基于MATLAB/Simulink输电线路距离保护的建模与仿真分析

张 立,方洋洋

(1.汉江水利水电(集团)有限责任公司水电公司,湖北 丹江口 442700;2.汉江师范学院物理与电子工程学院,湖北 十堰 442000;3.汉江师范学院新型功能材料制备与物性研究中心,湖北 十堰 442000)

0 引言

随着现代电力系统不断发展,距离保护能够满足更高电压等级的复杂网络,并且有选择性地切除故障元件[1]。距离保护能够确定反映出发生故障点到保护安装点之间的距离和发生故障的方向,根据两者之间的距离远近来确定发生动作的时间。由于距离保护装置的核心部分为测量部分,所以核心元件为阻抗继电器。阻抗继电器能够测量短路点到保护安装处二者之间的阻抗值,将测量阻抗值与整定阻抗值进行比较,即与预先设定的保护范围进行比较,来确定距离保护是否应该发生动作。保护区内发生故障时会给出动作信号发生动作,而保护区外发生故障时则不会发生动作。由于考虑到二次侧的测量阻抗会受到电压互感器、电流互感器以及发生故障点过渡电阻等因素的影响,因此,通常将阻抗继电器的保护范围扩大为一个圆或者一个面的形式,简化继电器的接线,以及方便制造和调试。本文采用以方向阻抗继电器为例,利用MATLAB进行建模和仿真分析[2]。

1 阻抗继电器原理

阻抗继电器按照结构可以分为单相式和多相式。当加入阻抗继电器只有1个电压和1个电流时,此种方式被称为单相式阻抗继电器。所加入阻抗继电器的电压可以为线电压,也可以是相电压;所加入阻抗继电器的电流可以为相电流,也可以是两相电流的差。电压、电流和测量阻抗的关系表达式为

(1)

式中:Uk为电压;Ik为电流;Zk为测量阻抗。

将有关Zk式中各变量写成复数的R+jX形式,再利用几何图形来表示,采用实轴与虚轴建立起来的复数平面来分析阻抗继电器的有关动作特性。

多相补偿式继电器是多相式阻抗继电器的一种,它能够反映出不同相别组合时的相间短路或者接地短路。其加入的电压为补偿后的电压,而加入继电器的并不是单一的电压和电流,所以必须结合给定的短路点、系统和故障类型来进行具体分析。

2 方向阻抗继电器数学模型

方向阻抗继电器不仅能够测量阻抗大小,还能判断故障方向,能反映出输入到继电器的测量电压和测量电压之间的相角关系[3]。如图1所示,方向阻抗继电器在圆内会发生动作,而在圆外不会发生动作。它是一个通过坐标原点的圆,并且直径为整定阻抗Zset。

图1 方向阻抗继电器特性

假设加入到方向阻抗继电器的工作电压Uk与工作电流Ik之间的相位差为φk,当相位差φk的数值发生变化时,方向阻抗继电器的起动阻抗值也会相应随之发生变化。假设当相位差φk与整定阻抗Zset的阻抗角两者相等时,此时方向阻抗继电器的起动阻抗也会达到最大值,即为圆的直径。然而,此时距离保护范围也就达到了最大保护范围,在此种情况下的方向阻抗继电器工作特性最灵敏。

(2)

电压幅值比较方程为

(3)

相位动作比较方程为

(4)

电压相位比较方程为

(5)

即:

(6)

(7)

式中:Up为极化电压;U′为补偿电压。

无论阻抗继电器采用哪种工作特性,根据距离保护的工作原理特性分析可知,所加入阻抗继电器的电压Uk和电流Ik的接线方式应该都满足下列要求:

a.阻抗继电器的测量阻抗Zk与短路点到保护安装点之间的距离成正比;

b.阻抗继电器的测量阻抗Zk应该与发生的故障类型无关,也就是距离保护的保护范围不会受到故障类型的影响,因此不会受到故障类型的影响而发生变化。

3 方向阻抗继电器仿真分析

3.1 电力系统Simulink仿真模型

利用电力系统双电源对方向仿真[4],电力系统原理接线图如图2所示。根据原理图进行搭建的Simulink仿真模型如图3所示。

图2 电力系统原理接线图

图3 Simulink仿真模型

采用0°接线方式[5],将K1、K2、K3分别接于A、B、C三相。继电器模块为已封装的子系统,与继电器的动作方程相对应,仿真采用相位比较的方式进行分析。相位显示器能够观察各继电器的比相相位。为计算简便,将Powergui模块设置模式为“相位仿真方式”,采用设计子系统来获得三相电压和电流的复数形式,如图4所示。

图4 0°接线的方向阻抗继电器模块

进入已封装好的继电器模块[6],设置整定阻抗界面,输入是距离Ⅰ段的整定值,如图5所示。

图5 整定阻抗界面

3.2 仿真结果分析

符合要求的方向阻抗继电器接线方式有许多种。本文采用将K1、K2、K3分别接于A、B、C三相时,0°接线的电压和电流组合,电压电流关系见表1。

表1 电压电流关系

为了分析阻抗继电器的动作性能[7],对图3中300 km、500 kV长的超高压线路进行故障类型分别为三相短路、AB相短路、A相接地的仿真。相位仿真计算结果见表2。

表2 采用0°接线时的仿真计算结果

通过表2的仿真结果可知,三相短路、AB相短路、A相接地短路故障时的阻抗继电器的相位,方向阻抗继电器具有明确的方向性,并不会发生误动,其用来作为距离保护,也可用来作为方向保护元件。

4 结论

本文利用Simulink进行了输电线路距离保护的建模与仿真分析[8]。作为距离保护测量元件的阻抗继电器要求不会受到故障类型的影响而发生改变,能够真实反映出短路点到保护安装处两者之间的距离。一般采用0°接线方式,因为相间电压和相间电流的0°接线方式能够满足上述要求。

a.仿真模型能够将保护范围内的故障类型反映出来,保护原理可以利用MATLAB建模和算法程序相结合进行验证;

b.在短路故障条件下,距离保护的动作特性通过MATLAB软件来进行仿真分析,很大程度上能够简化分析的过程,并且能够让规律在分析过程中清晰显现出来;

c.方向阻抗继电器中的阻抗元件具有方向

性,在正向区域的时候会发生动作,而反方向不会发生动作。但是,当处于阻抗元件临界状态时,可能会发生误动作的情况。