吳成明，魯月娥，王婷樂

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北　宜昌　443002；2.安徽送變電工程公司，安徽　合肥　230022)

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基于Simulink的三段比相式距離保護(hù)仿真研究

吳成明1，魯月娥1，王婷樂2

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌443002；2.安徽送變電工程公司，安徽合肥230022)

距離保護(hù)因其不受系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，在輸電線路保護(hù)中得到廣泛的應(yīng)用，對此了解其工作原理并借助計算機(jī)做仿真研究顯得很有意義。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料并以Matlab軟件為仿真平臺，對三段比相式距離保護(hù)的原理進(jìn)行了仿真研究。在Matlab環(huán)境下建立了阻抗繼電器、時間繼電器、中間繼電器的數(shù)學(xué)仿真模型，在此基礎(chǔ)上搭建了一個110kV輸電線路的三段比相式距離保護(hù)模型，并結(jié)合某一110kV輸電線參數(shù)完成了輸電線距離保護(hù)整定值計算，通過Simulink模擬短路來驗(yàn)證模型動作的正確性。通過仿真研究驗(yàn)證了三段比相式距離保護(hù)原理的正確性，并得出接地短路和相間短路時的整定方式具有差異性，在仿真模塊連接時需要信號類型匹配等結(jié)論。

距離保護(hù)；Matlab 軟件；短路故障；仿真分析

1　引言

在輸配電系統(tǒng)中，因距離保護(hù)整定計算不受系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，在線路保護(hù)設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。距離保護(hù)按整定原理的不同可分為三段比相式和三段比幅式，其整定值是否正確對電力系統(tǒng)安全起著至關(guān)重要的作用，因此在保護(hù)裝置投入使用前要做嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)測試[2]。以往是通過真實(shí)物理模型來構(gòu)建模擬仿真實(shí)驗(yàn)室，模擬實(shí)驗(yàn)中一般包括發(fā)電機(jī)、變壓器、線路、斷路器等，存在占地面積大、投資大、更改實(shí)驗(yàn)接線困難、試驗(yàn)系統(tǒng)不完整等缺點(diǎn)。隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和電力系統(tǒng)專用數(shù)字仿真系統(tǒng)的成功研發(fā)，借助計算機(jī)可方便地觀察分析電力系統(tǒng)在各種運(yùn)行工況及故障情況下的動態(tài)行為[3]。文獻(xiàn)[4-6]以PSCAD4.2軟件為仿真平臺，對三段比幅式距離保護(hù)原理進(jìn)行了仿真研究，并分析了影響測量阻抗大小的因素，提出了采用自適應(yīng)的方法來消除線路串聯(lián)電容和接地過度電阻的影響，但沒有指出具體的模塊搭建和參數(shù)設(shè)置過程。文獻(xiàn)[7-9]以Matlab軟件為仿真平臺，提出了基于線路模型的解微分方程的阻抗算法，構(gòu)建了單電源仿真系統(tǒng)模型，但沒有構(gòu)建斷路器控制回路，不能直觀地觀察保護(hù)動作前后線路電壓、電流波形。

Simulink是以工具庫的形式掛接在Matlab上的，不能獨(dú)立運(yùn)行，只能在Matlab環(huán)境中運(yùn)行。Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它支持連續(xù)、離散或兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，也支持具有多種采樣速率的多速率系統(tǒng)。可對一般的電力電子電路和繼電保護(hù)進(jìn)行有效的仿真應(yīng)用，為繼電保護(hù)的研究提供良好的仿真分析平臺[10]。

2　比相式距離保護(hù)的原理及整定原則

距離保護(hù)利用短路發(fā)生時電壓、電流同時變化的特征，通過測量電壓與電流的比值來反應(yīng)故障點(diǎn)距保護(hù)安裝處的距離[11]，其保護(hù)原理如圖1所示。

圖1　距離保護(hù)整定原理圖

(1)

對于如圖1，可做典型的三段式距離保護(hù)整定，具體整定公式如下：

(2)

對于距離保護(hù)第三III段的整定，要綜合考慮相鄰下級線路距離保護(hù)的II或III段、相鄰下級變壓器的電流、電壓保護(hù)整定情況及按躲過正常運(yùn)行時最小負(fù)荷阻抗整定，綜合考慮前面三種情況下的整定值，去其中較小者作為距離保護(hù)第III段的整定阻抗。

圖2　方向圓特性

由圖2可得方向圓特性的絕對值比較動作方程和相位比較動作方程分別如式(3)和式(4)所示：

(3)

(4)

在實(shí)際測量模塊中是通過測量線路電壓和電流來獲得測量阻抗，將式(1)代入式(4)即可獲得三段比相式距離保護(hù)用仿真方程，如式(5)所示。

(5)

將式(2)中的整定值代入式(5)即可獲得三段比相式距離保護(hù)各段的整定值，由于實(shí)際輸電線路中大多是三相四線制輸電，對于非三單相故障的非故障相不滿足式(1)，即在實(shí)際仿真中還應(yīng)做故障類型判斷，因110kV及以上的系統(tǒng)，主變中性點(diǎn)直接接地，當(dāng)發(fā)生接地故障時，系統(tǒng)中存在零序電流通路，可通過檢查系統(tǒng)是否存在零序電流來判斷故障類型。接地短路和相間短路的測量阻抗表達(dá)式分別如式(6)和式(7)所示，相間距離保護(hù)能夠反映相間短路、兩相接地短路和三相短路故障,但不能反映單相接地故障。

(6)

(7)

上式中,K是補(bǔ)償系數(shù),K=(z0-z1)/3z1。距離保護(hù)一般由啟動、測量、振蕩閉鎖、電壓回路斷線閉鎖、配合邏輯和出口等幾部分組成，其整定邏輯關(guān)系如圖3所示。

3　仿真模塊及系統(tǒng)的搭建

3.1三段比相式距離保護(hù)仿真模型的建立

以具有兩級線路的單端電源110kV單回線輸電線路系統(tǒng)為仿真背景，如圖4所示。距離保護(hù)安裝在線路AB的斷路器處,作為本線路AB的主保護(hù)以及下級線路BC的后備保護(hù)。

其中元件參數(shù)為：電壓源的線電壓10.5kV，內(nèi)阻Zg=0.001+j0.0157Ω；變壓器容量31.5MVA且接線

方式為Ynd11接線，折算到高壓側(cè)的阻抗Zt=1.86+j118.6Ω；兩級線路長度均為100km，線路的正序阻抗Z1=(0.01273+j0.293)Ω/km，零序阻抗Z0=0.3864+j1.296)Ω/km；負(fù)荷容量Sl=1.2+j0.9MVA。

圖3　距離保護(hù)整定邏輯圖

圖4　單端電源電力系統(tǒng)

在Matlab/Simulink中建立仿真模型，如圖5所示。保護(hù)模塊已經(jīng)封裝成子系統(tǒng)，其輸入數(shù)據(jù)為斷路器處的電壓電流測量值，其輸出信號送至斷路器的控制端，以控制斷路器的開合狀態(tài)(信號0表示跳閘,信號1表示合閘，斷路器初始狀態(tài)為合閘)。用故障模塊設(shè)置短路類型以及故障發(fā)生的時間。通過改變故障點(diǎn)兩側(cè)線路的長度來改變故障點(diǎn)的位置，但兩側(cè)線路的長度之和始終保持200km不變。仿真起止時間為0～2s。所有模塊的頻率均為50Hz。

圖5　距離保護(hù)主系統(tǒng)仿真模型

3.2相位比較阻抗繼電器的構(gòu)建

阻抗繼電器一般根據(jù)已經(jīng)導(dǎo)出的幅值比較動作方程和相位比較動作來實(shí)現(xiàn)，也可以按照距離保護(hù)原理的要求由其他的方式來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)公式(5)、式(6)、式(7)可構(gòu)建阻抗繼電器模塊，該模塊根據(jù)故障類型的不同分為接地阻抗繼電器和相間阻抗繼電器，其仿真數(shù)學(xué)模型如圖6和圖7所示。

圖6　接地故障阻抗測量繼電器模型

故障類型通過是否檢測到零序電流來判斷，當(dāng)檢

測到有零序電流是表示為接地故障，否則為相間短路或三相接地故障。通過檢查每相的運(yùn)行電流來判斷是否發(fā)生故障，將故障類型判斷模塊和故障是否發(fā)生判斷模塊結(jié)合在一起，用于選擇及觸發(fā)相應(yīng)的阻抗測量繼電器，為了保證觸發(fā)后能使觸發(fā)信號保持到仿真結(jié)束，仿真加入了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路模塊，為了保證模塊間數(shù)據(jù)傳輸類型的統(tǒng)一性，還加入了數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模塊，保護(hù)控制系統(tǒng)如圖8所示。

圖7　相間短路故障測量繼電器模型

圖8　保護(hù)控制系統(tǒng)圖

4　仿真結(jié)果分析

4.1故障類型選型分析

為了取得零序電流，通常采用三相電流互感器，將測得的電流求和，其值為零序電流的3倍。當(dāng)檢測到有零序電流時，表明系統(tǒng)發(fā)生了接地故障，由于系統(tǒng)負(fù)荷振蕩和互感器本身的誤差，會存在不平衡電流，所以在判斷比較中采用雙值比較器并對測量信號采用帶通濾波器濾波。設(shè)定總仿真時間為2s，在0.5s時發(fā)生A相接地故障和AB相間短路，得到故障前后線路上零序電流波形及使能觸發(fā)信號如圖9和圖10所示。

圖9　A相接地故障時故障類型判別模塊信號輸出圖

圖10　AB相間故障時故障類型判別模塊信號輸出圖

上圖中的A圖表示電流互感器測得的零序電流波形，由于是瞬間短路時，距離I段保護(hù)無延時動作，所以得到的零序電流是一個瞬時脈沖波形。B圖表示用于控制接地短路故障阻抗測量繼電器動作的邏輯信號(0表示不觸發(fā)，1表示觸發(fā))，C圖表示用于控制相間短路故障阻抗測量繼電器動作的邏輯信號。由圖9和圖10可知，A相接地短路時的零序電流較大，AB相間短路時由于互感器測量的誤差也會存在一定的不平衡電流。為了保證在斷路器跳閘后仍能使斷路器獲得跳閘信號，采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，使跳閘信號保持時間大于整個仿真時間。

4.2故障時斷路器動作特性及線路電壓、電流波形分析

總的仿真時間設(shè)定為2s，圖11和圖12展示了AB相間短路時，距離I段和距離II的動作情況，圖11中輸電線路總距離是200km，故障點(diǎn)距離為50km，故障發(fā)生時距離I段動作，無延時。圖12中輸電線路的故障距離為115km，故障發(fā)生時距離II段動作，延時0.5s，三段比相式距離保護(hù)I、II、III段的整定值按公式(2)和式(5)來整定。

圖11　距離I段動作時輸電線路上電壓、電流及斷路器控制信號波形

圖12　距離II段動作時輸電線路上電壓、電流及斷路器控制信號波形

圖11和圖12中A圖表示故障前后輸電線路上三相電壓波形，B圖表示故障前后輸電線路上三相電流波形，C圖表示故障前后線路斷路器外部控制端收到的控制信號。由圖11A和圖12A對比可發(fā)現(xiàn)當(dāng)故障發(fā)生瞬間斷路器切除故障時，系統(tǒng)電壓波動小，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)故障延時切除時，在延時期間，非故障相電壓、電流幅值基本不變，而等延時結(jié)束，距離II段切除故障時，輸電線路上會帶有較大的直流電壓分量，對系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行有較大不利影響。

5　結(jié)論

本文利用Matlab所建立的三段比相式距離保護(hù)仿真，能夠正確反映保護(hù)范圍內(nèi)的各種相間故障和接地故障，實(shí)現(xiàn)了本線路保護(hù)和下級線路的后備保護(hù)。仿真結(jié)果表明，所建立的保護(hù)模型具有實(shí)時性和正確性，不僅驗(yàn)證了保護(hù)原理，而且通過仿真加深了對保護(hù)原理的理解。具體結(jié)論總結(jié)如下：

(1)三段式距離保護(hù)受短路接地過渡電阻和輸電線路電容的影響，在仿真模型搭建時應(yīng)避免其不利影響，輸電線路采用集中參數(shù)模型，接地故障模型設(shè)置成金屬性直接接地，有利于保護(hù)I、II、III段正確動作。

(2)相間故障阻抗測量繼電器不能正確測量單相接地故障電阻，仿真中需要進(jìn)行故障類型識別，通過零序電流檢測模塊可有效判斷故障類型。

(3)故障發(fā)生瞬間立即切除故障，系統(tǒng)電壓、電流波動小，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)故障被延時切除時，系統(tǒng)中會產(chǎn)生較大的直流分量，易燒毀線路和設(shè)備。

(4)在本次仿真中，設(shè)置的為永久性故障，為了保證線路斷路器跳閘后不再重合，通過加入單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，可任意設(shè)置跳閘信號保持時間，有效保證了仿真的順利進(jìn)行，避免了斷路器的不斷開合和線路電壓、電流的長時間波動。

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The Three-segment Distance Protection of Compared Phase Based on Simulink Simulation

WUCheng-ming1，LUYue-e1，WANGTing-le2

(1.Electrical Engineering and New Energy College,The Three Gorges University,Yichang 443002,China;2.Electricity transmission &transformation facilities of Anhui province,Hefei 230022,China)

Because of distance protection is not influenced by system operation mode,and then it has been widely used in power transmission line protection,so to understand its working principle and with the help of a computer to do simulation research is very meaningful.By consulting relevant literatures and using Matlab software for the simulation platform,the three phase compared the principle of distance protection has carried on the simulation research.The mathematical simulation model of impedance relay,time relay,intermediate relay are established in Matlab environment.And further to built a 110kV transmission line distance protection of compared three phase type model,and combined with completed a 110kV transmission line parameters on transmission line distance protection setting value.Through the Simulink simulation of short circuit to verify the correctness of the model of action.Interphase short circuit and grounding short circuit and alternate with the way of setting are different.Through the simulation to verify the study of three phase compared the correctness of the principle of distance protection,and Conclusion to signal type matches,and the simulation module connection etc.

distance protection;matlab software；short circuit fault；the simulation analysis

TM773

B

2015-09-09

魯月娥(1989-)，女，漢族，湖北荊門人，碩士研究生，主要從事三維仿真建模和電力系統(tǒng)繼電保護(hù)仿真研究;

吳成明(1968-)，男，漢族，湖北枝江人，教授，主要從事計算機(jī)應(yīng)用與電力系統(tǒng)仿真;

王婷樂(1990-)，男，漢族，安徽安慶人，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制方面的研究。