基于Matlab的距离保护动作特性仿真

吴云飞



基于Matlab的距离保护动作特性仿真

吴云飞

（四川师范大学工学院，四川 成都 610000）

继电保护数字仿真技术是继电保护装置开发与研究的重要手段。模拟故障时继电保护的动作特性将有助于事故后进行准确的校验和事故分析。基于Matlab建立输电线路距离保护动作特性仿真模型，模拟故障情况下继电装置的动作过程和动作结果，并选取单相接地短路为例验证了距离保护动作行为，表明通过数字仿真有助于分析影响继电保护正确动作的因素，辅助继电保护系统的分析和设计。

距离保护；动作特性；Matlab；电力系统

可靠、高效的继电保护装置是保证电力系统以及电气设备正常运行的必要条件。为了提高保护装置的性能，需要对发生故障时继电保护装置的动作特性进行分析，找到正确动作的条件以及影响装置正确动作的因素，提出理论的解决方案并逐步改良完善[1-2]。传统的继电保护实验使用真实的保护装置和线路的物理模型模拟，实验成本较高、实验材料有限，效率低。而数字仿真可利用计算机软件建立适当的数学模型，模拟真实系统故障状态下的电气特性，具有安全经济、准确、可重复、形象直观、效率高、灵活等优点，有利于提前发现和解决设备运行中可能产生的问题，辅助继电保护技术的研究。作为数字仿真软件，Matlab在科学计算、工程计算及可视化等方面功能极其强大，在电力工程方面的运用非常广泛[1]。本文选用的距离保护仿真模型在其Simulink环境下直接搭建，并借助Matlab丰富的工具箱资源，完成距离保护动作行为的动态仿真。

1 距离保护原理

距离保护是反映故障安装地点至故障点之间的距离，并根据距离的远近而确定动作时限的一种保护装置。它主要运用在110 kV及以上的线路中，作为线路的主保护之一，主要优点是保护范围广、灵敏度高、受系统运行方式影响小[2]。

图1 距离保护原理示意图

其基本工作原理示意图如图1所示[3]，故障时，首先判断故障的方向。如果故障位于保护区的正方向，则设法测出故障点到保护安装处的距离k，并将k与对应的整定值set进行比较，如果k＜set，比如k1点故障，则说明故障在保护范围之内，保护应立即动作，跳开相应的断路器；如果k＞set，比如k2点故障，则说明故障发生在保护范围之外，保护不应动作，对应的断路器不会跳开；如果故障位于保护区的反方向上，比如k3点故障，则无需进行比较和测量，直接判为区外故障。

2 距离保护仿真建模

2.1 总体结构

仿真总体结构如图2所示。

图2 仿真总体结构

仿真结构包含一次系统和继电保护两大部分[4]，一次系统是图2中的暂态仿真系统，其主要作用是建立故障时的电网线路仿真模型；继电保护模块由启动元件、算法元件、故障选相元件、阻抗等各个功能元件组成，模拟继电保护装置阻抗继电器的动作情况。

建模的完整思路[5]为：暂态仿真模块采用Matlab的Simulink工具包建立电力线路模型，设置故障信号输入模块，比如“three-phase fault”，得到仿真系统故障时的电气量；从这些电气量分离出三相电流，并将三相电流送入启动元件；启动元件，利用“突变量法”判断是否存在故障，当判断结果为“是”（即输出为“0”），则判断为故障；由算法模块对三相电流、电压波形进行滤波，将滤波之后的电压、电流送入故障选相模块，故障模块进行选相之后，判断故障是相间故障还是接地故障；由阻抗计算模块得到测量阻抗，并将测量阻抗送入阻抗比较模块；阻抗比较模块根据继电器的接线方式以及保护的各段整定值比较判断继电器是否应动作，再根据时限特性判断启动或返回，最后输出动作信号。

2.2 系统完整模型

联合暂态仿真模块和距离保护原理，图3给出了Simulink中搭建的距离保护动作行为仿真系统[6]。其中，距离保护装置I段整定值set=240×（0.020 83+0.276 0），保护范围为线路全长的80%.仿真采用变步长、ODE23T算法。两侧电源电压有效值设置为500 kV，频率为50 Hz，中性点接地方式为直接接地，等效电源相角为0°。各个主要部分及模块说明如下。

2.2.1 暂态仿真模块

根据距离保护原理示意图，利用Simulink构建出了双端电源模型，如图4所示。此模型输出的电气量将作为继电保护模块的输入量。

图4中线路总长度为300 km，电压等级为500 kV，具体参数如下。电源内阻m=n=5.74+14.28 Ω，线路参数：1=0.020 63 Ω/km，0=0.114 6 Ω/km，1=0.878 5 mH/km，0=2.266 4 mH/km，1=0.012 8 µF/km，0=0.005 13 µF/km。模型中的参数可根据需要进行修改，比如电源电压、频率、相角差、故障类型、故障点位置、线路参数等。

图3 距离保护动作行为仿真系统

图4 暂态仿真子模块

2.2.2 启动元件

2.2.3 算法模块

继电保护中保护大多是以基频分量作为处理量，但实际上故障发生时三相电压、电流中都存在着大量暂态分量，并且实际还存在测量误差。如果将这样未经处理的原始电气量送入继电器，将会产生很大的误差。算法模块的主要作用是对三相电流、电压波形进行滤波，尽可能地滤去非周期分量和高频分量，再将滤波之后的电压、电流送入故障选相模块。

2.2.4 故障选相模块

为了使测量元件能够准确地测量故障距离，必须根据故障特征判断出故障的类型和相别。同时，在220 kV及其以上电压等级线路中，常要求分相跳闸，需要准确地判断出故障类型和故障相别。

2.2.5 阻抗计算、比较模块

阻抗计算、比较模块是仿真系统的核心，要求它迅速、准确地计算出故障点的距离和方向，并与保护的整定距离进行比较，判断保护是否启动。将测量电压、电流代入测量阻抗的定义式，可以得出测量阻抗，再与整定阻抗比较，就能得到保护动作信号。同时，为了分析保护的动作特性，可以将计算出的测量阻抗由复数形式分解为实部和虚部形式来表达电阻和电抗，再经过绘图模块得到测量阻抗的变化轨迹。

3 单相接地故障仿真

系统可以模拟各种短路故障，下面以单相短路为例给出仿真过程与仿真结果。

在“three-phase fault”模块中设置A相接地故障，故障时间为0.2～0.5 s，模块内设置“switch time”为[12/60 30/60]。模拟保护区内即I段范围内故障，设置故障点为距左侧电源150 km处，得到图5的三相电压、三相电流仿真结果。图6中，0.2 s时，启动和选相信号为逻辑1表示继电保护部分启动，动作信号由1变为0表示正确动作。区内故障时，测量阻抗变化轨迹如图7所示。修改故障点位置也可以模拟区外故障的测量阻抗变化轨迹。仿真结果与理论分析一致。

图5 保护区内故障的三相电压、电流波形

图 6 保护区内故障的启动信号、选相信号、动作信号

此外，该系统可以模拟其他短路故障，比如两相短路、两相接地短路、三相短路、经过渡电阻短路、系统振荡、负荷电流对距离保护的影响等情况，可以改变仿真模型的相关参数来验证，借助仿真结果可分析短路类型及典型参数对继电保护动作特性的影响等。此外，还可以利用Matlab的图形用户界面设计功能（GUI），实现继电保护数字仿真的人机交互功能，有助于更直观地展示故障期间的电气量变化及继电保护装置的动态响应过程。

图7 区内故障测量阻抗轨迹

4 结论

本文借助Matlab软件，搭建了包含一次部分和继电保护部分的电力系统距离保护仿真模型，仿真并研究了输电线路距离保护的电流、电压、测量阻抗轨迹等电气动作特性，仿真结果表明，数字仿真技术可以很好地辅助继电保护设计，帮助工程人员更好地理解电力系统各元件的工作状态和电气量的暂态过程，适合进行继电保护原理的深入研究，进行继电保护装置的开发、设计和测试，应受到广泛的重视。

［1］李海涛，邓樱.Matlab程序设计教程［M］.北京：高等教育出版社，2010.

［2］贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理［M］.北京：中国电力出版社，2004.

［3］张保会，尹项根.电力系统继电保护［M］.北京：中国电力出版社，2016.

［4］许明，高厚磊，侯梅毅，等.数字仿真技术在继电保护教学中的应用［J］.电力系统保护与控制，2010，38（15）：104-109.

［5］胥杰，陈峦.基于Matlab的电力系统继电保护仿真研究［J］.水利发电，2010，36（03）：84，86.

［6］盛义发，唐耀庚，苏泽光，等.基于Matlab的电力系统故障的仿真分析［J］.南华大学学报（理工版），2003，17（04）：45-51.

2095－6835（2018）21－0140－03

TM712

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.21.140

吴云飞（1980—），女，重庆人，硕士，讲师，研究方向为计算机应用技术，电气工程及其自动化。

〔编辑：张思楠〕