電力變壓器繼電保護(hù)動(dòng)作行為仿真分析系統(tǒng)

近年來(lái)，隨著基于MATLAB的電力變壓器繼電保護(hù)建模與仿真分析系統(tǒng)的逐步開發(fā)與完善，對(duì)確保整個(gè)電力系統(tǒng)中變壓器的穩(wěn)定、安全運(yùn)行，都有著重要的意義。該文結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，探討和研究了一種基于MATLAB軟件，所開發(fā)設(shè)計(jì)的可實(shí)現(xiàn)多種電力變壓器繼電保護(hù)行為的仿真分析系統(tǒng)。

電力變壓器是電力系統(tǒng)中非常重要的供電元件，其故障的發(fā)生對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和供電可靠性都會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的影響。同時(shí)，電力變壓器尤其是大容量的變壓器也是十分貴重的元件，必須根據(jù)變壓器的容量及重要性裝設(shè)性能優(yōu)異、工作可靠的繼電保護(hù)裝置。然而據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，在2007～2013年期間，我國(guó)電力變壓器縱差保護(hù)共動(dòng)作1464次，其中誤動(dòng)作或拒動(dòng)作449次，動(dòng)作正確率只有69.3%，其繼電保護(hù)正確率遠(yuǎn)低于發(fā)電機(jī)保護(hù)和線路保護(hù)。因此，有必要加強(qiáng)對(duì)電力變壓器繼電保護(hù)動(dòng)作行為的建模與仿真分析。本文在綜合分析電力變壓器繼電保護(hù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，主要探討和研究了如何利用仿真分析系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器多種繼電保護(hù)行為的仿真分析。

一、MATLAB軟件簡(jiǎn)介

MATLAB是目前國(guó)際公認(rèn)的優(yōu)秀科技應(yīng)用軟件之一，它是以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)，將計(jì)算可視化程序設(shè)計(jì)融合到交互的工作環(huán)境當(dāng)中，可實(shí)現(xiàn)工程計(jì)算、算法研究、數(shù)據(jù)分析、建模和仿真、程序開發(fā)等多種功能。隨著科技的逐步發(fā)展，MATLAB軟件也正逐步得以完善，并逐漸發(fā)展為一個(gè)具有極高通用性，并附帶有多種實(shí)用工具的運(yùn)算操作平臺(tái)。

Simulink則是MATLAB所提供的用于對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的集成環(huán)境，也是結(jié)合了框圖界面與交互仿真功能的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具。Simulink可提供多種仿真工具，尤其是其不斷擴(kuò)展的、內(nèi)容豐富的模塊庫(kù)，不僅能夠進(jìn)行線性和非線性系統(tǒng)的仿真，而且支持多種采樣頻率系統(tǒng)的放逐者，使不同的系統(tǒng)能以不同的采樣頻率組合，這樣就可以仿真較大和較復(fù)雜的系統(tǒng)，這也為電力變壓器繼電保護(hù)動(dòng)作行為的建模與仿真提供了極大的便利。

本文所分析的變壓器繼電保護(hù)動(dòng)作行為仿真系統(tǒng)，即主要是采用的Simulink模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，整個(gè)系統(tǒng)的操作簡(jiǎn)單，人機(jī)界面友好，仿真結(jié)果準(zhǔn)確、直觀，能充分滿足對(duì)變壓器繼電保護(hù)的故障分析、試驗(yàn)研究、培訓(xùn)教學(xué)等多方面的用途。

二、仿真分析系統(tǒng)軟件功能概述

本文所分析的電力變壓器繼電保護(hù)動(dòng)作行為仿真分析系統(tǒng)軟件，是基于MATLAB軟件中的Simulink模塊構(gòu)建出各類變壓器故障模型，并以Simulink模塊建模仿真出的故障數(shù)據(jù)波形與GUI界面相結(jié)合，共同構(gòu)建得到的一款人機(jī)界面友好、操作簡(jiǎn)便的電力變壓器繼電保護(hù)分析軟件。

在差動(dòng)保護(hù)分析系統(tǒng)界面中科可實(shí)現(xiàn)由GUI界面提供的“參數(shù)錄入”，使數(shù)據(jù)信息能夠傳遞到Simulink差動(dòng)保護(hù)模型的變壓器參數(shù)當(dāng)中。其中，電力變壓器參數(shù)主要可通過(guò)相關(guān)計(jì)算軟件所得出，再將參數(shù)值輸入到“保護(hù)整定”中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作值的整定。界面中的“故障類型”則主要包括了變壓器短路的各類故障情況，例如內(nèi)部三相短路、內(nèi)部各兩相線路間短路、內(nèi)部A相接地故障、繞組之間的短路故障等等。當(dāng)完成了各項(xiàng)參數(shù)的錄入工作以后，即可點(diǎn)擊界面中的“開始仿真”按鈕，分析系統(tǒng)即可根據(jù)編程得到具體分析結(jié)果，并根據(jù)變壓器的各類短路故障類型進(jìn)行分析，以判斷變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作是否正確。

三、仿真分析系統(tǒng)中模型構(gòu)建與仿真分析

電源采用“Three-phase soure”模型，電源EN與電源EM的電勢(shì)相位差10°，其它設(shè)置基本相同；變壓器T采用“Three-phase transformer”模型，并選種飽和鐵芯，為了簡(jiǎn)化仿真，可設(shè)定變壓器兩側(cè)的繞組接線方式相同，電壓等級(jí)也相同；三相電壓電流測(cè)量模塊UM、UN將在變壓器兩側(cè)測(cè)量得到的電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)镾imulink信號(hào)，相當(dāng)于電壓、電流互感器的作用；三相斷路器模型QF1和QF2分別用于控制變壓器的投入，故障模塊Fault1和Fault2則分別用于仿真變壓器保護(hù)區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障。

變壓器差動(dòng)保護(hù)的建模與仿真。變壓器空載合閘時(shí)勵(lì)磁涌流的仿真。仿真分析系統(tǒng)利用圖3中模型分析三相變壓器空載合閘過(guò)程時(shí)，設(shè)置三相斷路器模塊QF1的切換時(shí)間為0s，仿真時(shí)間為0.5s，仿真算法為Ode23t。三相斷路器模塊QF2、故障模塊Fault1和Fault2在仿真中均不動(dòng)作（設(shè)置其切換時(shí)間不大于仿真時(shí)間即可）。為了觀察變壓器合閘時(shí)的勵(lì)磁涌流，系統(tǒng)在圖3中所示的模型中添加了示波器模塊，為了便于對(duì)勵(lì)磁涌流進(jìn)行諧波分析，示波器模塊的參數(shù)應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。

將電源EM的A相位初相位設(shè)置為0°后運(yùn)行仿真，即可得到變壓器空載合閘后的三相勵(lì)磁涌流的波形。對(duì)仿真結(jié)果分析可知，可以明顯觀測(cè)得到變壓器勵(lì)磁涌流具有以下特點(diǎn)：包含有很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于時(shí)間軸的一側(cè)；包含有大量的高次諧波；波形之間容易出現(xiàn)間斷。仿真分析系統(tǒng)為了有效比較合閘時(shí)勵(lì)磁涌流與短路電流的大小，設(shè)置有故障模塊Fault1，使電路在0.25～0.45s之間發(fā)生三相短路，再進(jìn)行運(yùn)行仿真，即可得出：在本次仿真中，A相空載合閘時(shí)的勵(lì)磁涌流峰值相比短路電流要稍小，而B、C相空載合閘時(shí)的勵(lì)磁涌流峰值要比短路電流大。通過(guò)仿真分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)中短路故障電流和勵(lì)磁涌流的有效區(qū)分。

變壓器繞組內(nèi)部故障的仿真。如果只是利用圖3中的模型，是無(wú)法進(jìn)行變壓器繞組內(nèi)部故障仿真的，為了有效解決這一問(wèn)題，可將圖3中的三相變壓器模型改變?yōu)槿齻€(gè)單相變壓器，并在系統(tǒng)變壓器屬性框中選中“三繞組變壓器”，從而構(gòu)建出具有一個(gè)初級(jí)繞組、兩個(gè)次級(jí)繞組的單相變壓器（兩個(gè)次級(jí)繞組首尾相連，當(dāng)作一個(gè)次級(jí)使用）。初級(jí)繞組和次級(jí)繞組可按照三相變壓器的接線組別進(jìn)行連接，次級(jí)繞組的額定電壓、電阻和電感的參數(shù)可靈活調(diào)整以便進(jìn)行變壓器內(nèi)部故障的仿真，故障點(diǎn)可設(shè)置于兩個(gè)次級(jí)繞組的連接線上，也可設(shè)置于繞組首段，新的仿真模型如。

經(jīng)過(guò)這樣設(shè)置處理后，即可進(jìn)行變壓器內(nèi)部整個(gè)繞組的單相接地、兩相短路、兩相接地短路、三相短路等故障的仿真分析。在分析過(guò)程中，可設(shè)置兩個(gè)次級(jí)繞組的參數(shù)相同，并設(shè)置三相斷路器模塊QF1、QF2的切換時(shí)間均為0s，故障模塊為Fault1，使電路在0.3s～0.5s之間發(fā)生AB相間短路，故障模塊Fault2不動(dòng)作，再運(yùn)行仿真，即可得到變壓器繞組50%處發(fā)生兩相短路故障時(shí)的電流波形圖。

本文結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，探討和研究了一種基于MATLAB軟件，所開發(fā)設(shè)計(jì)的可實(shí)現(xiàn)多種電力變壓器繼電保護(hù)行為的仿真分析系統(tǒng)，并利用MATLAB軟件中的Simulink模塊，主要構(gòu)建出了變壓器差動(dòng)保護(hù)中的各類仿真模型，并對(duì)各個(gè)保護(hù)模型在不同故障類型下進(jìn)行了仿真與分析，通過(guò)仿真所得出的結(jié)果也與繼電保護(hù)的實(shí)際理論相一致，這也證實(shí)了該系統(tǒng)建模與仿真的正確性。

（作者單位：國(guó)網(wǎng)四川省電力公司技能培訓(xùn)中心）

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