基于Matlab 的三段式電流保護(hù)仿真原理研究

張予慧

（武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢430000）

圖1 仿真模塊

1 單電源供電系統(tǒng)的三段式電流仿真

本文以單源輻射傳輸網(wǎng)絡(luò)為例，用MATLAB 對三段電流保護(hù)進(jìn)行仿真，并通過分析仿真結(jié)果來對保護(hù)的相關(guān)概念進(jìn)行講解。

網(wǎng)絡(luò)電壓等級為10KV，AB 線路的電阻為15Ω，BC 線路的電阻為23Ω。

E=220V，IL.BC.max=2A ,ZS=10，tBCⅢ=1s,Kss=1,KrelⅡ=KrelⅢ=1.1，KrelⅠ=1.2，Kre=0.85。

整定計(jì)算結(jié)果如下：

1.1 電流速斷保護(hù)

動作值：IⅠset.1=10.5A；動作時間：t1= 0 s（在仿真時為了方便觀察將I 段動作時間近似設(shè)為0.001s）；靈敏性校驗(yàn)為54%，靈敏性滿足要求。

1.2 限時電流速斷保護(hù)

動作值：IⅡset.AB= 6A；動作時間：tⅡAB=0.5（在仿真時，為了方便觀察將II 段動作時間近似設(shè)為0.5s）；靈敏性校驗(yàn)：Ksen=1.27>1 ，靈敏性滿足要求。

1.3 定時限過電流保護(hù)

動作值：IⅢset.AB= 3A；動作時間：tⅢAB=tⅢBC+1=2s（在仿真時，為了方便觀察將III 段動作時間近似設(shè)為1s）；靈敏性校驗(yàn)：近后備Ksen=2.5>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=1.32>1.2，靈敏性滿足要求，可做下一條線路遠(yuǎn)后備保護(hù)。

2 三段式電流保護(hù)仿真模型搭建

2.1 SIMULINK 的功能簡介

Simulink 是面向動態(tài)系統(tǒng)以及嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具，被廣泛的應(yīng)用到各種時變系統(tǒng)中，主要有信號處理、通信、圖像和視頻處理等，它能夠?yàn)檫@些系統(tǒng)提供交互式的圖形化環(huán)境以及制定模塊庫等來進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行以及測試等。

Simulink 的采樣時間可以分為三種情況：連續(xù)、離散以及前兩者混合，通過這三種方式來進(jìn)行采樣建模，同時還可以支持多速率的系統(tǒng)，也就是說在系統(tǒng)中的不同部分具有其各自獨(dú)特的采樣速率。為了能夠進(jìn)行動態(tài)系統(tǒng)模型的創(chuàng)建，Simulink 提供了一個用戶接口，該接口可以建立模型方塊圖的圖形，這個模型的建立過程比較簡單，僅僅需要利用鼠標(biāo)進(jìn)行簡單的操作即可完成，它所提供的方式更加的簡單明了，并且用戶能夠?qū)崟r看到仿真結(jié)果。

2.2 三段式電流保護(hù)仿真模塊介紹

三段式電流保護(hù)仿真可以被分成四個部分：

第一部分組成：交流電壓電源、線路、斷路器、三相故障、傅利葉變換等模塊。交流電壓源模塊模擬一個單相電源模塊，按照模擬量的數(shù)值設(shè)置線電壓大小和相角；改變線路模塊指的是對應(yīng)阻抗的數(shù)值能夠?qū)€路電流的大小進(jìn)行改變，進(jìn)而使得電流被保護(hù)的類型被改變。斷路器模塊的值為0 時，表示電路是斷開的；三相故障模塊是一個三相斷路器，它可以通過外部的信號來對其開合時間進(jìn)行控制，能夠?qū)ο嚅g和接地的短路狀態(tài)進(jìn)行模擬。傅利葉變換模塊應(yīng)用全波傅利葉算法，用來對電流幅值以及相角進(jìn)行分析。

第二部分組成：繼電器模塊和延時模塊兩部分組成。繼電器模塊的功能是將傅立葉模塊所轉(zhuǎn)換的電流與利用整定計(jì)算確定的電流設(shè)定值進(jìn)行比較，如果比整定值大則輸出1，否則輸出0；然后再把這個信號利用延時模塊來對整定時間進(jìn)行設(shè)置。

第三部分組成：保護(hù)出口模塊，主要是用作保護(hù)模塊的動作行為，由非門、加法器、常數(shù)、使能子系統(tǒng)。使能子系統(tǒng)具有下列特征：當(dāng)在使能端輸入正數(shù)或零時，子系統(tǒng)會開啟；而輸入為負(fù)值時，則會關(guān)閉，輸出端的值或?yàn)槌跏贾祷驗(yàn)榍耙粻顟B(tài)的值。但保護(hù)模塊中的延遲模塊所輸出的值為“1”或者是“0”，所以不可以接到使能端上，否則會一直使得出口模塊一直保持在使能的狀態(tài)，輸出的結(jié)果為“1”。假設(shè)輸出為“0”，那么經(jīng)過非門再與常數(shù)-0.5 相加，則可以使得使能端輸出為“1”，保護(hù)出口模塊輸出為“0”。

第四部分組成：保護(hù)總出口，主要是對三段所保護(hù)的輸出信號進(jìn)行相與操作，假設(shè)這三段的輸出分別為1，0，0，經(jīng)過相與，則總的輸出就為0，斷路器就會跳開。同樣，故障在第二部分或者第三部分出現(xiàn)也是同樣的原理。

3 仿真實(shí)驗(yàn)步驟

3.1 在simulink 中畫出三段電流保護(hù)的仿真線路（見圖1，2）。

3.2 對各個模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。這里設(shè)置需要注意的地方有：電源的值，電源內(nèi)阻的值；斷路器最開始的狀態(tài)（應(yīng)設(shè)為閉合）；電阻1，電阻2，電阻3 的數(shù)值和三相故障模塊的接地電阻的參數(shù)；子模塊需要設(shè)置的參數(shù)是Relay 和延遲模塊，根據(jù)三段電流保護(hù)的整定值設(shè)置Relay 的Switch on point 參數(shù)，整定值乘以返回系數(shù)作為Switch off point 參數(shù)。

4 出現(xiàn)的問題以及解決方法

問題一：若只用兩個電阻調(diào)節(jié)三種電流保護(hù)，調(diào)節(jié)不好則容易出現(xiàn)線路電流振蕩。

解決方法：增加一個電阻，用三個電阻和三相故障模塊的位置來模擬三種電流保護(hù)。例如，電流速斷保護(hù)時，第一個電阻為5 歐，第二個電阻為10 歐，第三個電阻為23 歐，三相故障模塊在AB 之間。

問題二：模塊的參數(shù)輸入正確，三段電流保護(hù)的示波器會出現(xiàn)錯誤，線路電流示波器出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。

解決辦法：改動三相故障模塊的接地電阻，圖像就會變正常。

5 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 模擬電流Ⅰ段保護(hù)動作

因?yàn)楸敬螌?shí)驗(yàn)電流速斷保護(hù)的保護(hù)范圍為54%，而線路長度與線路電阻成正比，所以將電阻1，電阻2，電阻3 的值分別設(shè)置為5 歐，10 歐，23 歐，將三相故障模塊設(shè)在電流Ⅰ段的范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明線路在0.5s 發(fā)生了故障，有一個相對較大的短路電流產(chǎn)生，之后經(jīng)過0.001s 的延時，斷路器1 跳閘。因?yàn)棰穸蔚恼娏鞲哂冖?，Ⅲ段，又由于延時時間不同，限時電流速斷保護(hù)在1s 動作，定時限過電流保護(hù)在2s 動作。

5.2 模擬電流Ⅱ段保護(hù)動作

因?yàn)橄迺r速斷保護(hù)的范圍是保護(hù)線路全長或部分下一回線路，將三相故障模塊設(shè)在B 點(diǎn)后。將電阻1，電阻2，電阻3 的值分別設(shè)置為5 歐，10 歐，23 歐。此時B 點(diǎn)后故障在限時速斷保護(hù)的范圍內(nèi)。因?yàn)殡娏鳍蚨握ㄖ蹈哂冖蠖味陀冖穸?，故Ⅰ段不動作，Ⅱ段，Ⅲ段動作。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明線路在1s 發(fā)生了故障，產(chǎn)生一個較大的短路電流，斷路器1 跳閘。限時電流速斷保護(hù)在1s 動作，定時限過電流保護(hù)在2s 動作。

5.3 模擬電流Ⅲ段保護(hù)動作

因?yàn)槎〞r限過電流速斷保護(hù)的范圍是保護(hù)線路全長以及下一回線路全長，將三相故障模塊設(shè)在B 點(diǎn)后。此時，電阻1 代表線路1 段的總電阻，電阻2 和電阻三之和代表線路2 段的總電阻。將電阻1，電阻2，電阻3 的值分別設(shè)置為15 歐，22 歐，1 歐。此時B 點(diǎn)后故障在電流Ⅲ段保護(hù)的范圍內(nèi)。因?yàn)殡娏鳍蠖握ㄖ档陀冖穸魏廷蚨?，故Ⅰ段，Ⅱ段不動作，Ⅲ段動作。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明線路在2s 發(fā)生了故障，產(chǎn)生一個較大的短路電流，斷路器1 跳閘。定時限過電流保護(hù)在2s 動作。

圖2 子系統(tǒng)0，1，2 仿真模塊