基于MATLAB的电力系统继电保护仿真研究.pdf

第3 6卷第 3期 2 0 1 0 年3 月 水 力 发 电 基于 MA T L AB的电力 系统继 电 保护仿真研究 胥 杰 陈 峦 ( 1 新疆 大 学 电气 工程学 院 ，新疆 乌鲁木 齐 8 3 0 0 4 7 ； 2 电子科技 大学 自动化 工程 学院 四川成 都 6 1 0 0 5 4 ) 摘要 ：基于 M A T L A B的仿真技术 可以辅助继电保护系统的分析和设计 ，针对电力系统继 电保护领域 的核心 内容 构建 了系统仿真模型 ，举例说 明了电力系统故障 、零序电流保护 和变 压器纵差保护等仿真实例的实现方案。在运行 这些仿真实例 的基础上 ，对仿 真结 果进行 了深人分 析。通过仿 真实例证明 了电力系统继电保护仿 真的有效 性和可 行 性 。 关键词 ：电力 系统 ；继电保护 ；仿真 ；MA T L A B M ATLABba s e d Si m u l a t i o n o f Powe r Sy s t e m Re l ay Pr ot e ct i o n Xu J i e ， Ch e n L u a n ( 1 C o l l e g e o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， X i i a n g U n i v e r s i t y ， U r u mq i X i i a n g 8 3 0 0 4 7 ； 2 C o l l e g e o f Au t o ma t i o n E n g i n e e r i n g ， Un i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Ch e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 5 4 ) Ab s t r a c t ：MA T L AB b a s e d s i mu l a t i o n t e c h n o l o g y c a n s u p p o a t h e a n a l y s i s a n d d e s i g n o f r e l a y p r o t e c t i o n s y s t e ms A s i mu l a t i o n mo d e l i s b u i l t f o r t h e s t u d y o f p o we r s y s t e m r e l a y p r o t e c t i o n As a ll e x a mp l e ，t h e p o we r s y s t e m f a u l t s i mu l a t i o n ， z e r o s e q u e n c e c u r r e n t p r o t e c t i o n s i mu l a t i o n a n d t r a n s f o r me r d if f e r e n t i a l p r o t e c t i o n s i mu l a t i o n a r e p r e s e n t e d h e r e i n T h e c a s e s t u d i e s s h o w t h a t t h e s i mu l a t i o n o f p o w e r s y s t e m r e l a y p r o t e c t i o n i s e f f e c t i v e a n d f e a s i b l e Ke y W o r d s ： p o we r s y s t e m； r e l a y p r o t e c t i o n ； s i mu l a t i o n ； MA T L AB 中图 分 类 号 ： TM7 4 3 文 献标 识 码 ： A 文 章 编 号 ： 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 0) 0 3 0 0 8 4 0 3 为 了 设 计 高 性 能 的 继 电 保 护 产 品 常 常 要 进 行 继 电保 护 模 拟实 验 传 统 的继 电保 护 实验 是 存 真 实 的 物 理 模 型 上 进 行 的 实 验 系 统 复 杂 ，实 验 成 本 高 效率 低 ，灵 活性 和 通 用性 差 。 电 力系统 继 电保 护 数 字 仿 真 是 利 用 计 算 机 软 件 仿 真 电 力 系 统 故 障 情 况 下 电 气 量 变 化 的 特 征 模 拟 继 电 保 护 装 置 处 理 和 动 作 的 过 程 具 有 安 全 、经 济 、可 重 复 、不 受 环 境 限 制 、研 究 开 发 周 期 短 、效 率 高 等 优 点 f l I。 通 过 对 各 种 不 同继 电 保 护 技 术 的 仿 真 可 使 研 究 者 形 象 地 观 察 到 电力 系 统 从 正 常 状 态 到 发 生 故 障 期 问 电 气 量 的 变 化 情 况 以 及 继 电 保 护 装 置 中 每 一 部 分 处 理 和 动 作 的 过程 利 用计 算 机 软 件模 拟真 实 保护 设 备装 置 的 运 行情 况 能及 早 发现 和解决 设 备运 行 中可能 现 的 问 题 因 此 电 力 系 统 继 电 保 护 计 算 机 仿 真 具 有 十 分 重 要 的 现 实 意 义B ， 1 本 文 设 计 了 电 力 系 统 故 障 、空 载 合 闸 励 磁 涌 流 、 圈Wa t e r P o u e F V o 1 3 6 N o 3 单 侧 电 源 相 间 短 路 的 电 流 保 护 、零 序 电 流 保 护 、变 器纵 差 保护 、微机 保 护算 法 等仿 真 实例 的实现 方 案 ， 在 运 行 这 些 仿 真 实 例 的 基 础 上 ，对 仿 真 结 果 进 行 了 分 析 f 。 1 电力系统故障仿真 本 研 究 采 用 双 电 源 供 电 的 系 统 模 型 电 压 等 级 为2 2 O k V，如 图 1所 示 。该 模 型 中同 步发 电机 的 容 量 为 5 0 0 MV A， 电 压 为 1 3 8 k V， 频 率 为 5 0 Hz 。 i相 变压 器 的容 量 为 5 0 0 MV A，D 。 Yg接 线 形式 ， 收 稿 日期 2 0 0 9 0 5 2 3 基金项 目：新 疆大学 2 l世纪 高等 教育教 学改 革丁程 资 助项 目 ( XJ U2 0 0 8 J CY2 1 ) 作者简介 ： 胥杰 ( 1 9 8 5 一) ，男 ，四 I I 绵阳人，主要从事电力 系统 继电保护方面的研 究 幂3 b雹 弟3期 育 ， 寺： 量 于， 、 I I 4 15 电 J糸 现 t：E1 禾 1 具 计 图 1 电 力 系统 故 障 模 型 频 率为 5 0 Hz l 5 0 k m 线 路 的正 序 阻 抗 为 0 0l 1 6 5 + j 0 0 0 0 8 6 7 9 O k m，对 地 电 容 为 1 3 4 l 1 0 4 F k m； 1 0 0 k m 线 路 的 正 序 阻 抗 为 0 0l 1 6 5+ i 0 0 0 0 8 6 7 9 l l k m， 对 地 电 容 为 1 3 4 1 l 0 F k m 负 荷 l的 电 压 为 2 2 0 k V 有 功 负 荷 为 2 2 0 x 1 0 2 5 0 W 无 功 负 荷 为 2 0 0 W ： 负 荷 2的 电 压 为 2 2 0 k V有 功 负 荷 为 2 2 0 x 1 0 6 2 5 0W 无 功 负 荷 为 2 0 0W ：负 荷 3的 电 压 为 2 2 0 k V， 有 功 负 荷 为 2 2 0 x 1 0 2 5 0 W 无 功 负 荷 为 2 0 0 W ： 负 荷 4的 电 压 为 l 3 8 k V 有 功 负 荷 为 2 2 0 x1 0 W ： 无 功 负 荷 为 0 W 在构建 的 故障 系统 MAT L AB仿 真模 型 巾 通过 故 障 模 块 可 设 置 相 短 路 、 两 相 短 路 、 两 相 短 路 接 地和 单相短路 接地 故 障 以单 相 接地短 路 故障 为例 设 置 三 相 短 路 元 件 参 数 为 A 相 接 地 短 路 运 行 仿 真 模 型 得 到 线 路 单 相 接 地 短 路 时 母 线 的 短 路 电 压 及 电 流 波 形 如 图 2所 示 4 00 之2 0 0 0 0 2 0 0 - 4 1 1 1 ) 2 0 0 0 - 2 0 ( ) - 4 0 0 ( )0 0 5 ( ) 1 0 1 5 0 2 0 25 0 3 州 I_n J s 、 、f 0 0 0 5 01 0 1 5 0 2 0 2 5 0 3 时州 s 图 2 电 力 系 统单 相 接 地 短 路 时 故 障 仿真 波 形 显 示 在 0 0 0 3 s期 间 线 路 工 作 在 稳 定 状 态 ， 三 相 电 流 和 电 压 对 称 ： 在 0 0 3 s时 发 生 A 相 接 地 短 路 A 相 电 压 基 本 为 0 B 相 和 C相 电 压 也 相 对 减 小 ，故 障 相 A 相 的 电 流 迅 速 上 升 为 短 路 电 流 ， B 相 和 C 相 电 流 也 相 对 增 大 ：0 0 8 s时 切 除 故 障 ， i 相 电 压 电 流 经 暂 态 后 达 到 新 的 稳 定 状 态 并 重 新 恢 复 i 相 对 称 运 行 工 作 状 态 同理 ， 可 以 设 置 其 他 的 短 路 故 障 类 型 并 观 察 其仿 真 波形 ，也可 以对仿 真 模 型 中 的三 相故 障 模块 设 置 接 地 电 阻 参 数 ，通 过 观 察 对 应 的 仿 真 波 形 分 析 接 地 电 阻 对 电力 系 统 故 障 的 影 响 2 零序电流保护仿真 用 S i mu l i n k和 P S B模 块 库 构 建 一 个 2 2 0 k V 的 单 侧 电 源 供 电 系 统 模 型 模 拟 输 电 线 路 发 生 接 地 故 障 。同 时 ，建 立 一个 零 序 电 流保 护及 单 相 重合 闸装 置 的 仿 真 模 型 通 过 该 系 统 可 十 分 方 便 地 进 行 不 同 接地 电 阻及 电弧情 况 下 的故 障分 析 以及 继 电器 动 作 特性 的模 拟 。以 单相 接 地短 路 为 例 ，将 故 障模 块 设 置 为 A 相 接 地 短 路 仿 真 结 果 如 图 3所 示 。 蚤 似 - 1 0 m 占 _ ： 时 口 j s 。 二二 二 蓄 0 0 。 垂 。 三 垂 图 3零 序 电 流 保 护仿 真 由 图 3可 以 看 出 在 0 0 3 s的 时 候 线 路 发 生 单 相 接 地故 障 A 相 电流 发 生 急剧 变化 电压 变 得 不 对 称 继 电 器 动 作 后 经 0 0 5 s 保 护 出 口跳 闸 ，跳 闸 后 经 0 3 s自动 重 合 闸 此 时 故 障 仍 存 在 保 护 只 用 0 O 1 s立 即发 跳 闸命 令 从 而完 成 了从 跳 闸 到重 合 闸再 跳 闸 的 整 个 过 程 3 变压器纵差保护仿真 采 用 双侧 电 源 供 电模 型 电 压 等 级 为 7 3 5 k V 3 1 5 k V变 压 器 两 侧 安 装 有 断 路 器 ，如 图 4所 示 。 该 模 型 中 三 相 电 源 侧 的 电 压 为 7 3 5 k V 频 率 为 5 0 Hz ：低 压侧 的电 压 为 3 1 5 k V，频 率 为 5 O Hz i相 变 压 器 的 S N= 2 5 0 MV A， Ul U 2 N = 7 3 5 k V 3 l 5 k V， 接 线 方 式 Y d 1 1 在 变 压 器 纵 差 保 护 的 MAT L AB 仿 真 模 型 中 通过 故 障模 块 可 设 变压 器 区 内 、区外 的各 种故 障 。 以 区 内 相短 路 为例 ，设 置故 障 元 件 为 A、B、C三相 短路 ，短路 点设 置在 内部( 两 边 电 流 表 以 内 ) 得 到 变 压 器 纵 差 保 护 内 部 i 相 故 障 模 型 ，运 行 该 仿 真 模 型 ， 即 可 得 到 电 压 、 电 流 和 跳 闸 波 形 如 图 5所 示 由 图 5可 见 ， 在 0 0 0 3 s期 间 线 路 工 作 在 稳 定 状 态 j 相 电 流 和 电 压 对 称 在 0 0 3 s时 发 生 j 相 短 路 ，三 相 电 压 变 小 二 三 相 电 流 迅 速 上 升 为 短 路 电 流 ， i 相 电 压 和 电 流 对 称 说 明 i 相 短 路 为 对 称 短 路 。 在 0 1 3 s时 ，变 压 器 纵 差 保 护 动 作 切 除 故 图 4双电源系统双绕组压器模型 W (a e r P o w e r V o 1 3 6 N o 3 圆 三 ； 一 小， J 仅吧 ZU - U q- ， _ | 蚕狮 麟 二二二 蔽 掣- l O X 1 0 5 占 - 赢 薹 2 OO 三 藿 n 6 E二二二二二 二 工 图 5变 压 器 纵 差保 护 的仿 真 结 果 障 电 压 为 电 源 电 压 电 流 几 乎 为 0 4 结语 基 于 计 算 机 技 术 的 电 力 系 统 继 电 保 护 数 字 仿 真 可 以辅 助 继 电保 护 系统 的分 析 和设 计 将 MAT I AB 仿 真 技 术 应 用 于 电 力 系 统 继 电 保 护 研 究 中 具 有 十 分 重 要 的 现 实 意 义 针 对 电 力 系 统 继 电保 护 技 术 的 核 心 内 容 构 建 _ r继 电保 护 系 统 的 MA T L AB仿 真 模 型 。 除 所 介 绍 的 电 力 系 统 故 障 仿 真 、零 序 电 流 保 护 ( 上 接 第 6 8页 ) 直 线 PB与 断 面 的 夹 角 为 ，则 直 线 船与 A 断 面 上任 何 一 点 的 夹 角 均 为 因 而 直 线 船与断 面 的 圆心 的 央 角 也 为 仪。假 定 C ( ， ， ) 为 隧 洞 断 面 网 周 上 任 意 一 实 测 点 则 其 对 应 断 面 所 对 应 圆心 角 = a r c t a n 【 ( 一 o ) ( H一 舶 ) 】 。 、 。 、 。 I 图 3断面 圆心 对 应 角 计 算 示意 2 _ 2 4建立 数学模 型 角 度 = t a n f ( 肛 ) ( H一 ) ； 断 面圆 心 角 坐 标 0 ( X，Y，z) ， = No 一 3 8 s i mx ，Y= 0， Z= H O - 3 8 c o s ； 断 面 实 测 半 径 R= ( ) 十 ( l ， ) + ( z) 1 ； 断 面理论 半径 ：L = 7 2 5 一 c d5 0 。 2 3放样 实施 把 全 站 仪 所 测 的 坐 标 ， v 输 入 汁数 器 ，计 算 所 测 点 的 实 际 半 径 和 理 论 半 径 ， 比 较 实 际 半 径 和 理 论 半 径 当 实 际 半 径 与理 论 半 径 之 差 为 正 时 ，应 向 内 移 动 棱 镜 ，移 动 数 值 为 其 差 值 ，反 之 向 外 移 动 圈W a t e r P o w e r V o 1 3 6 N o 3 仿 真 和 变 压 器 纵 差 保 护 仿 真 外 模 型 还 可 以 对 空 载 合 闸 励 磁 涌 流 仿 真 、单 侧 电 源 相 间 短 路 的 电 流 保 护 仿真 和 微机保 护 算 法仿 真 等进 行实 际 仿真 运行 实 践 表 明 将 MA T L AB应 用 于 电 力 系 统 继 电保 护 数 字 仿 真 中 是 有 效 的 和 可 行 的 参考文献 ： 1 冯小玲 ，郭袅，谭建成 继 电保护仿真系统的现状 及其应用 J 广 两 电 力 ， 2 0 0 4 ( 6 ) ：5 0 5 6 f 2 盛 义发 ，唐耀庚，苏泽 光， 等 基于 MA T L A B的电力系统故 障 的仿真分析 J 1 南华大学学报 ( 理T版) ，2 0 0 3 ，1 7 ( 4 ) ：4 5 5 1 f 3 杨晓 ，沈勇环 ，郭征 ，等 开放式的继电保护动态特性仿真 系统 J l电力系统及其 自动化学报 ，2 0 0 3 ，1 5 ( 6 ) ：1 4 4 章忐刚 李兴 源 基于 MA T L AB开发平 台的继 电保护仿真 系统 J 四 川 电 力技 术 ，2 0 0 3 ( 2 ) ：4 3 4 6 f 5 l 韩笑 ，徐曦 ，陈卓平 基 于 Ma t l a b与 VB数据交换 的继 电保 护 仿真f 电力 自动化设备 ，2 0 0 6 ，2 6 ( 5 ) ：9 2 9 5 6 黄绍平 李永 基于 MA T L A B的变压器空载合闸瞬变过 程仿 真研究 继电器，2 0 0 4，3 2 ( 8 ) ：1 9 2 1 I 7l 张伏生 寇强 刘 芳 ，刘沛津 ，等 线路微 机保护装置仿 真系 统的没计 与支现 f J 1 继 电器 ，2 0 0 3 ，3 l ( 4) ：7 6 7 9 ( 责 任编辑高 瑜 ) 棱 镜 。 反 复 移 动 ，直 到 位 置 达 到 精 度 要 求 。 3 结语 溪 洛 渡 水 电 站 是 同 家 重 点 工 程 G P S、 电 子 全 站 仪 、断 面 仪 等 当 代 T 程 测 量 技 术 在 洞 群 施 工 测 量 中得 到 了 广 泛 的 应 用 随 着 测 绘 科 技 的 发 展 ， 隧 洞 工 程 施 T 测 量 技 术 和 方 法 也 会 不 断 地 创 新 和 发 展 ， 将 会 有 更 多 的 施 T 测 量 新 技 术 、新 方 法 应 用 于 隧 洞 工 程 施 丁 测 量 中 参考文献 ： 1 贺 围宏 桥隧控制测量 M 北京 ：交通出版社 ，1 9 9 9 2 吴来瑞 ，邓学 才 建筑施T测量 手册 M 北京 ：中国建筑工业 出版 社 2 0 0 7 f 3 1 王景 海占线与 曲线 交点 的算 法 、 程 序及算例 J 勘察科 学技 4 5 j 6 7 术 ，2 0 0 9 ( 2 ) ：2 4 2 7 陈健 MA T I A B在变形 监测数据 处理 中的应用 J 2 0 0 9( 2) ： 1 3 0 1 3 3 刘 文 牛 隧 道 嘲拱 线 施 T 测 量 位 移 法 研 究 及 应 用 J 2 0 0 7( 5) ：5 9 6 0 城市勘 测 城 市 勘 测 刘丹源 刘钢 水 电站水轮发 电机 尾水管安装过程中测量方法 探讨 J 测绘通报 ，2 0 0 8 ( 2 ) ：6 9 7 0 赵吉先 ，万程辉 贯通横向误差处理新方的法探讨 J 测绘通报 ， 2 0 08 ( 1 ) ： 1 0 一 ( 责 任编辑杨健 )