基于Matlab的變壓器差動保護仿真設計

吳巧媚(廣東技術師范學院天河學院，廣東 廣州 510540)

1 引言

當前，微機型繼電保護裝置逐步代替了常規的模擬式繼電保護，在電力系統中獲得了越來越廣泛的應用［1］。由于微機保護的原理是用軟件實現，我們難以得知繼電保護裝置的內部動作行為，也難以直觀判斷保護裝置誤動或拒動時，保護裝置中究竟哪個模塊出現故障、或保護邏輯錯誤導致了保護的不正確動作。因此我們需要建立相應的仿真模型，通過仿真模擬實驗對電力系統繼電保護動作行為進行檢驗。本文利用Matlab中的Simulink及SimPowerSystem工具箱建立變壓器差動保護仿真模型，用S函數編寫保護算法。根據微機保護原理，實現變壓器差動保護的閉環仿真，并對仿真結果進行分析。仿真結果表明，該差動保護各模塊均能正確實現其保護的功能，并且具有較好的可靠性與速動性。

2 變壓器差動保護

2.1 比率制動式差動保護

縱聯差動保護是反應被保護變壓器各端流入和流出電流的相量差而決定保護是否動作的一種保護［2］。為保證保護正確動作，差動保護的動作電流應大于最大不平衡電流。但是，由于勵磁電流等原因，在正常運行時及保護范圍外部故障時，流入差動保護回路的不平衡電流較大，從而使保護的靈敏度降低。而比率制動式差動保護的動作電流是隨外部短路電流按比率增大，既能保證外部短路不誤動作，又能保證內部短路有較高的靈敏度。

圖1 兩折線比率制動特性

式中:S為BC為制動斜率，即S=tanα。

本文中比率制動參數整定方法亦參照文獻［2］。

3 變壓器差動保護仿真模型建立

3.1 一次系統建模

根據如圖2所示的電網接線圖，利用Matlab模塊庫建立變壓器保護一次仿真系統模型如圖3所示。其中，電源、變壓器參數根據系統所給參數設置。輸電線路模塊采用分布參數模型，用電流、電壓測量模塊再配合一個增益模塊用以設置互感器的變比。斷路器用‘Three－Phase Breaker’模塊，設置“1”為斷路器閉合狀態，“0”為斷開狀態。

圖2 電網接線圖

3.2 二次系統建模

變壓器差動保護二次系統應實現包括對一次系統的數據采集、監視、控制以及保護功能，仿真模型如圖4所示。

CT:為電流互感器模塊。1.L和1.H分別是變壓器兩側的測量電流。

圖3 一次系統接線圖

圖4 二次系統接線圖

Converter:為變換器模塊。包含了變壓器低壓側(△型接線)、高壓側(Y型接線)電流的變換算法，相位校正采用文獻［3］所述的三角形側變換，同時還設置了零序電流的輸出，主要是用以進行故障時的故障類型判斷。

Jibo和xiebo:為傅里葉級數變換模塊。該模塊直接用Simulink Library Browser自帶的模塊‘Fourier’，它輸出的是各相電流的直流分量或n次諧波分量的幅值I和相角φ。

GZXX:為故障選相模塊。用S函數編程實現故障相的判別。S函數輸出值所表示的含義如表1所示。

表1 故障選相模塊輸出值含義表

CDSD:為差動電流速斷模塊。此模塊用S函數編寫。

CTDX:為二次繞組斷線模塊。當任一相差動電流大于0.1IN，則啟動 CT斷線判別程序，滿足下列條件［5］:一本側三相電流中一相無電流;二其他兩相與啟動前電流相等。即認為是CT斷線。

CLYX:為差流越限警告模塊。用S函數編寫，用以監視各相差動電流。如果任一相差動電流大于越限的啟動門檻，發出告警信號。門檻值一般設為最小動作電流的1/2。

4 仿真實例分析

為分析各種故障時保護的動作情況，如圖3所示的系統，以下給出仿真系統參數:

(1)兩折線比率制動整定參數:最小啟動電流=1.0736A，最小制動電流 =2.3857A，最大制動電流 =8.5579A，最大不平衡電流 =2.5674A，斜率 =0.3668。

(2)二次諧波制動系數K2=15%。

(3)差動電流速斷的瞬時電流為12A;越限的啟動門檻電流為0.5368A仿真中使用具有勵磁特性的變壓器模塊，同時在變壓器兩側增加另外增加兩個斷路器，模擬勵磁涌流情況。以下給出空載合閘及二次回路斷線情況下電流波形。

圖5 變壓器高壓側空載合閘的勵磁涌流

圖6 高壓側CT二次回路斷線

各運行狀態下，斷路器動作行為信號，故障選相，閉鎖信號見表2。

表2 各運行狀態下，斷路器動作行為信號，故障選相，閉鎖信號

5 結論

仿真結果表明，兩折線比率制動能正確識別保護區內故障電流，并迅速切除故障。同時對于保護區外部故障與系統中的不平衡電流，差動保護能可靠不動作。在識別勵磁涌流的問題上，使用了二次諧波綜合相制動方式，較好的識別勵磁涌流，并且提高了保護的速動性。至于變壓器兩側電流互感器二次回路斷線模塊利用S函數編寫，作為故障錄波的一部分，可以正確識別故障的類型與故障相的判別。

總體來說，該差動保護各模塊均能正確實現其保護的功能，并且具有較好的可靠性與速動性，為觀察微機變壓器保護中各模塊的動作情況提供便利。

［1］徐建安.電力系統微機繼電保護［M］.北京:中國水利水電出版社，2008.

［2］張保會.電力系統繼電保護［M］.2版.北京:中國電力出版社，2009.

［3］畢大強，王祥珩，楊恢宏，等.變壓器差動保護中電流相位補償方式的分析［J］.電力系統自動化，2006，9:33 －37.

［4］何越，熊元新，姜山，等.變壓器空載合閘勵磁涌流的仿真分析研究［J］.電力學報，2010，2:33 －36.

［5］徐明珠，岳圣將，楊志立，等.變壓器差動保護CT二次回路斷線閉鎖分析［J］.電氣工程，2009，5:49 －51.