基于Matlab 的电力系统继电保护仿真分析

毛世昕，李捍东

（贵州大学 电气工程学院，贵州贵阳 550025）

在当今高速发展的社会中，电力行业变得越来越成熟，规模和投资也越来越大。出于人员安全和可操作性的考虑，有很多时候不能在实地进行仿真。同时随着科学经济的蓬勃发展，国家对于电能质量的要求越来越高，为了达到高效的电能质量，设计出更加复杂的电气元件和设备与之配合，这就导致了特殊供电的增多，元器件的成本增加，电力系统的实地构建和仿真因此变得越来越困难，并且实地进行仿真可能会使元器件受到损害，从而提高成本，增加国家的财政支出，同时效率不高[1]，因此对电力系统进行软件仿真可以防范于未然，在没有投入运行之前就能检查出电力系统中存在的一些问题，然后加以改正，这样既保证了人民的生命财产安全，又使国家节约了一大笔开支，不再过多需要人为实地操作，更多地是依靠先进的软件，这也是电力系统现代化的一种体现。该文利用Matlab 软件的Simulink 来对三机九节点电力系统进行建模和仿真，通过节点的PQ 值和电压电流，研究系统的正常运行和保护。

1 差动保护和电流保护理论

1.1 变压器差动保护

差动保护是一种依据被保护电气设备进出线两端电流差值的变化构成的对电气设备的保护装置，流入差动继电器的不平衡电流和变压器外部故障时的穿越电流成正相关[2-4]，利用这个特性，在差动继电器中引入一个能够反映变压器穿越电流大小的制动电流，使得继电器的动作电流可以根据制动电流进行自动调整。Izd为制动电流，Icd为差动电流，Icdqd为差动电流启动值。根据不同的Izd，动作电流Iop有不同的判定依据：

1.2 三段式电流保护

由无时限电流速断，带时限电流速断和定时限过电流保护相互配合构成的一整套保护装置成为三段式电流保护。无时限电流速断保护是靠动作电流的整定获得选择性；时限电流速断和过电流保护是靠上、下级保护的动作电流和动作时间的配合获得选择性。

无时限电流速断接线简单、动作可靠、切除故障快，但不能保护线路全长，保护范围受到系统运行方式变化的影响较大。速断保护是一种短路保护，为了使速断保护动作具有选择性，一般电力系统中速断保护都带有一定的时限，定时限过流保护的目的是保护回路不过载，与限时速断保护的区别在于整定的电流相对较小，而时限相对较长。

电流速断保护的动作电流为：

其中下级线路首端短路时的最大短路电流Ik.c.max可靠系数=1.2～1.3，最小保护要求大于被保护全长的15%～20%。

限时电流速断保护的动作电流为：

定时限过电流保护动作电流为：

其中自启动系数Kss（数值大于1），可靠系数（采用1.15～1.25），引入继电器的返回系数Kre（采用0.85～0.95），最大负荷电流IL.max。

相关研究人员在对轧钢加热温度控制的研究中发现，设备的转换率偏低是一个很大的问题。具体来说，参与燃烧的空气和燃料的比例不能合理的控制，将会造成燃烧效率低下。如空气使用量较大，烟气量将会增加，当空气被排除炉外时，会带走很多的热量，降低转换率；如空气使用量不足，燃料得不到充分的燃烧，也将造成转换率低。同时，空气量不足，大量燃气随烟气排出炉外，不仅造成能源浪费，还将造成环境污染。

2 算例及模型搭建

该文采用的算例是美国西部电网WSCC 三机九节点算例[5-6]，该系统包括16.5 kV、18 kV 和13.8 kV三台发电机，每台发电机配有一个三绕组变压器，用六条线路将三台发电机连接成为系统，并在线路上设置负荷，并在线路上设置负荷[5-6]，如图1 所示。

图1 三机九节点电力系统图

在Matlab 的Simulink 中依照原始参数将模型搭建出来，并且计算出线路标幺值和有名值，如表1所示。

表1 线路参数计算结果表

3 仿真及分析

3.1 变压器差动保护

由于变压器一、二次电流及电压大小不同，相位不同，电流互感器特性差异，电源侧有励磁电流，都将造成不平衡电流流过继电器，必须采用相应措施消除不平衡电流的影响。

选择16.5 kV 侧变压器做差动保护，由于变压器的发电机侧为三角形接线，230 kV 侧为星型接线，所以为了消除不平衡电流，星型侧采用两相电流差，流入该侧的电流增加了倍，所以要除以，将发电机侧电流通过变比换算到230 kV 进行电流大小的比较。首先模拟区内区外故障[7-11]，如图2 和图3所示。

图2 区内故障

图3 区外故障

在区内故障的时候差动电流大于制动电流，保护正常动作，在区外故障的时候制动电流大于差动电流，保护不动作，再根据仿真结果设计继电器动作值，在区内故障时，短路之后第一个峰值5 500 A 左右，考虑一定的裕度，relay元件开启取值为4 800；在区外故障时，短路之后第一个峰值接近-5 900 A，考虑一定裕度将relay 的关断取值为-6 000，把差动保护模块在接入故障点以后，对差动保护进行检查，图中观测的信号从上到下分别是16.5 kV侧的电流I1、230 kV 侧电流I2和relay 输出信号的变化情况。

图4 区内故障时的差动保护

从5 图中可以看出，当区外故障发生后，由于两者的差值达不到relay 元件关断的动作值，输出信号始终为1，断路器保持闭合状态，说明在区外故障的时候差动保护可以不误动。

图5 区外故障时的差动保护

综上，差动保护在区内故障时正常动作，区外保护时不误动，差动保护的整体工作正常[12]。

3.2 电流三段式保护

在仿真设计中，选择B7 到B9 节点的这条线路来做三段式电流保护设计[13]，并检验其是否正常工作。

经过对故障电流的测量，运用三段式电流保护的方法，选取一、二、三段电流保护值分别为1 620 A，1 346 A，904 A。每段保护对应的延时元件设置延时时间分别为0.001 s、0.5 s、1 s。将动作值代入relay元件之后进行检验，图6～8 中从上到下分别是电流一段、二段、三段保护动作信号以及B1 节点电流。

图6 一段保护

由图6 可以看出，当短路故障发生后，一段保护迅速动作切断故障，一段保护正常工作，其余两段保护没有误动作。

由图7 可以看出，当短路故障发生后，二段保护在延时0.5 s 之后动作切断故障，二段保护正常工作，其余两段保护没有误动作。

图7 二段保护

三段保护通常指其启动电流按照躲开最大负荷电流来整定的一段保护装置，应该最末端保护动作，切除故障，其他保护在故障切除后应立即返回。

由图8 可以看出，当短路故障发生后，三段保护在延时1 s 之后动作切断故障，三段保护正常工作，其余两段保护没有误动作[14-19]。

图8 三段保护

综上，三段式电流保护每段都能正常动作且不会产生误动或者拒动。

4 结束语

该文通过Matlab，在Simulink 成功搭建起三机九节点系统的模型，然后设计和检验了变压器的差动保护以及输电线路的三段式电流保护，通过实验结果可知，对于变压器差动保护，在区内故障时正常动作，区外保护时不误动，对于线路的三段式电流保护，每段都能正常动作且不会产生误动或者拒动，能正常配合，证明了设计的合理性，同时也验证了两种保护的有效性，对电力系统的稳定运行以及继电保护的设计和运行具有参考作用。当然也有算例单一简单等许多不足之处，在以后的仿真实验中将会更加严谨细致地考虑更多复杂的情况。