基于MATLAB-SIMULINK的變壓器微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)仿真研究

1、基于matlab/simulink的變壓器微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)仿真研究摘要介紹了變壓器微機(jī)保護(hù)的基本原理，重點(diǎn)分析了作為變圧器主保護(hù)之一的差動(dòng)保護(hù)原理和差動(dòng)回路里的 不平衡電流問題。在此基礎(chǔ)上，利用matlab/simulink里的power system模塊庫，搭建了變壓器故障以及差動(dòng)保 護(hù)、過電流保護(hù)、接地保護(hù)的仿真模型，仿克分析其保護(hù)出口與故障波形均與理論分析-致，證明了仿克模型的 正確性與冇效性，研究中所搭建的變壓器故障和保護(hù)模型以及所采用的仿克分析方法，具冇較強(qiáng)的通用性和廣泛 的工程應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞matlab/simuiink,變壓器，微機(jī)保護(hù)，仿真分析1前言電力變壓器是電力系統(tǒng)中十分重要

2、的電氣設(shè)備，一旦發(fā)生故障，將給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來 嚴(yán)重的后果，在現(xiàn)代供電力系統(tǒng)中，對于變壓器的保護(hù)，微機(jī)保護(hù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢應(yīng)用越來越普及。目前對于變壓器微機(jī)保護(hù)的研究比較前沿的理論很多，如將數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用于差動(dòng)保 護(hù)中，傅式算法實(shí)現(xiàn)及其改進(jìn)算法，也有國外學(xué)者將專家系統(tǒng)，模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能 方法引入變壓器微機(jī)保護(hù)的研究中。變壓器微機(jī)保護(hù)由主保護(hù)和后備保護(hù)構(gòu)成。主保護(hù)主要是由 差動(dòng)保護(hù)來完成的，防止外部短路吋的不平衡電流以及防止勵(lì)磁涌流所致的誤動(dòng)。防止外部短路 吋的不平衡電流造成的誤動(dòng)，本文中采用動(dòng)作可靠的比率制動(dòng)方法。防止勵(lì)磁涌流導(dǎo)致的誤動(dòng)作, 則采用二次諧波制動(dòng)的方法，二次

3、諧波制動(dòng)技術(shù)制動(dòng)可靠，是防止勵(lì)磁涌流引起的保護(hù)誤動(dòng)作的 一個(gè)實(shí)用的解決方案。2變壓器差動(dòng)保護(hù)原理變壓器縱差保護(hù)是變壓器繞組故障時(shí)變壓器的主保護(hù)，差動(dòng)保護(hù)的保護(hù)區(qū)是構(gòu)成差動(dòng)保護(hù)的 各側(cè)電流互感器之間所包圍的部分。變壓器差動(dòng)保護(hù)涉及有電磁感應(yīng)關(guān)系的各側(cè)電流，其構(gòu)成原 理是磁勢平衡原理。以雙繞組變壓器為例，如果兩側(cè)電流錯(cuò)誤!未找到引用源。、錯(cuò)誤!未找到引用 源。都以流入變壓器為正方向，則正常運(yùn)行或外部故障時(shí)根據(jù)磁勢平衡原理有：錯(cuò)誤!未找到引用源。(1)式中：錯(cuò)誤!未找到引用源。、錯(cuò)誤!未找到引用源。是變壓一次側(cè)和二次側(cè)繞組匝數(shù)，錯(cuò)誤!未找 到引用源。是勵(lì)磁電流。下面通過對外部短路和內(nèi)部短路兩種情況的

4、分析闡述變壓器縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的基本原理：(1)外部短路如果變壓器各側(cè)以流入變壓器的電流為正方向，如圖1 (a)所示發(fā)生外部短路時(shí)流過變壓器的短路電流是從上往下流的，流入差動(dòng)繼電器中的電流為錯(cuò)誤!未找到引用源。，即錯(cuò)誤!未找到引 用源。=0,此時(shí)差動(dòng)繼電器不動(dòng)作。(2)內(nèi)部短路變壓器內(nèi)部發(fā)生短路時(shí)，如圖1 (b)所示。這時(shí)電流實(shí)際方向與規(guī)定的正方向一致，且幅值 均較大，流入差動(dòng)繼電器的電流就等于短路電流，即錯(cuò)誤!未找到引用源。二錯(cuò)誤味找到引用源。， 差動(dòng)繼電器可以動(dòng)作切除故障。錯(cuò)找到引用源。蘿暹蘋劉引用源。. 錯(cuò)誤!未找到$1摩障。 錯(cuò)誤!未h沖田源。-錯(cuò)誤味錯(cuò)誤!源。錯(cuò)誤!未找到k吳!未找到引用

5、源。錯(cuò)誤!錯(cuò)誤!尹闌韌引用源。錯(cuò)誤!未找至引用源2未找到引用和。錯(cuò)誤!未找到引用源。(a) 外部短路(b)內(nèi)部短路圖1變壓器縱差保護(hù)原理接線圖3變壓器差動(dòng)保護(hù)建模與仿真3.1勵(lì)磁涌流建模與仿真仿真模型屮的電源、變壓器、負(fù)載參數(shù)如下:電源參數(shù)：無窮大功率電源un=10000v,60h乙 變壓器參數(shù)：sn=250mva,60hz,次側(cè)電壓 10000v,繞組阻抗8錯(cuò)誤!未找到引用源。10q,繞組電抗8.4883錯(cuò)誤!未找到引用源。10中,二 次側(cè)電壓400v,繞組阻抗1.28錯(cuò)誤!未找到引用源。10" q,繞組電抗1.3581錯(cuò)誤!未找到引用源。 10 7h ,磁阻200q,磁抗0.53

6、052ho負(fù)載：有功功率1mw,感性功率loovar,容性功率loovar。搭建的勵(lì)磁涌流仿真模型如圖2所示。該模型由三相斷路器控制開合閘時(shí)間，三相變壓器的副邊繞組開路(即空載)，設(shè)置三相斷路器在0.02s時(shí)合閘，相當(dāng)于變壓器空載投入運(yùn)行，此時(shí)變 壓器原邊繞組會(huì)產(chǎn)生較大的勵(lì)磁涌流。設(shè)置總仿真時(shí)間為0.2s,仿真算法采用ode23tb。勵(lì)磁涌流 的仿真波形如圖3所示。三坪變壓tl(vm)from3continuouspowvgui圖2勵(lì)磁涌流仿真模型廠廠t圖3勵(lì)磁涌流仿真波形ava«at»o aignalonwmm 3cop«oatampvt:| input 1si

7、gnal number： 1omolibv q skjnlfft wtfxsowfund; nontnl (6oh) 123 3 thd- 97 80%rrt mvttwiomstwrt tamcv «：。hu moor of cyeiea 1 ifundamental frequency (hz>: g°max frecjuoncy (hz>:2-40nydumt froouencyd«oc>iay ®tyio:max frequenoy for two oomputotlonba»e valuo:1 ofr«&l

8、t;9tj«ncy axiam«rtxomplyciomo-1(a) a相勵(lì)磁涌流fft分析-100-150fft window 11 of 11 74 cycles of selected signalrefreshscopeoatamput 2nameinput20000 020 040 060 080 10 120 14 o 160.18tmdmfft analysts fundamental (60hz) ® 45 08 . tho= 123 1*1%80signal number:6sov (' s-gnalo fft windowooooooo

9、o7 6 s 4 3 2 1 lewujesu-一 o %6殳fft xttm”start tvne (a):0number of cycles i 1furusamentai frequency (hz>: 60nypukt frequencydteptay style:bar (rw to fundenwntfti)max freouency (h2):240max frequency for tho computationfrequency axishertzd33cio»c©"2 10(b) b相勵(lì)磁涌流fft分析fftffthyowwt "

10、;yoeacyowpaey »tywbat <r«iotr>r« tostart time (>:0nwm«r or，1fmn<s4»rvwnt4»l<hz> 。m4»x frmm*ncy (mx>240to* tho co«vipmt»t«>nbam valueaxas h«rtzo*p*ey ck>»c(c) c相勵(lì)磁涌流fft分析圖4變壓器勵(lì)磁涌流fft分析通過圖4所示變壓器勵(lì)磁涌流fft分析可知，勵(lì)磁涌流包含有很大

11、成分的非周期分量，使涌 流偏于時(shí)間軸的一側(cè)。由于勵(lì)磁涌流可達(dá)額定電流的68倍，包含有大量的高次諧波分量，并以 二次諧波為主，因此對縱差動(dòng)保護(hù)的影響很大。一般情況下二次諧波的含量不低于基波分量的 15%。波形出現(xiàn)問斷，問斷角0( 一般大于60%勵(lì)磁涌流的波形與合閘瞬間電壓的相位、鐵芯屮 剩磁的大小和方向、變壓器容量的大小、鐵芯材料的性質(zhì)和磁化曲線、變壓器的飽和磁密、合閘 回路的阻抗和時(shí)間常數(shù)等因素有關(guān)。3. 2三相變壓器差動(dòng)保護(hù)仿真分析數(shù)字式變壓器微機(jī)差動(dòng)保護(hù)一般由啟動(dòng)元件、諧波制動(dòng)元件、差動(dòng)元件、差動(dòng)速斷元件組成。contmuouipower gui（b）保護(hù)模型圖5差動(dòng)保護(hù)故障與保護(hù)仿真模型

12、研究中所建立的變壓器故障和保護(hù)裝置模型如圖5所示。一般電力系統(tǒng)繼電保護(hù)是基于電流、 電壓基頻分量來實(shí)現(xiàn)。但是rh于故障時(shí)電流和電壓量中含有大量的暫態(tài)分量（非整次諧波、非周 期分量等），不利于保護(hù)的判斷，因此微機(jī)繼電保護(hù)裝置中必須有濾波算法消除這些分量的影響。 微機(jī)保護(hù)中通常采用傅立葉算法。通過3節(jié)仿真可知，三相變壓器空載合閘時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流 中含有大量高頻分量，二次諧波含量最多，而在短路電流中二次諧波含量很少，因此可以利用二 次諧波的含量來構(gòu)成制動(dòng)原理，其判據(jù)如下：錯(cuò)誤!未找到引用源。（2）式中錯(cuò)誤!未找到引用源。一表示差動(dòng)電流中的基波分量和二次諧波分量，狀!未找到引用縱2二次諧波制動(dòng)系數(shù)，由

13、變壓器實(shí)際決定，一般取15%20%。 差動(dòng)保護(hù)采用兩折線比率制動(dòng)特性的 差動(dòng)保護(hù)，其動(dòng)作方程可表示為：錯(cuò)誤!未找到引用源。(3)恰溟!未找到引用源.(4)式中錯(cuò)誤!未找到引用源。差動(dòng)電流i尸錯(cuò)誤!未找到引用源。；錯(cuò)誤!未找到引用源。/2； 錯(cuò)誤!未找到引用源。啟動(dòng)電流；錯(cuò)誤!未找到引用源。拐點(diǎn)電流；錯(cuò)誤!未找到引用源。分別為變壓器原邊、副邊繞組電流互感 器的二次電流帶比率制動(dòng)特性的差動(dòng)保護(hù)，引入外部短路電流作為制動(dòng)量，使差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作電流隨外部 短路電流增大而增大，提高差動(dòng)保護(hù)的可靠性。當(dāng)發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，制動(dòng)電流很小，差動(dòng)電流很 大，因此差動(dòng)保護(hù)具有很高的靈敏性。3.2.1區(qū)外故障及保護(hù)設(shè)置三

14、相故障2為三相短路，故障時(shí)間設(shè)置為0.10.2s,三相短路故障電流如圖5 (a)、(b) 所示，動(dòng)作信號如圖6所示。圖5區(qū)外故障時(shí)變壓器一、二次電流圖6區(qū)外故障時(shí)保護(hù)裝置動(dòng)作信號322區(qū)內(nèi)故障及保護(hù)設(shè)置三相故障1為三相短路，故障時(shí)間設(shè)置為0.10.2s,三相短路故障電流如圖7 (a)、(b)所示，動(dòng)作信號如圖8所示圖7區(qū)內(nèi)故障時(shí)變壓器一、二次電流圖8區(qū)內(nèi)故障時(shí)保護(hù)裝置動(dòng)作信號從圖7,圖8中仿真曲線可以看出，變壓差動(dòng)保護(hù)中，區(qū)外故障時(shí)，保護(hù)裝置不動(dòng)作，而區(qū)內(nèi) 故障時(shí)，保護(hù)裝置發(fā)出動(dòng)作信號，保護(hù)裝置動(dòng)作.此外，本文也對變壓器的過流保護(hù)、接地保護(hù)進(jìn)行了建模與仿真分析，仿真分析結(jié)果與理論吻 合，此處不

15、再贅述。4結(jié)論與展望不斷發(fā)展的電力系統(tǒng)對電力變壓器保護(hù)提出了更高的要求。微機(jī)保護(hù)和傳統(tǒng)的繼電保護(hù)相比, 具有較高的靈活性和可靠性，調(diào)試方便，同時(shí)還增加了故障錄波、故障測距、事件順序記錄、通 訊等附加功能，微機(jī)保護(hù)己經(jīng)成為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的發(fā)展方向。本文介紹了變壓器微機(jī)保護(hù)原 理及系統(tǒng)構(gòu)成，并運(yùn)用matlab/simulink軟件搭建了變壓器故障和保護(hù)的仿真模型，對變壓器各 種故障和保護(hù)進(jìn)行了深入的仿真分析，重點(diǎn)分析了作為變壓器主保護(hù)之一的差動(dòng)保護(hù)原理、影響 差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的主要原因和相應(yīng)的解決方法。同時(shí)也利用matlab/simulink仿真平臺，建立了 變壓器差動(dòng)保護(hù)、過流保護(hù)以及接地保護(hù)的故

16、障仿真模型，仿真結(jié)果證明了所建立的仿真模型的 正確性與有效性。參考文獻(xiàn)1王帥、卓俊帆、忖祖亮、張雙平幾種電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)算法淺析j.電氣開關(guān)，2010, 142方輝洋.電力系統(tǒng)變壓器微機(jī)保護(hù)的研究d：湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文.湖南：湖南大學(xué)，20093戴道勇電力變壓器微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的研究叨：安徽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.安徽：安徽理工大學(xué)，20084賀家李、李永麗、李斌、陳超英編著.屯力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理與實(shí)用技術(shù)m.北京：中國屯力出版社，2009.3363385烏云高娃.變壓器勵(lì)磁涌流的分析與控制研究叨：武漢大學(xué)博士生論文.武漢：武漢大學(xué)，2009 (4)6李鳳榮變壓器縱差動(dòng)保護(hù)及勵(lì)磁涌流識別技術(shù)的研究

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18、大學(xué)碩士學(xué)位論文.湖南：湖南大學(xué),201212張明君、王延平、梅彥平編著.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)m.北京：人民郵電出版社,2012 (6) .22422613國家電力調(diào)度通信中心編著.國家電網(wǎng)公司繼電保護(hù)培訓(xùn)教材m.北京：中國電力出版社,2009. 39039614馬永翔主編.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)m.第2版.北京：北京大學(xué)出版社，2013 (1).19319515周睿、王群京、李國麗.變壓器匝間短路研究分析j.科園.2012,414216許建安編著.電力系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)m.第二版.北京：中國水利水電出版社.2008.16817517李鑫蕊、楊第、梁雪編著.電力系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)m.北京：人民郵電出版社,2013 (10) . 170171abstract according to the principle of (ransformcr microcomputer protection, the differential relay principle is analyzed as one of the major transformer protections, and the unbalanced curr