電力系統(tǒng)繼電保護(hù)仿真實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

第頁(yè)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書張艷肖編適用于12級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)西安交通大學(xué)城市學(xué)院二○一五年三月目錄\o"1-3"\h\z\u第一部分基礎(chǔ)419711160\h-3-1.1簡(jiǎn)介419711161\h-3-1.2的基本界面419711162\h-3-1.2.1的主窗口419711163\h-3-1.2.2的主窗口419711164\h-3-1.3仿真工具簡(jiǎn)介419711165\h-4-1.3.1的啟動(dòng)419711166\h-4-1.3.2的庫(kù)瀏覽器說(shuō)明419711167\h-5-第二部分仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容419711168\h-6-實(shí)驗(yàn)一電力系統(tǒng)故障419711169\h-6-實(shí)驗(yàn)二電流速斷保護(hù)419711170\h-9-實(shí)驗(yàn)三三段式電流保護(hù)419711171\h-13-實(shí)驗(yàn)四線路自動(dòng)重合閘電流保護(hù)419711172\h-17-第一部分基礎(chǔ)1.1簡(jiǎn)介是一種適用于工程應(yīng)用各領(lǐng)域分析設(shè)計(jì)及復(fù)雜計(jì)算的科學(xué)計(jì)算軟件，由美國(guó)公司于1984年正式推出，1988年推出3()版本，1992年推出4()版本；2019年推出5.1()版本，2000年下半年，公司推出了6.0版本。隨著版本升級(jí)，內(nèi)容不斷的擴(kuò)充，功能更加強(qiáng)大。在國(guó)內(nèi)外的大學(xué)中，特別是數(shù)值計(jì)算應(yīng)用最廣的電氣信息類學(xué)科中，已成為每個(gè)學(xué)生都應(yīng)掌握的工具。1.2的基本界面1.2.1的主窗口1.啟動(dòng)啟動(dòng)的方法有很多，下面是最常用的方法。（1）雙擊系統(tǒng)桌面的圖標(biāo)；（2）從桌面“開始”→“程序”→“”。啟動(dòng)后，如圖1-1所示。圖1-1桌面1.2.2的主窗口的主窗口包含有6個(gè)下拉菜單和10個(gè)功能按鈕，用來(lái)進(jìn)行整體的環(huán)境參數(shù)的設(shè)置，如圖1-2所示。圖1-2的主窗口的菜單和功能按鈕1.3仿真工具簡(jiǎn)介是公司開發(fā)的仿真工具之一，其主要功能是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真及分析。下有很多專用功能模塊，如航空航天模塊庫(kù)(）、通信模塊庫(kù)()、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊庫(kù)()、電力系統(tǒng)模塊庫(kù)()等。其中電力系統(tǒng)模塊庫(kù)對(duì)用于電路、電力電子系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、電力傳輸?shù)冗^(guò)程的仿真分析。功能強(qiáng)大的和同時(shí)使用將使一些復(fù)雜的、非線性的系統(tǒng)建模及仿真變得非常容易。它包括7個(gè)子模塊庫(kù)：電源()子庫(kù)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(kù)()有各種支路、負(fù)載和開關(guān)、變壓器等主要電力設(shè)備元件，附加子庫(kù)()漢納有各種附加的控制、測(cè)量模塊和特殊變壓器等模塊，電機(jī)子庫(kù)()有異步、同步、控制等各種電機(jī)，測(cè)量子庫(kù)()含有電壓電流和阻抗等測(cè)量元件，電力電子子庫(kù)()里有、、、各種電力電子元器件等。利用對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真及分析,在進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境后,不需要書寫代碼,只需使用鼠標(biāo)拖動(dòng)庫(kù)中的功能模塊并將它們連接起來(lái),按照實(shí)驗(yàn)要求修改各元器件的參數(shù)。通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境建立實(shí)驗(yàn)仿真電路模型,可使一些枯燥的電路變得有趣味,復(fù)雜的波形變得形象生動(dòng),使得各種復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程比較直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前。以下采用來(lái)仿真電力電子技術(shù)課程中的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn),和傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)對(duì)比,此實(shí)驗(yàn)方法有很大優(yōu)越性。在仿真環(huán)境下，運(yùn)用的各種元件模型建立電力電子電路的仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真研究。1.3.1的啟動(dòng)啟動(dòng)有以下三種方法：在的命令窗口中輸入“”，按鍵，就可以打開的庫(kù)瀏覽器，如圖1-3所示。圖1-3的庫(kù)瀏覽器在的工具欄中，單擊按鈕，也可以可以打開的庫(kù)瀏覽器。單擊的發(fā)布窗口中文件夾，單擊按鈕，也可以可以打開的庫(kù)瀏覽器。1.3.2的庫(kù)瀏覽器說(shuō)明在圖1-3的的庫(kù)瀏覽器中，在界面的上方是標(biāo)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，按鍵，就可以查找相應(yīng)功能模塊。提供了多個(gè)基本模塊庫(kù)，有（連續(xù)系統(tǒng)模塊庫(kù)）、（離散系統(tǒng)模塊庫(kù)）、（函數(shù)及表模塊庫(kù)）、（數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊庫(kù)）、（非線性系統(tǒng)模塊庫(kù)）、（信號(hào)及系統(tǒng)模塊庫(kù)）、（輸出模塊庫(kù)）、（輸入源模塊庫(kù)）、（子系統(tǒng)模塊庫(kù)）、（電力系統(tǒng)模塊庫(kù)）等標(biāo)準(zhǔn)模塊庫(kù)。本實(shí)驗(yàn)用到最多的就是（電力系統(tǒng)模塊庫(kù)），該工具箱包含有（電源模塊庫(kù)）、（元件模塊庫(kù)）、（電力電子器件模塊庫(kù)）、（電動(dòng)機(jī)模塊庫(kù)）、（連接器模塊庫(kù)）、（測(cè)量模塊庫(kù)）、（附加模塊庫(kù)）和（演示模塊庫(kù)）。第二部分仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)一電力系統(tǒng)故障一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.對(duì)電力系統(tǒng)中各種短路現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)2.掌握各種短路故障的電壓電流分布特點(diǎn)3.仿真波形分析二、實(shí)驗(yàn)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(fù)雜的暫態(tài)過(guò)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在各種類型的短路中，單相短路占大多數(shù)。1.模型的建立發(fā)電機(jī)G：50，13.8，保持恒定，Y連接，變壓器T：13.8/220，線路L：100，負(fù)荷：50仿真模型建立：?jiǎn)?dòng)，進(jìn)入后新建文檔，運(yùn)用中的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(duì)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(jì)（1）發(fā)電機(jī)參數(shù)設(shè)置發(fā)電機(jī)額定容量為500，額定電壓為13.8，額定頻率為60，連接，其他值采用默認(rèn)值。（2）三相負(fù)荷參數(shù)設(shè)置額定容量為50。（3）三相變壓器參數(shù)設(shè)置額定頻率為50，一次側(cè)電壓13.8，二次側(cè)電壓220，其他值采用默認(rèn)值。（4）三相輸電線路參數(shù)設(shè)置線路長(zhǎng)100。（5）故障模塊參數(shù)設(shè)置短路故障是用三相故障元件來(lái)模擬，故障時(shí)間段可通過(guò)來(lái)設(shè)置，設(shè)置為0.06～0.12S。其余的短路故障模型可以通過(guò)修改三相故障模塊的參數(shù)設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)，將在以下仿真過(guò)程中進(jìn)行設(shè)置。圖2-2三相交流電源圖2-3三相負(fù)載圖2-4測(cè)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(shí)驗(yàn)報(bào)告1.正常運(yùn)行時(shí)，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(xiàng)，故障時(shí)間設(shè)置為0.06～0.12S，觀察并分析A相接地短路故障點(diǎn)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(diǎn)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(xiàng)，故障時(shí)間設(shè)置為0.06～0.12S，觀察并分析A相和B相接地故障點(diǎn)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(diǎn)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(shí)間設(shè)置為0.06～0.12S，觀察并分析A相和B相短路故障點(diǎn)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(diǎn)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(gè)都選中，故障時(shí)間設(shè)置為0.06～0.12S，觀察并分析故障點(diǎn)三相電壓、電流波形。實(shí)驗(yàn)二電流速斷保護(hù)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握電流速斷保護(hù)的工作原理、整定計(jì)算、保護(hù)構(gòu)成和保護(hù)特點(diǎn)。2.掌握相間短路時(shí)，電流速斷保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容電流保護(hù)原理：當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，線路中的電流會(huì)驟然增大，當(dāng)電流大于保護(hù)的整定值時(shí)，電流保護(hù)動(dòng)作切除故障，這種反映電流幅值升高而動(dòng)作的保護(hù)裝置叫過(guò)電流保護(hù)。電流保護(hù)分為：電流速斷保護(hù)、限時(shí)電流速斷保護(hù)和定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)，稱為電流三段式保護(hù)。對(duì)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(hù)。當(dāng)輸電線路上發(fā)生短路時(shí)，動(dòng)作電流按躲過(guò)被保護(hù)線路末端短路時(shí)的最大短路電流整定。使其保護(hù)范圍限制在被保護(hù)線路的內(nèi)部，保證了選擇性，可以瞬間切除故障。流過(guò)保護(hù)安裝地點(diǎn)的短路路電流：1.仿真模型的建立圖3-1單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)以一個(gè)110系統(tǒng)為例進(jìn)行模型搭建。模型的基本元件有：電源、斷路器、三相負(fù)載、繼電器、三相負(fù)載、繼電器，以及用來(lái)仿真故障的三相故障模型，傅立葉元件、測(cè)量元件、示波器等。從模塊庫(kù)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110；A相的相位角設(shè)置參數(shù)為0；頻率設(shè)置參數(shù)為50，內(nèi)部連接方式設(shè)置為，星形連接；電源的內(nèi)部電阻設(shè)置參數(shù)為3Ω；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，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(shí)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(gè)可以通過(guò)外部或內(nèi)部信號(hào)來(lái)控制開和閉合時(shí)間的三相斷路器，可以模擬相間和接地短路狀態(tài)。通過(guò)對(duì)參數(shù)的設(shè)置，可以選擇故障類型、控制信號(hào)、開關(guān)狀態(tài)等。設(shè)置起始狀態(tài)為閉合，故障時(shí)間為0.4～0.8S。（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(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到動(dòng)作值時(shí)，開關(guān)斷開，輸出高電平信號(hào)1；當(dāng)輸入值小于返回值時(shí)，開關(guān)關(guān)閉，輸出低電平信號(hào)0。（6）延時(shí)模塊用于對(duì)輸入信號(hào)做相應(yīng)的延時(shí)處理。（7）邏輯非操作模塊用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行反處理。（8）使能子系統(tǒng)模塊當(dāng)控制信號(hào)端輸入大于零時(shí)，輸入信號(hào)能夠輸出；當(dāng)控制信號(hào)小于零時(shí)，輸入信號(hào)不能輸出，輸出端將保持輸出不變。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(fù)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(shí)模塊圖3-11邏輯非模塊三、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.根據(jù)所給出的系統(tǒng)模型，計(jì)算保護(hù)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(hù)動(dòng)作情況。3.通過(guò)改變負(fù)載參數(shù)來(lái)模擬改變故障位置，分析波形，觀察保護(hù)動(dòng)作情況。實(shí)驗(yàn)三三段式電流保護(hù)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.加深了解三段式電流保護(hù)的原理。2.掌握三段式電流保護(hù)的參數(shù)整定及各段保護(hù)之間的配合。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容電流保護(hù)分電流速斷保護(hù)（Ⅰ段保護(hù)），限時(shí)電流速斷保護(hù)（Ⅱ段保護(hù)）和過(guò)電流保護(hù)（Ⅲ段保護(hù)）。1.線路三段式電流保護(hù)模型可以分為以下4各部分：（1）電流保護(hù)Ⅰ段：該子系統(tǒng)主要功能是：當(dāng)線路在Ⅰ段范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)立即起動(dòng)并切出故障，它只能保護(hù)本線路的一部分。它是經(jīng)過(guò)傅立葉模塊變換的電流及預(yù)先設(shè)置的繼電器電流相比較，若大于預(yù)置值則輸出1，反之輸出0，這個(gè)信號(hào)在經(jīng)過(guò)延時(shí)模塊，因?yàn)殡娏鳍穸问撬矔r(shí)動(dòng)作，所以延時(shí)時(shí)間很小，然后經(jīng)過(guò)保護(hù)出口將最終的信號(hào)輸出給斷路器的外部控制端。保護(hù)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(hù)模塊的動(dòng)作行為保持。（2）電流保護(hù)Ⅱ段：該子系統(tǒng)主要功能是：當(dāng)線路在Ⅱ段范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)經(jīng)過(guò)一個(gè)動(dòng)作延時(shí)啟動(dòng)并切出故障，它能保護(hù)本線路的全長(zhǎng)。其動(dòng)作原理及電流Ⅰ段相同，只是延時(shí)時(shí)間不一樣，當(dāng)滿足靈敏度的情況下Ⅱ段的延遲時(shí)間是0.5S。（3）電流保護(hù)Ⅲ段：該子系統(tǒng)主要功能是：當(dāng)線路在Ⅲ段范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)經(jīng)過(guò)一個(gè)動(dòng)作延時(shí)啟動(dòng)并切出故障，它不僅能保護(hù)本線路的全長(zhǎng)，而且能保護(hù)下級(jí)相鄰線路的全長(zhǎng)。其動(dòng)作原理及電流保護(hù)Ⅰ段基本相同，也只是延遲時(shí)間設(shè)置不一樣。當(dāng)滿足靈敏度的情況下，它的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)及下一保護(hù)的Ⅲ段相配合。（4）保護(hù)出口部分，該部分的功能就是將電流Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ段的輸出信號(hào)相及。模擬單側(cè)電源系統(tǒng)中，線路發(fā)生故障時(shí)保護(hù)的動(dòng)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子系統(tǒng)模塊圖4-31子系統(tǒng)模塊圖4-42子系統(tǒng)模塊2.該模型各個(gè)模塊參數(shù)設(shè)置如下：（1）交流電壓源模擬一個(gè)單相電源模塊，通過(guò)設(shè)定該模塊參數(shù)來(lái)模擬單側(cè)電源系統(tǒng)。線電壓設(shè)置為110；相位角設(shè)置參數(shù)為0；頻率設(shè)置參數(shù)為50。（2）斷路器模塊斷路器的起始狀態(tài)設(shè)置為，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(shí)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(gè)可以通過(guò)外部或內(nèi)部信號(hào)來(lái)控制開和閉合時(shí)間的三相斷路器，可以模擬相間和接地短路狀態(tài)。通過(guò)對(duì)參數(shù)的設(shè)置，可以選擇故障類型、控制信號(hào)、開關(guān)狀態(tài)等。設(shè)置起始狀態(tài)為閉合，故障時(shí)間為0.4～0.8S。（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(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到動(dòng)作值時(shí)，開關(guān)斷開，輸出高電平信號(hào)1；當(dāng)輸入值小于返回值時(shí)，開關(guān)關(guān)閉，輸出低電平信號(hào)0。（6）延時(shí)模塊用于對(duì)輸入信號(hào)做相應(yīng)的延時(shí)處理。（7）邏輯非操作模塊用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行反處理。（8）使能子系統(tǒng)模塊當(dāng)控制信號(hào)端輸入大于零時(shí)，輸入信號(hào)能夠輸出；當(dāng)控制信號(hào)小于零時(shí)，輸入信號(hào)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(fù)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(shí)模塊圖4-12邏輯模塊三、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.根據(jù)所給出的系統(tǒng)模型，計(jì)算保護(hù)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(hù)的原理以及各段保護(hù)之間的配合，通過(guò)改變負(fù)載參數(shù)來(lái)模擬改變故障位置，分析波形，觀察各段保護(hù)動(dòng)作情況。3.通過(guò)改變故障模塊參數(shù)來(lái)模擬故障類型，分析波形，觀察保護(hù)動(dòng)作情況。實(shí)驗(yàn)四線路自動(dòng)重合閘電流保護(hù)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.熟悉自動(dòng)重合閘加速保護(hù)的接線原理。2.理解自動(dòng)重合閘加速保護(hù)的組成、動(dòng)作特性。2.掌握電流保護(hù)及自動(dòng)重合閘之間的配合。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重合閘保護(hù)是當(dāng)線路上發(fā)生故障時(shí)，靠近電源側(cè)的保護(hù)首先動(dòng)作使斷路器跳閘，而后在借助自動(dòng)重合閘來(lái)糾正這種非選擇性動(dòng)作。若發(fā)生的故障是瞬時(shí)性的，則重合成功，恢復(fù)供電；若故障是永久性的，保護(hù)再次動(dòng)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(hù)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及定值相比較，一旦大于定值，經(jīng)延時(shí)輸出為0。2.保護(hù)出口模塊，該模塊的主要功能是將保護(hù)模塊的動(dòng)作行為保持，主要由非門、加法器和常數(shù)、使能子系統(tǒng)模塊構(gòu)成。如保護(hù)模塊中延遲模塊的輸出為0，則經(jīng)非門在及常數(shù)-0.5相加后，可使保護(hù)出口模塊使能端輸出為1，保護(hù)出口模塊輸出為