電網(wǎng)方向性電流保護建模與仿真

1、19電網(wǎng)方向性電流保護的建模與仿真 1 緒論微機保護是用微型計算機構(gòu)成的繼電保護，是電力系統(tǒng)繼電保護的發(fā)展方向（現(xiàn)已基本實現(xiàn)，尚需發(fā)展），它具有高可靠性，高選擇性，高靈敏度。微機保護裝置硬件包括微處理器（單片機）為核心，配以輸入、輸出通道，人機接口和通訊接口等.該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力、石化、礦山冶煉、鐵路以及民用建筑等。微機的硬件是通用的，而保護的性能和功能是由軟件決定。微機保護裝置的數(shù)字核心一般由CPU、存儲器、定時器/計數(shù)器、Watchdog等組成。目前數(shù)字核心的主流為嵌入式微控制器（MCU），即通常所說的單片機;輸入輸出通道包括模擬量輸入通道（模擬量輸入變換回路（將CT、PT所測量的量轉(zhuǎn)換

2、成更低的適合內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換的電壓量，±2.5V、±5V或±10V）、低通濾波器及采樣、A/D轉(zhuǎn)換）和數(shù)字量輸入輸出通道（人機接口和各種告警信號、跳閘信號及電度脈沖等）。微機保護一般有進線保護、出線保護、母聯(lián)分段保護、進線或母聯(lián)備自投保護、廠用變壓器保護、高壓電動機保護、高壓電容器保護、高壓電抗器保護,差動保護,后備保護,PT測控裝置等。它的保護功能有定時限/反時限保護、后加速保護、過負(fù)荷保護、負(fù)序電流保護、零序電流保護、單相接地選線保護、過電壓保護、低電壓保護、失壓保護、負(fù)序電壓保護、風(fēng)冷控制保護、零序電壓保護、低周減載保護、低壓解列保護、重合閘保護、備自投保護、

3、過熱保護、過流保護、逆功率保護、差動保護、啟動時間過長保護、非電量保護等。微機保護可靠性高，靈活性大，動作迅速，易于獲得附加功能，維護調(diào)試方便，有利于實現(xiàn)電力自動化。2 輸電線路電流保護I段的整定計算電網(wǎng)發(fā)生短路時電流增加、電壓降低，繼電保護裝置就是主要利用電力系統(tǒng)中元件發(fā)生短路或異常情況時的電氣量的變化，構(gòu)成繼電保護動作的原理的，也有其他的物理量，繼電保護裝置一般都包括測量部分(和定值調(diào)整部分)、邏輯部分、執(zhí)行部分利用故障點的電流增加、電壓降低可構(gòu)成電流電壓保護，電流保護主要包括：無時限電流速斷保護，限時電流速斷保護和定時限過流保護（三段式電流保護）。電流速斷保護（電流保護I段）：根據(jù)繼電器

4、保護速動性的要求，保護裝置動作切除故障的時間，必須滿足穩(wěn)定和保證重要用戶供電的可靠性，原則上總是越快越好，因此力求裝設(shè)快速動作的繼電保護，電流速斷保護就是這樣的保護不可能保護線路的全長。2.1原始數(shù)據(jù)電源：| = | = 110 kV，電源和的相位差d = 60°，XGA = 18，XGB = 13；線路：線路阻抗ZAB = 0.4W/km，線路長度LAB = (60 ´ (1 + 9/27)km；故障點位置：距A母線(20 ´ (1 + 9/27)km處；速斷保護是按躲開本線路末端的最大整定電流來整定，即 式中：一段電流整定值：一段電流整定可靠系數(shù)：本線路末端短

5、路電流最大值設(shè)故障點為C點,則：2.2 I段整定計算一 對進行整定無時限電流速斷保護為了保證其保護的選擇性一般情況下只保護被保護線路的一部分。為保證選擇性，保護裝置1的啟動電流應(yīng)按躲開下一條線路出口處（B點短路時，通過保護的最大短路電流（最打運行方式下的三相短路電流）來整定。即：=其中=，輸電線路的額定線電壓。 （1）起動電流 （?。?）保護范圍（靈敏度）校驗按規(guī)定，在最小運行方式下，速斷按保護的范圍的相對值時，為合乎要求，即當(dāng)系統(tǒng)為最大運行方式三相短路時保護范圍最大，當(dāng)系統(tǒng)為最小運行方式兩相短路保護范圍最小，因此求保護范圍是考慮最小運行方式： =其中代人上式得保護范圍：=45.07km 則

6、=>15%滿足要求。 （3）動作時限t=0S二 對進行整定I段整定計算=其中=，輸電線路的額定線電壓。 (1)啟動電流為保證選擇性，保護裝置的啟動電流應(yīng)按躲開下一條線路出口處（點短路時，通過保護的最大短路電流（最打運行方式下的三相短路電流）來整定。 A（2）保護范圍（靈敏度）校驗按規(guī)定，在最小運行方式下，速斷按保護的范圍的相對值時，為合乎要求，即當(dāng)系統(tǒng)為最大運行方式三相短路時保護范圍最大，當(dāng)系統(tǒng)為最小運行方式兩相短路保護范圍最小，因此求保護范圍是考慮最小運行方式： =其中代人上式得保護范圍：= 則=>15%滿足要求。 （3）動作時限t=0S3 輸電線路電流保護I段的建模電力系統(tǒng)是由

7、發(fā)電廠、變電所、輸配線路直到用戶等在電氣上相互連接的一個整體，包括了從發(fā)電到輸電、配電直到用戶的全過程，整個電力系統(tǒng)組成了一個龐大且錯綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。本課題選擇110kV雙端電源供電系統(tǒng)作為仿真模型，原理圖如圖3-1，圖3-1 110kV雙端電源供電模型圖圖3-2為電力系統(tǒng)仿真模型，電源采用“Three-phase soure”模型，電源和電源電勢相差。圖3-2電力系統(tǒng)Simulink仿真模型 根據(jù)原理圖在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，為了后續(xù)的微機保護算法的仿真實現(xiàn)線路保護，運用傅里葉級數(shù)法，傅里葉級數(shù)算法（簡稱傅氏算法）的基本思路來自傅里葉級數(shù)，算法本身具有濾波作用。它假

8、定被采樣的模擬信號是一個周期性的時間函數(shù)，除基波外還含有不衰減的直流分量和各次諧波，可表示為 式中、分別為直流、基波和各次諧波的正弦項和余弦相得振幅，其中、。由于各次諧波的相位可能是任意值的，所以，把它們分解成有任意振幅的正弦項和余弦項之和。、分別為基波分量的正、余弦項的振幅，為直流分量的值。根據(jù)傅氏級數(shù)的原理，可以求出、分別為 傅里葉級數(shù)算法只需要求出求出、就可以求出基波電流的有效值，在MATLAB/Simulink中有單獨的快速傅里葉變換模塊，進行參數(shù)設(shè)置可以求出輸入信號基波的有效值和相角，采樣頻率為仿真步長時間，因此在傅里葉級數(shù)算法仿真模型（如圖3-3所示）。 圖3-3：傅里葉計數(shù)法電流

9、保護I段的模型4 方向性元件建模4.1 方向性元件建模 在如圖4-1所示的雙端電源系統(tǒng)中，系統(tǒng)的三段電流保護還應(yīng)該加上功率方向繼電器來判斷功率的方向，以保證斷路器在正方向故障時能夠可靠動作，而反方向故障時不動作。功率方向判斷一般采用90°接線法，即要對某一相進行功率方向的判斷時，應(yīng)采用該相的相電流和另外兩相間的線電壓進行比相，在此，比相的方法采用瞬時采樣正弦型比相判據(jù)算法，基本原理，并在MATLAB/Simulink中建立仿真模型，斷路器的a、b、c三相的功率方向判斷模塊如圖4-1所示，其中功率方向判斷結(jié)果中大于0表示正方向故障，可以動作，小于等于0表示反方向故障，斷路器應(yīng)該不動作。

10、電流速斷保護必須與斷路器的功率方向判斷一起使用，只有當(dāng)兩個條件即方向、電流都滿足的情況時斷路器才能動作。圖4-1方向性元件建模原理圖 現(xiàn)在將它們組合起來，加上適當(dāng)?shù)倪壿嫳容^判斷就可以構(gòu)成微機保護系統(tǒng)模型，通過該微機保護仿真系統(tǒng)可以仿真各種算法從而計算出電流的有效值，因此能夠更加明白算法的本質(zhì)，計算出電流有效值之后就能實現(xiàn)電力系統(tǒng)線路保護中的電流保護，在本仿真模型中能夠任意設(shè)置線路相間短路故障類型、設(shè)置選擇何種算法得到的跳閘信號動作與短路器等，以滿足仿真研究的需求。4.2. 輸電線路電流保護1.2的構(gòu)成如圖4-2為線路中保護1的構(gòu)成 圖4-2線路中保護1的構(gòu)成如圖4-3為線路中保護2的構(gòu)成 圖4

11、-3線路中保護2的構(gòu)成5 方向性電流保護進行仿真5.1 三相短路圖3-1 為系統(tǒng)電力系統(tǒng)，使用MATLAB/Simulink搭建的仿真模型?？梢酝ㄟ^設(shè)置不同故障點、不同故障類型來驗證搭建的模型的準(zhǔn)確性，以便對各種算法的性能分析。下面以k1點a、b、c三相相間相短路為例對仿真進行演示。故障點參數(shù)設(shè)置見圖5-1-1圖5-1-1 A.B.C三相短路5-1-2三相短路中電流5-1-3三相短路電壓5.2 兩相短路下面以k1點a、b兩相相間相短路為例對仿真進行演示。故障點參數(shù)設(shè)置見圖5-2-15-2-1A.B兩相短路5-2-2A.B兩相短路電流 5-2-3A.B兩相短路電壓5.3 兩相短路接地下面以k1點

12、a、b兩相相接地短路為例對仿真進行演示。故障點參數(shù)設(shè)置見圖5-3-15-3-1A.B兩相短路接地5-3-2A.B兩相短路接地電流5-3-3A.B兩相短路接地電壓5.4 單相短路接地下面以k1點b相接地短路為例對仿真進行演示。故障點參數(shù)設(shè)置見圖5-4-15-4-1B相短路接地5-4-2B相短路接地電流5-4-3B相短路接地電壓6 結(jié)論 本次課程設(shè)計是圍繞“電網(wǎng)方向性電流保護”這一課題展開的。在老師的悉心指導(dǎo)下，對所預(yù)想的問題都有較滿意的答案。課程設(shè)計之一實踐性環(huán)節(jié)培養(yǎng)了我們研究方案的能力，以及查閱文獻，軟件設(shè)計，系統(tǒng)仿真等對方面的能力。對本次設(shè)計總結(jié)如下：1 閱讀大量文獻資料且鞏固了繼電保護的知識，學(xué)習(xí)了方向性電流保護原理，加深了對線路繼電保護原理的了解。2 學(xué)習(xí)MATLAB語言的編輯基礎(chǔ)，了解其強大的矩陣運算特性。3 通過網(wǎng)絡(luò)資源，了解MATLAB仿真技術(shù)最