1、微機保護(hù)算法綜合仿真習(xí)題

1、第一部分 微機保護(hù)算法綜合仿真方法第一節(jié) 概述我們在電力系統(tǒng)微機保護(hù)原理課程中已經(jīng)學(xué)習(xí)了數(shù)字濾波器和保護(hù)算法的設(shè)計方法。 但是，這些方法都是理論上的，而且往往都作了一些假設(shè)和簡化處理。例如，在設(shè)計 FIR 濾波器時采用某種窗函數(shù)對沖激響應(yīng) h（t 進(jìn)行截斷處理，在采用富氏算法時假設(shè)信號是周 期性的等等。這些理論上設(shè)計出來的濾波器和保護(hù)算法在電力系統(tǒng)各種復(fù)雜故障情況下， 尤其是在考慮電力系統(tǒng)故障暫態(tài)的情況下，其性能是否能滿足要求，還需要進(jìn)行更多更深 入的研究。由于不可能在真實的電力系統(tǒng)中去制造短路故障以考核所設(shè)計的濾波器和保護(hù)算法的 正確性和有效性，所以，通常的做法是首先進(jìn)行仿真研究，成功后再在

2、動模系統(tǒng)上進(jìn)行實 驗考核，考核通過后即可送國家質(zhì)量檢測中心進(jìn)行檢測?？梢姡抡嫜芯渴窃O(shè)計微機保護(hù) 必須進(jìn)行的重要工作之一。電力系統(tǒng)故障暫態(tài)仿真常用電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真程序 EMTP ）進(jìn)行。 EMTP 可用以 完成電力系統(tǒng)各種元件、線路故障的暫態(tài)仿真，應(yīng)用十分廣泛。但是，在需要對暫態(tài)故障 電流電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步研究分析時，往往需要借助其它分析軟件，而且很多時候還需要 對故障電流電壓數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使用上不是很方便。 而利用 MATLAB 軟件包進(jìn)行電 力系統(tǒng)故障仿真、數(shù)字濾波器設(shè)計及微機保護(hù)算法仿真則非常簡單。例如， MATLAB 6.5軟件包自帶電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真程序， 即電力系統(tǒng)工具

3、箱 SimPowerSystems， 利用它 完成電力系統(tǒng)故障暫態(tài)仿真后，進(jìn)行微機保護(hù)算法綜合仿真時可以直接調(diào)用暫態(tài)故障電流 電壓仿真數(shù)據(jù)。進(jìn)行電力系統(tǒng)故障暫態(tài)仿真和微機保護(hù)算法綜合仿真的方法和步驟如下：1）根據(jù)原始電力系統(tǒng)的接線與系統(tǒng)參數(shù)，建立電力系統(tǒng)故障暫態(tài)仿真模型。2）利用 MA TLAB 軟件包自帶的電力系統(tǒng)工具箱 SimPowerSystems完成電力系統(tǒng)故障 暫態(tài)仿真后，得到暫態(tài)故障電流電壓數(shù)據(jù)。3）編制微機保護(hù)數(shù)字濾波器和保護(hù)算法的綜合仿真程序，通過對暫態(tài)故障電流電壓 數(shù)據(jù)的濾波處理和保護(hù)算法運算，研究分析數(shù)字濾波器與保護(hù)算法的基本性能。第二節(jié) 電力系統(tǒng)工具箱設(shè)計基礎(chǔ)一、電力系統(tǒng)

4、工具箱概述電力系統(tǒng)工具箱是 MATLAB 環(huán)境下的電力系統(tǒng)仿真工具，其仿真文件類型為.mdl 。電力系統(tǒng)工具箱為用戶提供了很方便的圖形化功能模塊。功能模塊運行于MA TLAB 的Simulink模擬工具環(huán)境，可通過用鼠標(biāo)點擊、拖拽等簡單操作實現(xiàn)仿真功能模塊的選取、連接等功 能，使得用戶可以迅速方便地連接一個電力系統(tǒng)仿真模擬系統(tǒng)，從而簡化電力系統(tǒng)仿真模 擬設(shè)計流程，減輕設(shè)計負(fù)擔(dān)。電力系統(tǒng)工具箱的功能模塊庫包含了典型的電力系統(tǒng)仿真功能模塊，如電力變壓器、 輸電線路、發(fā)電機及各種電力電子元件等。用戶可利用圖形化功能模塊庫迅速完成自己的 電力系統(tǒng)故障暫態(tài)仿真工作。所有這些仿真功能模塊都帶有自己的幫助文

5、件，用以描述模 塊的功能、參數(shù)、屬性設(shè)置方法及基本使用方法。三、電力系統(tǒng)模塊庫的幾類基本模塊 下面以表格的形式給出了電力系統(tǒng)模塊庫中的模塊功能簡介，從而使用戶可以對電力 系統(tǒng)模塊庫的一些主要模塊有一個初步的認(rèn)識。如表1至表 9所示，這些表中的模塊名和模塊庫中的模塊圖標(biāo)下的名稱一致。表 1Electrical Sources Library Blocks 電源庫模塊）Block Name 模塊名）Purpose功能）AC Current Source實現(xiàn)一個正弦型電流源AC V oltage Source實現(xiàn)一個正弦型電壓源Controlled Current Source實現(xiàn)一個受控電流源Co

6、ntrolled V oltage Source實現(xiàn)一個受控電壓源DC Voltage Source實現(xiàn)一個直流電壓源表 2Power Electronics Library Blocks 電力電子庫模塊）Block Name 模塊名）Purpose功能）Diode實現(xiàn)一個二極管GTO實現(xiàn)一個門極可關(guān)斷的晶閘管Ideal Switch實現(xiàn)一個理想開關(guān)IGBT實現(xiàn)一個絕緣柵雙基極管MOSFET實現(xiàn)一個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管Thyristor實現(xiàn)一個晶閘管表 3Measurements Library Blocks 測量庫模塊）Block Name 模塊名）Purpose功能）Current M

7、easurement測量電路中的電流Impedance Measurement測量電路中的阻抗 頻率的函數(shù)）Multimeter測量電力系統(tǒng)組合模塊的電壓和電流Voltage Measurement測量電路中的電壓表 4Elements Library Blocks 元件庫模塊）Block Name 模塊名）Purpose實現(xiàn)一個三相雙繞組電力變壓器Three-Phase Tranformer（Three Winding實現(xiàn)一個三相三繞組電力變壓器表 5Machines Library Blocks 電機庫模塊）Block Name 模塊名）Purpose功能）Asynchronous Mac

8、hine動態(tài)三相異步電機 感應(yīng)電機）DC Machine他勵直流電機Excitation System勵磁系統(tǒng)Hydraulic Turbine and Governor水輪機和調(diào)速系統(tǒng)Permanent Magmet Synchronous Machine永磁同步電機Simplified Synchronous Machine簡化同步電機Steam Turbine and Governor汽輪機和調(diào)速系統(tǒng)Synchronous Machine動態(tài)三相凸極同步電機表 6Powerlib extras/Control Blocks Library Blocks 電力系統(tǒng)擴展 /控制模塊庫模塊）B

9、lock Name 模塊名）Purpose功能）PWM Generator脈寬調(diào)制脈沖發(fā)生器Synchronized 6-Pulse Generator同步 6脈沖發(fā)生器Synchronized 6-Pulse Generator同步 12脈沖發(fā)生器3-Phase Programmable Source三相信號源，Timer定時器表 7 Powerlib extras/Measurements Library Blocks 電力系統(tǒng)擴展 /測量庫模塊）Block Name 模塊名）Purpose3-Phase Sequence Analyzer測量三相信號的正序、負(fù)序和零序分量Three-Ph

10、ase V-I Measurement測量三相電壓和電流Total Harmonic Distortion測量總諧波失真度表 8 Powerlib extras/Three-Phase Blocks Library 電力系統(tǒng)擴展 / 三相模塊庫）Block Name 模塊名）Purpose功能）3-Phase Breaker實現(xiàn)電流過零時開斷的三相斷路器3-Phase Fault相間和接地短路故障模塊表 9Connectoes Library Blocks 連接器庫模塊）Block Name 模塊名）Purpose功能）Bus Bar母線Ground地Neutral中性點為了保存和觀察仿真結(jié)果

11、，還要用到 Simulink 的其他模塊，例如接收模塊 Sinks ）。單 擊命令窗口中的 Simulink 按鈕，打開 Simulink 的模塊庫瀏覽器。在模塊庫瀏覽器中選擇 Simu link 模塊類庫，再進(jìn)一步選擇接收模塊庫Sinks，可觀察到相應(yīng)的各個接收模塊。具體的接收模塊及其功能如表 10所示。表 10Simulink/Sinks 仿真 / 接收模塊）Block Name 模塊名）Purpose功能）Scope觀測器 示波器）XY GraphXY觀測器 示波器）Display輸入信號的數(shù)字顯示To File以行格式將時間和輸出值寫入指定的MAT文件To Workspace將輸出值寫

12、入 MATLAB 主工作區(qū)指定的數(shù)組或結(jié)構(gòu)第三節(jié) 電力系統(tǒng)故障暫態(tài)仿真本節(jié)在第二節(jié)基礎(chǔ)上，更深入地介紹利用電力系統(tǒng)工具箱建立電力系統(tǒng)仿真模型、在 Simulink 環(huán)境中進(jìn)行電力系統(tǒng)故障暫態(tài)仿真的方法，并給出一個具體的仿真算例。一、仿真模擬參數(shù)的設(shè)定1、Solver參數(shù)的設(shè)定Solver參數(shù)的設(shè)定是進(jìn)行仿真模擬工作前的準(zhǔn)備工作，如何設(shè)定參數(shù)是根據(jù)程序設(shè)計 時的需求而定的，以便 Simulink 發(fā)揮最好的效果。最基本的參數(shù)設(shè)定包括起始與終止模擬 的時間、模擬的步長大小與 Solver 的類別等。進(jìn)行參數(shù)設(shè)定可以在已建好的仿真模型窗口下選擇 Simulation/Simulation Param

13、eters，出現(xiàn)如圖 10所示的仿真參數(shù)對話框，其中的選項的意義如下：1） Apply ：用于修改參數(shù)后的確認(rèn)，表示將目前改變的參數(shù)設(shè)定用于接下來的仿真 。圖 10 仿真參數(shù) Solver ）設(shè)定對話框2）OK：確認(rèn)參數(shù)設(shè)置的相關(guān)操作，并關(guān)閉參數(shù)設(shè)置對話框。3） Cancel：取消參數(shù)設(shè)置的相關(guān)操作，并關(guān)閉參數(shù)設(shè)置對話框。4） Help ：顯示使用方法的說明。5） Simulation time：為仿真起止時間，不一定等于真正的時間，需要根據(jù)程序的大小與復(fù)雜程度而定。6） Solver options解法器選項）：包括許多選項，其中1）Variable-step可變步長）：能夠在仿真過程中自動

14、修改步長的大小stepsizes）以滿足容許誤差的設(shè)定與零跨越zero crossing）的需求，一般設(shè)定為 ode45，但當(dāng)模型沒有表示連續(xù)狀態(tài) Continuous state）時，就必須選 discrete。最大步長 Max step size ）的默認(rèn)值一般為 auto。2）Fixed- step固定步長）：固定步長的大小，不會自動修正步長以滿足容許誤差的設(shè)定與零跨越的 需求。其中解法器 Solver共有 ode5,ode4,ode3,ode2,ode1和 discrete六種解法可選，一般采用 od e4作為 Solver ，它等效于 ode45。另外 ode3等效于 ode23。3

15、）Output options：第一個選項為 Refineoutput ，其Refinefactor最大為 4，默認(rèn)值為 1，數(shù)值越大則輸出 越平滑。第二個選項為 Produceadditionaloutput ，設(shè)定其 Outputtimes 的數(shù)值與 Refinefactor 類 似，它能使輸出更平滑。第三個選項是 Producespecifieldonly ，只是在設(shè)定的 Outputtimes 中 產(chǎn)生輸出。2、工作空間 Workspace）參數(shù)的設(shè)定在 Workspace I/O 標(biāo)簽頁內(nèi)可以設(shè)定若干參數(shù)，如圖 11所示。該標(biāo)簽頁的主要目的是處理數(shù)據(jù)的輸入/輸出?？稍?Load fr

16、om workspace中設(shè)定兩個列向量的變量名稱，如圖11所示的 t,u ）。其中 t是時間，而 u則是對應(yīng)該時間的數(shù)據(jù)值。寫出的部分在 Save to woekspace中設(shè)定，可設(shè)定 4個變量，分別為 Time 、 States、 Output和Final state。圖 11 工作空間 Workspace）窗口設(shè)定 State后就可以從其他的地方讀取狀態(tài)值，或在得到穩(wěn)定狀態(tài)值時，將其保存起來 以備下次仿真時使用。只要在 Loadinitial 及Savefinal 中給定變量名稱，便可以在下次仿真時 通過調(diào)用這兩個變量來使用。 Limit data point to last可以限定存

17、取行數(shù)。 Decimation 為降頻的程度，降頻系數(shù)的默認(rèn)值為1，表示每一個點都返回狀態(tài)與輸出值；若設(shè)為 2，則會每隔 2個點返回狀態(tài)與輸出值，這些結(jié)果會保存起來3、診斷 Diagnostics ）參數(shù)的設(shè)定診斷 Diagnostics ）參數(shù)設(shè)定窗口如圖 12所示。它主要用于診斷模型是否精確、效果是 否很好，或者在發(fā)生某些事件時，設(shè)定應(yīng)采取的措施。圖 12中白色窗口欄內(nèi)為程序執(zhí)行時 可能遇到的情況，而 Action 為情況發(fā)生時應(yīng)執(zhí)行的操作，這可以由用戶選擇設(shè)定。 ConSistencychecking 用于 s函數(shù)與 SimulinkSolver連接后的功能驗證，有 none、 warn

18、ing 、 error三種選擇，一般都選擇 none，以免影響 執(zhí)行速度。如果選擇 warning或者 error， Simulink 會驗證輸出值、零跨越值、微分值和狀態(tài) 值是否正確。 Disable zero crossing detection是復(fù)選框，選中該復(fù)選框的目的是取消對零跨越的檢測。圖12 診斷 Diagnostics )參數(shù)設(shè)定窗口二、建立電力系統(tǒng)仿真模型1、原始系統(tǒng)參數(shù)及模型圖13給出了一個實際 500kV輸電線路模型， MN 為故障線路， NR為非故障線路。線路 參數(shù)為：正序阻抗：圖13 系統(tǒng)模型零序阻抗： )線路對地正序電容：線路對地零序電容：M 、 N側(cè)等值系統(tǒng)的參數(shù)

19、為：2、建立電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真模型 打開建立新模型窗口，將建立電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真模型所需的仿真模塊由模塊庫中拷貝 后粘貼到新模型窗口內(nèi)，再按圖 13所示的系統(tǒng)模型連接關(guān)系進(jìn)行連接。本系統(tǒng)模型較為簡單，在建立電力系統(tǒng)仿真模型時主要用到以下仿真模塊： 三相分布參數(shù)線路模塊： Elements Library Blocks/Distributed Parameter Line ； 三相等值系統(tǒng)模塊： 3-phase inductive source ；三相故障模塊： Powerlib_extras/Three-Phase Blocks Library/3-Phase Fault ； 三相電壓電流測量模塊

20、： Powerlib_extras/Measurements Library Blocks/Three-Phase V-I Measurement。為了完成微機保護(hù)數(shù)字濾波器與保護(hù)算法的綜合仿真，還需要將電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真得 到的暫態(tài)故障電流電壓數(shù)據(jù)輸出到文件保存，為此還需要用到 Simulink 模塊庫中的保存到 文件模塊 Simulink/Sinks/To File ）。將以上模塊由模塊庫瀏覽器中拖放到 “建立新模型 ”窗口中。新模型的缺省名為 untitled ，可保存為其他文件名。本例命名為 kk500kv.mdl 。下面分別介紹各模塊的參數(shù)設(shè)置及模塊的使用方式。 圖15 三相等值系統(tǒng)模

21、塊的參數(shù)設(shè)置窗口參數(shù)設(shè)置窗口中可設(shè)置電壓幅值、相位、頻率及等值系統(tǒng)阻抗 等值系統(tǒng)阻抗要求分別輸 入電阻值和電抗對應(yīng)的電感值）。2）分布參數(shù)線路模塊 分布參數(shù)線路模塊的外形如圖 14所示，其參數(shù)設(shè)置窗口如圖 17所示。 參數(shù)設(shè)置窗口中可設(shè)置相數(shù)、頻率、分布參數(shù)線路的分布參數(shù)單位線路長度的正序、零序電阻，單位線路長度的正序、零序電抗對應(yīng)的電感值，單位線路長度的正序、零序 電容值。）以及線路長度等參數(shù)。由于需要在仿真時改變 MN故障線路上故障點的距離，因此 MN線路用 2段分布參數(shù)線 路模塊來模擬， 2段分布參數(shù)線路長度之和應(yīng)為 MN 線路的長度。3）三相故障模塊三相故障模塊連接于 MN 故障線路上

22、，用于模擬各種不同類型的故障。三相故障模塊圖16 三相故障模塊內(nèi)部關(guān)系圖和內(nèi)部的連接關(guān)系如圖 16所示。參數(shù)設(shè)置窗口中可設(shè)置故障類型、相間故障過渡電阻圖17 分布參數(shù)線路模塊的參數(shù)設(shè)置窗口接地故障過渡電阻 。三相故障模塊內(nèi)部開關(guān)的分、合時間可以分別由外部Simulink 控制信號 外部控制模式）或內(nèi)部控制計時器 內(nèi)部控制模式）控制。三相故障模塊的內(nèi)部開關(guān) 可分別控制分、合以便模擬各種不同類型的相間故障或接地故障。當(dāng)三相故障模塊設(shè)置為外部控制模式時，模塊將顯示外部控制輸入端com。外部控制信號邏輯 0打開開關(guān)，外部控制信號邏輯 1閉合開關(guān)。當(dāng)三相故障模塊設(shè)置為內(nèi)部控制模式時， 開關(guān)時間與控制狀態(tài)

23、在參數(shù)設(shè)置窗口設(shè)置。參數(shù)設(shè)置窗口中可設(shè)置故障類型、相間故障過渡電阻 、接地故障過渡電阻 等參數(shù)。注意：缺省設(shè)置為金屬性短路， 、 的阻值為 0.001 仿真算法的要求，金屬性短路18所示時 、 的阻值不能為 0 ）。內(nèi)部控制模式時三相故障模塊的參數(shù)設(shè)置窗口如圖圖 18 三相故障模塊參數(shù)設(shè)置窗口 內(nèi)部控制模式） 4）三相電壓電流測量模塊0.1s開始故障， 0.2s結(jié)束故障。圖中將三相故障模塊設(shè)置三相接地短路、暫態(tài)仿真時間從三相電壓電流測量模塊的作用相當(dāng)于實際系統(tǒng)中的三相電壓、電流互感器的作用。三相電 壓電流測量模塊的外形如圖 14中左邊第二個模塊所示，其參數(shù)設(shè)置窗口如圖19所示。三相電壓電流測量

24、模塊的參數(shù)設(shè)置窗口中可設(shè)置輸出電壓電流的基準(zhǔn)值。當(dāng)設(shè)置輸出電壓 電流的基準(zhǔn)值后，輸出電壓電流就是標(biāo)么值，否則輸出電壓電流就是有名值。5）保存到文件模塊保存到文件模塊的外形如圖 14中右上角第一個模塊所示，其參數(shù)設(shè)置窗口如圖20 所示。Decimation 參數(shù)保存到文件模塊的參數(shù)設(shè)置窗口中可設(shè)置數(shù)據(jù)文件名、數(shù)據(jù)文件變量名。取值為 n時，數(shù)據(jù)文件中保存的采樣數(shù)據(jù)為實際采樣數(shù)據(jù)的1/n。采樣時間參數(shù)用于保證圖19 三相電壓電流測量模塊的參數(shù)設(shè)置窗口圖20 保存到文件模塊的參數(shù)設(shè)置窗口數(shù)據(jù)文件中保存的數(shù)據(jù)為給定的等間隔采樣值，其間隔為采樣時間參數(shù)確定的時間。圖 14 中保存到文件模塊與 Simuli

25、nk 中的 Mux 模塊配合工作。 Mux 模塊位于 Simulink/SignalRouting模塊庫中，用于將向量或標(biāo)量組合為大的向量。此處使用Mux 模塊是為了將仿真模型中的 MN線路與 NR線路兩端的三相電壓電流測量模塊輸出信號組合后保存于數(shù)據(jù)文件中 。組合順序為 MN線路的M端、 N端與NR線路的 N端、 R端的三相電壓與電流。 數(shù)據(jù)文件的數(shù)據(jù)按矩陣形式保存，文件格式為.mat。數(shù)據(jù)矩陣具有圖 21所示的形式。 t為采樣時刻；除第一行外，每一行都是一個輸入向量，每個輸入向量的采樣數(shù)據(jù)的個數(shù)為n個。圖21 數(shù)據(jù)矩陣的形式 6）電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真模型按照原始電力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置各模塊的參數(shù)并按

26、照原始電力系統(tǒng)模型接線關(guān)系對各模塊進(jìn)行 連接后，可以得到如圖 22所示的電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真模型圖。圖22 電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真模型 7）電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真模型的實際仿真三相故障模塊中的暫態(tài)仿真時間被設(shè)置為0.1s開始故障， 0.2s結(jié)束故障，因此在電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真模型窗口的 Simulink 菜單下的 SimulationParameters中可設(shè)置仿真開始時間為 0s，仿真結(jié)束時間為 0.2s，即 00.1s時間段為仿真系統(tǒng) 正常運行階段， 0.10.2s時間段為仿真系統(tǒng)故障階段。仿真操作既可在 MA TLAB 命令窗口中運行相應(yīng)的仿真命令完成，也可以直接在電力系統(tǒng)暫 態(tài)仿真模型窗口執(zhí)行 Simul

27、ation 菜單下的 Start命令完成。更簡單的方法是，在暫態(tài)仿真模型 窗口執(zhí)行工具條上的圖標(biāo) 完成電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真模型的仿真。第四節(jié) 微機保護(hù)算法綜合仿真本節(jié)利用第三節(jié)建立的電力系統(tǒng)仿真模型在 Simulink 環(huán)境中進(jìn)行電力系統(tǒng)故障暫態(tài)仿真所 產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件 kbc.mat 對微機保護(hù)算法進(jìn)行綜合仿真，用以分析微機保護(hù)數(shù)字濾波器及保 護(hù)算法的性能。算法綜合仿真的內(nèi)容包括：1）準(zhǔn)備仿真數(shù)據(jù)文件。使用的數(shù)據(jù)文件可以用MA TLAB 電力系統(tǒng)工具箱產(chǎn)生，也可以用EMTP 電力系統(tǒng)故障暫態(tài)仿真軟件或?qū)嶋H電力系統(tǒng)故障錄波的數(shù)據(jù)文件如果調(diào)用 EMTP 電力系統(tǒng)故障暫態(tài)仿真軟件或?qū)嶋H電力系統(tǒng)故障錄波的

28、數(shù)據(jù)文件，還需要對其進(jìn)行數(shù)據(jù)格式 轉(zhuǎn)換）。2）微機保護(hù)數(shù)字濾波器與保護(hù)算法編程。 3）調(diào)用電力系統(tǒng)故障暫態(tài)數(shù)據(jù)文件，對故障數(shù)據(jù)文件進(jìn)行數(shù)字濾波處理和保護(hù)算法 計算，并以圖形方式顯示數(shù)字濾波器和保護(hù)算法計算的結(jié)果。4）算法仿真結(jié)果的誤差分析和性能分析。、準(zhǔn)備仿真數(shù)據(jù)文件假定需要考察第三節(jié)建立的電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真模型中 MN 線路在距離 M 側(cè)42km處發(fā)生三相 短路故障時微機保護(hù)數(shù)字濾波和保護(hù)算法的性能，則分別設(shè)置模擬 MN 故障線路的兩段分 布參數(shù)線路模塊 L1 、L2的線路長度各為 42km 和300km兩段分布參數(shù)線路長度之和等于 MN 線路長度）。仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)文件名為kbc.mat，數(shù)據(jù)

29、文件用于保存數(shù)據(jù)的矩陣變量名為m，三相故障模塊被設(shè)置為三相短路故障，暫態(tài)仿真時間為0.1s開始故障， 0.2s結(jié)束故障，采樣時間即每工頻周期采樣 12 點）。完成電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真模型的實際仿真后，得到仿真數(shù)據(jù)文件 kbc.mat 。比如，要考察 MN 線路N端微機保護(hù)的數(shù)字濾波器及保護(hù)算法的性能，需要使用MN 故障線路N端的故障暫態(tài)電流電壓數(shù)據(jù)。根據(jù)保存到文件模塊中輸出向量的排列順序如圖 21所示）， MN故障線路 N端的故障暫態(tài)電壓數(shù)據(jù)排列在矩陣 m的第 8行a相電壓）、第 9行b相電 壓）和第 10行c相電壓），而 MN 故障線路 N端的故障暫態(tài)電流數(shù)據(jù)排列在矩陣m的第11行a相電流）、第

30、 12行b相電流）、第 13行c相電流）。這樣，可以編制 M文件 c8e1.m如圖 23所示）獲得相應(yīng)的故障暫態(tài)電壓電流數(shù)據(jù)，并繪制電壓電流波形圖如圖 24所示）。獲得并分析 M 端或非故障線路電壓電流數(shù)據(jù)的方法與此類似。圖23 M文件c8e1.m圖24 MN故障線路 N端電壓電流波形圖關(guān)于 M文件 c8e1.m的說明：第1行，清工作區(qū)；第 2行，讀取數(shù)據(jù)文件 kbc.mat，該文件中存放有保存電壓電流數(shù)據(jù)的矩陣變量m；第 3行，將矩陣 m轉(zhuǎn)置后，賦給矩陣 k，這樣， k矩陣的第 8列、第 9列和第 10列分別對應(yīng) 于MN故障線路 N端的電壓 va、 vb和vc， k矩陣的第 11列、第 12

31、列和第 13列分別對應(yīng)于 MN故 障線路 N端的電流 ia、ib 和ic。K矩陣的第一列為時間 即各采樣時刻）；第4行，將 k矩陣中的第 1列各行的采樣時刻值賦給數(shù)組 t。 t=k ：， 1）表示將 k矩陣中 第1列各元的值賦給數(shù)組 t，符號 “： ”表示從第 1行開始取值一直到第 n行；第 5行，將 k矩陣中的第 8列各行的采樣值賦給數(shù)組 va，即讀取 a相電壓；將 k矩陣中的第 9列各行的采樣值賦給數(shù)組 vb，即讀取 b相電壓；將 k矩陣中的第 10列各行的采樣值賦給數(shù)組 vc，即讀取 c相電壓；第 6行，將 k矩陣中的第 11列各行的采樣值賦給數(shù)組 ia，即讀取 a相電流；將 k矩陣中的

32、 第12 列各行的采樣值賦給數(shù)組 ib ，即讀取 b相電流；將 k 矩陣中的第 13列各行的采樣值賦給 數(shù)組 ic ，即讀取 c相電流；第7行，創(chuàng)建一個新的圖形窗口；第8行，將圖形窗口劃分為 2行1列的2塊區(qū)域即上下 2塊區(qū)域），取第一塊圖形區(qū)域 即上面的一塊圖形區(qū)域）；第9行，在第 8行創(chuàng)建的第一塊圖形區(qū)域內(nèi)分別繪制：a相電壓va實線）、 b相電壓vb虛線）、 c相電壓 vc 點劃線）；第 10行，在第 9行所繪制的圖形上加入： x軸的時間標(biāo)志及單位 t/ms、 y軸的電壓標(biāo)志及 單位 v/V 、繪出 va/vb/vc 的圖例；第11行，將圖形窗口劃分為 2行1列的2塊區(qū)域 即上下 2塊區(qū)域

33、），取第 2塊圖形區(qū)域 即下面的一塊圖形區(qū)域）；第 12行，在第 11行創(chuàng)建的第 2塊圖形區(qū)域內(nèi)分別繪制： a相電流 ia實線）、 b相電流 ib 虛線）、 c相電流 ic 點劃線）；第 13行，在第 12行所繪制的圖形上加入： x軸的時間標(biāo)志及單位 t/ms、 y軸的電流標(biāo)志 及單位 i/A 、繪出 ia/ib/ic 的圖例。二、微機保護(hù)數(shù)字濾波器仿真舉例以Tukey低通濾波器為例。1、 Tukey低通濾波器設(shè)計 Tukey低通濾波器具有較短的暫態(tài)時延，所以在微機距離保護(hù)中得到了應(yīng)用。其設(shè)計過 程如下：1）Tukey模擬低通濾波器的沖擊響應(yīng)為式中， 為截止頻率。2 ）將其離散化，有考慮計算方

34、便，取 ，有可得沖激響應(yīng)序列為3）于是，所設(shè)計的 Tukey 數(shù)字低通濾波器的差分方程為2、編程仿真Tukey 數(shù)字低通濾波器的仿真程序如下 。t=t0 。tmax=max(t 。 tmin=min(t 。6x y=size(k 。7T=0.02 。 N=round(x*T/(tmax-tmin 。8 m=k(:,8:13 。9 %Tukey 低通濾波器10a=1。b=0 1 3 4 3 1 0。 %可使用不同濾波器考察濾波效果11m=filter(b,a,m/4 。 % 實現(xiàn)差分方程輸出 12va=m(:,1 。 vb=m(:,2 。 vc=m(:,3 。13ia=m(:,4 。 ib=m(

35、:,5 。 ic=m(:,6 。figuresubplot(211 。plot(t,va, k ,t,vb,k:,t,vc,k-. 。xlable( t/ms 。 ylable( v/V 。legend(va,vb,vc。subplot(212 。plot(t,ia, k,t,ib, k:,t,ic,k-. 。xlable( t/ms 。 ylable( i/A 。 legend(ia,ib ,ic。圖25給出了前面例子中 N側(cè)電壓電流經(jīng) Tukey 低通濾波處理后的波形?？梢姡?jīng)過低通濾波 后， N側(cè)電壓電流信號中的高次諧波被濾掉了，與圖24比較波形平滑了許多。圖25 MN故障線路 N端電壓

36、電流經(jīng) Tukey低通濾波后的波形圖 關(guān)于 M文件 c8e2.m的說明： 第1行，清工作區(qū)。第2行，關(guān)閉所有窗口。第 3行，讀取數(shù)據(jù)文件 kbc.mat，該文件中存放有保存電壓電流數(shù)據(jù)的矩陣變量m。第 4行，將矩陣 m轉(zhuǎn)置后，賦給矩陣 k，這樣， k矩陣的第 8列、第 9列和第 10列分別對應(yīng) 于MN故障線路 N端的電壓 va、 vb和vc， k矩陣的第 11列、第 12列和第 13列分別對應(yīng)于 MN故 障線路 N端的電流 ia、ib 和ic。K矩陣的第一列為時間 即各采樣時刻)。第5行，將k矩陣中的第 1列各行的采樣時刻值賦給數(shù)組 t。 t0=k ：， 1)表示將 k矩陣中 第1列各元的值賦

37、給數(shù)組 t0，符號 “：”表示從第 1行開始取值一直到第 n行；該行還將數(shù)組 t中 各元素的最大值賦給 tmax，最小值賦給 tmin 。第6行，將 k矩陣的行數(shù)賦給 x，將 k矩陣的列數(shù)賦給 y。第8行，將 k矩陣的第 813列賦給新的矩陣 m。則m矩陣的第 1列為va，第2列為vb，第 3 列為 vc，第 4列為 ia，第 5列為 ib，第 6列為 ic。第10行，給 tukey低通濾波器的單位沖擊響應(yīng)系數(shù) b賦值 比實際值擴大了 4倍)。 第11行，將 m矩陣中每一列信號經(jīng) tukey低通濾波后 實際經(jīng)差分濾波)，輸出給新的 矩陣 m。因此，現(xiàn)在的矩陣 m的第 1列至第 6列分別為經(jīng)過濾

38、波后的 va,vb,vc,ia,ib,ic 。剩下的各行與 c8e1.m基本相同，不再說明。三、微機保護(hù)算法綜合仿真如果要考察第三節(jié)建立的電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真模型中 MN 故障線路 M端保護(hù)安裝出口近區(qū) 42km處兩相短路故障時微機保護(hù)算法的性能，則分別設(shè)置模擬MN 故障線路的兩段分布參數(shù)線路模塊 L1和L2的線路長度分別為 42km和300km兩段分布參數(shù)線路長度之和等于MN 故障線路的長度)。仿真數(shù)據(jù)文件名為kbc、數(shù)據(jù)文件變量名為 m，三相故障模塊被設(shè)置為 BC兩相短路故障，暫態(tài)仿真時間為0.1s開始故障， 0.2s結(jié)束故障，采樣時間間隔為，即每工頻周期采樣 12點 。 t=t0。 tmax

39、=max(t 。 tmin=min(t 。x y=size(k 。T=0.02 。 N=round(x*T/(tmax-tmin 。m=k(:,2:7 。va=m(:,1 。 vb=m(:,2 。 vc=m(:,3 。ia=m(:,4 。 ib=m(:,5 。 ic=m(:,6 。figuresubplot(221 。plot(t,va, k,t,vb,k:,t,vc,k-. 。 %繪制三相電壓波形圖14xlable( t/ms。ylable( v/V 。legend(va,vb,vc。%標(biāo)注橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)量綱及圖例15 subplot(223 。16 plot(t,ia,k,t,ib,k:,

40、t,ic,k-. 。%繪制三相電流波形圖17xlable(t/ms。ylable( i/A。legend(ia,ib,ic。%標(biāo)注橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)量綱及圖例i=(ib-ic 。 v=(vb-vc 。%Tukey 低通濾波a=1。b=0 1 3 4 3 1 0 。 %設(shè)置濾波器參數(shù)i1=filter(b,a,i/4 。 %實現(xiàn)差分方程輸出，使 BC 相間電流通過 Tukey低通濾波v1=filter(b,a,v/4 。 %實現(xiàn)差分方程輸出，使 BC相間電壓通過 Tukey低通濾波subplot(222 。plot(t,v, k,t,v1,k:。 %繪制濾波前和濾波后的 BC相間電壓波形圖25xla

41、ble( t/ms。ylable( v/V 。 legend(vbc,v1bc 。 %標(biāo)注橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)量綱及圖 例26 subplot(224 。27 plot(t,i, k,t,i1, k:。 %繪制濾波前和濾波后的 BC相間電流波形圖28xlable(t/ms。ylable( i/A。legend(ibc,i1bc。%標(biāo)注橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)量綱及圖例i=i1 。v=v1 。%R-L 模型算法a,b=size(i 。i1=0i(1:a-1 。i2=00i(1:a-2 。v1=0 v(1:a-1 。v2=00v(1:a-2 。r=(i-i1.*(v1+v2-(v+v1.*(i1-i2./(i-i

42、1.*(i1+i2-(i+i1.*(i1-i2 。x=pi*(v+v1.*(i1+i2-(i+i1.*(v1+v2./(i-i1.*(i1+i2-(i+i1.*(i1-i2/N%控制阻抗軌跡顯示范圍m=t,r,x 。t1=0.08 。t2=0.14。a1=t1*N/0.02 。 a2=t2*N/0.02 。m1=m(a1:a2,: 。t=m1(:,1 。r=m1(:,2 。 x=m1(:,3 。figuresubplot(221 。plot(t,r, k-o。ylabel( r(t 。subplot(223 。plot(t,x, k-o 。ylabel( r(t 。 xlabel( t/ms

43、。subplot(222 。plot(t,r, k-o。 ylabel( r(t 。axis(t1,t2,-15,20subplot(224 。plot(t,x, k-o 。ylabel( r(t 。 xlabel( t/ms 。axis(t1,t2,-10,40% R0=0.1273 /km,L0=0.9337mh/km 。% X0=2*pi*f*L0=0.293 /km,arctg(X0/R0=66.5 。% L=42km 。短路阻抗 Zk=(R0+jX0*42=5.35+j12.3 。figureL=342 。Xzd=0.8*342*0.293 。Rzd=0.8*342*0.1273 。

44、 %整定阻抗C=abs(Rzd+j*Xzd % 方向阻抗圓的直徑k=1:0.8*342 。x0=0.293*(k-1 。 r0=0.1273*(k-1 。plot(r0,x0, k 。axis square。 hold on 。tt=0:pi/100:2*pi 。rz=(Rzd/2+(C/2*cos(tt 。xz=(Xzd/2+(C/2*sin(tt 。plot(rz,xz, k 。%方向阻抗特性圓plot(r,x, k-o 。%短路阻抗軌跡axis(-0.9*Rzd,2*Rzd,-0.1*Xzd,1.1*Xzd 。ylabel( x(t 。 xlabel( r(t 。第二部分 微機保護(hù)綜合仿真習(xí)題一、對于圖 1所示的電力系統(tǒng)進(jìn)行 R-L 模型算法的仿真計算。1、原始系統(tǒng)參數(shù)及模型圖1給出了一個 500kV輸電線路模型， MN 為故障線路， NR為非故障線路。線路參數(shù)為：正序阻抗： )圖1 系統(tǒng)模型零序阻抗：）。線路對地正序電容： 。線路對地零序電容：M 、R側(cè)等值系統(tǒng)的