電力系統(tǒng)繼電保護仿真實驗指導書試用稿

1、實驗指導書張艷肖 編適用于12級電氣工程及其自動化專業(yè)西安交通大學城市學院二一五年三月目 錄第一部分MATLAB基礎(chǔ)- 3 - MATLAB簡介- 3 -1.2 MATLAB的基本界面- 3 -1.MATLAB的主窗口- 3 -1.2.2 MATLAB的主窗口- 3 -1.3 SIMULINK仿真工具簡介- 4 -SIMULINK的啟動- 4 -SIMULINK的庫瀏覽器說明- 5 -第二部分仿真實驗內(nèi)容- 6 -實驗一 電力系統(tǒng)故障- 6 -實驗二電流速斷保護- 9 -實驗三三段式電流保護- 13 -實驗四線路自動重合閘電流保護- 17 -第一部分MATLAB基礎(chǔ)1.1MATLAB簡介MAT

2、LAB是一種適用于工程應(yīng)用各領(lǐng)域分析設(shè)計與復雜計算的科學計算軟件，由美國Mathworks公司于1984年正式推出，1988年推出3.X(DOS)版本，1992年推出4.X(Windows)版本；1997年推出5.1(Windows)版本，2000年下半年，Mathworks公司推出了MATLAB6.0版本。隨著版本升級，內(nèi)容不斷的擴充，功能更加強大。MATLAB在國內(nèi)外的大學中，特別是數(shù)值計算應(yīng)用最廣的電氣信息類學科中，已成為每個學生都應(yīng)掌握的工具。1.2 MATLAB的基本界面MATLAB的主窗口1.啟動MATLAB啟動MATLAB的方法有很多，下面是最常用的方法。（1）雙擊系統(tǒng)桌面的MA

3、TLAB圖標；（2）從桌面“開始”“程序”“MATLAB”。啟動MATLAB后，如圖1-1所示。圖1-1 MATLAB桌面 1.2.2 MATLAB的主窗口MATLAB的主窗口包含有6個下拉菜單和10個功能按鈕，用來進行整體的環(huán)境參數(shù)的設(shè)置，如圖1-2所示。圖1-2 MATLAB的主窗口的菜單和功能按鈕1.3SIMULINK仿真工具簡介Simulink是Mathworks公司開發(fā)的MATLAB仿真工具之一，其主要功能是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真與分析。Simulink下有很多專用功能模塊，如航空航天模塊庫(Aerospace Blockset）、通信模塊庫(Communication Blocks

4、et)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊庫(Neural Network Blockset)、電力系統(tǒng)模塊庫(SimpowerSystems)等。其中電力系統(tǒng)模塊庫對用于電路、電力電子系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、電力傳輸?shù)冗^程的仿真分析。功能強大的SimpowerSystems和Simulink同時使用將使一些復雜的、非線性的系統(tǒng)建模與仿真變得非常容易。它包括7個子模塊庫：電源(Electriial Sources)子庫里有單/三相交流電壓源、單相電流源、直流電壓源、受控源等，元件子庫(Elements)有各種支路、負載和開關(guān)、變壓器等主要電力設(shè)備元件，附加子庫(Extra Library)漢納有各種附加的控制、測量模塊和特

5、殊變壓器等模塊，電機子庫(Machines)有異步、同步、控制等各種電機，測量子庫(Measurement)含有電壓電流和阻抗等測量元件，電力電子子庫(Power Electronics)里有Gto、IGBT、Mosfet、Thyristor各種電力電子元器件等。利用SIMULINK對系統(tǒng)進行仿真與分析, 在進入虛擬實驗環(huán)境后, 不需要書寫代碼, 只需使用鼠標拖動庫中的功能模塊并將它們連接起來, 按照實驗要求修改各元器件的參數(shù)。通過虛擬實驗環(huán)境建立實驗仿真電路模型, 可使一些枯燥的電路變得有趣味, 復雜的波形變得形象生動, 使得各種復雜的能量轉(zhuǎn)換過程比較直觀地呈現(xiàn)在學生面前。以下采用Matla

6、b 來仿真電力電子技術(shù)課程中的傳統(tǒng)實驗, 和傳統(tǒng)的硬件實驗對比, 此實驗方法有很大優(yōu)越性。在SIMULINK仿真環(huán)境下，運用Power System Blockset的各種元件模型建立電力電子電路的仿真模型，并對其進行仿真研究。1.3.1SIMULINK的啟動啟動SIMULINK有以下三種方法：（1） 在MATLAB的命令窗口中輸入“simulink”，按Enter鍵，就可以打開SIMULINK的庫瀏覽器，如圖1-3所示。圖1-3 SIMULINK的庫瀏覽器（2） 在MATLAB的工具欄中，單擊simulink按鈕，也可以可以打開SIMULINK的庫瀏覽器。（3） 單擊MATLAB的發(fā)布窗口中

7、simulink文件夾，單擊simulink按鈕，也可以可以打開SIMULINK的庫瀏覽器。1.3.2SIMULINK的庫瀏覽器說明在圖1-3的SIMULINK的庫瀏覽器中，在界面的上方是標題欄、菜單欄、常用按鈕及關(guān)鍵字填寫欄。在關(guān)鍵字填寫欄可以輸入要查找的模塊的關(guān)鍵字，按Enter鍵，就可以查找相應(yīng)功能模塊。SIMULINK提供了多個基本模塊庫，有Continuous（連續(xù)系統(tǒng)模塊庫）、Discret（離散系統(tǒng)模塊庫）、Functions&Tables（函數(shù)與表模塊庫）、Math（數(shù)學運算模塊庫）、Nonlinear（非線性系統(tǒng)模塊庫）、Signals&Systems（信號與

8、系統(tǒng)模塊庫）、Sinks（輸出模塊庫）、 Sources （輸入源模塊庫）、Subsystems（子系統(tǒng)模塊庫）、SimPowerSystems（電力系統(tǒng)模塊庫）等標準模塊庫。本實驗用到最多的就是SimPowerSystems（電力系統(tǒng)模塊庫），該工具箱包含有Electrical Sources（電源模塊庫）、Elements（元件模塊庫）、Power Electronics（電力電子器件模塊庫）、Machines（電動機模塊庫）、Connectors（連接器模塊庫）、Measurements（測量模塊庫）、Extras（附加模塊庫）和Demos（演示模塊庫）。第二部分仿真實驗內(nèi)容實驗一電力系

9、統(tǒng)故障一、實驗?zāi)康?.對電力系統(tǒng)中各種短路現(xiàn)象的認識2.掌握各種短路故障的電壓電流分布特點3.仿真波形分析二、實驗內(nèi)容電力系統(tǒng)中，大多數(shù)故障都是由于輸電線路短路引起的，在發(fā)生短路故障的情況下，電力系統(tǒng)從一種狀態(tài)劇烈變化到另一種狀態(tài)，產(chǎn)生復雜的暫態(tài)過程。各種類型的短路包括三相短路、兩相短路、兩相短路接地和單相接地短路。電力系統(tǒng)的運行經(jīng)驗表明，在各種類型的短路中，單相短路占大多數(shù)。發(fā)電機G：50MW，13.8kV，保持恒定，Y連接，變壓器T：13.8/220kV，線路L：100km，負荷：50MVA 仿真模型建立： 啟動MATLAB，進入SIMULINK后新建文檔，運用Power System中的

10、各種元件模型建立仿真模型，如圖1-1所示。雙擊各模塊，在出現(xiàn)的對話框內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。圖2-1 仿真模型2.仿真參數(shù)設(shè)計 （1）發(fā)電機參數(shù)設(shè)置發(fā)電機額定容量為500MVA，額定電壓為13.8KV，額定頻率為60HZ，Yg連接，其他值采用默認值。（2）三相負荷參數(shù)設(shè)置額定容量為50MVA。（3）三相變壓器參數(shù)設(shè)置額定頻率為50HZ，一次側(cè)電壓13.8KV，二次側(cè)電壓220KV，其他值采用默認值。（4）三相輸電線路參數(shù)設(shè)置線路長100KM。（5）故障模塊參數(shù)設(shè)置短路故障是用三相故障元件來模擬，故障時間段可通過Transition Times來設(shè)置，設(shè)置為。其余的短路故障模型可以通過修改三相故障模塊

11、的參數(shù)設(shè)置來實現(xiàn)，將在以下仿真過程中進行設(shè)置。 圖2-2 三相交流電源 圖2-3 三相負載圖2-4 測量元件 圖2-5 變壓器圖2-6輸電線路 圖2-7三相故障模塊三、實驗報告1.正常運行時，觀察并分析三相電壓、電流波形。2.單相接地短路故障分析將三相電路短路故障發(fā)生器中的“故障相選擇”選擇A相故障，并選擇故障相接地選項，故障時間設(shè)置為，觀察并分析A相接地短路故障點三相電壓、電流波形。同理，也可設(shè)置B或C相單相接地短路，觀察并分析故障點三相電壓、電流波形。 3.兩相短路接地故障分析將三相電路短路故障發(fā)生器中的“故障相選擇”選擇A相和B相故障，并選擇故障相接地選項，故障時間設(shè)置為，觀察并分析A相

12、和B相接地故障點三相電壓、電流波形。同理，也可設(shè)置B相和C相，C相和A相兩相接地短路，觀察并分析故障點三相電壓、電流波形，線路電壓、電流波形分析。4.兩相短路故障分析將三相電路短路故障發(fā)生器中的“故障相選擇”選擇A相和B相故障，故障時間設(shè)置為，觀察并分析A相和B相短路故障點三相電壓、電流波形。同理，也可設(shè)置B相和C相，C相和A相兩相短路，觀察并分析故障點三相電壓、電流波形，線路電壓、電流波形分析。5.三相短路接地故障分析將三相電路短路故障發(fā)生器中的“故障相選擇”的三相故障3個都選中，故障時間設(shè)置為，觀察并分析故障點三相電壓、電流波形。實驗二電流速斷保護一、實驗?zāi)康?.掌握電流速斷保護的工作原理

13、、整定計算、保護構(gòu)成和保護特點。2.掌握相間短路時，電流速斷保護的動作時間。二、實驗內(nèi)容電流保護原理：當線路發(fā)生故障時，線路中的電流會驟然增大，當電流大于保護的整定值時，電流保護動作切除故障，這種反映電流幅值升高而動作的保護裝置叫過電流保護。電流保護分為：電流速斷保護、限時電流速斷保護和定時限過電流保護，稱為電流三段式保護。對于單側(cè)電源供電線路，在每回線路的電源側(cè)均安裝有電流速斷保護。當輸電線路上發(fā)生短路時，動作電流按躲過被保護線路末端短路時的最大短路電流整定。使其保護范圍限制在被保護線路的內(nèi)部，保證了選擇性，可以瞬間切除故障。流過保護安裝地點的短路路電流：圖3-1 單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò) 以一個110

14、kV系統(tǒng)為例進行模型搭建。模型的基本元件有：電源、斷路器、三相負載、繼電器、三相負載、繼電器，以及用來仿真故障的三相故障模型，傅立葉元件、測量元件、示波器等。從SimPowersystem模塊庫中找出各模塊，組合連接。2.主要模塊參數(shù)設(shè)置及功能：（1）三相電源模塊模擬三相電源。線電壓設(shè)置為110kV；A相的相位角設(shè)置參數(shù)為0；頻率設(shè)置參數(shù)為50Hz，內(nèi)部連接方式設(shè)置為Yg，星形連接；電源的內(nèi)部電阻設(shè)置參數(shù)為3；電源內(nèi)部電感設(shè)置參數(shù)為4H。（2）斷路器模塊斷路器的起始狀態(tài)設(shè)置為closed，閉合狀態(tài)A、B、C開關(guān)不設(shè)置觸發(fā)，即前面不打勾；開、斷時間的外部控制需要用到，在前面打勾。（3）三相故障模

15、塊。此模塊是一個可以通過外部或內(nèi)部信號來控制開和閉合時間的三相斷路器，可以模擬相間和接地短路狀態(tài)。通過對參數(shù)的設(shè)置，可以選擇故障類型、控制信號、開關(guān)狀態(tài)等。設(shè)置起始狀態(tài)為閉合，故障時間為0.4。（4）傅立葉濾波模塊此模塊應(yīng)用全波傅立葉算法，用于提取幅值和相角。 （5）繼電器模塊 當輸入信號達到動作值時，開關(guān)斷開，輸出高電平信號1；當輸入值小于返回值時，開關(guān)關(guān)閉，輸出低電平信號0。（6）延時模塊 用于對輸入信號做相應(yīng)的延時處理。（7）邏輯非操作模塊 用于對輸入信號進行反處理。 （8）使能子系統(tǒng)模塊 當控制信號端輸入大于零時，輸入信號能夠輸出；當控制信號小于零時，輸入信號不能輸出，輸出端將保持輸出

16、不變。圖3-2 仿真模型圖3-3子系統(tǒng)仿真模型圖3-4 電壓源 圖3-5 斷路器圖3-6 三相負載 圖3-7 故障模塊圖3-8傅立葉模塊 圖3-9繼電器圖3-10延時模塊 圖3-11邏輯非模塊三、實驗報告系統(tǒng)模型，計算保護的整定值，整定各繼電器的參數(shù)。2.設(shè)置不同故障類型，分析波形，觀察保護動作情況。3.通過改變負載參數(shù)來模擬改變故障位置，分析波形，觀察保護動作情況。實驗三三段式電流保護一、實驗?zāi)康娜问诫娏鞅Ｗo的原理。及各段保護之間的配合。二、實驗內(nèi)容 電流保護分電流速斷保護（段保護），限時電流速斷保護（段保護）和過電流保護（段保護）。1.線路三段式電流保護模型可以分為以下4各部分：（1）電

17、流保護段：該子系統(tǒng)主要功能是：當線路在段范圍內(nèi)發(fā)生故障時，保護立即起動并切出故障，它只能保護本線路的一部分。它是經(jīng)過傅立葉模塊變換的電流與預先設(shè)置的繼電器電流相比較，若大于預置值則輸出1，反之輸出0，這個信號在經(jīng)過延時模塊，因為電流段是瞬時動作，所以延時時間很小，然后經(jīng)過保護出口將最終的信號輸出給斷路器的外部控制端。保護出口部分主要由非門、加法器和常數(shù)，使能子系統(tǒng)模塊構(gòu)成，其主要功能是將保護模塊的動作行為保持。（2）電流保護段：該子系統(tǒng)主要功能是：當線路在段范圍內(nèi)發(fā)生故障時，保護經(jīng)過一個動作延時啟動并切出故障，它能保護本線路的全長。其動作原理與電流段相同，只是延時時間不一樣，當滿足靈敏度的情況

18、下段的延遲時間是0.5S。（3）電流保護段：該子系統(tǒng)主要功能是：當線路在段范圍內(nèi)發(fā)生故障時，保護經(jīng)過一個動作延時啟動并切出故障，它不僅能保護本線路的全長，而且能保護下級相鄰線路的全長。其動作原理與電流保護段基本相同，也只是延遲時間設(shè)置不一樣。當滿足靈敏度的情況下，它的動作時間應(yīng)與下一保護的段相配合。（4）保護出口部分，該部分的功能就是將電流、和段的輸出信號相與。 模擬單側(cè)電源系統(tǒng)中，線路發(fā)生故障時保護的動作情況，在線路的不同位置模擬故障。圖4-1 仿真模塊圖4-2 subsystem子系統(tǒng)模塊圖4-3 subsystem1子系統(tǒng)模塊圖4-4 subsystem2子系統(tǒng)模塊2.該模型各個模塊參數(shù)

19、設(shè)置如下：（1）交流電壓源模擬一個單相電源模塊，通過設(shè)定該模塊參數(shù)來模擬單側(cè)電源系統(tǒng)。線電壓設(shè)置為110kV；相位角設(shè)置參數(shù)為0；頻率設(shè)置參數(shù)為50Hz。（2）斷路器模塊斷路器的起始狀態(tài)設(shè)置為closed，閉合狀態(tài)A、B、C開關(guān)不設(shè)置觸發(fā)，即前面不打勾；開、斷時間的外部控制需要用到，在前面打勾。（3）三相故障模塊。此模塊是一個可以通過外部或內(nèi)部信號來控制開和閉合時間的三相斷路器，可以模擬相間和接地短路狀態(tài)。通過對參數(shù)的設(shè)置，可以選擇故障類型、控制信號、開關(guān)狀態(tài)等。設(shè)置起始狀態(tài)為閉合，故障時間為0.4。（4）傅立葉濾波模塊此模塊應(yīng)用全波傅立葉算法，用于提取幅值和相角。 （5）繼電器模塊 當輸入信

20、號達到動作值時，開關(guān)斷開，輸出高電平信號1；當輸入值小于返回值時，開關(guān)關(guān)閉，輸出低電平信號0。 （6）延時模塊 用于對輸入信號做相應(yīng)的延時處理。（7）邏輯非操作模塊 用于對輸入信號進行反處理。 （8）使能子系統(tǒng)模塊 當控制信號端輸入大于零時，輸入信號能夠輸出；當控制信號小于零時，輸入信號不能輸出，輸出端將保持輸出不變。圖4-5 電壓源 圖4-6 斷路器圖4-7 負載 圖4-8 故障模塊圖4-9 傅立葉模塊 圖4-10 繼電器圖4-11 延時模塊 圖4-12 邏輯模塊三、實驗報告1.根據(jù)所給出的系統(tǒng)模型，計算保護的整定值，整定各繼電器的參數(shù)。2.根據(jù)線路三段式保護的原理以及各段保護之間的配合，通

21、過改變負載參數(shù)來模擬改變故障位置，分析波形，觀察各段保護動作情況。故障模塊參數(shù)來模擬故障類型，分析波形，觀察保護動作情況。實驗四線路自動重合閘電流保護一、實驗?zāi)康?.熟悉自動重合閘加速保護的接線原理。2.理解自動重合閘加速保護的組成、動作特性。2.掌握電流保護與自動重合閘之間的配合。二、實驗內(nèi)容重合閘保護是當線路上發(fā)生故障時，靠近電源側(cè)的保護首先動作使斷路器跳閘，而后在借助自動重合閘來糾正這種非選擇性動作。若發(fā)生的故障是瞬時性的，則重合成功，恢復供電；若故障是永久性的，保護再次動作使斷路器跳閘。圖5-1 仿真模塊圖5-2 子系統(tǒng)仿真模塊圖5-3重合閘模塊圖5-4重合閘后加速模塊1.保護模塊，模塊主要由傅立葉變換模塊、繼電器、延遲模塊，其主要功能是將傅立葉變換后的電流幅值與定值相比較，一旦大于定值，經(jīng)延時輸出為0。2.保護出口模塊，該模塊的