基于MATLAB的电力系统继电保护仿真研究

基于MATLAB的电力系统继电保护仿真研究

张启平

张启平

（南京国电南自电网自动化有限公司211106）

摘要：以MATLAB为基础的仿真技术能够完成电力体系继电保护的解析以及创设，笔者以电力体系的继电保护为中心环节，创建了体系仿真模型，并例举了电力体系故障、零序电流保护、变压器纵差保护等仿真案例的达成模式。在参考这部分仿真案例的同时，对仿真成果实施了深度剖析。

关键词：MATLAB；电力体系；继电保护；仿真研究

为了能够获得高特性的继电保护商品，通常要完成继电保护模拟实验，以往的继电保护试验多应用实体的物理模型，试验流程繁琐、成本居高不下，效果也不甚理想，其变通性不佳。电力体系继电保护数字仿真是运用电脑软件模拟电力体系故障产生后电气量的波动特性，模拟继电保护设备的处置以及动作的流程，有着稳定性强、成本低、能够反复试验、脱离环境约束、研发时间短等优势。透过对各类相异的继电保护技术的仿真，并辅以软件的协助，可以快速排查出设施运转时的故障并第一时间处理。而MATLAB为核心的电力体系继电保护仿真是其中使用频率较高的技术。

一、电力系统故障仿真

笔者使用双电源供应电能的体系模型，电压级别是220千伏，见下图：

图1电力体系故障模型

上图的模型显示：同步发电机电机的容量是500MV?A，电压是13.8千伏；频率是50赫兹；三相变压器的容量是500MV?A，D11/Yg线路接入模式，频率是50赫兹。150千米电线的正序阻抗是0.01165+j0.0008679欧姆/千米，对地电容是13.41×10-9F/km。电荷1的电压达到220千伏；有功负荷达到220×106/250W；无功负荷达到200W；负荷3显示电压值是220千伏；有功负荷达到220×106/250W；无功负荷达到200W；负荷四电压值达到13.8千伏；有功负荷达到220×106/250W；没有无功负荷。

在设计故障体系MATLAB仿真模型的过程中，透过故障模块能够设计三相短路、两相短路、两相短路接地、单相短路接地故障。笔者在此阐述单相接地短路故障，设计三相短路零件数据是A相接地短路，让仿真系统运转，获取电路单相接地短路电压和电流走向。

显然，0-0.03秒的范畴内，电力体系能够正常工作，三相电流和电压相对应；在0.03秒的阶段产生A相接地故障。A相电压趋近于无，B相以及C相电压也较低，因此流经A相的电流导致短路问题。三相电压流入后系统趋于平稳，并回到三相对称运转的态势。

以此类推，能够设计它类的短路故障，并测试出仿真图谱，并且能够测得仿真模型内的三相故障模块的电阻数据。透过观测相应的仿真图谱，解析接地电阻对电力体系的作用。

二、零序电流保护仿真

Simulink以及PSB模块库能够设计一套220千伏的单侧电源电能供应模型，模拟电力体系的接地故障。而且，构建零序电流保护以及单相重合闸为核心的仿真模型，透过这类模型能够便利的对各类接地电阻和电弧作用下的故障实施解析，并模仿电力设备动作。笔者在此阐述单相接地短路故障，把故障模块设计成A相接地短路，其仿真图见下图：

上图显示：在0.03秒的时间段中电路产生单相接地故障，A相电路产生剧烈波动，电压不稳定，继电设备动作后0.05秒保护端口跳闸，跳闸时间达到0.3秒的时候自行重合闸。因此，故障依然没有消除，保护仅用时0.01秒就下达了跳闸指令。其流程是跳闸—重合闸——第二次跳闸。

三、变压器纵差保护仿真

使用双面电能供应模型，电压级别达到735千伏/315千伏，变压器两端布置断路器。

通过仿真设计，三相电源端的电压达到735千伏，频率达到50赫兹；低压端电压达到315千伏，频率达到50赫兹。三相变压器SN数值是250MV?A，U1N/U2N数值是735千伏/315千伏，线路接入模式Y，d11。

在变压器纵差保护的MATLAB仿真模型内，使用故障模块能够模拟变压器区内外的任意故障。笔者在此阐述区内三相短路故障，应设计故障零件是A、B、C三相短路，短路点布置于靠里的方位，模拟变压器纵差保护内部三相故障，这种仿真模式的使用，能够获得电流、电压以及跳闸的简图，见下图：

上图显示：在0-0.03秒的时间段内，电路能够平稳运转，三相电流和电压对应。在0.03秒的时间段产生三相短路故障，三相电压降低，三相电流快速蹿升形成短路状态，三相电压与电流对应，表示三相短路是对称短路。在0.13秒的时间段内，变压器纵差保护动作，排除问题，电压是电源电压，电流值趋近于无。

四、事例阐述

（一）实验情况

电力体系位于一条长为33.6千米的电路开端处3千米的位置，并产生A相单相接地故障，为方便起见，仅进行距离保护。透过电脑模拟暂态运算参数，将参数传递给功率放大设备，以测试设备的“波形回放”技术重演故障产生过程。

（二）实验成果

21ms保护动作跳出故障相；1055ms时，重合闸解决重合故障。

（三）实验评价

保护动作无失误；参数波形较准确；打印的汇报与原始设置统一；表示测验参数是准确的。

运用暂态仿真来对故障进行判别，能够查验保护动作的可靠性及保护间的协调是否到位。

结束语：

综上，在MATLAB内，电力体系模型能够在Simulation的背景下完成构建，再利用MATLAB强大的工具箱，能够在电力体系的仿真过程中，得心应手地使用各类繁杂的管控模式。基于MATLAB的电力体系继电保护仿真技术是未来电力仿真领域的发展潮流。

参考文献

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