基于Matlab軟件的水電站繼電保護仿真研究

郭玉興

摘 要：如今隨著風力發電迅速發展和風電場規模不斷的擴大，風電場已經成為電力系統的重要組成部分，但是風力發電的隨機性和間歇性對接入電力系統的影響也越來越大，因此建立符合實際情況的實用風電場模型非常重要。本文分析了雙饋異步風力發電機組各個環節的數學模型，包括風速、風力機、傳動系統、變槳距控制和發電機等數學模型，從而構建基于雙饋異步風力發電機組的風電場詳細模型。根據假設風電場整體風速變化和尾流效應造成風速差異兩種情況分別對風電場進行分析，對風力發電機組進行組合并簡化，從而構建風電場的兩種簡化模型。利用MATLAB仿真工具建立風電場的仿真模型，通過仿真分析，對比風電場詳細模型和簡化模型來說明不同情況下簡化模型的準確性與適用性。

關鍵詞：MATLAB;電力體系;繼電保護;仿真研究

為了能夠獲得高特性的繼電保護商品，通常要完成繼電保護模擬實驗，以往的繼電保護試驗多應用實體的物理模型，試驗流程繁瑣、成本居高不下，效果也不甚理想，其變通性不佳。電力體系繼電保護數字仿真是運用電腦軟件模擬電力體系故障產生后電氣量的波動特性，模擬繼電保護設備的處置以及動作的流程，有著穩定性強、成本低、能夠反復試驗、脫離環境約束、研發時間短等優勢。透過對各類相異的繼電保護技術的仿真，并輔以軟件的協助，可以快速排查出設施運轉時的故障并第一時間處理。而MATLAB為核心的電力體系繼電保護仿真是其中使用頻率較高的技術。

一、電力系統故障仿真

筆者使用雙電源供應電能的體系模型，電壓級別是220千伏，見下圖：

上圖的模型顯示：同步發電機電機的容量是500MVA，電壓是13.8千伏;頻率是50赫茲;三相變壓器的容量是500MVA，D11/Yg線路接入模式，頻率是50赫茲。150千米電線的正序阻抗是0.01165+j0.0008679歐姆/千米，對地電容是13.41×10-9F/km。電荷1的電壓達到220千伏;有功負荷達到220×106/250W;無功負荷達到200W;負荷3顯示電壓值是220千伏;有功負荷達到220×106/250W;無功負荷達到200W;負荷四電壓值達到13.8千伏;有功負荷達到220×106/250W;沒有無功負荷。

在設計故障體系MATLAB仿真模型的過程中，透過故障模塊能夠設計三相短路、兩相短路、兩相短路接地、單相短路接地故障。筆者在此闡述單相接地短路故障，設計三相短路零件數據是A相接地短路，讓仿真系統運轉，獲取電路單相接地短路電壓和電流走向。

顯然，0-0.03秒的范疇內，電力體系能夠正常工作，三相電流和電壓相對應;在0.03秒的階段產生A相接地故障。A相電壓趨近于無，B相以及C相電壓也較低，因此流經A相的電流導致短路問題。三相電壓流入后系統趨于平穩，并回到三相對稱運轉的態勢。

以此類推，能夠設計它類的短路故障，并測試出仿真圖譜，并且能夠測得仿真模型內的三相故障模塊的電阻數據。透過觀測相應的仿真圖譜，解析接地電阻對電力體系的作用。

二、零序電流保護仿真

Simulink以及PSB模塊庫能夠設計一套220千伏的單側電源電能供應模型，模擬電力體系的接地故障。而且，構建零序電流保護以及單相重合閘為核心的仿真模型，透過這類模型能夠便利的對各類接地電阻和電弧作用下的故障實施解析，并模仿電力設備動作。筆者在此闡述單相接地短路故障，把故障模塊設計成A相接地短路，其仿真圖見下圖：

上圖顯示：在0.03秒的時間段中電路產生單相接地故障，A相電路產生劇烈波動，電壓不穩定，繼電設備動作后0.05秒保護端口跳閘，跳閘時間達到0.3秒的時候自行重合閘。因此，故障依然沒有消除，保護僅用時0.01秒就下達了跳閘指令。其流程是跳閘—重合閘——第二次跳閘。

三、變壓器縱差保護仿真

使用雙面電能供應模型，電壓級別達到735千伏/315千伏，變壓器兩端布置斷路器。

通過仿真設計，三相電源端的電壓達到735千伏，頻率達到50赫茲;低壓端電壓達到315千伏，頻率達到50赫茲。三相變壓器SN數值是250MVA，U1N/U2N數值是735千伏/315千伏，線路接入模式Y，d11。

在變壓器縱差保護的MATLAB仿真模型內，使用故障模塊能夠模擬變壓器區內外的任意故障。筆者在此闡述區內三相短路故障，應設計故障零件是A、B、C三相短路，短路點布置于靠里的方位，模擬變壓器縱差保護內部三相故障，這種仿真模式的使用，能夠獲得電流、電壓以及跳閘的簡圖，見下圖：

上圖顯示：在0-0.03秒的時間段內，電路能夠平穩運轉，三相電流和電壓對應。在0.03秒的時間段產生三相短路故障，三相電壓降低，三相電流快速躥升形成短路狀態，三相電壓與電流對應，表示三相短路是對稱短路。在0.13秒的時間段內，變壓器縱差保護動作，排除問題，電壓是電源電壓，電流值趨近于無。

四、事例闡述

（一）實驗情況

電力體系位于一條長為33.6千米的電路開端處3千米的位置，并產生A相單相接地故障，為方便起見，僅進行距離保護。透過電腦模擬暫態運算參數，將參數傳遞給功率放大設備，以測試設備的“波形回放”技術重演故障產生過程。

（二）實驗成果

21ms保護動作跳出故障相;1055ms時，重合閘解決重合故障。

（三）實驗評價

保護動作無失誤;參數波形較準確;打印的匯報與原始設置統一;表示測驗參數是準確的。

運用暫態仿真來對故障進行判別，能夠查驗保護動作的可靠性及保護間的協調是否到位。

結束語：

綜上，在MATLAB內，電力體系模型能夠在Simulation的背景下完成構建，再利用MATLAB強大的工具箱，能夠在電力體系的仿真過程中，得心應手地使用各類繁雜的管控模式?；贛ATLAB的電力體系繼電保護仿真技術是未來電力仿真領域的發展潮流。

參考文獻

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