电力系统继电保护仿真实验指导书试用稿样本.doc

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电力系统继电保护
实验指导书

张艳肖 编
适用于12级电气工程及其自动化专业

西安交通大学城市学院
二○一五年三月
目 录

第一部分 MATLAB基础 - 3 -
1.1 MATLAB简介 - 3 -
1.2 MATLAB的基本界面 - 3 -
1.2.1 MATLAB的主窗口 - 3 -
1.2.2 MATLAB的主窗口 - 3 -
1.3 SIMULINK仿真工具简介 - 4 -
1.3.1 SIMULINK的启动 - 4 -
1.3.2 SIMULINK的库浏览器说明 - 5 -
第二部分 仿真实验内容 - 6 -
实验一 电力系统故障 - 6 -
实验二 电流速断保护 - 9 -
实验三 三段式电流保护 - 13 -
实验四 线路自动重合闸电流保护 - 17 -

第一部分 MATLAB基础
1.1 MATLAB简介
MATLAB是一种适用于工程应用各领域分析设计与复杂计算的科学计算软件, 由美国Mathworks公司于1984年正式推出, 1988年推出3.X(DOS)版本, 1992年推出4.X(Windows)版本; 1997年推出5.1(Windows)版本, 下半年, Mathworks公司推出了MATLAB6.0版本。随着版本升级, 内容不断的扩充, 功能更加强大。
MATLAB在国内外的大学中, 特别是数值计算应用最广的电气信息类学科中, 已成为每个学生都应掌握的工具。
1.2 MATLAB的基本界面
1.2.1 MATLAB的主窗口
1.启动MATLAB
启动MATLAB的方法有很多, 下面是最常见的方法。
( 1) 双击系统桌面的MATLAB图标;
( 2) 从桌面”开始”→”程序”→”MATLAB”。
启动MATLAB后, 如图1-1所示。

图1-1 MATLAB桌面
1.2.2 MATLAB的主窗口
MATLAB的主窗口包含有6个下拉菜单和10个功能按钮, 用来进行整体的环境参数的设置, 如图1-2所示。

图1-2 MATLAB的主窗口的菜单和功能按钮
1.3 SIMULINK仿真工具简介
Simulink是Mathworks公司开发的MATLAB仿真工具之一, 其主要功能是实现动态系统建模、 仿真与分析。Simulink下有很多专用功能模块, 如航空航天模块库(Aerospace Blockset) 、 通信模块库(Communication Blockset)、 神经网络模块库(Neural Network Blockset)、 电力系统模块库(SimpowerSystems)等。其中电力系统模块库对用于电路、 电力电子系统、 电机系统、 电力传输等过程的仿真分析。
功能强大的SimpowerSystems和Simulink同时使用将使一些复杂的、 非线性的系统建模与仿真变得非常容易。它包括7个子模块库: 电源(Electriial Sources)子库里有单/三相交流电压源、 单相电流源、 直流电压源、 受控源等, 元件子库(Elements)有各种支路、 负载和开关、 变压器等主要电力设备元件, 附加子库(Extra Library)汉纳有各种附加的控制、 测量模块和特殊变压器等模块, 电机子库(Machines)有异步、 同步、 控制等各种电机, 测量子库(Measurement)含有电压电流和阻抗等测量元件, 电力电子子库(Power Electronics)里有Gto、 IGBT、 Mosfet、 Thyristor各种电力电子元器件等。
利用SIMULINK对系统进行仿真与分析, 在进入虚拟实验环境后, 不需要书写代码, 只需使用鼠标拖动库中的功能模块并将它们连接起来, 按照实验要求修改各元器件的参数。经过虚拟实验环境建立实验仿真电路模型, 可使一些枯燥的电路变得有趣味, 复杂的波形变得形象生动, 使得各种复杂的能量转换过程比较直观地呈现在学生面前。以下采用Matlab 来仿真电力电子技术课程中的传统实验, 和传统的硬件实验对比, 此实验方法有很大优越性。
在SIMULINK仿真环境下, 运用Power System Blockset的各种元件模型建立电力电子电路的仿真模型, 并对其进行仿真研究。
1.3.1 SIMULINK的启动
启动SIMULINK有以下三种方法:
（1） 在MATLAB的命令窗口中输入”simulink”, 按Enter键, 就能够打开SIMULINK的库浏览器, 如图1-3所示。

图1-3 SIMULINK的库浏览器
（2） 在MATLAB的工具栏中, 单击simulink按钮, 也能够能够打开SIMULINK的库浏览器。
（3） 单击MATLAB的发布窗口中simulink文件夹, 单击simulink按钮, 也能够能够打开SIMULINK的库浏览器。
1.3.2 SIMULINK的库浏览器说明
在图1-3的SIMULINK的库浏览器中, 在界面的上方是标题栏、 菜单栏、 常见按钮及关键字填写栏。在关键字填写栏能够输入要查找的模块的关键字, 按Enter键, 就能够查找相应功能模块。
SIMULINK提供了多个基本模块库, 有Continuous( 连续系统模块库) 、 Discret( 离散系统模块库) 、 Functions&Tables( 函数与表模块库) 、 Math( 数学运算模块库) 、 Nonlinear( 非线性系统模块库) 、 Signals&Systems( 信号与系统模块库) 、 Sinks( 输出模块库) 、 Sources ( 输入源模块库) 、 Subsystems( 子系统模块库) 、 SimPowerSystems( 电力系统模块库) 等标准模块库。
本实验用到最多的就是SimPowerSystems( 电力系统模块库) , 该工具箱包含有Electrical
Sources( 电源模块库) 、 Elements( 元件模块库) 、 Power Electronics( 电力电子器件模块库) 、 Machines( 电动机模块库) 、 Connectors( 连接器模块库) 、 Measurements( 测量模块库) 、 Extras( 附加模块库) 和Demos( 演示模块库) 。

第二部分 仿真实验内容
实验一 电力系统故障

一、 实验目的
1.对电力系统中各种短路现象的认识
2.掌握各种短路故障的电压电流分布特点
3.仿真波形分析
二、 实验内容
电力系统中, 大多数故障都是由于输电线路短路引起的, 在发生短路故障的情况
下, 电力系统从一种状态剧烈变化到另一种状态, 产生复杂的暂态过程。
各种类型的短路包括三相短路、 两相短路、 两相短路接地和单相接地短路。电力系统的运行经验表明, 在各种类型的短路中, 单相短路占大多数。
1.模型的建立
发电机G: 50MW, 13.8kV, 保持恒定, Y连接, 变压器T: 13.8/220kV, 线路L: 100km, 负荷: 50MVA
仿真模型建立:
启动MATLAB, 进入SIMULINK后新建文档, 运用Power System中的各种元件模型建立仿真模型, 如图1-1所示。双击各模块, 在出现的对话框内设置相应的参数。

图2-1 仿真模型
2.仿真参数设计
( 1) 发电机参数设置
发电机额定容量为500MVA, 额定电压为13.8KV, 额定频率为60HZ, Yg连
接, 其它值采用默认值。
( 2) 三相负荷参数设置
额定容量为50MVA。
( 3) 三相变压器参数设置
额定频率为50HZ, 一次侧电压13.8KV, 二次侧电压220KV, 其它值采用默认值。
( 4) 三相输电线路参数设置
线路长100KM。
( 5) 故障模块参数设置
短路故障是用三相故障元件来模拟, 故障时间段可经过Transition Times来设置, 设置为0.06～0.12S。其余的短路故障模型能够经过修改三相故障模块的参数设置来实现, 将在以下仿真过程中进行设置。

图2-2 三相交流电源 图2-3 三相负载

图2-4 测量元件 图2-5 变压器

图2-6 输电线路 图2-7 三相故障模块
三、 实验报告
1.正常运行时, 观察并分析三相电压、 电流波形。
2.单相接地短路故障分析
将三相电路短路故障发生器中的”故障相选择”选择A相故障, 并选择故障相接地选项, 故障时间设置为0.06～0.12S, 观察并分析A相接地短路故障点三相电压、 电流波形。
同理, 也可设置B或C相单相接地短路, 观察并分析故障点三相电压、 电流波形。
3.两相短路接地故障分析
将三相电路短路故障发生器中的”故障相选择”选择A相和B相故障, 并选择故障相接地选项, 故障时间设置为0.06～0.12S, 观察并分析A相和B相接地故障点三相电压、 电流波形。
同理, 也可设置B相和C相, C相和A相两相接地短路, 观察并分析故障点三相电压、 电流波形, 线路电压、 电流波形分析。
4.两相短路故障分析
将三相电路短路故障发生器中的”故障相选择”选择A相和B相故障, 故障时间设置为0.06～0.12S, 观察并分析A相和B相短路故障点三相电压、 电流波形。
同理, 也可设置B相和C相, C相和A相两相短路, 观察并分析故障点三相电压、 电流波形, 线路电压、 电流波形分析。
5.三相短路接地故障分析
将三相电路短路故障发生器中的”故障相选择”的三相故障3个都选中, 故障时间设置为0.06～0.12S, 观察并分析故障点三相电压、 电流波形。
实验二 电流速断保护

一、 实验目的
1.掌握电流速断保护的工作原理、 整定计算、 保护构成和保护特点。
2.掌握相间短路时, 电流速断保护的动作时间。
二、 实验内容
电流保护原理: 当线路发生故障时, 线路中的电流会骤然增大, 当电流大于保护的整定值时, 电流保护动作切除故障, 这种反映电流幅值升高而动作的保护装置叫过电流保护。电流保护分为: 电流速断保护、 限时电流速断保护和定时限过电流保护, 称为电流三段式保护。
对于单侧电源供电线路, 在每回线路的电源侧均安装有电流速断保护。当输电线路上发生短路时, 动作电流按躲过被保护线路末端短路时的最大短路电流整定。使其保护范围限制在被保护线路的内部, 保证了选择性, 能够瞬间切除故障。流过保护安装地点的短路路电流:

1.仿真模型的建立

图3-1 单侧电源网络
以一个110kV系统为例进行模型搭建。模型的基本元件有: 电源、 断路器、 三相负载、 继电器、 三相负载、 继电器, 以及用来仿真故障的三相故障模型, 傅立叶元件、 测量元件、 示波器等。从SimPowersystem模块库中找出各模块, 组合连接。
2.主要模块参数设置及功能:
( 1) 三相电源模块
模拟三相电源。线电压设置为110kV; A相的相位角设置参数为0; 频率设置参数为50Hz, 内部连接方式设置为Yg, 星形连接; 电源的内部电阻设置参数为3Ω; 电源内部电感设置参数为4H。
( 2) 断路器模块
断路器的起始状态设置为closed, 闭合状态A、 B、 C开关不设置触发, 即前面不打勾; 开、 断时间的外部控制需要用到, 在前面打勾。
( 3) 三相故障模块。
此模块是一个能够经过外部或内部信号来控制开和闭合时间的三相断路器, 能够模拟相间和接地短路状态。经过对参数的设置, 能够选择故障类型、 控制信号、 开关状态等。设置起始状态为闭合, 故障时间为0.4～0.8S。
( 4) 傅立叶滤波模块
此模块应用全波傅立叶算法, 用于提取幅值和相角。
( 5) 继电器模块
当输入信号达到动作值时, 开关断开, 输出高电平信号1; 当输入值小于返回值时, 开关关闭, 输出低电平信号0。
( 6) 延时模块
用于对输入信号做相应的延时处理。
( 7) 逻辑非操作模块
用于对输入信号进行反处理。
( 8) 使能子系统模块
当控制信号端输入大于零时, 输入信号能够输出; 当控制信号小于零时, 输入信号不能输出, 输出端将保持输出不变。

图3-2 仿真模型

图3-3 子系统仿真模型

图3-4 电压源 图3-5 断路器

图3-6 三相负载 图3-7 故障模块

图3-8 傅立叶模块 图3-9 继电器

图3-10 延时模块 图3-11 逻辑非模块
三、 实验报告
1.根据所给出的系统模型, 计算保护的整定值, 整定各继电器的参数。
2.设置不同故障类型, 分析波形, 观察保护动作情况。
3.经过改变负载参数来模拟改变故障位置, 分析波形, 观察保护动作情况。

实验三 三段式电流保护

一、 实验目的
1.加深了解三段式电流保护的原理。
2.掌握三段式电流保护的参数整定及各段保护之间的配合。
二、 实验内容
电流保护分电流速断保护( Ⅰ段保护) , 限时电流速断保护( Ⅱ段保护) 和过电流保护( Ⅲ段保护) 。
1.线路三段式电流保护模型能够分为以下4各部分:
( 1) 电流保护Ⅰ段: 该子系统主要功能是: 当线路在Ⅰ段范围内发生故障时, 保护立即起动并切出故障, 它只能保护本线路的一部分。它是经过傅立叶模块变换的电流与预先设置的继电器电流相比较, 若大于预置值则输出1, 反之输出0, 这个信号在经过延时模块, 因为电流Ⅰ段是瞬时动作, 因此延时时间很小, 然后经过保护出口将最终的信号输出给断路器的外部控制端。保护出口部分主要由非门、 加法器和常数, 使能子系统模块构成, 其主要功能是将保护模块的动作行为保持。
( 2) 电流保护Ⅱ段: 该子系统主要功能是: 当线路在Ⅱ段范围内发生故障时, 保护经过一个动作延时启动并切出故障, 它能保护本线路的全长。其动作原理与电流Ⅰ段相同, 只是延时时间不一样, 当满足灵敏度的情况下Ⅱ段的延迟时间是0.5S。
( 3) 电流保护Ⅲ段: 该子系统主要功能是: 当线路在Ⅲ段范围内发生故障时, 保护经过一个动作延时启动并切出故障, 它不但能保护本线路的全长, 而且能保护下级相邻线路的全长。其动作原理与电流保护Ⅰ段基本相同, 也只是延迟时间设置不一样。当满足灵敏度的情况下, 它的动作时间应与下一保护的Ⅲ段相配合。
( 4) 保护出口部分, 该部分的功能就是将电流Ⅰ、 Ⅱ和Ⅲ段的输出信号相与。
模拟单侧电源系统中, 线路发生故障时保护的动作情况, 在线路的不同位置模拟故障。

图4-1 仿真模块

图4-2 subsystem子系统模块

图4-3 subsystem1子系统模块

图4-4 subsystem2子系统模块

2.该模型各个模块参数设置如下:
( 1) 交流电压源
模拟一个单相电源模块, 经过设定该模块参数来模拟单侧电源系统。线电压设置为110kV; 相位角设置参数为0; 频率设置参数为50Hz。
( 2) 断路器模块
断路器的起始状态设置为closed, 闭合状态A、 B、 C开关不设置触发, 即前面不打勾; 开、 断时间的外部控制需要用到, 在前面打勾。
( 3) 三相故障模块。
此模块是一个能够经过外部或内部信号来控制开和闭合时间的三相断路器, 能够模拟相间和接地短路状态。经过对参数的设置, 能够选择故障类型、 控制信号、 开关状态 等。设置起始状态为闭合, 故障时间为0.4～0.8S。
( 4) 傅立叶滤波模块
此模块应用全波傅立叶算法, 用于提取幅值和相角。
( 5) 继电器模块
当输入信号达到动作值时, 开关断开, 输出高电平信号1; 当输入值小于返回值时, 开关关闭, 输出低电平信号0。
( 6) 延时模块
用于对输入信号做相应的延时处理。
( 7) 逻辑非操作模块
用于对输入信号进行反处理。
( 8) 使能子系统模块
当控制信号端输入大于零时, 输入信号能够输出; 当控制信号小于零时, 输入信号不能输出, 输出端将保持输出不变。

图4-5 电压源 图4-6 断路器

图4-7 负载 图4-8 故障模块

图4-9 傅立叶模块 图4-10 继电器

图4-11 延时模块 图4-12 逻辑模块
三、 实验报告
1.根据所给出的系统模型, 计算保护的整定值, 整定各继电器的参数。
2.根据线路三段式保护的原理以及各段保护之间的配合, 经过改变负载参数来模拟改变故障位置, 分析波形, 观察各段保护动作情况。
3.经过改变故障模块参数来模拟故障类型, 分析波形, 观察保护动作情况。
实验四 线路自动重合闸电流保护

一、 实验目的
1.熟悉自动重合闸加速保护的接线原理。
2.理解自动重合闸加速保护的组成、 动作特性。
2.掌握电流保护与自动重合闸之间的配合。
二、 实验内容
重合闸保护是当线路上发生故障时, 靠近电源侧的保护首先动作使断路器跳闸, 而后在借助自动重合闸来纠正这种非选择性动作。若发生的故障是瞬时性的, 则重合成功, 恢复供电; 若故障是永久性的, 保护再次动作使断路器跳闸。

图5-1 仿真模块

图5-2 子系统仿真模块

图5-3 重合闸模块

图5-4 重合闸后加速模块
1.保护模块, 模块主要由傅立叶变换模块、 继电器、 延迟模块, 其主要功能是将傅立叶变换后的电流幅值与定值相比较, 一旦大于定值, 经延时输出为0。
2.保护出口模块, 该模块的主要功能是将保护模块的动作行为保持, 主要由非门、 加法器和常数、 使能子系统模块构成。如保护模块中延迟模块的输出为0, 则经非门在与常数-0.5相加后, 可使保护出口模块使能端输出为1, 保护出口模块输出为0.
3.重合闸模块, 主要功能是在第一次判断线路发生故障跳闸后, 经过一段时间实现断路器重合。主要由非门、 常数发生器、 加法器、 使能子系统和延迟模块组成。如保护模块输出为0, 则经整定延时后, 重合闸使能出口模块输出为1。
4.后加速模块, 主要功能是判断断路器重合后故障是否存在。如故障依然存在, 则发出跳闸命令并不再重合; 如故障解除, 则保持合闸状态。主要由非门、 加法器、 常数发生器和使能子系统组成, 后加速模块的逻辑功能基本等同于保护模块和保护出口模块的合成, 不同的是后加模块是在重合闸后启动的, 另外, 该模块要实现加速跳闸功能, 因此在本例中设定延时值为0.01s。
5.执行模块, 将( 1) 、 ( 2) 和( 3) 部分的波形相加, 最终形成正确的断路器控制波形。

图5-5 电压源 图5-6 断路器

图5-7 三相负载 图5-8 故障模块

图5-9 三相负载 图5-10 故障模块
三、 实验报告
因为本仿真是对线路发生接地故障时, 断路器跳闸继而再重合, 分别设置永久性故障和瞬时性故障。
1.永久性接地故障
本设计设置的是线路在0.4s发生永久性接地故障, 如图5-11所示。在设置完故障模块参数后, 执行仿真, 分析故障线路电流和电压波形, 断路器动作情况, 重合闸模块动作情况, 是否重合成功。
2.瞬时性故障
本设计设置的是线路在0.3s～0.4s发生瞬时性接地故障, 如图5-12所示。在设置完故障模块参数后, 执行仿真, 分析故障线路电流和电压波形, 断路器动作情况, 重合闸模块动作情况, 是否重合成功。

图5-11 瞬时性接地故障模块 图5-12 永久性接地故障模块