MATLAB在三段式電流保護(hù)教學(xué)中的應(yīng)用

李裕 冷雪梅 孫璟 張雪萍

摘要：三段式電流保護(hù)是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中最基本的保護(hù)，也是最重要的保護(hù)。它不僅在線路而且在電力設(shè)備中都得到普遍應(yīng)用。為了便于學(xué)生通過學(xué)習(xí)三段式電流保護(hù)掌握過電流保護(hù)的原理，掌握繼電保護(hù)中近后備、遠(yuǎn)后備概念、保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的配合及保護(hù)的“四性”等問題，提出在三段式電流保護(hù)教學(xué)過程中利用MATLAB進(jìn)行仿真，分析不同保護(hù)范圍內(nèi)故障時(shí)各段保護(hù)是如何配合動(dòng)作的。

關(guān)鍵詞：三段式電流保護(hù);教學(xué);MATLAB仿真

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）33-0061-02

一、問題的提出

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程是電氣專業(yè)非常重要的專業(yè)課程，其教學(xué)內(nèi)容主要從分析被保護(hù)設(shè)備故障狀態(tài)與正常運(yùn)行狀態(tài)的差異著手，并利用這些差異構(gòu)成各種保護(hù)原理，并在此基礎(chǔ)上講述利用不同保護(hù)原理構(gòu)成的保護(hù)裝置的邏輯圖。在教學(xué)過程中三段式電流保護(hù)在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程中占有非常重要的地位，需要詳細(xì)講解。為了便于學(xué)生通過學(xué)習(xí)三段式電流保護(hù)掌握過電流保護(hù)的原理，掌握繼電保護(hù)中近后備、遠(yuǎn)后備概念、保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的配合及保護(hù)的“四性”等問題，提出在三段式電流保護(hù)教學(xué)過程中利用MATLAB進(jìn)行仿真，分析不同區(qū)域故障時(shí)各段保護(hù)是如何配合動(dòng)作的。

二、三段式電流保護(hù)的重要性

電力系統(tǒng)中以電力線路規(guī)模巨大，線路保護(hù)成為繼電保護(hù)中的重要組成部分。[1]

電力線路的電流保護(hù)是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中最基本的保護(hù)，也是最重要的保護(hù)，它不僅在線路而且在電力設(shè)備中都得到普遍應(yīng)用。

在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的教材中，大多都是最先講三段式電流保護(hù)，然后講其他的保護(hù)方式，這除了文中所列上述兩個(gè)原因外，還因?yàn)槿问诫娏髟砗唵?，可以通過對(duì)該部分知識(shí)的詳細(xì)講授，使學(xué)生容易掌握繼電保護(hù)中保護(hù)范圍、近后備、遠(yuǎn)后備、保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的配合及保護(hù)的“四性”等概念，便于后期復(fù)雜保護(hù)的學(xué)習(xí)。

以往該部分知識(shí)的講授是由理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合完成。理論部分利用板書畫圖講解，但這種講解方式存在浪費(fèi)時(shí)間、不直觀等缺點(diǎn)，不利于學(xué)生的理解。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果不好。很多高校的繼電保護(hù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置都是直接廠家的插線式教學(xué)儀器。學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候只需要按照實(shí)驗(yàn)講義要求插拔相應(yīng)的線路，完善對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)就好了。雖然做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間縮短了，但是學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后依然不明白實(shí)驗(yàn)原理是什么、為什么這么做實(shí)驗(yàn)、解決了什么問題。

利用仿真可以方便設(shè)置不同位置的短路點(diǎn)，且在理論教學(xué)環(huán)節(jié)就可以通過仿真結(jié)果驗(yàn)證理論，較在實(shí)驗(yàn)室方便。

三、仿真實(shí)例

現(xiàn)以一單電源輻射型輸電網(wǎng)絡(luò)為例進(jìn)行三段式電流保護(hù)的MATLAB仿真，并通過分析仿真結(jié)果來講解保護(hù)的相關(guān)概念。

1.實(shí)例計(jì)算

單電源輻射型網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，其相關(guān)相關(guān)數(shù)據(jù)如下標(biāo)注：

網(wǎng)絡(luò)電壓等級(jí)為10kV，AB線路長10km，BC線路長15km，單位阻抗為Z1=0.4Ω/km，其中=1.25，=1.1，=1.2，=1.5，=0.85，=0.3Ω，=0.2Ω。

整定計(jì)算結(jié)果如下：

（1）電流速斷保護(hù)。

動(dòng)作值：（KA）;動(dòng)作時(shí)間：t1=0s （在仿真時(shí)，為了方便觀察將I段動(dòng)作時(shí)間近似設(shè)為0.001s）;靈敏性校驗(yàn)：，靈敏性滿足要求。

（2）限時(shí)電流速斷保。

動(dòng)作值：0.82（KA）;動(dòng)作時(shí)間：（在仿真時(shí)，為了方便觀察將II段動(dòng)作時(shí)間近似設(shè)為0.1s）;靈敏性校驗(yàn)：，靈敏性滿足要求。

（3）定時(shí)限過電流保護(hù)。

動(dòng)作值：（KA）;動(dòng)作時(shí)間：（在仿真時(shí)，為了方便觀察將III段動(dòng)作時(shí)間近似設(shè)為0.5s）;靈敏性校驗(yàn)：近后備Ksen近=4.5>1.5，靈敏性滿足要求，可做本線路近后備保護(hù);遠(yuǎn)后備：Ksen=1.87>1.2，靈敏性滿足要求，可做下一條線路遠(yuǎn)后備保護(hù)。

2.SIMULINK介紹

Simulink是以工具庫的形式掛接在MATLAB上的，不能獨(dú)立運(yùn)行，只能在MATLAB環(huán)境中運(yùn)行。[2]Simulink是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它支持連續(xù)、離散或兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，也支持具有多種采樣速率的多速率系統(tǒng)。

本設(shè)計(jì)中共使用了位于Simpowersystems模塊庫和Simulink模塊庫中的29 個(gè)不同的模塊。

3.三段式電流保護(hù)模塊系統(tǒng)介紹

線路三段式電流保護(hù)仿真模型可以分為4個(gè)部分搭建：

（1）一次部分：由交流電壓源模塊（AC Volatge block）、線路模塊（Series RLC Branch block）、電流測量器模塊（Current Measurement block）、斷路器模塊（break）、三相故障模塊（Three-Phase Fault block）、傅利葉變換模塊（Fourier block）等模塊組成，如圖2所示。圖中電流測量器模塊（Current Measurement block）相當(dāng)于保護(hù)中電流互感器，通過它將電流引給二次保護(hù);傅利葉變換模塊（Fourier block）提取一次電流的模值，其模值端接三段式電流保護(hù)[3];三相故障模塊（Three-Phase Fault block）設(shè)置短路故障，而故障發(fā)生時(shí)間有時(shí)間模塊（Timer）控制。

（2）電流保護(hù)各段模塊如圖3所示。

電流保護(hù)由繼電器模塊（Relay）和延時(shí)模塊（Transport Delay）兩個(gè)部分組成。繼電器模塊是將經(jīng)過傅立葉模塊變換的電流與通過整定計(jì)算確定的繼電器設(shè)定的電流相比較，若大于預(yù)置值則輸出1，反之輸出0，這個(gè)信號(hào)再利用Transport Delay延遲模塊設(shè)置整定時(shí)間，因電流Ⅰ段是速斷保護(hù)，所以這個(gè)延遲時(shí)間很小（0.01s）。電流II、III段的電流比較及延時(shí)所選用的模塊及模塊參數(shù)的設(shè)定同電流I段，只是具體參數(shù)數(shù)值不一樣。

（3）保護(hù)出口模塊，如圖3所示，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（NOT）、加法器（SUM）和常數(shù)（constant）、使能子系統(tǒng)模塊（Enable Subsystem）構(gòu)成。由于使能子系統(tǒng)模塊的特點(diǎn)是：使能端輸入正數(shù)或零時(shí)，子系統(tǒng)開啟;使能端輸入負(fù)數(shù)時(shí)，子系統(tǒng)關(guān)閉，模塊輸出端為初始值或保持前一狀態(tài)。而保護(hù)模塊中延遲模塊的輸出為“1”或“0”，因此不能接在使能端上，否則會(huì)一直使保護(hù)出口模塊始終處于使能狀態(tài)，輸出為“1”。由圖2可見，如保護(hù)模塊中延遲模塊的輸出為“0”，則經(jīng)非門再與常數(shù)-0.5相加后，可是保護(hù)出口模塊使能端輸出為“1”。保護(hù)出口模塊輸出為“0”。

（4）保護(hù)總出口部分。該部分的功能就是將三段保護(hù)的輸出信號(hào)相與，就是當(dāng)Ⅰ段輸出為1，Ⅱ段輸出為0，Ⅲ段輸出也為0時(shí)，經(jīng)過一個(gè)乘法模塊，總輸出就為0，將斷路器跳開。同理，當(dāng)故障發(fā)生在Ⅱ段或是Ⅲ段范圍內(nèi)時(shí)保護(hù)也是按這個(gè)原理動(dòng)作的。

四、仿真結(jié)果及分析

（1）模擬電流Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作，將三相故障模塊設(shè)在電流Ⅰ段的范圍內(nèi)，即將線路1的值設(shè)置為2Ω，線路0、2分別為0.3、8Ω。

由圖4、圖5可以看出線路在0.1s發(fā)生了故障，產(chǎn)生一個(gè)較大的短路電流，之后經(jīng)過一個(gè)很小的延時(shí)0.11s，斷路器1跳閘。電流Ⅰ段成功按時(shí)動(dòng)作。

（2）模擬電流Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作，在電流Ⅱ段的范圍內(nèi)設(shè)置故障，由于本設(shè)計(jì)是模擬線路不同段發(fā)生故障，所以就可以直接改變線路1的值來模擬線路不同段的故障。將線路1的值設(shè)置為4Ω，線路0、2分別為0.3、6。仿真參數(shù)同上，執(zhí)行仿真后仿真結(jié)果如圖6、圖7所示：

由圖5可以看出線路在0.1s發(fā)生了故障，產(chǎn)生一個(gè)較大的短路電流，之后經(jīng)過預(yù)先設(shè)置的延時(shí)0.1s，斷路器1在0.2s跳閘。電流Ⅱ段成功按時(shí)動(dòng)作。

（3）模擬電流Ⅲ段保護(hù)動(dòng)作，在電流Ⅲ段的范圍內(nèi)設(shè)置故障，由于本設(shè)計(jì)是模擬線路不同段發(fā)生故障，所以就可以直接改變線路1的值來模擬線路不同段的故障。將線路1的值設(shè)置為10Ω，線路0、2分別為0.3、3.5。仿真參數(shù)同上，執(zhí)行仿真后仿真結(jié)果如圖8、圖9所示：

由圖可以看出線路在0.1s發(fā)生了故障，產(chǎn)生一個(gè)較大的短路電流，之后經(jīng)過預(yù)先設(shè)置的延時(shí)0.5s，斷路器1在0.6s跳閘。電流Ⅲ段成功按時(shí)動(dòng)作。

五、結(jié)論

將三段式電流保護(hù)利用MATLAB進(jìn)行仿真可以直接在理論課堂進(jìn)行三段式電流保護(hù)的動(dòng)作演示。通過設(shè)置故障點(diǎn)在不同位置，讓學(xué)生通過電壓電流波形觀察三段電流保護(hù)的動(dòng)作情況，使學(xué)生能夠比較直觀地感受到三段式電流保護(hù)的保護(hù)范圍、后備保護(hù)、動(dòng)作時(shí)間如何配合等概念，比起以往只是簡單畫圖講解教學(xué)效果較好。同時(shí)，也可以將學(xué)生所學(xué)的MATLAB知識(shí)與繼電器保護(hù)知識(shí)融會(huì)貫通，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

參考文獻(xiàn)：

[1]賀家李，宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M].天津：中國電力出版，1994：202-235.

[2]王忠禮，段慧達(dá)，高玉峰.MATLAB應(yīng)用技術(shù)：在電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)中的應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[3]楊蘭，楊廷芳，陳眾，等.MATLAB/SIMULINK在繼電保護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2006，28（01）：53-55.

（責(zé)任編輯：王祝萍）