汪_辉煌
范文一：自适应微机继电保护的matlab仿真实现
自适应微机继电保护的 matlab 仿真实现
摘要:自从微型计算机引入继电保护以后,继电保护技术取 得了明显的进步,特别是微机保护在利用故障分量方面。自 适应控制理论与继电保护结合而产生的自适应微机保护使 得变电站和发电厂的集成控制和综合自动化得以比较容易 实现。本文采用自适应继电保护的原理,利用 matlab 进行 10kV 配电系统模型的搭建,对系统在短路时的三段自适应 保护进行仿真模拟。
关键词:自适应,微机继电保护,三段保护
一 . 自适应控制原理在微机继电保护中的引入
自适应保护是一种保护理论, 根据这种理论, 可以使各种保护功 能更适应即时的电力系统工况。 能够根据电力系统运行方式和故障状 态的变化而实时改变保护性能、特性或定值的保护。
传统的继电保护也力图适应系统运行方式的变化和故障状态, 如电流的速断保护整定时, 按系统最大运行方式下线路末端发生三相 短路考虑, 能保证所有可能的正常和故障状态下保护不会误切被保护 的线路,但按该方法设定的定值,在其它运行方式下不是最佳的,而 且在最小运行方式或最不利的短路条件下, 保护可能失效或性能严重 变差。 同时电流保护中的反时限特性、 差动保护中的制动特性等也是 自适应性能的体现, 在继电保护进入微机时代后, 这些特性能够更好 的得以应用, 更值得说明的是, 微机具有极强的运算能力和数据处理 能力, 这就为继电保护的实时性、 可靠性和快速性的实现提供了极为 有利的条件。
传统的电流速断装置是在离线状态下, 假定工作在最大运行方式 下进行计算整定的, 随着电力系统的不断发展, 电网结构越来越复杂, 其规模也越来越大, 而且处在不断地变化之中, 使传统的继电保护的 速断保护显得力不从心, 本文所模拟的配电系统微机三段保护能够很 好的体现不同工况的自适应性, 即实时的判断故障类型, 系统的运行 方式以及系统等效阻抗等,使整定值更准确,判断的可靠性更高。
二 . 自适应微机继电保护电流速断的推导与整定
电流速断是一种有效的辅助性保护,由于它不带时限动作,因此从保护 选择性出发,电流速断的定值应该躲开最大运行方式时,下一条线路出口三 相短路时流过保护的电流 max F I
L s k F k DZ Z Z E k I k I +=min max (1) 式中:
DZ I 为电流速断的整定值;
E 为系统等效电源的相电势; min s Z 为保护装置到系统等效电源之间的最小阻抗
L Z 为被保护线路的阻抗;
k k 为可靠系数, 3. 1~2. 1=k k ; 实践上短路电流的大小与系统运行方式、短路类型和短路点在线路上的 位置有关。
设在线路 L Z α处短路,则短路电流为:
L s d F Z Z E k I α+= (2) 式中:
s Z 为保护装设处到系统等效电源之间的实际阻抗; d k 为故障类型系数。
当上述两式相等,即可求出在实际运行方式下电流速断的保护范围 α:
L
k s k L s d Z k Z k Z Z k -+=) (min α (3) 由于 k k >1, 1≤d k , s Z >min s Z ,因此实际保护的范围 α总小于最 大运行方式下的保护范围,且保护范围将随 d k 变小和 s Z 增大而缩短。由此 可以得出保护范围等于零的条件为:
) (min L s k
d s Z Z k k Z += (4) 为克服传统电流速断保护的缺陷,自适应电流速断保护的定值应随 系统运行方式和短路类型的实际情况而改变,其电流整定值表示为: L s k d DZ Z Z E k k I +=' (5)
如电流速断的定值按上式整定,必须实际测定故障类型系数 d k 和保护 装设处到系统等效电源之间的阻抗 s Z 。 在此基础上,令
L
s d F Z Z E k I α+=与 L
s k d DZ Z Z E k k I +=' 两式相等。可得出自适应电流速断保 护范围: L
k s k L Z k Z k Z ) 1(' --=
α (6) 上 式 表 明 根 据 ' α也 不 是 常 数 , 它 随 着 实 际 系 统 的 max /DIII rel ss L re I K K I K =变化而变化,但总是根据电流速断动作原理 的基本要求而处于最佳状态。系统阻抗 s Z 可由故障分量 mg U 和 mg I 求
出。
自适应电流速断保护范围等于零的条件为:
1-=k L s k Z Z (7) 与传动电流速断保护的保护范围等于零两式比较可以得出:
s k s L d s k L s Z k Z Z k Z k Z Z -+-+=) () (' min αα (8)
得出保护范围: αα≥'
与传统电流速断相比,自适应电流速断保护性能得到显著提高。
2.1 电流 I 段(速断保护)的整定
I 段的电流定值按(9)式子进行计算 :
/() dI rel d s s d I K K E Z Z =+ (9)
式中:s E 为系统等效电源的相电势;
d Z 为短路点至保护安装处的阻抗,即被保护线路的阻抗,由短 路点的母线电压电流的有效值之比确定;
s Z 为保护安装处到系统等效电源的阻抗,由保护安装处母线电 压电流有效值之比确定;
d K
2;三相短路时取 1;
rel K 为可靠系数,取为 1.2~1.3;
2.2 电流 II 段(限时电流速断保护)的整定
II 段电流整定值按下一段电流整定值 I 段整定,如(10)式 :
' dII rel dI I K I = (10)
式中:' dI I 为下一段保护 I 段的速断电流整定值;
rel K 为 II 段的可靠系数,取为 1.1~1.2;
2.3 电流 III 段(定时限电流速断)的整定
自适应过电流保护为克服传统保护的缺点, 要求按照当时的负荷 电流来整定动作电流的定值。动作时限按反时限特性在线或离线整 定。
设 当 时 的 负 荷 电 流 为 Lmax I , 则 其 动 作 电 流 就 整 定 为 :
max /DIII rel ss L re I K K I K = (11)
式中: rel K 为 III 段定时限过电流保护的可靠系数,取为
1.15~1.25;
ss K 为自启动系数,由负载的性质及电网的具体接线决定,一
般取 1.5~3;
re K 为继电器的返回系数;
三 . matlab 仿真模型的搭建
3.1 10kV 配电系统的仿真模型
针对微机继电保护的自适应保护原理,本文采用 matlab 对单电 源 10kV 配电系统进行仿真,并对保护二次侧的参数进行计算整定。 具体参数为:电源为 10kV ,三段线路为 4km , 6km , 10km ,线路参 数按工程参数计算,互感器 PT 、 CT 的变比取为 600/5,负荷取有较 高功率因数的参数, 故障类型由故障模块设定。 搭建的模型如图 (一)
图(1) 10kV 配电系统的仿真模型
3. 2算法流程
为保证算法的准确快速性,采集的数据位每周波 512个采样点, 即采样时间为 0.039ms ,电压电流有效值的计算采用全波傅式算法,
即
n
i =
I =i
n
i=1
U=/ s
Z U I = 3.2.1 算法的启动
由于系统发生短路故障时,不论是三相短路还是两相短路,
母线电压会急剧下降, 甚至为零电位, 故可以作为算法启动的判 据,设定当母线电压低于百分之十的额定电压时算法启动。 3.2.2 故障类型的判断
由序分量的原理可知, 当发生三相故障时会有很小的不平衡 负序电流出现,而两相故障时,会有较大的负序电流出现,可据
此判断线路的故障类型。
图(2) 算法主程序
3.2.3 动作信号的发生
算法启动后, 首先计算出所需要的各种参数, 当正常运行时, 断路器处于闭合状态置为 1, 而当故障时, 故障电流大于整定值, 经算法判断,发出分闸信号使断路器置为 0。
3.3 算法流程图
依据上文的论述,算法的主流程图如图(2) ,故障类型子程
序如图(3) ,三段保护子程序如图(4) 。 图(3) 故障类型判断子程序
图(4) 三段保护子程序
3.4 仿真波形及整定值
1)系统正常运行时负荷侧互感器的电压电流波形如图(5-1) 、 (5-2) ,可知系统的参数为标准对称的正弦波形。
图(5-1) 正常运行时负荷侧 PT 波形
图(5-2) 正常运行时负荷侧 CT 波形
2) 系统发生两相 (A 、 C ) 短路时保护一的 PT 、 CT 波形如图 (6-1) 、 (6-2) ,保护二的 PT 、 CT 波形如图(7-1) 、 (7-2) ,负荷侧的 PT 、 CT 波形如图(8-1) 、 (8-2) ,可见系统发生两相短路时,故障相电压
急剧下降,故障电流急剧上升,非故障相电压上升,电流急剧下降。
图(6-1)发生两相短路时保护一的 PT 处电压波形
图(6-2)发生两相短路时保护一的 CT 处电流波形
图(7-1)发生两相短路时保护二的 PT 处电压波形
图(7-2)发生两相短路时保护二的 CT 处电流波形
图(8-1)发生两相短路时负荷侧的 PT 处电压波形
图(8-2)发生两相短路时负荷侧的 CT 处电流波形
算法的运行结果(故障类型,三段整定值,及动作信号) :
保护二区间两相短路时,保护二断路 器的信号为 0,跳开切除故障,而保护一处断路器信号为 1,正常供 电。
保护一区间两相短路时, 保护一断路器 的信号为 0,跳开切除故障,而保护二处断路器信号为 0,亦断开停 运下条线路。
3)系统发生三相短路时保护一的 PT 、 CT 波形如图(9-1) 、 (9-2) , 保护二的 PT 、 CT 波形如图(10-1) 、 (10-2) ,负荷侧的 PT 、 CT 波形 如图(11-1) 、 (11-2) ,可见系统发生三相短路时,故障相电压急剧下 降为超低水平,故障电流急剧上升为高水平。
图(9-1)发生三相短路时保护一的 PT 处电压波形
图(9-2)发生三相短路时保护一的 CT 处电流波形
图(10-1)发生三相短路时保护二的 PT 处电压波形
图(10-2)发生三相短路时保护二的 CT 处电流波形
图(11-1)发生三相短路时负荷侧的 PT 处电压波形
图(11-2)发生三相短路时负荷侧的 CT 处电流波形
算法的运行结果(故障类型,三段整定值,及动作信号) :
保护二区间三相短路时, 保护二断路器的 信号为 0,跳开切除故障,而保护一处断路器信号为 1,正常供电。
保护一区间三相短路时,保护一断路器的 信号为 0,跳开切除故障,而保护二处断路器信号为 0,亦断开停运 下条线路。
3.5 小结
由以上对 matlab 搭建模型的仿真分析可知,运行结果准确,能 够判断出故障的类型和区间, 且保护能可靠动作, 从而使相应的断路 器断开,切除相应的故障线路,保证了电力系统的安全稳定运行。
四 . 结论与展望
本文通过理论推导, 针对传统继电保护存在的缺点, 自适应计算 机继电保护具有其独特的优越性, 并对配电系统进行了模型的搭建和 相应三段保护的编程, 仿真结果较好地验证了理论的正确性。 在后续 的研究中, 多段的三段保护的配合整定以及动作延时的仿真模拟将会 是重点。 随着理论的成熟, 自适应计算机继电保护会在实践中发挥其 强大的优势,为电力系统的安全稳定运行提供强大的保障。
参考文献
[1]马永翔,电力系统继电保护 [M],中国林业出版社, 2006,8. [2]何仰赞, 温增银, 电力系统分析 [M], 华中科技大学出版社, 2002,3. [3]付周兴,王清亮,电力系统自动化 [M],中国电力出版社, 2006. [4]吴天明, MATLAB 电力系统设计与分析 [M],国防工业出版社, 2010,7.
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[12]文洪,浅谈自适应控制技术在电力系统继电保护中的应用 [J],广东电网公司广州供电局 .
范文二：微机继电保护matlab算法仿真(有源程序)
微
机
继
电
保
护
算
法
仿
真
电控学院
一. 两 点乘积算法仿真 (1) m atlab 中编写的程序
N=12;
t=(0:0.02/N:0.02)';
m=size(t);
y=sin(2*pi*50*t);
y1=[zeros(N/4,1);y(1:m-N/4)];
ym=sqrt(y.^2+y1.^2);
subplot(3,2,1)
plot(t,y,'r.',t,y1,'xb');
legend('y(k)','y(k-T/4)');
title('两点乘积算法 N=12'); subplot(3,2,2)
hold on;
plot(t,ym,'-r');
axis([0,0.02,0,1.2]);
xlabel('t/s');
ylabel('ym');
title('两点乘积算法算的有效值 N=12'); text(0.01,0.6,'N=12');
N=16;
t=(0:0.02/N:0.02)';
m=size(t);
y=sin(2*pi*50*t);
y1=[zeros(N/4,1);y(1:m-N/4)];
ym=sqrt(y.^2+y1.^2);
subplot(3,2,3)
plot(t,y,'r.',t,y1,'xb');
legend('y(k)','y(k-T/4)'); title('两点乘积算法 N=16'); subplot(3,2,4)
hold on;
plot(t,ym,'-r');
axis([0,0.02,0,1.2]);
xlabel('t/s');
ylabel('ym');
title('两点乘积算法算的有效值 N=16'); text(0.01,0.6,'N=16');
N=24;
t=(0:0.02/N:0.02)';
m=size(t);
y=sin(2*pi*50*t);
y1=[zeros(N/4,1);y(1:m-N/4)];
ym=sqrt(y.^2+y1.^2);
subplot(3,2,5)
plot(t,y,'r.',t,y1,'xb');
legend('y(k)','y(k-T/4)');
title('两点乘积算法 N=24'); subplot(3,2,6)
hold on;
plot(t,ym,'-r');
title('两点乘积算法算的有效值 N=24'); axis([0,0.02,0,1.2]);
xlabel('t/s');
ylabel('ym');
text(0.01,0.6,'N=24');
(2)仿真出的波形
(3) 流 程图
二. 傅 里叶算法仿真 (1) matlab 中编写的程序
T=0.02;
t1=0.02;
N=12;
Ts=T/N;
t=0:Ts:4*T;
y=(exp(-t/t1)-cos(2*pi*50*t)); subplot(3,2,1);
plot(t,y,'.r');
xlabel('t/ms');
ylabel('y(t)');
title('输入信号 N=12');
a=1;
i=1:N;
bs=sin(2*pi*i/N);
bc=cos(2*pi*i/N);
ys=filter(bs,a,y);
yc=filter(bc,a,y);
ym=2*abs(complex(ys,yc))/N; subplot(3,2,2);
hold on
plot(t,ym)
xlabel('t/ms');
ylabel('ym');
title('傅里叶算法计算的有效值 N=12'); hold on
T=0.02;
t1=0.02;
N=16;
Ts=T/N;
t=0:Ts:4*T;
y=(exp(-t/t1)-cos(2*pi*50*t)); subplot(3,2,3);
plot(t,y,'.r');xlabel('t/ms'); ylabel('y(t)');
title('输入信号 N=16');
a=1; i=1:N;
bs=sin(2*pi*i/N);
bc=cos(2*pi*i/N);
ys=filter(bs,a,y);
yc=filter(bc,a,y);
ym=2*abs(complex(ys,yc))/N; subplot(3,2,4);
plot(t,ym)
xlabel('t/ms');
ylabel('ym');
title('傅里叶算法计算的有效值 N=16'); T=0.02;
t1=0.02;
hold on
N=24;
Ts=T/N;
t=0:Ts:4*T;
y=(exp(-t/t1)-cos(2*pi*50*t)); subplot(3,2,5);
plot(t,y,'.r');
xlabel('t/ms');
ylabel('y(t)');
title('输入信号 N=24');
a=1;
i=1:N;
bs=sin(2*pi*i/N);
bc=cos(2*pi*i/N);
ys=filter(bs,a,y);
yc=filter(bc,a,y);
ym=2*abs(complex(ys,yc))/N; subplot(3,2,6);
plot(t,ym)
xlabel('t/ms');
ylabel('ym');
title('傅里叶算法计算的有效值 N=24');
(2)仿真出的波形
(3) 流
范文三：继电保护仿真
课程设计(论文)任务及评语 院(系):电气工程学院 教研室:电气工程及其自动化 学 号 学生姓名 专业班级
课程设
计(论输电线路电流电压保护设计(1) 文)题目
系统接线图如图:
A GB 9 8
L1 1
C D E G 7 6 3 2 1 2 L 2
G系统接线图 L5 4 3 3
课 程
设课程设计的内容及技术参数参见下表
计
)设计技术参数 工作量 论1.确定保护3在最大、最小运行方式E,115/3kV,X,15,, ,G1文下的等值电抗。 X,10,,X,10,,)G2G3
任2.进行C母线、D母线、E母线相间L1=L2=60km,L3=40km, 务 短路的最大、最小短路电流的计算。 LB-C=50km,LC-D=30km,
3.整定保护1、2、3的电流速断保护LD-E=20km,线路阻抗0.4,/km,
I,,,定值，并计算各自的最小保护范围。 ,, K,1.2K,K,1.15relrelrel4.整定保护2、3的限时电流速断保最大负荷电流IB-C.Lmax=300A,
护定值，并校验灵敏度。 IC-D.Lmax=200A,
5.整定保护1、2、3的过电流保护定ID-E.Lmax=150A,
值，假定母线E过电流保护动作时限电动机自启动系数Kss=1.5，电流
为0.5s，确定保护1、2、3过电流保继电器返回系数Kre=0.85。
护的动作时限，校验保护1作近后备，最大运行方式:三台发电机及线路
保护2、3作远后备的灵敏度。 L1、L2、L3同时投入运行;最小运6(绘制三段式电流保护原理接线图。行方式:G2、L2退出运行。 并分析动作过程。
7、采用MATLAB建立系统模型进行仿
真分析。
本科生课程设计(论文)
续表
第一天:收集资料，确定设计方案。
第二天:等值电抗计算、短路电流计算。
第三天:电流I段整定计算及灵敏度校验。
第四天:电流II段整定计算及灵敏度校验。
第五天:电流III段整定计算及灵敏度校验。 进
度第六天:绘制保护原理图。
计
划第七、八天:MATLAB建模仿真分析。
第九天:撰写说明书。
第十天:课设总结，迎接答辩。
指 导 教
师
评 语 及
平时: 论文质量: 答辩: 成
绩
总成绩: 指导教师签字:
年 月 日
注:成绩:平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
1
本科生课程设计(论文)
摘 要
电力系统出现故障或不正常运行状态时，继电保护装置按规定时限内动作，使断路器跳闸或发出信号。线路发生短路故障时，可以采用电流电压保护、接地零序保护、距离保护和纵差动保护等。本文采用三段式电流电压保护的方法对三相电源供电无环路系统进行继电保护研究设计。确定出最大最小运行方式下的等值电抗，进行了相间短路的最大、最小短路电流的计算。对保护1、2、3的电流速断保护动作电流进行整定，并计算了各自的最小保护范围。进行了保护2、3的限时电流速断保护定值计算，确定保护1、2、3的过电流保护的动作时限。当保护1作近后备，保护2、3作远后备时对其灵敏度进行校验。绘制出三段式电流保护原理接线图并分析了动作过程。最后采用MATLAB对本系统进行相间短路的仿真实验。
关键词:三段式电流电压保护;灵敏度;原理接线图;MATLAB
2
本科生课程设计(论文)
目 录
第1章 绪论 4
第2章 输电线路电流保护整定计算 .........
错误～未定义书签。6
错误～未定义书签。6 2.1等值电阻计算 ...................................
2.1.1保护3最大运行方式下的等值阻抗 ............ 错误～未定义书签。6
2.1.2保护3最小运行方式下的等值阻抗 ............ 错误～未定义书签。6
2.2 相间短路的最大最小短路电流 .................... 错误～未定义书签。7
2.3电流Ι段整定计算 ............................... 错误～未定义书签。7
2.3.1保护1、2、3动作电流的整定 ................ 错误～未定义书签。7
2.3.2保护1、2、3最小保护范围 .................. 错误～未定义书签。8
2.4保护2、3电流?段整定计算 ...................... 错误～未定义书签。9
2.4.1 保护2、3?段动作电流的整定 ............... 错误～未定义书签。9
2.4.2 灵敏度校验 .............................. 错误～未定义书签。10
2.5 保护1、2、3电流?段整定计算 ................. 错误～未定义书签。10
2.5.1保护1、2、3?段动作电流整定及动作时限 ... 错误～未定义书签。10
2.5.2 灵敏度校验 .............................. 错误～未定义书签。11
第3章 电流保护原理图的绘制与动作过程分析 错
误～未定义书签。12
3.1 三段式电流保护原理接线图 ..................... 错误～未定义书签。12
3.2三段式电流保护的动作过程分析 .................. 错误～未定义书签。12
第4章 MATLAB建模仿真分析 5
4.1 仿真步骤 ........................................................ 6
4.2 仿真结果 ........................................................ 6
4.3 仿真结果分析 .................................................... 9 第5章 课程设计总结 10
参考文献 11
3
本科生课程设计(论文)
第1章 绪论
电力系统继电保护是随着电力系统的发展和科学技术的进步而不断发展起来的，为电力系统建立了一个安全保障体系。电力系统故障和不正常运行状态是不可避免的，为了防止电力系统事故的扩大，保证非故障部分仍能可靠供电，通过继电保护装置准确迅速地识别并切除故障;同时电力系统运行状态应实时监视，一旦发生不正常行状态时能通过继电保护装置及时警告或启动自动控制装置。这样就可以保持供电的连续性、保障人身的安全、防止或减轻设备的损坏。
继电保护装置由测量部分、逻辑部分和执行部分等组成。对于作用于断路器跳闸的继电保护装置有四点基本要求:
1(选择性:继电保护装置动作时，应在尽可能小的范围内将故障元件从电力系统中切除，尽量缩小停电范围，最大限度的保证系统中非故障部分能继续运行。
2(速动性:电力系统发生故障时，应力求继电保护装置迅速动作，切除故障。
3(灵敏性:灵敏性是指继电保护装置对于其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力，用灵敏系数来衡量。
4(可靠性:可靠性主要针对保护装置本身的质量和运行维护水平而言的，对于任何一台保护装置，在为其规定的保护范围内该动时不拒动，不改动时不误动。
线路发生短路故障时，可以采用电流电压保护、接地零序保护、距离保护和纵差动保护等。当线路发生相间短路时，可以采用电流电压保护。电流电压保护是根据输、配电线上相间短路时线路电流增加而母线电压下降的特征而设计的一种保护。主要用于35KV及以下的小接地电流系统中。电流电压保护分为两种:一种是以反应电流增大而动作的电流测量元件为基础的构成的电流保护元件;另一种是以反应电压为基础构成的电流保护。本文设计研究中的继电保护采用了前者，通过动作电流来进行保护。为了实现保护之间的配合和保护的选择性，在这些保护中一般需要增加延时元件等逻辑元件才能形成一个完整的保护方案。
本文根据所学的电力系统继电保护的知识，对给定系统进行继电保护设计，通过采用三段式电流电压保护方法，确定出最大、最小运行方式下的等值电抗并计算相间短路的最大、最小短路电流。通过计算保护1、2、3的电流速断保护整定值，从而确定各自的最小保护范围。对保护2、3的限时电流速断保护的动作电流进行整定，并校验其灵敏度。计算保护1、2、3的过电流保护定值，确定保护1、2、3的过电流保护的动作时限，当保护1作近后备，保护2、3作远后备时校验其灵敏度。从而实现继电保护。为了更好了解继电保护装置原理，通过绘制的三段式电流保护原理接线图，
4
本科生课程设计(论文) 来分析整个继电保护装置动作过程，并采用MATLAB建立系统模型进行仿真分析。
第4章 MATLAB建模仿真分析
5
本科生课程设计(论文)
图4.1 仿真模拟图
4.1 仿真步骤
1、利用Simulink中的SimPowerSystems工具箱构建设计要求中给定的电力系统系统，并在Matlab环境中调试成功。
2、再建立线路三段式电流保护模块，对各个部分参数进行设定。建立仿真模拟图如图4.1所示。
3、根据线路三段式保护的原理以及各段保护之间的配合，模拟电流I、II、III段保护动作，分别在电流I、II、III段的范围内设置故障，进行调试仿真。 4.2 仿真结果
执行仿真后，电流I段仿真结果如图4.2所示，电流II段仿真结果如图4.3所示，电流III段仿真结果如图4.4所示。
图4-2 电流?段仿真波形图1
6
本科生课程设计(论文)
图4-2 电流?段仿真波形图2
图4-3 电流?段仿真波形图1
7
本科生课程设计(论文)
图4-3 电流?段仿真波形图2
图4-4 电流?段仿真波形图1
8
本科生课程设计(论文)
图4-4 电流?段仿真波形图2
4.3 仿真结果分析
1、电流I段保护仿真:故障设置在电流I保护范围内，由图4.2可以看出线路在0.05s发生了故障，产生一个较大的短路电流，之后经过很短时间，断路器跳闸。同时电流II段和III段都启动了，由于延时性，还没来得及动作电流I段已经动作，使断路器跳闸，II段和III段都返回而不动作。
2、电流II段保护仿真:由仿真的波形图4.3可以看到，线路在0.05s发生了故障，产生一个较大的短路电流。其值小于电流?段的启动值，故电流?段不启动，而电流II段和III段启动，在经过II段预先设置的延时0.5s后，断路器跳闸。同理因为电流III段虽然启动，但是还没来得及动作，电流II段已经将故障切除。
3、电流III段保护仿真:由仿真的波形图4.4可以看到，在0.05s发生了故障，产生一个较大的短路电流，经过预先设置的延时1.0s，断路器跳闸切除故障。因为在线路末端发生短路，产生的短路电流较小，使得保护?段和?段都不启动。
9
本科生课程设计(论文)
第5章 课程设计总结
本文应用机电保护知识采用三段式电流电压保护的方法对三相电源供电无环路系统进行继电保护研究设计。当线路不同位置发生故障时，进行短路计算，根据计算的短路电流整定其继电保护装置的动作电流，并进行灵敏度校验。当灵敏度不满足时采用带时限的电流速断保护，对保护II段的动作电流再次进行整定并校验。因此使得保护范围延伸至相邻的下一线路，以保证保护在有各种误差的情况下仍能保护线路的全长。第?段作本线主保护的后备保护，即近后备保护，并做相邻下一线路(或元件)的后备保护，即远后备保护。当保护1作近后备，保护2、3作远后备时，本文对其灵敏度进行校验。根据计算，绘制继电保护装置原理接线图，通过接线图进行保护装置的动作。并利用MATLAB进行了仿真。
10
本科生课程设计(论文)
参考文献
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范文四：继电保护仿真作业
基于傅氏算法的距离保护分析仿真
摘要：本文对于继电保护中的阻抗分析功能进行了详细的说明，首先搭建包含故障设置的双端供电系统作为采集故障数据的前提；搭建之后设置恰当的系统参数和故障获得需要的故障数据，获得的数据是*.mat的标准matlab 数据格式；接下来编写计算程序将*.mat格式的故障数据中需要用到的故障电压、电流的采集数据提取出来用来计算阻抗；阻抗计算之后，为了直观的反应故障，便于运行和管理人员分析，程序中还包括了图形显示部分，将计算结果以阻抗轨迹形式显示出来。
关键词：继电保护、傅氏算法、阻抗计算
0 引言
继电保护设备故障分析系统有助于提高调度系统信息化、智能化水平，使二次装置运行、管理的各个环节“可控、在控、能控”，实现继电保护专业管理现代化，提升电网调度运行管理水平。而在继电保护设备故障分析系统中故障距离保护起着十分重要的作用，通过调用保护设备采集的远程数据计算故障阻抗，将计算的故障阻抗与正常工作情况下的系统阻抗进行比较可以方便快捷的判断系统的故障，确定故障距离，对保护装置等的动作行为进行详细分析，确定保护装置的动作结果是否符合保护的动作原理、特性，是否与保护装置内的设定值、辅助逻辑一致，为电网运行和继电保护人员事故处理提供必要的决策支持。在现代电网中, 距离保护作为线路保护的基本组成部分, 其工作性能对于电力系统的安全稳定运行有着直接和极其重要的影响。因此, 对距离保护装置在各类故障下的特性分析, 一直是电力工作者研究的重要课题。提出距离保护是为了从根本上解决电流保护中以电流测量判断短路故障性质和位置, 以消除系统运行方式和负荷电流对保护中定量测量的影响。但距离测量实现起来很困难。目前所说的距离保护实际是阻抗保护, 主观上希望用阻抗测量实现距离测量, 但在多数情况下, 不能达此目的。阻抗继电器感受到的阻抗与短路距离不成比例, 甚至与短路阻抗也不成
比例。为了使阻抗保护能实现距离保护的基本要求, 工程上采用一系列实用措施。阻抗保护算法是在得到基频电压向相量和基频电流相量的基础上，取两者的比值计算出保护安装处到故障点之间的故障阻抗，即Z=U/I，然后根据测量阻抗判断保护是否动作。
1 模型搭建和仿真分析
如图1所示的双机系统，E m 、E n 为两端系统的电势，Z m 、Z n 为系统的阻抗，R ，X L 分别为线路的电阻和电抗。线路中k 点发生单相接地故障，对其进行仿真。所需参数自由选取。
E m Z m
E n Z n
图1 系统模型
设系统为220kV 系统，系统参数选取如下：M 侧系统电阻R m =0.8929Ω，电感L m =16.58mH；N 侧系统电阻R n =0.8929Ω，电感L n =16.58mH，功角滞后30°；线路单位长度参数为：正序参数r 1=0.01273Ω/km ， L 1=0.9337mH /km ，C 1=0.1274μF /km ；零序参数r0=0.3864
Ω/km
，
L 1=3mH /km ，C 0=0.008μF /km 。线
路总长度L=100km。
本次仿真建立的双端供电网带故障设置的电力系统模型如上图所示模型包括双端供电电源、输电线路、故障设置块和数据采集块等几部分。电压为220kv ，输电线路总长为100km ，在距左端保护安装出口处50km 处进行故障设置，两端都设有数据采集模块, 可以比较分析对故障进行更加准确的判断。故障设置模块可以模拟各种故障情况，包括单相短路、两相接地短路、两相不接地短路和三相短路等。采集的故障电压、电流数据则统一输出到一个*.mat格式的数据文件。本次仿真分析中的故障时间为0.2-0.3s ，采样频率6000HZ ，仿真时间0.5s 。
图2 系统仿真模型
当电力系统发生故障时，通过采样系统
得到了故障电压电流的数据为周期函数，在周期函数中不仅包含基波分量，同时还包含直流分量和各次谐波分量。设得到的信号周期函数为f t ，若f t 满足狄里赫利条件时，则f t 可以展开成三角形式的傅里叶级数，表示式为：
f t =a0+ ∞n=1(ancos nω1t+ bnsin nω1t) (1.1) 其中
a0=T t0
两个比较阻抗，判断他们的大小，决定是否动作。可见保护中实现绝对值比较的关键是计算Um、Im或Zm。它们可以分别由两点积算法、傅氏算法和解微分方程算法等方法算出。
应用傅氏算法，可以方便的从电压、电流的采样值中计算出测量电压和测量电流基波向量的实部和虚部，从而可以进一步求出基波测量电压、测量电流和测量阻抗。
设由傅氏算法算出的电压和电流实、虚部分别用UR、UI和IR、II表示，则
Um =UR+j UI (1.5) Im=IR+j II (1.6)
Zm=
UmIm
1t+T
f(t) dt (1.2)
an= t0
T
2t+T
f(t) cos nω1tdt (1.3) f(t) sin nω1tdt (1.4)
=
UR+jUIIR+jII
=
URIR+UIII
+IIRI
+
bn= t0
T
2t+T
j
UIIR?URII
+IIRI
ω1=
2πT
=Rm+j Xm (1.7)
是基波角频率，有时也简称基
波频率。
在继电保护中若采用阻抗比较算法，则应该先算出Zm，然后按动作特性要求形成
其中Um、Im分别是测量电压、电流基波的有效值；Rm、Xm为测量阻抗的实、虚部。
但是三相系统中的测量电压和测量电
流的选取不同于单相系统，在单相系统中，测量电压就是保护安装处的电压，测量电流就是保护安装处的电流，系统金属性短路时两者之间的关系为
Um=Im
Zm=ImZk=Imz1Lk (1.8) 上式是距离保护能够用测量阻抗来正确表示故障距离的前提和基础，即只有测量电压、电流直接满足该式时，测量阻抗才能正确反应故障的距离。
但是在实际的三相系统中，发生的短路情况有多种，而各种不对称的短路故障时，各相的电压、电流都不再是简单的满足上式，而需要寻找满足公式的电压、电流接入保护系统，以构成三相系统中可用的保护。
1）以单相接地短路故障为例，在A 相金属性接地短路的情况下有
UA=(IA
+K×3I0) z1Lk (1.9) 若令UmA =UA、ImA =IA+K×3I0，则
式(2.9)又可以表示为
UmA =ImA
z1Lk (1.10) 它与式(2.8)具有相同的形式，因而由UmA 、ImA
算出的测量阻抗能够正确的反应故障的距离，从而可以实现对故障区段的比
较和判断。
2）两相接地短路故障
当系统发生金属性两相接地短路故障时，故障点处两接地相的电压都为0。以A 、B 相接地为例，有
UmA =ImA
z1Lk (1.11) UmB =ImB
z1Lk (1.12) 两式都与(2.8)具有相同的形式，所以由这些电压、电流做出的测量和判断是能正确的反应故障距离的。
此外，将式(2.11)和式(2.12)相减，可得
UmA ?UmB =(ImA
?ImB ) z1Lk (1.13) 令UmAB=UmA?UmB、ImAB=ImA
?ImB
，也可以得到与式(2.8)相同的形式，因而用它们作为距离保护的测量电压和测量电流也能正确判断故障距离。
3）两相不接地短路故障（仍以A 、B 相短路为例）
同理也可用
UA?UB=(IA
?IB) z1Lk (1.14) 来进行故障的判断。
4）三相对称短路 三相对称短路时，应用任何一相的电压、电流或任意两相间的电压、电流均可以作为判断计算的标准。
其中零序电流的计算可以通过电流变换矩阵求出
Ia Ia
0=1
111Ia
1 I3
1αα2 Ib (1.15) a
21α2αIc2 运行结果及分析
设置A 相在0.2-0.3s 内发生单相接地短
路故障。采样图中第1行是时间向量，第2行是采集的电压向量，第5行是电流向量，并以图形的形式将采集电压、电流直观的表示出来，可以清楚的看到故障时刻电压、电流的变化。
图3 三相电压、电流波形图
仿真波形如图3所示，从图可看出，当A 相发生单相接地故障时，A 相电流明显增大，而B 、C 两相电流基本保持不变，仍为负荷电流；A 相电压有明显的电压降低，而B 、C 两相电压基本保持不变。
图4 滤波前后A 相电压波形图
图5 滤波前后A 相电流波形图
图6 两点乘积法计算电抗
而实际线路电抗计算值为X= L1*100*π*L=14.67Ω
其中 L1=0.9337mH /km ，L=50km； 仿真很好的验证了原理的适用性。
3 算法原理与程序
两点乘积算法原理： X=
u1?i2?u2?i1i12+i22
; R=
u1?i1+u2?i2i12+i22
用matlab 编写程序如下： clc clear
load a2g.mat; t=a2g(1,:);
ua=a2g(2,:); %%A相电压 ub=a2g(3,:); %%B相电压 uc=a2g(4,:); %%C相电压 ia=a2g(5,:); %%A相电流 ib=a2g(6,:); %%B相电流 ic=a2g(7,:); %%C相电流
ia=1.1398*(ia+ib+ic)+ia;%电流补偿 subplot(211);
plot(t,ua,'k',t,ub,'y:',t,uc,'r-');
xlabel('t/s');ylabel('三相电压波形u/V');legend('ua','ub','uc');
subplot(212);
plot(t,ia,'k',t,ib,'y:',t,ic,'r-'); xlabel('t/s');ylabel('三相电流波形i/A');legend('ia','ib','ic');
%滤波
for e=5:3001
t1(1,e-4)=t(1,e);
Ia(1,e-4)=(ia(1,e)+sqrt(3)*ia(1,e-1)+2*ia(1,e-2)+sqrt(3)*ia(1,e-3)+ia(1,e-4))/6;
Ib(1,e-4)=(ib(1,e)+sqrt(3)*ib(1,e-1)+2*ib(1,e-2)+sqrt(3)*ib(1,e-3)+ib(1,e-4))/6;
Ic(1,e-4)=(ic(1,e)+sqrt(3)*ic(1,e-1)+2*ic(1,e-2)+sqrt(3)*ic(1,e-3)+ic(1,e-4))/6;
Ua(1,e-4)=(ua(1,e)+sqrt(3)*ua(1,e-1)+2*ua(1,e-2)+sqrt(3)*ua(1,e-3)+ua(1,e-4))/6;
Ub(1,e-4)=(ub(1,e)+sqrt(3)*ub(1,e-1)+2*ub(1,e-2)+sqrt(3)*ub(1,e-3)+ub(1,e-4))/6;
Uc(1,e-4)=(uc(1,e)+sqrt(3)*uc(1,e-1)+2*uc(1,e-2)+sqrt(3)*uc(1,e-3)+uc(1,e-4))/6;
end
figure(2),subplot(1,2,1);
plot(t,ua);xlabel('t/s');ylabel('ua/V');legend('滤波前ua');
subplot(1,2,2);
plot(t1,Ua);xlabel('t/s');ylabel('ua/V');legend('滤波后Ua');
figure(3),subplot(1,2,1); plot(t,ia);legend('滤波前
ia');xlabel('t/s');ylabel('ia/A');
subplot(1,2,2);
plot(t1,Ia);legend('滤波后Ia'); xlabel('t/s');ylabel('Ia/A'); %两点乘积算法 for n=1440:1679
u1=Ua(n-1)/2+Ua(n-2)/2; u2=Ua(n+29)/2+Ua(n+28)/2;
i1=Ia(n-1)/2+Ia(n-2)/2; i2=Ia(n+29)/2+Ia(n+28)/2;
r(n-1439,1)=(u1*i1+u2*i2)/(i2^2+i1^2);
x(n-1439,1)=(u1*i2-u2*i1)/(i2^2+i1^2);
end
figure(8),plot(x,'k');legend('电抗x');
4 参考文献
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范文五：继电保护仿真模型的设计
应用科技
继电保护仿真模型的设计
杨虹
（成都电业局，四川成都
610051）
［摘要］计算机仿真是一门综合了计算机科学、数学、自动控制理论等知识的综合性学科。作为一项重要的分析工具和研究手段，计算机
仿真技术在各种理论研究和工程领域中被广泛使用。在电力系统中，计算机仿真可以作为理论研究的辅助工具，也可以通过模拟真实装置、设备的运行，发现和解决设备运行中可能出现的问题。［关键词］继电保护；仿真模型；设计1继电保护仿真研究的目的
计算机仿真是一门综合了计算机科学、数学、自动控制理论等知识的综合性学科。作为一项重要的分析工具和研究手段，计算机仿真技术在各种理论研究和工程领域中被广泛使用。在电力系统中，计算机仿真可以作为理论研究的辅助工具，也可以通过模拟真实装置、设备的运行，发现和解决设备运行中可能出现的问题。
多年来，国内外继电保护工作者一直致力结合计算机技术进行继电保护的研究工作。比如用计算机计算超高压电网主、后备继电保护定值，以及应用计算机仿真来检验保护定值的准确性。它提出了关于各级保护配合方面的仿真以及非正常方式、死区故障的仿真，值得借鉴，主要针对元件保护的动作行为进行数字仿真的有建立电网中变压器故障计算模型，引用数字仿真技术，并对相关的变压器微机保护动作行为进行分析。人机交互的继电保护仿真系统，它指出电力系统继电保护计算机仿真降低了对继电器试验和对继电器动作行为分析的困难，使得一些无法用物理仿真实现的检验继电保护装置在各种简单和复杂故障条件下的动作行为成为可能。基于断路器动作逻辑判断的仿真系统，解决了困扰整定计算工作多年的计算出的整定值在系统故障前无法验证其正确与否的问题，同时可以进行故障中继电保护装置动作行为的分和事故预想。
2继电保护仿真系统的总体设计要求2.1仿真系统的基本要求
仿真系统的目的是建立仿真模型模拟真实的保护装置，提供给使用者电网中保护装置的情况，从而有利于进一步研究。从建立继电保护装置的仿真系统的目的出发，对仿真系统设计提出了一些基本要求：
1）真实性：根据真实系统的设置，建立仿真系统的保护模型，在故障时能够正确的模拟保护装置的动作行为；
2）灵活性：可以很方便地修改保护的逻辑视图，查看和改变保护装置的参数；
3）一致性：当保护动作或者操作改变保护状态时，能及时给出明确的提示；
4）实用性：可以设置各种故障，校验保护整定值的正确性；5）统一性：因为保护装置种类繁多，不同厂家的产品有不同的原理配置，这就需要建立统一的仿真模型，可以轻易的模拟不同类型、不同厂家生产的装置；
6）易扩展、易维护：由于个人精力、经验有限，不可能在短时间里建立起所有类型装置的仿真模型，加上对保护新原理的研究不断发展，新型的保护出现，需要在仿真系统可以很容易加入新的保护原理、扩展保护类型，而不需要改变系统的程序主体部分。
2.2仿真系统的软件功能要求
从基本要求出发，可以对仿真系统的设计提出如下的具体要求-系统应该具有的功能可划分为:软件功能要求和保护功能要求。软件功能要求包括：
2. 2.1图形环境的建设
图形化环境是当前软件开发的一个趋势，通过图形化管理可以为用户提供友好的人机界面，实现图形、信息的一体化管理，充分发挥计算机对保护装置仿真准确、直观、方便、灵活的优势。
2. 2. 2数据结构
由于系统要保存大量的元件参数和运算结果，选用的数据库平台必
实现分两个部分：
3.1.1处理线路运行情况
在电力系统日常运行中经常出现对某一条或某几条线路进行停电检修的情况，这时候，电网的结构已发生改变，导致电力系统的数学模型（节点导纳矩阵）必然发生相应的改变。因此，可以在电网图中，模拟线路的功能，直接用鼠标双击线路两侧的开关，选择其“合上”还是“断开”。
3.1. 2设置故障信息
（下转第63页）
TECHNOLOGY TREND
须满足高性能、安全性和可靠性的要求。M i crosof t A ccess 2000效率高、设计和管理方便灵活，而且通过DAO 编程接口，可快速、高效地对A ccess 数据库进行方便的操作，且能被VC 6.0C l a ss W iza r d 直接支持，有利于数据库编程交互。
2. 2. 3程序运行风格
仿真系统应满足W i n d ows 的运行风格，能在W i n d ows 2000/X P 等系统平台运行。软件使用Vi su a l C ++6.0编程技术开发，为保证软件使用代码移植使用效率和功能模块封装的完整性和继承性，整个系统的建设应采用面向对象和可是化的编程思想。
3继电保护仿真系统模型的设计3.1继电保护仿真系统流程图
继电保护仿真系统基于开关状态进行仿真，形成单独的智能仿真模块。其流程如图1所示：
图1继电保护仿真流程图
如图1所示，在仿真之前首先要做的就是故障信息数据采集，具体
61
应用科技
论计算结果与参考文献所报道的关于多铁性材料BiMnO 3的实验结果有着很好的吻合。
图2
軋自旋对关联的涨落δ<軋s ·i="" s="" j="">随温度的变化
图4
不同温度下磁电容随磁场的变化
图3给出了不同背景磁场下磁电容MC 随温度的变化曲线。对于不同的磁场，在磁相变温度100K 附近时，曲线出现拐点，此时的磁电容軋S ·最大。巨大的磁电容效应与图2中的自旋对关联的涨落δ<軋i s="" j="">曲线有軋S ·很大的相似性，进一步证实了磁电容依赖于自旋对关联的涨落δ<軋i s="" j="">思想。而对于同一温度下，磁电容随着磁场的增加而增加，这归因于外軋S ·磁场的增加导致自旋对关联的涨落δ<軋i s="" j="">的增加，进而磁电容也随之增加。
4
结论
基于Ginzburg-Landau 理论和Heisenberg 模型，我们进一步研究了多铁性材料BiMnO 3的磁电容行为。材料的铁磁序通过磁电耦合效应影响系统的热力学势，进而改变了系统在磁相变温度附近的介电性质，通过归因磁电容效应于自旋对关联的涨落的思想，我们成功地解释了多铁性材料BiMnO 3中的磁电耦合效应和磁电容效应。
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.
图3不同磁场下磁电容随温度的变化
图4给出了在不同背景温度下磁电容M C 随磁场的变化曲线。其中温度分别取70K ，90K ，100K ，110K ，130K 等不同值。随着磁场的不断增大，磁电容随之持续增长；另外，比较不同温度下的磁电容，我们可以发现，磁电容在温度在磁相变温度附近100K 时，相同条件下磁电容达到最大值。从上面的讨论可知：100K 是顺磁-铁磁相变点，此时的自旋对关联的涨落最大，因此该温度处的磁电容最大是不难理解的。如果进一步增加温度使系统进入顺磁相或降低温度使系统进入铁磁相，自旋对关联的涨落将减小，磁电容随之减小。显而易见，我们的理
（上接第61页）
在接线图中设置各种模拟故障是仿真不可缺少的一步。选择了模拟故障功能后，用鼠标在接线图中设定故障点，可以在随后弹出的故障信息对话框进一步设置各种故障信息包括:故障类型、故障相别、故障性质、故障点位置、过渡电阻。
以上两种操作产生相应的故障信息数据，将被自动写入故障信息文件中，以提供计算模块调用。
3.2开关状态仿真的实现
在进行开关状态仿真的过程中，并不是针对一个开关上的单一保护进行的，而是需要考虑一个开关集合的概念。开关集合中包含了与任一短路点相邻线路上的开关，系统根据短路的方式对主保护进行仿真工作。若主保护因定值配置或其它原因拒动，则将对后备保护进行仿真。在某些电网中，还必须考虑远后备的情况。
4小结
继电保护装置是一个“黑盒子”。当保护装置不正确动作后，保护自身所能提供的信息相当有限，这给保护装置的调试以及出现拒动、误动后查找其原因带来了很大的困难，现有的手段显然已不能满足要求。建立完整的继电保护仿真模型，实现保护动作过程的透明化、可视化，使保护装置由“黑盒子”变成“白盒子”。把保护调试和保护不正确动作后的原因查找工作微机化、图形化、时序化。
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TECHNOLOGY TREND
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