電網(wǎng)方向性電流保護(hù)建模與仿真

1、19電網(wǎng)方向性電流保護(hù)的建模與仿真 1 緒論微機(jī)保護(hù)是用微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成的繼電保護(hù)，是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的發(fā)展方向（現(xiàn)已基本實(shí)現(xiàn)，尚需發(fā)展），它具有高可靠性，高選擇性，高靈敏度。微機(jī)保護(hù)裝置硬件包括微處理器（單片機(jī)）為核心，配以輸入、輸出通道，人機(jī)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(jī)的硬件是通用的，而保護(hù)的性能和功能是由軟件決定。微機(jī)保護(hù)裝置的數(shù)字核心一般由CPU、存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)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(shuō)的單片機(jī);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(cè)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(jī)接口和各種告警信號(hào)、跳閘信號(hào)及電度脈沖等）。微機(jī)保護(hù)一般有進(jìn)線保護(hù)、出線保護(hù)、母聯(lián)分段保護(hù)、進(jìn)線或母聯(lián)備自投保護(hù)、廠用變壓器保護(hù)、高壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)、高壓電容器保護(hù)、高壓電抗器保護(hù),差動(dòng)保護(hù),后備保護(hù),PT測(cè)控裝置等。它的保護(hù)功能有定時(shí)限/反時(shí)限保護(hù)、后加速保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、負(fù)序電流保護(hù)、零序電流保護(hù)、單相接地選線保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、低電壓保護(hù)、失壓保護(hù)、負(fù)序電壓保護(hù)、風(fēng)冷控制保護(hù)、零序電壓保護(hù)、低周減載保護(hù)、低壓解列保護(hù)、重合閘保護(hù)、備自投保護(hù)、

3、過(guò)熱保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、逆功率保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)、非電量保護(hù)等。微機(jī)保護(hù)可靠性高，靈活性大，動(dòng)作迅速，易于獲得附加功能，維護(hù)調(diào)試方便，有利于實(shí)現(xiàn)電力自動(dòng)化。2 輸電線路電流保護(hù)I段的整定計(jì)算電網(wǎng)發(fā)生短路時(shí)電流增加、電壓降低，繼電保護(hù)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(shí)的電氣量的變化，構(gòu)成繼電保護(hù)動(dòng)作的原理的，也有其他的物理量，繼電保護(hù)裝置一般都包括測(cè)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(diǎn)的電流增加、電壓降低可構(gòu)成電流電壓保護(hù)，電流保護(hù)主要包括：無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)，限時(shí)電流速斷保護(hù)和定時(shí)限過(guò)流保護(hù)（三段式電流保護(hù)）。電流速斷保護(hù)（電流保護(hù)I段）：根據(jù)繼電器

4、保護(hù)速動(dòng)性的要求，保護(hù)裝置動(dòng)作切除故障的時(shí)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(dòng)作的繼電保護(hù)，電流速斷保護(hù)就是這樣的保護(hù)不可能保護(hù)線路的全長(zhǎng)。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(zhǎng)度LAB = (60 ´ (1 + 9/27)km；故障點(diǎn)位置：距A母線(20 ´ (1 + 9/27)km處；速斷保護(hù)是按躲開(kāi)本線路末端的最大整定電流來(lái)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(diǎn)為C點(diǎn),則：2.2 I段整定計(jì)算一 對(duì)進(jìn)行整定無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)為了保證其保護(hù)的選擇性一般情況下只保護(hù)被保護(hù)線路的一部分。為保證選擇性，保護(hù)裝置1的啟動(dòng)電流應(yīng)按躲開(kāi)下一條線路出口處（B點(diǎn)短路時(shí)，通過(guò)保護(hù)的最大短路電流（最打運(yùn)行方式下的三相短路電流）來(lái)整定。即：=其中=，輸電線路的額定線電壓。 （1）起動(dòng)電流 （?。?）保護(hù)范圍（靈敏度）校驗(yàn)按規(guī)定，在最小運(yùn)行方式下，速斷按保護(hù)的范圍的相對(duì)值時(shí)，為合乎要求，即當(dāng)系統(tǒng)為最大運(yùn)行方式三相短路時(shí)保護(hù)范圍最大，當(dāng)系統(tǒng)為最小運(yùn)行方式兩相短路保護(hù)范圍最小，因此求保護(hù)范圍是考慮最小運(yùn)行方式： =其中代人上式得保護(hù)范圍：=45.07km 則

6、=>15%滿足要求。 （3）動(dòng)作時(shí)限t=0S二 對(duì)進(jìn)行整定I段整定計(jì)算=其中=，輸電線路的額定線電壓。 (1)啟動(dòng)電流為保證選擇性，保護(hù)裝置的啟動(dòng)電流應(yīng)按躲開(kāi)下一條線路出口處（點(diǎn)短路時(shí)，通過(guò)保護(hù)的最大短路電流（最打運(yùn)行方式下的三相短路電流）來(lái)整定。 A（2）保護(hù)范圍（靈敏度）校驗(yàn)按規(guī)定，在最小運(yùn)行方式下，速斷按保護(hù)的范圍的相對(duì)值時(shí)，為合乎要求，即當(dāng)系統(tǒng)為最大運(yùn)行方式三相短路時(shí)保護(hù)范圍最大，當(dāng)系統(tǒng)為最小運(yùn)行方式兩相短路保護(hù)范圍最小，因此求保護(hù)范圍是考慮最小運(yùn)行方式： =其中代人上式得保護(hù)范圍：= 則=>15%滿足要求。 （3）動(dòng)作時(shí)限t=0S3 輸電線路電流保護(hù)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(gè)整體，包括了從發(fā)電到輸電、配電直到用戶的全過(guò)程，整個(gè)電力系統(tǒng)組成了一個(gè)龐大且錯(cuò)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(shì)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(jī)保護(hù)算法的仿真實(shí)現(xiàn)線路保護(hù)，運(yùn)用傅里葉級(jí)數(shù)法，傅里葉級(jí)數(shù)算法（簡(jiǎn)稱傅氏算法）的基本思路來(lái)自傅里葉級(jí)數(shù)，算法本身具有濾波作用。它假

8、定被采樣的模擬信號(hào)是一個(gè)周期性的時(shí)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(xiàng)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(xiàng)和余弦項(xiàng)之和。、分別為基波分量的正、余弦項(xiàng)的振幅，為直流分量的值。根據(jù)傅氏級(jí)數(shù)的原理，可以求出、分別為 傅里葉級(jí)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(dú)的快速傅里葉變換模塊，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置可以求出輸入信號(hào)基波的有效值和相角，采樣頻率為仿真步長(zhǎng)時(shí)間，因此在傅里葉級(jí)數(shù)算法仿真模型（如圖3-3所示）。 圖3-3：傅里葉計(jì)數(shù)法電流

9、保護(hù)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(hù)還應(yīng)該加上功率方向繼電器來(lái)判斷功率的方向，以保證斷路器在正方向故障時(shí)能夠可靠動(dòng)作，而反方向故障時(shí)不動(dòng)作。功率方向判斷一般采用90°接線法，即要對(duì)某一相進(jìn)行功率方向的判斷時(shí)，應(yīng)采用該相的相電流和另外兩相間的線電壓進(jìn)行比相，在此，比相的方法采用瞬時(shí)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(dòng)作，小于等于0表示反方向故障，斷路器應(yīng)該不動(dòng)作。

10、電流速斷保護(hù)必須與斷路器的功率方向判斷一起使用，只有當(dāng)兩個(gè)條件即方向、電流都滿足的情況時(shí)斷路器才能動(dòng)作。圖4-1方向性元件建模原理圖 現(xiàn)在將它們組合起來(lái)，加上適當(dāng)?shù)倪壿嫳容^判斷就可以構(gòu)成微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)模型，通過(guò)該微機(jī)保護(hù)仿真系統(tǒng)可以仿真各種算法從而計(jì)算出電流的有效值，因此能夠更加明白算法的本質(zhì)，計(jì)算出電流有效值之后就能實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)線路保護(hù)中的電流保護(hù)，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(hào)動(dòng)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(hù)1.2的構(gòu)成如圖4-2為線路中保護(hù)1的構(gòu)成 圖4-2線路中保護(hù)1的構(gòu)成如圖4-3為線路中保護(hù)2的構(gòu)成 圖4

11、-3線路中保護(hù)2的構(gòu)成5 方向性電流保護(hù)進(jìn)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。可以通過(guò)設(shè)置不同故障點(diǎn)、不同故障類型來(lái)驗(yàn)證搭建的模型的準(zhǔn)確性，以便對(duì)各種算法的性能分析。下面以k1點(diǎn)a、b、c三相相間相短路為例對(duì)仿真進(jìn)行演示。故障點(diǎn)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)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(diǎn)a、b兩相相間相短路為例對(duì)仿真進(jìn)行演示。故障點(diǎn)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)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(diǎn)

12、a、b兩相相接地短路為例對(duì)仿真進(jìn)行演示。故障點(diǎn)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)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(diǎn)b相接地短路為例對(duì)仿真進(jìn)行演示。故障點(diǎn)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)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(jì)是圍繞“電網(wǎng)方向性電流保護(hù)”這一課題展開(kāi)的。在老師的悉心指導(dǎo)下，對(duì)所預(yù)想的問(wèn)題都有較滿意的答案。課程設(shè)計(jì)之一實(shí)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(xiàn)，軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)仿真等對(duì)方面的能力。對(duì)本次設(shè)計(jì)總結(jié)如下：1 閱讀大量文獻(xiàn)資料且鞏固了繼電保護(hù)的知識(shí)，學(xué)習(xí)了方向性電流保護(hù)原理，加深了對(duì)線路繼電保護(hù)原理的了解。2 學(xué)習(xí)MATLAB語(yǔ)言的編輯基礎(chǔ)，了解其強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算特性。3 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)資源，了解MATLAB仿真技術(shù)最