基于通用實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的電流保護(hù)仿真研究

摘 要：根據(jù)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)電流保護(hù)原理，對(duì)設(shè)計(jì)的配電網(wǎng)絡(luò)線路進(jìn)行詳細(xì)分析后，利用課題組自主研發(fā)的以MATLAB/Simulink軟件為開發(fā)環(huán)境，以LabView軟件為監(jiān)控界面的通用實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)（Universal Real-time Experimental Platform，簡稱UREP）搭建35 kV電力系統(tǒng)配電線路網(wǎng)絡(luò)三段式電流保護(hù)仿真模型，在完成實(shí)時(shí)仿真過程后，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真波形。仿真結(jié)果表明該實(shí)驗(yàn)為研制和測(cè)試基于IEC61850的繼電保護(hù)仿真平臺(tái)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：通用實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)；仿真；電流保護(hù)；MATLAB/Simulink

中圖分類號(hào)：TM773

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

近年來，我國電力系統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)模發(fā)展極為迅速，35 kV電壓等級(jí)的高壓配電網(wǎng)作為配電網(wǎng)中的重要部分，需要加強(qiáng)保護(hù)控制。重視供輸電保護(hù)，忽略配電網(wǎng)保護(hù)的傳統(tǒng)觀念正在面臨著巨大的挑戰(zhàn)[1-3]。本文根據(jù)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中電流保護(hù)原理，采用了繼電保護(hù)相關(guān)算法，利用MATLAB/ Simulink搭建了35 kV配電線路網(wǎng)絡(luò)三段式電流保護(hù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并在課題組自主研發(fā)的通用實(shí)時(shí)仿真器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)波形。另外本文通過LabView軟件建立仿真監(jiān)控平臺(tái)，觀察電路故障暫態(tài)過程時(shí)配電線路各處電流、電壓變化情況，明確繼電器整定參數(shù)對(duì)保護(hù)范圍的影響。

1 實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)

MATLAB因其強(qiáng)大的計(jì)算能力、模塊化集合工具箱以及圖形仿真界面在電力系統(tǒng)仿真中得到了廣泛應(yīng)用。MATLAB/ Simulink模塊中Power Systems工具箱專門適用于電力系統(tǒng)建模仿真。課題組自主開發(fā)的UREP能夠?qū)崿F(xiàn)與MATLAB/ Simulink完全對(duì)接，UREP包含多核處理器、高速通信卡、輸入輸出設(shè)備、LabView監(jiān)控軟件和Windows操作系統(tǒng)。在UREP仿真平臺(tái)上，用戶能夠利用MATLAB/Simulink工具建立電力系統(tǒng)和控制模型，并將其轉(zhuǎn)化為C語言程序代碼，下載到實(shí)時(shí)硬件上運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制目的。UREP具有快速控制原型（Rapid Control Prototype，簡稱RCP）、功率級(jí)快速控制原型（Power Level Rapid Control Prototype）、硬件在環(huán)（Hardware in the Loop，簡稱HiL）和功率級(jí)硬件在環(huán)（Power Level Hardware In The Loop）等4項(xiàng)基本功能，最短仿真步長可達(dá)到30 μs，輸入輸出接口支持±10 V模擬信號(hào)的輸入/輸出，能夠滿足三段式電流保護(hù)實(shí)驗(yàn)研究要求[4]。

2 三段式電流保護(hù)

三段式電流保護(hù)分為電流速斷保護(hù)（I段）、限時(shí)電流速斷保護(hù)（II段）和定時(shí)限過電流保護(hù)（III段）[5]。電流速斷保護(hù)（I段）反應(yīng)于配電線路電流幅值增大而瞬時(shí)動(dòng)作，其整定原則是躲開下級(jí)線路出口處短路時(shí)可能出現(xiàn)的最大電流[6]。限時(shí)電流速斷保護(hù)（II段）則是在任何情況下能夠保護(hù)本線路全長，并留有足夠的靈敏性[7]。定時(shí)限過電流保護(hù)（III段）能夠作為下級(jí)線路主保護(hù)和斷路器拒動(dòng)時(shí)的遠(yuǎn)后備保護(hù)，同時(shí)作為本線路主保護(hù)拒動(dòng)時(shí)的近后備保護(hù)，通常按照躲開最大負(fù)荷電流來整定[8]。

文中使用的35 kV配電線路三段式電流保護(hù)模型如圖1所示。已知電力系統(tǒng)電源電壓為35 kV，系統(tǒng)最大和最小等效阻抗分別為Xsmax=9 Ω，Xsmin=6 Ω，AB線路長度為25 km，BC線路長度為60 km，線路單位阻抗0.4 Ω/km，線路AB的最大負(fù)荷電流為100 A，線路BC的過電流保護(hù)時(shí)限為1.0 s。

對(duì)上述模型進(jìn)行定量分析，計(jì)算出短路電流。利用式（1）～（4）計(jì)算得到在最大、最小運(yùn)行方式下線路AB、BC末端的三相短路電流。

按照表1三段式電流保護(hù)整定公式，計(jì)算得到三段式電流保護(hù)整定值。表1中保護(hù)I段整定時(shí)間t考慮到躲過線路避雷器的放電時(shí)間，因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定為60 ms。

3 仿真建模

在MATLAB/Simulink中從控制模塊庫和電力系統(tǒng)模塊庫拖出模擬無窮大電網(wǎng)的電源模塊、斷路器模塊、負(fù)載模塊、繼電器模塊、故障設(shè)定模塊，傅里葉濾波模塊、測(cè)量模塊和示波器模塊等，搭建出如圖2所示的三段式電流保護(hù)模型，并按照上述整定計(jì)算參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

參數(shù)設(shè)置如下：三相電源模塊E（Three Phase Source）參數(shù)設(shè)置分別為電壓35 kV、相位角0°，頻率50 Hz；三相線路模型劃分為兩部分，Line1為AB總長的20%；負(fù)荷電流為100 A，以此計(jì)算其他參數(shù)（設(shè)功率因數(shù)為1），負(fù)載運(yùn)行方式、電壓有效值、頻率、有功功率、無功功率分別設(shè)置為：Y（floating）、35 e3、50、6.4 e6、0；仿真初始時(shí)刻斷路器設(shè)置為閉合狀態(tài)，ABC三相開關(guān)不設(shè)置觸發(fā)，外部控制其開斷時(shí)間；三相故障模塊能夠?qū)崿F(xiàn)外部或內(nèi)部來控制開閉時(shí)間，可以模擬多種短路故障情況。系統(tǒng)初始狀態(tài)工作正常，在0.2 s時(shí)發(fā)生短路故障。

如圖3所示為電流保護(hù)控制模塊。圖2中三段式電流保護(hù)控制部分為圖3模塊的封裝形式。該部分模塊用測(cè)量模塊將電力系統(tǒng)電壓電流采集過來，應(yīng)用傅里葉算法，提取電流數(shù)據(jù)的幅值，然后將其送入繼電器模塊。當(dāng)輸入信號(hào)大于等于整定值時(shí)，繼電器斷開，operation處輸出低電平信號(hào)；當(dāng)輸入值小于整定返回值時(shí)，繼電器閉合，operation處輸出高電平信號(hào)。電流保護(hù)整定時(shí)間通過延時(shí)模塊實(shí)現(xiàn)，以此對(duì)輸入信號(hào)做相應(yīng)的延時(shí)處理。系統(tǒng)中使能模塊能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)控制信號(hào)輸入大于零時(shí)，輸出端穩(wěn)定輸出信號(hào)；當(dāng)控制信號(hào)小于零時(shí)，輸出端不輸出信號(hào)。

LabView軟件具有圖形化的控件和編程思維，非常適合監(jiān)控界面開發(fā)。配電線路和電流保護(hù)控制均在MATLAB/Simulink中完成模型搭建，然后編譯并下載到UREP平臺(tái)中運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)主機(jī)和UREP采用以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行通信，主機(jī)以模擬量和數(shù)字量的形式將線路電流和控制信號(hào)傳遞給UREP，UREP在處理完信號(hào)后再將波形和數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)進(jìn)行顯示。如圖4所示為基于LabView的繼電保護(hù)監(jiān)控平臺(tái)。

4 仿真結(jié)果與分析

將三段式電流保護(hù)整定值按圖5所示進(jìn)行設(shè)置，將powergui模塊復(fù)制到仿真模型窗口，選擇為離散（Discrete）仿真方式。

線路正常運(yùn)行時(shí)，監(jiān)測(cè)保護(hù)A處得到線路電流波形和控制信號(hào)如圖6所示。

在t=0.2 s時(shí)刻，系統(tǒng)I段保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生三相短路，監(jiān)測(cè)A處，得到保護(hù)A處的電流和保護(hù)動(dòng)作情況如圖7所示。

在t=0.2 s時(shí)刻，在圖2中將Line1的阻值設(shè)為10 Ω，Line2的阻值設(shè)為0.01 Ω，模擬AB線路末端發(fā)生兩相短路故障，得到保護(hù)A處的電流和保護(hù)動(dòng)作情況如圖8所示。

正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，流過配電網(wǎng)絡(luò)線路的電流幅值較小。當(dāng)線路中發(fā)生短路故障時(shí)，電流幅值會(huì)突然增加。三段式電流保護(hù)控制模塊通過監(jiān)測(cè)流過線路的三相電流幅值能夠?qū)崿F(xiàn)線路正常通斷控制。由上述仿真結(jié)果可知：當(dāng)在AB線路20%處發(fā)生三相短路故障時(shí)，電流速斷保護(hù)立即動(dòng)作，當(dāng)在AB線路末端發(fā)生兩相短路故障時(shí)，線路經(jīng)過0.5 s的延遲時(shí)間斷開。

5 結(jié)語

近年來我國配電網(wǎng)迅速發(fā)展，配電網(wǎng)保護(hù)顯得尤為重要。文中以35 kV配電線路為基本模型，以課題組自主研發(fā)的通用實(shí)時(shí)仿真器（UREP）為仿真平臺(tái)，利用MATLAB/ Simulink仿真軟件和LabView圖形化編程軟件，搭建并實(shí)時(shí)仿真35 kV配電線路三段式電流保護(hù)模型，得到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所搭建的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軌蛘＿\(yùn)行并反映實(shí)際情況，為研制基于IEC61850的繼電保護(hù)仿真平臺(tái)奠定了基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：曾 晶）