电流保护matlab仿真设计.doc
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1、长春工程学院毕业设计(论文) I 电流保护 MATLAB 仿真 目 录 1 引言1 2 MATLAB 及其模块介绍.2 2.1 MATLAB 编程基础2 2.2 M 文件及 M 函数.3 2.3 SIMULINK 介绍.3 2.4 S-FUNCTION 简介5 3 线路继电保护的基本原理.8 3.1 整定基本要求8 3.2 保护整定原则10 4 线路继电保护仿真.18 4.1 保护仿真软件概述.18 4.2 仿真设计步骤19 4.3 线路单相自动重合闸电流保护仿真.19 4.4 线路三段式电流保护仿真27 5 仿真结果分析.36 5.1 线路单相自动重合闸电流保护仿真结果分析36 5.2 线路
2、三段式电流保护仿真结果分析.37 6 总结38 致 谢40 参考文献41 长春工程学院毕业设计(论文) 1 1 引言引言 本设计的题目是线路继电保护整定计算的 MATLAB 仿真,包括对电力系统线路整定 计算仿真和故障仿真的研究。 输电线路是电力系统中的重要电气设备。不同地区、不同类型的发电和配电设备都是 通过它连接起来的,构成电力系统网络。它的安全运行直接关系到电力系统发电、供电和 配电的稳定运行。随着现代电力系统继电保护的日益发展采用计算机仿真方法来分析研究 电力系统继电保护是解决此类工程问题的一种有效手段。MATLAB 语言是目前国际上流行 的一种演算纸式的编程语言,它具有强大的矩阵分析
3、与运算功能,并且是一个开放的环境。 其中 SIMULINK 就是为 MATLAB 开发的一种优秀的控制系统仿真工具软件,它具有模块 化、可重载、可封装、面向结构图编程及可视化等特点,可大大提高系统仿真的效率和可 靠性。我们可以利用工具箱中的元件模型,结合电力系统中的基本原理,搭建输电线路模 型,继而设置各种电力系统故障进行分析和调试,以期为电力系统线路故障故障仿真提供 有力根据。 在线路继电保护整定计算仿真方面,我们使用了 SimuLink 和 SimPowerSystems 工具箱, 它常用于电力系统各个方面的仿真。例如 MATLAB 被用于发电机、变压器、线路和负荷 等元件的建模和仿真,在
4、输电线路研究中,有利用 Matlab 对输电线路进行故障定位数字仿 真的研究。在继电保护仿真中也应用到了 Matlab,如基于 Matlab 开发平台的继电保护仿 真系统。 本设计主要针对线路的继电保护三段式电流保护和零序电流保护进行仿真研究。 利用 MATLAB 和线路继电保护的内容,使用 SimuLink 和 SimPowerSystems 工具箱,搭建 了一个线路整定计算和故障仿真模型。在系统中设定不同的故障点,分别进行了相应的仿 真,且与线路的整定计算值相配合,做到有选择性的动作,对仿真结果进行分析。 本文第 1 部分为前言,介绍了本次设计的主要思路。 第 2 部分介绍了 Matlab
5、 基础和在设计中所用到知识。 第 3 部分是线路继电保护的基本原理等基础理论知识。 第 4 部分中对线路继电保护仿真中的模型构成、参数设定及故障发生时保护装置的动 作情况作了详细说明。并介绍了所设计的线路继电保护仿真与整定计算值的配合。 长春工程学院毕业设计(论文) 2 第 5 部分对仿真实验的结果进行了分析,不同层面做出分析,对于在整个设计过程的 不同阶段也做出具体分析。 在本文的第 6 部分中总结了此次设计并给出了结论。其中包括致谢词,参考文献等。 此次毕业设计在张龙斌老师的指导下完成。 2 MatlabMatlab 及其模块介绍及其模块介绍 本章简单介绍了此次设计用到的 Matlab 知
6、识,首先介绍 Matlab 软件编程基础知识, 再对计算机实现线路继电保护整定计算仿真设计中用到的仿真模块的来源、功能、参数等 进行介绍。 2.1 MATLAB 编程基础 2.1.1 变量和数学运算 首先从 Matlab 数学运算开始说明。例如要计算 1+2+3 及 110+210+310 这两个算式, 接在提示符号之后的是要键入的算式,Matlab 将计算的结果以 ans 显示。 2.1.2 数组和数据 Matlab 的运算事实上是以数组(array)及矩阵(matrix)方式在做运算,而这两者在 Matlab 的基本运算性质上是不同的,数组强调元素对元素的运算,而矩阵则采用线性代数 的运算
7、方式。 在声明一个变量为数组或是矩阵时,如果是要个别输入元素,需要用中括号将元素置 于其中。数组由一维元素构成,而矩阵由多维元素组成。 在介绍矩阵运算之前首先介绍几个特殊的矩阵。Zeros 函数生成元素皆为 0 的矩阵; ones 函数生成元素皆为 1 的矩阵,eye 生成一个单位矩阵,之所以称为 eye 是取其发音与 原来单位矩阵符号相同,而又避免与复数定义中的虚部所用的符号 i 混淆,所以改以 eye 替代。 上述三个函数的使用语法都相似,如 zeros(m)可以产生一个 mm 的正方矩阵,而 zeros(m,n)产生的是 mn 的矩阵。也可以使用这三个函数将一个 mn 矩阵原来元素全 部
8、取代成为 0,1 或是单位矩阵的值,不过要加上 size 指令来指出其矩阵大小是 mn,所 长春工程学院毕业设计(论文) 3 以语法为: zeros(size(A) 其中 A 为原来的矩阵 2.2 M 文件及 M 函数 Matlab程序大致分为两类:M脚本文件(M-Script)和M函数(M-Function),它们均 是普通的ASCII 码构成的文件。 M脚本文件中包含一组有Matlab语言所支持的语句,它类似DOS下的批处理文件。它 的执行方式很简单,用户只需在Matlab的提示符下输入该M文件的文件名,这样Matlab就 会自动执行该M文件中的各条语句,并将结果直接返回到Matlab工作
9、空间。使用M函数格 式变成是Matlab程序设计的主流。 Matlab的M函数是有function语句引导的,其基本格式如下: Function 返回变量列表=函数名(输入变量列表) 注释说明语句段,由%一道 输入、返回变量格式的检测 函数体语句 这里输入和返回变量的实际个数分别有nargin和nargout两个Matlab的保留变量来给出。 只要进入该函数,Matlab就将自动生成这两个变量,不论是佛直接使用这两个变量。如果 返回变量多于一个,则应该用方括号括起来。输入变量和返回变量之间用括号分隔。注释 语句段的每行语句都应该由百分号引导,百分号后面的内容不执行,只起注释作用。用户 采用he
10、lp 命令则可以显示出来注释语句段的内容。此外、标准的变量树木检测也是必要的。 如果输入或返回变量格式不正确,则应该给出相应的提示。 另外,因为Matlab是一中注释性语言,所以即使在某个或某些函数中存在语法错误, 如果没执行到该语句时可能就不会发现该错误,这在严格的程序设计中是不容许的。要检 查某目录中所有的M函数语法错误,首先应该用cd命令进入该目录,然后运行pcode*命令 进行伪代码转换。因为该命令会将Matlab函数转换成伪代码,而在转换过程中该程序将自 动翻译每一条语句,所以一旦发现有语法错误,将会停止翻译,给出错误信息。改正了该 语法错误后,再重新执行pcode命令,直到没有错误
11、为止。这样会保证目录下所有的程序不 含有语法错误。 长春工程学院毕业设计(论文) 4 2.3 SIMULINK 介绍 Simulink是以工具库的形式挂接在Matlab上的,不能独立运行,只能在Matlab环境中运 行。Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包,它支持连续、离散 或两者混合的线性和非线性系统,也支持具有多种采样速率的多速率系统。 Simulink是由模块库、模型构造及指令分析、演示程序等几部分组成。Simulink提供了 用方框图进行建模的图形接口。模块框图是动态系统的图形显示,由一组称为模块的图标 组成,模块之间采用连线联接。每个模块代表了动态系统的某
12、个单元,并且产生一定的输 出。模块之间的连线表明模块的输入端口与输出端口之间的信号连结。模块的类型决定了 模块输出与输入、状态和时间之间的关系。一个模块框图可以根据需要包含任何类型的模 块。 模块代表了动态系统的某个功能单元,每个模块一般包括一组输入、状态和一组输出 等几个部分。 Simulink模块的基本特点是参数化的,许多模块都具有独立的属性对话框,在对话框 中用户可以定义模块的各种参数。Simulink包含Sinks(输出方式)、Source(输入源)、 Continuous(连续环节)、Nonlinear(非线性)、Discrete(离散环节)、Signals 为相邻线路距离 II 段
13、动作时间。 II t II t II t C 相间距离保护: a 与相邻线路相间距离段配合; = 3-13 III set Z 1 . )( 2 . min. II setbAB III rel ZKZK 式中:可靠系数,0.80.85; III rel K 为本线路阻抗; AB Z 为最小分支系数; min. b K 为相邻线路距离段动作阻抗。 II set Z 2 . 动作时限:(1) 、保护范围伸出相邻变压器其他各侧母线时,+t; III t II t (2)、保护范围伸出变压器其他各侧母线时,+t。 III t T t 式中:为相邻线路重合后不经振荡闭锁的距离 II 段动作时间; II
14、 t 长春工程学院毕业设计(论文) 15 为相邻变压器相间短路后备保护动作时间。 T t 灵敏度校验:作为近后备时=/1.5;作为远后备时1.2. sen K III set Z AB Z b 与相邻变压器的电流、电压保护配合整定; = 3-14 III set Z 1 . )( minmin. ZKZK bAB III rel 式中:电流、电压保护的最小保护范围对应的阻抗值。 min Z 动作时限:=+t。 为相邻变压器相间短路后备保护动作时间。 III t T t T t c 与相邻线路距离段配合; = 3-15 III set Z 1 . )( 2 . min. III setbAB I
15、II rel ZKZK 式中:=0.80.85;可靠系数; III rel K 为相邻线路距离段动作阻抗。 III set Z 2 . 动作时限:=+t。 为相邻线路距离 III 段动作时间。 III t III t III t d 躲过最小负荷阻抗; 若采用全阻抗特性,则整定值为 = 3-16 III set Z 1 . min. 1 L ressrel Z KKK 式中:按实际最不利的系统频率下阻抗元件所见到的事故过负荷最小负荷阻抗(应 min.L Z 配合阻抗元件的实际动作特性进行检查)整定; 可靠系数,一般取 1.2-1.25 rel K 电机自启动系数,取 1.5-2.5 ss K
16、阻抗测量元件(欠量动作)的返回系数,取 1.15-1.25。 rel K 3.2.3 线路重合闸 在电力系统故障中,大多数的故障是送电线路的故障。运行经验表明,架空线路故障 大都是一些瞬时性故障,如雷电引起的绝缘子表面闪络,大风引起的碰线,鸟类或是树枝 长春工程学院毕业设计(论文) 16 等物体落在导线上引起的短路等,在线路被继电保护迅速断开以后,电弧立即熄灭,外界 的物体也被电弧烧掉而消失。此时,如果把断开的线路再合上,就能够恢复正常供电。但 是,如果故障是永久性的,如线路倒杆、断线、绝缘子击穿或损坏引起的故障,在线路被 继电保护迅速断开以后,故障仍然存在,即使再合上电源,线路还要被继电保护
17、再次断开, 因而就不可能立即恢复供电了,必须待工作人员检修后才可再次恢复供电。由于送点线路 具有以上性质,所以采用重合闸能够大大提高供电的可靠性,减少线路停电的次数。此外, 重合闸可以提高电力系统并列运行的稳定性,提高传输容量,纠正由于断路器本身的机构 不良或误动作而引起的跳闸。 三相一次重合闸的跳、合闸方式为无论本线路发生何种类型的故障,继电保护装置均 将三相断路器跳开,重合闸启动,经预先设置的延时发出重合闸脉冲,将三相短路器一起 合上。若是瞬时性故障,因故障已经消失,重合成功,线路继续运行;若是永久性故障, 继电保护再次动作跳开三相,并且不在重合。 重合闸的启动过程:当短路器由继电保护动作
18、跳闸或其他非手动原因而跳闸后,重合 闸均应启动。一般使用断路器的辅助常开触点或者用合闸位置继电器的触点构成,在正常 情况下,当断路器由合闸位置变为跳闸位置时,马上发出启动指令。 重合闸的时间:启动元件发出启动指令后,时间元件开始记时,达到预定的演示后, 发出一个短暂的合闸脉冲命令,这个延时就是重合闸时间,是可以整定的。 一次重合闸脉冲:当延时时间到后,它马上发出一个可以合闸脉冲命令,并且开始记 时,准备重合闸的整组复归,在复归时间内即使再有重合闸时间元件发出命令,它也不再 发出第二个合闸命令。它可保证在一次跳闸后有足够的时间合上和再次跳开断路器。 自动重合闸与继电保护的配合 为了能尽量利用重合
19、闸所提供的条件以加速切除故障,继电保护与之配合时,一般采 用重合闸前加速保护和重合闸后加速保护两种方式,根据不同的线路及其保护配置方式选 用。 1) 重合闸前加速保护 重合闸前加速保护一般又简称为“前加速” 。它是当任何一条线路上发生故障时,第一 次都有保护瞬时无选择性动作予以切除,重合闸以后保护第二次动作切除故障是由选择性 的。采用前加速保护会使断路器工作条件恶劣,动作次数较多;重合与永久性故障时,故 障切除的时间可能较长;若重合闸或断路器拒绝合闸,则将扩大停电范围,甚至在最末一 级线路上故障时,都会使连接在这条线路上的所有用户停电。 长春工程学院毕业设计(论文) 17 2) 重合闸后加速保
20、护 重合闸后加速保护一般又简称为“后加速” 。它是当任线路第一次故障时,保护有选择 性动作,然后进行重合。如果重合于永久故障,则在断路器合闸后,再加速保护动作瞬时 切除故障,而与第一次动作是否带有时限无关。它的优点是第一次有选择性切除故障,不 会扩大停电范围;保证永久性故障能瞬时切除,并仍然是有选择性;与前加速相比,不受 网络结构和负荷条件的限制。 综上所述,基于本设计中的线路是简单的单相线路,所以采用重合闸后加速保护。 3.2.4 零序电流保护 (1)零序电流段的整定原则: 躲过本线路末端单相或两相接地短路时可能出现的最大零序电流 3-17 max . 0 3IKI relset 式中:可靠
21、系数,可取 1.2-1.3; rel K (2)零序电流 II 段整定原则:按与相邻线路零序电流 I 段配合整定。 3-18 1 . . 0 2 . set b II relII set I K K I 式中:为可靠系数,可取 1.151.2;分支系数; II rel K b K . 0 相邻线路零序电流段整定值。 I set I 灵敏度校验: 3-19 II set sen I I K 2 . min . 0 3 式中:3I0.min 线路末端接地短路时流过保护的最小零序电流; 保全线有灵敏系数的零序电流定值对本线路末端金属性接地故障的灵敏系数应满足如 下要求: a. 20km 以下线路,不
22、小于 1.5; b. 2050km 的线路,不小于 1.4; c .50km 以上线路,不小于 1.3。 动作时限:因相间零序电流段保护定值与相邻线路零序电流保护段配合,所以 段动作时限比相邻线路零序电流保护段的动作时限高出一个 t 即可,可取 0.3s。 长春工程学院毕业设计(论文) 18 灵敏度不够时,按与相邻线路段配合来整定。 II set II rel II set IKI 1 . 2 . 3-20 式中:相邻线路零序电流段整定值。 II set I 1 . 动作时限:因相间零序电流段保护定值与相邻线路零序电流保护段配合,所以 段动作时限比相邻线路零序电流保护段的动作时限高出一个 t
23、即可,可取 0.6s。 (3)零序电流保护的整定原则: 按照躲开在下级线路出口处相间短路时出现的最大不平衡电流来整定 max.unb I 3-21 III rel III set KI max.unb I 式中:1.1 III rel K 灵敏度校验: 3-22 III set sen I I K 2 . min . 0 3 式中:I0.min 线路末端接地短路时流过保护的最小零序电流; 被保护线路末段故障,保护的灵敏系数。 sen K 当线路长度为 20km 以下时,不小于 1.5; sen K 当线路长度为 2050km 时,不小于 1.4; sen K 当线路长度为 50km 以上时,不
24、小于 1.3。 sen K 动作时限:因相间零序电流段保护定值与相邻线路零序电流保护段配合,所以 段动作时限比相邻线路零序电流保护段的动作时限高出一个 t 即可,可取 0.6s。 灵敏度不够时,按与相邻线路段配合来整定。 III set b III relIII set I K K I 1 . 0 2 . 3-23 式中:1.1,为分支系数。 III rel K b K0 动作时限:因相间零序电流段保护定值与相邻线路零序电流保护段配合,所以 长春工程学院毕业设计(论文) 19 段动作时限比相邻线路零序电流保护段的动作时限高出一个 t 即可,可取 0.9s。 4 线路继电保护仿真线路继电保护仿真
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