4.833.3-3.73-28.9113.08-17.51AB相短路0.01-1.68-62.3059.65-6.23-102.1-167.3-43-104.00-164.410-1.002-61.9859.95-5.729-105.9172.5-52-109.00-169.420-0.84-6260-5.598-106.2-172.8-54.1-136.2-171,1故障类型过渡电阻225 km处短路(保护区末端)A相B相C相230 km处短路(保护区外)A相B相C相三相短路0.01-123.184.3-46.5-151.1170.2-166.310-12277.6-42.3-152.2169.1-162.420-134.459.2-52.61-168.2165.5-138.4AB相短路0.01-125.2-104.5-162.38-157.3-106.2-164.410-132.6-110.2-169.3-158.6-111.5-169.120-134.3-111.5-169.5-154.1-111.4-167.5

保护的动作边界为-90°～90°，如果保护测量元件的测量角度在该范围内，测量元件动作。根据实验数据表格得出，在正方向保护区内发生各种相间短路时，考虑过渡电阻为0～20 Ω，该保护的测量元件比相式阻抗继电器均能正确动作。在接近保护范围末端短路情况下，保护的测量元件工作情况在一定程度上受过渡电阻影响。在保护区范围外短路故障时，该保护均可靠不动作。通过以上仿真可以看出，利用Matlab/Simulink分析软件可以使人们对继电器的动作特性有一个直观、定量的深刻认识，对如何提高继电保护的性能提供新的研究思路。

4 结 语

通过搭建仿真模型对比相式阻抗继电器进行了研究，获得了正确可靠的仿真数据，证实了该元件的工作原理，分析了工作性能，为将该元件应用于实际保护装置提供了分析方法和数据，采用MATLAB/Simulink的分析方法具有一定的创新性。

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